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油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：弧面機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,它是地面移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合吸附技術(shù)。它可以連接到垂直墻爬行,和攜帶工具來(lái)完成特定的任務(wù)大大擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
本文檢測(cè)大型油罐的墻上攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人能爬在水箱表面靈活,并攜帶油箱超聲波探頭的超聲波探傷。文章首先總結(jié)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的弧面機(jī)器人在一些攀爬機(jī)構(gòu)畫(huà)出設(shè)計(jì)的文獻(xiàn),然后選擇最好的解決方案進(jìn)行比較。計(jì)劃制定后,電機(jī)、傳輸和安裝、定位和其他設(shè)計(jì)計(jì)算。主要做以下工作:
首先,概述弧面機(jī)器人及其相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展方向?；∶鏅C(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選擇和分析墻上攀爬機(jī)器人的吸附方式,并闡述了每個(gè)磁路著重好的和壞點(diǎn)。確定最后爬墻爬壁機(jī)器人的吸附方式為非接觸式永磁吸附方式,和弧面機(jī)器人的穩(wěn)定性和磁性吸附吸引力關(guān)系做出了相應(yīng)的分析。
其次,通過(guò)分析弧面機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式是決定使用履帶驅(qū)動(dòng)模式的方式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力、機(jī)械師、運(yùn)動(dòng)學(xué),建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模式。完成后考慮,整體弧面機(jī)器人身體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:弧面機(jī)器人;磁吸附;
Tank test structure design of robot
Abstract：Wall-climbing robot is an important branch of the mobile robot field as it is the terrestrial mobile robotics combine with adsorption technology. It can be attached to the vertical wall crawling, and to carry tools to complete certain tasks in the greatly expanded scope of application of robots.
This paper focuses on the?detection?of large oil tank?wall?climbing robot?structure design.The robot can?crawl?in the tank?surface?flexible,?and carrying the?ultrasonic probe?in ultrasonic flaw detection?of?tank. Articles start with the existing wall-climbing robot at home and abroad are summarized in the literature of several climb institutions draw the design, then select the best solution by comparing. Program laid down after the motor, transmission and installation, positioning and other design calculations. Mainly do the following works：
First, the overview of the relevant areas of wall-climbing robot and its present situation and future development direction. Designed the wall-climbing robot's overall construction, chose and analyzed the wall climbing robot's adsorption way, and elaborated each magnetic circuit good and bad points emphatically. Determined finally crawls the wall- climbing robot's adsorption way for the non-contact permanent magnetism adsorption way, and the wall-climbing robot's stability and magnetism adsorptive attraction relations has made the corresponding analysis.
Secondly, through the analysis the movement of the wall-climbing robot mode it is decided to use caterpillar drive mode as the way of movement. By analysising of the motor drive capability, mechanic, kinematic , the establishment of the robot dynamics and kinematics mode. After the completion of consideration , the overall designed on the wall-climbing robot body's mechanical structure.
