一種新型非接觸永磁式爬壁機器人設計方案

姜德政，朱 兵，任文峰，付興偉，2，趙言正

（1.中國長江電力股份有限公司三峽電廠，湖北 宜昌 443000；2.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，武漢 430062；3.上海交通大學機器人研究所，上海 200240）

目前，中國水電發(fā)電機組的進水壓力鋼管大多通過人工焊接鋼制圓環(huán)方式連接而成，具有直徑大（一般大于10 m）、行程長（一般大于100 m）、落差高（一般大于40 m）等特點，其表面防腐、焊縫檢測等維護作業(yè)不僅耗費極大的人力和物力，且存在物資進出場困難、施工周期長等難題。因此，以移動爬壁機器人實現(xiàn)壓力鋼管的維護作業(yè)具有極大的工程意義及市場前景。

爬壁機器人[1]目前已經(jīng)有較為成熟的發(fā)展和應用，其必須具備吸附和移動兩個基本功能，其中：移動功能與其他機器人相似，主要包括[2-4]輪式、履帶式、腿足式（兩足和多足）和軌道式等；吸附功能是爬壁機器人保證運動可靠性的核心，按吸附方式[5-6]可分為負壓吸附及磁吸附。 負壓吸附一般通過抽氣裝置在吸附機構內(nèi)產(chǎn)生負壓實現(xiàn)帶載吸附，其吸附穩(wěn)定性主要受抽氣裝置工作連續(xù)性及泄露因素影響；磁吸附[7]方式可分為電磁體式和永磁體式兩類，相較而言，永磁體爬壁機器人[8-9]可在磁表面非常小的情況下產(chǎn)生較強的吸附力，更為可靠。

基于某型壓力鋼管結構特征，提出一種新型非接觸永磁式爬壁機器人機構設計方案，重點對永磁式吸附機構進行介紹。通過理論計算，仿真與現(xiàn)場試驗驗證該設計方案的可靠性及有效性，結果表明該爬壁機器人在壓力鋼管內(nèi)進行維護作業(yè)時具有較高的可靠性與安全性。

1 爬壁機器人結構總體設計

1.1 設計要求

與常見的路上巡檢式移動機器人不同，應用于壓力鋼管維護作業(yè)的移動爬壁機器人一方面需要保證大負載能力以搭載不同作業(yè)任務的自動化設備，另一方面還需要具備可靠的吸附能力以適應不同的作業(yè)位置。 以某型壓力鋼管為檢測維護對象，如圖1 所示。

圖1 檢測維護對象Fig.1 Object of detection and maintenance

某型壓力鋼管平均直徑12.4 m， 平均鋼板厚度55 mm，軸線總長度120 m，上下折彎曲率0.062 5。 以200 kg 為目標設計載荷，開展永磁式爬壁機器人設計。

1.2 結構總體設計方案

爬壁機器人結構總體方案如圖2 所示。

圖2 爬壁機器人總體方案Fig.2 Overall plan of wall-climbing robot

爬壁機器人主要由移動平臺、機械臂及輔助功能模塊組成。其中，移動平臺用以實現(xiàn)機器人壁面運動及搭載相關作業(yè)設備，其主要由車架、4 個履帶模組和1套非接觸式永磁吸附模塊組成。履帶模組的核心部件為伺服電機及履帶運動機構， 通過曲軸與車架連接，能夠適應曲率半徑不同的壁面。 移動平臺不包含轉向機構，通過履帶的差速實現(xiàn)轉向。 六自由度機械臂用于實現(xiàn)焊接打磨過程中的作業(yè)動作。輔助功能模塊包括：無損探傷模塊、照明、動力線纜收放及無氣噴涂裝置。移動平臺與機械臂合計約200 kg。輔助功能模塊相對爬壁機器人均可視為負載， 在滿足作業(yè)需求的前提下，總重量不超過200 kg。

吸附模塊共由3 組車體吸附裝置和4 組履帶吸附裝置組成。吸附模塊分別安裝在履帶模組的構件下部及車體下部，磁鐵與壁面之間為非接觸狀態(tài)。 在機器人進行爬壁作業(yè)時，吸附模塊與壓力鋼管內(nèi)壁不發(fā)生接觸。

1.3 永磁式吸附模塊設計

為保證吸附模塊適應壓力鋼管內(nèi)壁曲率變化，以非接觸式設計思路實現(xiàn)永磁式吸附模塊設計， 如圖3所示。

圖3 新型非接觸磁力吸附機構Fig.3 Novel non-contact magnetic absorption mechanism

永磁式吸附裝置為永磁鐵及軛鐵組成的長方體結構，簡稱磁吸盤。 每個履帶模組側方均安裝有1 塊磁吸盤。車架底面等間距安裝有3 塊磁吸盤。所有磁吸盤與壁面非接觸，且設計間距不大于15 mm。通過磁場強度分析可知，吸附力與氣隙高度的平方成反比。通過安裝時手動調(diào)節(jié)磁吸盤與壁面的間隙，可以調(diào)節(jié)機器人磁吸附力下限，在維持吸附裝置與壁面非接觸的前提下，保證吸附過程可靠。

