李雨潭，張傳金，張 行，付 紅

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇省特種機(jī)器人工程研究中心，江蘇 徐州 221116）

1 引言

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)核心部件，對(duì)于保障電網(wǎng)正常運(yùn)行具有重要意義。油浸式變壓器每運(yùn)行一段時(shí)間后，必須進(jìn)行檢修［1］。檢修時(shí)，檢修人員通過變壓器上預(yù)留的人孔進(jìn)入變壓器內(nèi)部進(jìn)行工作。常見的油浸式變壓器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。變壓器內(nèi)部空間非常狹小，人工檢修十分不便。為了解決油浸式變壓器檢修困難的問題，文獻(xiàn)［2］提出了一種可以在油液表面游動(dòng)的類魚式仿生機(jī)器人，通過攜帶高清攝像頭對(duì)變壓器內(nèi)部進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一款包含多個(gè)電磁吸附輪的機(jī)器人，吸附在變壓器內(nèi)表面行走，搭載視覺傳感器進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一款帶有球形密封艙體的浮游式變壓器內(nèi)部檢測機(jī)器人，浮在油液表面對(duì)變壓器內(nèi)表面進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)［5］則采用微型四旋翼無人機(jī)深入變壓器內(nèi)部進(jìn)行檢測。

圖1 油浸式變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal Structure of Oil-Immersed Transformer

然而，在油液中游走的機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)范圍僅局限于油面，檢測范圍小，四旋翼無人機(jī)在空間狹小的變壓器內(nèi)部飛行十分困難，采用電磁輪的行走方式雖然克服了上述缺點(diǎn)，但設(shè)計(jì)可以旋轉(zhuǎn)的電磁輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜。永磁輪式結(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用在垂直攀爬的機(jī)器人中［6］，因此，這里提出采用永磁輪式行走底盤的方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在變壓器內(nèi)部行走，攜帶高清攝像頭進(jìn)行檢測。但是，機(jī)器人在變壓器內(nèi)部行走時(shí)不僅需要在垂直面行走，還需要在不同面之間穿行，因此已有垂直爬壁機(jī)器人的磁吸輪方案無法滿足要求［7-9］。因此，這里將針對(duì)用于變壓器內(nèi)部檢測的機(jī)器人磁吸輪式行走系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 行走底盤設(shè)計(jì)與分析

2.1 整體設(shè)計(jì)

機(jī)器人在變壓器內(nèi)壁的行走表面均為平面，不需要越障，但需要繞開線圈等障礙，因此機(jī)器人應(yīng)盡可能的小且輕，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單。因此，采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的永磁輪式行走機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的基本行走形式，通過差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向，其基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人行走系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu)方案Fig.2 Basic Mechanism Scheme of Robot Walking System

2.2 工況分析

雖然機(jī)器人不需要跨越障礙，但是需要能夠在變壓器內(nèi)部不同表面之間攀爬，如圖3所示。展示了機(jī)器人兩種典型的行走路線，分別是從水平面向豎直面行走和從豎直面向頂面懸掛行走。

圖3 機(jī)器人行走工況分析Fig.3 Analysis of Robot Walking Conditions

為了能夠滿足圖3所示的工況，對(duì)機(jī)器人的受力進(jìn)行分析。設(shè)機(jī)器人每個(gè)輪子與變壓器箱體壁板之間的吸力為F，其中，F(xiàn)v為輪子與壁板在豎直方向的吸力，F(xiàn)l為輪子與壁板在水平方向的吸力，G為機(jī)器人自身重力，f為輪子與壁板之間的摩擦力。

機(jī)器人懸掛在箱體頂部行走時(shí)，機(jī)器人不應(yīng)掉落，此時(shí)需滿足：

對(duì)于機(jī)器人從水平面向豎直面行走：（1）在前輪剛與豎直壁板接觸時(shí)，前輪與壁板之間產(chǎn)生的摩擦力對(duì)后輪旋轉(zhuǎn)中心的力矩應(yīng)大于機(jī)器人自身重力和對(duì)于水平壁板吸力之和對(duì)后輪旋轉(zhuǎn)中心的力矩，此時(shí)機(jī)器人的車頭才能翹起向上攀爬；（2）當(dāng)機(jī)器人變?yōu)樨Q直姿態(tài)時(shí)，四個(gè)輪子與壁板之間的摩擦力應(yīng)大于兩個(gè)后輪與水平壁板之間的吸力與重力之和，此時(shí)后輪才能脫離水平板繼續(xù)向上爬，兩個(gè)條件組成式（2）即：

式中：μ—釹鐵硼與壁板之間的摩擦系數(shù)，由于變壓器壁面布滿油漬，釹鐵硼表面也十分光滑，因此參照鐵和鐵在潤滑劑作用下的摩擦系數(shù)，μ的值取為（0.1～0.12）。

3 機(jī)器人磁吸輪計(jì)算

3.1 充磁型式分析

將式（1）與式（2）聯(lián)立后可發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在變壓器內(nèi)表面的順利行走，磁力至少應(yīng)滿足4Fl·μ>6Fv。由于μ＜1，因此只有輪子對(duì)水平壁板和豎直壁板的吸力不同，才能滿足條件，即Fl≠Fv，由于變壓器壁板材質(zhì)相同，因此需要對(duì)磁吸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于圓柱形磁鐵，存在徑向充磁和軸向充磁兩種形式，兩種形式的磁感線分布，如圖4所示。

圖4 兩種充磁方式的磁感線分布方式Fig.4 Distribution of Magnetic Lines of Two Magnetizing Methods

機(jī)器人行走時(shí)，軸向充磁的磁鐵與變壓器壁板之間的磁感線密度不變，因此輪子與壁板之間的吸力不隨輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，徑向充磁的磁鐵隨著輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)磁感線與壁板之間的磁感線密度呈現(xiàn)周期性變化，吸力也隨著磁感線的變化而周期性變化，其中在N級(jí)和S級(jí)時(shí)吸力達(dá)到最大，因此根據(jù)上述分析，徑向充磁形式滿足Fl≠Fv的條件。

