履帶式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)探討

王天哲

【摘 要】履帶式爬壁機(jī)器人應(yīng)用比較廣泛，雖然速度慢于輪式機(jī)器人，但是可以克服更大的障礙物，具有穩(wěn)定性好、時(shí)應(yīng)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高其應(yīng)用效率，還需要就其運(yùn)行原理，做好受力分析，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高其運(yùn)行穩(wěn)定性。本文分析了機(jī)器人壁面運(yùn)動(dòng)受力，研究了履帶式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】履帶式爬壁機(jī)器人 優(yōu)化 設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人為特殊機(jī)器人，具有可靠性高、負(fù)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及避免適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高其應(yīng)用效果，需要對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行分析，以優(yōu)化功能和滿足實(shí)用要求為目的，對(duì)其運(yùn)行受力狀態(tài)進(jìn)行研究，確定其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，確保可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

1 機(jī)器人壁面運(yùn)動(dòng)受力分析

1.1 勻速運(yùn)動(dòng)受力

如果機(jī)器人向上爬行運(yùn)動(dòng)，單邊履帶上電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要克服1/2重力轉(zhuǎn)矩與Mf，且Mf計(jì)算公式為：

MQ-Mf-MG=0

MG=1/2GTH

其中，MQ表示單側(cè)電機(jī)減速后輸出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Mf表示機(jī)器人履帶上最下面一塊電磁鐵受力所產(chǎn)生的阻力矩；MG表示1/2重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；F1表示履帶最下面一塊磁鐵對(duì)壁面的壓力，且F1=Fn-N1。則：Mf=F1h=（Fn-N1）h，由此可得單側(cè)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：MQ≥（Fn-N1）h+（HGcosα）/2

1.2 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)受力

如果機(jī)器人沿壁面轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析，需要通過兩臺(tái)履帶差速來玩完成轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，基本上都選擇通過正、反轉(zhuǎn)兩條履帶方式來完成轉(zhuǎn)彎。假設(shè)機(jī)器人重力分布在兩側(cè)履帶上，這樣在對(duì)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析時(shí)，就需要同時(shí)考慮摩擦阻力矩MZ、Mf與GT對(duì)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力矩的影響[1]。機(jī)器人做壁面右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)，左側(cè)履帶所需力矩大于右側(cè)履帶力矩，則機(jī)器人轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)履帶所需力矩方程：

Mq-MZ-Mf-1/4GTL=0

其中，Mq表示履帶驅(qū)動(dòng)力矩；MZ表示履帶上每塊磁鐵與壁面摩擦力合力產(chǎn)生的摩擦阻力矩；（1/4）GTL表示機(jī)器人左側(cè)質(zhì)量產(chǎn)生的力矩。其中：

Mq=1/2FPL+1/2FPL=FPL

FP=MQ/R

則可得：Mq=MQL/R

履帶式機(jī)器人做壁面轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)，接觸壓力分布并不均勻，摩擦阻力反抗履帶轉(zhuǎn)彎阻力越小，壓力均勻分布時(shí)所受轉(zhuǎn)彎阻力矩越大，分析時(shí)按照均勻分布計(jì)算，則：

MA=u（nFn-GN）L/4

則，履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

MQ≥R/L[（Fn-N1）h+uL（nFn-GN）/4+1/4GTL]

2 履帶式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶式機(jī)器人移動(dòng)設(shè)計(jì)方式，在實(shí)際應(yīng)用中吸附性更好，且具有耐腐蝕效果，即便作業(yè)時(shí)控制器故障，也不會(huì)脫離壁面。結(jié)構(gòu)形式的選擇需要根據(jù)實(shí)際需求來確定，例如針對(duì)大型油罐檢測(cè)作業(yè)用履帶式爬壁機(jī)器人，油罐受腐蝕影響，壁面存在不同程度的變形、生銹等情況。在對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了要提高其對(duì)作業(yè)避免的適應(yīng)能力，還要保證其能夠垂直直線行走，重點(diǎn)控制偏斜度，將定位精度控制在規(guī)定范圍內(nèi)[2]。同時(shí)，在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要引入修正環(huán)節(jié)，對(duì)因?yàn)楸苊庾冃卧斐傻臋C(jī)器人爬行軌跡偏差進(jìn)行修正。

