風電塔筒檢測爬壁機器人設計與安全性分析

楊占力, 萬 媛, 王 洋, 國寶燕, 張 浩, 陳鵬旭

(1.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學材料學院，天津 300130；3. 哈爾濱工業(yè)大學(深圳)電子與信息工程學院，深圳 518055)

近年來，中國風電產業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)上升趨勢，隨著風機利用率的提高，為節(jié)約更多資源，定期對風機塔筒大型立面進行檢測維護作業(yè)已成為保障其安全運營的重要舉措。當前人工檢修存在明顯的缺點是：檢測維修困難大、作業(yè)人員條件艱苦，工作強度較大、安全性差，施工周期長、成本高；大量財力的投入在風電的檢修維護中降低風電場的生產效益[1-3]。隨著檢測爬壁機器人的研究與應用,機器人替代人工早已成為一種趨勢[4- 8]。利用爬壁機器人進行作業(yè)任務時需要保證機器人的安全吸附條件。爬壁機器人進行檢測作業(yè)的前提是可以穩(wěn)定的吸附在壁面，由于作業(yè)面是曲面，而且有凹凸不平的焊縫，作業(yè)面較高，遇到焊縫或機器人在轉彎時,起其履帶上的永磁鐵塊與壁面的接觸面積會變小，從而機器人對壁面的吸附力也會變小，從而機器人可能會面臨從壁面脫離墜落的危險。因此對機器人的安全性要求較高，對機器人進行安全性分析十分重要。機器人吸附力過大容易使穩(wěn)定性增強的同時使靈活性降低[9-10]。因此機器人的吸附力需要達到保證安全性條件下時最小吸附力。研究爬壁機器人的安全性即靜態(tài)與動態(tài)時機器人在壁面吸附穩(wěn)定性的研究。需要對機器人不同的位姿狀態(tài)進行力學分析以保證最小吸附力。

風電塔筒壁面多為圓柱面和圓錐面，需要考慮機器人的曲面適應性。目前已有針對風電塔筒設計的爬壁機器人。劉歡等[11]對爬壁機器人的結構進行了設計，但模型中忽略了機器人對風電塔筒曲面適應能力。劉繼剛等[12]研究的輪式超聲波檢測爬壁機器人的靜穩(wěn)定性分析，并仿真得到主導失穩(wěn)的形式，但是沒有分析動態(tài)穩(wěn)定性機器人吸附力的影響。田蘭圖等[13]、衣正堯等[14]設計的油罐檢測機器人在進行安全性分析對各種失穩(wěn)形式進行了分析，但是只研究了各失穩(wěn)形式與傾角、位姿角的關系，沒有分析重心高度、負載等對吸附力的影響。

為此，基于塔筒壁面維護作業(yè)機器人研究基礎與現(xiàn)場應用經驗，結合機器人工程應用中的機器人曲面適應性，研發(fā)了一款履帶爬壁機器人。并對塔筒表面的爬壁機器人進行了靜態(tài)與動態(tài)的安全性分析，分別對其影響因素分別進行了仿真研究。并且對設計的機器人在實際工況下進行試驗，從而驗證了機器人參數(shù)設計的合理性以及機器人的安全穩(wěn)定性。為下一步的機器人模塊功能的實現(xiàn)提供了可靠的保證。

1 自適應爬壁機器人的結構介紹

機器人的本體結構、控制系統(tǒng)以及其他輔助部分構成了完整的機器人樣機。機器人的本體結構是機器人功能得以實現(xiàn)的載體，是機器人安全性分析以及控制系統(tǒng)設計的根本出發(fā)點和主要依據(jù)。圖1為機器人基本結構圖。圖1中機器人的結構主要有由五部分構成：吸附結構、行走結構、驅動模塊、檢測結構及主體框架。該爬壁機器人整體結構由左車體、右車體、中間平臺組成。其中機器人左、右車體相同并相對于中間平臺成對稱分布。機器人采用前后驅動方式使其結構更緊湊。爬壁機器人的兩側的履帶輪各自連一個型號相同的直流伺服電機，分別連在履帶輪的前輪與后輪，通過兩個控制器控制電機的轉速，從而分別控制履帶輪的轉速，進而實現(xiàn)兩個履帶的差速，因此機器人可以實現(xiàn)不同半徑的轉彎運動。