Keywords: Wall-climbing robot；Magnetic adsorption；
目 錄
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………Ⅱ
目錄…………………………………………………………………………………Ⅲ
1 引言………………………………………………………………………………1
1.1 本課題研究的目的和意義………………………………………………………1
2 爬壁機(jī)器人總體方案……………………………………………………………2
2.1 總體設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………2
2.1.1 總體方案性能分析……………………………………………………………2
2.2 吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………3
2.2.1 吸附方式的選擇………………………………………………………………4
2.2.2 吸附單元的設(shè)計(jì)………………………………………………………………4
2.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………8
2.3.1 移動(dòng)方式的選擇………………………………………………………………8
2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力………………………………………………………………9
2.5 抗傾覆機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………12
3 爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………14
3.1 爬壁機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)……………………………………………………14
3.2 車體框架設(shè)計(jì)…………………………………………………………………14
4 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型分析………………………………………………………16
4.1 爬壁機(jī)器人靜力學(xué)分析………………………………………………………16
4.2 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析………………………………………………………17
5 結(jié)論………………………………………………………………………………20
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………21
致謝…………………………………………………………………………………23
1 引言
在核工業(yè)、石化工業(yè)中，工人經(jīng)常需要面對(duì)惡劣危險(xiǎn)的作業(yè)環(huán)境；在消防部門、造船業(yè)、高樓清洗中，工人經(jīng)常處在高空中；在深海作業(yè)、搶修救災(zāi)中，工人的工作環(huán)境更是危險(xiǎn)。隨著人類的自我保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)，為了減小或者避免工作環(huán)境中的危險(xiǎn)，人們迫切需要有一種能替代人類的高空作業(yè)工具，從危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)。目前，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量的爬壁機(jī)器人投入使用，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面:
1)核工業(yè):對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等。
2)石化企業(yè):對(duì)圓柱形罐體或球形罐體的內(nèi)外表面進(jìn)行檢測(cè)、去銹或噴漆等。
3)建筑行業(yè);壁面清洗、擦玻璃、噴涂墻面、安裝瓷磚等。
4)消防部門:用于傳遞救援物質(zhì)，協(xié)助救援工作等。
5)造船行業(yè):用于清洗船體表面、噴涂船體或輪船內(nèi)壁等。
6)電力行業(yè):對(duì)發(fā)電站鍋爐水冷壁管壁厚度進(jìn)行測(cè)量。
1.1本課題研究的目的和意義
油罐是石化企業(yè)中最常見(jiàn)的儲(chǔ)存設(shè)備，由于壓力的作用以及雨水和油品的侵蝕，罐壁可能產(chǎn)生凹坑、裂紋、內(nèi)部孔洞等缺陷，這些缺陷不僅會(huì)造成油品泄漏，甚至可能引起火災(zāi)，因此必須定期進(jìn)行檢測(cè)【8】。目前，對(duì)油罐的檢測(cè)均由人工實(shí)現(xiàn)，需搭建腳手架，效率很低且危險(xiǎn)性高【8】。所以我們需要研究一種能夠代替人來(lái)實(shí)現(xiàn)油罐壁面檢測(cè)的機(jī)器人--- 爬壁機(jī)器人.它是能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，是高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái), 可在垂直壁面上附著爬行, 并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù), 大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
