永磁爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通遼發(fā)電總廠有限責(zé)任公司 李福龍 魏春雷 張志強(qiáng) 姜海波 高智博

在電子技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展的背景下，對于鍋爐內(nèi)部除銹除垢、放射性、高溫等的工作場景，僅靠人類自身無法完成相應(yīng)的工作，因此對特種機(jī)器人的需求越來越強(qiáng)烈。

我國自1987年實(shí)施“863”計(jì)劃以來，明確將智能機(jī)器人確立為自動化領(lǐng)域。爬壁機(jī)器人屬于特種機(jī)器人領(lǐng)域的范疇，爬壁機(jī)器人具有在垂直壁面上的移動能力，可以在地面移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和完善，使其具有在不同壁面上的爬壁能力，同時爬壁機(jī)器人可以在自身結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)相關(guān)工具進(jìn)而完成一些特定的作業(yè)任務(wù)，具有在垂直壁面上的作業(yè)能力。

爬壁機(jī)器人按照不同的運(yùn)動方式，可以分為履帶式以及滾輪式等，按照不同的吸附方式可以分為真空吸附式以及磁力吸附[1-4]等。同時，華北電力大學(xué)研發(fā)出利用真空吸附的爬壁機(jī)器人[5]，其主要是通過制造真空環(huán)境將機(jī)器人緊緊吸附在光滑的壁面上，但這種方式只適合光滑表面，對粗糙壁面并不適用。

本文意在研究應(yīng)用在火力發(fā)電鍋爐水冷壁表面的爬壁機(jī)器人，利用永磁體的吸附力使自身能夠吸附在火力發(fā)電鍋爐水冷壁鐵磁壁面上進(jìn)行自由運(yùn)動，后期可攜帶清洗、除銹等工具完成相應(yīng)任務(wù)，如火力發(fā)電的鍋爐水冷壁除銹、火力發(fā)電鍋爐表面自動化清洗等工作。同時，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有一定的越障能力。

1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人作為可以在垂直壁面運(yùn)動的一種特殊機(jī)器人，與現(xiàn)有的地面移動機(jī)器人有諸多相似之處，但是因?yàn)榕辣跈C(jī)器人在垂直壁面上運(yùn)動或作業(yè)的特殊性，因此在運(yùn)動原理以及自身結(jié)構(gòu)上有較多不同之處，爬壁機(jī)器人就不同的工作環(huán)境需要選擇不同的運(yùn)動方式以及吸附方式。

1.1 吸附方式選擇

需要選擇合適的吸附方式以及爬壁機(jī)器人的行走方式，同時設(shè)計(jì)制作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件。

表1 三種吸附方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

表2 各種移動方式的比較

通過分析和比較，為了使爬壁機(jī)器人在運(yùn)動過程中始終保持良好的吸附力，在爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，采用爬壁機(jī)器人底盤布置永磁體加永磁吸附滾輪的方式，原因如下：

一是真空吸附式需要在車體上攜帶真空吸附裝置，這就使得車體本身的體積過大，設(shè)備也比較昂貴，選用底盤布置永磁體加永磁吸附滾輪的方式相對試驗(yàn)來講經(jīng)濟(jì)性較高。

二是采用永磁吸附滾輪式加底盤布置永磁體方式，與鐵磁壁面的直接接觸面積大，可維持較大的吸附力，越過障礙的能力強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可攜帶一些作業(yè)工具進(jìn)而完成相關(guān)的工作任務(wù)。通過合理設(shè)計(jì)小車底部結(jié)構(gòu)，在爬壁機(jī)器人的底部預(yù)留出放置永磁的空間，同時降低底盤高度，使磁體更加貼近壁面，同時可根據(jù)攜帶作業(yè)工具的質(zhì)量大小來靈活增減永磁體的數(shù)目。

三是采用的滾輪式可通過兩側(cè)滾輪之間的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，爬壁機(jī)器人不用設(shè)置專門的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，相比于單驅(qū)動爬壁機(jī)器人成本更低。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人采用SolidWorks軟件，對爬壁機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后通過3D打印，如圖1所示，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，保障爬壁機(jī)器人的底盤盡可能地貼近鐵磁表面，以此獲得更好的磁吸力，同時永磁吸附滾輪上嵌入的永磁體也可以提供一定的吸附力。爬壁機(jī)器人可在垂直壁面上行走，并能完成水平面到垂直面的過渡爬行。爬壁機(jī)器人采用永磁吸附滾輪的方式，雙滾輪上的兩臺電機(jī)以同速度轉(zhuǎn)動時可帶動爬壁機(jī)器人的前進(jìn)及后退，當(dāng)左側(cè)滾輪處的電機(jī)帶動滾輪轉(zhuǎn)動，右側(cè)滾輪處的電機(jī)停止時爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，當(dāng)右側(cè)滾輪處的電機(jī)轉(zhuǎn)動，左側(cè)滾輪處的電機(jī)停止時爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。

