爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计.pdf

第 36 卷 第 10 期2002 年 10 月上 海 交 通 大 学 学 报 F J V V o l. 36 N o. 10O 2002收稿日期 : 2001212227基金项目 : 上海市科学发展基金资助项目 (941111035)作者简介 : 徐泽亮 (19742) , 男 , 四川宜宾人 , 博士生 , 主要从事机器人方面的研究 100622467 (2002) 1021488204爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计徐泽亮 , 马培荪 , 高雪官(上海交通大学 机械与动力工程学院 , 上海 200030)摘要 : 介绍了基于多体渐变磁化系统理论研究设计的有别于传统普通吸盘结构的爬壁机器人履带吸盘结构 . 根据稀土永磁履带吸盘结构和性能特点 , 建立了履带吸盘的简化模型和吸盘与金属壁面间隙工作空间的镜像模型 . 基于以上模型和稀土永磁体内部磁化强度均匀分布的特征 , 推导出间隙工作空间在 y 方向的磁场强度的多次谐波方程表达式 , 证明该结构的吸盘比传统普通吸盘有更良好的磁场性能 . 通过对比实验验证 , 该履带吸盘的吸力比普通吸盘大很多 , 完全能满足爬壁机器人爬行性能的要求 爬壁机器人 ; 多体渐变磁化系统 ; 镜像模型中图分类号 : 144 文献标识码 : AD e s of a b ts d S rB a se d a ra l A ys Z M A P X l ow , n , 00030, Ch bs c t: A re of w b ts w as on m u on of s re m m a m r m w as ob t w o rk w su on of m of m m m u on ic fo rm u la of in y w as w h re a no rm al It is p fo of is m of no rm al it fu en w b t m on w su y w o w b t; m u m m r m 机器人已经大量应用于社会生产的各个行业 . 爬壁机器人作为高空作业的一种自动装置 , 在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等行业都有着广阔的应用前景 1 3 . 例如对油罐的定期安全检查 , 需要清空罐内的油品 , 清理和通风凉干罐体 , 再由人携带检测仪器对罐体进行检查 . 这种方法具有很大的危险性 , 而且将花费很多时间 , 造成很大的资源浪费 . 因此研究能适应油罐金属壁面的爬壁机器人 , 使其能携带仪器在罐壁沿着规定路径爬行 , 并借助其携带的相应检测设备对油罐进行安全检查有着极其重要的工程应用背景和非常广泛的应用前景 爬行机构一般采用履带式结构 , 其特点是爬行速度快 , 控制方便 ;吸附方式采用永磁吸附 , 永磁吸附具有吸引力大 , 结构简单 , 无需外部供电的特点 . 因此爬壁机器人永磁吸盘的设计是保证爬壁机器人爬行的安全性、稳定性、提高爬壁机器人对凹凸不平壁面的适应性的关键 其结构完全有别与传统吸盘结构 , 在该吸盘与金属壁面的工作间隙空间中形成一多次谐波磁场 , 其产生的吸附力远大于传统结构的吸盘产生的吸附力 带吸盘结构的理论分析1. 1爬壁机器人履带吸盘结构本文提出的基于多体渐变磁化系统的履带吸盘结构如图 1 所示 . 其中永磁材料设计采用高性能的稀土永磁材料 (N 牌号 N T S 210). 该稀土永磁材料的各向异性场很强 , 内禀矫顽力极大 , 一旦被磁化 , 其磁场强度将保持不变的特点 4, 5 . 衔铁材料选用纯铁或 Q 235 钢 爬壁机器人履带吸盘结构及其简易磁路F 1 of 2履带吸盘结构的简化模型在以上吸盘结构中 , 稀土永磁体将对软磁体产生强烈的磁化作用 , 其静态磁路分析如图 1 所示 . 磁力线由稀土永磁体 N 极发出 , 经相邻的两块软磁体 , 回到永磁体的 S 极 . 