一種可跨壁面磁吸附剛罐道巡檢機器人結構

王興皓，方淙敏，郝靖，朱婷婷

（中國礦業大學機械工程學院，江蘇 徐州 221116）

1 研究背景

礦井提升系統處于礦山運輸環節的咽喉位置，擔負著提升煤炭、矸石，下放材料，升降人員和設備的任務，其安全狀態對于煤礦生產安全至關重要。而罐道是提升系統中的導向裝置，在維護容器提升中有著重要作用，罐道一旦產生故障，則會導致提升容器的異常振動，故對罐道系統的檢測尤為重要。在整個提升系統的工作過程中，罐道主要起著導向和限位的作用。同時，隨著鋼絲繩防墜裝置的應用實現，罐道與罐道梁將同樣承載著罐籠防墜裝置抓取載體的作用，因此，罐道的安全性能直接影響著整個提升系統的安全運行狀態。

2 國內外研究現狀和研究積累

2.1 國外研究現狀

Marus Eich等人研究的一種用于遠洋船舶表面檢測的雙輪式爬壁機器人，該機器人前面有兩個差速驅動輪，尾部有一個摩擦型被動角輪，驅動輪式鑲嵌多個圓柱形磁鐵，運行時，由磁鐵底面與壁面接觸。該機器人重量輕，控制簡單，但其僅能完成內角壁面過渡，不能完成外角壁面跨越。日本的Hideyuki Tsukagoshi等人研究的一種三輪式爬壁機器人，其中，兩對四邊形驅動輪以及輔助輪均采用高黏結性材料，因此，可以在各種材料的壁面上爬行，其設計的用途是能夠在狹小的空間內運行，但是，其主動輪為四邊形結構，機器人運行緩慢，并且對壁面光潔度要求較高。

2.2 國內研究現狀

東南大學楊保強[3]研究設計的一種壁面跨越磁吸附爬壁機器人，其為雙體六輪式壁面跨越爬壁機器人，為鈍角三角形結構，可自主實現內直角壁面跨越，由于僅有兩電機提供動力，其需要扭力較大導致其運行速度較慢。

哈爾濱工業大學李志海設計的一種輪足混合驅動爬壁機器人，其綜合輪式與足式移動結構的優點，使得爬壁機器人能夠同時適應鐵磁性壁面與地面環境。該機器人可實現跨越地面與豎直壁面等交叉壁面、且具備一定的越障性能。

3 本文主要研究內容

本文主要是比較介紹一款礦井剛罐道的巡檢機器人機械結構，方便對罐道壁面及周圍進行監測，以提高礦井設備安全運行。剛罐道巡檢機器人以一定速度在剛罐道上爬行，當遇到無法越過的障礙時，可使機器人翻越到另一壁面爬行。為了完美適應剛罐道條件，要求我們機器人的多壁面攀爬能力強，以下是機器人具體技術要求指標。

巡檢機器人的總體結構設計目標需著重考慮以下幾點：（1）吸附功能：機器人工作的壁面環境復雜，故需保證機器人穩定可靠地吸附在剛罐道壁面上，并防止機器人發生下滑、傾覆等危險；（2）移動性能：能夠在較平整的墻壁上自由地平移，有足夠摩擦阻力，可以調整巡檢時速度并且能夠安全可靠地實現靈活的轉向； （3）壁面過渡功能：能夠保證所有單元安全可靠地翻越壁面，且不發生墜落。（4）輕量化本體設計：降低爬壁機器人的自重以此來減少其在運動過程中的能耗，因此，在滿足機器人強度和剛度需要的前提下，盡量減輕自重。