圖1 爬壁機(jī)器人底盤實(shí)物圖

2 爬壁機(jī)器人的磁吸附設(shè)計(jì)

2.1 永磁性材料的選擇

當(dāng)爬壁機(jī)器人在垂直于壁面運(yùn)動時，底盤上的永磁鐵的磁吸力應(yīng)大于爬壁機(jī)器人的總重力，保障爬壁機(jī)器人有足夠的磁吸力，使其吸附在鐵磁表面上。釹鐵硼三元系永磁材料是市面上性價比較高的永磁體，其機(jī)械加工性能優(yōu)良，工作溫度最高可達(dá)200℃。本文選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35，其性能參數(shù)見表3。N35型釹鐵硼永磁材料的磁性較強(qiáng)，在設(shè)計(jì)過程選用的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。在保障爬壁機(jī)器人緊緊吸附在鐵磁壁面上的同時又減小了爬壁機(jī)器人自身的體積。

表3 N35性能參數(shù)

2.2 永磁鐵吸附裝置的原理和結(jié)構(gòu)

在實(shí)際測試中，發(fā)現(xiàn)永磁體之間兩個一對然后并在一排的布局磁吸力最大，因此利用SolidWorks進(jìn)行建模時，在機(jī)器人底盤部位布置8個孔槽，如圖2所示，每個孔槽比永磁體略大，將8塊永磁鐵分別裝入設(shè)計(jì)好的8個槽中，永磁鐵與鐵磁性墻壁存在一定的間隙。永磁體與鐵磁壁面之間形成閉合的磁場，為爬壁機(jī)器人提供足夠的吸附力，使爬壁機(jī)器人能夠在垂直水冷壁鐵磁壁面上運(yùn)動。

圖2 機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)

3 磁吸附力的有限元分析

設(shè)計(jì)永磁爬壁機(jī)器人時，需要對由永磁體的磁場進(jìn)行計(jì)算分析。本文采用有限元方法，仿真計(jì)算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機(jī)器人的運(yùn)動速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場。

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)麥克斯韋方程組可知在恒定磁場當(dāng)中，磁場強(qiáng)度H和磁感強(qiáng)度B分別遵守安培全電流定律和磁場高斯定律。

式中：J為電流密度；L為介質(zhì)磁導(dǎo)率；對于各向同性的磁介質(zhì)，μ或者為常數(shù)，或者是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的散度恒等于零，為了便于計(jì)算，在旋度磁場中可以定義一個向量磁位A，使：

并且規(guī)定：

由公式（3）和（7）可得泊松方程：

在直角坐標(biāo)系，經(jīng)過運(yùn)算可知，2A恰好等于標(biāo)量拉普拉斯算符▽2分別作用于Ax，Ay，Az所組成的向量，即：

此時整個向量方程式可以分解成三個標(biāo)量方程式，即：

在二維磁場中，J=JZk，Jx=Jy=0，A=Azk，Ax=Ay=0。故只要求解Az的二維泊松方程即可，即：

結(jié)合麥克斯韋邊界條件，將本模型化簡為：

式中：Az—簡寫為A；

Ω—整個求解區(qū)域；

Γ1—與磁力線重合的邊界；

Γ2—對稱的邊界，所有的磁力線都垂直地通過它；

(4)飲水。農(nóng)村居民的飲水困難基本解決。2015年全國農(nóng)村93%的人口已用上了受保護(hù)水源供應(yīng)的改良飲用水。2017年全國貧困地區(qū)89.2%的農(nóng)戶飲水困難[注]飲水困難標(biāo)準(zhǔn)是指居民點(diǎn)到取水點(diǎn)的水平距離大于1公里或垂直高差超過100米，正常年份連續(xù)缺水70～100天。已經(jīng)解決，70%的農(nóng)戶使用管道供水。

L′—不同介質(zhì)間的交界線；

L—有永磁束縛電流存在的界限。

3.2 吸附力求解

根據(jù)Maxwell張力方法，當(dāng)閉合面S處于均勻且各向同性的介質(zhì)中時，作用在磁體上的合力F可用應(yīng)力張量T的面積分來計(jì)算：

