水下焊接机器人磁块单元的优化设计

磁路设计是爬壁机器人的关键技术之一,针对一种新型水下移动焊接机器人的柔性履带吸附与张紧问题,提出一种既可增加机器人负载能力,又能实现履带非接触式张紧的新型双磁路磁块单元结构。运用有限元方法,建立了该磁块单元的数值计算模型,研究了永磁体、轭铁及铝块等因素对磁块单元吸附力的影响,分析了磁块单元周围的磁场分布,对其关键结构参数进行了分析和优化设计,使磁块单元能够为机器人提供较强的吸附力与合适的张紧力。通过试验表明,仿真计算结果与实际测试结果基本相符。     

永磁吸附履带式船舶爬壁机器人结构设计

分析了一种永磁吸附履带式船舶爬壁机器人结构及工作原理。通过交流伺服电机驱动的永磁吸附履带机构使机器人能完成垂向爬壁的运动功能。为提高机器人的负载能力和越障能力,结构上采用了新型的永磁万向轮辅助吸附机构和从动轮浮动机构。研究中分析了永磁吸附履带爬壁机构的力学状态。通过对吸附系统的磁力仿真及磁力实验分析,合理设计了永磁吸附履带爬壁机器人吸附单元结构形式和电力驱动系统参数。     

永磁吸附履带式船舶爬壁机器人结构设计（英文）

分析了一种永磁吸附履带式船舶爬壁机器人结构及工作原理。通过交流伺服电机驱动的永磁吸附履带机构使机器人能完成垂向爬壁的运动功能。为提高机器人的负载能力和越障能力,结构上采用了新型的永磁万向轮辅助吸附机构和从动轮浮动机构。研究中分析了永磁吸附履带爬壁机构的力学状态。通过对吸附系统的磁力仿真及磁力实验分析,合理设计了永磁吸附履带爬壁机器人吸附单元结构形式和电力驱动系统参数。     

电厂钢结构除锈爬壁机器人的设计与分析

设计了一种电磁吸附履带式除锈爬壁机器人,可实现对狭窄立柱、横梁等电厂典型钢结构的高空喷砂除锈并回收砂粒。通过建立爬壁机器人沿钢结构壁面喷砂除锈的静力学模型和动力学模型,推导出爬壁机器人向上爬行的电机启动转矩和工作转矩,为电磁铁和电机的选择提供理论依据。利用MATLAB进行计算仿真,获得机器人不沿壁面下滑时吸附力与静摩擦因数、钢结构壁面倾角的关系,讨论了机器人不发生倾覆时摆臂摆角、壁面倾角对吸附力性能的影响。分析结果表明,当钢结构壁面倾角为21.8°,且静摩擦因数为0.4时,机器人所需的磁吸附力达到最大值。当机器人单侧履带的电磁铁数量为20块时,选择吸附力大于54.37 N的电磁铁安装于履带上,机器人不会出现下滑和倾覆,可以保证机器人爬壁的安全性。     

一种基于磁力吸附的焊缝打磨爬壁机器人设计

设计一种新型的船体爬壁机器人,用来对大型轮船侧壁的焊缝进行打磨,改变了依靠人力打磨作业的方式,不仅提高了工作效率,而且大大降低了安全事故的发生。该机器人包括行走机构、吸附机构和焊缝打磨执行机构。针对爬壁机器人在不同的极限工况下,建立静力学模型,分析爬壁机器人出现滑移失效、横向倾覆失效、纵向倾覆失效、脱离失效时的极限磁吸附力。使用Ansys Electronics Desktop-Maxwell对永磁体进行仿真和结构优化,使之满足所需的磁吸附力。搭建出样机后,对机器人进行性能测试、磁吸附力测试和焊缝打磨测试。结果表明：该机器人不仅焊缝打磨效果好,而且工作性能稳定。     

瓦形磁吸单元磁路设计及其力学特性研究

船舶喷漆与除锈等作业需求量大，爬壁机器人成为该领域研究热点。瓦形磁吸单元是机器人在垂直钢质立面附壁行走核心装置。为提高磁力和降低磁力对距离敏感性，对瓦形磁性单元采用Halbach阵列充磁的新型磁路设计，利用数值仿真与试验方法开展瓦形磁吸单元力学特性研究。结果表明：Halbach阵列磁路的磁质比是常规配对磁路的2.87倍，衰减率是其0.5倍；Halbach阵列瓦形磁吸单元优化了磁路，减弱了异性磁极间的磁场损耗，使得磁吸单元表面磁感应强度增强。     

