（安全技术及工程专业论文）无损检测爬壁机器人本体结构设计与研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：亟函垫日期：2 0l1 年月2 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盘亟垫 指导教师签名： 日期：2 口i i 年月2 日 日期：2 o l1 年石月工日 摘要 长期在腐蚀、低温、高温和高压下操作的容器存在材料劣化、脆断、蠕变开裂和蠕 变疲劳断裂的可能性，原有缺陷的存在和扩展会导致容器失效。如何检验、检测和监测 危险性缺陷，了解设备的运行状态，以判断容器能否继续使用，是保证压力容器与管道 安全运行的关键问题，也是目前压力容器工程技术人员日益关注的问题。 本论文是以现役化工容器为研究对象，为在役化工容器在线无损检测设计爬壁机器 人本体，要求其能够携带检测部件在压力容器表面平稳可靠地运动，并完成检测任务。 爬壁机器人的性能指标有：机器人具有负载能力，机械本体是各种功能模块的载体，可 以实现多样功能，如除锈、检测、缺陷打标等；其次是结构尺寸，本体的基本尺寸定为 8 5 0 6 0 0 x 2 0 0 m m ；焊缝检测速度约l m m i m 越障能力，压力容器的焊接是对接焊， 焊缝平整，对于机器人越障能力的要求，并不十分严格；可检测的壁面厚度：3 - 5 0 m m 。 机械本体设计过程中的关键技术分别采用单车双履带结构的车体结构，吸附方式为 永磁吸附，驱动方式为电机驱动。检测方式采用超声检测，为防止本体行走过程中遇到 不规则焊缝产生倾覆，采用履带压紧装置防止倾覆发生。 利用三维设计软件s o l i d w o r k s 建立三维模型，为了兼顾爬壁机器人的稳定性和灵活 性，需要计算出最小允许吸附力，为了定量求出抗倾覆前后的最大抗倾覆力矩，所以对 本体结构进行静力学分析，找出临界条件，并进行优化设计。履带在运动过程中存在滑 移，对其进行动力学和运动学分析，得到履带式爬壁机器人的运动机理，优化结构设计。 最后，对本体样机进行安全性分析，以保证其安全可靠运行。 关键词：无损检测，本体结构，永磁吸附装置，双履带结构，安全分析 s t r u c t u r ed e s i g na n dr e s e a r c ho nw a l l - c l i m b i n gr o b o tf o rn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g z h a ol i m i n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oy o n g r u i a b s t r a c t v e s s e l sw h i c ha r eo p e r a t e du n d e rl o n g - t e r mc o r r o s i o n ，l o wt e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r ea l w a y sh a v et h ep o s s i b i l i t yo fm a t e r i a ld e g r a d a t i o n ，b r i t t l ef r a c t u r e ，c r e e p ，c r e e p c r a c ka n df a t i g u ef f a c t u r ea n dt h eo r i g i n a la n de x t e n d e dd e f e c t sc a nc a u s ec o n t a i n e rf a i l u r e h o wt oi n s p e c ta n dh o wt od e t e c ta n dm o n i t o rt h er i s ko fd e f e c ta n du n d e r s t a n dt h ee q u i p m e n t r u n n i n gs t a t i o n ，i no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h ec o n t a i n e r sc a nb eu s e dc o n t i n u o u s l y t h a t i st h ek e yi s s u et oe n s u r et h a tp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p e l i n