式中：S—包圍永磁體、處于空氣介質(zhì)中的閉合面；

n—面積dS的外法線方向的單位矢量；

B—閉合面S上的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μ0—空氣的磁導(dǎo)率。

3.3 基于Ansoft Maxwell的吸附力計(jì)算

在Ansoft Maxwell仿真軟件中對爬壁機(jī)器人所用的永磁體，以及鐵磁壁面和空氣進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，軟件中自帶這三種材料或介質(zhì)，所以在軟件的材料庫直接選擇即可，然后進(jìn)行設(shè)置邊界調(diào)節(jié)，對材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及關(guān)鍵的求解設(shè)置，最后仿真之后磁場分布見圖3所示，然后計(jì)算永磁爬壁機(jī)器人整體吸附力隨離開鐵磁壁面距離的變化，同時計(jì)算爬壁機(jī)器人永磁體吸附力隨鐵磁壁面厚度的變化關(guān)系，如圖4、圖5所示。

圖3 磁場分布圖

圖4 吸附力隨間隙變化

圖5 吸附力隨壁面厚度變化

經(jīng)過仿真計(jì)算后發(fā)現(xiàn)永磁爬壁機(jī)器人和鐵磁壁面之間的磁吸力為17.4N，而爬壁機(jī)器人的總質(zhì)量為1kg，選用的永磁吸附滾輪與鐵磁壁面之間的摩擦系數(shù)是為0.7，計(jì)算發(fā)現(xiàn)永磁吸附滾輪與鐵磁壁面之間的摩擦力大于爬壁機(jī)器人的總重力，爬壁機(jī)器人在垂直鍋爐水冷壁鐵磁壁面上運(yùn)動時，可以牢牢吸附在鐵磁表面上，同時在永磁吸附滾輪中永磁體也可以提供一定的吸附力，使得爬壁機(jī)器人可以正常工作。

當(dāng)永磁爬壁機(jī)器人與鐵磁壁面之間的提離間隙為0時，此時永磁爬壁機(jī)器人和鐵磁壁面之間的磁吸力最大，當(dāng)提離間隙增大時，永磁爬壁機(jī)器人與鐵磁壁面之間的吸附力減小，當(dāng)提離間隙增大至0.8mm時，永磁爬壁機(jī)器人有可能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。當(dāng)壁厚大于3mm時，永磁爬壁機(jī)器人與鐵磁壁面吸附力已經(jīng)趨近飽和，隨著壁厚的進(jìn)一步增大吸附力基本無變化，而在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)著重考慮永磁爬壁機(jī)器人與鐵磁壁面之間的提離間隙，這關(guān)系到永磁爬壁機(jī)器人是否有良好的越障能力。在后期電力行業(yè)機(jī)器人的開發(fā)中，可以采用吸附力更大的電磁機(jī)構(gòu)，使爬壁機(jī)器人具備攜帶作業(yè)工具的能力，同時具備更強(qiáng)的越障能力，從而完成火電鍋爐自動化清洗的作業(yè)任務(wù)。

4 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

永磁吸附機(jī)器人控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能控制的前提和基礎(chǔ)，爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路可分為三部分：單片機(jī)控制模塊、無線收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。三個部分協(xié)調(diào)配合，模塊化的設(shè)計(jì)便于檢測錯誤，同時也便于模塊拆裝。單片機(jī)控制模塊部分采用嵌入式單片機(jī)，爬壁機(jī)器人整個硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換模塊、無線收發(fā)模塊以及電機(jī)控制模塊。后期，在火電鍋爐內(nèi)部實(shí)際應(yīng)用時由于信號傳輸條件差可以采用有線連接到上位機(jī)的方式，以提高系統(tǒng)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4.1 無線收發(fā)模塊的選型與設(shè)計(jì)

無線收發(fā)模塊采用nRF905，如圖6所示，此模塊是挪威公司推出的一款單片射頻發(fā)射器芯片，采用32引腳5mm×5mmQFN進(jìn)行封裝。芯片由功率放大器、頻率合成器、接收解調(diào)器、調(diào)制器以及晶體振蕩器等多個部分組成，該芯片不需要外加濾波器也具備良好的通信效果，可以在相關(guān)的軟件中設(shè)置空閑模式以及關(guān)機(jī)模式。芯片可應(yīng)用于節(jié)能設(shè)計(jì)，適合工業(yè)數(shù)據(jù)的采集、安全系統(tǒng)以及無線報警，在諸多領(lǐng)域中都有應(yīng)用。

