轮足式爬壁机器人的磁吸附结构设计与优化

近年来,随着中国劳动力成本的不断上涨,机器人协助或代替人工作业已受到越来越多人的关注。通过开发爬壁特种机器人,可以减少对自然环境造成的污染,降低工作风险和强度,提高劳动效率。然而,在大型金属立面维护机器人作业过程中,永磁吸附会影响机器人的越障灵活性,提高越障灵活性变得尤为重要。针对一种具有越障能力的三段式轮足爬壁机器人本体模型,设计了一种体积小、单位磁能积大、磁铁-轭铁-磁铁交叉排布且能够在机器人越障时提供可靠吸附力的复合式变磁力吸附模块。通过设定优化函数对复合式变磁力吸附模块的各项参数进行逐级优化设计,包括复合式变磁力吸附模块与壁面间距、复合式变磁力吸附模块上部轭铁厚度及磁铁厚度、复合式变磁力吸附模块磁铁间隙轭铁厚度、磁铁宽度及间隙数,从而得到详细的复合式变磁力吸附模块模型,以132 mm(长)×212 mm(宽)×39 mm(高)的体积就满足了机器人越障状态下单组复合式变磁力吸附模块所需提供的3 200 N吸附力。     

爬壁机器人变磁力吸附单元的优化设计

为解决磁吸附爬壁机器人吸附能力和运动性能之间的矛盾,设计了一种磁吸力可调的吸附单元;该单元在吸附于工件时,提供足够大的磁吸力,以满足机器人负载能力的要求,而当其脱离工件表面时,磁吸力减为最小,以提高机器人运动性能。该文通过有限元方法,建立了能够定量分析吸附单元磁吸力的数值计算模型,分析了不同结构参数和不同吸附条件下的磁吸力变化趋势,对结构参数进行了优化设计。试验结果表明,按照优化设计的结构参数制造的变磁吸力吸附单元,最大磁吸力可达290N,最小仅为9N。由此构成的变磁力爬壁机器人履带相比恒磁力履带,运行性能显著提高,驱动电机电流波动大为减小。     

一种检测用植物油罐爬壁机器人爬越焊缝能力分析

为了进一步提高大型立式植物油罐壁面检测作业的安全性,提出了一种新型的植物油罐爬壁机器人并对其爬越焊缝时的情况进行了受力分析。建立了机器人前从动轮越障、两主动轮同时越障和单个主动轮越障3种情况下的力学模型,并对其进行简化,得出机器人在遇到障碍时,不同状况下对磁吸附力的影响关系。确定出越障时所需的临界吸附力,为机器人吸附机构的磁吸附力的确定提供依据。     

基于变磁力单元的磁力控制方法及数值研究

为提高永磁吸附式管外壁爬行机器人运行过程中的吸附力稳定性,解决吸附能力与运动灵活性之间的矛盾,对变磁力吸附单元结构进行了研究.通过建立变磁力吸附单元有限元模型,并分析圆柱磁体的旋转角度和衔铁气隙距离对磁吸附力的影响,应用MATLAB软件拟合出磁力控制函数的数学模型.运用此数学模型控制伺服电机,使任意气隙间距下都反馈出相应的伺服电机旋转角度,进而控制磁吸附力大小,保证机器人爬行过程中磁吸附力的稳定.通过测量实验,表明此磁力控制方法可行有效.     

间隙式单吸盘爬壁机器人动力特性分析

研究了带有新型吸盘结构的具有间隙式负压吸附方式特点的爬壁机器人的动力学问题。采用间隙吸附方式的爬壁机器人,其运动性能(可操作性、驱动性能等)主要由轮式移动结构决定,因此对爬壁机器人运动结构进行动力学分析是合理和必要的。基于拉格朗日乘子方程建立了机器人的动力学模型。利用Matlab/Simulink的动力学仿真,分析了吸盘吸附力和机器人方位角变化对爬壁机器人运动特性的影响,为改善和提高机器人的运动性能并为其结构优化设计与运动控制提供了理论研究基础。     

负压吸附桥梁检测爬壁机器人的本体结构优化设计

针对桥梁高墩、梁底等区域检测困难的问题,设计开发了一款基于负压吸附的桥梁病害检测爬壁机器人。针对其自身的吸附稳定性,建立并推导了满足抗滑移和抗倾覆条件下的吸附力指标计算式,据此确定能在各角度壁面实现稳定吸附时机器人所需的最小吸附力。结果表明：为确保机器人可靠工作,吸附模块需提供53.0 N的吸附力;结合经验公式给出离心叶轮的初步设计方案并利用Fluent对叶轮流域进行流体力学仿真及响应面优化,建立了由吸附力与扭矩共同构成的评价函数,并给出了函数值最佳时的叶轮设计参数,使吸附模块在满足稳定性的前提下,综合评价函数值较初设方案提升了3.4%;对负压腔进行拓扑优化,综合考虑拓扑优化结果及负压腔气动性能,获得了腔体内加强肋的构造及布置形式,其中与车轮支撑臂相衔接的加劲肋为“八”字形与直线型镂空构造设计;优化后负压腔的最大竖向位移值减小为原模型的18.5%,而质量仅增加了16.9%,加强肋的精准布设效果明显,成功将竖向变形控制在了合理的范围内。最后,利用UTR6180型光敏树脂借助3D打印工艺完成了样机制作,其尺寸约为300 mm×280 mm×15 mm,质量约为1.15 kg。将样机置于多工...     

