永磁吸附儲罐爬壁機器人吸附特性研究

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.06.011

文章編號：1006-0316（2025）06-0074-07

Research on the Adhesion Characteristics of Permanent Magnetic Adhesion Storage Tank Wall-ClimbingRobot

MA Mingyue’，GONG Chuanjiang'， ZHOU Huaizhong1， JIANG Bo’，LONG Zhang （1. Nanchong Special Equipment Supervision and Inspection Institute， Nanchong 637001， China;

2.School of Mechatronic Engineering，Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China）

Abstract ： In order to solve the problems such as poor climbing stability and potential safety hazards of automatic tank defect detection robot， a permanent magnet adhesion tank wallclimbing robot is designed and its adhesion characteristics are analyzed. The adhesion mechanism based on permanent magnet is designed. The staticmodelof therobotis built through the analysis of the failureof therobotatwork，and the minimum magnetic adhesion force required by the robot in normal work is calculated.In order to ensure that the minimum magnetic adhesion force is taken as the magnetic adhesion condition，the magnetic adhesion unit is designed using the linear Halbach array arrangement of five permanent magnets，and the influence of permanent magnet volume，armatureandair gap length on the adhesion force is analyzed.Through finite element analysis，a cuboid magnetic block with a volume of 30mm×30mm×30mm isfinally designed， the armature size is 150mm×54 mm×3mm ，the addition direction is positive along the Z axis， the rated air gap is 10mm during adhesion， and the minimum magnetic adhesion force is 493.02N ，which could ensure the adhesion stability of the robot.

Key words ∵ magnetic adhesion ; wall-climbing robot ; mechanical analysis ; finite element analysis

大型儲罐是油氣能源常用的關鍵存儲設備，其在自然環境下長期使用會產生腐蝕、裂紋等缺陷，進一步擴展開裂則會發生泄漏甚至爆炸，導致嚴重的安全事故，因此相關法規強制規定了儲罐需定期檢測[1-2]。目前，對大型儲罐仍采用傳統的人工檢測方式，勞動強度大、危險性高，亟待自動化設備替代[3]。

近年來，爬壁機器人迅速發展，部分進口成形產品被應用于大型儲罐缺陷的檢測，其攜帶探頭進行掃描，完成缺陷的檢測任務。同時，在爬壁機器人的吸附、越障、驅動等領域均有研究成果報道[4-6]。爬壁機器人可以從吸附方式分為仿生黏附[7]、爪刺吸附[8]、負壓吸附[9]、磁吸附[10]等。仿生黏附只能在粗糙壁面上吸附，對壁面要求過高，且吸附力小、制作成本高。爪刺抓附也只能在復雜粗糙面上工作，且易造成壁面損傷。負壓吸附憑借吸盤產生的吸附力吸附于壁面，當壁面出現異常時，會出現密封不嚴問題，造成吸附力下降，甚至使機器人脫離壁面[11]。保證吸盤真空度可保證吸盤密封性，壁面光潔度會極大影響吸盤的密封性，附加真空泵可以穩定真空度，但會使機器人重量增加，當系統掉電或送氣管道故障時還可能使機器人脫落。磁吸附憑借磁力吸附于壁面，其可分為電磁和永磁吸附，結構簡單、吸附力大，但要求壁面必須是鐵磁材料[12-13]。電磁吸附斷電故障時機器人易從壁面掉落；永磁吸附結構更簡單、吸附穩定性更好，但吸附力不可調。

基于上述分析，并根據儲罐檢測機器人工作穩定性要求，本文設計了一種永磁吸附爬壁機器人，根據其工況建立力學分析模型，由穩定性條件分析獲得最小吸附力，設計基于Halbach陣列磁力吸附模塊，分析永磁體體積、銜鐵、氣隙長度對吸附力的影響，得到吸附模塊的尺寸參數，并通過有限分析驗證永磁吸附模塊設計的正確性和有效性。