圖6 nRF905無線模塊實(shí)物

4.2 無線控制模塊

無線收發(fā)系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為微控制器，與設(shè)計(jì)好的nRF905無線收發(fā)模塊相互連接，使爬壁機(jī)器人的系統(tǒng)具備無線信號傳輸?shù)墓δ?。爬壁機(jī)器人的硬件系統(tǒng)由一對配置nRF905模塊的通信底板構(gòu)成，該系統(tǒng)中其中一端作為發(fā)送端，另一端作為接收端。在STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)中可以增加一些按鈕，以實(shí)現(xiàn)人工操作的數(shù)據(jù)和發(fā)送。整個系統(tǒng)采用9V直流電源供電，由于單片機(jī)和無線模塊所需工作電壓不同，因此需外加電源轉(zhuǎn)換模塊，將電源的9V電壓分別轉(zhuǎn)換成5V和3.3V為單片機(jī)和無線模塊供電。同時，水冷壁爬壁機(jī)器人也可以采用線纜控制的方法提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

4.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

控制器、功率變換器及電動機(jī)三部分組成了電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，爬壁機(jī)器人的電機(jī)要求具備較高的轉(zhuǎn)矩以及高可靠性。電機(jī)控制模塊主要包括電源管理部分、光耦隔離電路以及外部電路的設(shè)計(jì)。電機(jī)模塊采用9V直流電源供電，無需進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。因?yàn)閿?shù)字信號強(qiáng)度與射頻信號強(qiáng)度差別較大，必須對信號進(jìn)行恰當(dāng)?shù)母綦x和屏蔽，數(shù)字信號與射頻信號之間的相互干擾。因此，在電機(jī)模塊中光耦隔離電路的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。如果不加以設(shè)計(jì)，直流電機(jī)在啟動和換向時可能出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象，在電流過大也會對控制信號產(chǎn)生干擾。采用光耦隔離，將電機(jī)控制模塊和無線控制模塊相互分離開來，不存在直接的連接，這樣可以提高整個系統(tǒng)抗干擾能力。NEC2501是高壓單通道光耦，光耦的內(nèi)部由NPN型光電晶體管以及發(fā)光二極管組成。經(jīng)過測試，在光耦兩側(cè)電阻R1、R2分別選用4.7k和100k阻值的電阻，VCC端外接5V電源，可以保證無線信號穩(wěn)定。

4.4 爬壁試驗(yàn)

在完成了爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動方式以及爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)選擇后，通過在水平地面的運(yùn)動、水平地面到垂直鐵磁壁面的切換，以及在垂直鐵磁壁面的前進(jìn)轉(zhuǎn)向等動作，爬壁機(jī)器人均可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的爬壁運(yùn)動，且爬壁機(jī)器人具備一定的越障能力。同時，在火力發(fā)電鍋爐內(nèi)部也進(jìn)行了相應(yīng)的爬壁試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人在鍋爐內(nèi)部可以完成轉(zhuǎn)向及越障功能，后期可攜帶鍋爐內(nèi)部除銹以及除垢的清洗工具，實(shí)現(xiàn)對船舶鍋爐內(nèi)壁的自動化清洗工作，達(dá)到降低人工作業(yè)成本的目的，爬壁機(jī)器人的運(yùn)動如圖7所示。

圖7 永磁爬壁機(jī)器人

5 結(jié)論

通過參考國內(nèi)外同類爬壁機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了永磁吸附式爬壁機(jī)器人。爬壁機(jī)器人的上位機(jī)與控制模塊之間通信良好，同時選用的無線收發(fā)模塊加上遙控裝置即可實(shí)現(xiàn)對爬壁機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。永磁吸附式爬壁機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)水平地面的運(yùn)動、水平地面到垂直鐵磁壁面的切換，以及在垂直鐵磁壁面的前進(jìn)轉(zhuǎn)向等動作，爬壁機(jī)器人也有一定的越障能力。

同時，由嵌入式單片機(jī)和無線模塊組成的收發(fā)系統(tǒng)，還可以應(yīng)用到工業(yè)數(shù)據(jù)采集等其他領(lǐng)域，具有一定的市場推廣價值，考慮爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境為鍋爐水冷壁，采用無線通信的永磁爬壁小車在鍋爐水冷壁存在信號傳輸不良的問題，后期實(shí)際應(yīng)用時可以采用線纜控制與無線控制相結(jié)合的方法提高爬壁機(jī)器人的信號傳輸質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的永磁吸附式爬壁機(jī)器人，可應(yīng)用于火力發(fā)電船舶鍋爐水冷壁的除銹以及除垢等工作，相關(guān)理論以及試驗(yàn)研究對后期電力行業(yè)應(yīng)用機(jī)器人也有一定借鑒意義。