1為拉伸彈簧；2為編碼器；3為抱閘；4為直流伺服電機；5為減速器；6為聯(lián)軸器；7為左車體；8為磁吸附結構；9為限位結構；10為檢測結構；11為中間平臺；12為電機殼；13為限位銷；14為右車體；15為鏈條；16為履帶壓緊裝置；17為鏈輪；18為張緊裝置圖1 爬壁機器人基本結構Fig.1 Wall climbing robot basic structure

該機器人能夠有效地對圓柱面或圓錐面自適應，如圖2所示。圖2中，機器人結構由中間平臺、左車體、右車體構成，左右車體相對中間平臺分別有兩個自由度，使爬壁機器人能夠更好地適應變曲率壁面。永磁體通過螺栓固定在鏈條上從而構成履帶行走機構。

θ為兩側車體適應曲面后與中間平臺形成的夾角；R為曲面半徑；1為車體；2為塔筒壁面圖2 爬壁機器人曲面適應模型Fig.2 Surface adaptation model of wall climbing robot

爬壁機器人的車體通過雙履帶上面固定的永磁吸附結構穩(wěn)定的附著在作業(yè)壁面。履帶由鏈條和永磁吸附單元組成。吸附機構采用多塊永磁體機構，多塊永磁體機構能增強機器人履帶與壁面的接觸適應性。在總吸附力恒定的情況下，永磁體塊的數(shù)量越多，機器人對壁面的柔性接觸性能就越好。然而永磁體單元的數(shù)量受到鏈條長度和整機尺寸的限制。圖3為爬壁機器人的吸附單元結構示意圖，該結構由永磁體、軛鐵、螺栓連接結構等構成，永磁體安裝在軛鐵槽中，軛鐵外側用氯丁膠封裝。軛鐵槽用螺栓將吸附單元和鏈條固定在一起。圖4為吸附結構的三維圖。

1為銷軸；2為螺母；3為螺栓；4為氯丁膠；5為軛鐵；6為固定板；7為鏈板圖3 吸附單元結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of adsorption unit structure

圖4 吸附結構三維圖Fig.4 Adsorption structure three-dimensional figure

2 空間位姿與安全分析

基于風電塔筒壁面檢測作業(yè)機器人，根據(jù)實際工況建立機器人的任意位姿空間模型。為了系統(tǒng)對履帶爬壁機器人安全吸附穩(wěn)定性問題的分析，需要對機器人的靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)下的安全性進行分析。最終得到機器人安全附著在壁面時的許用吸附力。

2.1 空間位姿建立

根據(jù)爬壁機器人應用需求，為了更準確地確定機器人安全性的條件，需要以任意姿態(tài)下的機器人模型為基礎，對其進行安全性分析。圖5為爬壁機器人的一般空間位姿模型，考慮到便于對機器人分析，則假設運動壁面為平直面。

O-XYZ為絕對坐標系；o-xyz為壁面坐標系；o′-x′y′z′為機器人本體坐標系;β為塔筒表面的傾角(y軸正方向相對于Y軸正方向的偏角)；θ為爬壁機器人的轉向角；G為機器人本體和負載總重圖5 爬壁機器人空間位姿模型Fig.5 Space pose model of wall climbing robot

對爬壁機器人進行受力分析時需考慮帶有轉向角度時的姿態(tài)，需要分析不同β和θ下機器人的安全性。

將G在坐標系o-xyz內可分解為

(1)

將G在坐標系o′-x′y′z′內可分解為

(2)

為了得到機器人保持安全性的條件，首先要清楚造成機器人不安全的可能原因。機器人的安全性是設計機器人最基本的前提條件。研究機器人的安全性問題即靜穩(wěn)態(tài)問題。需要研究機器人失穩(wěn)的情況及其原因。

2.2 靜態(tài)安全性分析

為了分析機器人安全性的條件，首先要明確造成其失穩(wěn)的因素。對機器人進行安全性分析是設計機器人的最基本前提。研究安全性的問題即研究靜穩(wěn)態(tài)的問題。爬壁機器人在塔筒表面上作業(yè)主要存在四種失穩(wěn)形式，分別對以下四種失穩(wěn)形式以及產生的原因進行分析。

