一種基于磁力吸附的儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

邱仕誠 伍劍波 趙恒忠 王 珅 胡啟凡 顏 榮

1.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都，6100652.瀘州市市場檢驗(yàn)檢測中心，瀘州，646000

0 引言

大型儲(chǔ)罐是化工企業(yè)常用的關(guān)鍵存儲(chǔ)設(shè)備，長期使用會(huì)產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷，進(jìn)一步擴(kuò)展開裂會(huì)發(fā)生泄漏甚至爆炸，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，因此相關(guān)法規(guī)強(qiáng)制規(guī)定了儲(chǔ)罐需定期檢測。目前，對大型儲(chǔ)罐的檢測仍采用傳統(tǒng)的人工檢測方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，亟待自動(dòng)化設(shè)備替代。

近年來，爬壁機(jī)器人的發(fā)展日新月異，部分進(jìn)口成形產(chǎn)品被應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐缺陷的檢測，攜帶探頭進(jìn)行掃查動(dòng)作，完成缺陷的檢測任務(wù)[1-4]。同時(shí)，在爬壁機(jī)器人的吸附、越障、驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域均有研究成果報(bào)道[5]。爬壁機(jī)器人可以從吸附方式分為仿生吸附、負(fù)壓吸附、靜電吸附、磁吸附等。朱佩華等[6]以典型生物的足部特征為仿生對象，模擬黏附、抓附、吸附時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征建立GPL模型，解決了仿生爬壁機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，整體采用擺動(dòng)爬行，可適應(yīng)多種壁面；彭晉民等[7]針對吸附力利用效率問題，分析了運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)對吸附力配置影響，研制出基于負(fù)壓吸附的密封機(jī)構(gòu)；謝理[8]將傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)制和新型靜電吸附有機(jī)結(jié)合，利用靜電吸盤與壁面的電場力實(shí)現(xiàn)吸附，負(fù)載力大，但壁面過度能力較差，需高壓模塊，功耗大且不穩(wěn)定。在石油化工、船舶行業(yè)，大部分爬壁機(jī)器人都采用磁吸附方式，其優(yōu)點(diǎn)在于磁力平穩(wěn)，適應(yīng)大部分鐵磁性材料表面[9-10]。趙軍友等[11]對油罐除銹進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種新型電磁吸附單元，形成吸附履帶結(jié)構(gòu)，所帶負(fù)載較大，但機(jī)動(dòng)性能較差，不適合全方位檢測工作。朱世強(qiáng)等[12]研制了一款永磁體充氣輪爬壁機(jī)器人，并開展了翻越過程動(dòng)力學(xué)建模研究，研究吸附力、輪胎壓力與越障量之間的關(guān)系，保證了優(yōu)良的越障性能，但永磁體提離間隙大，所帶負(fù)載有限。ABDULKADER等[13]提出一種名為Sparrow的船體自主檢測機(jī)器人，依靠四個(gè)電磁輪吸附，并在不同厚度的金屬板上表現(xiàn)出優(yōu)良性能。目前國內(nèi)相關(guān)研究都集中于爬壁吸附本身，對檢測機(jī)器人所需的機(jī)動(dòng)性、越障性、復(fù)合動(dòng)作等綜合分析較少[14]。永磁體吸附和電磁吸附作為磁吸附的兩個(gè)分支，各具特點(diǎn)，對于大型儲(chǔ)罐的檢測，永磁體磁力持久，不受電源影響，且便于維護(hù)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于磁力吸附的儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人。

1 爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能分析

如圖1所示，大型儲(chǔ)罐的檢測按照NB/T 47013.3—2015標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，需對儲(chǔ)罐全部焊縫接頭進(jìn)行超聲檢測。大型儲(chǔ)罐規(guī)格有500、1000、2000、5000、10000 m3不等，母材材料多以Q345R、Q370R、18MnMoNbR為主，其厚度在10～50 mm范圍變化，焊縫接頭形式也常隨母材厚度而設(shè)計(jì)成Y形、雙Y形、雙V形、雙U形焊縫等。以B級(jí)檢測為準(zhǔn)，需預(yù)先對儲(chǔ)罐焊縫檢測區(qū)域打磨光滑，再對縱向缺陷、橫向缺陷全面掃查，同時(shí)對焊縫交匯處母材測厚以觀察內(nèi)壁腐蝕情況。

