爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及曲面磁力吸附關(guān)鍵技術(shù)研究

孟憲宇，董華倫

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型石油、藥品、化工儲(chǔ)罐越來越多，但是檢測和清洗工作仍處于落后的人工方法，同時(shí)隨著近幾年對(duì)環(huán)保問題的重視，人工作業(yè)已經(jīng)不符合發(fā)展的客觀要求。最近幾年越來越多的機(jī)構(gòu)開始將目標(biāo)投向智能機(jī)器人方面，通過遠(yuǎn)程操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速智能檢測。從各國研究的狀況來看，爬壁機(jī)器人真空吸附方面各國都做了大量的研究實(shí)踐，但磁吸附方面，只有日本較為突出先進(jìn)[1]。其中，日本的Inoue.K[2]等人研制出的攀爬網(wǎng)狀壁面的爬壁機(jī)器人，仿照蜘蛛六足結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)多維度運(yùn)動(dòng)；Fischer[3]等人設(shè)計(jì)使用的磁輪“母子”結(jié)構(gòu)，使越障性能大大提高；國內(nèi)的磁吸附機(jī)器人從上世紀(jì)開始也得到了大力發(fā)展，大連海事大學(xué)的衣正堯[4]設(shè)計(jì)的永磁真空混合吸附機(jī)器人，負(fù)載能力強(qiáng)。目前，罐壁爬壁機(jī)器人就吸附性可靠性有待合理解決。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了智能永磁吸附爬壁機(jī)器人樣機(jī)，如圖1所示，并在罐壁進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)可在罐壁上實(shí)現(xiàn)靈活爬行，運(yùn)動(dòng)性能極佳。

本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人，主要應(yīng)用于儲(chǔ)油罐、化工罐、藥物反應(yīng)等大型罐壁清潔和檢測工作，減少人工工作量以及人與化工危險(xiǎn)產(chǎn)品的接觸，達(dá)到快捷精確的清潔和檢測。本文將先對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹，提出磁力吸附結(jié)構(gòu)；然后對(duì)本文研究設(shè)計(jì)的磁力吸附結(jié)構(gòu)，建立了其三維磁場分布，并運(yùn)用ANSYS仿真軟件進(jìn)行仿真，通過磁力分析提供吸附可靠性的數(shù)據(jù)。

圖1 爬壁機(jī)器人樣機(jī)壁面吸附狀態(tài)

1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

機(jī)器人爬壁吸附方式主要分為三種：真空吸附、磁力吸附和推力吸附。但真空吸附在凹凸不平和粗糙的壁面，容易漏氣造成吸附能力變差，而推力吸附穩(wěn)定性差精度低。磁力吸附壁面吸附能力強(qiáng)且穩(wěn)定性強(qiáng)精度高。磁吸附[5]又分為電磁吸附和永磁吸附兩種。但電磁吸附需要耗電，而工作時(shí)間一般較長，且壁罐一般是導(dǎo)磁材料，故選取永磁吸附技術(shù)。

機(jī)器人爬壁移動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有：車輪式、腳足式、履帶式、軌道式等。車輪式速度較快，但是對(duì)壁面要求程度較高，越障能力差。腳足式越障能力雖然強(qiáng)但是移動(dòng)速度有限，且不易控制。軌道式靈活性差，且罐壁需要全部檢測和清洗，不適合。履帶式著地面積大，越障能力強(qiáng)，且通過試驗(yàn)控制也消除了轉(zhuǎn)彎的問題。因此選用履帶式行走機(jī)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)上文的思路設(shè)計(jì)出了履帶式永磁吸附機(jī)器人，三維結(jié)構(gòu)如圖2所示：1為履帶行走機(jī)構(gòu)，2為清洗機(jī)構(gòu)，3為磁探頭，4為攝像頭，5為永磁吸附機(jī)構(gòu)。機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)分別由兩個(gè)減速電機(jī)帶動(dòng)，同時(shí)兩個(gè)電機(jī)分別由倆個(gè)PWM脈寬調(diào)節(jié)器控制，通過控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。機(jī)器人的清洗機(jī)構(gòu)由兩個(gè)高壓水槍組成，清洗劑可以根據(jù)情況使用，實(shí)現(xiàn)清洗和除銹等多功能。機(jī)器人的磁探頭，通過對(duì)特定位置的充磁產(chǎn)生磁化反應(yīng)，從而判斷檢測。機(jī)器人的攝像頭位于磁探頭周圍，為的是更清晰精確地對(duì)準(zhǔn)檢測部分。機(jī)器人的永磁吸附機(jī)構(gòu)中的磁性材料為釹鐵硼。該材料具有體積小、重量輕和磁性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)吸附機(jī)構(gòu)中的磁極交互布置能保證磁力線的合理分布。為了加工方便和履帶行走機(jī)構(gòu)的對(duì)稱，要求永磁鐵的塊數(shù)為偶數(shù)。為了減輕重量，機(jī)器人全身多為鋁合金材料，總質(zhì)量為6kg，考慮到履帶與罐壁之間的摩擦系數(shù)為0.9，因此所需吸附力為54N。