磁吸附爬壁控制系统的现状与发展

该文通过对国内外磁吸附爬壁机器人以及控制系统的研究进行分析,探讨国内外在爬壁机器人研究中的新技术,洞察爬壁机器人未来的发展趋势,从而为我国爬壁机器人的进一步研究提供可靠的参考依据。     

风电塔筒检测爬壁机器人设计与安全性分析

针对风电塔筒垂直壁面作业任务的需求,根据塔筒的直径变化范围研制了一个能够自适应塔筒曲面曲率变化的爬壁器人。并对机器人进行静态与动态安全性分析,根据实际塔筒壁面倾角建立任意位姿的空间模型,分析了爬壁机器人失稳的因素及其产生的原因。通过仿真分析得到爬壁机器人的主导失稳形式以及机器人安全吸附时的最小许用吸附力。分析了机器人静态安全吸附与重力和壁面倾角以及位姿角存在的关系,以及动态安全吸附与重心位置高度、摩擦系数、几何尺寸之间的关系,结果表明:纵向翻转式影响机器人安全性的最重要因素,适当地降低机器人的重心高度更有利于保证机器人的稳定性,对样机进行性能测试试验,证明机器人能够在风电塔筒壁面上安全稳定的运行。     

轮式磁吸附超声检测爬壁机器人的设计与吸附稳定性分析

针对铁磁壁面缺陷检测的需求,设计一种融合超声检测功能的爬壁机器人。首先提出一种集耦合剂涂抹、超声检测和缺陷标记功能于一体的集成式检测机构,其次,设计一种含壁面打磨机构、耦合剂挤压机构的爬壁机器人,再次,针对机器人所处横向、竖直、悬壁3种工况,分析运动稳定性条件,包括吸附力条件和电机扭矩条件,为轮式磁吸附爬壁机器人的设计提供依据。研究结果表明:该机器人能够在铁磁壁面上实现移动和超声检测功能,包括壁面打磨、耦合剂涂抹、超声检测和缺陷标记。     

基于ANSYS的爬壁机器人永磁轮吸附装置的设计与优化

为解决钢质壁面与永磁轮之间吸附性能弱的问题,通过有限元分析方法研究永磁吸附装置,在永磁体尺寸不变的前提下对磁路展开优化,设计一种磁极同名阵列排布的新型永磁轮。对该吸附装置进行数值仿真分析,得到不同条件下永磁轮与钢制壁面之间的吸附力及轮磁通密度矢量图,借助于仿真软件对永磁轮的合理性进行验证,并对轭铁厚度和钢制壁面间不同气隙进行数值仿真,选取最优值,为爬壁机器人永磁吸附结构设计及优化提供参考。     

多吸盘爬壁机构的承载能力和倾覆趋势研究

本文对昆虫式足行程分布的６足爬壁机构行走时不同吸附支撑状态下的静定或超静定力学问题进行分析，求得与支撑形状有关的承载能力解析表达式和当载荷增加时支撑吸盘的脱开趋势．从中发现有时吸盘数量增加反致抗倾覆承载能力下降的特殊现象，通过建立分布式弹簧质量系统模型对这一并不直观的现象进行解释，研究结果有助于提高爬壁步态规划和抗倾覆安全性监控的效率．     

爬壁机器人

爬壁机器人采用真空吸附形式吸附壁面,吸盘贴近壁面时受挤压力作用排出空气实现真空吸附。脱离时空气单向阀打开与大气相通吸附力消失脱离壁面。在爬行方式上．该机器人使用2组8个吸盘,8吸盘结构能够保证整个机器人自身稳定性,2组吸盘在曲柄连杆机构带动下交替运动．克服了其他机器人爬行速度慢的缺点,同时具备更好的越障性。     

油罐容积检测用爬壁机器人的研制

研究一种用于检测油罐容积的爬壁机器人．该机器人用永磁铁作为磁吸盘元件，磁吸盘连接在链条上，具有一个特殊磁路以产生机器人吸附在壁上所需的磁力．设计了磁性定向转位机构和力分散机构．为满足油罐测量精度，设置了姿态和位置传感器．机器人控制采用多层计算机，上层处理机器人管理和路径规划，下层用于爬壁机器人的姿态和运动控制．     

反推力吸附的爬壁机器人设计及实验研究

为实现机器人稳定、快速和高效地在不同接触壁面移动,提出了一种采用双旋翼螺旋桨反推力作为前驱动力和壁面吸附力的机器人设计方法.对爬壁机器人结构和动力系统进行设计,通过对机器人在不同运动状态下的静力学进行分析,得出机器人在旋翼倾角为60°时动力性能最优,并通过机器人在水平状态下牵引力实验得到了验证.通过在实际操作过程的实验测试,机器人旋翼倾角单度变化运动效果优于旋翼倾角成倍变化.通过对机器人在水平和垂直壁面吸附力进行实验测量,得出由于结构复杂性大大降低了螺旋桨气动效率.最后,通过实验验证了机器人在小斜坡和垂直壁面稳定吸附能力.     

