馮玉勇, 管殿柱, 宋新城, 王憲輝, 鄧皓云

(青島大學機電工程學院, 山東 青島 266071)

爬壁機器人是特種機器人的一種,能夠在復雜、惡劣、極限環(huán)境下代替人工實現(xiàn)各種作業(yè)任務,具有重要的研究意義和應用價值[1]。爬壁機器人的吸附性能是在復雜表面上安全移動的關鍵,因此,爬壁機器人的力學形成機理和分析受到了廣泛關注[2]。由于爬壁機器人具有穩(wěn)定高效的性能,已成為船舶、化工和風電行業(yè)檢修[3]工作中大型非結構設備的首選裝置。自1966年,日本大阪府立大學的西亮教授制作了一臺垂直壁面移動機器人的原始樣機,爬壁機器人的研究和發(fā)展經(jīng)歷了多個階段,涌現(xiàn)出了多種類型和結構的爬壁機器人,如永磁輪式、真空吸附履帶式、多足行走式、超高壓水射流清洗除銹式等,此類爬壁機器人各有其優(yōu)缺點和適用范圍,需要根據(jù)不同的工作場景和需求進行選擇和設計。本文設計研究了一種履帶永磁吸附式機器人,分析工作時的力學特性,并對設計的永磁吸附單元進行仿真,根據(jù)仿真結果驗證機器人的工作可靠性。該機器人主要用于船舶檢測領域[4],用于船體結構可能存在的失效狀況時,提高船舶的工作可靠性。該機器人能夠高效安全地完成作業(yè),覆蓋船舶甲板、船壁及外部船體等位置,通常高度達到幾十米[5]。與其他類型的爬壁機器人相比,該機器人具有永磁吸附單元,能夠提供穩(wěn)定且可調節(jié)的吸附力,適應不同厚度和材質的金屬表面;履帶式結構能夠增加接觸面積和摩擦力,提高行走穩(wěn)定性和抗干擾能力;輕便緊湊的設計能夠降低重量和功耗,提高運行效率和靈活性。

1 機器人結構設計

爬壁機器人主體結構包括機架和機架兩側對稱分布的4對履帶輪結構,底部和履帶輪內(nèi)部分別設置永磁吸附裝置,爬壁機器人結構如圖1所示。爬壁機器人采用四履帶結構,可提高越障能力,爬壁機器人既要平穩(wěn)移動,又要對壁面的凸起等復雜障礙物做出及時反應,所以越障能力是設計爬壁機器人需要解決的難題之一[6]。

圖1 爬壁機器人結構

爬壁機器人永磁吸附裝置放置方案如圖2所示。與一般永磁履帶式爬壁機器人相比,機器人整體的運動靈活性得到提高,而且永磁吸附單元[7]的自由安裝拆卸可以使機器人根據(jù)工作壁面的不同,自由簡單地調節(jié)所需要的吸附力,并在轉向能力上比一般機器人更靈活。

2 力學特性分析

在設計爬壁機器人結構時,應考慮機器人防仰和防滑[8]問題,機器人在壁面工作時,會因吸附力不夠而向下滑動,或移動到壁面過渡處時發(fā)生側翻,這些問題容易造成機器人損壞及安全隱患,所以需要對以上2種情況進行力學特性分析[9]。

當爬壁機器人吸附在壁面時,船壁可近似看作豎直壁面,由于爬壁機器人在船壁上是垂直作業(yè),所受的重力G也是豎直向下,2組主動輪同時受到來自壁面方向且垂直于壁面的2個支持力N1和N2的影響。由于爬壁機器人在船壁工作時有向下滑動的趨勢,所以還受到來自壁面2個靜摩擦力f1和f2及永磁吸附裝置提供的吸附力F的影響。爬壁機器人受力情況如圖3所示。

圖3 爬壁機器人受力情況

1) 爬壁機器人因吸附力不夠而向下滑動。為防止爬壁機器人在工作時發(fā)生向下滑動的情況,在壁面上能平穩(wěn)完成工作,船壁與爬壁機器人之間的靜摩擦力必須大于或等于平行于壁面方向上的所有外力總和,因此保證機器人工作平穩(wěn)性條件為