2.2 壁面靜力分析

同樣以大型油罐容器檢測(cè)履帶式爬壁機(jī)器人為例，對(duì)永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人受力狀態(tài)進(jìn)行分析。爬壁機(jī)器人履帶主要以鉸鏈進(jìn)行聯(lián)接，垂直于牽引力方向時(shí)并不存在剛性，因此不能將垂直于履帶平面的荷載分布到每個(gè)永磁體上，降低了機(jī)器人作業(yè)穩(wěn)定性。假設(shè)機(jī)器人具有分布荷載，并將荷載分散機(jī)構(gòu)看作為一個(gè)彈簧，將機(jī)器人在GN方向上所受到的力，分散到吸附在避免其他磁鐵上，且單條履帶上荷載分散機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的總拉力為彈簧彈力T。為更方便分析荷載分散系數(shù)uL對(duì)爬壁機(jī)器人穩(wěn)定性的影響，本文確定uL=2T/G。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中彈簧變形量不發(fā)生變化，則可以認(rèn)為由荷載分散機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的拉力始終為T。為保證機(jī)器人在壁面作業(yè)時(shí)不會(huì)掉下，要求作用的外力應(yīng)滿足靜力學(xué)平衡方程組：

2（N1+N2+2T）-GN=0

2Ff-GT=0

2T（a-a）+2N2b-2N1b-2FfH=0

其中，F(xiàn)f表示單條履帶所受摩擦力，F(xiàn)f=1/2GT，且便于計(jì)算分析，設(shè)定Ff為最大靜摩擦力，滿足Ff≥GT，則機(jī)器人不會(huì)在避免作業(yè)時(shí)下滑，根據(jù)此要求計(jì)算磁鐵所需吸附力。并引入荷載分布系數(shù)uL，替換T，分析uL對(duì)N1、N2影響。則可獲得方程組：

N2b-N1b-GTH=0

2（N1+N2+T）=GN

由上述公式可得：

N1=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b

N2=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b

其中，N1N2表示機(jī)器人在垂直于履帶方向上吸附在墻壁上的最下面與最上面電磁鐵拉力；Ff表示兩條履帶與壁面間最大靜摩擦力；G表示整個(gè)機(jī)器人重力，GT=Gcosα，GN=Gsinα；b表示支撐力N1N2相對(duì)于機(jī)器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相對(duì)于機(jī)器人重心力臂。要求機(jī)器人在避免作業(yè)時(shí)不下滑，則Ff≥GT，F(xiàn)f=（nFn-GN）u。Fn表示單個(gè)磁鐵吸附力；n表示永磁鐵個(gè)數(shù)；u表示摩擦系數(shù)。

將公式Ff=（nFn-GN）u代入Ff≥GT中，便可得到單個(gè)電磁鐵吸附力：

Fn≥1/n（1/uGT+GN）

機(jī)器人壁面上爬運(yùn)動(dòng)作業(yè)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，則要求最上面一塊地鐵不會(huì)被掀起，則：Fn≥N2，即：

Fn≥1/4GN-1/4uLG+GTH/2b

3 結(jié)語

爬壁機(jī)器人在很多特殊作業(yè)中具有重要應(yīng)用效果，其可以搭載多種工具在垂直墻壁上移動(dòng)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到建筑、能源、石化等行業(yè)中。對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，需要遵循其運(yùn)行原理，做好受力分析，根據(jù)實(shí)際需求確定結(jié)構(gòu)形式，保證能夠滿足各種狀態(tài)作業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡麗君.履帶式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[2]熊雕，劉玉良.履帶式爬壁機(jī)器人受力分析與穩(wěn)定性仿真研究[J].機(jī)電工程，2015（07）：929-932+937.