履帶式爬壁機器人設計探討

王天哲

【摘 要】履帶式爬壁機器人應用比較廣泛，雖然速度慢于輪式機器人，但是可以克服更大的障礙物，具有穩定性好、時應強優點。為進一步提高其應用效率，還需要就其運行原理，做好受力分析，通過優化設計提高其運行穩定性。本文分析了機器人壁面運動受力，研究了履帶式爬壁機器人設計要點。

【關鍵詞】履帶式爬壁機器人 優化 設計

爬壁機器人為特殊機器人，具有可靠性高、負載能力強、結構簡單以及避免適應強等優點。為進一步提高其應用效果，需要對其運行原理進行分析，以優化功能和滿足實用要求為目的，對其運行受力狀態進行研究，確定其結構設計形式，確保可以滿足實際應用需求。

1 機器人壁面運動受力分析

1.1 勻速運動受力

如果機器人向上爬行運動，單邊履帶上電機驅動轉矩需要克服1/2重力轉矩與Mf，且Mf計算公式為：

MQ-Mf-MG=0

MG=1/2GTH

其中，MQ表示單側電機減速后輸出驅動轉矩；Mf表示機器人履帶上最下面一塊電磁鐵受力所產生的阻力矩；MG表示1/2重力產生的轉矩；F1表示履帶最下面一塊磁鐵對壁面的壓力，且F1=Fn-N1。則：Mf=F1h=（Fn-N1）h，由此可得單側電機所需驅動轉矩：MQ≥（Fn-N1）h+（HGcosα）/2

1.2 轉彎運動受力

如果機器人沿壁面轉彎運動，對其運動模型進行分析，需要通過兩臺履帶差速來玩完成轉彎動作，而在實際設計中，基本上都選擇通過正、反轉兩條履帶方式來完成轉彎。假設機器人重力分布在兩側履帶上，這樣在對轉彎運動模型進行分析時，就需要同時考慮摩擦阻力矩MZ、Mf與GT對電機所需驅動力矩的影響[1]。機器人做壁面右轉彎動作時，左側履帶所需力矩大于右側履帶力矩，則機器人轉彎動作時履帶所需力矩方程：

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

其中，Mq表示履帶驅動力矩；MZ表示履帶上每塊磁鐵與壁面摩擦力合力產生的摩擦阻力矩；（1/4）GTL表示機器人左側質量產生的力矩。其中：

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

FP=MQ/R

則可得：Mq=MQL/R

履帶式機器人做壁面轉彎動作時，接觸壓力分布并不均勻，摩擦阻力反抗履帶轉彎阻力越小，壓力均勻分布時所受轉彎阻力矩越大，分析時按照均勻分布計算，則：

MA=u（nFn-GN）L/4

則，履帶式機器人轉彎時電機所需驅動轉矩：

MQ≥R/L[（Fn-N1）h+uL（nFn-GN）/4+1/4GTL]

2 履帶式爬壁機器人設計要點

2.1 結構設計

履帶式機器人移動設計方式，在實際應用中吸附性更好，且具有耐腐蝕效果，即便作業時控制器故障，也不會脫離壁面。結構形式的選擇需要根據實際需求來確定，例如針對大型油罐檢測作業用履帶式爬壁機器人，油罐受腐蝕影響，壁面存在不同程度的變形、生銹等情況。在對機器人結構進行設計時，除了要提高其對作業避免的適應能力，還要保證其能夠垂直直線行走，重點控制偏斜度，將定位精度控制在規定范圍內[2]。同時，在對控制系統進行設計時，要引入修正環節，對因為避免變形造成的機器人爬行軌跡偏差進行修正。

2.2 壁面靜力分析

同樣以大型油罐容器檢測履帶式爬壁機器人為例，對永磁吸附履帶式爬壁機器人受力狀態進行分析。爬壁機器人履帶主要以鉸鏈進行聯接，垂直于牽引力方向時并不存在剛性，因此不能將垂直于履帶平面的荷載分布到每個永磁體上，降低了機器人作業穩定性。假設機器人具有分布荷載，并將荷載分散機構看作為一個彈簧，將機器人在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構所產生的總拉力為彈簧彈力T。為更方便分析荷載分散系數uL對爬壁機器人穩定性的影響，本文確定uL=2T/G。機器人運動過程中彈簧變形量不發生變化，則可以認為由荷載分散機構產生的拉力始終為T。為保證機器人在壁面作業時不會掉下，要求作用的外力應滿足靜力學平衡方程組：

2（N1+N2+2T）-GN=0

2Ff-GT=0

2T（a-a）+2N2b-2N1b-2FfH=0

其中，Ff表示單條履帶所受摩擦力，Ff=1/2GT，且便于計算分析，設定Ff為最大靜摩擦力，滿足Ff≥GT，則機器人不會在避免作業時下滑，根據此要求計算磁鐵所需吸附力。并引入荷載分布系數uL，替換T，分析uL對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表示整個機器人重力，GT=Gcosα，GN=Gsinα；b表示支撐力N1N2相對于機器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相對于機器人重心力臂。要求機器人在避免作業時不下滑，則Ff≥GT，Ff=（nFn-GN）u。Fn表示單個磁鐵吸附力；n表示永磁鐵個數；u表示摩擦系數。

將公式Ff=（nFn-GN）u代入Ff≥GT中，便可得到單個電磁鐵吸附力：

Fn≥1/n（1/uGT+GN）

機器人壁面上爬運動作業時，不會出現翻轉，則要求最上面一塊地鐵不會被掀起，則：Fn≥N2，即：

Fn≥1/4GN-1/4uLG+GTH/2b

3 結語

爬壁機器人在很多特殊作業中具有重要應用效果，其可以搭載多種工具在垂直墻壁上移動，現在已經被廣泛的應用到建筑、能源、石化等行業中。對其進行設計研究，需要遵循其運行原理，做好受力分析，根據實際需求確定結構形式，保證能夠滿足各種狀態作業要求。

參考文獻：

[1]蔡麗君.履帶式爬壁機器人設計與研究[D].上海工程技術大學，2011.

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