从整体磁化效果看 , 即在磁场强度为 M 1 的稀土永磁体的磁化下 , 导磁铁片被磁化磁场强度为 M 2 的磁体的磁化方向如图 1 所示 . 稀土永磁体的磁化强度 M 1 和纯铁导磁铁片的饱和磁化强度 M 2 有如下关系 : M 1 - M 2 M 120% 5 . 因此在只作定性分析的基础上 , 为简化以后的理论推导 , 本文在此假设 M 2 均匀分布 , 且不受其内磁场强度 H 的变化的影响 , 稀土永磁体的磁化强度 M 1 的数值和软磁体磁化强度 M 2 的数值为平均磁化强度 M 3履带吸盘工作空间磁场镜像模型爬壁机器人爬行于金属油罐壁面 , 与金属壁面形成的工作磁场 , 相当于吸盘吸附于无限大金属平面形成的磁场 . 根据镜像法的基本理论 6, 7 , 可以建立基于镜像法的吸盘与金属平面工作间隙空间磁场镜像模型 , 即用与吸盘相似的模拟吸盘结构代替在实际金属平面上的感应磁场 , 以便计算吸盘与金属平面在其间隙空间内共同产生的合成磁场 . 其原理如图 2 所示 , 即用图 2 (b) 中镜像模拟吸盘与实际的履带吸盘之间的工作空间磁场代替图 2 (a) 中履带吸盘与实际金属平面间隙的工作空间的磁场 . 图 2(b) 中所示的履带吸盘工作间隙空间镜像模型 , 磁体在上下方向的磁化方向是经过一块横向方向磁化的磁块过渡 , 即是一种简易多体渐变磁化系统 履带吸盘的镜像模型F 2 T he m r of 4建立吸盘工作空间磁场方程一个均匀磁化的方块磁体 , 如图 3 所示 方块永磁体F 3 T he m 根据泊松方程和格林 (定理 , 并令原点的磁标量 0, 0, 0) = 0, 这并不失普遍性 , 可得出场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)点的标量磁位差F (x 0, y 0, z 0) = x 0, y 0, z 0) - 0, 0, 0) =14x , y , z )R 1)式中 : 磁标量势 ; 自由空间导磁率 , 4P 10- 7 (H m ) ; W b m 3) ;R = (x 0 - x ) i + (y 0 - y ) j + (z 0 - z ) (x , y , z )至场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)的距离矢量 ,其幅值R = (x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + (z 0 - z ) 2 1 29841第 10 期 徐泽亮 , 等 : 爬壁机器人履带吸盘的多体渐变磁化系统设计为源点 P 至场点 P 0 的距离 ; V 为整个源区体积 ; dx dy 即 M = 0, 于是 , 磁体内的体磁荷密度 0, 则式 (1)可推导为F = 142)该积分遍及封闭的磁体表面 S. 由式 (2) 可得如图 3所示的空间任意场点 P 0 (x 0, y 0, z 0)上的磁标量势 :x 0, y 0, z 0) =- 14x , y , z )R 14 (x , y , z )R 3)式中 , # 为源区 V 的界面 , 在笛卡儿坐标中可将式(3)写成 :x 0, y 0, z 0) = 14x 55x 1R +M y 55y 1R + M z 55z 1R dx dy 4)如图 3 所示的方块磁体内部磁化强度处处相等 , 其方向均沿 y 轴 (均匀磁化 ) , 即其他分量为M z = M x = 0及 M y = M = M = 常数 . 式 (4) 便可表示为x 0, y 0, z 0) = b- ba- adx dy b- ba- aB 5)B = 1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + (z 0 - z ) 2图 4 所示为简易多体渐变磁化系统的工作间隙空间的磁场分布 简易多体渐变磁化系统F 4 T he le m m 在做进一步理论推导时 , 将不考虑 z 方向和 x 方向的“末端效应” , 即认为该系统在 z 方向充分延伸 , 在 x 方向认为是一无限阵列 , 则履带吸盘简化模型可按无限阵列的二维磁场计算 . 