2.2.1 沿壁面下滑分析

爬壁機器人負載總重Gx′和Gy′向平行于作業(yè)面的機器人對稱中心產生的合力Gy使機器人產生了滑移的趨勢。機器人產生的滑移沿y方向。在作業(yè)過程中機器人是不允許發(fā)生滑移的。為了防止機器人沿壁面發(fā)生滑移，因此與壁面接觸的履帶沿y軸正方向的靜摩擦力應該盡可能的大。摩擦力大小是由接觸壁面的履帶的支持力的大小決定的，故需要一定的吸附作用力才能產生阻止機器人滑移的摩擦力。

圖6為機器人下滑受力分析。圖6中，c為機器人質心；Ff為單條履帶受到的靜摩擦力；fm為機器人吸附單元的吸附力；n為單側履帶上與壁面接觸的磁吸附單元的數(shù)量；fn為單塊磁鐵受到的法向支持力；ff為單個磁吸附單元受到的靜摩擦力；fmi為單側履帶的第i個永磁吸附單元對塔筒壁面的磁吸附力，其中i=(1，2，…，n)；fni為塔筒表面對單側履帶的第i個永磁吸附單元的支持力。

圖6 機器人下滑受力分析Fig.6 Analysis of robot sliding force

為了使機器人防止滑移，靜摩擦力應該大于機器人沿壁面的Gy′。對單側履帶進行分析可得機器人需要滿足的條件是：

(3)

式(3)中：μ為靜摩擦因素；FN為單條履帶受到支持力；GZ′為機器人自重沿壁面法線方向的分力。

由式(3)可以得到：

(4)

即

(5)

2.2.2 縱向翻轉分析

機器人的翻轉包括沿機器人位姿θ=0時沿下邊緣的縱向翻轉以及θ=π/2時沿車體左右邊緣的橫向翻轉?？v向翻轉是由于Gy′向平行于作業(yè)面的對稱中心所在的平面產生力矩My′而引起的。爬壁機器人縱向翻轉受力分析如圖7所示。

H為機器人的重心與履帶接觸壁面的垂直距離；L為機器人履帶第一個磁鐵塊的中心到接觸壁面的最后一塊磁鐵塊的中心間距；L1為A點到機器人重心的法向距離,其中L=2L1圖7 爬壁機器人縱向翻轉受力分析Fig.7 Stress analysis of vertical flip of wall climbing robot

根據(jù)圖7可得到機器人在z′方向上力和力矩的平衡方程:

(6)

式(6)中：MA為機器人所受合力矩。

根據(jù)式(6)可以得到:

(7)

當fn1≥0時，機器人不發(fā)生縱向翻轉，此時吸附單元吸附力應滿足的條件為

(8)

2.2.3 橫向翻轉分析

機器人的翻轉包括沿機器人位姿θ=π/2時沿左邊緣的縱向翻轉以及θ=-π/2時沿車體右邊緣的橫向翻轉。橫向傾翻是由于Gx′向穩(wěn)定平面對稱中心平移產生的力矩Mx′而引起的。爬壁機器人橫向翻轉受力分析如圖8所示。

圖8 爬壁機器人橫向翻轉受力分析Fig.8 Force analysis of wall climbing robot lateral flip

圖8中，b為接觸壁面的磁吸附單元的寬度；B為機器人的左右車體之間履帶的中心距；a為永磁體吸附單元的集中吸附力與集中的法向支持力的作用線之間的偏移距離(在臨界狀態(tài)下h=b/6)。

根據(jù)圖8建立力和力矩平衡方程：

(9)

(10)

式(10)中：n為單條履帶上永磁體的個數(shù)。

由于FN≥0，所以每個吸附單元應該滿足條件：

(11)

2.2.4 法向脫離分析

Gz′是造成機器人沿著塔筒表面法向脫離的原因。圖9為法向脫離受力分析圖。

圖9 法向脫離受力分析圖Fig.9 Normal detachment stress analysis diagram

所研究機器人的質心與形心是一致的。Gz′并不會造成機器人從壁面發(fā)生滑移與傾覆。根據(jù)圖9建立平衡方程。

(12)

由于FN≥0，所以每個吸附單元應該滿足條件：

(13)

根據(jù)風電塔筒的外形特征β>0，機器人可以依附在塔筒壁面。GZ′不但沒有使機器人有法向脫離壁面的趨勢，反而能起到保護機器人安全的作用。

2.2.5 疊加分析

由以上的分析計算，機器人安全穩(wěn)定的吸附在作業(yè)面需要滿足的四個條件。因此由綜合條件能夠得到機器人處于靜止狀態(tài)時，單個吸附單元吸附力的許用值。為了方便描述，分別進行如式(14)～式(17)的標記：

