一種新型爬壁機(jī)器人的研究

張捷，袁祖強(qiáng)，吳航

(1.南通理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南通226002;2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇南京211816)

0 前言

爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，能夠在垂直壁面、球面等場合攀爬行走，并搭載相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等多種功能。近年來在石化工業(yè)對圓柱形或球形壓力容器的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查、噴漆防腐等方面應(yīng)用逐漸增多。

國外爬壁機(jī)器人發(fā)展較早，早在20世紀(jì)60年代，日本就研究出了世界上首臺爬壁機(jī)器人樣機(jī)［1］。隨后德國、以色列等國家也相繼開始爬壁機(jī)器人的研究工作，至今已研制出各種形式的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，包括飛行機(jī)器人、多足機(jī)器人、多吸盤機(jī)器人和“腿輪”機(jī)器人等。直到1988年，在國家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下，國內(nèi)自行設(shè)計(jì)并研制的第一臺壁面爬行式遙控檢查機(jī)器人(BH-1)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所誕生，它是為我國的核電站而研制的，隨后又研制成功了磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5 種型號壁面爬行機(jī)器人。90年代之后上海大學(xué)、北航和上海交大也相繼開始研究，并取得相應(yīng)成果。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，爬壁機(jī)器人主要具有壁面吸附和壁面移動兩大功能，根據(jù)這兩大功能可對爬壁機(jī)器人進(jìn)行分類，按照吸附方式爬壁機(jī)器人可分為:

(1)真空吸附爬壁機(jī)器人［2］。此類機(jī)器人一般帶有一個(gè)或幾個(gè)負(fù)壓吸盤，在吸盤內(nèi)部產(chǎn)生一定的真空度從而能夠吸附于壁面上，其結(jié)構(gòu)簡單，允許吸盤氣體少量泄露，但無斷電延續(xù)性，斷電后易失去吸力，且避免適應(yīng)性差，只能用于表面相對光滑的壁面，多用于玻璃墻面。

(2)磁吸附爬壁機(jī)器人［3－4］。又可細(xì)分為永磁吸附和電磁吸附，此類機(jī)器人靠永磁體或電磁體吸附在導(dǎo)磁材料表面，優(yōu)點(diǎn)是吸附力大，但僅適用于鐵磁性材料壁面。

(3)推力吸附爬壁機(jī)器人。此類機(jī)器人靠螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力貼附在壁面上，它移動速度快，對壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性高，但其控制復(fù)雜，體積大，噪聲大。

(4)仿生機(jī)構(gòu)吸附爬壁機(jī)器人［5－6］，此類機(jī)器人模仿昆蟲的腳掌利用尖爪、軟墊和剛毛等方式提供吸附力，特點(diǎn)是外形小巧，結(jié)構(gòu)簡單，對壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性高，負(fù)載小，但其研究尚不成熟。

按照移動方式爬壁機(jī)器人可分為:

(1)車輪式爬壁機(jī)器人［7］。車輪式移動速度快、控制靈活，尤其轉(zhuǎn)向比較容易實(shí)現(xiàn)，但車輪與壁面接觸面積小，因而維持一定的吸附力較困難。

(2)履帶式爬壁機(jī)器人［8］。履帶式對壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，接觸面積大，吸附力強(qiáng)，運(yùn)動速度較快，但不易轉(zhuǎn)向和壁面過渡。

(3)腳足式爬壁機(jī)器人。多足步行式吸附力較強(qiáng)，易于跨越障礙，可靈活實(shí)現(xiàn)壁面過渡和轉(zhuǎn)向等功能，但移動速度慢，各足的運(yùn)動協(xié)調(diào)性要求較高，控制難度高。

(4)復(fù)合式爬壁機(jī)器人［9］。兼有以上幾種形式爬壁機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。

大型壓力容器壁面多為圓柱面和球面，需要考慮吸附表面的弧度。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人很容易出現(xiàn)接觸不良和懸空狀況，文中提出一種新型爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)，適用于石化行業(yè)的圓柱形或球形壓力容器壁面爬行。

1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 吸附方式選擇

設(shè)計(jì)所針對的材質(zhì)基本上是鐵磁性材料，所以吸附方式可以選擇電磁吸附或永磁吸附。電磁吸附和永磁吸附在鐵磁性材料壁面上都可以提供較大的吸附力，但是電磁吸附設(shè)備尺寸大，并需要攜帶電線提供較大的電力，為了使爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)盡量緊湊，運(yùn)動靈活，該設(shè)計(jì)采用稀土永磁吸附。

稀土永磁材料是稀土金屬和過渡族金屬的合金制成的永磁材料，第三代永磁材料釹鐵硼(NdFeB)磁體磁能積高，被稱作當(dāng)代“永磁之王”。釹鐵硼系列中的Nd15Fe77B8具有較高的內(nèi)稟矯頑力和較好的抗老化退磁性能，可以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作，非常適合爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境，其性能見表1。

表1 釹鐵硼磁體Nd15Fe77B8 的性能參數(shù)