2 爬壁機(jī)器人總體方案
2.1 總體設(shè)計(jì)要求
本課題主要針對(duì)油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人能在油罐表面靈活爬行，并攜帶超聲探頭對(duì)油罐進(jìn)行超聲探傷。因此該機(jī)器人能夠在鋼制壁面爬行、能夠攜帶檢測(cè)探頭到達(dá)壁面任何位置，且機(jī)器人必須具備在鋼質(zhì)壁面可靠吸附的能力、有一定的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。所以必須具備穩(wěn)定的移動(dòng)能力和抗傾覆能力。下面將基于大型油罐檢測(cè)的實(shí)際特點(diǎn)對(duì)上述各項(xiàng)功能選擇最優(yōu)的解決方案。
2.1.1總體方案性能分析
（1）有效負(fù)載
爬壁機(jī)器人攜帶超聲波探頭在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)，需克服自身重力。同時(shí)控制信號(hào)采用電纜線傳輸，大約需要長(zhǎng)50m，重約6Kg的電纜線，再加上電纜線及超聲波探頭的重量。根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，機(jī)器人的最大有效負(fù)載為20kg電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不小于340N。
（2）結(jié)構(gòu)尺寸
爬壁機(jī)器人自身的尺寸決定了其運(yùn)動(dòng)的靈活性，為了使機(jī)器人能夠轉(zhuǎn)向靈活、不易傾覆，就要合理縮小機(jī)器人的大小和重量。并且機(jī)器人的高度直接影響其傾覆能力，所以也應(yīng)盡量減小其高度。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示，油罐口孔的直徑約為600mm，因此機(jī)器人本體的三個(gè)投影面中至少有一個(gè)面的對(duì)角線要小于600mm 。但由于永磁體的吸附面積受到機(jī)器人底面長(zhǎng)和寬的限制，需要留有永磁吸附單元的空間，尺寸又不能太小。綜合考慮將機(jī)器人設(shè)計(jì)成645mm×350mm×190mm的尺寸。
（3）爬行速度
爬行速度主要是根據(jù)高效性、準(zhǔn)確性和安全性確定。速度過(guò)快會(huì)引起機(jī)器人的傾覆，使定位的精度降低；速度過(guò)慢又會(huì)降低檢測(cè)的效率。根據(jù)任務(wù)書(shū)將爬行速度設(shè)定為為:0～2m/min。
（4）運(yùn)動(dòng)精度
爬壁機(jī)器人能夠靈活準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，是準(zhǔn)確檢測(cè)油罐的基礎(chǔ)和前提。由于油罐壁面是凹凸不平的，機(jī)器人在油罐壁面爬行過(guò)程中行進(jìn)路線略微偏離了油罐母線，且油罐高度很大，機(jī)器人爬行一段距離后誤差會(huì)被放大，從而可能造成漏檢或者重復(fù)檢測(cè)，這些都會(huì)造成爬壁機(jī)器人在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)不精確。所以要在機(jī)器人的本體上安裝傾角傳感器。傾角傳感器根據(jù)角度偏差來(lái)調(diào)整爬壁機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)。
（5）越障能力
油罐的焊接有對(duì)焊和疊焊兩種形式，因此機(jī)器人要安全越過(guò)焊接處，就必須能夠跨越5～10mm的凸起。
（6）設(shè)計(jì)性能指標(biāo)
根據(jù)上面的分析，得到如下的性能指標(biāo)：
最大尺寸：≤645mm×350mm×190mm
機(jī)器人自重：24kg
負(fù)載能力：≤20kg
移動(dòng)速度：0～2m/min
越障能力：5～10mm
2.2吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
目前爬壁機(jī)器人的吸附方式可以分為：真空吸附、磁力吸附和氣流負(fù)壓吸附，吸附方式的種類的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)下表2.2。
表2.2 三種吸附方式的比較
吸附方式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
真空吸附
單吸盤(pán)
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于控制、不受壁面材料限制
越障能力低、對(duì)于復(fù)雜壁面環(huán)境不適應(yīng)、斷電和超過(guò)泄漏量將喪失吸附能力
多吸盤(pán)
密封性好、吸附力穩(wěn)定、越障能力好、壁面過(guò)渡能力強(qiáng)
結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大、斷電和超過(guò)泄漏量將喪失吸附能力
磁力吸附
永磁式
維持吸附力、不受斷電的影響、安全可靠、吸附力穩(wěn)定、壁面適應(yīng)性強(qiáng)
只適合導(dǎo)磁材料、控制較為麻煩、運(yùn)行時(shí)磁體與壁面脫離較困難