e sa r es a f ei nt h eo p e r a t i o na n di t s a l s oc u r r e n t l yi n c r e a s i n gp e r s o n n e lc o n c e r no fp r e s s u r ev e s s e le n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a l t h i st h e s i si sb a s e do na c t i v ec h e m i c a lc o n t a i n e r s ，w h i c hi n t e n d st od e s i g nw a l l c l i m b i n g r o b o tf o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go nc h e m i c a lc o n t a i n e ri ns e r v i c e l i n e ，a s k i n gt h e mt ob ea b l e t oc a r r yd e t e c t i n gp a r t st om o v er e l i a b l yo nt h es m o o t hs u r f a c eo fp r e s s u r ev e s s e l ，a n dt o c o m p l e t ei n s p e c t i o nt a s k s w a l l c l i m b i n gr o b o t sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r e ：t h er o b o th a sa l o a dc a p a c i t y , m e c h a n i c a lb o d yi st h ec a r r i e ro fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e st h a tc a na c h i e v e v a r i o u sf u n c t i o n s ，s u c ha sr u s t ，t e s t i n g ，d e f e c tm a r k i n g ，e t c ；f o l l o w e db yt h es t r u c t u r a l d i m e n s i o n s ，t h eb a s i cb o d yd i m e n s i o n sa s8 5 0 6 0 0 2 0 0 m m ；w e l ds p e e dlm m i n ；m o r e i m p a i r e dc a p a c i t y , p r e s s u r ev e s s e lw e l d i n gi sb u t tw e l d i n g ，t h e r e f o r e ，r o b o to b s t a c l ec a p a c i t y r e q u i r e m e n t s ，n o tv e r ys t r i c t ；c o u l db ed e t e c t e dw a l lt h i c k n e s s ：3 5 0 m m t h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no fm e c h a n i c a lb o d yw e r ed o u b l e - t r a c ks t r u c t u r eo f t h e c y c l i n gb o d ys t n l c t l l r e ，a d s o r p t i o na n da b s o r p t i o nm e t h o d sf o rt h ep e r m a n e n tm a g n e tm o t o r d r i v ef o rt h ed r i v e d e t e c t i o nm e t h o du s i n gu l t r a s o n i ct e s t i n g ，i no r d e rt op r e v e n ti r r e g u l a r i t i e s e n c o u n t e r e dd u r i n gw a l k i n g ，b o d yw e l dh a v ec a p s i