一種可跨壁面磁吸附剛罐道巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

王興皓，方淙敏，郝靖，朱婷婷

（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 研究背景

礦井提升系統(tǒng)處于礦山運(yùn)輸環(huán)節(jié)的咽喉位置，擔(dān)負(fù)著提升煤炭、矸石，下放材料，升降人員和設(shè)備的任務(wù)，其安全狀態(tài)對于煤礦生產(chǎn)安全至關(guān)重要。而罐道是提升系統(tǒng)中的導(dǎo)向裝置，在維護(hù)容器提升中有著重要作用，罐道一旦產(chǎn)生故障，則會導(dǎo)致提升容器的異常振動，故對罐道系統(tǒng)的檢測尤為重要。在整個(gè)提升系統(tǒng)的工作過程中，罐道主要起著導(dǎo)向和限位的作用。同時(shí)，隨著鋼絲繩防墜裝置的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，罐道與罐道梁將同樣承載著罐籠防墜裝置抓取載體的作用，因此，罐道的安全性能直接影響著整個(gè)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究積累

2.1 國外研究現(xiàn)狀

Marus Eich等人研究的一種用于遠(yuǎn)洋船舶表面檢測的雙輪式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人前面有兩個(gè)差速驅(qū)動輪，尾部有一個(gè)摩擦型被動角輪，驅(qū)動輪式鑲嵌多個(gè)圓柱形磁鐵，運(yùn)行時(shí)，由磁鐵底面與壁面接觸。該機(jī)器人重量輕，控制簡單，但其僅能完成內(nèi)角壁面過渡，不能完成外角壁面跨越。日本的Hideyuki Tsukagoshi等人研究的一種三輪式爬壁機(jī)器人，其中，兩對四邊形驅(qū)動輪以及輔助輪均采用高黏結(jié)性材料，因此，可以在各種材料的壁面上爬行，其設(shè)計(jì)的用途是能夠在狹小的空間內(nèi)運(yùn)行，但是，其主動輪為四邊形結(jié)構(gòu)，機(jī)器人運(yùn)行緩慢，并且對壁面光潔度要求較高。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

東南大學(xué)楊保強(qiáng)[3]研究設(shè)計(jì)的一種壁面跨越磁吸附爬壁機(jī)器人，其為雙體六輪式壁面跨越爬壁機(jī)器人，為鈍角三角形結(jié)構(gòu)，可自主實(shí)現(xiàn)內(nèi)直角壁面跨越，由于僅有兩電機(jī)提供動力，其需要扭力較大導(dǎo)致其運(yùn)行速度較慢。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李志海設(shè)計(jì)的一種輪足混合驅(qū)動爬壁機(jī)器人，其綜合輪式與足式移動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使得爬壁機(jī)器人能夠同時(shí)適應(yīng)鐵磁性壁面與地面環(huán)境。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)跨越地面與豎直壁面等交叉壁面、且具備一定的越障性能。

3 本文主要研究內(nèi)容

本文主要是比較介紹一款礦井剛罐道的巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，方便對罐道壁面及周圍進(jìn)行監(jiān)測，以提高礦井設(shè)備安全運(yùn)行。剛罐道巡檢機(jī)器人以一定速度在剛罐道上爬行，當(dāng)遇到無法越過的障礙時(shí)，可使機(jī)器人翻越到另一壁面爬行。為了完美適應(yīng)剛罐道條件，要求我們機(jī)器人的多壁面攀爬能力強(qiáng)，以下是機(jī)器人具體技術(shù)要求指標(biāo)。

巡檢機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)需著重考慮以下幾點(diǎn)：（1）吸附功能：機(jī)器人工作的壁面環(huán)境復(fù)雜，故需保證機(jī)器人穩(wěn)定可靠地吸附在剛罐道壁面上，并防止機(jī)器人發(fā)生下滑、傾覆等危險(xiǎn)；（2）移動性能：能夠在較平整的墻壁上自由地平移，有足夠摩擦阻力，可以調(diào)整巡檢時(shí)速度并且能夠安全可靠地實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向； （3）壁面過渡功能：能夠保證所有單元安全可靠地翻越壁面，且不發(fā)生墜落。（4）輕量化本體設(shè)計(jì)：降低爬壁機(jī)器人的自重以此來減少其在運(yùn)動過程中的能耗，因此，在滿足機(jī)器人強(qiáng)度和剛度需要的前提下，盡量減輕自重。

4 基本方案

在進(jìn)行剛罐道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，主要從吸附方式、運(yùn)動方式以及跨壁面方式這三個(gè)因素進(jìn)行考量，接下來，將針對這三個(gè)因素的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行分析對比。

