輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人的設計與吸附穩定性分析

李杰超，曹力科，肖曉暉

(武漢大學動力與機械學院，湖北武漢，430072)

吸附式爬壁機器人屬于特種機器人，將地面移動機器人技術與吸附技術結合起來，能夠攜帶工具代替人工在高強度、高風險的情況下進行探測、油漆噴涂、污垢清除、焊縫修形、焊接等作業，降低了操作危險，提高了作業效率[1-4]。針對鐵磁壁面的缺陷檢測作業，要求爬壁機器人具有可靠的吸附能力，并且與檢測功能融合。國內外學者對爬壁機器人的吸附方式進行了研究。KOH等[5]提出了靜電與彈性體吸附機構混合的爬壁機器人，MINOR等[6]提出了采用欠驅動結構的雙足四關節吸盤式爬壁機器人，TOHRU等[7]提出了基于真空吸附式的采用1個吸盤和2個獨立驅動輪的爬壁機器人，真空吸附方式不受壁面材料的限制，但吸附力易受壁面光整度的影響。DANIEL等[8]提出了基于定向黏合結構的Stickybot仿生爬壁機器人，能夠在光滑豎直表面以4 cm/s的速度爬行，但負載能力不足。朱志宏等[9]提出了基于負壓吸附原理的爬壁機器人，其吸附力容易控制，但吸附穩定性不足。而磁吸附爬壁機器人對壁面要求低，同時可保證負載能力，如SHEN等[10]提出的履帶式永磁吸附爬壁機器人，負載可達到30 kg以上。磁吸附方式有永磁輪式[11]、磁性履帶式[12]和永磁間隙式[13]。機器人的負載能力與運動靈活性互相矛盾[14]，永磁輪式爬壁機器人運動靈活性好，但負載能力差，磁性履帶式爬壁機器人負載能力好，但運動靈活性差，耗能多；機器人的負載能力與機器人體積也互相矛盾，永磁輪式爬壁機器人將永磁鐵布置在車輪上，不增大機器人的底盤尺寸，永磁間隙式爬壁機器人將永磁鐵布置在底盤上，增大了機器人的底盤尺寸，但負載能力比永磁輪式爬壁機器人的更優。因此，綜合考慮負載能力、運動靈活性以及機器人體積，選擇永磁輪式爬壁機器人。在爬壁機器人與檢測技術的融合方面，位雷雷[15]提出了軌道客車焊點超聲檢測爬壁機器人；田蘭圖[16]提出了基于渦流檢測的油罐檢測爬壁機器人。雖然這些爬壁機器人實現了與檢測技術的融合，但存在檢測步驟不完整、檢測效果不足的缺點，缺少壁面打磨、耦合劑涂抹以及缺陷標記等步驟，檢測機構設計的標準化和集成式是未來的發展方向。針對鐵磁壁面的缺陷檢測需求，為實現磁吸附爬壁機器人與超聲檢測技術的融合，本文作者提出了一種融合集成式超聲檢測機構的輪式磁吸附爬壁機器人結構方案，分析了機器人在不同工況下穩定運行的吸附力條件和電機扭矩條件，并對機器人樣機進行了試驗，驗證了設計的合理性和可行性。

1 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人結構方案

1.1 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人整體方案

要實現機器人在鐵磁壁面上移動檢測作業，需滿足以下要求：1)在壁面上靈活運動，小型化、無纜化；2)融合壁面缺陷檢測功能。

1)吸附方式：基于吸附力穩定、運動靈活、耗能少、體積小、質量輕等優勢，為滿足機器人在鐵磁壁面靈活移動作業的要求，設計機器人時采用永磁輪式。

2)檢測方式：在壁面缺陷檢測中，超聲檢測技術以其低廉的成本、廣泛的檢測范圍、相對較高的檢測精度等優勢獲得了普遍應用[17]。目前國內外主要采用傳統的壓電超聲方式來激發導波。但是，使用壓電超聲換能器要受到一定的限制，粗糙表面需要經過打磨、涂抹純凈的耦合劑來進行檢測。