1.2 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型壓力容器壁面多為圓柱面和球面，需要考慮吸附表面的弧度。目前現(xiàn)有的輪式爬壁機(jī)器人都是四輪結(jié)構(gòu)，比如張立國等［10］設(shè)計(jì)的一款立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人，如圖1所示，四方形支承板和4個(gè)輪子組成的車身。此類型爬壁機(jī)器人在弧面上爬行時(shí)很容易造成三輪接觸、一輪懸空的狀態(tài)，從而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。履帶式爬壁機(jī)器人一般都是兩條履帶結(jié)構(gòu)，比如唐浩設(shè)計(jì)的船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人［11］，如圖2所示，是以兩條長履帶作為移動機(jī)構(gòu)，同樣會造成接觸不穩(wěn)定狀況。

圖1 輪式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 履帶式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

針對以上情況，設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對圓柱面或球面，如圖3所示，采用三角式車身，2 個(gè)三角履帶前輪和一個(gè)萬向后輪移動機(jī)構(gòu)，由三點(diǎn)確定一個(gè)平面定理可知，此爬壁機(jī)器人能穩(wěn)定地貼附在圓弧表面。磁鐵做成小塊鑲嵌在履帶上，同時(shí)后輪采用釹鐵硼材料做成磁輪，磁體直接與壁面接觸，與磁隙式結(jié)構(gòu)相比吸附更加可靠。此外，三角履帶輪結(jié)構(gòu)首次被應(yīng)用在爬壁機(jī)器人上，它兼有履帶式爬壁機(jī)器人和輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，并消除了他們的缺點(diǎn)，解決了接觸可靠和轉(zhuǎn)向靈活之間的矛盾?？筛爬槿锹膸л喪脚辣跈C(jī)器人具有壁面適應(yīng)性強(qiáng)、接觸面積大、吸附力強(qiáng)和移動速度快、控制靈活、轉(zhuǎn)向比較容易等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 三角履帶輪式爬壁機(jī)器人

1.3 機(jī)器人Pro/E 三維建模

利用Pro/Engineer 中的【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】、【掃描】、【鏡像】等操作完成各零件的建模，再通過組裝得到爬壁機(jī)器人的實(shí)體造型。如圖4所示，從放大圖可以看出，三角履帶輪與車身的連接采用了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副，從而三角履帶輪有兩個(gè)擺動自由度，有利于爬壁機(jī)器人適應(yīng)不同弧度的壁面。

圖4 爬壁機(jī)器人三維模型

2 機(jī)器人吸附時(shí)靜力分析

由于爬壁機(jī)器人是在高空進(jìn)行工作，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮安全性能。爬壁機(jī)器人在工作時(shí)可能有兩種危險(xiǎn)情況:一是機(jī)器人從壁面滑落;二是機(jī)器人在壁面上傾覆。對機(jī)器人吸附在壁面上時(shí)的靜力分析是為了計(jì)算可靠性吸附的條件。圖5 是爬壁機(jī)器人靜止吸附在壁面上的受力分析圖。

2.1 滑落情況計(jì)算

爬壁機(jī)器人靜止在壁面上時(shí)，兩個(gè)三角履帶輪被制動，萬向輪仍是不受約束，所以摩擦力是由兩前輪提供。兩前輪永磁體吸附力分別為P1，P2，后輪吸附力為P3。

x 方向:N1=P1，N2=P2，N3=P3

y 方向:G0+G1+G2－F1－F2=0

F1≤f靜N1，F(xiàn)2≤f靜N2

可見是否滑落，與吸附力和摩擦因數(shù)有直接關(guān)系。當(dāng)然，在增大吸附力和摩擦因數(shù)的同時(shí)也得考慮采用合適材料減輕車體質(zhì)量。

式中:N1、N2、N3分別為壁面對3 個(gè)輪子的彈力;

G0為車身后輪和負(fù)載總重，G1、G2為兩前輪質(zhì)量;

F1、F2、F3為車輪與壁面間的摩擦力;

f靜為車輪與壁面的靜摩擦因數(shù)。

2.2 傾覆情況計(jì)算

由于爬壁機(jī)器人后輪萬向輪始終不受約束，所以在機(jī)器人往上運(yùn)動時(shí)不會傾覆。最容易傾覆應(yīng)該是發(fā)生在機(jī)器人往下運(yùn)動時(shí)，車身會繞三角履帶輪與車身連接處傾覆，不發(fā)生傾覆的條件是對連接點(diǎn)的吸附力矩大于重力力矩。

即:N3(L1+L2)≥G(d2－d1)

可見加長車身長度和減小車身和負(fù)載重心到壁面距離有利于防止機(jī)器人傾覆，也就是要使得機(jī)器人在運(yùn)行中盡量貼緊壁面。

式中:d1、d2分別為連接鉸鏈和車身與負(fù)載的重心到壁面的水平距離;

L1、L2分別為車身與負(fù)載的重心到連接鉸鏈和后輪中心的豎直距離。

3 動力學(xué)仿真研究

3.1 仿真模型建立

將Pro/E 建好的爬壁機(jī)器人三維實(shí)體模型通過Parasolid 的數(shù)據(jù)格導(dǎo)入到Adams/View 環(huán)境下，如圖6所示。設(shè)置Adams/View 中單位、工作網(wǎng)格和重力等工作環(huán)境，重新編輯各組件的名稱、顏色、材料屬性等信息，并根據(jù)實(shí)際情況定義各組件間的約束，包括固定副和旋轉(zhuǎn)副等。此外，建立一個(gè)傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人模型，以便用來做仿真對比。