电磁感应与磁悬浮实验研究

基于对导体在磁场中运动而导致的磁悬浮力、磁牵引力等磁悬浮现象规律性的进一步认识,进行了电磁感应与磁悬浮实验.具体研究了磁悬浮力、磁牵引力与铝盘转速的关系,磁铁与铝盘间纵向距离变化对磁悬浮力、磁牵引力的影响,磁铁与铝盘间横向位置变化对磁悬浮力、磁牵引力的影响.结果表明,磁悬浮力、磁牵引力与铝盘转速满足线性关系;随着磁铁与铝盘间纵向距离的增大,磁悬浮力、磁牵引力减小;随着磁铁与铝盘间横向位置的改变,磁悬浮力、磁牵引力先增大,后减小,存在最大值.     

湿吸型仿生六足机器人的设计

基于昆虫湿吸力的理论模型,利用BIOLOID机器人套件设计了一种用于爬壁的仿生六足机器人,参考昆虫足垫特性设计了机器人的湿吸足垫,并基于胶带剥离原理规划了机器人步态及吸附、剥离动作.结果表明:机器人能严格按照三角步态,行走于小于等于50°的坡面,且方向正确、姿态平稳,腿部能顺利吸附、剥离地面;通过对机器人爬坡实验的分析表明:为了增加足垫吸附力,必须选择质地柔软的材料作为足垫,在足垫上雕刻适当深度与密度的凹槽,着地后对足垫施加一定的压力,选用适当浓度的粘液并产生较薄的液体膜.     

永磁轮式爬壁除锈机器人控制系统*

油罐除锈作业中,存在粉尘弥漫、气源噪音巨大、罐内照明不足等问题,在该环境操作人员进行除锈作业时,对其生命安全带来极大威胁。针对上述问题,研制出对油罐内外壁进行除锈作业的爬壁除锈机器人。首先,针对该类型机器人的技术难点,对机器人爬壁吸附方式进行选型分析。在此基础上,对爬壁除锈机器人的实时控制系统软件概述;并对爬壁除锈机器人主控模块功能进行概述。最后,通过现场实验的方式验证机器人的除锈作业方式。经过多项测试,实验结果表明爬壁除锈机器人能够代替操作人员完成油罐内外表面的除锈作业,极大提高作业效率并有效降低操作风险。     

永磁轮式爬壁除锈机器人控制系统设计

油罐除锈作业中,存在粉尘弥漫、气源噪音巨大、罐内照明不足等问题,在该环境操作人员进行除锈作业时,对其生命安全带来极大威胁。针对上述问题,研制出对油罐内外壁进行除锈作业的爬壁除锈机器人。首先,针对该类型机器人的技术难点,对机器人爬壁吸附方式进行选型分析。在此基础上,对爬壁除锈机器人的实时控制系统软件概述;并对爬壁除锈机器人主控模块功能进行概述。最后,通过现场实验的方式验证机器人的除锈作业方式。经过多项测试,实验结果表明爬壁除锈机器人能够代替操作人员完成油罐内外表面的除锈作业,极大提高作业效率并有效降低操作风险。     

具有双负压吸盘的爬壁机器人吸附特性

介绍了一种双负压吸盘式爬壁机器人吸附机构，分析了机器人可靠吸附于垂直壁面的基本吸附力条件．基于流体网络理论建立了吸盘模型并得到吸盘在风机突然启动、机器人遇障碍以及风机突然关闭三种情况下的等效电路．通过对等效电路的分析得到吸盘内负压动态响应曲线与流阻、流容的影响，进而得到了吸盘机构参数对吸盘腔内负压的影响关系．最后通过试验和仿真进行了验证．     

基于SYSWELD的在役焊接径向变形数值模拟

采用焊接模拟软件SYSWELD研究壁厚、管径及熔池尺寸等因素对天然气管道在役焊接径向变形的影响。结果表明:发生烧穿的临界瞬时最大变形有时间效应;发生临界变形的时间随着壁厚的增大而增加,径向变形量减小;随着管径增加,径向变形量在同壁厚下逐渐增大;壁厚为4.5 mm时,小管径管道易达到临界变形量;壁厚为6 mm时,管径的增大降低了临界变形发生的可能性;当壁厚为7.5 mm,管径由254 mm增大到508 mm时,发生临界变形的可能性减小,而管径在508~1016 mm时,管径的增大增加了临界变形发生的可能性;内壁点的径向变形随着热源的靠近而增大,随着壁厚的增大而减小,但当壁厚增大到6 mm后,壁厚的增大对其不再有显著影响;熔池尺寸影响焊接修复同时刻时的径向变形量,达到临界变形量的时间与熔池尺寸成反比,表现出明显的熔池尺寸效应。