风电塔筒爬壁机器人吸附结构优化设计及试验研究

为适应风电塔筒外壁作业需要,设计了一种可自适应曲面的永磁吸附履带式爬壁机器人,并对吸附结构进行了优化。首先建立了爬壁机器人在壁面的吸附力学模型,分析了爬壁机器人永磁吸附单元所需要的最小吸附力;其次设计了永磁吸附单元的基本结构及履带上永磁吸附单元的排列方式,通过有限元软件分析了不同设计参数对永磁吸附单元吸附力和磁质比的影响,并基于响应面模型,通过多目标优化分析得到了设计参数的最优值;最后通过永磁吸附单元和整机试验验证了吸附结构优化结果的可靠性及爬壁机器人负载稳定性。     

履带式爬壁机器人受力分析与稳定性仿真研究

针对机器人壁面上运动的稳定性问题,对永磁履带式爬壁机器人的结构特点和壁面受力进行了分析。为了便于受力分析,提出了载荷分布系数的新定义,建立了爬壁机器人的静力学模型、直线运动模型及转弯运动模型。利用Matlab软件对永磁铁吸附力、电机所需转矩、壁面倾角、载荷分布系数之间的关系,以及爬壁机器人的壁面受力进行了理论推导和数值仿真。研究结果表明,磁铁的吸附力指标主要决定于履带载荷分布系数和壁面倾角,磁铁的吸附力大小对转弯运动的灵活性有很大的影响,电机转矩要求主要决定于磁铁吸附力和壁面倾角。机器人运动模型的仿真结果与相关文献的实验结果一致,验证了运动模型的有效性,确定了影响稳定性的主要参数,给爬壁机器人的优化设计提供了依据。     

履带式爬壁除锈机器人设计及试验

针对修船作业中船舶壁面的除锈问题,设计了一种单纯采用永磁吸附实现附壁的履带式爬壁机器人,利用其上搭载的高压水射流装置实现除锈。首先,设计的永磁吸附单元由多块永磁体组成,采用Halbach充磁方向布置,单块磁吸附力理论接近1.4 kN;然后,机器人行走方式采用同步链传动、双链条履带结构,使永磁吸附单元可靠稳定的吸附在壁面上,链条的涨紧采用垂直涨紧和水平涨紧相结合的方式,驱动系统采用双电机驱动及锥齿换向结构,同时清污盘与框架的连接采用十字铰接式柔性设计。最后,对制造的永磁吸附单元开展力学实验,对搭建的功能性样机开展水平运动、垂直爬壁和1∶1实船模型爬壁等实验。研究结果表明：制造的单块永磁吸附单元的吸附力可达1 kN,满足机器人抗倾覆要求;功能性样机在爬壁实验中是可以可靠附壁的,同时可实现机器人的行走和转向运动,为后期工程样机积累了实验数据,为机器人进一步优化奠定了基础。     

大型油罐爬壁机器人吸附结构的优化设计

以用于大型油罐视频检查的爬壁机器人为背景,对爬壁机器人的吸附结构进行优化设计。综合已有的吸附结构方式,结合实际应用环境,选择履带式永磁吸附方式,通过分析爬壁机器人可能的失效形式,计算得到了最小吸附力,并在仿真实验的基础上,分析比较了最小吸附单元可能的四种结构形式,确定了吸附单元最终的结构形式,计算校核该种结构形式的吸附力的可靠性。最小吸附单元包括永磁体、扼铁、隔磁块,磁吸附力大小主要受尺寸、结构布局的影响,利用SolidWorks建立最小吸附单元的三维装配模型,将装配模型导入ANSYS Workbench中,对模型进行磁场分析得到其磁通密度云图和磁吸附力云图,将分析结果进行比较选择,确定理想模型吸附力的大小,最终通过试验制造,验证吸附结构的真实承载情况。     

新型船舶壁面除锈爬壁机器人动力学建模与分析

设计一种履带式永磁真空混合吸附的船舶壁面除锈爬壁机器人,该机器人具有负载大、本体重特点,且机器人负载质量以及重心位置随爬壁高度变化.根据机器人爬壁运动原理,建立机器人沿船舶壁面上爬和转弯的动力学模型,运用模糊优化理论对模型进行优化和仿真分析,规划机器人的安全工作范围,分析机器人在典型爬壁高度下的驱动上爬能力,讨论在理论转矩、最大转矩和额定转矩下的机器人上爬的高度与角度关系,研制试验样机进行爬壁转弯试验、定负载上爬试验和变负载上爬试验.仿真和试验结果表明,机器人动力学优化模型可靠,运动性能受永磁吸附力、真空力、射流反击力等影响很小,而受本体重力、爬壁高度和壁面倾角影响较大,所规划的机器人安全工作范围合理.     