(a)1000 m3球罐實(shí)物圖(b)桔瓣型球罐焊縫分布模型

實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐全覆蓋掃查需布置4個(gè)探頭(2個(gè)檢測橫向缺陷、1個(gè)檢測縱向缺陷、1個(gè)測厚探頭)。考慮運(yùn)動(dòng)方式及探頭布置，機(jī)器人自重為25 kg，搭載裝備質(zhì)量為10 kg(包括控制及供電線纜、檢測儀器等)。因此，為保障設(shè)備在實(shí)際工況使用下的安全性及穩(wěn)定性，以40 kg滿載質(zhì)量作為機(jī)器人總體設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)。

1.2 機(jī)器人整體方案

根據(jù)現(xiàn)有超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)，為保障在儲(chǔ)罐各位置上吸附的穩(wěn)定性，主動(dòng)元器件皆采用輕量化標(biāo)準(zhǔn)件，爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人主體由車身車架、定位循跡模塊、驅(qū)動(dòng)吸附單元、超聲檢測探頭組件、中控模塊及相關(guān)支承件組成。在車架底部安裝有4個(gè)對稱布置的永磁驅(qū)動(dòng)輪組件，由4個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)、轉(zhuǎn)向等不同運(yùn)動(dòng)方式。在機(jī)器人前端布置有激光傳感器單元，以實(shí)現(xiàn)基于焊縫輪廓實(shí)時(shí)反饋的自動(dòng)循跡。

圖2 爬壁機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖

1.3 永磁驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

單個(gè)永磁驅(qū)動(dòng)輪組件由永磁吸附輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、法蘭盤、軸承座組成，如圖3所示。

圖3 永磁驅(qū)動(dòng)輪組件結(jié)構(gòu)

永磁體磁力穩(wěn)定可靠，但吸附力隨著提離間隙的增大會(huì)急劇減小。輪式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)恒定提離值吸附，以增加吸附的可靠性。另外，在吸附輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮吸附力與轉(zhuǎn)向摩擦力兩者的平衡，既要保證吸附穩(wěn)定性，又要避免吸附力過大造成電機(jī)過載。驅(qū)動(dòng)吸附輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，由兩個(gè)N35H永磁體環(huán)作為磁極，以內(nèi)外銜鐵、導(dǎo)磁環(huán)導(dǎo)通磁回路，實(shí)現(xiàn)與壁面的穩(wěn)定吸附。內(nèi)外銜鐵除了兼具導(dǎo)磁和固定導(dǎo)向的作用外，還與電機(jī)輸出軸法蘭穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)大扭矩的持續(xù)輸出。同時(shí)，在長期服役使用過程中，由于負(fù)載較大，所需吸附力較大，故銜鐵高度會(huì)比磁環(huán)高度略高一些，可避免磁環(huán)受力擠壓破碎。另外，在磁輪表面包覆橡膠墊可以減少銜鐵與鐵磁表面的振動(dòng)沖擊，延長使用壽命，增大摩擦因數(shù)。

圖4 驅(qū)動(dòng)吸附輪結(jié)構(gòu)圖

1.4 輔助吸附輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，為提高爬壁機(jī)器人的吸附能力，設(shè)計(jì)了輔助吸附輪結(jié)構(gòu)，對稱布置于前后面板上，如圖5所示。避振器增加結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)，大幅降低機(jī)器人在越障過程中的振動(dòng)，保證了機(jī)器人本體的平穩(wěn)，同時(shí)有利于超聲探頭的連續(xù)檢測。該輔助吸附輪也參照驅(qū)動(dòng)吸附輪的銜鐵-磁環(huán)-銜鐵結(jié)構(gòu)，且在輪上安置有尼龍齒輪組，嚙合傳動(dòng)到編碼器上。該輔助吸附輪依靠壓簧及自身吸附力預(yù)緊，與吸附面緊密接觸防止打滑，提高位置定位精度。

圖5 輔助吸附輪結(jié)構(gòu)圖

2 爬壁機(jī)器人靜力分析

爬壁機(jī)器人失穩(wěn)狀況主要分為滑動(dòng)下移、縱向傾覆、橫向側(cè)翻[15]和復(fù)合狀態(tài)，如圖6所示。針對以上情況分別建立機(jī)器人的受力模型，分析獲得失穩(wěn)情況下所對應(yīng)的極限吸附力。下列分析過程未考慮輔助吸附輪的受力情況，實(shí)際測試過程輔助吸附輪提供的部分吸附力及摩擦力作為安全裕量儲(chǔ)備。

