履帶式爬壁機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)*

曹立超 劉曉光 蔣曉明 周勇

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履帶式爬壁機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)*

曹立超 劉曉光 蔣曉明 周勇

（廣東省智能制造研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對(duì)履帶式爬壁機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)履帶脫離、磁鐵損傷、吸附不穩(wěn)定等問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化履帶結(jié)構(gòu)、改善傳動(dòng)裝置、改進(jìn)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，提出了履帶式爬壁機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。經(jīng)仿真結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該爬壁機(jī)器人負(fù)載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、運(yùn)行靈活性好。

爬壁機(jī)器人；永磁吸附；履帶

0 引言

爬壁機(jī)器人作為特種機(jī)器人，可以攜帶一定的工具設(shè)備，在玻璃幕墻清洗、船體外壁噴涂和除銹、石化罐體焊縫探傷、大型管道及高塔視頻監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合代替人類(lèi)更快、更好地完成作業(yè)任務(wù)[1-4]。

目前研究較多的爬壁機(jī)器人是履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人。胡紹杰[5]等研究了履帶式爬壁機(jī)器人磁吸附單元的優(yōu)化問(wèn)題，但只是增加了磁吸附力，沒(méi)有解決磁鐵斷裂的問(wèn)題；王瑞[6]等對(duì)三角履帶爬壁機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真，該機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)了越障功能，但穩(wěn)定性較差、負(fù)載能力不足；熊雕[7]等對(duì)履帶式爬壁機(jī)器人進(jìn)行受力分析與穩(wěn)定性仿真研究，但沒(méi)有深入研究履帶式爬壁機(jī)器人穩(wěn)定可靠運(yùn)行的條件。

履帶式爬壁機(jī)器人在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)履帶脫離、吸附不穩(wěn)定、磁鐵損壞等問(wèn)題。為此，本文通過(guò)優(yōu)化履帶結(jié)構(gòu)、改善傳動(dòng)裝置、改進(jìn)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)履帶式爬壁機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 爬壁機(jī)器人優(yōu)化

1.1 履帶易脫離優(yōu)化

履帶式爬壁機(jī)器人的吸附單元（磁鐵）全部集中在雙側(cè)履帶上[8]，機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，雙側(cè)履帶和機(jī)器人本體屬于2個(gè)單獨(dú)機(jī)構(gòu)。爬壁機(jī)器人需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在傾斜角為90°～180°的立面上工作，其兩側(cè)的履帶需要承受機(jī)器人本體和負(fù)載的重量（一般在1000 N以上）。當(dāng)機(jī)器人在壁面上沿著水平方向運(yùn)行時(shí)（如圖1所示），可能會(huì)發(fā)生履帶與機(jī)器人本體脫離的現(xiàn)象，如圖2所示。

圖1 機(jī)器人沿著水平方向運(yùn)行

圖2 履帶脫離機(jī)器人現(xiàn)象

目前常見(jiàn)的履帶式爬壁機(jī)器人基本采用鏈輪鏈條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或同步帶同步輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)行一段時(shí)間（<0.5 h）后，鏈輪（同步輪）常常會(huì)脫離鏈條（同步帶）結(jié)構(gòu)。輕者只是機(jī)器人停止工作，無(wú)法脫離壁面；重者會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人從運(yùn)行壁面上脫落，發(fā)生事故。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種新式履帶結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 新式履帶結(jié)構(gòu)

原有履帶采用鏈輪和鏈條結(jié)構(gòu)，齒形比較小，齒數(shù)較多，連續(xù)運(yùn)行時(shí)鏈輪可能脫離。優(yōu)化為圖3所示新式履帶結(jié)構(gòu)后，齒數(shù)變少，齒形變大，履帶張緊后齒輪較難從履帶中脫離。另外在齒輪外增加1個(gè)擋片，也可以防止履帶從齒輪中脫離。這樣在雙重防護(hù)下，解決了爬行機(jī)器人履帶脫離問(wèn)題。經(jīng)測(cè)試，機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行1 h沒(méi)有發(fā)生履帶脫離現(xiàn)象。

1.2 永磁鐵斷裂磨損優(yōu)化

履帶式爬壁機(jī)器人采用獨(dú)立不連續(xù)分布的長(zhǎng)條狀磁鐵提供吸附力，如圖4所示。永磁鐵屬于硬脆性材料，被吸附壁面剛度較大，兩者接觸吸附時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊力，容易損壞永磁鐵。