z e d , t h eu s eo ft r a c kc l a m p i n gd e v i c et o p r e v e n to v e r t u r n i n go c c u r s u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s t oc r e a t et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l , i no r d e rt ot a k ei n t oa c c o u n tt h es t a b i l i t yo fw a l l - c l i m b i n gr o b o ta n df l e x i b i l i t yn e e d e dt o c a l c u l a t et h em i n i m u ma l l o w a b l ea b s o r p t i o ne d g e ，i no r d e rt oq u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t et h e m a x i m u mo v e r t u r n i n gr e s i s t a n c et oo v e r m m i n gm o m e n tb e f o r e ，s ot h es t a t i co n t o l o g y s t r u c t u r ea n a l y s i st oi d e n t i f yc r i t i c a lc o n d i t i o n s ，a n dt oo p t i m i z et h ed e s i g n t r a c ks l i pi nt h e c o u r s eo ft h ec a m p a i g nt h e r e ，i t sd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s ，w a l l c l i m b i n gr o b o t t r a c k e dt h em o v e m e n tm e c h a n i s m ，o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ed e s i g n f i n a l l y , t h ep r o t o t y p eb o d yf o rs a f e t ya n a l y s i si sn e c e s s a r yf o rt h e i rs a f ea n dr e l i a b l e o p e r a t i o n k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，b o d ys t r u c t u r e ，p e r m a n e n tm a g n e t i ca d h e s i o n m e c h a n i s m ，d o u b l e t r a c ks t r u c t u r e ，s a f e t ya n a l y s i s 第一章绪论 目录 l 1 1 课题来源1 1 2 课题的研究意义1 1 3 课题的国内外研究现状一2 1 3 1 国内外研究现状2 1 3 2 爬壁机器人的典型形式3 1 4 论文的主要内容6 第二章爬壁机器人机械本体结构设计1 i 2 1 爬壁机器人的关键技术及选择8 2 1 1 吸附方式及选用一8 2 1 2 行走机构及选择9 2 1 3 驱动系统及选择9 2 2 爬壁机器人运动结构设计1 0 2 2 1 结构设计性能分析1 0 2 2 2 爬壁机器人车体结构设计1 1 2 2 3 爬壁机器人检测机构设计1 4 2 2 4 爬壁机器人抗倾覆机构设计1 5 2 3 运用s o l i d w o r k s 建立三维模型一17 2 3 1s o l i d w o r k s 软件简介17 2 3 2 爬壁机器人的实体建模1 8 2 4 本章小结19 第三章爬壁机器人静力学分析 2 0 3 1 爬壁机器人的空间位姿描述与稳定平面2 0 3 2 爬壁机器人的静态平衡分析2 3 3 2 1 稳定平面沿壁面滑移2 3 3 2 2 稳定平面的纵向翻转2 4 3 2 3 稳定平面的横向翻转2 6 3 2 4 稳定平面的法向脱离2 9 3 2 5 相对下滚3 0 3 2 6 稳定平面失稳形式的叠加分析3 6 3 3 本章小结4 0 第四章爬壁机器人动力学与运动学分析。 