一種大型壓力容器爬壁機器人的設(shè)計

余涵，張文志，趙志強，郝繼業(yè)

一種大型壓力容器爬壁機器人的設(shè)計

余涵，張文志*，趙志強，郝繼業(yè)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

在役大型壓力容器需要定期檢測，針對傳統(tǒng)人工檢測存在的難度大、成本高、周期長等問題，本文設(shè)計了一種輪式永磁吸附爬壁機器人。該機器人采用分體式結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)曲面作業(yè)。針對球型壓力容器實際作業(yè)情況，建立了機器人在球面上的靜力學(xué)模型，分析內(nèi)、外壁面作業(yè)時可能發(fā)生滑移、傾覆和法向脫離的失穩(wěn)條件。通過MATLAB仿真得到機器人在內(nèi)、外壁面上爬行時最容易發(fā)生失穩(wěn)的位置和單個磁輪的最小吸附力值，總結(jié)出保證機器人穩(wěn)定工作應(yīng)滿足的條件。實驗結(jié)果表明，該輪式永磁吸附爬壁機器人能夠穩(wěn)定吸附，滿足設(shè)計要求。

大型壓力容器；爬壁機器人；分體式；靜力學(xué)分析

大型壓力容器在各行業(yè)中主要用于儲存易燃、易爆、有毒等特殊介質(zhì)，如果容器損壞未能及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致嚴重事故[1]。因此，定期對大型壓力容器進行檢修極為重要。目前大型壓力容器以人工檢測為主，如圖1所示，檢測時需要在壓力容器內(nèi)壁和外壁搭建手腳架，操作難度大、檢測成本高、周期長、效率低。因此，設(shè)計適用于大型壓力容器的爬壁檢測、維護機器人具有十分重要的意義。

目前，爬壁機器人技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，采用磁吸附、負壓吸附、化學(xué)吸附、靜電吸附以及仿生機械結(jié)構(gòu)等吸附方式與輪式、足式、履帶式、框架式、線索式等運動方法相結(jié)合，已研制出了多種爬壁機器人[2-3]。大型壓力容器多為球型或圓柱罐體，檢測維護時機器人需要攜帶無損檢測、打磨、標定等設(shè)備或工具在管壁上穩(wěn)定吸附，遍歷待檢測焊縫。此外，大型壓力容器罐外表面常敷設(shè)有保溫層，檢測作業(yè)多需要進入罐內(nèi)，而進入孔直徑僅450 mm左右。同時滿足較強的負載能力、能夠適應(yīng)曲面作業(yè)，結(jié)構(gòu)尺寸小是大型壓力容器檢測機器人研制面臨的難題。

圖1 球形壓力容器

對于有一定負載要求的鐵磁性壁面，永磁吸附較為適宜[4]，輪式和履帶式移動效率較高。邱仕誠等[5]針對大型儲罐焊縫缺陷自動化檢測問題，對機器人不同工況下的受力狀態(tài)進行分析，研制出一種永磁吸附的輪式爬壁機器人，對稱布置的輔助吸附輪提高了機器人的吸附能力。郭偉燦等[6]將磁輪與磁橋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過兩種磁體位置布置來調(diào)節(jié)機器人的吸附力。王明強[7]針對傳統(tǒng)履帶式機器人轉(zhuǎn)向效率和轉(zhuǎn)向精確度低的問題，分析了機器人在不同傾斜壁面的行走條件，提出一種多履帶全向磁吸附式爬壁機器人。姜德政[8]為提高機器人的吸附穩(wěn)定性和運動準確性，分析了履帶相關(guān)參數(shù)對滑移過程的影響，研制出一種滾動密封式結(jié)構(gòu)的履帶式爬壁機器人，采用一體式機器人結(jié)構(gòu)，曲面運行時難以保證全部輪、履帶與壁面完全貼合，進而會降低吸附能力。Li[9]研制了一款mecanum輪式檢測機器人，通過mecanum輪附近的永磁體單元為機器人提供吸附力，利用可調(diào)節(jié)懸架，使機器人具備曲面自適應(yīng)能力。Zhang[10]針對機器人的表面適應(yīng)性問題，分析了機器人的失穩(wěn)情況，設(shè)計了一種多自由度的移動機構(gòu)，使機器人能夠適應(yīng)曲面工作。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定的研究成果，但在減少自身重量和結(jié)構(gòu)尺寸的同時能夠適應(yīng)曲面和提升負載能力上仍需要進一步研究，以更好地適應(yīng)大型壓力容器檢測的工程實際。