爬壁机器人磁吸附结构的磁路优化设计与试验分析

基于Halbach永磁阵列,提出一种优化有限体积下吸附结构磁路的方法。针对船舶壁面维修保养机器人功能单一的问题,介绍一种模块化多功能船舶壁面维修保养机器人,包括清洗模块、除锈模块、喷漆模块,着重对运动机构的吸附结构进行优化分析。研究平面形Halbach永磁阵列对吸附力的影响。通过正交试验分析平面永磁阵列的不同参数（N、n、ε1、ε2、h、h1）对吸附力的主次影响,并选定最优方案。试验结果表明：永磁阵列的高度一定时,不宜增加轭铁;永磁阵列的长L≤55 mm时,参数N应取值{2,3};宽W≤20 mm时, n应取值{1,2};ε1和ε2的取值受到N、n、h的影响。     

永磁吸附履带式管外爬行机器人的力学分析及运动仿真

为提高管外机器人的负载能力与越障能力，设计一种永磁吸附履带式管外爬行机器人。建立机器人在管道上的静力学和动力学模型，得到机器人在轴向和周向稳定运动时的吸附力条件。利用Ansoft Maxwell对比分析磁性履带组中永磁铁2种不同布局方式，选定合适的布局方式并计算该布局方式下磁性履带组在轴向和周向运动时能够提供的吸附力，验证了磁性履带组设计方案的合理性。最后基于ADAMS进行了运动仿真，得到越障过程中质心变化规律，验证了机器人具有良好的越障性能。     

大型构件水下焊接机器人系统

针对水下焊接环境要求,设计了一种履带式水下焊接机器人系统,该系统由机器人本体机构、激光视觉传感器、控制系统和焊接系统组成. 机器人本体机构由履带式移动平台和焊枪调节机构构成,运动灵活可靠,满足水下焊接焊缝跟踪要求. 完成了视觉传感器部件选型及光路设计,实现水下环境的焊缝自动识别. 设计了基于PLC机器人控制系统和协调控制方法,实现水下环境的焊缝跟踪控制. 同时在水下焊接试验平台完成焊接跟踪试验. 结果表明,机器人运行稳定,焊缝成形较好,焊接质量满足要求.     

一种海洋平台清洗机器人吸附机构研究

针对当前海洋平台导管架人工清洗工作量大、效率低、易造成污染等现状,提出一种海洋平台导管架清洗机器人设计方案。该清洗机器人具有8个自由度,能够沿导管架空间进行攀爬、定位并通过夹持高压水枪对导管架进行清洗。为了保证机器人在静止和工作状态下都能吸附在导管架上以保持平衡,研究并设计一种清洗机器人吸附机构。基于该清洗机器人的构型特征与受力情况,对各种状态下的清洗机器人进行力学分析和理论计算,得出机器人稳定工作的最小吸附条件。利用有限元软件ANSYS Workbench对吸附机构进行静力学仿真实验,实验结果表明:所设计的吸附机构的强度和刚度能满足机器人清洗海洋平台的工作需求。     

超高压水射流船舶爬壁除锈机器人力学特性分析

设计了一种超高压水射流船舶爬壁除锈机器人,具有承载250MPa超高压水射流除锈的功能.爬壁机器人采用履带式永磁吸附,由于存在壁面法向的超高压水射流力,机器人的吸附和上爬受到一定的影响.笔者综合分析了爬壁机器人受壁面法向超高压水射流力作用的四种工况特性,推导了静力学和动力学方程,对爬壁机器人进行了力学分析.分析结果表明:超高压水射流力产生的倾覆转矩、机器人本体重心位置以及本体自重对机器人吸附和爬壁影响很大.     

一种新型攀爬机器人结构设计

随着科学技术的发展,机器人技术也在不断得到提升。为了满足社会的需求,攀爬机器人的研究力度越来越大。阐述了新型攀爬机器人的结构设计,提出了采用吸盘交替吸附、平行四杆机构爬行的方案;详细分析了该机器人工作原理及步态。     

同构阵列式自重构机器人机构设计

总结了自重构机器人的机构设计特点,设计了同构阵列式自重构机器人模块单元,该单元具有12个自由度,结构简洁、紧凑,控制方便简单,为研究自重构机器人的分布式控制和变形算法搭建了一个机构平台.     

基于电磁吸附的输电线路角钢塔攀爬机器人结构设计

通过对输电线路角钢塔攀爬机器人的攀爬环境分析,研制了一种输电线路角钢塔攀爬机器人。该机器人整体结构包括上下臂和上下部手爪,其结构简单,能提高机器人的可靠性和工作效率;手爪采用一种电磁吸附与二自由度冗余机械爪的复合结构,以保证夹持的快速性和可靠性,重点介绍了电磁吸附手爪的分析和设计过程。在此基础上,分析了输电线路角钢塔攀爬机器人的攀爬步态和越障步态,验证了机器人步态的合理性。该机器人可以代替工人攀爬输电线路角钢塔,降低了电力工人的工作风险,提高了工作效率,具有实用和推广价值。     