4 1 4 1 爬壁机器人动力学研究4 l 4 1 1 驱动平衡分析4 1 4 1 2 履带张力分析4 7 4 1 3 机器人平面运动动力学模型4 7 4 2 爬壁机器人运动学研究5 0 4 2 1 机器人平面运动学模型5 0 4 2 2 与轮式移动机器人的对比和等效5 1 4 3 本章小结5 l 第五章样机制作与安全运行分析 v 5 1 爬壁机器人本体样机5 3 5 2 机械本体安全运行5 3 5 2 1 电机驱动位置与安全运行5 4 5 2 2 爬壁机器人的稳定性和灵活性5 5 5 3 本章小结5 6 结论及展望 参考文献 致谢 。5 7 5 8 6 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本文以“在役化工容器在线无损检测系统的研究( 0 9 1 1 6 0 1 a s h ) 的研究课题为背 景，该课题源于青岛市公共安全与城市建设科技支撑计划项目。 1 2 课题的研究意义 压力容器作为特种设备，在各行各业得到广泛应用，但长期运作在腐蚀、低温、高 温或高压条件下，容易产生故障，妨碍压力容器正常运行，比如开裂和蠕变、劣化、疲 劳断裂、脆断。了解设备在运行情况，如是否存在缺陷、缺陷是否有扩展趋势、缺陷尺 寸是否在安全范围内、缺陷的扩展速率、设备的寿命预测和安全保障技术等，以判断容 器能否继续使用，有利于保证压力容器与管道安全运行，也是目前压力容器工程技术人 员日益关注的问题。 对在役压力容器进行定期检验时，常借助无损探伤手段检查裂纹。在役压力容器的 检测均在其安装使用现场进行，大部分检验工作均需在设备停止运行状态下由人工完 成。由于工作条件及环境限制，检验工作不仅繁杂，而且需要大量的人工辅助。特别是 大中型压力容器的检测就显得更为困难，很多焊缝无法靠近，甚至个别焊缝无法进行检 验，只好放弃，给工业生产带来了极大的安全隐患。 化工容器在役定期检验分为不停止运行的外部检验和停止运行后的内外部检验；外 部检验的部位为压力容器的对接焊缝、角焊缝、焊疤部位和高强螺栓等。各国对在役化 工容器均采用运行期间的定期检验制度，我国有关规程规定，压力容器外部检验的周期 为1 年，内外部检验的周期最长为6 年。 为实现无损检测，需要研制一个承载装置，能携带一定重量的检测仪器沿容器壁面 稳定爬行，以实现检测功能，开发研制满足于现场条件的自动化在线无损检测系统具有 十分重要的现实意义。 本课题主要就机械本体结构设计进行研究和设计，并在此基础上进行静力学、动力 学和运动学分析，以期设计出能安全有效执行检测任务的本体结构。 第一章绪论 1 3 课题的国内外研究现状 1 3 1 国内外研究现状 爬壁机器人的是能够在壁面上爬行，可以携带相关作业装置，以不同的位姿完成一 定工作任务的高科技产品，它是机械、控制、传感技术等科技相结合并应用于工业过程 的新技术产品。 1 9 6 6 年，在日本府立大学讲师的西亮，制作了一台移动机器人的样机，所采用的吸 附方式是负压吸附，产生负压的装置是电风扇，他利用电风扇进气侧产生的低压，使机 器人产生负压，并吸附在竖直壁上，这可以看作是爬壁机器人研究的开端f 1 1 。 1 9 7 8 年，日本研制开发出两种核电站壁面除污机器人。随后，他们又在这两种机器 人的基础上开发出一种名为“步行者”的爬壁机器人。 1 9 8 2 年，日本研制出解救被困人员研制出一种消防急救用爬壁机器人，用于将救护 绳等物资搬运到失火的高层楼房，以解救被困人员【2 】。 1 9 8 4 年，东京煤气公司【3 l 与日立制作所联合开发出球形煤气罐检查机器人，是最早 的多吸盘爬壁机器人。 1 9 9 0 年，东京工业大学的广懒茂男【4 】等人采取吸盘结构，洗盘底部布满了阀体，属 于多阀控制的四足壁面步行机器人，机器人可以按照相对较快的速度行走，而不必考虑 会有真空泄露的情况发生。因为是采取多阀控制，所以即使有裂缝，可以由控制阀的开 闭来控制吸盘，不会产生脱落事故。 1 9 9 8 年，它们在此基础上进一步开发了“n p q j a i i 型机器人【5 】，通过加入关节扩 大了四足所能达到的范围。 日本东京煤气公司的蜘蛛型机器人【6 】，移动速度约6 0 m j h ，重约1 4 0 k g ，采用1 6 个 超声波探头可以对运行状态下的球罐上任意点坐标位置进行扫描。 日本日立制作所的内藤绅司、佐藤主税等人研制出多足步行式磁吸附爬壁机器人【刀， 该机器人有八只脚，均采用永磁吸附，内侧四只脚和外侧四只脚在行走过程中交替吸附 于壁面上。日本日立制作所的内藤绅司等人随后由开发出了履带式磁吸附检查机器人， 他们将永磁体镶嵌在链条上形成磁性履带，履带吸附于壁面并移动。 