根据以上假设 , 可得间隙空间任一点 (x 0, y 0)的标量磁势为x , y ) = 14Pl= - K 2+ 2- 4+ 4- K 4+ K 4- dx 6)式中 :f 1 =- 55y1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + z 2 -1(x 0 - x ) 2 + (y + y 0) 2 + z 2 =- 55x1(x 0 - x ) 2 + (y 0 - y ) 2 + z 2 -1(x 0 - x ) 2 + (y 0 + y ) 2 + z 2 取值范围为 - 的整数 , 其表示以 y 轴为基准的第 l 块磁块 ; 块磁体的长度 ; f 1 和 f 2 分别为上半部分与下半部分阵列系统沿 y 方向或 z 向积分的贡献 . 又因 z 方向为无限长 , 磁位分布将不随 z 而改变 , 所以可以取z 0= 对履带吸盘产生吸力影响最大的主要磁场的 y 方向分布 , 由于篇幅所限 , 省略详细推导 , 因此以下只直接给出 y 方向的磁场强度 H y 的表达式 :H y (x 0, y 0) = 8j = 01m e- m 1 - em v (- m ) co s (m ) (7)式中 : M 为磁体的平均磁化强度 ; m = 8j + 1; v =2P K. 式 (7)表明了 H y 沿 x、 y 方向成典型的各次谐波振荡分布 , 谐波振幅随谐波阶数的增高而减小 . 这种具有简易渐变结构的履带吸盘的在 y 方向的磁场强度比普通结构的履带吸盘提高很多 , 且漏磁场可显著减少 5 . 其场形如图 5 所示 , 粗线箭头表示磁体的均匀磁化方向 , 细线箭头为磁感应线 履带吸盘镜像模型间隙空间场形图F 5 T he m in of m of 上海交通大学学报 第 36 卷1. 5对比实验本文采用简易多体渐变磁化系统的吸盘与具有相同结构尺寸的传统普通吸盘图 6 (a) 进行对比实验 (相同的稀土永磁用量 , 相同的接触面积 ). 实验结果如图 6 (b) 所示 . 由图可以看出 , 本文讨论的履带吸盘比普通吸盘在同样间隙 L 的情况下 , 其产生的图 6履带吸盘对比实验F 6 T he 要大得多 . 该爬壁机器人履带吸盘具有体积小、吸力大、稳定性好的特点 , 能保证爬壁机器人安全稳定地在钢壁面爬行 , 达到满意的效果 论(1) 本文根据履带吸盘的工作磁路 , 提出了履带吸盘和金属油罐壁面的简化镜像模型 , 并建立了基于简易多体渐变磁化系统的履带吸盘与壁面间隙空间 y 方向磁场强度 H y 的各次谐波方程 .(2) 比较试验证明 , 本文设计提出的履带吸盘比普通吸盘产生的吸力大得多 , 该吸盘实际应用于笔者研制的爬壁机器人 , 完全满足爬壁机器人爬行时对吸附可靠性的要求 1 马培荪 , 陈佳品 , 俞翔 . 油罐容积检测用爬壁机器人的研制 J . 上海交通大学学报 , 1996, 30 (11): N J W t fo r m o il s vo eJ . i J n 1996, 30 (11): 159- 164. 2 . N ep t A . n C . 1994. 2014- 2022.3 沛霖 , 韩秀琴 , 赵言正 , 等 . 日本磁吸附爬壁机器人的研究现状 J . 机器人 , 1994, 16 (6): 379- L et he of m w t J . 1994, 16 (6): 379- 382.4 牧野升 日 . 磁钢设计及应用 M . 宋辉译 . 北京 : 机械工业出版社 , 1982. 5 易敬曾 . 磁场计算与磁路设计 M . 成都 : 成都电子科技大学出版社 , 1987. 6 王以真 . 实用磁路设计 M . 天津 : 天津科学技术出版社 , 1992.7 孙雨施 , 王素菊 , 曲民兴 , 等 . 直流磁系统的计算与分析M . 北京 : 国防工业出版社 , 金咸定 , 汪庠宝(上海交通大学 船舶与海洋工程学院 , 上海 200030)摘要 : 在利用 M A 卫星结构进行有限元计算时 , 必须对蜂窝夹层板进行预先的等效处理 , 等效