3)檢測作業分析：完整的檢測作業包括壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標記4個步驟。這些步驟要通過相應的機構來完成，且要方便調整機器人位姿，因為打磨區域、涂抹區域、檢測區域和標記區域是相同的，所以在設計機器人時，對機構的布置和集成提出了要求，而這一點對機器人的小型化將起到很大的作用。

1.2 集成式檢測機構設計

為了提升檢測爬壁機器人的性能、使用的方便性和通用性，并且減小機器人尺寸、降低檢測作業控制難度，設計了集成式檢測機構，如圖1所示。

檢測機構按照集成式的思路，分別設計了涂抹模塊、檢測模塊、標記模塊3個部分并實現集成。集成式檢測機構獨立于機器人本體之外，通過螺栓實現與機器人底盤的連接，便于拆卸和維修。相對于3種單獨的功能裝置，集成式檢測機構減少了驅動數目，減小了在底盤上所占空間，避免了因搭載裝置多導致機器人尺寸過大，有助于實現機器人小型化設計，同時降低了機構成本。

圖1 集成式檢測機構示意圖Fig.1 Schematic of integrated testing institution

檢測機構采用雙關節的設計，其中以舵機1驅動的旋轉壓緊關節實現檢測機構對壁面的貼緊，以舵機2驅動的旋轉切換關節實現涂抹、檢測和標記3個功能模塊的切換。在旋轉壓緊關節和旋轉切換關節的中間連接處設計安裝力傳感器以實現檢測機構對壁面壓緊力的穩定和可控；在3個功能模塊的末端連接處采用被動適應機構以提供對不平整壁面自動適應的能力，同時減少動力裝置，有利于減小檢測機構的質量和尺寸，且可以進一步減少檢測機構自由度的控制數；設計3個功能模塊在同一高度，即舵機1的同一個位置信號即可對舵機2選擇的3種裝置起到控制貼緊壁面的作用，極大地減小了檢測機構的控制難度；同時，3個功能模塊處于機器人同一軸線上，保證了與檢測壁面接觸區域的一致。

涂抹模塊通過齒輪齒條機構以一定的速度將耦合劑經軟膠管擠壓到耦合劑盒，進而將耦合劑涂抹在打磨過的壁面上。耦合劑盒設計為多孔結構以實現耦合劑的直接涂抹，同時多孔結構的有效涂抹面積與探頭面積設計相同以避免二次涂抹，提高了檢測效率。檢測模塊通過將超聲導波探頭與涂抹有耦合劑的區域接觸以實現檢測。在檢測發現缺陷時，標記模塊對該區域進行缺陷標記，方便后續的維修作業。

1.3 爬壁機器人本體結構設計

基于輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人整體方案設計爬壁機器人模型，如圖2所示。機器人采用2個舵機(電機模式)驅動的主動輪以差動驅動方式實現機器人整體運動，采用2個從動輪作為輔助支撐輪實現與壁面的穩定接觸，同時2個驅動輪采用前后交叉平行的布置方式以減小機器人的橫向尺寸。機器人攜帶移動電源以減少機器人高空作業時的額外負重，同時提高運動靈活性，擴大作業空間。

圖2 爬壁檢測機器人示意圖Fig.2 Diagram of wall climbing robot for detection

機器人的4個磁輪是主吸附體，同時，將所有裝置和機構集中布置在底盤上，減小機器人的傾覆力矩，以保證機器人不發生脫落、傾覆和滑移，實現機器人全位置安全可靠作業。每個磁輪采用軛鐵-永磁鐵-軛鐵(外緣包橡膠輪胎)的結構以保證吸附力，保護永磁鐵不受破壞，同時單個磁輪可并列安裝2個以上的永磁鐵以增大吸附力。打磨機構與檢測機構中軸線重合，機器人只需前后移動即可實現對打磨區域的檢測作業。耦合劑擠壓通過舵機驅動的齒輪齒條機構來實現。

打磨機構采用馬達驅動以實現對壁面的打磨，采用舵機驅動，通過四桿機構傳動實現打磨頭對壁面的貼緊，同時設計安裝力傳感器以實現打磨機構對壁面壓緊力的穩定和可控。其中打磨頭采用工業用鋼絲刷打磨頭，打磨馬達與錐齒輪減速箱采用對角磨機零件設計制作。