1爬壁機器人整體結構設計

該機器人整體如圖1所示，由吸附機構、行走機構、檢測機構組成。吸附機構包括永磁體、永磁體外殼、銜鐵、滾珠絲杠和螺母等。行走機構包括麥克納姆輪、金屬聯軸器、電機及減速器、電機座及底板等。檢測機構包括超聲探頭盒、超聲探頭升降裝置、升降限位裝置和彈簧。在機器人整體布局上，合理布局各機構位置，確保各機構安裝方便，工作時無相互干擾，并使機器人重心盡量靠近機器人幾何中心。吸附機構是儲罐檢測爬壁機器人穩定工作的基礎[14]，應當實現兩個功能，即工作時穩定吸附和不工作時方便脫離，這要求吸附機構吸附力可調。本文通過滾珠絲杠的上下運動來調節氣隙，從而調節磁吸附力。

由于滿足不下滑及不傾覆時必然滿足不脫離，故綜合滑動下移、縱向傾覆和橫向傾覆三種失效情況，選擇結果中最大的磁吸附力為磁吸附單元設計時的最小磁吸附力。又因為除上述四種失效形式外，爬壁機器人還受自身因素、環境因素和其他因素的影響。自身因素如機器人控制及驅動系統的擾動延遲造成失效，環境因素如機器人受到銹蝕，其他因素如天氣變化等。所以還需對吸附力取安全系數 δ 。最終得：

由上述分析可知， α 變化對磁吸附力的影響大于 θ 變化的影響，且在滿足不滑動下移條件時，其他失效形式也能滿足。在 α=0^° 時需要的磁吸附力為 468.75N ;在 α=39^° 時需要的磁吸附力為 600.29N 最高越障高度為 10mm. 此時 α=2.7^° ，取 α=3.0^° ，得到磁吸附力為487.8N ，確定最小磁吸附力為 490N

3磁吸附單元設計與分析

利用有限元分析軟件可以優化磁吸附單元結構，得到最小磁吸附力[16]。永磁體采用N35釹鐵硼永磁材料，銜鐵和工作壁面采用 $Q 2 3 5 。$ 磁路結構設計是永磁吸附的關鍵，合理的磁路結構可以屏蔽漏磁和減少非氣隙磁力線，以達到提高永磁利用率的效果。目前，永磁吸附的磁路結構包括銜鐵型、Halbach陣列和其他永磁陣列方式。其中Halbach陣列的磁路結構可以在保證機器人可靠吸附的同時減少永磁材料用量，幾乎不需要漏磁屏蔽且非氣隙磁力線較少。本文選擇直線型Halbach陣列作為磁路結構，使用磁體膠拼接法制作Halbach陣列，由5塊永磁體組成永磁回路，充磁方案如圖5所示。

通過有限元分析，對不同充磁方案下的磁力進行分析，得到表2。可以看出，具有較好磁吸附力的充磁方案是a型和c型，f型充磁方案實際是a型充磁方案的弱磁側。本文選擇5塊永磁體組成的a型充磁方案。

3.1施加銜鐵方向及厚度影響分析

使用銜鐵可以增強永磁體的吸附力，屏蔽漏磁，改善機構的工作效能。如圖6所示，通過在 X 軸、Y軸及 Z 軸正方向施加銜鐵，對不同銜鐵施加方式下永磁體磁吸附力進行分析，來判斷合理的銜鐵施加方向。

分析5種銜鐵施加方式，在氣隙長度 1mm 和銜鐵厚度 5mm 的情況下進行永磁體仿真分析，得到添加銜鐵后的磁吸附力大小，判斷出施加銜鐵的最優方向，如表3所示。在此基礎上確定施加銜鐵的厚度。如此可在施加銜鐵質量和增加吸附力之間得到平衡。

在 XY 和 Z 正方向施加銜鐵，磁吸附力下降，低于不施加銜鐵時的磁吸附力。當端部及頂部厚度為 1mm 時，磁吸附力為 592.62N ：當端部及頂部厚度為 5mm 時，磁吸附力為597.37N 雖然隨著銜鐵厚度的增加磁吸附有所回升，但仍低于不加銜鐵時。

在 X 和 Z 正方向施加銜鐵，磁吸附力上升，高于不加銜鐵時的磁吸附力。在銜鐵厚度 1mm 時，得到磁吸附力 803.81N：5mm 時，磁吸附力 818.36N：10mm 時，磁吸附力 824.45N