2 吸附可靠性分析

為保證磁吸附爬壁機器人在壁面上平穩(wěn)工作，需滿足兩個約束條件[10]，即滑落約束與傾覆約束。因此需對爬壁機器人在垂直壁面與傾斜壁面上進行靜力分析，通過兩個限制條件建立平衡方程求解所需的吸附力。

為簡化計算且保證模型盡可能地接近實際問題，進行以下假設：①4 個履帶受到垂直壁面的支撐力相同，且每個履帶受到均勻的支撐力；②4 個履帶的表面材料相同，且爬壁機器人所接觸壁面的表面摩擦系數(shù)基本相同；③4 個履帶側的非接觸吸附裝置提供的吸附力相同，且每個吸附裝置提供均勻力；④車體上的3個非接觸吸附裝置提供的吸附力相同，且每個吸附裝置提供均勻力；⑤爬壁機器人相對于大直徑壁面，計算時將弧形壁面等效于平面。

2.1 爬壁機器人吸附于垂直壁面

2.1.1 滑落約束

為保證爬壁機器人不從垂直平面上滑落，即保證機器人的重力要小于機器人所受的最大靜摩擦力。 受力分析如圖4 所示。 其中：Ff為機器人所受摩擦力的合力；G 為機器人的重力；Fh為單條履帶所受支撐力的合力；NBM為單個車體非接觸吸附裝置的合力；NTM為單個履帶非接觸吸附裝置的合力。

圖4 爬壁機器人滑落受力分析（垂直壁面）Fig.4 Force analysis of sliding of wall-climbing robot(vertical wall)

由靜止平衡狀態(tài)受力分析可知，吸附力和支撐力在x 方向上合力為0，即

式中：FH為水平支撐力的合力；NH為吸附力的合力。

同時，重力和摩擦力在y 方向上合力也為0，即

又由靜摩擦力與壓力之間的關系可知

式中μ 為靜摩擦系數(shù)。 聯(lián)立式（1）～（3）可得

由驗證模型可知：機器人越重，所需要的吸附力越大；摩擦系數(shù)越小（表面越光滑），所需要的吸附力越大，均符合實際情況。

2.1.2 傾覆約束

為保證爬壁機器人不從垂直平面上傾覆翻落，即保證機器人的傾覆力矩小于吸附力矩，受力分析如圖5 所示。 其中：HG為等效重心與垂直壁面的距離；l1為下履帶非接觸吸附裝置中心與A 點的距離；l2為下履帶非接觸吸附裝置中心與下車體非接觸吸附裝置中心的距離；l3為下車體非接觸吸附裝置中心與中間車體非接觸吸附裝置中心的距離；lW為上下兩履帶接觸中心的距離；lt為每個履帶與壁面接觸長度。

圖5 爬壁機器人傾覆受力分析（垂直壁面）Fig.5 Force analysis of overturning of wall-climbing robot(vertical wall)

由圖5 可知，要保證機器人正常工作，不沿圖中A點傾覆，所以針對A 點建立力矩方程，保證力矩平衡，使得∑MA=0， 傾覆的臨界時刻上側兩個履帶受到的支撐力為0，所以只要保證上側兩個履帶Fh1=Fh2≥0就可以保證機器人不傾覆。 由于假設履帶受力均勻和非接觸吸附裝置吸附力均勻，可將兩部分的各個力等效為作用在各模塊中心的一個合力。

結合圖5 由力矩方程可得

式中

MA為A 點的力矩；MCCW為逆時針方向力矩；MCW為順時針方向力矩。

發(fā)生傾覆的臨界點為上面兩個履帶力Fh1=Fh2=0，即

聯(lián)立式（2）、式（5）和式（6）可得

由驗證模型可知：機器人越重或重心越高（重心距離垂直壁面越遠），所需要的吸附力越大，機器人的結構越長越不容易傾覆，若其他量不變，需要的吸附力越小，均符合實際情況。

綜合以上兩種情況可知吸附力為

式中k 為安全系數(shù)。

2.2 爬壁機器人吸附于傾斜壁面

機器人吸附于傾斜壁面時滑落受力分析如圖6所示。 機器人相對于壁面位置如圖7 所示。

圖6 爬壁機器人滑落受力分析（傾斜壁面）Fig.6 Force analysis of sliding of wall-climbing robot(slop wall)

圖7 爬壁機器人與壁面相對位置Fig.7 The relative position of the wall-climbing robot and the wall