圖2 機(jī)器人三維圖

爬壁機(jī)器人必備的基礎(chǔ)功能為：罐壁吸附和行進(jìn)作業(yè)。爬壁機(jī)器人在作業(yè)時(shí)往往要攜帶檢測儀器、攝像儀器、清洗儀器等，所以對(duì)機(jī)器人的負(fù)載能力有一定的要求，若負(fù)載越大時(shí)，要求吸附機(jī)構(gòu)提供的吸附力越大。但是，巨大的吸附力對(duì)機(jī)器人的行進(jìn)產(chǎn)生阻力，運(yùn)動(dòng)性能變差。所以如何合理地調(diào)節(jié)磁極與罐壁的距離是機(jī)器人研究的關(guān)鍵問題之一。本文提出了一種磁力吸附機(jī)構(gòu)，使其可以在吸附的前提下運(yùn)動(dòng)性能得到更好的提高。

磁力吸附機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的核心機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中的磁力材料可以通過調(diào)節(jié)磁極與管壁間的距離，從而改變吸附的效果。該磁力吸附機(jī)構(gòu)如圖3所示該磁力吸附機(jī)構(gòu)由單個(gè)磁力材料組成，而每個(gè)磁力吸附單元可通過螺母螺栓來實(shí)現(xiàn)與罐壁距離的大小來實(shí)現(xiàn)磁力大小的變化，從而實(shí)現(xiàn)變磁力吸附。永磁體選用釹鐵硼材料，該材料具有重量輕，體積小，但同時(shí)具有極大的磁力，增強(qiáng)了磁力吸附效果。圖4為永磁體的工作原理。

圖3 磁力吸附機(jī)構(gòu)三維及實(shí)物圖

圖4 永磁體吸附原理

在樣機(jī)中，選用16個(gè)直徑為20mm，厚度為10mm的圓形小磁鐵均布在底盤上，如圖5所示。當(dāng)電源供電時(shí)，磁體與罐體之間的磁力可以使樣機(jī)在壁面上平穩(wěn)靈活的移動(dòng)，同時(shí)也能保證樣機(jī)不會(huì)從垂直壁面上掉落。

該變磁力吸附機(jī)構(gòu)由于磁吸盤與壁面為非接觸吸附，沒有摩擦力，使機(jī)器人移動(dòng)和轉(zhuǎn)向阻力小，運(yùn)動(dòng)靈活性好；同時(shí)磁吸盤磁能密度高，與壁面形成平板狀吸附，吸附力大，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力得到提高；而且當(dāng)作業(yè)完成后，通過調(diào)節(jié)吸附力，可使機(jī)器人易于從工作環(huán)境脫離。

圖5 磁力吸附機(jī)構(gòu)

2 磁場分析與仿真

本文機(jī)器人采用的是永磁吸附技術(shù)，所以必須保障機(jī)器人在作業(yè)時(shí)不受外磁場的影響。對(duì)磁吸附力的計(jì)算須知磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此研究永磁體在罐壁區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是分析機(jī)器人合理吸附的關(guān)鍵。本文將利用ANSYSMaxwell軟件仿真機(jī)器人在罐壁作業(yè)時(shí)周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，然后通過計(jì)算得出磁吸附力。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

利用ANSYS有限元分析法，其分析原理為：將連續(xù)求解區(qū)域分割成有限個(gè)網(wǎng)格單元，通過對(duì)每個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)磁勢(shì)和電勢(shì)來求解在一定的邊界條件下的近視函數(shù)，進(jìn)而求解出整體區(qū)域的近視函數(shù)。

本文采用矢量位法計(jì)算模型，其磁場麥克斯韋方程[6]為：

式中：J為電流密度；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率。又因場量和源量不因時(shí)間發(fā)生變化，故客觀靜態(tài)電磁場將呈現(xiàn)出單一靜態(tài)磁場效應(yīng)。

根據(jù)磁通量的連續(xù)性，引入適量磁位A，所以：

經(jīng)過推導(dǎo)，得出磁失位滿足的泊松方程：

本文所述機(jī)器人永磁體分布為對(duì)稱分布，因此可將磁場認(rèn)為軸對(duì)稱靜態(tài)磁場，根據(jù)初始條件和邊界條件可得其控制方程為：

式中：

Ω為整個(gè)有效場域，磁矢位A為待求量。

2.2 仿真分析

2.2.1 幾何參數(shù)設(shè)定

對(duì)于幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)為了進(jìn)行準(zhǔn)確地模擬實(shí)際，因此全部采用實(shí)際參數(shù)。通過查閱相關(guān)資料[7]得知國內(nèi)外大型罐體標(biāo)準(zhǔn)1.5～32mm之間，為方便計(jì)算分析取壁厚為10mm。出于對(duì)圓柱罐體外壁涂層的導(dǎo)磁性以及鍍層的考慮，因此保留一定的設(shè)計(jì)余量，將永磁體與罐壁的初始距離定為0.2mm。其中永磁體材料為釹鐵硼（NdFe35），罐壁材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼（steel1010），空氣氣縫為空氣，同時(shí)相對(duì)磁導(dǎo)率為μ=1.0。同時(shí)考慮到爬壁機(jī)器人材料的影響，故對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡化，僅剩永磁體單元進(jìn)行分析。簡化后如圖6所示。