日本n k k 公司研制的机器人可以利用输油管里的液体作为推力，进而可以对油管 检测其腐蚀状况【羽，其检测精度小于l m m 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在国内机器人发展也相对迅速，目前清华大学先进成形制造实验室，研发了一种爬 壁机器人，采用永磁间隙吸附方式，可以在复杂空间曲面上的运动的间隙吸附式爬壁机 器人。采用多体柔性吸附系统，可以可靠吸附并灵活运动，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。此 外还有沈阳自动化研究所研制的爬行号机器人【9 】、北京理工大学的四履腿机器人【1 0 1 、北 航研制的可重构履腿机器人【l l 】，哈工大的履带式磁吸附爬壁喷漆机器人【1 2 1 等都取得成功 并很好的应用于实践。 1 3 2 爬壁机器人的典型形式 1 真空吸附、轮式移动 单吸盘轮式气囊密封壁面移动机器人，是由哈工大机器人研究所研制，其中吸附机 构由压力调节阀，密封机构和真空泵组成，移动机构包括减速器、车轮、电机等。 气囊密封机构可以维持密封腔内的真空度，使机器人的吸附装置有足够大的正压力 吸附于壁面上，进而可以为驱动机构的移动产生足够的摩擦力。因为气囊具有良好的弹 性，可以在凹凸不平的壁面上产生相应的变形，以减小缝隙，这样机器人就具有了一定 的越障功能。 移动机构是一组车轮，密封在气囊内部，由电机驱动其沿壁面滚动，进而推动机器 人前进。 2 磁吸附、履带式移动 比较有代表性的磁吸附、履带式移动式机器人，是由哈工大机器人研究所研n t i s 】， 用于清扫和检测火电站的水冷壁【1 4 1 。机器人依靠均布永磁吸盘的双履带的吸附功能吸附 在金属壁上。运行过程中，都会有一定数量的吸盘与壁面保持良好接触，从而稳定吸附 在壁面上。机器人在金属壁上的移动靠电机和减速器同时作用来驱动链轮，带动履带来 实现。 机器人各种检测和传输识别工具，在行走过程中自动完成多项功能。当遇到罐壁上 的焊缝时，图像传感器采集前方的图像，由主控计算机识别焊缝后，抬起电机和铲刀， 安全越过焊缝后再放下。 由于重力的作用，当机器人越过焊缝时，容易发生倾覆，所以抗倾覆机构显得十分 必要。抗倾覆机构的工作原理是通过导向轮，弹簧和反倾覆杆的相互作用和影响，可以 使机器人前端受到一定的压力，从而使机器人越过焊缝时不至于发生倾覆，进而安全越 3 第一章绪论 过焊缝。 履带式机构具有一定的柔性，其带轮是塑胶制品，具有适应凹凸壁面爬行的优势。 但是容易出现局部的负荷集中，比如机器人爬顶棚时，机身整体重量容易集中，从而易 从壁面剥落。 日本研发了一种负荷分散机构，如图1 1 所示，这种机构在履带上加了一根刚性导 杆1 5 】，就可以使履带由柔性连接变为刚性连接，负荷就均匀分布到各个吸盘上。不过， 因为是刚性导杆，所以不能在曲面上运行。后来，内藤绅司等人又研制了一种适于曲面 的负荷分散机构【1 6 1 ，如图1 2 示。它是将刚性杆分成多段，以便可以和任何形状的壁面 都可以良好接触，使负荷均布到各个吸盘上。 分缀连枰 图1 - 1 加刚性导杆的履带 f i g l - i t r a c kw i t hr i g i dg u i d er o d 蔑麓簟j t 图1 - 2 适于曲面的负荷分散机构 f i 9 1 - 2 l o a dd i s p e r s i o ns t r u c t u r ef o rc u r v e ds u r f a c e 3 磁吸附、轮式移动 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图l - 3 车轮式磁吸附爬壁机器人 f i g l - 3w h e e l e dm a g n e t i ca d s o r p t i o nw a l l - c l i m b i n gr o b o t 如图1 3 所示为一种可以吸附于大型油罐【1 7 1 、煤气罐、船舶等壁面的轮式磁吸附爬 壁机器人，车轮具有磁性，可以吸附在壁面上以完成检修工作。并且具有以下优点：可 稳定行走，速度较快，可达9 m m i n ，不局限于壁面的形状，不会对壳体造成刮伤或损 害。缺点是不宜做壁面过渡，还有就是轮和壁面接触面积较小，负载能力较差。 4 真空吸附、多足步行式移动 多足步行式真空吸附机器人，也是爬壁机器人中常常采用的方式，通常有四个以上 的爬壁足，足上可以安装真空吸盘，本体底部也可以安装真空吸盘，吸盘由真空泵产生 负压，吸附于壁面上，每条腿应有三个转动自由度，可以适应多样化壁面行走。 机器人控制方面，可以实现控制信号和数据的无线传输，并且利用电荷耦合器f 1 8 】 和超声波无损检测实现视觉检查和无损探伤。 