李杰超，曹力科，肖曉暉

(武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，湖北武漢，430072)

吸附式爬壁機(jī)器人屬于特種機(jī)器人，將地面移動機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)結(jié)合起來，能夠攜帶工具代替人工在高強(qiáng)度、高風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行探測、油漆噴涂、污垢清除、焊縫修形、焊接等作業(yè)，降低了操作危險(xiǎn)，提高了作業(yè)效率[1-4]。針對鐵磁壁面的缺陷檢測作業(yè)，要求爬壁機(jī)器人具有可靠的吸附能力，并且與檢測功能融合。國內(nèi)外學(xué)者對爬壁機(jī)器人的吸附方式進(jìn)行了研究。KOH等[5]提出了靜電與彈性體吸附機(jī)構(gòu)混合的爬壁機(jī)器人，MINOR等[6]提出了采用欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的雙足四關(guān)節(jié)吸盤式爬壁機(jī)器人，TOHRU等[7]提出了基于真空吸附式的采用1個(gè)吸盤和2個(gè)獨(dú)立驅(qū)動輪的爬壁機(jī)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(jié)構(gòu)的Stickybot仿生爬壁機(jī)器人，能夠在光滑豎直表面以4 cm/s的速度爬行，但負(fù)載能力不足。朱志宏等[9]提出了基于負(fù)壓吸附原理的爬壁機(jī)器人，其吸附力容易控制，但吸附穩(wěn)定性不足。而磁吸附爬壁機(jī)器人對壁面要求低，同時(shí)可保證負(fù)載能力，如SHEN等[10]提出的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人，負(fù)載可達(dá)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(jī)器人的負(fù)載能力與運(yùn)動靈活性互相矛盾[14]，永磁輪式爬壁機(jī)器人運(yùn)動靈活性好，但負(fù)載能力差，磁性履帶式爬壁機(jī)器人負(fù)載能力好，但運(yùn)動靈活性差，耗能多；機(jī)器人的負(fù)載能力與機(jī)器人體積也互相矛盾，永磁輪式爬壁機(jī)器人將永磁鐵布置在車輪上，不增大機(jī)器人的底盤尺寸，永磁間隙式爬壁機(jī)器人將永磁鐵布置在底盤上，增大了機(jī)器人的底盤尺寸，但負(fù)載能力比永磁輪式爬壁機(jī)器人的更優(yōu)。因此，綜合考慮負(fù)載能力、運(yùn)動靈活性以及機(jī)器人體積，選擇永磁輪式爬壁機(jī)器人。在爬壁機(jī)器人與檢測技術(shù)的融合方面，位雷雷[15]提出了軌道客車焊點(diǎn)超聲檢測爬壁機(jī)器人；田蘭圖[16]提出了基于渦流檢測的油罐檢測爬壁機(jī)器人。雖然這些爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了與檢測技術(shù)的融合，但存在檢測步驟不完整、檢測效果不足的缺點(diǎn)，缺少壁面打磨、耦合劑涂抹以及缺陷標(biāo)記等步驟，檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和集成式是未來的發(fā)展方向。針對鐵磁壁面的缺陷檢測需求，為實(shí)現(xiàn)磁吸附爬壁機(jī)器人與超聲檢測技術(shù)的融合，本文作者提出了一種融合集成式超聲檢測機(jī)構(gòu)的輪式磁吸附爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，分析了機(jī)器人在不同工況下穩(wěn)定運(yùn)行的吸附力條件和電機(jī)扭矩條件，并對機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

1 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案

1.1 輪式磁吸附超聲檢測爬壁機(jī)器人整體方案

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在鐵磁壁面上移動檢測作業(yè)，需滿足以下要求：1)在壁面上靈活運(yùn)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(wěn)定、運(yùn)動靈活、耗能少、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，為滿足機(jī)器人在鐵磁壁面靈活移動作業(yè)的要求，設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)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(shù)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(yōu)勢獲得了普遍應(yīng)用[17]。目前國內(nèi)外主要采用傳統(tǒng)的壓電超聲方式來激發(fā)導(dǎo)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(jīng)過打磨、涂抹純凈的耦合劑來進(jìn)行檢測。

3)檢測作業(yè)分析：完整的檢測作業(yè)包括壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標(biāo)記4個(gè)步驟。這些步驟要通過相應(yīng)的機(jī)構(gòu)來完成，且要方便調(diào)整機(jī)器人位姿，因?yàn)榇蚰^(qū)域、涂抹區(qū)域、檢測區(qū)域和標(biāo)記區(qū)域是相同的，所以在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，對機(jī)構(gòu)的布置和集成提出了要求，而這一點(diǎn)對機(jī)器人的小型化將起到很大的作用。