圖6 爬壁機(jī)器人失穩(wěn)狀態(tài)示意圖

綜合考慮吸附輪系、電缸探頭、車身鈑金、激光傳感器等的空間位置及質(zhì)量，經(jīng)初步計(jì)算，機(jī)器人重心與本體中心重合，進(jìn)一步建立各失穩(wěn)模型。

2.1 滑動(dòng)下移受力分析

驅(qū)動(dòng)輪自身可通過減速箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)自鎖，故不考慮驅(qū)動(dòng)吸附輪滾動(dòng)下滑情況。因球罐壁面為圓弧形，機(jī)器人在左右半球受力情況是對稱的，且在上半球時(shí)吸附力和重力的分力共同提供正壓力，其裕量充足，因此分析機(jī)器人在右下半球的狀態(tài)來建立極限滑動(dòng)模型。靜摩擦力大小與不同角度下永磁體輪吸附力和重力的合力大小及橡膠墊與壁面的靜摩擦因數(shù)緊密相關(guān)。對極限靜摩擦情況的機(jī)器人進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

圖7 向下滑動(dòng)受力分析

圖7中，以壁面法向及切向建立坐標(biāo)系OXY；儲(chǔ)罐壁面與水平面夾角為θ；F1、F2分別為機(jī)器人前方、后方單側(cè)吸附輪的吸附力總和；FN1、FN2分別為機(jī)器人前方、后方單側(cè)吸附輪所受支持力總和；Ff1、Ff2分別為機(jī)器人前方、后方單側(cè)吸附輪所受最大靜摩擦力總和；G為機(jī)器人設(shè)計(jì)滿載總重力；A為前方吸附輪與壁面之間的接觸點(diǎn)；B為后方吸附輪與壁面之間的接觸點(diǎn)。

在OXY坐標(biāo)系中根據(jù)機(jī)器人受力情況建立受力方程，在即將發(fā)生向下滑動(dòng)時(shí)，沿Y軸方向應(yīng)該滿足以下條件：

Ff1+Ff2-Gsinθ=0

(1)

Ffi=μFNi

(2)

式中，μ為驅(qū)動(dòng)吸附輪與儲(chǔ)罐壁面間的摩擦因數(shù)。

機(jī)器人沿X軸方向應(yīng)該滿足以下條件：

F1+F2-Gcosθ-FN1-FN2=0

(3)

此種情況假設(shè)前后兩端的吸附力F1、F2，支持力FN1、FN2對稱，即兩兩相等，以此計(jì)算在不同θ角度下，所需永磁體吸附力的極限值。

2.2 縱向傾覆受力分析

機(jī)器人縱向爬行發(fā)生傾覆的主要原因是重力矩大于前后側(cè)兩輪吸附力力矩而發(fā)生縱向失穩(wěn)。隨著壁面角度不同，發(fā)生失穩(wěn)難易程度也不同，由理論分析可知，機(jī)器人在大型球罐下半球爬行時(shí)相比上半球更容易發(fā)生傾覆，因此主要考慮在右下1/4半球機(jī)器人的爬行情況。對不同θ角度下的受力進(jìn)行分析，如圖8所示。由圖可知，傾覆情況按照前輪、后輪接觸點(diǎn)分為兩種。

圖8 縱向傾覆受力分析

圖8中，A為以前方吸附輪作為旋轉(zhuǎn)中心的傾覆點(diǎn)；B為以后方吸附輪作為旋轉(zhuǎn)中心的傾覆點(diǎn)；L1為A、B兩點(diǎn)間沿壁面距離；H為重心距離壁面的垂直高度；α為重心與A點(diǎn)的連線與壁面的夾角。

(1)若以A點(diǎn)作為傾覆點(diǎn)，則機(jī)器人只會(huì)在θ角度較小時(shí)發(fā)生縱向傾覆，當(dāng)θ增至重心與A點(diǎn)連線為豎直向下時(shí)，傾覆力矩和防傾覆力矩同向，不會(huì)再發(fā)生傾覆。當(dāng)機(jī)器人處于即將發(fā)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)N2大小為零，此時(shí)機(jī)器人整體應(yīng)滿足以下條件：

MF2-MG=0

(4)

即

(5)

