張學(xué)森

（中廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

目前，風(fēng)力發(fā)電已在世界各地廣為應(yīng)用。作為風(fēng)能收集的載體—風(fēng)電塔筒而言，由于制造、裝配等過(guò)程存在的問(wèn)題，以及長(zhǎng)時(shí)間使用后塔筒疲勞，容易出現(xiàn)塔筒裂紋、表面銹蝕等狀況，不及時(shí)實(shí)施對(duì)應(yīng)的檢修措施將會(huì)引發(fā)塔筒坍毀的嚴(yán)重事故。目前常見的人工檢修法存在諸多弊端：1） 檢修人員需要攜帶大量工具從高度極高的塔筒內(nèi)攀爬到頂部；2） 檢修人員懸吊在塔筒外壁工作時(shí)，由于高空風(fēng)力較大，極易出現(xiàn)晃動(dòng)，威脅檢修人員的安全。

1 動(dòng)力學(xué)建模

該爬壁機(jī)器人模型主要分為以下幾個(gè)部分:履帶模塊、連接機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模塊和車體。由于爬壁機(jī)器人零部件數(shù)量繁多，連接關(guān)系復(fù)雜，所以只將單側(cè)履帶模塊加上電機(jī)基座作為模型來(lái)進(jìn)行后續(xù)動(dòng)力學(xué)仿真，其中力的傳遞是從電機(jī)經(jīng)電機(jī)基座傳遞到鏈輪軸上。根據(jù)模型簡(jiǎn)化的原則，提出了基于ADAMS 的爬壁機(jī)器人建模方法，步驟如下。1） 在ADAMS中對(duì)模型部件重新建模，僅保留前后各一個(gè)鏈輪，名稱分別為PART_C1 和PART_C2，其余部件均需要重新生成。2） 將電機(jī)基座與鏈輪板簡(jiǎn)化成連桿一，另一個(gè)鏈輪板簡(jiǎn)化成連桿二，建立兩個(gè)連桿連接鏈輪，名稱分別為PART_C1L 和PART_C2L；壁面名稱為PART_DM；長(zhǎng)方體表示履帶板框架，名稱為PART_CHETI。3） 對(duì)鏈條部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，將滾筒和套筒合并成一個(gè)部分，只保留鏈板與滾子。4） 永磁吸附模塊部分簡(jiǎn)化成一塊永磁鐵。5） 將1 個(gè)永磁鐵和1 個(gè)鏈節(jié)作為一個(gè)整體，命名為PART_LD_X，X 取值范圍為1～70，整個(gè)鏈傳動(dòng)模塊中，包括有70 個(gè)永磁鐵和70 個(gè)鏈節(jié)。6）最后加上地面和履帶框架簡(jiǎn)化成的長(zhǎng)方體，基于ADAMS 建模生成履帶行走模塊。

2 爬壁機(jī)器人的吸附方式

2.1 磁吸附方式

磁吸附的方式多應(yīng)用在攀爬的壁面是導(dǎo)磁體的場(chǎng)景，如造船行業(yè)的焊接爬壁機(jī)器人、除銹爬壁機(jī)器人和管道檢測(cè)機(jī)器人。利用帶有永磁體的履帶作為機(jī)器人的吸附力來(lái)源，研制了一種用于船舶壁面除銹的爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人具有吸附力大，負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。磁吸附有電磁體吸附和永磁體吸附兩種。電磁體爬壁機(jī)器人的磁力是電磁鐵通電后產(chǎn)生電磁吸力，它的特點(diǎn)是可以通過(guò)調(diào)整通電電壓來(lái)調(diào)整電磁力的大小，但是由于需要通過(guò)電磁線圈勵(lì)磁產(chǎn)生吸力，因此需要提供額外的電源供電，且防水性能要求較高。因此該方法具有一定的局限性。