(1)

根據(jù)圖3所示,在沒有任何負載的條件下,爬壁機器人的重力G=100 N,當靜摩擦力f1+f2=1 200 N時,機器人不會發(fā)生向下滑動的情況。履帶材質為橡膠材質,所以按橡膠與鋼質壁面的滑動摩擦系數(shù)μ=0.6計算[10],得到的吸附力F=60 N。

2) 爬壁機器人發(fā)生縱向傾覆情況。爬壁機器人會因為沿著壁面方向的力矩之和不為零而發(fā)生縱向傾覆情況[11],圖3中h為機器人重心O與壁面之間的垂直距離,L為2個主動輪中心之間的距離,為使機器人不發(fā)生傾覆情況,沿著壁面的機器人所受到的力矩之和為零,考慮到機械可靠性設計原則[12],還要施加一個安全系數(shù)K,因此爬壁機器人所需要的吸附力需滿足如下條件,即

(2)

式中,K為安全系數(shù),K=1.6;u=0.5;h=30 mm;L=140 mm,代入式(2)得,吸附力F≥571.2 N。

綜合以上分析結果,為使爬壁機器人保持工作可靠性,永磁吸附裝置提供的吸附力至少需要571.2 N。

3 永磁吸附裝置設計

3.1 永磁吸附單元結構設計

爬壁機器人的吸附能力作為重要技術指標,采用的磁性材料決定了吸附能力的高低,結合爬壁機器人的工作環(huán)境,選擇的磁性材料應滿足如下要求:

1) 永磁材料的磁能積要大。磁能積就是永磁材料提供的吸附力與其質量的比值,磁能積越大,機器人的自身質量越小。

2) 清潔型爬壁機器人一般會選用超高壓水射流清理方式,而清理后的壁面溫度可高達60 ℃,所以磁性材料的工作溫度要求不低于60 ℃。

3) 由于爬壁機器人在進行清理作業(yè)過程中磁鐵會不斷地與壁面產(chǎn)生碰撞接觸,且工作壁面不平整,所以要求永磁材料具備很好的磁穩(wěn)性。

綜上所述,滿足以上幾點要求的磁性材料,才能滿足爬壁機器人對吸附能力的需求。釹鐵硼[13]是一種廣泛應用于各種行業(yè)的永磁材料,它以金屬間化合物Nd2Fe14B為基礎,通過硼的加入形成四方晶體結構金屬化合物,具有高飽和磁化強度、高的單軸各向異性和高的居里溫度[14]。該材料具有出色的強磁性能和磁穩(wěn)性[15],適合用于爬壁機器人的永磁吸附裝置,都能滿足爬壁機器人對吸附力的高性能要求,因此選擇NdFeB30作為永磁吸附裝置的磁性材料,NdFeB30性能參數(shù)如表1所示。

表1 NdFeB30性能參數(shù)

永磁吸附單元由永磁體、橡膠保護套、鋁框和承載單元塊組成,永磁吸附單元模型如圖4所示,永磁吸附單元結構如圖5所示。釹鐵硼材料本身很脆且易腐蝕,所以表面需要進行鍍鎳處理[16]。為了提高整體結構的強度,鋁框的材料選用鋁合金,承載單元塊材料選用鋼1010。橡膠保護套是為了更好的保護釹鐵硼材料,避免與壁面發(fā)生干摩擦而致使材料發(fā)生損壞。

圖4 永磁吸附單元模型

3.2 爬壁機器人永磁吸附結構仿真分析

通過Maxwell 軟件模擬與爬壁機器人實際工作相似的環(huán)境,對爬壁機器人的永磁吸附單元進行磁力仿真,借助對磁吸附力和仿真結果的分析,對各構件尺寸參數(shù)進行優(yōu)化設計。永磁吸附單元與船壁面間的磁吸附力受到永磁體截面形狀尺寸變化及永磁體截面與船體壁面間隙關系的影響[17]。