電磁式
磁體與壁面的脫離容易、吸附力實(shí)時(shí)可調(diào)、壁面適應(yīng)性強(qiáng)
需要消耗電能、受斷電影響、電磁體重量大、不適合易燃易爆場(chǎng)所
氣流負(fù)壓吸附
無(wú)泄漏問(wèn)題、壁面適應(yīng)性強(qiáng)、
吸附不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)精度有限、體積大、效率低
2.2.1吸附方式的選擇
考慮到油罐壁上凹凸不平且有鐵銹或其它雜質(zhì)，所由上表可以看出，真空吸附方式容易使吸盤(pán)漏氣導(dǎo)致爬壁機(jī)器人滑落，因此不適合選擇；爬壁機(jī)器人需要攜帶很多設(shè)備，這就要求機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能夠靈活、安全穩(wěn)定、爬行速度快，而氣流負(fù)壓吸附方式吸附不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)精度有限、體積大、效率低，因而也不適合使用；油罐是鋼結(jié)構(gòu)組成，是導(dǎo)磁材料，適合磁力吸附方式，但考慮到油罐內(nèi)裝有易燃易爆物質(zhì)，所以不適合選擇電磁式吸附；而永磁式吸附結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸附力大，對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)漏氣問(wèn)題，很適合設(shè)計(jì)的要求。
2.2.2吸附單元的設(shè)計(jì)
永磁吸附單元的設(shè)計(jì)的原則是選擇最優(yōu)的材料和最合理的磁路結(jié)構(gòu)，在提供穩(wěn)定吸附力的同時(shí)減小爬壁機(jī)器人質(zhì)量，并提高其運(yùn)動(dòng)和負(fù)載能力。
綜合考慮磁體的性能指標(biāo)，確定吸附單元的永磁材料為釹鐵硼N35。其性能參數(shù)見(jiàn)表2.2.2。
表2.2.2 釹鐵硼N35的性能參數(shù)
剩磁/Br(T)
磁感矯頑力/HCB(kA/m)
內(nèi)稟矯頑力/HCJ (kA/m)
最大磁能積/(BH)max(kJ/m3)
Br的溫度系數(shù)(%/℃)
密度(㎏/ m3）
最高工作溫度（℃）
回復(fù)磁導(dǎo)率/
1.17～1.23
851～955
>955
264～288
-0.12
7.3×103
80
1.0～1.10
圖2.2.3三種磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
永磁體的磁路結(jié)構(gòu)形式主要有圖2.2.3所示的三種結(jié)構(gòu)類型。(a)開(kāi)路結(jié)構(gòu)，漏磁嚴(yán)重，磁力損失較大。(b)兩塊軛鐵內(nèi)夾永磁體結(jié)構(gòu)，氣隙較小時(shí)，產(chǎn)生吸附力的較大，但隨著氣隙的增大，其吸附力會(huì)迅速減小。 (c)N、S磁鐵附著軛鐵結(jié)構(gòu)，漏磁小。磁塊越靠近吸附體，產(chǎn)生的吸附力越大，工作氣隙范圍較大。根據(jù)以上性質(zhì)，結(jié)合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、使用便捷和可靠性，將采用圖2.2.4結(jié)構(gòu)。
圖2.2.4磁路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
單個(gè)永磁體的尺寸為60mm×25mm×5mm，其使用面積為1500mm2，兩塊磁鐵間的隔磁材料選擇厚度為5mm的銅板，則永磁體氣隙的能量為：
式中：——永磁體氣隙能量，J；
——永磁體氣隙磁通密度，T；
——永磁體氣隙截面積，m2；
——永磁體氣隙長(zhǎng)度，m；
——真空絕對(duì)磁導(dǎo)率，。
永磁體的磁吸附力滿足下式：
(2.2)
根據(jù)磁通量守恒原理，工作氣隙的磁通量與有用磁通量應(yīng)保持相等，即：
(2.3)
式中：——永磁體的截面積，m2。
工作氣隙磁勢(shì)與永磁體中的磁勢(shì)與關(guān)系式為：
(2.4)
式中：——永磁體的長(zhǎng)度，m；
——永磁體氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；
——磁阻系數(shù)，=1.1～ 1.5。
永磁體氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁通密度的關(guān)系式為：
(2.5)
式中：——永磁體氣隙的相對(duì)磁導(dǎo)率。
因?yàn)榭諝獯艑?dǎo)率: =1，所以：
(2.6)
永磁體有用磁通密度為：
(2.7)
式中：——永磁體有用磁通密度，T；
——永磁體工作點(diǎn)的磁通密度，T；
——永磁體漏磁通密度，T；
——永磁體最大磁能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁通密度，T；
——永磁體最大磁能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；
——永磁體工作點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；
——回復(fù)磁導(dǎo)率。
由式(2.2)~(2.7)得永磁體吸附力為：
圖 2.2.5 工作氣隙變化對(duì)磁力影響關(guān)系圖