1.2 集成式檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提升檢測爬壁機(jī)器人的性能、使用的方便性和通用性，并且減小機(jī)器人尺寸、降低檢測作業(yè)控制難度，設(shè)計(jì)了集成式檢測機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

檢測機(jī)構(gòu)按照集成式的思路，分別設(shè)計(jì)了涂抹模塊、檢測模塊、標(biāo)記模塊3個(gè)部分并實(shí)現(xiàn)集成。集成式檢測機(jī)構(gòu)獨(dú)立于機(jī)器人本體之外，通過螺栓實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人底盤的連接，便于拆卸和維修。相對于3種單獨(dú)的功能裝置，集成式檢測機(jī)構(gòu)減少了驅(qū)動數(shù)目，減小了在底盤上所占空間，避免了因搭載裝置多導(dǎo)致機(jī)器人尺寸過大，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了機(jī)構(gòu)成本。

圖1 集成式檢測機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of integrated testing institution

檢測機(jī)構(gòu)采用雙關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，其中以舵機(jī)1驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)壓緊關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)構(gòu)對壁面的貼緊，以舵機(jī)2驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)切換關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)涂抹、檢測和標(biāo)記3個(gè)功能模塊的切換。在旋轉(zhuǎn)壓緊關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)切換關(guān)節(jié)的中間連接處設(shè)計(jì)安裝力傳感器以實(shí)現(xiàn)檢測機(jī)構(gòu)對壁面壓緊力的穩(wěn)定和可控；在3個(gè)功能模塊的末端連接處采用被動適應(yīng)機(jī)構(gòu)以提供對不平整壁面自動適應(yīng)的能力，同時(shí)減少動力裝置，有利于減小檢測機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和尺寸，且可以進(jìn)一步減少檢測機(jī)構(gòu)自由度的控制數(shù)；設(shè)計(jì)3個(gè)功能模塊在同一高度，即舵機(jī)1的同一個(gè)位置信號即可對舵機(jī)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(jī)構(gòu)的控制難度；同時(shí)，3個(gè)功能模塊處于機(jī)器人同一軸線上，保證了與檢測壁面接觸區(qū)域的一致。

涂抹模塊通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)以一定的速度將耦合劑經(jīng)軟膠管擠壓到耦合劑盒，進(jìn)而將耦合劑涂抹在打磨過的壁面上。耦合劑盒設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)耦合劑的直接涂抹，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)的有效涂抹面積與探頭面積設(shè)計(jì)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(dǎo)波探頭與涂抹有耦合劑的區(qū)域接觸以實(shí)現(xiàn)檢測。在檢測發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，標(biāo)記模塊對該區(qū)域進(jìn)行缺陷標(biāo)記，方便后續(xù)的維修作業(yè)。

1.3 爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于輪式磁吸附超聲檢測爬壁機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人模型，如圖2所示。機(jī)器人采用2個(gè)舵機(jī)(電機(jī)模式)驅(qū)動的主動輪以差動驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體運(yùn)動，采用2個(gè)從動輪作為輔助支撐輪實(shí)現(xiàn)與壁面的穩(wěn)定接觸，同時(shí)2個(gè)驅(qū)動輪采用前后交叉平行的布置方式以減小機(jī)器人的橫向尺寸。機(jī)器人攜帶移動電源以減少機(jī)器人高空作業(yè)時(shí)的額外負(fù)重，同時(shí)提高運(yùn)動靈活性，擴(kuò)大作業(yè)空間。

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

機(jī)器人的4個(gè)磁輪是主吸附體，同時(shí)，將所有裝置和機(jī)構(gòu)集中布置在底盤上，減小機(jī)器人的傾覆力矩，以保證機(jī)器人不發(fā)生脫落、傾覆和滑移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全位置安全可靠作業(yè)。每個(gè)磁輪采用軛鐵-永磁鐵-軛鐵(外緣包橡膠輪胎)的結(jié)構(gòu)以保證吸附力，保護(hù)永磁鐵不受破壞，同時(shí)單個(gè)磁輪可并列安裝2個(gè)以上的永磁鐵以增大吸附力。打磨機(jī)構(gòu)與檢測機(jī)構(gòu)中軸線重合，機(jī)器人只需前后移動即可實(shí)現(xiàn)對打磨區(qū)域的檢測作業(yè)。耦合劑擠壓通過舵機(jī)驅(qū)動的齒輪齒條機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