抗滑移的許用吸附力:

(14)

抗縱向翻轉許用吸附力:

(15)

抗橫向翻轉許用吸附力:

(16)

抗法向脫離許用吸附力:

(17)

因此，確保機器人能夠安全的靜止在壁面時，磁單元吸附力的許用值為

[fm]=max{[fm]S+[Fm]L+[fm]T+[fm]N}

(18)

2.3 動態(tài)安全性分析

對運動狀態(tài)下機器人的安全性進行分析，主要是機器人運動時由于自身具有的慣性力可能對機器人造成失穩(wěn)。當爬壁機器人以任意位姿在工作表面做直線運動時，機器人加速度沿著y′軸的方向。圖10為機器人運動模型示意圖。由圖10可知，當機器人以一定的加速度向上運動時，電機所提供的動力矩需要克服阻力矩。A點處的支持力與磁鐵吸附作用力形成的力矩Mf、重力產生的力矩MG這兩個力矩為機器人自身產生的阻力矩。

圖10 機器人直線運動模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of linear motion model of robot

根據(jù)圖10可知，加速運動過程中達到穩(wěn)定狀態(tài)時機器人應滿足的條件為

(19)

根據(jù)式(19)可以推出機器人加速上爬過程中穩(wěn)定的吸附力為

(20)

因此，機器人在直線運動中產生的抵抗縱向以及橫向翻轉力矩時的磁吸附單元的吸附力應該滿足安全性的條件。

抗滑移的許用吸附力:

(21)

抗縱向翻轉的許用吸附力:

(22)

抗橫向翻轉的許用吸附力:

(23)

化簡式(20)可以得到：

(24)

同理可得到：

(25)

(26)

因此機器人動態(tài)安全吸附時磁吸附單元應滿足的條件如下：

[fm]≥{[fm]S,[Fm]L,[fm]T}

(27)

由此可以得到影響機器人動態(tài)安全性的主要因素有慣性力、動摩擦力、機器人本體重心高度等。

3 仿真分析

3.1 靜態(tài)安全性仿真

機器人基本參數(shù)：總質量M=35 kg，兩側履帶的中心距B=300 mm，履帶與塔筒壁面接觸的長度L=292.1 mm，單側履帶上磁吸附單元的個數(shù)n=12，機器人的質心點C點與塔筒壁面的垂直距離hg=80 mm，鏈輪的半徑R=50 mm。

圖11 許用值與壁面傾角關系Fig.11 The relationship between allowable value and wall inclination angle

由靜態(tài)安全性分析得到影響爬壁機器人安全的主要參數(shù)有機器人的負載、壁面傾角以及位姿角。圖11為通過MATLAB仿真可以得到抗滑移、抗縱向翻轉、抗橫向翻轉、抗法向脫離吸附力隨壁面傾角變化的曲線。

圖11中的曲線是在G=350 N時，四種吸附力許用值與壁面傾角的關系。在β>0時抗縱向翻轉、抗滑移以及抗橫向翻轉吸附力許用值隨β的增大而減??；當β=0時，吸附力可以取得最大的整體許用值49 N，此時容易發(fā)生縱向翻轉，因此可以得到最大的抗縱向傾翻吸附力49 N。其中法向脫離對機器人的安全性影響最小。由圖11可知，影響爬壁機器人安全的主要是滑移和抗縱向翻轉。因此需要單獨對抗滑移和抗縱向翻轉單獨分析各因素對其許用吸附力的影響。

圖12分析了機器人的位姿角θ對抗滑移、抗縱向翻轉、抗橫向翻轉的永磁吸附單元吸附力大小的影響。由仿真分析圖可知，機器人在位姿角θ=0、θ=2π時保證機器人的安全性時的許用吸附力的值達到最大，機器人所需要的永磁的吸附力的值為49 N。由圖可知位姿角的變化主要影響的是抗滑移、抗縱向吸附力的大小。

圖12 抗滑移、抗翻轉吸附力與位姿角的關系Fig.12 The relationship between anti-slip and anti-flip adsorption force and attitude angle