本文設(shè)計一種分體式爬壁機器人，該機器人左右兩側(cè)車身通過一個轉(zhuǎn)動連接機構(gòu)相連，能自適應(yīng)曲面，并能攜帶30 kg負載，具有結(jié)構(gòu)相對簡單、負載能力大，結(jié)構(gòu)尺寸小的特點。針對球罐壁面吸附，考慮曲面特性分析了內(nèi)外壁面上吸附的失穩(wěn)條件，對于同類機器人的研制具有一定參考價值。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，包括車架模塊、傳動模塊、吸附模塊和電氣模塊。車架模塊是機器人整體的基礎(chǔ)框架，如圖3所示，車架模塊中的轉(zhuǎn)動連接機構(gòu)是機器人具有曲面自適應(yīng)能力的關(guān)鍵，當機器人在復(fù)雜曲率的球面上行走時，磁輪的吸附力可以拉動彈簧，帶動翻轉(zhuǎn)軸、俯仰軸的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動，使磁輪與球罐壁面的接觸更充分，減小磁輪吸附力的損耗。機器人的傳動模塊由直流伺服電機、減速機、鏈輪和鏈條組成，兩主動輪中心對稱充分減小機器人體積。吸附模塊采用永磁式磁輪為機器人提供吸附力，保證機器人在工作中可沿工作壁面穩(wěn)定行走。

1.電氣箱；2.永磁式磁輪；3.球罐；4.驅(qū)動裝置；5.車架模塊；6.鏈輪裝置。

1.翻轉(zhuǎn)軸；2.T型軸承座；3.機架；4.彈簧；5.側(cè)板；6.方型軸承座；7.俯仰軸。

本文設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)尺寸（長×寬×高）500 mm×390 mm×180 mm，負載能力30 kg，自重不超過30 kg，磁輪采用永磁表面滾花處理，與罐體的摩擦系數(shù)為0.7，單個磁輪的理論吸附力為427 N。

2 在球罐上的靜力學(xué)分析

設(shè)單個磁輪提供的吸附力為F（＝1～4），磁輪與球罐壁面接觸點為P（＝1～4），機器人重心所在平面為，如圖4所示，為磁輪吸附力F與平面所形成的空間夾角，球面作業(yè)時四個輪子的相等。

圖4 吸附力方向與平面W關(guān)系

機器人在球罐外壁的位姿分析如圖5所示。其中吸附力F垂直于球罐壁面，且1、2、3和4相交于點。

O為球罐的球心；O1為機器人的重心，即平面W的中心點；Fi為吸附力；α為OO1與水平面的夾角；θ1和θ2為橫、縱向輪子吸附力與OO1的夾角；K為機身寬度；L為兩輪中心距；B為磁輪寬度；r為磁輪半徑；R為球罐半徑

由圖5可知：

2.1 沿工作壁面滑移

由圖6可知：

由圖7（a）可知，機器人沿球罐外壁滑移時，若要避免發(fā)生滑移失效，則受力條件為：

可得此時單個磁輪提供的吸附力應(yīng)滿足：

由圖7（b）可知，機器人沿球罐內(nèi)壁滑移時，若要避免發(fā)生滑移失效，則受力條件為：

可得此時單個磁輪提供的吸附力應(yīng)滿足：

2.2 縱向傾覆

機器人在球罐內(nèi)外壁縱向運動時，機器人繞最下方兩個磁輪接觸點的連線發(fā)生翻轉(zhuǎn)，最上方兩磁輪的磁吸附力為機器人提供抗傾覆力矩，以向上運動為例進行分析，受力情況如圖9所示。