圖4 獨(dú)立不連續(xù)分布的永磁鐵履帶

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出整體式橡膠履帶結(jié)構(gòu)，如圖5所示。履帶采用橡膠一體加工成型，在保證足夠強(qiáng)度的前提下，既減輕機(jī)器人的重量，還增大機(jī)器人與吸附壁面之間的摩擦力，保證機(jī)器人穩(wěn)定行走。

圖5 整體式橡膠履帶結(jié)構(gòu)

由圖5可看到，永磁鐵交替布置在橡膠履帶中間，且永磁鐵高度略小于橡膠高度（約0.5 mm）。當(dāng)機(jī)器人吸附在壁面上工作時(shí)，在磁吸附力的作用下磁鐵周?chē)南鹉z發(fā)生變形。利用橡膠的減震性，使永磁鐵和壁面間的剛性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越佑|，在保證足夠磁吸附力的同時(shí)保護(hù)磁鐵不發(fā)生斷裂

1.3 機(jī)器人吸附穩(wěn)定可靠性?xún)?yōu)化

爬壁機(jī)器人要保證穩(wěn)定可靠地吸附在壁面，需要有足夠的磁吸附力。與此同時(shí)，磁吸附力增加會(huì)加大機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的摩擦力；摩擦力過(guò)大需要增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)力；增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)力需要使用更大的電機(jī)與減速器，加大了機(jī)器人整體重量，需要更大的磁吸附力才能穩(wěn)定可靠地吸附在壁面上。吸附力（摩擦力）、驅(qū)動(dòng)力和自重載荷3大矛盾體的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)是機(jī)器人穩(wěn)定可靠吸附的關(guān)鍵。

機(jī)器人在垂直壁面（鋼）上的受力模型如圖6所示。

當(dāng)機(jī)器人靜止吸附在壁面上時(shí)，滿(mǎn)足式(1)的靜力平衡。

=

+1=(1)

F?永磁鐵對(duì)壁面的吸附力　N?壁面對(duì)機(jī)器人的支持力　f?機(jī)器人對(duì)壁面的摩擦力　G?機(jī)器人重力　v ?機(jī)器人前進(jìn)速度　F1?機(jī)器人前進(jìn)時(shí)的動(dòng)力

圖6 爬壁機(jī)器人受力模型

當(dāng)機(jī)器人在壁面上運(yùn)行時(shí)，橡膠和鋼之間的摩擦系數(shù)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.1左右。因此，為使機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定吸附行走，磁吸附力要達(dá)到重力的10倍。本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人自重為370 N，載重為350 N，總重量為720 N。機(jī)器人的磁吸附力要達(dá)到7200 N才能保證其穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

采用電磁分析軟件flux對(duì)單塊磁鐵的電磁力進(jìn)行分析。磁鐵外形尺寸為60 mm×20 mm×10 mm，鋼板厚度為10 mm；已知釹鐵硼的回復(fù)磁導(dǎo)率為1.05，剩磁為1.202 T。flux建模示意圖如圖7所示。

圖7 flux建模示意圖

模擬得到磁鐵吸附力與被吸附鋼板間間隙關(guān)系曲線圖如圖8所示。

圖8 磁吸附力與間隙關(guān)系示意圖

由圖8可知：隨著間隙值增加，磁鐵的磁吸附力以指數(shù)衰減形式急劇下降。因此，為增加磁鐵的磁吸附力，應(yīng)盡可能減少磁鐵與壁面間的接觸距離。本文設(shè)計(jì)的履帶橡膠墊的高度約為0.5 mm，磁吸附力約為240 N，因此需要30塊磁鐵同時(shí)吸附（磁吸附力大于7200 N）才能保證機(jī)器人穩(wěn)定行走。本文機(jī)器人采用雙履帶結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為550 mm，單側(cè)同時(shí)有16塊磁鐵吸附在壁面，則整個(gè)履帶的吸附力達(dá)到7680 N（2×16×240），滿(mǎn)足爬壁機(jī)器人穩(wěn)定可靠吸附的需要。

為了保證機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在機(jī)器人底部設(shè)計(jì)了帶有萬(wàn)向滾珠的輔助吸附裝置，如圖9所示。