式中，MF2為抗傾覆力矩；MG為重力矩。

當(dāng)θ+α≤90°時(shí)，可能會(huì)發(fā)生此種傾覆情況。

(2)若以B點(diǎn)作為傾覆點(diǎn)，則當(dāng)機(jī)器人處于即將發(fā)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)N1大小為零，此時(shí)機(jī)器人整體應(yīng)滿足以下條件：

MF1-MG=0

(6)

即

(7)

式中，MF1為抗傾覆力矩。

該傾覆情況對θ∈[0°，90°]都適用。

2.3 橫向側(cè)翻受力分析

對于機(jī)器人橫向爬壁過程，其橫向側(cè)翻主要源于左右側(cè)兩輪的防傾覆力矩與重力傾覆力矩相互平衡。和縱向傾覆情況一致，機(jī)器人在球罐上半球運(yùn)行時(shí)不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此處仍主要針對右下半球的情況進(jìn)行分析。壁面角度θ∈[0°，90°]，機(jī)器人所受重力傾覆力矩隨之變化，總體分析思路和縱向傾覆情況一致。對不同θ角度下的受力進(jìn)行分析，如圖9所示。由圖可知，翻轉(zhuǎn)情況按照上側(cè)、下側(cè)接觸點(diǎn)分為兩種。

圖9 橫向側(cè)翻受力分析

圖9中，C為以上側(cè)吸附輪作為旋轉(zhuǎn)中心的傾覆點(diǎn)；D為以下側(cè)吸附輪作為旋轉(zhuǎn)中心的傾覆點(diǎn)；L2為C、D兩點(diǎn)間沿壁面距離；β表示重心與C點(diǎn)的連線與壁面的夾角。

(1)若以C點(diǎn)作為傾覆點(diǎn)，則當(dāng)θ+β≤90°時(shí)下側(cè)吸附輪可能發(fā)生脫離失穩(wěn)。在即將發(fā)生脫離的臨界狀態(tài)，下側(cè)兩輪所受壁面的支持力FN2大小為零，此時(shí)機(jī)器人受力應(yīng)滿足以下條件：

(8)

(2)若以D點(diǎn)作為傾覆點(diǎn)，則在上側(cè)吸附輪即將發(fā)生脫離時(shí)，上側(cè)兩輪所受壁面支持力FN1大小為零，此時(shí)機(jī)器人整體應(yīng)滿足以下條件：

(9)

式中，F(xiàn)1為上側(cè)吸附輪吸附力。

該傾覆情況對θ∈[0°，90°]都適用。

2.4 復(fù)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受力分析

上述三種失穩(wěn)情況皆對應(yīng)單一狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)大型儲(chǔ)罐的全覆蓋檢測，對機(jī)器人提出了全向驅(qū)動(dòng)要求。在機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程中，會(huì)綜合涉及多種受力狀態(tài)?，F(xiàn)對轉(zhuǎn)向過程機(jī)器人建立運(yùn)動(dòng)模型。為了方便分析，提出以下假設(shè)簡化模型：①附著系數(shù)充分，驅(qū)動(dòng)吸附輪不存在打滑現(xiàn)象；②轉(zhuǎn)向過程不考慮橫向滑動(dòng)；③在任意姿態(tài)下驅(qū)動(dòng)輪阻力系數(shù)相同。

該機(jī)器人由4個(gè)驅(qū)動(dòng)吸附輪組件獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向過程通過雙側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)差速來實(shí)現(xiàn)。如圖10所示，假設(shè)該機(jī)器人的上下兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪線速度為v1、v2，則當(dāng)v1>v2時(shí)，機(jī)器人以旋轉(zhuǎn)中心O′做右向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)v1

圖10 轉(zhuǎn)向示意圖

(10)

(11)

式中，v0為轉(zhuǎn)向過程本體中心瞬時(shí)線速度；R為機(jī)器人理論轉(zhuǎn)向半徑。

由于檢測過程機(jī)器人低速轉(zhuǎn)向，故不考慮沖擊振動(dòng)。對轉(zhuǎn)向復(fù)合運(yùn)動(dòng)過程的機(jī)器人建立力學(xué)模型。φ為0°或180°對應(yīng)機(jī)器人處于縱向爬行狀態(tài)；φ為±90°對應(yīng)機(jī)器人處于環(huán)向爬行狀態(tài)。角度在各象限范圍變化時(shí)，對應(yīng)機(jī)器人各種轉(zhuǎn)向姿態(tài)。

