風(fēng)電塔筒爬壁機器人電機基座優(yōu)化設(shè)計

張學(xué)森

（中廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

目前，風(fēng)力發(fā)電已在世界各地廣為應(yīng)用。作為風(fēng)能收集的載體—風(fēng)電塔筒而言，由于制造、裝配等過程存在的問題，以及長時間使用后塔筒疲勞，容易出現(xiàn)塔筒裂紋、表面銹蝕等狀況，不及時實施對應(yīng)的檢修措施將會引發(fā)塔筒坍毀的嚴重事故。目前常見的人工檢修法存在諸多弊端：1） 檢修人員需要攜帶大量工具從高度極高的塔筒內(nèi)攀爬到頂部；2） 檢修人員懸吊在塔筒外壁工作時，由于高空風(fēng)力較大，極易出現(xiàn)晃動，威脅檢修人員的安全。

1 動力學(xué)建模

該爬壁機器人模型主要分為以下幾個部分:履帶模塊、連接機構(gòu)、驅(qū)動模塊和車體。由于爬壁機器人零部件數(shù)量繁多，連接關(guān)系復(fù)雜，所以只將單側(cè)履帶模塊加上電機基座作為模型來進行后續(xù)動力學(xué)仿真，其中力的傳遞是從電機經(jīng)電機基座傳遞到鏈輪軸上。根據(jù)模型簡化的原則，提出了基于ADAMS 的爬壁機器人建模方法，步驟如下。1） 在ADAMS中對模型部件重新建模，僅保留前后各一個鏈輪，名稱分別為PART_C1 和PART_C2，其余部件均需要重新生成。2） 將電機基座與鏈輪板簡化成連桿一，另一個鏈輪板簡化成連桿二，建立兩個連桿連接鏈輪，名稱分別為PART_C1L 和PART_C2L；壁面名稱為PART_DM；長方體表示履帶板框架，名稱為PART_CHETI。3） 對鏈條部分進行簡化，將滾筒和套筒合并成一個部分，只保留鏈板與滾子。4） 永磁吸附模塊部分簡化成一塊永磁鐵。5） 將1 個永磁鐵和1 個鏈節(jié)作為一個整體，命名為PART_LD_X，X 取值范圍為1～70，整個鏈傳動模塊中，包括有70 個永磁鐵和70 個鏈節(jié)。6）最后加上地面和履帶框架簡化成的長方體，基于ADAMS 建模生成履帶行走模塊。

2 爬壁機器人的吸附方式

2.1 磁吸附方式

磁吸附的方式多應(yīng)用在攀爬的壁面是導(dǎo)磁體的場景，如造船行業(yè)的焊接爬壁機器人、除銹爬壁機器人和管道檢測機器人。利用帶有永磁體的履帶作為機器人的吸附力來源，研制了一種用于船舶壁面除銹的爬壁機器人，該機器人具有吸附力大，負載能力強的優(yōu)點。磁吸附有電磁體吸附和永磁體吸附兩種。電磁體爬壁機器人的磁力是電磁鐵通電后產(chǎn)生電磁吸力，它的特點是可以通過調(diào)整通電電壓來調(diào)整電磁力的大小，但是由于需要通過電磁線圈勵磁產(chǎn)生吸力，因此需要提供額外的電源供電，且防水性能要求較高。因此該方法具有一定的局限性。

2.2 負壓吸附方式

負壓吸附是利用機器人和被吸附的壁面之間形成負壓，產(chǎn)生吸附力而實現(xiàn)吸附。該方式現(xiàn)有的技術(shù)相當(dāng)成熟，且能承受比較大的負載。但其對吸附面的粗糙度要求較高且設(shè)備笨重、噪聲大。日本的西亮于1966 年利用負壓吸附技術(shù)研制出第一個能吸附在垂直壁面上的爬壁機器人樣機，1975 年他采用單吸盤結(jié)構(gòu)研制了第二代爬壁機器人樣機。此后很多爬壁機器人的吸附方式均利用了真空吸附原理。研制了一種利用負壓吸附的單吸盤爬壁機器人，并研制了原理樣機。

2.3 干性材料靜電吸附方式

干性黏附材料是模擬壁虎腳掌，通過微機電系統(tǒng)(MEMS） 加工技術(shù)設(shè)計并制作的高分子材料吸附陣列，該吸附方式最大的優(yōu)點就是對吸附面的形狀和材質(zhì)沒有特殊要求，適應(yīng)性較強。2010 年斯坦福大學(xué)的MarkCutkoky 利用干性黏附材料研制了一種名為StickyBotⅢ的仿壁虎機器人，其腳掌是一種干性黏附材料，它是一種微納尺度的仿生剛毛，腳趾能外翻和內(nèi)收。每條腿使用4 臺舵機驅(qū)動，腿部是五桿機構(gòu)，該機器人的吸附原理、運動形式均和壁虎相近，該機器人長760cm。

3 爬壁機器人的未來發(fā)展趨勢和結(jié)論

1） 爬壁機器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。雖然當(dāng)前有很多學(xué)者和單位對爬壁機器人開展了深入的研究，也取得了相當(dāng)豐富的成果，其應(yīng)用的主要目標是清洗、噴涂、檢測、除銹等作業(yè)，但是由于存在跨越障礙未能從根本上克服，吸附技術(shù)仍然有待發(fā)展等，因此目前爬壁機器人離大規(guī)模的應(yīng)用仍然存在一定的差距。隨著這些問題的克服，將來爬壁機器人的工程應(yīng)用將更加深入和廣泛。2） 吸附技術(shù)發(fā)展，將提高爬壁機器人的攀爬能力。吸附技術(shù)是爬壁機器人所必須克服的一個關(guān)鍵技術(shù)問題，它決定了爬壁機器人的運行可靠性和穩(wěn)定性問題。而當(dāng)前很多吸附技術(shù)仍然存在一定的不足，在工程應(yīng)用過程中存在不能滿足需求的問題，這一問題多年來得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，也取得了不少科研成果，因此隨著新材料、仿生技術(shù)的發(fā)展，爬壁機器人的吸附技術(shù)也將得到發(fā)展，從而提高爬壁機器人的吸附能力。3） 運行空間和適應(yīng)范圍將更為擴大，從而推動無纜爬壁機器人的應(yīng)用。隨著電池能量密度的不斷增加，從而使得機器人本體的重量越來越輕。同時機器人傳感技術(shù)飛速發(fā)展，推動了機器人人工智能控制方式的發(fā)展，使得機器人不再局限在有限的空間，從而擁有一定自主決策能力、不再有電纜的爬壁機器人將是其發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)語

在滿足機械性能的前提下，為獲得質(zhì)量較小的電機基座，提出了一種優(yōu)化設(shè)計方法。該方法首先是基于ADAMS動力學(xué)仿真得到極限載荷并將其用于后續(xù)的有限元分析，然后是將拓撲優(yōu)化、參數(shù)敏感性分析和響應(yīng)面法相結(jié)合進行電機基座的優(yōu)化設(shè)計。通過拓撲優(yōu)化分析，確定優(yōu)化方向;通過參數(shù)敏感性分析，得到影響輸出參數(shù)的主要輸入?yún)?shù);通過建立基于標準二階響應(yīng)面法的響應(yīng)面模型，結(jié)合多目標遺傳優(yōu)化算法對模型進行了尺寸優(yōu)化，得到符合優(yōu)化目標的設(shè)計尺寸。