永磁爬壁機器人設計與實現

通遼發電總廠有限責任公司 李福龍 魏春雷 張志強 姜海波 高智博

在電子技術以及機器人技術高速發展的背景下，對于鍋爐內部除銹除垢、放射性、高溫等的工作場景，僅靠人類自身無法完成相應的工作，因此對特種機器人的需求越來越強烈。

我國自1987年實施“863”計劃以來，明確將智能機器人確立為自動化領域。爬壁機器人屬于特種機器人領域的范疇，爬壁機器人具有在垂直壁面上的移動能力，可以在地面移動機器人的基礎上加以改進和完善，使其具有在不同壁面上的爬壁能力，同時爬壁機器人可以在自身結構上設計相關工具進而完成一些特定的作業任務，具有在垂直壁面上的作業能力。

爬壁機器人按照不同的運動方式，可以分為履帶式以及滾輪式等，按照不同的吸附方式可以分為真空吸附式以及磁力吸附[1-4]等。同時，華北電力大學研發出利用真空吸附的爬壁機器人[5]，其主要是通過制造真空環境將機器人緊緊吸附在光滑的壁面上，但這種方式只適合光滑表面，對粗糙壁面并不適用。

本文意在研究應用在火力發電鍋爐水冷壁表面的爬壁機器人，利用永磁體的吸附力使自身能夠吸附在火力發電鍋爐水冷壁鐵磁壁面上進行自由運動，后期可攜帶清洗、除銹等工具完成相應任務，如火力發電的鍋爐水冷壁除銹、火力發電鍋爐表面自動化清洗等工作。同時，通過結構設計使機器人具有一定的越障能力。

1 爬壁機器人結構設計

爬壁機器人作為可以在垂直壁面運動的一種特殊機器人，與現有的地面移動機器人有諸多相似之處，但是因為爬壁機器人在垂直壁面上運動或作業的特殊性，因此在運動原理以及自身結構上有較多不同之處，爬壁機器人就不同的工作環境需要選擇不同的運動方式以及吸附方式。

1.1 吸附方式選擇

需要選擇合適的吸附方式以及爬壁機器人的行走方式，同時設計制作機器人的結構件。

表1 三種吸附方式優缺點比較

表2 各種移動方式的比較

通過分析和比較，為了使爬壁機器人在運動過程中始終保持良好的吸附力，在爬壁機器人的設計中，采用爬壁機器人底盤布置永磁體加永磁吸附滾輪的方式，原因如下：

一是真空吸附式需要在車體上攜帶真空吸附裝置，這就使得車體本身的體積過大，設備也比較昂貴，選用底盤布置永磁體加永磁吸附滾輪的方式相對試驗來講經濟性較高。

二是采用永磁吸附滾輪式加底盤布置永磁體方式，與鐵磁壁面的直接接觸面積大，可維持較大的吸附力，越過障礙的能力強，在結構合理設計的基礎上可攜帶一些作業工具進而完成相關的工作任務。通過合理設計小車底部結構，在爬壁機器人的底部預留出放置永磁的空間，同時降低底盤高度，使磁體更加貼近壁面，同時可根據攜帶作業工具的質量大小來靈活增減永磁體的數目。

三是采用的滾輪式可通過兩側滾輪之間的相對運動實現轉彎，爬壁機器人不用設置專門的轉彎機構，相比于單驅動爬壁機器人成本更低。

1.2 結構設計

爬壁機器人采用SolidWorks軟件，對爬壁機器人的底盤結構進行結構設計，然后通過3D打印，如圖1所示，在結構設計時，保障爬壁機器人的底盤盡可能地貼近鐵磁表面，以此獲得更好的磁吸力，同時永磁吸附滾輪上嵌入的永磁體也可以提供一定的吸附力。爬壁機器人可在垂直壁面上行走，并能完成水平面到垂直面的過渡爬行。爬壁機器人采用永磁吸附滾輪的方式，雙滾輪上的兩臺電機以同速度轉動時可帶動爬壁機器人的前進及后退，當左側滾輪處的電機帶動滾輪轉動，右側滾輪處的電機停止時爬壁機器人實現右轉，當右側滾輪處的電機轉動，左側滾輪處的電機停止時爬壁機器人實現左轉。

圖1 爬壁機器人底盤實物圖

2 爬壁機器人的磁吸附設計

2.1 永磁性材料的選擇

當爬壁機器人在垂直于壁面運動時，底盤上的永磁鐵的磁吸力應大于爬壁機器人的總重力，保障爬壁機器人有足夠的磁吸力，使其吸附在鐵磁表面上。釹鐵硼三元系永磁材料是市面上性價比較高的永磁體，其機械加工性能優良，工作溫度最高可達200℃。本文選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35，其性能參數見表3。N35型釹鐵硼永磁材料的磁性較強，在設計過程選用的長方體結構釹鐵硼永磁鐵。在保障爬壁機器人緊緊吸附在鐵磁壁面上的同時又減小了爬壁機器人自身的體積。