2.2.1 滑落約束

為保證機器人不從傾斜壁面上滑落，即保證機器人的重力在沿壁面切線方向的分力要小于機器人所受的最大靜摩擦力。

由圖6 中靜力平衡狀態(tài)受力分析可知，機器人所在坐標系上沿x 方向和y 方向上的合力為0， 其中y方向為機器人前進方向，x 方向為與壁面垂直方向，在此處等效為重心點沿壁面切線方向，即重心點相對于壁面垂直方向。 因此x 方向上合力為0，即

式中α 為機器人與壁面垂直方向夾角。

根據(jù)之前的假設可得

因此，在y 方向上合力也為0，即

又由靜摩擦力與壓力之間關系為

聯(lián)立式（8）～（11）可得

根據(jù)以上分析可知：機器人重量越大，所需要的吸附力越大；摩擦系數(shù)越?。ū砻嬖焦饣?，所需要的吸附力越大；機器人在壁面上與垂直方向夾角越小，所需要的吸附力越大。

2.2.2 傾覆約束

傾覆時受力分析如圖8 所示。

圖8 爬壁機器人傾覆受力分析（傾斜壁面）Fig.8 Force analysis of overturning of wall-climbing robot(slop wall)

正常工作時，需要保證機器人不會沿圖8 中A 點傾覆，故針對A 點建立力矩方程，由受力分析可知，只要保證上側兩個履帶Fh1=Fh2≥0 就可以保證機器人不傾覆。 由于假設履帶和吸附裝置受力均勻，所以可將二者等效為作用在各模塊中心的一個合力。 由力矩方程可得

式中

發(fā)生傾覆的臨界點為上面兩個履帶受到支撐力Fh1=Fh2=0，若不傾覆要保證

聯(lián)立式（12）和（13）可得

根據(jù)以上分析推導可知：機器人越重或機器人重心越高，所需吸附力越大，同時與垂直壁面夾角越小，越容易傾覆；機器人車體越長，越不容易傾覆，此時需要的吸附力相對越小。

結合以上兩種情況分析，可以得到機器人需要的吸附力為

本方案中分別將如下參數(shù)代入計算，G=2 500 N，μ=0.6，l1=0.1 m，l2=0.1 m，l3=0.5 m，lt=0.2 m，HG=0.35 m，從而求得所需吸附力大小以及在傾斜壁面上最危險點的角度。

根據(jù)式（14）計算得到，當α=37°時最危險，此時最容易滑落，需要的吸附力為4 850 N，即吸附裝置至少需要提供485 kg 的吸力。

結合式（7）和式（14）可知，機器人需要k·485 kg 的吸附力。

3 仿真與現(xiàn)場試驗結果分析

仿真實驗證明在氣隙高度為0.1 m 時， 單組履帶吸附裝置的吸附力可達100 kg，4 組履帶吸附裝置可產(chǎn)生400 kg 的吸力；氣隙高度為0.15 m 時，單組車體吸附裝置的吸附力可以達到200 kg，4 組履帶吸附裝置則可產(chǎn)生600 kg 的吸附力，均可完全可保證機器人的可靠吸附要求。同時吸盤與壁面不接觸，沒有摩擦力，保證了履帶式移動機構運動靈活的優(yōu)點?，F(xiàn)場試驗結果如圖9 所示。

圖9 爬壁機器人不同吸附角度的試驗結果Fig.9 Adsorption test results in different inclinations of wall-climbing robot

從圖9 中可知，現(xiàn)場試驗中爬壁機器人在整圈爬行過程中沒有出現(xiàn)滑落和傾覆現(xiàn)象，與理論計算相符合。 圖9（a）中，機器人吸附于90°垂直壁面，此時根據(jù)計算容易出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，但根據(jù)現(xiàn)場試驗，機器人能夠平穩(wěn)爬行于垂直壁面，證明機器人結構合理，具有充足的吸附能力。圖9（b）中，機器人處于127°傾斜壁面，為最危險點，最容易出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，但試驗機器人平穩(wěn)經(jīng)過，證明機器人具備足夠大的吸附力。 圖9（c）中，機器人吸附于180°水平壁面，即最高點，此時容易出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象，但機器人能夠順利經(jīng)過此點。自此，爬壁機器人在整圈試驗中順利通過各個危險點，進一步說明爬壁機器人設計滿足現(xiàn)場需求，能夠進行壓力鋼管內(nèi)作業(yè)。

4 結語

本研究提出一種新型非接觸永磁式爬壁機器人設計方案。為實現(xiàn)爬壁機器人在壓力鋼管內(nèi)任意位置可靠吸附，介紹了機器人系統(tǒng)結構整體方案，重點給出了永磁式吸附模塊的設計方案。針對爬壁機器人在壓力鋼管內(nèi)運動的幾何位置變化，對吸附力變化情況進行計算并對極限情況下的靜力約束條件進行分析。 通過仿真及現(xiàn)場試驗證明了永磁式吸附模塊有效可靠，爬壁機器人可在大負載情況下實現(xiàn)壓力鋼管內(nèi)任意位置的可靠吸附。