由圖9（a）可知，當機器人在球罐外壁爬行時，對點4進行力矩分析可得：

圖8 機器人抗滑落仿真分析

為保證機器人不發(fā)生縱向傾覆失穩(wěn)，則單個磁輪提供的吸附力應(yīng)該滿足條件：

則有：

由圖9（b）可知，當機器人在球罐內(nèi)壁爬行時，對機器人進行抗縱向傾覆分析，可得：

若機器人不發(fā)生縱向傾覆，單個磁輪提供的吸附力應(yīng)滿足式（9），則有：

H為機器人重心距離球罐表面的高度；Li為機器人重心到磁輪軸線的垂直距離。

2.3 橫向傾覆

機器人在球罐內(nèi)外壁橫向運動時，受力情況如圖11所示。

圖10 機器人抗縱向傾覆仿真分析

由圖11（a）可知，當機器人在球罐外壁爬行時，對點1進行力矩分析可得：

若機器人不發(fā)生橫向傾覆，則單個磁輪提供的吸附力應(yīng)滿足式（9），則有：

由圖11（b）可知，當機器人在球罐內(nèi)壁爬行時，對機器人進行抗橫向傾覆分析可得：

若機器人不發(fā)生橫向傾覆，單個磁輪提供的吸附力應(yīng)滿足式（9），則有：

圖11 機器人抗橫向傾覆分析

圖12 機器人抗橫向傾覆仿真分析

2.4 法向脫離

若機器人在球罐外壁上不發(fā)生法向脫離，則應(yīng)滿足：

若機器人在球罐內(nèi)壁上不發(fā)生法向脫離，則應(yīng)滿足：

2.5 吸附力極值計算

綜合上述幾種失穩(wěn)情況的受力分析，總結(jié)各種情況下保證機器人穩(wěn)定工作的最小吸附力值，得到機器人在內(nèi)、外壁行走時單個磁輪吸附力應(yīng)不小于261.82 N。

由于機器人工作時的穩(wěn)定性受多方面因素影響，為保證機器人在工作時爬行和吸附的可靠性，引入安全系數(shù)＝1.5[11]，可得：

本文所設(shè)計機器人單個磁輪的吸附力為427 N，故該機器人可以在球罐內(nèi)外壁上穩(wěn)定工作，不會發(fā)生滑移、傾覆和法向脫離的情況。

3 性能測試實驗

機器人樣機如圖13所示。

3.1 平面運動性能實驗

在鋼材壁面上對機器人進行手動行走實驗，如圖14所示。觀察機器人的附壁能力、速度、轉(zhuǎn)向效果等性能參數(shù)。通過不同參數(shù)下對樣機的多次測試，得到結(jié)果如下：

（1）機器人單個磁輪的平均吸附力為404.54 N，與理論計算值427 N相差僅5.3%，證明機器人具有充足的吸附力。此外，為機器人施加近100 kg外力，機器人未與鋼材壁面脫離，證明機器人良好的吸附性能。

（2）該機器人負載能力大于30 kg，平面直線行走速度最大可達6 m/min。在滿負載的情況下，向前、向后爬行和轉(zhuǎn)向效果良好，能夠滿足大型壓力容器機器人的負載要求。

（3）實驗發(fā)現(xiàn)機器人行走速度越慢，其轉(zhuǎn)彎半徑越小，機器人越靈活。當機器人行走速度為1 m/min時，轉(zhuǎn)彎半徑為186 mm。對機器人分別進行左、右轉(zhuǎn)向測試，機器人均一次完成，轉(zhuǎn)向過程中機器人爬行平穩(wěn)，未出現(xiàn)傾覆打滑現(xiàn)象。

圖13 機器人樣機

圖14 樣機平面運動實驗

（4）機器人攜帶30 kg負載，以1 m/min速度直線行走10 m距離，機器人自身姿態(tài)角不超過1°。

綜上所述，本文設(shè)計的機器人樣機滿足設(shè)計要求。

3.2 越障實驗

球罐檢測時，機器人需具備跨越焊縫的能力。球罐上焊縫高度為3 mm，因此在鋼材壁面上增加高度為3 mm的焊縫，來測試機器人的越障能力，如圖15所示。

在實驗過程中，機器人可以輕松越過高度為3 mm的焊縫，沒有出現(xiàn)打滑和傾覆的情況，故機器人樣機越障能力滿足設(shè)計要求，驗證了本文設(shè)計的機器人可以在球罐內(nèi)外壁上運動。

