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。     

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。     

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。     

履带式磁吸附爬壁机器人壁面适应能力的研究

基于履带式爬壁机器人在爬壁过程中受力情况,认为机器人行走机构对壁面的适应程度系数μＲ是影响其壁面附着力的重要因素,μＲ取决于履带与壁面的贴合系数μＳ以及截荷分散系数μＬ．在机器人设计中可以采取适当加长履带、浮动支撑、载荷分散机构、柔性履带等措施,以提高爬壁机器人的壁面适应能力,实现其在壁面的安全爬行．     

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.     

双动力臂爬壁机器人运动吸附控制系统设计

本文设计了一种能够适应多种壁面、安全性高的爬壁机器人运动吸附控制系统.首先介绍了机器人的结构和运动原理,并详细描述了机器人吸附机理和真空回路控制原理.在此基础上,设计出一种通用双动力臂爬壁机器人运动吸附控制系统.分析表明,该控制系统工作性能良好,使该机器人吸附系统安全可靠,有较强的越障能力,能较好地适应各种材质和倾角壁面的作业要求.     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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．     

永磁吸附履带式爬壁机器人转向运动灵活性分析

根据永磁吸附履带式爬壁机器人的结构特点和运动环境特点,分析该机器人在大半径转向运动下的灵活性.由静力学平衡方程、运动学方程和动力学方程,基于直线运动总功率与转向运动总功率之比的相对功率来定义机器人转向运动灵活系数kA,进而讨论机器人转向运动灵活系数与安全系数的相互关系,优化安全系数的选择范围.根据该安全系数选择范围而设计的履带吸盘完全满足爬壁机器人长,时间实际安全应用的要求.     

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,进而得到了流阻、流容等吸盘结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.     

可越障爬壁机器人研究与设计

为了解决爬壁机器人越障性问题,本文根据爬壁机器人的吸附类型介绍了国内外足腿式、蠕动式以及飞吸式机器人越障能力的研究现状,以及本团队研制的3款越障式爬壁机器人的性能特点,对比了各类机器人越障性能的优劣性.在此基础上探讨了爬壁机器人设计时的重点问题,对未来设计越障爬壁机器人起到了一定的引导作用.     

工业机器人整机结构方案的动态性能评价

提出一种快速预测和评价机器人整机结构动态特性的建模解析方法。模型由梁单元和集中质量单元组成，并通过结合部联接；基于边界元法建立单元动柔度方程式，通过柔度矩阵合成方法建立机器人整机结构的动柔度方程式，从而可快速获得机器人整机结构的固有频率和振型特性。基于该方法开发了相应的动态特性解析软件。应用该方法和软件预测一个五自由度搬运机器人结构的动态特性，对其3种可选方案进行了动态特性评价，为该机器人的结构选型提供了理论依据。     

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。     

自动扫查爬壁机器人系统及调整运动

高压容器的焊缝常存在边界未熔合、未焊透、裂纹等问题,一般利用超声波串列扫查方法对焊缝进行无损检测．介绍一种用于化工容器在役检测的新型超声串列自动扫查爬壁机器人,并着重阐述了其机械结构及位置调整运动控制算法．该爬壁机器人采用磁轮吸附小车的行走方式、利用磁带进行导航和光纤传感器检测机器人状态,具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点．实验证明该机器人方案可行,效果良好．     

电动连续式爬缆机器人设计理论分析与试验

在分析缆索曲线约束和爬升阻力等工作环境的基础上，提出一种采用铰链结构的电动连续式爬缆机器人结构模型，建立了其弹簧压紧力、车轮抱紧力等力学模型，并对样机研制实例进行了验算．研制的爬缆机器人具有液压控制的弹簧压紧装置，能在缆索上快速安装和安全收回．在实验室多次试验后，该机器人已在南浦大桥进行了现场试验．结果表明其能高效、可靠地爬升和涂装实际斜拉桥缆索全长．     

四驱式爬缆机器人结构及动力学分析

在对现有爬缆机器人分析研究的基础上,提出了一种新型四驱式爬缆机器人结构;该爬缆机器人设计有两组对边驱动装置,交替作业可使机器人避开缆索上一些小型元件。通过控制夹紧机构,机器人可利用重力实现匀速安全回收,节省了能源。通过对该爬缆机器人的动力学分析,得到了夹紧力条件和驱动力条件。研制出了样机并对其进行了多次实验,实验结果表明,该机构运行平稳可靠,越障性能较好,能够达到实验的预定目标。