圖13、圖14反映了機器人負載總重分別對抗縱向翻轉、抗滑移的吸附力大小的影響。負載的變化對抗滑移吸附力影響較小，對抗縱向翻轉的影響較大；當改變機器人的總負載的大小時，隨著的減小使其穩(wěn)定性得到提高。由以上分析過程可知，機器人在位姿角θ=0、2π時保證機器人的安全性的許用吸附力的值達到最大，此時磁吸附單元的吸附力fm≥50 N。

圖13 抗滑移吸附力與位姿角、負載的關系Fig.13 The relationship between anti-slip adsorption force and attitude angle and load

圖14 抗縱向翻轉吸附力與位姿角、負載的關系Fig.14 The relationship between anti-longitudinal flip adsorption force and attitude angle and load

3.2 動態(tài)安全性仿真

通過MATLAB仿真分析機器人本體重心的高度、接觸表面摩擦系數(shù)對爬壁機器人動態(tài)安全性的影響。如圖15、圖16分別為摩擦系數(shù)與抗滑移的關系圖、抗翻轉吸附力與機器人重心高度的關系圖。

圖15 抗滑移與摩擦擦系數(shù)的關系Fig.15 The relationship between anti-slip and friction coefficient

圖16 抗翻轉吸附力與機器人重心高度的關系Fig.16 The relationship between anti-flip adsorption force and the height of gravity center of robot

由圖15可知，在機器人的運動過程中摩擦系數(shù)對抗滑移吸附力的影響較大，摩擦系數(shù)越大抗滑移許用值越小，結合接觸表面的材料μ=0.5，由圖15分析可得[Fm]S=32 N。由圖16可知，機器人重心高度對縱向翻轉比橫向翻轉的影響較大。在機器人的運動過程中，降低機器人的高度有利于機器人本體的平穩(wěn)；保證機器人動態(tài)安全性的條件為fm≥53 N。

4 樣機試驗

通過研究爬壁機器人的安全性，為后續(xù)的機器人的樣機的運動奠定了一定的基礎。經過設計、加工、裝配一系列進程，最終制作的機器人樣機尺寸為400 mm×350 mm×150 mm，質量為20 kg。磁吸附單元在機器人的左右兩側的履帶上等間距均勻分布。磁吸附單元結構在高3 m，厚度13 mm，直徑為2.6 m的弧面鋼板進行試驗。

圖17為磁吸附單元的吸附力測試圖。通過試驗測得磁吸附單元的吸附力為54.5 N，大于機器人安全性分析過程中的理論值，因此該吸附單元提供的吸附力能夠保證機器人的安全穩(wěn)定性。

圖18為樣機攀爬試驗情況。在整個運動的過程中機器人履帶與弧形壁面的貼合情況良好，機器人可以在模擬塔筒的鋼板壁面可以穩(wěn)定的爬行并爬越模擬焊縫障礙，整個運動過程機器人都能夠穩(wěn)定的吸附在壁面并實現(xiàn)轉向運動，試驗驗證了磁吸附單元的吸附力能夠滿足機器人在豎直塔筒壁面爬行的要求。

圖17 吸附單元吸附力測試Fig.17 Adsorption force test of adsorption unit

圖18 樣機攀爬試驗照片F(xiàn)ig.18 Sample climbing test photo

圖19為樣機負重試驗圖，檢測機器人在弧面鋼板上能夠保持正常運行的最大承重能力為15 kg。

圖19 樣機負重試驗圖Fig.19 Prototype load test diagram

機器人采用的直流伺服電機的額定功率為 150 W，額定轉速為6 930 r，最大轉矩為0.17 Nm，機器人負載總重為350 N，試驗中機器人的攀爬的最大速度為7.5 m/min，滿足設計要求。

5 結論

分析塔筒壁面作業(yè)機器人在作業(yè)面的安全穩(wěn)定性。對分析結果進行了仿真，同時對機器人樣機在壁面的吸附性能進行了試驗。得到以下結論。

(1)設計的爬壁機器人具有一定的曲面自適應能力，能夠實現(xiàn)在塔筒壁面的攀爬。

(2)靜態(tài)與動態(tài)失穩(wěn)的主要形式是抗縱向翻轉以及抗滑移；保證機器人安全的前提是單塊磁鐵吸附力為50 N。

(3)減小機器人總負載可以是機器人在運動過程中更安全穩(wěn)定。

(4)樣機試驗驗證了機器人參數(shù)設計的合理性以及對機器人安全性分析的準確性。為后期機器人模塊化作業(yè)功能的實現(xiàn)奠定了基礎。