4 基本方案

在進行剛罐道巡檢機器人設計時，主要從吸附方式、運動方式以及跨壁面方式這三個因素進行考量，接下來，將針對這三個因素的具體細節進行分析對比。

4.1 吸附方式

為將剛罐道巡檢機器人吸附于工作平面上，常用的吸附方式有如下三種類型：負壓吸附方式、磁力吸附方式以及機械吸附方式。負壓吸附，通常分為兩種類型：吸盤吸附與推力吸附。吸盤吸附利用負壓裝置，通過大氣壓力將機器人壓附于工作平面上，對工作平面適應能力強，但是，遇到不平整地工作表面時，機器人很大概率從平面上跌落。所以，為了機器人安全，要做到機器人底部真空腔內具有極大的負壓，這對機器人底部結構要求很嚴格，實際操作起來較困難；推力吸附主要通過合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉的推力將機器人貼附在壁面上。氣流壓力始終垂直指向工作平面，機器人易于越過障礙物。這種機器人運動速度會快，可以跨越較大的障礙，但是，極大地加大了速度和運動精度控制的難度，并且其難以承受很大負載，安全性不高。磁力吸附分為兩種：永磁吸附與電磁吸附。通過磁吸力將機器人吸附于鐵磁性材料工作表面上，由其工作原理可以看出，此結構要求工作面為磁性材料。而依據這種方式制成的機械體結構相對簡單，且對惡劣工作平面適應能力強。永磁吸附方式能提供很大的吸力，這點比電磁吸附要好得多。這樣，使用永磁吸附的機器人設計時結構會更加簡單（不需要另加更復雜的電控系統去保證供電系統穩定），而且不會發生斷電或其他突發狀況時機器人突然跌落，更加保證了巡檢時的人員、設備安全。

機械吸附方式主要使用各種夾緊裝置（常見的如機械爪、夾等）卡在工作面的凸起或嵌進工作面的縫隙中。與前兩者吸附方式相反，機械吸附需要工作表面凹凸不平，這樣才能保證足夠的支點來移動。靜止時，機器人通過夾緊機構牢牢地抓住著力點。而在運動過程中，由于無法精準預料壁面凹凸點，運動控制的難度增大，安全系數大幅降低。這類吸附方式相對于負壓吸附和磁力吸附，負載能力小并且運行速度慢。在礦井提升系統中，要求機器人自身穩定性高，以防發生事故，并且剛罐道為鐵磁性材料，綜合考慮以上各種吸附方式的優缺點，故本課題選用永磁吸附作為機器人的吸附系統。

4.2 運動方式

移動機器人常用的行走機構有履帶式、腿足式及輪式三種。移動機器人采用哪種移動方式主要取決于移動環境，下面通過介紹這三種典型的移動方式，對比其優缺點，選取適合剛罐道巡檢機器人的移動方式。履帶式爬壁機器人與壁面接觸面積大、適應能力強，且吸附力較大，可將吸附裝置安裝于履帶上，但其轉向時所需的驅動轉矩較大，轉向困難；腿足式爬壁機器人的吸附力大，運動靈活并且具備很強的跨壁面能力；但其運動速度慢，電控系統、運動機構復雜，穩定性差；輪式爬壁機器人具有結構簡單可靠、移動速度快、操作性好、承載能力大、轉向性能好等特點，然而，車輪與壁面的接觸面積小，吸附力相對較小，但這種缺點可以通過特殊的磁輪結構彌補。由于剛罐道機器人的應用在超深井剛罐道上，所需能耗大，所以要盡量減少能耗，并且要機器人要有盡可能足夠快的速度去監測，以此減少提升容器的停機時間。綜合上述分析，本課題選用輪式作為巡檢機器人的行走機構。

4.3 跨壁面方式

對已有磁吸附可跨壁面的爬壁機器人的結構模型進行對比總結，可分為兩類：一類是采用特殊形狀的車身結構或者吸附單元，以此滿足爬壁機器人進行跨越壁面的工作需求，此類爬壁機器人結構、控制較為復雜且跨壁面性能一般。另一類是采用多體式的車身結構，此種結構的優勢在于前面車體在進行跨壁面運動時，后面車體為其提供一定的支撐，當前面車體完成跨壁面運動后，為后面車體提供一定的支撐，提高了爬壁機器人在進行跨壁面動作時的安全性，以此來保證整個機器人能夠安全地完成跨壁面運動。如兩體六輪式磁吸附可跨壁面機器人、三體六輪式磁吸附跨壁面機器人、帶傳動兩體式爬壁機器人等都屬于此種類型。此類爬壁機器人跨壁面性能優越且結構較為簡單。綜上分析，考慮到應用環境為礦井提升系統中剛罐道，必須保證其進行跨壁面動作時的安全性，故本文設計了一種多體式可跨壁面磁吸附剛罐道巡檢機器人。

5 結語

本文主要針對目前比較常見的剛罐道巡檢機器人結構進行比較，針對吸附方式、運動方式、跨壁面方式進行詳細分析，得出一個較為符合深立井工況的磁吸附巡檢機器人機械結構模型，即采用多節式車體，每節車體依據萬向節進行連接，可順利跨越多面壁面；采用輪式行走結構，能耗低，易于運動速度和運動精度控制；依靠永磁磁輪進行吸附，吸附力大，安全系數高。