2.2 負(fù)壓吸附方式

負(fù)壓吸附是利用機(jī)器人和被吸附的壁面之間形成負(fù)壓，產(chǎn)生吸附力而實(shí)現(xiàn)吸附。該方式現(xiàn)有的技術(shù)相當(dāng)成熟，且能承受比較大的負(fù)載。但其對(duì)吸附面的粗糙度要求較高且設(shè)備笨重、噪聲大。日本的西亮于1966 年利用負(fù)壓吸附技術(shù)研制出第一個(gè)能吸附在垂直壁面上的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，1975 年他采用單吸盤結(jié)構(gòu)研制了第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)。此后很多爬壁機(jī)器人的吸附方式均利用了真空吸附原理。研制了一種利用負(fù)壓吸附的單吸盤爬壁機(jī)器人，并研制了原理樣機(jī)。

2.3 干性材料靜電吸附方式

干性黏附材料是模擬壁虎腳掌，通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS） 加工技術(shù)設(shè)計(jì)并制作的高分子材料吸附陣列，該吸附方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)吸附面的形狀和材質(zhì)沒(méi)有特殊要求，適應(yīng)性較強(qiáng)。2010 年斯坦福大學(xué)的MarkCutkoky 利用干性黏附材料研制了一種名為StickyBotⅢ的仿壁虎機(jī)器人，其腳掌是一種干性黏附材料，它是一種微納尺度的仿生剛毛，腳趾能外翻和內(nèi)收。每條腿使用4 臺(tái)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，腿部是五桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人的吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式均和壁虎相近，該機(jī)器人長(zhǎng)760cm。

3 爬壁機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和結(jié)論

1） 爬壁機(jī)器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。雖然當(dāng)前有很多學(xué)者和單位對(duì)爬壁機(jī)器人開展了深入的研究，也取得了相當(dāng)豐富的成果，其應(yīng)用的主要目標(biāo)是清洗、噴涂、檢測(cè)、除銹等作業(yè)，但是由于存在跨越障礙未能從根本上克服，吸附技術(shù)仍然有待發(fā)展等，因此目前爬壁機(jī)器人離大規(guī)模的應(yīng)用仍然存在一定的差距。隨著這些問(wèn)題的克服，將來(lái)爬壁機(jī)器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。2） 吸附技術(shù)發(fā)展，將提高爬壁機(jī)器人的攀爬能力。吸附技術(shù)是爬壁機(jī)器人所必須克服的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，它決定了爬壁機(jī)器人的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題。而當(dāng)前很多吸附技術(shù)仍然存在一定的不足，在工程應(yīng)用過(guò)程中存在不能滿足需求的問(wèn)題，這一問(wèn)題多年來(lái)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視，也取得了不少科研成果，因此隨著新材料、仿生技術(shù)的發(fā)展，爬壁機(jī)器人的吸附技術(shù)也將得到發(fā)展，從而提高爬壁機(jī)器人的吸附能力。3） 運(yùn)行空間和適應(yīng)范圍將更為擴(kuò)大，從而推動(dòng)無(wú)纜爬壁機(jī)器人的應(yīng)用。隨著電池能量密度的不斷增加，從而使得機(jī)器人本體的重量越來(lái)越輕。同時(shí)機(jī)器人傳感技術(shù)飛速發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人人工智能控制方式的發(fā)展，使得機(jī)器人不再局限在有限的空間，從而擁有一定自主決策能力、不再有電纜的爬壁機(jī)器人將是其發(fā)展的趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在滿足機(jī)械性能的前提下，為獲得質(zhì)量較小的電機(jī)基座，提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先是基于ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真得到極限載荷并將其用于后續(xù)的有限元分析，然后是將拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)敏感性分析和響應(yīng)面法相結(jié)合進(jìn)行電機(jī)基座的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化分析，確定優(yōu)化方向;通過(guò)參數(shù)敏感性分析，得到影響輸出參數(shù)的主要輸入?yún)?shù);通過(guò)建立基于標(biāo)準(zhǔn)二階響應(yīng)面法的響應(yīng)面模型，結(jié)合多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，得到符合優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)尺寸。