打磨機(jī)構(gòu)采用馬達(dá)驅(qū)動以實(shí)現(xiàn)對壁面的打磨，采用舵機(jī)驅(qū)動，通過四桿機(jī)構(gòu)傳動實(shí)現(xiàn)打磨頭對壁面的貼緊，同時(shí)設(shè)計(jì)安裝力傳感器以實(shí)現(xiàn)打磨機(jī)構(gòu)對壁面壓緊力的穩(wěn)定和可控。其中打磨頭采用工業(yè)用鋼絲刷打磨頭，打磨馬達(dá)與錐齒輪減速箱采用對角磨機(jī)零件設(shè)計(jì)制作。

2 輪式磁吸附爬壁機(jī)器人吸附穩(wěn)定性分析

機(jī)器人在檢測作業(yè)時(shí)，會受到自重、打磨裝置重力以及耦合劑重力對機(jī)器人質(zhì)心的影響，同時(shí)會受到打磨機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)壓緊力對機(jī)器人反作用力的影響，使機(jī)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(jī)器人穩(wěn)定性更高，但會使靈活性降低、機(jī)器人質(zhì)量更大。因此，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，使機(jī)器人具有較高的靈活性，有必要對機(jī)器人在壁面上的受力進(jìn)行分析，以提供輪系設(shè)計(jì)的理論依據(jù)[18]，對永磁鐵和電機(jī)的選型具有指導(dǎo)意義。與文獻(xiàn)[11]相比，本文的力學(xué)穩(wěn)定性分析不僅考慮移動平臺的受力，還考慮搭載在機(jī)器人平臺上的其他機(jī)構(gòu)、零部件的重力、對機(jī)器人質(zhì)心的影響以及檢測作業(yè)時(shí)壁面對機(jī)器人的反作用力。針對橫向、豎直、轉(zhuǎn)彎和懸壁4種姿態(tài)，分析機(jī)器人的吸附力條件和電機(jī)扭矩條件，姿態(tài)定義如圖3所示。

2.1 橫向姿態(tài)

2.1.1 靜止?fàn)顟B(tài)

圖3 機(jī)器人姿態(tài)示意圖Fig.3 Diagram of robot state

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

圖4 橫向姿態(tài)下機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖Fig.4 Transverse forces of robot in quiescent state

由圖4可知機(jī)器人的平衡方程式為

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

為防止磁輪打滑，應(yīng)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(jī)器人外翻，磁輪的支持力Ni應(yīng)大于0 N，故有：

式中，μ為磁輪與鐵磁壁面的滑動摩擦因數(shù)。靜止?fàn)顟B(tài)下，考慮打磨機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)壓緊力對機(jī)器人反作用力的影響，吸附力應(yīng)增加附加力F。聯(lián)立式(1)和式(2)，可得機(jī)器人穩(wěn)定的吸附力條件為

2.1.2 運(yùn)動狀態(tài)

橫向姿態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動受力圖如圖5所示。與靜止?fàn)顟B(tài)不同的是，機(jī)器人運(yùn)動時(shí)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(jìn)方向，y1和y2分別為兩側(cè)磁輪截面與質(zhì)心間的距離。

圖5 橫向姿態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)受力示意圖Fig.5 Transverse forces of robot in movement state

由圖5分析，機(jī)器人的平衡方程式為

式中：∑Fx為機(jī)器人在x方向所受的合力。

運(yùn)動狀態(tài)下，不需考慮打磨機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)壓緊力對機(jī)器人反作用力的影響。聯(lián)立式(4)和式(5)，簡化計(jì)算可得機(jī)器人穩(wěn)定的吸附力條件為

2.2 豎直姿態(tài)

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

圖6 豎直姿態(tài)下機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖Fig.6 Vertical forces of robot in quiescent state

圖7 豎直姿態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)受力示意圖Fig.7 Vertical forces of robot in movement state

2.3 轉(zhuǎn)彎姿態(tài)

轉(zhuǎn)彎姿態(tài)下機(jī)器人靜止受力圖和運(yùn)動受力圖分別如圖8和圖9所示，其中，O4為力作用點(diǎn)；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(jī)器人軸線與y軸的夾角。

2.4 懸壁姿態(tài)