4.1 吸附方式

為將剛罐道巡檢機(jī)器人吸附于工作平面上，常用的吸附方式有如下三種類型：負(fù)壓吸附方式、磁力吸附方式以及機(jī)械吸附方式。負(fù)壓吸附，通常分為兩種類型：吸盤吸附與推力吸附。吸盤吸附利用負(fù)壓裝置，通過大氣壓力將機(jī)器人壓附于工作平面上，對工作平面適應(yīng)能力強(qiáng)，但是，遇到不平整地工作表面時(shí)，機(jī)器人很大概率從平面上跌落。所以，為了機(jī)器人安全，要做到機(jī)器人底部真空腔內(nèi)具有極大的負(fù)壓，這對機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)要求很嚴(yán)格，實(shí)際操作起來較困難；推力吸附主要通過合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)的推力將機(jī)器人貼附在壁面上。氣流壓力始終垂直指向工作平面，機(jī)器人易于越過障礙物。這種機(jī)器人運(yùn)動速度會快，可以跨越較大的障礙，但是，極大地加大了速度和運(yùn)動精度控制的難度，并且其難以承受很大負(fù)載，安全性不高。磁力吸附分為兩種：永磁吸附與電磁吸附。通過磁吸力將機(jī)器人吸附于鐵磁性材料工作表面上，由其工作原理可以看出，此結(jié)構(gòu)要求工作面為磁性材料。而依據(jù)這種方式制成的機(jī)械體結(jié)構(gòu)相對簡單，且對惡劣工作平面適應(yīng)能力強(qiáng)。永磁吸附方式能提供很大的吸力，這點(diǎn)比電磁吸附要好得多。這樣，使用永磁吸附的機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)會更加簡單（不需要另加更復(fù)雜的電控系統(tǒng)去保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定），而且不會發(fā)生斷電或其他突發(fā)狀況時(shí)機(jī)器人突然跌落，更加保證了巡檢時(shí)的人員、設(shè)備安全。

機(jī)械吸附方式主要使用各種夾緊裝置（常見的如機(jī)械爪、夾等）卡在工作面的凸起或嵌進(jìn)工作面的縫隙中。與前兩者吸附方式相反，機(jī)械吸附需要工作表面凹凸不平，這樣才能保證足夠的支點(diǎn)來移動。靜止時(shí)，機(jī)器人通過夾緊機(jī)構(gòu)牢牢地抓住著力點(diǎn)。而在運(yùn)動過程中，由于無法精準(zhǔn)預(yù)料壁面凹凸點(diǎn)，運(yùn)動控制的難度增大，安全系數(shù)大幅降低。這類吸附方式相對于負(fù)壓吸附和磁力吸附，負(fù)載能力小并且運(yùn)行速度慢。在礦井提升系統(tǒng)中，要求機(jī)器人自身穩(wěn)定性高，以防發(fā)生事故，并且剛罐道為鐵磁性材料，綜合考慮以上各種吸附方式的優(yōu)缺點(diǎn)，故本課題選用永磁吸附作為機(jī)器人的吸附系統(tǒng)。

4.2 運(yùn)動方式

移動機(jī)器人常用的行走機(jī)構(gòu)有履帶式、腿足式及輪式三種。移動機(jī)器人采用哪種移動方式主要取決于移動環(huán)境，下面通過介紹這三種典型的移動方式，對比其優(yōu)缺點(diǎn)，選取適合剛罐道巡檢機(jī)器人的移動方式。履帶式爬壁機(jī)器人與壁面接觸面積大、適應(yīng)能力強(qiáng)，且吸附力較大，可將吸附裝置安裝于履帶上，但其轉(zhuǎn)向時(shí)所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)向困難；腿足式爬壁機(jī)器人的吸附力大，運(yùn)動靈活并且具備很強(qiáng)的跨壁面能力；但其運(yùn)動速度慢，電控系統(tǒng)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差；輪式爬壁機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、移動速度快、操作性好、承載能力大、轉(zhuǎn)向性能好等特點(diǎn)，然而，車輪與壁面的接觸面積小，吸附力相對較小，但這種缺點(diǎn)可以通過特殊的磁輪結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)。由于剛罐道機(jī)器人的應(yīng)用在超深井剛罐道上，所需能耗大，所以要盡量減少能耗，并且要機(jī)器人要有盡可能足夠快的速度去監(jiān)測，以此減少提升容器的停機(jī)時(shí)間。綜合上述分析，本課題選用輪式作為巡檢機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。

4.3 跨壁面方式

對已有磁吸附可跨壁面的爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對比總結(jié)，可分為兩類：一類是采用特殊形狀的車身結(jié)構(gòu)或者吸附單元，以此滿足爬壁機(jī)器人進(jìn)行跨越壁面的工作需求，此類爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)、控制較為復(fù)雜且跨壁面性能一般。另一類是采用多體式的車身結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于前面車體在進(jìn)行跨壁面運(yùn)動時(shí)，后面車體為其提供一定的支撐，當(dāng)前面車體完成跨壁面運(yùn)動后，為后面車體提供一定的支撐，提高了爬壁機(jī)器人在進(jìn)行跨壁面動作時(shí)的安全性，以此來保證整個(gè)機(jī)器人能夠安全地完成跨壁面運(yùn)動。如兩體六輪式磁吸附可跨壁面機(jī)器人、三體六輪式磁吸附跨壁面機(jī)器人、帶傳動兩體式爬壁機(jī)器人等都屬于此種類型。此類爬壁機(jī)器人跨壁面性能優(yōu)越且結(jié)構(gòu)較為簡單。綜上分析，考慮到應(yīng)用環(huán)境為礦井提升系統(tǒng)中剛罐道，必須保證其進(jìn)行跨壁面動作時(shí)的安全性，故本文設(shè)計(jì)了一種多體式可跨壁面磁吸附剛罐道巡檢機(jī)器人。

5 結(jié)語

本文主要針對目前比較常見的剛罐道巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，針對吸附方式、運(yùn)動方式、跨壁面方式進(jìn)行詳細(xì)分析，得出一個(gè)較為符合深立井工況的磁吸附巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，即采用多節(jié)式車體，每節(jié)車體依據(jù)萬向節(jié)進(jìn)行連接，可順利跨越多面壁面；采用輪式行走結(jié)構(gòu)，能耗低，易于運(yùn)動速度和運(yùn)動精度控制；依靠永磁磁輪進(jìn)行吸附，吸附力大，安全系數(shù)高。