表3 N35性能參數

2.2 永磁鐵吸附裝置的原理和結構

在實際測試中，發現永磁體之間兩個一對然后并在一排的布局磁吸力最大，因此利用SolidWorks進行建模時，在機器人底盤部位布置8個孔槽，如圖2所示，每個孔槽比永磁體略大，將8塊永磁鐵分別裝入設計好的8個槽中，永磁鐵與鐵磁性墻壁存在一定的間隙。永磁體與鐵磁壁面之間形成閉合的磁場，為爬壁機器人提供足夠的吸附力，使爬壁機器人能夠在垂直水冷壁鐵磁壁面上運動。

圖2 機器人底部結構

3 磁吸附力的有限元分析

設計永磁爬壁機器人時，需要對由永磁體的磁場進行計算分析。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的運動速度低，可以近似的看作靜態磁場。

3.1 數學模型的建立

根據麥克斯韋方程組可知在恒定磁場當中，磁場強度H和磁感強度B分別遵守安培全電流定律和磁場高斯定律。

式中：J為電流密度；L為介質磁導率；對于各向同性的磁介質，μ或者為常數，或者是磁感應強度B的函數。磁感應強度B的散度恒等于零，為了便于計算，在旋度磁場中可以定義一個向量磁位A，使：

并且規定：

由公式（3）和（7）可得泊松方程：

在直角坐標系，經過運算可知，2A恰好等于標量拉普拉斯算符▽2分別作用于Ax，Ay，Az所組成的向量，即：

此時整個向量方程式可以分解成三個標量方程式，即：

在二維磁場中，J=JZk，Jx=Jy=0，A=Azk，Ax=Ay=0。故只要求解Az的二維泊松方程即可，即：

結合麥克斯韋邊界條件，將本模型化簡為：

式中：Az—簡寫為A；

Ω—整個求解區域；

Γ1—與磁力線重合的邊界；

Γ2—對稱的邊界，所有的磁力線都垂直地通過它；

(4)飲水。農村居民的飲水困難基本解決。2015年全國農村93%的人口已用上了受保護水源供應的改良飲用水。2017年全國貧困地區89.2%的農戶飲水困難[注]飲水困難標準是指居民點到取水點的水平距離大于1公里或垂直高差超過100米，正常年份連續缺水70～100天。已經解決，70%的農戶使用管道供水。

L′—不同介質間的交界線；

L—有永磁束縛電流存在的界限。

3.2 吸附力求解

根據Maxwell張力方法，當閉合面S處于均勻且各向同性的介質中時，作用在磁體上的合力F可用應力張量T的面積分來計算：

式中：S—包圍永磁體、處于空氣介質中的閉合面；

n—面積dS的外法線方向的單位矢量；

B—閉合面S上的磁感應強度；

μ0—空氣的磁導率。

3.3 基于Ansoft Maxwell的吸附力計算

在Ansoft Maxwell仿真軟件中對爬壁機器人所用的永磁體，以及鐵磁壁面和空氣進行參數的設定，軟件中自帶這三種材料或介質，所以在軟件的材料庫直接選擇即可，然后進行設置邊界調節，對材料進行網格劃分以及關鍵的求解設置，最后仿真之后磁場分布見圖3所示，然后計算永磁爬壁機器人整體吸附力隨離開鐵磁壁面距離的變化，同時計算爬壁機器人永磁體吸附力隨鐵磁壁面厚度的變化關系，如圖4、圖5所示。

圖3 磁場分布圖

圖4 吸附力隨間隙變化

圖5 吸附力隨壁面厚度變化

經過仿真計算后發現永磁爬壁機器人和鐵磁壁面之間的磁吸力為17.4N，而爬壁機器人的總質量為1kg，選用的永磁吸附滾輪與鐵磁壁面之間的摩擦系數是為0.7，計算發現永磁吸附滾輪與鐵磁壁面之間的摩擦力大于爬壁機器人的總重力，爬壁機器人在垂直鍋爐水冷壁鐵磁壁面上運動時，可以牢牢吸附在鐵磁表面上，同時在永磁吸附滾輪中永磁體也可以提供一定的吸附力，使得爬壁機器人可以正常工作。

當永磁爬壁機器人與鐵磁壁面之間的提離間隙為0時，此時永磁爬壁機器人和鐵磁壁面之間的磁吸力最大，當提離間隙增大時，永磁爬壁機器人與鐵磁壁面之間的吸附力減小，當提離間隙增大至0.8mm時，永磁爬壁機器人有可能出現脫落現象。當壁厚大于3mm時，永磁爬壁機器人與鐵磁壁面吸附力已經趨近飽和，隨著壁厚的進一步增大吸附力基本無變化，而在實際應用中，應著重考慮永磁爬壁機器人與鐵磁壁面之間的提離間隙，這關系到永磁爬壁機器人是否有良好的越障能力。在后期電力行業機器人的開發中，可以采用吸附力更大的電磁機構，使爬壁機器人具備攜帶作業工具的能力，同時具備更強的越障能力，從而完成火電鍋爐自動化清洗的作業任務。