图1 - 4 是四足机器人进行壁面过渡的示意图，它可以方便实现在壁面之间的过渡检 测，具有很好的应用价值。 图l - 4四足爬壁机器人的壁面过渡 f i g l - 4q u a d r u p e dw a l lc l i m b i n gr o b o tt r a n s i t i o n 5 磁吸附、框架式移动 5 第一章绪论 井 图1 - 5 八足框架式磁吸附机器人 f i 9 1 - 5 e i g h t - f o o tf l a m em a g n e t i ca b s o r p t i o nr o b o t 图1 5 所示为日本研制的八足磁吸附爬壁机器人【聊，内外各有四个由永磁体构成的 足，行走时依靠内外四足交替吸附行走。 讧) 来运电时 b ) 连电时 力- - 0 图l 石电磁体式吸附足结构 f i g l - 6e l e c t r o m a g n e t i ca b s o r p t i o na d e q u a t es t r u c t u r e 图1 - 6 所示的电磁吸附足，是通过调节电流的通断使足部与壁面吸附或者断开，从 而实现机器人行走于铁磁性材料容器壁面。 1 4 论文的主要内容 本课题通过对爬壁机器人进行样机总体结构设计，完成样机开发，在此基上研究爬 壁机器人的运动特性及动力性能，结合压力容器的安全运行特性，根据目前已取得的主 要成果，分析和讨论机器人在机械结构、稳定性及控制方法方面的一些研究方法，初步 得出检测机器人结构本体的基本结构并对其进行总体分析和设计。 第一章论述了课题来源，课题的研究背景，研究目的和意义，国内外爬壁机器人及 其研究现状。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章论述了爬壁机器人的总体设计方案，重点说明了爬壁机器人的机构设计方 案，包括机器人本体框架、爬行机构、吸附机构、焊缝扫查机构以及缺陷打标机构。 第三章应用三维设计软件，对爬壁机器人的机构进行了三维建模，并应用仿真模块 对爬壁机器人的机械结构进行静力学分析和仿真，并根据仿真的结果，优化机械结构。 第四章进行机器本体运动学和动力学分析，从驱动平衡分析，履带张力分析以及机 器人平面运动的动力学模型和运动学模型，分析不同条件下的运动学和动力学特性。 第五章是机械本体的试运行并对其安全性进行相关分析，使其达到最大可能的可靠 运行状态。 最后对本文的研究内容以及提出的方法和观点进行了总结，并对下一步研究提出了 建议。 7 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 2 1 爬壁机器人的关键技术及选择 作为移动机器人领域的一个分支，爬壁机器人和地面移动机器人有许多相似之处， 但由于其特殊的工作环境和任务要求，在理论和技术等方面又有一些特殊性，主要有以 下几个方面。 2 1 1 吸附方式及选用 爬壁机器人的吸附结构主要在于吸附方式的选择，运用比较成熟的吸附方式为真空 吸附和磁吸附两种。 真空吸附是利用真空泵产生负压【2 0 】，使真空吸盘内压力减小，进而吸附于壁面，最 大的优点是不受壁面材料的影响，壁面材料都可以采用真空吸附，但是缺点是假如壁面 有凹凸，裂缝或者壁面形状怪异时，会很容易造成漏气，压差变小，吸附力降低，甚至 会造成机器人本体跌落。所以对壁面光洁度要求较高，吸盘必须与壁面紧密贴合，保持 吸盘内的真空度，使吸盘内外有足够大的压差，保证可以承载本体重量，同时，真空泵 也有可能出现突发状况，比如突然断电或者气体运行不畅，均会导致压力变小，使机器 人从壁面剥落。 磁吸附是较常见和易实现的吸附方式，主要包括永磁吸附和电磁吸附，磁吸附的优 点是吸附力较大且结构简单，即使壁面有凹凸或者裂纹也不会受大的影响，但是壁面材 料却必须是铁磁性金属。对于永磁吸附来说，即使会有供电中断情况发生，也不至于磁 性消失，对吸附力没有损失，就不会导致机器人本体因失衡而剥落，所以，磁吸附是相 对稳妥可靠的吸附方式。 除了真空吸附、电磁吸附和永磁吸附之外，还有一种常见的吸附方式，就是负压吸 附，它是通过产生气流负压将机器人压附于壁面，能产生气流负压的装置一般为螺旋桨 或喷气管等，气流负压力还存在一个切向分量，可以给机器人提供向上克服重力和摩擦 力的推动力，使机器人沿壁面上升，并且速度快，动作迅速，有很强的越障能力。缺点 就是不好控制，承载能力较差，定位精度低。 常见的压力容器都是由铁磁性材料焊接而成，壁面有很多焊缝，而且由于使用年限 一般较长，内表面锈蚀和凹凸比较严重，因此，对于压力容器检测爬壁机器人来说，选 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 择永磁性大，吸附力强，运动速度较快的永磁吸附优势比较明显。 