由式(2.8)可以得出如圖2.2.5所示的磁力與氣隙之間的關(guān)系。爬壁機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)要求并提供有效吸附力的磁塊與壁面氣隙在0~4mm之間。從圖中可以看出永磁體吸附力的大小與氣隙成平方關(guān)系衰減。工作氣隙過(guò)大則吸附力不足將導(dǎo)致爬壁機(jī)器人脫落，工作氣隙過(guò)小會(huì)影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性。所以為了保證爬壁機(jī)器人作業(yè)時(shí)的安全性和靈活性，將在永磁體下方安裝2mm厚的膠墊。
2.3移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.3.1移動(dòng)方式的選擇
爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方式主要分為：輪式、履帶式和多足式。三種移動(dòng)方式比較見(jiàn)表2.3.1。
圖2.3.1三種移動(dòng)方式比較
移動(dòng)方式
輪式
履帶
多足式
概要
一般由電機(jī)以絞合方式驅(qū)動(dòng)或每個(gè)輪都單獨(dú)配置一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)
由電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的移動(dòng)
用電機(jī)實(shí)現(xiàn)足部吸附力的變化，完成足部的脫離運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)
特點(diǎn)
運(yùn)動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向靈活、與壁面摩擦力較小、負(fù)載能力小、越障能力較差
運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)、負(fù)載能力強(qiáng)、對(duì)壁面適應(yīng)能力強(qiáng)
運(yùn)動(dòng)速度慢、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差、越障能力強(qiáng)、在垂直壁面容易脫落、負(fù)載能力差
爬壁機(jī)器人檢測(cè)金屬罐容積時(shí)需要快速且平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。多足式移動(dòng)速度慢，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差，在永磁吸附方式下腿部與壁面脫離需要很大的力，控制難度大，使其在設(shè)計(jì)上很難實(shí)現(xiàn)；輪式的負(fù)載能力小、越障能力差，且運(yùn)行不夠平穩(wěn)。它主要應(yīng)用于攜帶小型的檢測(cè)設(shè)備而不適合攜帶功能更多的大型檢測(cè)設(shè)備；履帶式運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、越障能力強(qiáng)、負(fù)載能力大。因此確定以履帶的方式為爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方式。
2.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力
考慮到爬壁機(jī)器人的穩(wěn)定性和靈活性，選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并配以減速器輔助其完成工作。第一，與步進(jìn)電機(jī)相比直流電機(jī)的負(fù)載能力強(qiáng)、功率大、易于調(diào)速、便于頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)；第二，使用的是直流電源，可以達(dá)到石油石化企業(yè)金屬罐區(qū)安全作業(yè)環(huán)境要求。第三，采用直流電機(jī)有利于減小爬壁機(jī)器人的體積，提供足夠的驅(qū)動(dòng)力便于運(yùn)動(dòng)控制；
但是直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在4000～6000r/min之間，輸出扭矩非常低。為了達(dá)到爬壁機(jī)器人需要的低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的要求，就需要安裝減速裝置。減速器能有效的降低轉(zhuǎn)速并相應(yīng)地增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為4500rpm左右，而爬壁機(jī)器人要求的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速大約為10rpm左右，故可以通過(guò)減速比公式求出所需減速箱的減速比：
(2.9)
而，故選擇減速比為400:1。
(2)電機(jī)功率的選擇
圖 2.4.1爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力圖
如圖2.4.1所示，假設(shè)爬壁機(jī)器人的上鏈輪運(yùn)動(dòng)狀況相同，設(shè)機(jī)器人的
爬行速度為，加速度為，輪子的角加速度為，則：