多体柔性永磁吸附爬壁机器人

为实现永磁间隙吸附式爬壁机器人在复杂空间曲面上的可靠吸附与灵活运动,在分析爬壁机器人复杂空间曲面运行须解决的关键问题的基础上,基于爬壁机器人的多体动力学仿真和样机试验,设计了采用多体柔性吸附系统的间隙吸附式爬壁机器人,即爬壁机器人由轮式移动机构和吸附系统组成,吸附系统安装在轮式移动机构的底盘上,且和壁面是非接触的.吸附系统由多个相互独立的吸附装置构成,每个吸附装置通过具有2转动自由度的连接机构和轮式移动机构连接,并由被动的万向滚动轮部分或完全支撑在壁面上,各吸附装置在吸附力的作用下可自调节相对于壁面的位姿.对多体柔性吸附系统的曲面适应性进行优化.仿真及试验结果表明,多体柔性吸附爬壁机器人可自适应壁面形貌和曲率的变化,它在表面是复杂空间曲面的壁面上运行时的吸附和运动性能接近在平整壁面上运行时的相应性能,吸附可靠且运动灵活.     

船舶除锈机器人转向运动学分析

根据船舶壁面除锈的工作要求,设计了一种能够在船舶壁面上运动的自动控制履带式超高压水射流爬壁除锈机器人。主要研究履带式除锈机器人附壁的转向运动学问题。介绍了船舶壁面除锈机器人的组成及特点,推导出船舶壁面爬行机器人的直线运动及瞬心转向运动学模型。运用matlab软件对机器人的转向运动学模型进行分析,表明除锈机器人转向要通过左右两行走机构的速度差实现,且其合运动速度受到一定的外力影响。通过实验发现,磁吸附力对转向灵活性有影响。     

风电塔筒爬壁机器人吸附结构设计分析

针对风电塔筒外壁面检修困难的问题,对当前风电塔筒检修的方式、缺陷、需求进行了分析,对现有爬壁机器人的机械结构、吸附方式、主要功能进行了归纳,提出了一种可适应曲面吸附爬行的新型机器人机构。该机构可辅助或替代人工进行风电塔筒的检修,具备两个旋转自由度,采用了一种新型永磁爬壁吸附结构,可稳定吸附于风电塔筒外壁面并在壁面移动;利用Solidworks、Maxwell等软件进行了爬壁机器人的结构建模及吸附机构的吸附力仿真;对爬壁机器人在不同的失稳条件下进行了受力分析,得到了所需吸附力数值;将吸附单元仿真结果与计算所需吸附力进行了比较。研究结果表明:该爬壁机器人吸附能力符合稳定吸附要求,可以稳定吸附于风电塔筒外壁面。     

磁吸附爬壁机器人履带模块运动仿真与实验

履带模块是履带式爬壁机器人的重要组成部分,设计了一种可以用在履带式磁吸附爬壁机器人中的履带模块,包括履带传动与行走模块、磁吸附模块,利用Solid Works建立履带模块的三维模型,分析其受力情况,并建立其安全吸附的数学模型,得到其能在壁面不发生滑落或者倾覆的安全吸附条件。然后将履带模型导入到ADAMS中分析其动力学特性,通过在ADAMS中的动力学仿真验证履带模块设计的可靠性,并且根据仿真结果选择合适的电机,最后通过实验验证仿真结果是准确的,为多履带体的爬壁机器人提供了理论分析和实验的基础。     

Halbach方形阵列吸附机构优化设计

为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值.通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性.结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100％,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据.     

基于Ansoft的爬壁机器人吸附装置分析及设计

为了满足风力发电机检测的爬壁机器人在竖直塔筒外壁面安全吸附、移动平稳自如、具备一定的负载能力,设计了一种新型永磁吸附装置。根据Ansoft软件进行永磁铁磁场分析,确定吸附单元的最佳形状、尺寸参数,以及不同间隙下的吸附力变化规律,根据结果设计了一种磁能利用率极高的磁吸附装置,保证机器人在壁面运动时具有足够大吸附力的同时,吸附装置自身体积质量最小,符合爬壁机器人自身重量尽量轻的要求。     

永磁轮式爬壁微机器人尺寸优化设计研究

给出了一种全向的永磁轮式爬壁微机器人。为获得爬壁机器人运动所需力矩和磁力与其尺寸设计之间的关系,研究了其动力学分析方法。结合爬壁机器人自身永磁轮尺寸、永磁轮间距、转向齿轮传输比、底盘半径、所需磁吸附力等设计约束,构造所需驱动力矩最小为目标函数,对其主要尺寸参数进行了优化设计。通过ANSOFT磁力仿真、Pro/Engineer机械仿真和MATLAB计算对爬壁机器人整体尺寸优化设计进行求解。对仿真计算结果进行了分析比较,证明上述设计方法的可行性。     

储油罐在油检测机器人结构设计与运动分析

针对大型石油罐罐底与罐壁缺陷的在油检测问题,设计出一种可爬直角壁的四轮四轴液压驱动式磁力吸附爬壁机器人,机器人可在石油罐内实现罐底与罐壁间的双向直角过渡攀爬、90°转向及工作间隙调节等动作.安装于机器人腹部用于其正常行走的磁吸附装置采用45块(6×6×3) cm Halbach阵列布局的永磁铁块;机器人前后两端用于爬直角壁的磁吸附装置使用10块(5×4×4) cm Halbach阵列布局与6块(4×4×2.5)cm普通布局的永磁铁块.将腹部及前后端部磁吸附装置的永磁铁块在Ansoft软件中进行磁吸附力计算,得出合理的磁吸附力与工作间隙.并基于计算结果,用ADAMS软件完成机器人各动作的仿真试验.仿真结果表明,针对大型石油罐缺陷在油检测,该四轮四轴式液压驱动磁力吸附爬壁机器人结构方案是可行的.     