圖15 機器人越障能力

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種具有曲面自適應(yīng)能力的機器人機構(gòu)，對機器人在球罐內(nèi)外壁上的行走進行靜力學(xué)分析，建立起機器人在滑移、縱向傾覆、橫向傾覆、法向脫離四種失穩(wěn)形式下的力學(xué)模型，并通過MATLAB軟件進行仿真計算，得出機器人在四種失穩(wěn)情況下的數(shù)據(jù)，結(jié)合機器人實際工作環(huán)境，計算出保證機器人穩(wěn)定工作的條件為：單個磁輪提供的吸附力不小于392.73N。由機器人性能實驗可知，本文設(shè)計的機器人樣機滿足設(shè)計要求。

[1]魏正祥. 探討承壓類特種設(shè)備無損檢測現(xiàn)狀[J]. 中國金屬通報，2019（7）：138-139.

[2]Daniel Schmidt，Karsten Berns. Climbing robots for maintenance and inspections of vertical structures: A survey of design aspects and technologies[J]. Robotics and Autonomous Systems，2013（61）：1288-1305.

[3]Chu Baeksuk，Jung Kyungmo，Han Chang-Soo. A Survey of Climbing Robots: Locomotion and Adhesion[J]. International Journal of Precision Engineering And Manufacturing，2010（12）：633-647.

[4]Fumin Gao，JianChun Fan，Laibin Zhang，et al. Magnetic crawler climbing detection robot basing on metal magnetic memory testing technology[J]. Robotics and Autonomous Systems，2020（125）：1-13.

[5]邱仕誠，伍劍波，趙恒忠，等. 一種基于磁力吸附的儲罐爬壁機器人本體設(shè)計[J]. 中國機械工程，2022，33（3）：270-278.

[6]郭偉燦，鄭慕林，凌張偉，等. 大型承壓設(shè)備爬壁機器人磁橋設(shè)計和試驗研究[J]. 機電工程，2020，37（5）：588-592.

[7]王明強，陳錦，方海峰，等. 新型多履帶全向爬壁機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機械設(shè)計與制造，2021（5）：208-211.

[8]姜德政，胡軍，鐘恒，等. 一種滾動密封爬壁機器人的安全吸附條件與運動特性分析[J]. 中國機械工程，2021，32（22）：2757-2764.

[9]Li Jie. Weld line recognition and path planning with spherical tank inspection robots[J]. Journal of Field Robotics，2022，39（2）：131-152.

[10]Zhang Minglu. Optimization design and flexible detection method of a surface adaptation wall-Climbing robot with multisensor integration for petrochemical Tanks[J]. Sensors，2020，20（22）：1-20.

[11]姜紅建. 面向船舶除銹機器人的磁吸附爬壁輪優(yōu)化設(shè)計[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2018.

Design of a Wall Climbing Robot for a Large Pressure Vessel

YU Han，ZHANG Wenzhi，ZHAO Zhiqiang，HAO Jiye

( School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China )

Large pressure vessels in service need regular inspection. Aiming at solving the problems such as great difficulty, high cost and long period in traditional manual inspection, we design a wheeled permanent magnet adsorption wall-climbing robot. With a split structure, the robot can adapt to curved surface operation. According to the actual working situation of spherical pressure vessel, the static model of the robot on the spherical surface is established. We then analyze the instability conditions that may occur when the inner and outer walls are working. Through MATLAB simulation, we obtain the position where the robot is most prone to instability when crawling on the inner and outer walls and the minimum adsorption force of a single magnetic wheel. The conditions that should be met to ensure the robot to work stably are summarized. The results show that the robot can stably adsorb. It meets the design requirements.

large pressure vessel；wall-climbing robot；split type；statics analysis

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.011

1006-0316 (2023) 10-0060-09

2023-01-12

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃（2021GG0260）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金（2020LH06003）

余涵（1998－），女，山東單縣人，碩士研究生，主要研究方向為機器人、機電裝備，E-mail：1910595809@qq.com。

通訊作者：張文志（1972－），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士研究生，副教授，主要研究方向為機器人、機電裝備，E-mail：robotzwz@163.com。