(2.10)
(2.11)
式中：——爬壁機(jī)器人的速度，m/s；
——第i個(gè)輪子半徑，s；
——第i個(gè)輪子的角速度，rad/s。
根據(jù)圖2.4.1可知在和軸分別滿足下列等式：
(2.12)
(2.13)
式中：——第i個(gè)輪子所受的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，N/m；
——第i個(gè)輪子所受的正壓力，N；
——第i個(gè)輪子的重力，N；
——第i個(gè)輪子所受的支持力，N；
——第i個(gè)輪子所受的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩，N/m；
——第i個(gè)輪子所受的驅(qū)動(dòng)軸作用力，N；
——第i個(gè)輪子所受的摩擦阻力，N；
——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg*m2。
兩式整理得：
(2.14)
因?yàn)榧僭O(shè)所有輪子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，所以在其運(yùn)動(dòng)方向上有：
(2.15)
式中：——爬壁機(jī)器人本體質(zhì)量，Kg。
將(2.14)與(2.15)整理得：
(2.16)
簡(jiǎn)化得：
(2.17)
式中：——爬壁機(jī)器人總質(zhì)量，，Kg。
根據(jù)公式：
(2.18)
=0.4×24×9.8+24×9.8
=329.28N
式中：——當(dāng)量摩擦系數(shù)，=0.4。
所以運(yùn)用公式：
(2.19)
式中：——余度系數(shù)，K=2；
——機(jī)械效率，=60%；
——車輪半徑，=84mm。
(2.20)
=26.13W
最后采用2個(gè)30W的直流電機(jī)來(lái)為爬壁機(jī)器人提供動(dòng)力。
(3)驅(qū)動(dòng)力能力的計(jì)算
爬壁機(jī)器人總轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：
(2.21)
爬壁機(jī)器人理想牽引力為：
(2.22)
當(dāng)爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率確定為30W，傳動(dòng)比為，，時(shí)，則其驅(qū)動(dòng)力矩為：
N/m (2.23)
爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪半徑，則爬壁機(jī)器人的牽引力為：
N (2.24)
則總牽引力為：
N (2.25)
從上面的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，2個(gè)電機(jī)可提供的牽引力為364N，大于爬壁機(jī)器人要求的340的驅(qū)動(dòng)力，考慮到壓力和摩擦系數(shù)不斷變化以及油罐壁面的不穩(wěn)定因素對(duì)爬壁機(jī)器人的影響，所以為驅(qū)動(dòng)力留有充分的余量。
2.5抗傾覆機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
只要磁吸附單元的吸附力足夠大，就可以保證爬壁機(jī)器人在平直壁面上的可靠①吸附和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，但是實(shí)際的壓力容器壁面并非是平直的，焊縫不規(guī)則凸起等都有可能造成機(jī)器人傾覆。磁塊①首先與突起接觸并被迫后仰一個(gè)角度；向上爬行時(shí)，僅靠磁塊②的磁力己無(wú)法提供足夠的吸附力將機(jī)器人拉回正常姿態(tài)，因而重心后仰，產(chǎn)生重力矩，機(jī)器人在重力矩的作用下進(jìn)一步后仰；機(jī)器人繼續(xù)爬行，后仰逐漸加劇，從而導(dǎo)致傾覆。這種現(xiàn)象稱為漸變傾覆。
圖2.5.1爬行時(shí)漸變傾覆模型
為了解決漸變傾覆的問(wèn)題，可在出現(xiàn)漸變傾覆趨勢(shì)時(shí)為機(jī)器人提供一個(gè)額外的抗傾覆力矩來(lái)抵消重力矩的作用?；谶@個(gè)想法，所以設(shè)計(jì)了抗傾覆機(jī)構(gòu)。如圖2.5.1所示，在爬行過(guò)程中，當(dāng)壁面為豎直或者越過(guò)焊縫時(shí)會(huì)后仰有剝離壁面的危險(xiǎn)，履帶張力變小，壓緊裝置彈簧回復(fù)，提供接壁面一個(gè)垂直壓力，可以壓緊履帶，保證履帶上的永磁體與壁面完整接觸，以避免本體傾覆，從而起到提高機(jī)器人穩(wěn)定性的作用。
圖2.5.2爬壁機(jī)器人抗傾覆機(jī)構(gòu)
3 爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1爬壁機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)
機(jī)械結(jié)構(gòu)是爬壁機(jī)器人最重要的部分，機(jī)器人的所有檢測(cè)功能都是由具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)相互配合所實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)最終確定的爬壁機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示。