對于不下滑情況，當(dāng)重力方向與驅(qū)動(dòng)輪周向平行時(shí)，即φ為0°或180°，靜摩擦力方向與吸附輪線接觸垂直，最易發(fā)生失穩(wěn)，與前述不下滑模型一致，此處不再討論。對于轉(zhuǎn)向過程的不傾覆與不側(cè)翻情況，當(dāng)角度φ變化時(shí)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)吸附輪所處位置相對于重心的高度差不同，各輪吸附力的力矩都在[0，L2/2]范圍變化，且不會(huì)同時(shí)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪處于極限脫離狀態(tài)。僅在φ為0°、±90°或180°(即縱向、橫向失穩(wěn)狀態(tài))時(shí)，會(huì)有兩個(gè)吸附輪處于同一高度，其中φ為0°或180°失穩(wěn)力矩最大。因此，對低速轉(zhuǎn)向過程分析可得，以縱向傾覆作為極限情況。

2.5 永磁體吸附力理論計(jì)算

結(jié)合上述幾種運(yùn)動(dòng)模型受力分析，總結(jié)各種情況下的最小極限吸附力值，得到單個(gè)驅(qū)動(dòng)吸附輪的吸附力仿真值Fs應(yīng)滿足以下條件：

(12)

通過對失穩(wěn)狀態(tài)下單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪吸附力目標(biāo)值的計(jì)算，確定最佳吸附力范圍，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的永磁體吸附結(jié)構(gòu)，提高機(jī)器人運(yùn)行的可靠性和機(jī)動(dòng)性。機(jī)器人參數(shù)初步取G=392 N、H=100 mm、L1=250 mm、L2=430 mm、μ=0.80。以此計(jì)算獲得受力分析結(jié)果曲線，如圖11所示。其中Fs1～Fs5依次為滑動(dòng)下移、以A點(diǎn)縱向傾覆、以B點(diǎn)縱向傾覆、以C點(diǎn)橫向側(cè)翻、以D點(diǎn)橫向側(cè)翻在不同壁面傾角θ所對應(yīng)的單個(gè)吸附輪吸附力仿真值；Fsmax為上述情況對應(yīng)的單個(gè)吸附輪吸附力所需的最大值。

圖11 單個(gè)驅(qū)動(dòng)吸附輪吸附力Fs隨θ變化曲線

由吸附力分析曲線可知，滑動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)下所需極限吸附力最大；縱向傾覆和橫向側(cè)翻失穩(wěn)在θ=0°時(shí)，上下兩個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)沿重力法線方向?qū)ΨQ，吸附力值相等。單個(gè)驅(qū)動(dòng)吸附輪極限吸附力Fsmax計(jì)算數(shù)值如表1所示。

表1 失穩(wěn)狀態(tài)受力分析計(jì)算結(jié)果

運(yùn)行過程中，僅線纜會(huì)影響機(jī)器人重心位置。在超程檢測距離下，考慮線纜極限長度為30 m，對應(yīng)RG174信號(hào)線及RVV雙芯電源線總質(zhì)量約為5 kg，約占比機(jī)器人本體質(zhì)量的1/5，對機(jī)器人重心偏移影響較小。

在靜止下滑情況，柔性線纜與壁面的摩擦力不會(huì)影響機(jī)器人本體受力；在縱向傾覆或橫向側(cè)翻情況，受到尾部線纜重力拖拽，機(jī)器人本體重心會(huì)向后下端傾斜，這對抗失穩(wěn)性能是有利的。

在線纜影響最大的縱向傾覆極端情況下(θ=21.8°)，線纜重心偏移高度H增大約20%，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪吸附力極限增加10%，仍小于靜止下滑吸附力的最大極限，因此在受力分析過程中可以簡化為本體中心與重心重合。

綜上，驅(qū)動(dòng)吸附輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先滿足滑動(dòng)下移要求，單個(gè)永磁體吸附力應(yīng)大于151.3 N。另外，永磁體輪的布置也會(huì)影響機(jī)器人的穩(wěn)定性，此處僅對既定參數(shù)L1、L2、H來分析各失穩(wěn)狀態(tài)，通過參數(shù)化掃描可確定相關(guān)尺寸的最佳參數(shù)，L1、L2增大，H減小可有效降低各種失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