圖6 簡化后的模型

2.2.2 仿真分析

圖7描述的是機(jī)器人吸附在壁灌上時(shí)的磁感應(yīng)分布，當(dāng)相鄰磁力吸附單元磁極性相反時(shí)，兩者間將會(huì)形成磁回路現(xiàn)象；同時(shí)兩者之間雖然存在氣隙，但是磁力吸附單元與壁面仍具有很強(qiáng)的吸附力。

圖7 磁力線分布圖

對(duì)簡化后的參數(shù)化處理[8]后，對(duì)零件進(jìn)行仿真，首先對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對(duì)仿真分析極為重要，網(wǎng)格劃分的越細(xì)密，仿真的結(jié)果也會(huì)更加的準(zhǔn)確。

圖8描述的是機(jī)器人仿真時(shí)的網(wǎng)格劃分情況及仿真后的結(jié)果。從圖五可以看出，磁力吸附單元的周圍網(wǎng)格劃分非常密集，這和實(shí)際磁力吸附單元周圍磁感線分布情況相似，對(duì)于網(wǎng)格劃分效果非常滿意。網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度最大能到7.28mT，因此可知吸附效果明顯。

圖8 網(wǎng)格劃分及結(jié)果圖

為了更加清晰的看出磁力吸附機(jī)構(gòu)的效果圖，故做出磁力吸附單元的磁感應(yīng)效果云圖如圖9所示。從圖9可以看出由于磁力吸附機(jī)構(gòu)具有體積小的特點(diǎn)，所以各個(gè)磁力吸附單元之間磁力的相互影響效果并不明顯，只有一些零星的磁力交叉點(diǎn)，但從整體看出各個(gè)磁力吸附單元吸附效果較好。并且從磁力吸附單元中心處向外磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，至吸附單元環(huán)狀的中心處達(dá)到最大，隨著向外磁感應(yīng)強(qiáng)度又逐漸減小。當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離吸附單元時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小至0。

當(dāng)機(jī)器人吸附在罐體上時(shí)，兩者之間的氣體縫隙距離較小，將氣隙近似看作均勻狀態(tài)，而將罐體表面分為n份，則總的磁吸附力為：

圖9 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

為了更加清晰地顯示磁力吸附的可靠性，現(xiàn)對(duì)磁場進(jìn)行參數(shù)化受力分析，設(shè)定罐壁與磁力吸附單元的初始間距為0.2mm+mx，同時(shí)定義變量mx為0.1～3.9mm以每一次0.2mm遞加進(jìn)行參數(shù)化掃描。得出如圖9結(jié)果。

圖10 吸附力隨間距變化曲線

從圖10看出在罐壁與磁力吸附單元間的距離在0.1～1.25mm間，磁吸附力變化顯著。磁吸附力隨著距離的增大而逐漸變小，由最大的720N降至375N，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需要的吸附力54N。而罐壁與磁力吸附單元間的距離在1.25～3.75mm間，磁力吸附變化趨于平緩，逐漸趨于125N。可以得知在間距為0.1～3.75mm之間時(shí)磁力完全能夠保障爬壁機(jī)器人所需的磁力要求，不會(huì)產(chǎn)生滑落現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)論證

將制作好的樣機(jī)吸附于罐體上，將間距由0.1～3.75mm進(jìn)行調(diào)整觀察機(jī)器人吸附情況。如圖11所示。因?yàn)閳D示為效驗(yàn)磁力吸附機(jī)構(gòu)效果，因此去除電機(jī)、磁探頭等機(jī)構(gòu)。但是實(shí)際機(jī)器人在作業(yè)過程中需要負(fù)重，故對(duì)機(jī)器人鋁合金上負(fù)載5kg進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)器人并沒有發(fā)生滑移，證明吸附效果可靠。

圖11 機(jī)器人樣機(jī)吸附實(shí)況圖

4 結(jié)論

為了提高罐壁快速準(zhǔn)確檢測與減少人力物力的損耗，本文設(shè)計(jì)了一種罐壁爬行檢測機(jī)器人。該機(jī)器人由三個(gè)機(jī)構(gòu)組成：履帶行走機(jī)構(gòu)，變磁力吸附機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程

【】【】傳輸機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程傳輸，變磁力吸附及罐壁自由行走等特點(diǎn)，能達(dá)到遠(yuǎn)程，實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。為了研究磁力吸附效果和磁場的分布以及磁力與罐壁間的距離地關(guān)系曲線，利用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，直觀地觀察到磁力吸附機(jī)構(gòu)下的磁感應(yīng)云圖，并通過對(duì)磁力與罐壁間的距離地關(guān)系曲線地分析得出在間距在0.1～3.9mm之間時(shí)，磁力吸附機(jī)構(gòu)能夠保障爬壁機(jī)器人的正常工作同時(shí)不產(chǎn)生滑落現(xiàn)象。

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