圖3.1.1爬壁機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)
3.2車體框架設(shè)計(jì)
為了減輕爬壁機(jī)器人的自身重量，在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人本體時(shí)要考慮所選取的機(jī)械材料的自身重量與強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)多方對(duì)比，選取了鋁鎂合金板作為本體框架的基礎(chǔ)材料。這種材料相對(duì)其它金屬材料而言密度較小，單位體積重量較輕，能夠使機(jī)器人本體承受住較大的壓力。鋁鎂合金板不僅大大減輕了本體的車身的質(zhì)量又保證了其強(qiáng)度，同時(shí)也考慮到車身內(nèi)可安裝多種設(shè)備，當(dāng)載重量大、車身動(dòng)力不足時(shí)可加裝額外的電機(jī)，應(yīng)增加動(dòng)力。從圖3.2.1可以看到車身的整體結(jié)構(gòu)。
圖3.1.1爬壁機(jī)器人的車身結(jié)構(gòu)
4 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型分析
4.1爬壁機(jī)器人靜力學(xué)分析
要實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人在壁面安全吸附而不發(fā)生傾覆跌落現(xiàn)象，就要對(duì)爬壁機(jī)器人在壁面靜止時(shí)受到的各種作用力進(jìn)行分析，確定力學(xué)平衡條件，為抗傾覆設(shè)計(jì)提供參考。并確定吸附單元需要提供的合理吸附力范圍。同時(shí)為了爬壁機(jī)器人機(jī)器人能夠靈活運(yùn)行就必須對(duì)其運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析，確定爬壁機(jī)器人的控制量和調(diào)節(jié)量，從而使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定和轉(zhuǎn)向靈活。下面就是對(duì)各種情況進(jìn)行的分析。
圖4.1.1是爬壁機(jī)器人在壁面上靜止時(shí)的受力示意圖，從圖中我們可以清楚的看到爬壁機(jī)器人主要受力重力、吸附力、支持力和摩擦力。為了保證爬壁機(jī)器人的安全不脫落，必須保證靜止時(shí)小車受力平衡。
f2
N1
F1
F2
N2
G2
G1
Y
X
O
f1
圖4.1.1爬壁機(jī)器人受力圖
假設(shè)爬壁機(jī)器人4個(gè)車輪的受力情況相同，則爬壁機(jī)器人靜止在壁面上時(shí)，軸和的力學(xué)平衡方程為：
(4.1)
(4.2)
式中：——第個(gè)輪子所受的彈力，N；
——第個(gè)輪子所受的吸附力，N；
——第個(gè)輪子所受的重力，N；
——第個(gè)輪子所受的摩擦力，N。
因?yàn)?個(gè)輪子的受力情況相同，且每個(gè)車輪在軸方向受力，在軸方向受力，所以：
(4.3)
其中：。
爬壁機(jī)器人靜止在壁面上時(shí)，因制動(dòng)器的制動(dòng)作用，車輪不會(huì)出現(xiàn)沿壁面做純滾動(dòng)下滑的情形。此時(shí)，僅需考慮爬壁機(jī)器人與壁面之間存在的相對(duì)滑動(dòng)而引起爬壁車滑落和傾覆的問(wèn)題。另外在摩擦系數(shù)不變的情況下，要盡量加大吸附力來(lái)抵消其重力，使其不會(huì)因重力加速度的累加而在下行運(yùn)動(dòng)時(shí)使車體運(yùn)動(dòng)過(guò)快。4.2爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
爬壁機(jī)器人的兩輪驅(qū)動(dòng)模式，是利用內(nèi)外側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速不同來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化?，F(xiàn)假設(shè)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)在一個(gè)平面上，而輪子相對(duì)于壁面只有滾動(dòng)，不存在滑動(dòng)的現(xiàn)象。這就可以建立如圖4.2所示的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖。
圖4.2.1爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖
圖4.2.1可以看出，爬壁機(jī)器人滿足下面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
， (4.4)
， (4.5)
式中：——左側(cè)輪子的線速度，m/s；
——右側(cè)輪子的線速度，m/s；
——輪子半徑，m；
——內(nèi)外側(cè)輪子的間距，m；
——左側(cè)輪子的角速度，rad/s；
——右側(cè)輪子的角速度，rad/s；
——爬壁機(jī)器人質(zhì)心的線速度，m/s；
——爬壁機(jī)器人質(zhì)心的角速度，rad/s。