以上數據不能確定單獨方向施加銜鐵對吸附力的影響。故單獨在 Y 方向和 Z 正方向施加銜鐵。在 X 方向施加銜鐵，磁吸附力微弱改變，在銜鐵厚度 5mm 時，磁吸附力下降 4N 左右，當將銜鐵厚度增加到 10mm ，磁吸附力上升 0.5N 左右。在 Y 方向施加銜鐵，磁吸附力大幅度降低，在銜鐵厚度 5mm 時，磁吸附力下降了 171N

在 Z 正方向施加銜鐵，磁吸附力大幅上升，所以著重對單獨在 Z 正方向施加銜鐵進行仿真分析，如圖7所示。

由表3和圖7可以看出，在 Z 正方向添加銜鐵可以顯著增強磁吸附力，但隨著銜鐵厚度的增加磁吸附力無有顯著變化。因此應當在 Z 方向上施加銜鐵，適當提高其厚度，以提高磁吸附力。

3.2氣隙長度影響

氣隙是磁場工作的重要環節，不斷改變氣隙長度會引起磁吸附力變化，因此有必要考慮不同氣隙長度下磁吸附力的變化趨勢。在圖5（a）型充磁方案下，將氣隙在 1～15mm 范圍內進行調節，得到圖8。可以看出， 1～5mm 時，隨著氣隙長度增加，磁吸附下降了近 500N 而 5～10mm 時，磁吸附力下降了近 200N，10～ 15mm 時，磁吸附力僅下降約 60N 可以得出，隨著氣隙長度的不斷增加，永磁體的磁吸附力下降趨勢趨緩。

3.3最小磁吸附力實現

陣列充磁方向為圖5（a）。考慮磁吸附力隨氣隙的增大而減小，選擇越障厚度 10mm 為氣隙長度，在此條件下改變永磁體體積、增加銜鐵以提高磁吸附力。在 10mm 時應達到 490N 的吸附力才能保證機器人越障時承載穩定。

（1）改變永磁體體積

在氣隙 10mm 、不設置銜鐵的情況下，將永磁體邊長從 21mm 變化到 30mm ，分析不同體積下永磁體的吸附力，如圖9所示。可以看出， 21～25mm 邊長的永磁體磁吸附力過小。為達到目標吸附力，考慮到增加銜鐵后永磁體磁吸附力將進一步增強，則選擇永磁體的邊長為26、27、28、29、 30mm

（2）增加銜鐵

沿 Z 軸正方向施加 3mm 銜鐵后的磁吸附力如表4所示。可以看出， 30mm 邊長的永磁體超過了需要的最小磁吸附力 490N

（3）改變氣隙長度

基于3.2節的分析，在 1～10mm 范圍內變動氣隙長度，來改變磁吸附力。考慮到需要在適當時候脫離壁面，對 15mm 和 20mm 時的磁吸附力也進行分析，得到其值分別為 255.45N 和 139.15N 通過有限元分析得出數據制成的曲線圖如圖10所示。可以看出，隨著氣隙長度的增加，磁吸附力逐漸衰減至平穩。

綜上可知，通過改變永磁體體積、增加銜鐵可提高磁吸附力，保證在不同氣隙長度下機器人能夠穩定工作，從而實現爬壁機器人在工作過程中依靠調節氣隙來完成脫離與吸附。最終確定單個永磁體的尺寸為 30mm×30mm× 30mm ，銜鐵尺寸為 150mm×54mm×3mm 銜鐵添加方向為沿 Z 軸正方向，吸附時額定氣隙 10mm ，最小磁吸附力為 493.02N

4結論

本文提出一種基于永磁體吸附的爬壁檢測機器人。通過分析各類吸附方式的優缺點，設計了一種永磁體氣隙調節吸附機構，該機構吸附能力強，具有可調性，且機構裝置簡單、緊湊。通過靜力學分析討論了機器人在工作過程中可能靜止失效的情況，建立了力學分析模型，通過受力分析，確定了保持穩定性的最小磁吸附力條件。通過改變永磁體的排布、體積，銜鐵的添加方向及厚度，以及不同氣隙長度，運用有限元分析對永磁吸附單元磁吸附力影響因素進行了仿真分析，探討了在不同方向上施加銜鐵對磁吸附力的改變，分析了氣隙對永磁吸附力的影響。最后分析了提高磁吸附力的方式并確定了永磁吸附單元的結構及最小磁吸附力，為磁力吸附爬壁機器人設計及穩定性分析提供了參考。

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