圖6 爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

3.2 圓柱面運(yùn)動仿真

將傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人和文中所述的新型爬壁機(jī)器人同時(shí)置于半徑為2 m 的圓柱面上，設(shè)置好運(yùn)動約束和接觸，以6 m/min 的速度斜向上運(yùn)動，仿真時(shí)間為1 s。為了得出兩種機(jī)器人與壁面貼合情況，測量出運(yùn)動過程中各輪與壁面間的距離大小。圖7 為四輪式爬壁機(jī)器人的4 個(gè)車輪與壁面的距離測量曲線，可見，有兩個(gè)車輪(輪1 和輪3)與壁面接觸良好，另外兩輪(輪2 和輪4)則呈相反狀態(tài)，即輪2 接觸時(shí)輪4 懸空、輪4 接觸時(shí)輪2 懸空。這與事實(shí)相符，在曲面上運(yùn)動時(shí)，四輪式爬壁機(jī)器人必然有一個(gè)輪子懸空。圖8 為文中爬壁機(jī)器人的3 個(gè)車輪與壁面的距離測量曲線，3 個(gè)輪子與壁面接觸良好，不存在車輪懸空現(xiàn)象，且比圖7 中曲線平緩許多，說明文中爬壁機(jī)器人爬行穩(wěn)定，與壁面貼合可靠。

圖7 四輪式爬壁機(jī)器人的4 個(gè)車輪與壁面的距離測量曲線

圖8 三角履帶式爬壁機(jī)器人的3 個(gè)車輪與壁面的距離測量曲線

3.3 爬越焊縫仿真

壓力容器設(shè)備的焊縫對爬壁機(jī)器人來說是常見的障礙，能否安全穩(wěn)定地越過焊縫尤為重要。在平面上建立余高為5 mm 的焊縫，傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人和文中新型爬壁機(jī)器人以6 m/min 的速度越過焊縫。

圖9、10 分別是兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身沿垂直于壁面方向的加速度變化對比曲線和車身與車輪連接鉸鏈處沖擊力對比曲線，從圖中可以看出，傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人的圓柱車輪在越過焊縫時(shí)的車身最大加速度580 mm/s2，是文中所述新型爬壁機(jī)器人的2 ～3 倍;另外在前輪越過焊縫后，新型爬壁機(jī)器人車身可以很快恢復(fù)平穩(wěn)，而傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人車身卻不停振動?？梢娢闹兴鰴C(jī)器人越障時(shí)沖擊小，且抗振性能優(yōu)越。

圖9 兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身的加速度變化對比曲線

圖10 兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身與車輪連接鉸鏈處沖擊力對比曲線

4 結(jié)論

鑒于化工設(shè)備圓柱壁面和球面的無損檢測，提出了一種新型爬壁機(jī)器人。對機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜力分析和圓柱面爬行與跨越焊縫仿真，并與傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人進(jìn)行對比。仿真結(jié)果表明:機(jī)器人能夠在圓柱壁面和球面平穩(wěn)地完成預(yù)期動作，并具有壁面適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)動靈活、具備一定越障能力及無需外接電線等特點(diǎn)。

［1］NISHI A.A Biped Walking Robot Capable of Moving on a Vertical Wall［J］.Mechatronics，1992(6):543－554.

［2］HILLENBRAND C，SCHMIDT D，BERNS K.CROMSCI:Development of a Climbing Robot With Negative Pressure Adhesion for Inspections［J］.Industrial Robot:An International Journal，2008，35(3):228－237.

［3］張俊強(qiáng)，張華，萬偉民.履帶式爬壁機(jī)器人磁吸附單元的磁場及運(yùn)動分析［J］.機(jī)器人，2006，28(2):219－223.

［4］桂仲成，陳強(qiáng)，孫振國.多體柔性永磁吸附爬壁機(jī)器人［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(6):177－182.

［5］王田苗，孟偲，裴葆青.仿壁虎機(jī)器人研究綜述［J］.機(jī)器人.2007，29(3):290－297.

［6］管興偉，張昊，吉愛紅，等.爬壁機(jī)器人尖爪型仿生腳掌設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2009，26(2):1－2，8.

［7］CAMPION G，BASTIN G.D'Andrea-Novel B.Structural Properties and Classification of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots［J］.Robotics and Automation，1996，12(1):47－62.

［8］WONG J Y，CHIANG C F.A General Theory for Skid Steering of Tracked Vehicles Confirm Ground［J］.Journal of Automobile Engineering，2001，215(3):343－354.

［9］劉愛華，王洪光，房立金，等.一種輪足復(fù)合式爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)建模與分析［J］.機(jī)器人，2008，30(6):486－490.

［10］張立國，肖軍，佟仕忠，等.立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人本體設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)儀表與自動化，2010(2):37－41.

［11］唐浩.船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2008.