圖9 輔助吸附裝置

從圖9輔助吸附裝置的安裝布置可以看出，圓形的輔助吸盤(pán)分散布置在機(jī)器人底部，每1個(gè)輔助吸盤(pán)四周分布著幾個(gè)萬(wàn)向滾珠。萬(wàn)向滾珠的工作高度距離吸附壁面約0.5 mm，吸盤(pán)距離壁面為0.8 mm～1.0 mm。這樣當(dāng)機(jī)器人吸附在壁面上時(shí)，在幾個(gè)輔助吸盤(pán)對(duì)壁面的吸附力作用下，整個(gè)機(jī)構(gòu)會(huì)緊靠壁面，萬(wàn)向滾珠基本接觸到壁面。同時(shí)由于吸盤(pán)略高于滾珠，在滾珠的支撐下，吸盤(pán)不會(huì)吸附在壁面上，保證運(yùn)行的靈活性。優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的履帶式爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 履帶式爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證方案可行性，對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真分析。在SolidWorks建立爬壁機(jī)器人的模型，并將其導(dǎo)入ADAMS；對(duì)各零部件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置并添加相應(yīng)的約束關(guān)系；設(shè)置重力等外部環(huán)境，如圖11所示。

圖11 爬壁機(jī)器人仿真模型

在爬壁機(jī)器人兩側(cè)履帶上分別添加接觸力，并根據(jù)鋼與橡膠的摩擦系數(shù)，設(shè)置靜摩擦系數(shù)為0.35，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置1個(gè)垂直壁面向里的作用力7680 N。在兩側(cè)主動(dòng)輪上添加驅(qū)動(dòng)，仿真時(shí)間設(shè)置為300 s，運(yùn)行速度與實(shí)際保持一致10 mm/s，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 仿真結(jié)果

由圖12(a)可以看出，機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中較平穩(wěn)，速度基本保持穩(wěn)定；從圖12(b)可以看出，靜摩擦力基本與系統(tǒng)重力一致（爬壁機(jī)器人系統(tǒng)重量約為 660 N），在爬壁機(jī)器人運(yùn)行開(kāi)始和結(jié)束時(shí)有突變，但變化較小。

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)本文設(shè)計(jì)的履帶式爬壁機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，機(jī)器人無(wú)負(fù)載和搭載設(shè)備在壁面上進(jìn)行橫向和縱向移動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

由圖13(a)和圖13(b)可以看出，爬壁機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)壁面上無(wú)論橫向還是縱向，均可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。改進(jìn)后的爬壁機(jī)器人在連續(xù)行走過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)抖動(dòng)、打滑或從壁面上脫落的現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)生履帶脫離、吸附磁鐵損壞的現(xiàn)象。

由圖13(c)和圖13(d)可以看出，在爬壁機(jī)器人上安裝1套十字滑臺(tái)系統(tǒng)，末端搭載工作設(shè)備，設(shè)備總重量為300 N。機(jī)器人搭載300 N重的設(shè)備在壁面上行走時(shí)，吸附穩(wěn)定可靠、運(yùn)行平穩(wěn)。

圖13 測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有的履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人存在的問(wèn)題，提出一種履帶式爬壁機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1）通過(guò)優(yōu)化機(jī)器人履帶結(jié)構(gòu)，解決了履帶式機(jī)器人容易出現(xiàn)履帶脫離、吸附磁鐵容易碎裂的問(wèn)題；

2）通過(guò)模擬及仿真，計(jì)算得到機(jī)器人穩(wěn)定可靠行走需要的磁吸附力；

3）經(jīng)仿真結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，優(yōu)化設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)行靈活性好，未來(lái)可以搭載多種設(shè)備完成工作。

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Optimization Design of Tracked Wall-Climbing Robot

Cao Licao Liu Xiaoguang Jiang Xiaoming Zhou Yong

(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing, Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology)

At present, tracked wall-climbing robots are prone to problems such as track shedding, magnet damage, and unstable adsorption in the process of performing tasks. This situation easily causes the robot to fall from the work area. In view of the above problems, this paper has set up a wall-climbing robot by optimizing the track structure, improving the transmission device and improving the structure of the robot. Based on the simulation results and the prototype test, the optimized wall-climbing robot has strong load capacity, good stability and good movement flexibility. In the future, it can carry various equipment to complete the task.

Wall Climbing Robot; Permanent Magnet Adsorption; Track

曹立超，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：自動(dòng)化智能裝備、爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。E-mail: lzclc521@163.com

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016B090927008，2016A030310309 2017A050506036，2014B040404063）；廣東省科學(xué)院能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)（2017GDASCX-0015，2016GDASRC-0106，2017GDASCX-0848）。