3 永磁體吸附磁力仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

永磁體吸附力值與燒結(jié)材料牌號(hào)和質(zhì)量體積相關(guān)。為增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)吸附輪的吸附能力，提高結(jié)構(gòu)磁質(zhì)比，采用圖12a所示的對向磁極布置磁回路結(jié)構(gòu)[16]，并使用Ansoft Maxwell軟件對永磁體輪結(jié)構(gòu)磁力線分布進(jìn)行仿真，如圖12b所示。

(a)驅(qū)動(dòng)輪磁路設(shè)計(jì)原理模型

3.1 永磁體驅(qū)動(dòng)輪建模分析

參照圖4所示的永磁體驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，綜合機(jī)器人底板高度及負(fù)載要求，現(xiàn)擬定永磁輪尺寸參數(shù)。永磁體材料為燒結(jié)釹鐵硼N35H[17]，永磁體環(huán)內(nèi)徑26 mm，外徑80 mm，寬度5 mm；銜鐵材料Q235，內(nèi)徑20 mm，外徑84 mm，厚度5 mm；導(dǎo)磁環(huán)內(nèi)外徑參數(shù)與銜鐵一致，厚度10 mm；橡膠墊厚度2 mm(帶滾花槽深度1 mm)；隔磁軸及套筒材料為6061鋁合金。設(shè)定吸附壁面材料為Q345R、最小壁厚10 mm，對驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真，如圖13所示。

圖13 驅(qū)動(dòng)輪磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

3.2 永磁體驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)化優(yōu)化掃查

爬壁機(jī)器人應(yīng)適用于各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的儲(chǔ)罐，因此結(jié)合不同使用工況對吸附效果進(jìn)行仿真分析。打磨后的焊縫余高為0～4 mm，機(jī)器人在跨越焊縫時(shí)存在抬離間隙增大而脫離壁面的危險(xiǎn)。儲(chǔ)罐壁厚隨容積變化集中于10～40 mm。故對0～4 mm提離間隙、0～40 mm壁面厚度作參數(shù)化掃查仿真，如圖14所示。

(a)隨提離間隙的變化

由參數(shù)優(yōu)化仿真結(jié)果可知，當(dāng)壁厚大于3 mm時(shí)，接觸面上磁感線已趨近飽和，隨著壁厚的進(jìn)一步增大吸附力波動(dòng)不明顯，在壁厚為10 mm時(shí)吸附力為156.6 N，滿足要求，因此對各容積的儲(chǔ)罐檢測應(yīng)著重考慮焊縫余高對機(jī)器人越障性能的影響。

分析提離間隙對吸附力的影響，吸附力有明顯減弱現(xiàn)象，前側(cè)輪同時(shí)跨越焊縫時(shí)，如果運(yùn)行初速度較大，受重力向心力的影響，兩側(cè)前輪極易脫離焊縫壁面。越障時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行過程可以分為接觸焊縫、離開壁面、再次接觸壁面、離開焊縫。其外覆橡膠墊在吸附力和重力共同作用下變形，最大變形量為0.5 mm，以之作為越障脫離間隙，此時(shí)對應(yīng)驅(qū)動(dòng)吸附輪的吸附力為113 N，變化差值為43 N，則前側(cè)雙輪共同吸附力減小86 N。此時(shí)需由一個(gè)輔助吸附結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償該吸附輪損失，避免機(jī)器人失穩(wěn)墜落。

3.3 輔助吸附輪建模分析

結(jié)合前述各種失穩(wěn)狀態(tài)計(jì)算及驅(qū)動(dòng)吸附輪越障過程分析，輔助吸附輪提供儲(chǔ)備吸附力，避免越障失穩(wěn)。為補(bǔ)充越障時(shí)的吸附力損失，單個(gè)輔助吸附輪吸附力需達(dá)到86 N。取安全系數(shù)為0.8，擬設(shè)計(jì)輔助吸附輪吸附力為107.5 N以上，通過壓簧結(jié)構(gòu)自適應(yīng)壁面高度上下浮動(dòng)調(diào)整吸附力，保證機(jī)器人本體總體吸附力的恒定。現(xiàn)對輔助吸附輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜磁場仿真，如圖15所示，其磁感應(yīng)強(qiáng)度可以滿足安全裕度需求。

圖15 輔助吸附輪的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

4 爬壁機(jī)器人性能測試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)加工機(jī)器人本體，如圖16所示。在此基礎(chǔ)上，開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人本體的吸附、驅(qū)動(dòng)、掃查性能。