2 輪式磁吸附爬壁機器人吸附穩定性分析

機器人在檢測作業時，會受到自重、打磨裝置重力以及耦合劑重力對機器人質心的影響，同時會受到打磨機構、檢測機構壓緊力對機器人反作用力的影響，使機器人有滑落和傾覆的趨勢。另外，磁輪的吸附力并不是越大越好。磁力越大，機器人穩定性更高，但會使靈活性降低、機器人質量更大。因此，在保證穩定性的同時，使機器人具有較高的靈活性，有必要對機器人在壁面上的受力進行分析，以提供輪系設計的理論依據[18]，對永磁鐵和電機的選型具有指導意義。與文獻[11]相比，本文的力學穩定性分析不僅考慮移動平臺的受力，還考慮搭載在機器人平臺上的其他機構、零部件的重力、對機器人質心的影響以及檢測作業時壁面對機器人的反作用力。針對橫向、豎直、轉彎和懸壁4種姿態，分析機器人的吸附力條件和電機扭矩條件，姿態定義如圖3所示。

2.1 橫向姿態

2.1.1 靜止狀態

圖3 機器人姿態示意圖Fig.3 Diagram of robot state

橫向姿態下機器人靜止受力圖如圖4所示，其中，為4個磁輪受到的摩擦力；Ni和分別為4個磁輪受到的支持力和吸附力，4個磁輪吸附力相同，因此用FN表示；G為機器人的重力；O為機器人的質心，O1為力矩作用點，O2為力作用點；x1，x2和z分別為機器人質心與前后磁輪軸線、壁面的距離；d1為機器人兩磁輪的橫向距離。

圖4 橫向姿態下機器人靜止狀態受力示意圖Fig.4 Transverse forces of robot in quiescent state

由圖4可知機器人的平衡方程式為

式中：∑Fy為機器人在y方向所受的合力；和分別為機器人受力對O1和O2的力矩。

為防止磁輪打滑，應小于最大靜摩擦力fmax，因最大靜摩擦力不易求得，以μFN代替。另外，為防止機器人外翻，磁輪的支持力Ni應大于0 N，故有：

式中，μ為磁輪與鐵磁壁面的滑動摩擦因數。靜止狀態下，考慮打磨機構、檢測機構壓緊力對機器人反作用力的影響，吸附力應增加附加力F。聯立式(1)和式(2)，可得機器人穩定的吸附力條件為

2.1.2 運動狀態

橫向姿態下機器人運動受力圖如圖5所示。與靜止狀態不同的是，機器人運動時受到x方向的摩擦力，其中和為主動輪受的摩擦力，和為從動輪受的摩擦力；v表示前進方向，y1和y2分別為兩側磁輪截面與質心間的距離。

圖5 橫向姿態下機器人運動狀態受力示意圖Fig.5 Transverse forces of robot in movement state

由圖5分析，機器人的平衡方程式為

式中：∑Fx為機器人在x方向所受的合力。

運動狀態下，不需考慮打磨機構、檢測機構壓緊力對機器人反作用力的影響。聯立式(4)和式(5)，簡化計算可得機器人穩定的吸附力條件為

2.2 豎直姿態

豎直姿態下機器人靜止受力圖和運動受力圖分別如圖6和圖7所示，其中，O3為力作用點；d3為機器人前后磁輪軸線間的距離。

圖6 豎直姿態下機器人靜止狀態受力示意圖Fig.6 Vertical forces of robot in quiescent state

圖7 豎直姿態下機器人運動狀態受力示意圖Fig.7 Vertical forces of robot in movement state

2.3 轉彎姿態

轉彎姿態下機器人靜止受力圖和運動受力圖分別如圖8和圖9所示，其中，O4為力作用點；l0為重力與O4間的距離，l1，l2和l4分別為摩擦力，與O4間的距離，m1，m2和m3分別為支持力N1，N2和N3與O4間的距離；θ為機器人軸線與y軸的夾角。