4 爬壁機器人控制系統設計

永磁吸附機器人控制系統是實現機器人智能控制的前提和基礎，爬壁機器人的控制系統設計思路可分為三部分：單片機控制模塊、無線收發模塊、電機驅動模塊。三個部分協調配合，模塊化的設計便于檢測錯誤，同時也便于模塊拆裝。單片機控制模塊部分采用嵌入式單片機，爬壁機器人整個硬件系統主要包括單片機、設計的電源轉換模塊、無線收發模塊以及電機控制模塊。后期，在火電鍋爐內部實際應用時由于信號傳輸條件差可以采用有線連接到上位機的方式，以提高系統信號傳輸的穩定性。

4.1 無線收發模塊的選型與設計

無線收發模塊采用nRF905，如圖6所示，此模塊是挪威公司推出的一款單片射頻發射器芯片，采用32引腳5mm×5mmQFN進行封裝。芯片由功率放大器、頻率合成器、接收解調器、調制器以及晶體振蕩器等多個部分組成，該芯片不需要外加濾波器也具備良好的通信效果，可以在相關的軟件中設置空閑模式以及關機模式。芯片可應用于節能設計，適合工業數據的采集、安全系統以及無線報警，在諸多領域中都有應用。

圖6 nRF905無線模塊實物

4.2 無線控制模塊

無線收發系統采用STC89C52RC單片機作為微控制器，與設計好的nRF905無線收發模塊相互連接，使爬壁機器人的系統具備無線信號傳輸的功能。爬壁機器人的硬件系統由一對配置nRF905模塊的通信底板構成，該系統中其中一端作為發送端，另一端作為接收端。在STC89C52RC單片機系統中可以增加一些按鈕，以實現人工操作的數據和發送。整個系統采用9V直流電源供電，由于單片機和無線模塊所需工作電壓不同，因此需外加電源轉換模塊，將電源的9V電壓分別轉換成5V和3.3V為單片機和無線模塊供電。同時，水冷壁爬壁機器人也可以采用線纜控制的方法提高信號傳輸的質量。

4.3 電機驅動模塊

控制器、功率變換器及電動機三部分組成了電機的驅動系統，爬壁機器人的電機要求具備較高的轉矩以及高可靠性。電機控制模塊主要包括電源管理部分、光耦隔離電路以及外部電路的設計。電機模塊采用9V直流電源供電，無需進行電源轉換。因為數字信號強度與射頻信號強度差別較大，必須對信號進行恰當的隔離和屏蔽，數字信號與射頻信號之間的相互干擾。因此，在電機模塊中光耦隔離電路的設計尤為關鍵。如果不加以設計，直流電機在啟動和換向時可能出現“打火”現象，在電流過大也會對控制信號產生干擾。采用光耦隔離，將電機控制模塊和無線控制模塊相互分離開來，不存在直接的連接，這樣可以提高整個系統抗干擾能力。NEC2501是高壓單通道光耦，光耦的內部由NPN型光電晶體管以及發光二極管組成。經過測試，在光耦兩側電阻R1、R2分別選用4.7k和100k阻值的電阻，VCC端外接5V電源，可以保證無線信號穩定。

4.4 爬壁試驗

在完成了爬壁機器人的結構設計、運動方式以及爬壁機器人的控制系統選擇后，通過在水平地面的運動、水平地面到垂直鐵磁壁面的切換，以及在垂直鐵磁壁面的前進轉向等動作，爬壁機器人均可實現預期的爬壁運動，且爬壁機器人具備一定的越障能力。同時，在火力發電鍋爐內部也進行了相應的爬壁試驗，設計的爬壁機器人在鍋爐內部可以完成轉向及越障功能，后期可攜帶鍋爐內部除銹以及除垢的清洗工具，實現對船舶鍋爐內壁的自動化清洗工作，達到降低人工作業成本的目的，爬壁機器人的運動如圖7所示。

圖7 永磁爬壁機器人

5 結論

通過參考國內外同類爬壁機器人的相關技術，設計了永磁吸附式爬壁機器人。爬壁機器人的上位機與控制模塊之間通信良好，同時選用的無線收發模塊加上遙控裝置即可實現對爬壁機器人的遠程控制。永磁吸附式爬壁機器人可以實現水平地面的運動、水平地面到垂直鐵磁壁面的切換，以及在垂直鐵磁壁面的前進轉向等動作，爬壁機器人也有一定的越障能力。

同時，由嵌入式單片機和無線模塊組成的收發系統，還可以應用到工業數據采集等其他領域，具有一定的市場推廣價值，考慮爬壁機器人的工作環境為鍋爐水冷壁，采用無線通信的永磁爬壁小車在鍋爐水冷壁存在信號傳輸不良的問題，后期實際應用時可以采用線纜控制與無線控制相結合的方法提高爬壁機器人的信號傳輸質量。本文設計的永磁吸附式爬壁機器人，可應用于火力發電船舶鍋爐水冷壁的除銹以及除垢等工作，相關理論以及試驗研究對后期電力行業應用機器人也有一定借鑒意義。