3.2 磁吸力仿真分析

一般的情況下，釹鐵硼磁鐵能吸起自身重量600倍的物體［9］。但是由于該機(jī)器人需要使用徑向充磁形式，吸力隨著輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷變化，且與壁板之間是線接觸，計(jì)算吸力較為復(fù)雜，因此采用ANSYS軟件進(jìn)行磁吸力的仿真分析，計(jì)算磁場強(qiáng)度、磁鐵對(duì)于鐵板的磁力等參數(shù)，如圖5所示。

圖5 圓形釹鐵硼磁鐵徑向充磁仿真分析Fig.5 Simulation Analysis of Radial Magnetization of Round NdFeB Magnet

使用ANSYS軟件對(duì)磁吸輪磁吸力隨其自身尺寸的變化規(guī)律進(jìn)行分析。機(jī)器人自身尺寸較小，所采用的磁吸輪同樣很小。因此，隨機(jī)給定磁吸輪外徑為50mm，令其厚度在（4～12）mm，內(nèi)徑在（0～40）mm之間變化，研究磁吸力的變化規(guī)律結(jié)果，如圖6所示。

圖6 圓環(huán)尺寸與磁吸力之間的變化規(guī)律Fig.6 Law of the Change Between Ring Size and Magnetic Attraction

從圖6中可以看出，磁吸力隨圓環(huán)厚度的增加而增大，但最大磁吸力與最小磁吸力之間的比值隨圓環(huán)厚度的增加減少；磁吸力隨圓環(huán)內(nèi)徑的增加而減小（外徑不變），最大磁吸力與最小磁吸力之間的比值隨圓環(huán)內(nèi)徑的增加而增大。通過分析式（1）和式（2）可以得出，最大磁吸力和最小磁吸力之間的比值越大越有利于機(jī)器人從水平面向豎直面攀爬，但是最小磁吸力需要滿足機(jī)器人在頂板懸掛行走時(shí)不掉落。機(jī)器人從豎直壁板向頂部壁板行走時(shí)，當(dāng)兩個(gè)前輪已經(jīng)吸附在頂板，而兩個(gè)后輪在從豎板向頂板過渡時(shí)，最易發(fā)生后輪脫離現(xiàn)象，此時(shí)機(jī)器人最為危險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，必須充分考慮安全裕量，即只有兩個(gè)輪子同時(shí)處在最小吸附力時(shí)機(jī)器人不掉落，即2Fv>G。根據(jù)圖6 的仿真結(jié)果，帶入式（1）和式（2）進(jìn)行驗(yàn)證，最終采用外徑為50mm，內(nèi)徑為40mm，厚度為8mm，牌號(hào)為N38的釹鐵硼圓環(huán)磁鐵作為機(jī)器人的磁吸輪，其質(zhì)量為40g，矯頑力為899kA/m，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度為（1210～1250）mT，最小吸力為4.35N，最大吸力為27.96N。為了滿足極限情況2Fv>G，機(jī)器人的本體重量應(yīng)不大于870g。在此基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)的機(jī)器人，如圖7所示?？傊亓繛?00g。

圖7 機(jī)器人組成和重量Fig.7 Robot Composition and its Weight

4 樣機(jī)吸力測試

為了驗(yàn)證所研制的機(jī)器人磁吸力是否滿足要求，使用鋼板搭建了模擬的變壓器內(nèi)部環(huán)境的測試場所。

4.1 機(jī)器人爬壁能力測試

搭建表面涂油的“匚”形框架，使機(jī)器人在表面行走，如圖8所示。結(jié)果表明，機(jī)器人能夠順利行走，沒有發(fā)生掉落現(xiàn)象，但在平面和豎直面穿行時(shí)，會(huì)概率性的出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，這完全符合理論設(shè)計(jì)，為了滿足式（2）的條件。

圖8 機(jī)器人在涂滿油的模擬變壓器內(nèi)部壁板攀爬測試過程Fig.8 The Robot Climbs Inside the Simulated Oil-Coated Transformer

4.2 極限吸附能力測試

對(duì)機(jī)器人不同極限狀況下的吸附力進(jìn)行測試，如圖9所示?？梢钥闯觯幢銠C(jī)器人只有一個(gè)輪子和鐵板接觸，也沒有掉落（一個(gè)輪子吸附時(shí)自動(dòng)吸附至磁力最大處），因此，機(jī)器人整機(jī)吸附力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 極限狀況下的磁吸力測試Fig.9 Magnetic Attraction Test under Extreme Conditions

5 結(jié)論

（1）徑向充磁的圓柱形磁鐵在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁吸力會(huì)發(fā)生周期性變化，利用該特性可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在不同壁面之間行走。（2）徑向充磁的圓環(huán)形磁鐵磁吸力隨著厚度的增加而增加，但最大磁吸力與最小磁吸力之間的比值隨厚度的增加減少；磁吸力隨著圓環(huán)內(nèi)徑的增加而減小，但最大磁吸力與最小磁吸力之間的比值隨圓環(huán)內(nèi)徑的增加而增大。（3）設(shè)計(jì)了采用四輪差速轉(zhuǎn)向，牌號(hào)為N38、尺寸為Φ（50×40×8）mm的釹鐵硼圓環(huán)作為輪子的油浸式變壓器內(nèi)部檢測機(jī)器人，通過模擬攀爬測試和吸附力測試，該機(jī)器人磁吸力滿足設(shè)計(jì)要求。