懸壁姿態(tài)下機(jī)器人靜止受力圖和運(yùn)動受力圖分別如圖10和圖11所示。

綜合4種姿態(tài)下的吸附穩(wěn)定性分析，可得機(jī)器人穩(wěn)定的吸附力條件和電機(jī)扭矩條件分別為：

圖8 轉(zhuǎn)彎姿態(tài)下機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖Fig.8 Turning forces of robot in quiescent state

圖9 轉(zhuǎn)彎姿態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)受力示意圖Fig.9 Turning forces of robot in movement state

圖10 懸壁姿態(tài)下機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)受力示意圖Fig.10 Hanging forces of robot in quiescent state

圖11 懸壁姿態(tài)下機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)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(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)

基于輪式磁吸附超聲檢測爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案以及吸附穩(wěn)定性分析所得吸附力條件和電機(jī)扭矩條件，設(shè)計(jì)并制造機(jī)器人樣機(jī)，如圖12所示，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

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

為驗(yàn)證輪式磁吸附檢測爬壁機(jī)器人的技術(shù)可行性，在鐵磁壁面上進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動試驗(yàn)和缺陷檢測試驗(yàn)。

表2 爬壁機(jī)器人樣機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of wall climbing robot

3.1 爬壁機(jī)器人運(yùn)動實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人運(yùn)動試驗(yàn)包括機(jī)器人橫向運(yùn)動、豎直運(yùn)動和轉(zhuǎn)向運(yùn)動。機(jī)器人可以穩(wěn)定吸附在鐵磁壁面上。圖13(a)所示為機(jī)器人運(yùn)動路徑示意圖，運(yùn)動過程為①豎直直行、②左轉(zhuǎn)、③橫向直行、④右轉(zhuǎn)、⑤豎直直行5個(gè)階段。圖13(b)所示為運(yùn)動過程中陀螺儀角度α的變化曲線，與機(jī)器人運(yùn)動路徑序號相對應(yīng)。從圖13可以看出，陀螺儀數(shù)據(jù)隨機(jī)器人的運(yùn)動而連續(xù)變化，機(jī)器人穩(wěn)定吸附在鐵磁壁面上，沒有發(fā)生脫落、傾翻和滑移。機(jī)器人樣機(jī)的主要性能參數(shù)見表3。

圖13 爬壁機(jī)器人運(yùn)動曲線Fig.13 Diagram of motion path of wall climbing robot

表3 爬壁機(jī)器人樣機(jī)主要性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of wall climbing robot

3.2 爬壁機(jī)器人缺陷檢測試驗(yàn)

機(jī)器人缺陷檢測試驗(yàn)包括壁面打磨試驗(yàn)、耦合劑涂抹試驗(yàn)、超聲檢測試驗(yàn)和缺陷標(biāo)記試驗(yàn)，其中超聲檢測試驗(yàn)只做超聲探頭與檢測壁面的貼緊。在缺陷檢測試驗(yàn)過程中，機(jī)器人若干典型姿態(tài)如圖14所示。由圖14可見：機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標(biāo)記4個(gè)任務(wù)。

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

打磨頭和檢測機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)理想壓緊力為10 N。打磨機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)的壓力曲線如圖16所示。由圖16可見：使用PID控制后，打磨機(jī)構(gòu)壓力超調(diào)量減少了22.3%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間減少了27.8%，檢測機(jī)構(gòu)壓力超調(diào)量減少了33.0%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間減少了22.2%，可見PID控制對提高機(jī)器人的作業(yè)效率以及保護(hù)機(jī)器人穩(wěn)定作業(yè)有顯著效果。

圖16 壓力曲線Fig.16 Pressure curves

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種輪式磁吸附檢測爬壁機(jī)器人，包括移動平臺和檢測機(jī)構(gòu)，小型和無纜的移動平臺增大了機(jī)器人的靈活性和工作空間，集成式的檢測機(jī)構(gòu)減小了機(jī)器人的尺寸和機(jī)構(gòu)的控制難度。該機(jī)器人能在鐵磁壁面上實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動功能，完成檢測任務(wù)。

2)在橫向、豎直和懸壁3種姿態(tài)下，機(jī)器人靜止和運(yùn)動時(shí)，其穩(wěn)定的吸附力條件和電機(jī)扭矩條件為磁吸附爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3)在鐵磁壁面上進(jìn)行了運(yùn)動試驗(yàn)和缺陷檢測試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了基本的運(yùn)動功能以及完整的超聲檢測作業(yè)，包括壁面打磨、耦合劑涂抹、超聲檢測和缺陷標(biāo)記，證明提出的輪式磁吸附檢測爬壁機(jī)器人具有可行性。