由式(4.5)可知，當(dāng)時(shí)，爬壁機(jī)器人的角速度=0，所以爬壁機(jī)器人為直線運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)時(shí)時(shí)，爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變。爬壁機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎有兩種方式：
(1)當(dāng)或時(shí)，兩側(cè)車輪運(yùn)動(dòng)速度方向相同，但速度不同，需要利用內(nèi)外側(cè)車輪速度差產(chǎn)生路程差以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，此時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎需要很大的轉(zhuǎn)彎半徑。
(2)當(dāng)與 速度方向相反時(shí)，兩側(cè)車輪的速度差較大，所以單位時(shí)間內(nèi)路程差較大，這時(shí)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎需要的轉(zhuǎn)彎半徑很小，甚至可以實(shí)現(xiàn)零位移半徑轉(zhuǎn)彎。因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，只要計(jì)算出和即可。
若將式(4.4)代入式（4.5），可得：
(4.6)
(4.7)
則爬壁機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程：
，， (4.8)
將式(4.6)(4.7)帶入(4.8)得：
(4.9)
首先對(duì)式(4.9)進(jìn)行解耦處理以簡(jiǎn)化該式。因?yàn)檗D(zhuǎn)角與角速度有關(guān)，軸，軸的位移量只與有關(guān)，故可以用爬壁機(jī)器人質(zhì)心的線速度和角速度作為運(yùn)動(dòng)控制變量。
等式如下：
(4.10)
再用質(zhì)心的角速度和線速度求解出和，即：
(4.11)
(4.12)
由(4.11)和(4.12)可知，只要給出爬壁機(jī)器人的線速度和角速度，就可以求出左右輪的角速度。因此利用PID控制器和PWM調(diào)速模塊，對(duì)光電編碼器的反饋信號(hào)進(jìn)行處理后，就可以對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)節(jié)。
5 總結(jié)
本論文對(duì)大型油罐外壁的檢測(cè)爬壁機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該機(jī)器人能在罐表面靈活爬行，并攜帶超聲探頭對(duì)油罐進(jìn)行超聲探傷。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。主要做了如下工作：
(1)介紹了本課題的研究背景、目的和意義，并對(duì)現(xiàn)在爬壁機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了論述，還介紹了幾種典型的爬壁機(jī)器人。
(2)設(shè)計(jì)了油罐壁面進(jìn)行檢測(cè)的爬壁機(jī)器人。闡述了其移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)方案。移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用履帶方式，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人在壁面上的靈活轉(zhuǎn)向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)整等；吸附結(jié)構(gòu)是利用釹鐵硼永磁體構(gòu)成非接觸吸附方式，在對(duì)永磁吸附力計(jì)算后采用了N、S磁鐵附著軛鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)滿足爬壁機(jī)器人安全平穩(wěn)的吸附要求。通過(guò)這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)，解決了履帶式和永磁吸附單元安放在車輪上的這兩種傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人容易對(duì)罐壁造成損害以及轉(zhuǎn)向困難的問(wèn)題。
（3）深入分析了爬壁機(jī)器人靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)爬壁機(jī)器人的姿態(tài)控制和路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)都有很大幫助。
(4)詳盡設(shè)計(jì)了履帶驅(qū)動(dòng)、非接觸式的永磁吸附爬壁機(jī)器人的本體機(jī)械結(jié)構(gòu)，給出了車身、連軸、抗傾覆機(jī)構(gòu)等重要部件的結(jié)構(gòu)圖以及三維立體設(shè)計(jì)圖。本體機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠更好的適應(yīng)壁面的凸凹變化，安全跨越5mm的焊縫。
參 考 文 獻(xiàn)
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致 謝
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