本文采用控制變量的方法,將磁體放置在設計環(huán)境下,限定其他尺寸的大小,使需要模擬的尺寸作為單一變量,通過軟件仿真,分析其對磁體磁吸附力的影響。永磁吸附單元與壁面吸附示意圖如圖6所示,設計單元永磁體的長、寬和高分別為l、w和h,船壁厚為x,永磁體與船壁間的距離為S,承載單元塊的長、寬和高分別為L、W和H,其中承載單元塊的尺寸是固定的,主要分析單元永磁體的尺寸對于其吸附力的影響[18]。

圖6 永磁吸附單元與壁面吸附示意圖

1) 假定h=15 mm,w=20 mm,S=3 mm,x=15 mm,利用Maxwell軟件的模擬數(shù)據(jù),分析單位永磁體長度l對其吸附力的影響,永磁體長度對磁吸附力影響曲線如圖7所示。

2) 假定l=50 mm,h=15 mm,S=3 mm,x=15 mm,利用Maxwell軟件的模數(shù)據(jù),分析單位永磁體寬度w對其吸附力的影響,永磁體寬度對磁吸附力的影響曲線如圖8所示。

圖8 永磁體寬度對磁吸附力的影響曲線

3) 假定l=50 mm,w=20 mm,S=3 mm,x=15 mm,利用Maxwell軟件的模擬數(shù)據(jù),分析單位永磁體的高度h對其吸附力的影響,永磁體高度對磁吸附力的影響曲線如圖9所示。

由圖7和圖8可以看出,單元磁體的磁力隨著其寬度和長度的增加而呈現(xiàn)出近似正比例增長;由圖9可以看出,單元磁體磁力的變化在其高度h在20 mm以下時近似正比例變化,但超過20 mm后磁力變化又趨于平緩。結合數(shù)據(jù)變化及分析,選擇單元永磁體的長度l=50 mm,寬度w=15 mm,高度h=20 mm,即單元永磁體的尺寸為50 mm×15 mm×20 mm,在此尺寸下可以提供的吸附力約為97 N。

3.3 永磁吸附單元的放置方案設計

基于文獻[19],本研究采用不同于一般永磁式爬壁機器人永磁吸附單元放置方案的設計,即驅動輪內(nèi)側可各放置有一個吸附單元提供吸附力,底盤的永磁吸附單元放置設計是為搭載不同作業(yè)任務的自動化設備所準備,永磁吸附單元的放置方案如圖10所示。永磁吸附單元由螺栓固定,可自由拆卸,十分方便,根據(jù)機器人搭載不同的自動化設備,進而調整永磁吸附單元數(shù)量,以達到吸附力自由調節(jié)的目的。

圖10 永磁吸附單元的放置方案

非接觸式磁力[20]吸附方式提高了機器人的運動靈活性,不僅能夠提供足夠的吸附力,而且可更好地適應不同的壁面,進行更多不同的作業(yè)任務。

4 結束語

本文針對中小型船舶壁面檢測維護的需求,設計了一種新型的履帶式永磁吸附爬壁機器人,提出了一種集成化的爬壁機器人裝備技術,將不同的作業(yè)任務設備與機器人機體結合,實現(xiàn)遙控操作,提高了作業(yè)的安全性、效率和質量,符合船舶綠色發(fā)展的理念。根據(jù)船舶壁面的特點,提出了一種非常規(guī)的永磁吸附方式,將永磁吸附單元安裝在機器人的底部,增加了接觸面積和吸附力,適應不同厚度和材質的金屬表面;建立了爬壁機器人工作時的靜態(tài)力學模型,數(shù)值仿真分析驗證了機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性和吸附可靠性;設計了永磁吸附單元的磁路和封裝結構,利用有限元分析軟件Maxwell進行仿真優(yōu)化,確定了影響吸附力最大的釹鐵硼永磁體長度和寬度參數(shù)。下一步主要研究使爬壁機器人應用于船舶壁面維護作業(yè),并結合動力學仿真軟件對機器人直行和轉向受力情況,對影響轉向偏移量的多個因素進行綜合分析優(yōu)化,為控制系統(tǒng)找到最優(yōu)位移補償方案。