新型多履带全向爬壁机器人结构设计

针对爬壁机器人的壁面行走可靠性问题,结合爬壁机器人的结构特点,设计一种抛弃传统履带差速转向,避免机器人运动过程中转弯,可全向移动的多履带爬壁机器人.对机器人在不同倾角壁面的行走条件进行分析,得到机器人所需吸附力与壁面倾斜角度的变化规律,分析壁面倾斜角度对所需驱动力的影响.通过搭建样机进行附壁行走试验,验证了机器人在"危险角度"上能够可靠吸附,驱动电机提供的实时扭矩,可满足机器人的驱动要求并验证了分析结果的正确性,该分析结果为多履带全向爬壁机器人的设计和优化提供了基础.     

三角履带爬壁机器人越障动力学建模与仿真

针对一些工作场合对爬壁机器人有较高的越障性能要求,设计了一种包含4个三角形履带轮组构成的磁吸附爬壁机器人。首先设计了三角履带爬壁机器人的整体结构,研究了越障过程中机器人结构变化,以及爬行越障和翻转越障通过原理。建立了翻转越障过程动力学模型,该模型体现了机器人机构尺寸等因素对电机输出力矩的影响。根据此模型,能确定机器人越障过程所需最小驱动力矩。利用ADAMS软件进行仿真验证,仿真结果证明了动力学模型的正确性,表明了机器人结构简单,具有较强的越障能力。     

爬壁机器人结构优化设计与吸附力分析

为适应油罐外壁危险作业需要,设计了一款具有有效吸附力和灵活移动能力的新型轮式永磁吸附爬壁机器人.为满足爬壁机器人吸附力平稳并具有负载能力的要求,对爬壁机器人进行静力学分析和动力学建模,得到爬壁机器人在壁面运行的安全吸附力,以保证不发生滑移和倾覆.利用有限元软件分析了磁吸附系统磁铁与壁面间距离、轭铁厚度和磁铁之间距离等结...     

基于有限元分析的永磁吸附单元设计优化

为了同时满足爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求,设计了一种永磁吸附单元,并应用有限元分析法,建立了永磁吸附单元吸附力的计算模型,运用有限元分析软件分析了在不同参数下磁吸附力的变化,为永磁吸附单元的设计提供了依据.     

六轮磁吸附爬壁机器人铅垂壁面滑移转向点到点路径规划

针对一种六轮磁吸附爬壁机器人车辆,基于车轮触地点的速度分析和机器人力平衡关系,建立了铅垂壁面作业时的滑移转向动力学模型。根据坐标系转换得出车辆的转向运动轨迹,分析了左右两侧车轮转速的不同对滑移转向轨迹的影响规律,提出了点到点的车辆通用和简化路径规划方案。研究结果可为六轮磁吸附爬壁机器人车辆点到点的运动规划和轮速控制提供理论依据。     

轮履组合式磁吸附爬壁机器人设计与稳定性分析

为解决永磁吸附装置与导磁壁面之间由于吸附性能不可靠而产生的失稳问题，文中设计了轮履组合式磁吸附爬壁机器人，设计出越障磁轮结构及磁吸附履带结构。首先，针对爬壁机器人在不同工况下的受力状态，建立机器人的力学模型；其次，分别分析了下滑、倾覆及侧翻的失稳状态，计算出满足稳定性的最小吸附力。当单侧越障磁轮吸附力大于10.85 N,单侧磁吸附履带吸附力大于14.63 N时，机器人就不会出现失稳现象。通过Maxwell仿真软件对越障磁轮及磁吸附履带分别开展磁场仿真与参数化扫描分析研究。结果表明：当越障磁轮气隙高度保持在1 mm内，磁吸附履带气隙高度保持在0.8 mm内，同时导磁壁面厚度在2 mm及以上时，机器人的吸附力才能满足不失稳条件，保证了机器人的爬壁可靠性。     

大型承压设备爬壁机器人磁桥设计和试验研究

针对大型承压设备轮式爬壁机器人磁轮吸附力不足的问题,对爬壁机器人磁吸附结构进行了优化设计与实验研究。通过爬壁机器人受力状态及吸附力要求的物理分析,提出了磁轮与磁桥结构相结合的磁吸附方式;利用建立的有限元仿真模型,确定了最佳永磁体长度、高度、宽度等规格参数,并研究了磁桥与容器壁面空气间隙对爬壁机器人吸附力的影响;设计磁吸附力测试装置进行了实验,然后与有限元仿真结果进行了对比。研究结果表明:该磁桥结构能够为轮式爬壁机器人提供充足的吸附力,能避免机器人爬行过程中出现的向上爬行打滑和横向爬行侧滑问题。