2.4 懸壁姿態

懸壁姿態下機器人靜止受力圖和運動受力圖分別如圖10和圖11所示。

綜合4種姿態下的吸附穩定性分析，可得機器人穩定的吸附力條件和電機扭矩條件分別為：

圖8 轉彎姿態下機器人靜止狀態受力示意圖Fig.8 Turning forces of robot in quiescent state

圖9 轉彎姿態下機器人運動狀態受力示意圖Fig.9 Turning forces of robot in movement state

圖10 懸壁姿態下機器人靜止狀態受力示意圖Fig.10 Hanging forces of robot in quiescent state

圖11 懸壁姿態下機器人運動狀態受力示意圖Fig.11 Hanging forces of robot in movement state

3 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人樣機試驗

基于輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人結構方案以及吸附穩定性分析所得吸附力條件和電機扭矩條件，設計并制造機器人樣機，如圖12所示，其主要結構參數見表2。

圖12 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機器人樣機Fig.12 Prototype of wall climbing robot based on wheeled magnetic adsorption for ultrasonic detection

為驗證輪式磁吸附檢測爬壁機器人的技術可行性，在鐵磁壁面上進行了機器人運動試驗和缺陷檢測試驗。

表2 爬壁機器人樣機主要結構參數Table 2 Structure parameters of wall climbing robot

3.1 爬壁機器人運動實驗

機器人運動試驗包括機器人橫向運動、豎直運動和轉向運動。機器人可以穩定吸附在鐵磁壁面上。圖13(a)所示為機器人運動路徑示意圖，運動過程為①豎直直行、②左轉、③橫向直行、④右轉、⑤豎直直行5個階段。圖13(b)所示為運動過程中陀螺儀角度α的變化曲線，與機器人運動路徑序號相對應。從圖13可以看出，陀螺儀數據隨機器人的運動而連續變化，機器人穩定吸附在鐵磁壁面上，沒有發生脫落、傾翻和滑移。機器人樣機的主要性能參數見表3。

圖13 爬壁機器人運動曲線Fig.13 Diagram of motion path of wall climbing robot

表3 爬壁機器人樣機主要性能參數Table 3 Performance parameters of wall climbing robot

3.2 爬壁機器人缺陷檢測試驗

機器人缺陷檢測試驗包括壁面打磨試驗、耦合劑涂抹試驗、超聲檢測試驗和缺陷標記試驗，其中超聲檢測試驗只做超聲探頭與檢測壁面的貼緊。在缺陷檢測試驗過程中，機器人若干典型姿態如圖14所示。由圖14可見：機器人可以實現壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標記4個任務。

圖14 缺陷檢測試驗Fig.14 Test of detect detection

打磨頭和檢測機構對壁面的壓緊力采用增量式PID控制，控制算法如圖15所示。

圖15 增量式PID控制圖Fig.15 Control chart of increment-PID

檢測機構理想壓緊力為10 N。打磨機構和檢測機構的壓力曲線如圖16所示。由圖16可見：使用PID控制后，打磨機構壓力超調量減少了22.3%，達到穩態時間減少了27.8%，檢測機構壓力超調量減少了33.0%，達到穩態的時間減少了22.2%，可見PID控制對提高機器人的作業效率以及保護機器人穩定作業有顯著效果。

圖16 壓力曲線Fig.16 Pressure curves

4 結論

1)設計并實現了一種輪式磁吸附檢測爬壁機器人，包括移動平臺和檢測機構，小型和無纜的移動平臺增大了機器人的靈活性和工作空間，集成式的檢測機構減小了機器人的尺寸和機構的控制難度。該機器人能在鐵磁壁面上實現基本的運動功能，完成檢測任務。

2)在橫向、豎直和懸壁3種姿態下，機器人靜止和運動時，其穩定的吸附力條件和電機扭矩條件為磁吸附爬壁機器人的設計提供了理論依據。

3)在鐵磁壁面上進行了運動試驗和缺陷檢測試驗，實現了基本的運動功能以及完整的超聲檢測作業，包括壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標記，證明提出的輪式磁吸附檢測爬壁機器人具有可行性。