(a)機(jī)器人底板結(jié)構(gòu)

4.1 靜態(tài)吸附力測試

試塊壁面材料為Q235，厚度d=10 mm。機(jī)器人吸附于壁面下方，實(shí)驗(yàn)底板整體質(zhì)量為10 kg，以不同質(zhì)量的杠鈴片遞增負(fù)載來測試，如圖17所示。

圖17 底板靜態(tài)吸附測試

以整機(jī)質(zhì)量為10 kg、25 kg、40 kg進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在40 kg滿載情況下，機(jī)器人具有良好吸附效果。

4.2 性能測試

對滿負(fù)載整機(jī)質(zhì)量40 kg的機(jī)器人進(jìn)行失穩(wěn)狀態(tài)性能測試，如圖18所示。圖18a所示為在50°壁面上進(jìn)行滑動(dòng)下滑測試，通過電機(jī)上電自鎖，驅(qū)動(dòng)輪輸出被鎖止，吸附力帶來的摩擦力能克服自身重力防止吸附輪下滑。圖18b所示為對垂直壁面橫向防側(cè)翻模擬，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)間差速可實(shí)現(xiàn)底板任意多方向轉(zhuǎn)向。圖18c所示為對垂直壁面驅(qū)動(dòng)電機(jī)爬坡、越障性能測試，電機(jī)由電調(diào)輸出控制電流信號(hào)，閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速，保證底板的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，在垂直壁面上勻速向上爬行，驅(qū)動(dòng)性能良好，未出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象；在跨越焊縫時(shí)，輔助吸附輪的預(yù)緊結(jié)構(gòu)接觸和離開焊縫會(huì)上下波動(dòng)，減少?zèng)_擊，越障過程平穩(wěn)。圖18d所示為底板吸附于壁面底面，壁面角度為13°，電機(jī)滿足0～300 mm/s調(diào)速范圍，底板在驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中牢固吸附于表面，跨越焊縫時(shí)未發(fā)生傾覆現(xiàn)象。圖18e所示為機(jī)器人本體攜帶傳感器掃查在役球罐焊縫，提取坐標(biāo)信息調(diào)整各驅(qū)動(dòng)輪差速轉(zhuǎn)向，實(shí)時(shí)沿焊縫爬行。圖18f所示為中機(jī)器人在儲(chǔ)罐危險(xiǎn)角度上爬行測試，完成正反向及轉(zhuǎn)向運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，該爬壁機(jī)器人能滿足大型儲(chǔ)罐的檢測需求，在各種壁厚的壁面的各種位置上自適應(yīng)吸附、轉(zhuǎn)向，具有一定的越障能力及抗沖擊性，可完全覆蓋儲(chǔ)罐焊縫缺陷的掃查區(qū)域。

(a)防滑動(dòng)測試 (b)橫向防翻轉(zhuǎn)測試

5 結(jié)論

(1)本文以大型儲(chǔ)罐焊縫缺陷檢測為背景，通過計(jì)算各失穩(wěn)狀態(tài)下的極限吸附力，設(shè)計(jì)出一款能滿足大型儲(chǔ)罐焊縫檢測需求的爬壁機(jī)器人。通過力學(xué)分析及仿真，球罐爬壁機(jī)器人在下半球49.6°處為吸附危險(xiǎn)點(diǎn)，對于滿負(fù)載本體，單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪吸附力需滿足151.3 N。實(shí)際測試時(shí)對此關(guān)鍵點(diǎn)反復(fù)測試確保安全性。

(2)由本體性能實(shí)驗(yàn)可知，在極限工況下該爬壁機(jī)器人能滿足檢測需求。在滿負(fù)載情況下，機(jī)器人能完成驅(qū)動(dòng)、越障、轉(zhuǎn)向、循跡、定位等功能。

(3)輔助吸附輪能增強(qiáng)機(jī)器人抗失穩(wěn)能力。在爬壁機(jī)器人裝配輔助吸附輪后，增大整體吸附力及防傾覆力矩，等效延長吸附力力臂，從而適應(yīng)各姿態(tài)下的吸附爬行。

在后續(xù)工作中將進(jìn)一步搭載超聲檢測探頭，實(shí)現(xiàn)對焊縫區(qū)域全面覆蓋自動(dòng)化檢測。