针对风电机维护任务的爬壁机器人设计与研究

针对风力发电机检测和维护工作的日益增多,为避免工人高危作业,设计出了一种新型风力发电机检测和维护任务的爬壁机器人。分析了该机器人对风力发电机进行检测和维护工作的实际意义;提出了该机器人的设计技术指标和技术路线,并对机器人的基本功能方案做了重点分析,确定出了机器人的机械本体结构,为防止吸附失效,建立了机器人克服沿壁面脱落、倾覆及吸盘泄漏等几种危险状态下的力学模型,并进行MATLAB仿真分析,确定出了临界吸附力,为机器人吸附装置的吸附力的确定提供参考依据。     

基于负压吸附的船体清刷机器人研究

为了减少因船体附着污损物对船舶航行造成的阻力,提高船舶运输业的效益,研究设计了水下船体清刷机器人。介绍了水下船体清刷机器人的移动方式、吸附方式和驱动方式,设计了一种以轮式行走、液压驱动、负压吸附方式的船体机器人本体结构方案,并对船体清刷机器人进行了静力学分析,建立了其在船体表面运动的运动学模型,分析了机器人能够稳定安全地吸附在船体表面所需要的吸附力、驱动力矩以及运动过程中的回转半径。     

小型移动焊接机器人结构设计

针对狭窄空间自动焊接问题,设计了一种小型移动焊接机器人机构.根据机器人结构的运动特点,运用模块化设计方法,把机器人机构分为轮式移动平台、焊炬调节机构和电弧传感器三部分.其中,轮式移动平台采用三轮式差速驱动结构形式,底部安装一可调磁吸附力装置,且控制器集成于移动平台上;焊炬调节机构由十字滑块和焊炬连接装置组成,十字滑块由两电机分别驱动,实现焊缝水平和高低方向精确跟踪;电弧传感器采用圆锥摆形式,且与焊枪设计成一体,使用方便.同时,建立机器人运动学方程,并对直角焊缝不同的转弯中心进行分析,确定水平滑块的行程参数,为机器人的焊缝跟踪控制提供参考.结果表明,该机器人机构满足弯曲焊缝跟踪要求,焊接质量良好.     

履带式船用水下观察机器人设计与吸附分析

为了解决船体壁面附着物及锈蚀检测不便等问题,对履带式船用水下观察机器人开展设计与吸附分析。基于设计指标和总体结构,建立机器人运动学模型,求解机器人在直线下滑和纵向倾覆状态下单块磁体所需的理论最小吸附力。利用Maxwell对磁体模型参数进行优化,并对履带组件上布置单块磁体、N-S正反充磁2块磁体和3块磁体分别进行仿真,确定采用N-S正反充磁布置。最后制造功能样机进行实验验证。结果表明：机器人静态不失稳主要取决于其纵向倾覆状态,陆上行走单块磁体理论吸附力要达到230 N,水下运动要达到140 N;磁体模型参数确定为背板厚度3.5 mm、磁体厚度13 mm、仿真及实验船板厚度5 mm;优化后单块磁体与金属壁面满足5 mm以内的接触间距,相邻两块N-S正反方向充磁布置,等效单块磁体与金属壁面满足6.5 mm以内的接触间距;搭建样机验证了机器人设计指标的有效性,同时利用刮泥板有效限制附着物厚度,磁体与金属壁面在接触间距内实现可靠吸附。     

基于半解析法的四足爬壁机器人关节扭矩估算

四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩是机器人吸附力设计和关节电机选型的重要依据。在考虑重力和吸附姿态变化的情况下,利用有限元分析足端力和关节扭矩需要重复画网格和仿真分析,工作量较大。结合运动学、静力学和有限元分析提出一种简单且统一的半解析方法估算不同吸附姿态下四足爬壁机器人的足端力和关节扭矩。算例中利用半解析法计算得到84组数据并分析得到不同姿态下最大足端力和最大关节扭矩的变化规律,基于算例结果完成了机器人的吸附力设计和关节电机选型,最后实验测量了不同姿态下机器人的关节扭矩最大值。实验结果表明:机器人吸附力设计和关节选型合理,半解析法计算的最大关节扭矩误差小于8.86%。     

空间四足爬行机器人设计及步态规划

针对现有的爬行机器人全空间内攀爬和越障能力不足、爬行转向不够灵活的问题,设计了一种空间四足爬行机器人,该机器人从正四面体体心到4个顶角在空间中对称布置4只采用真空吸附的爬行足。机器人爬行期间,始终保持三只爬行足稳定吸附于爬行表面,另一爬行足可以在空间中选择三种路径翻转,可实现直行、转弯、越障及跨越直角爬行表面等功能,并可完成360°空间连续攀爬。文章分析了空间四足爬行机器人的机械结构及其自由度,研究了爬行过程中机器人的球壳中心位移、移动副线位移以及转动副角位移随时间的变化情况,规划了机器人的爬行步态。仿真和计算结果表明,该机器人结构紧凑、运动灵活,空间越障能力强。