2 1 2 行走机构及选择 爬壁机器人的移动方式主要分为履带式、车轮式、框架式和多足步行式【2 1 1 等4 种， 它们各有优缺点。 车轮式行走方式的优点是控制灵活，比较容易实现转向，并且运动速度较快，缺点 是与壁面接触面积小，吸附力维持相对困难；履带式与壁面接触面积较大，对壁面适应 性较强，但是控制难度相对也高；框架式是一种利用两层框架或多层框架交替运动实现 机器人本体向前移动，但是比起上面两种行走方式来说，运动速度较慢，不宜转向，壁 面过度能力也较差。 综合考虑几种行走方式的优缺点，履带式爬壁机器人优点突出，吸附力较大，运动 速度相对较快，而且在越障能力和负载能力方面具有明显优势，控制相对简单，因此是 适合于压力容器检测要求的运动方式。 2 1 3 驱动系统及选择 机器人的驱动方式比较常见的有气压驱动、液压驱动、电驱动【2 2 】等三种。这三种驱 动方式均有各自的特点，选择哪种作为动力源，不同的场合要根据具体的要求进行比较 选择，以期找到相对比较合适的驱动方法，现将三种驱动方式的不同特性列表如下。 不同驱动方式的性能比较如表2 1 所示。 表2 - 1 各种驱动方式的比较 t a b l e 2 - 1 c o m p a r i s i o no fv a r i o u sd r i v e 爬壁机器人是自主移动机器人瞄】的一种，同样要求可以自主移动，因此要具有较好 9 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 的灵活性，这就要求机器人载重轻并且是相对独立的一个个体。液压驱动是地面的常用 设备，要求有较好的密封技术，但是爬壁机器人有可能高空作业，所以液压驱动不适用 于爬壁机器人。气动系统虽然有优点，但是缺点同样明显，比如气体可压缩以及气路上 元件众多，会使系统线性度低，无法实现精确位置控制。最后是电驱动，电驱动应用的 领域十分广泛，发展也相对成熟，对机器人的位置和力控制能够较精准的完成。电驱动 唯一的缺点是结构比较复杂，比气驱动会有较大的重量。 2 2 爬壁机器人运动结构设计 2 2 1 结构设计性能分析 爬壁机器人的主要功能是可以携带相关检测部件在被检测容器表面平稳可靠运动， 并能基本完成检测任务。基于此，机器人应该满足若干性能要求，本小节将从以下几个 方面对其设计性能加以分析，并给出性能指标。 ( 1 ) 负载能力 按照模块化设计的思想，爬壁机器人本体是各种功能模块的载体，在本体上安装不 同的模块，就可以实现多样的功能，如除锈、检测、打标等等。为此，要求机器人具备 一定的负载能力，当然，这个负载并不包括机器人自重。 ( 2 ) 结构尺寸 为了满足吸附力的要求，与壁面实际接触的永磁吸盘的总面积应该大于某一个数 值，而永磁体的吸附面积受到机器人底面长和宽的限制。设定机器人的尺寸约为8 5 0 6 0 0 2 0 0 m m 。 ( 3 ) 移动速度 移动速度的确定主要基于有效性和安全性两个因素来考虑。机器人向前移动的同时 要进行焊缝检测和缺陷打标，机器人移动速度暂定为l m m i n 。 ( 4 ) 越障能力 机器人进行检测过程中，是跨行在焊缝两侧，压力容器的焊接是对接焊，因此，对 于机器人越障能力的要求，并不十分严格。 ( 5 ) 设计性能指标根据上面的分析，得到如下的性能指标： 最大尺寸：8 5 0 6 0 0 x 2 0 0 r a m 机器人自重：r 一2 0 k g 移动速度：l 2 m m i n 运动角度误差：0 5 。 越障能力：1 0 m m 2 2 2 爬壁机器人车体结构设计 通过以上的各种机器人性能的了解，爬壁机器人车体结构选择磁吸附履带式来实现 检测功能，下面是一套最简单的解决方案；然后，针对其存在的不足的地方，提出另外 的改进方案；最后，根据课题提供的运行环境出发权衡几种方案的利弊最终设计出最佳 方案。 ( 1 ) 单车双履带结构 图2 1 是单车双履带结构 2 4 1 。车体两侧各有两个链轮，两个链轮有一条履带，履带 外表面均匀嵌入若干永磁体，以用来提供吸附力。两个链轮中的其中一个是驱动轮，两 侧的驱动轮分别由一套电机驱动，通过电机速度调节可以控制车体的运动方向和速度。 图2 - 1 单车双履带方案示意图 f i 9 2 - 1 d o u b l et r a c kc y c l i n gp r o g r a m 这套方案的优点很多，结构比较简单、易于控制；其缺点也很显然，即不利于进行 壁面过渡，有较大的局限。 ( 2 ) 履带小车结构 如图2 2 ，此结构分两部分，双履带结构和轮式小车口5 1 ，由可以相对旋转的铰链连 接，履带表面均布等量永磁体。小车和履带机构交替作为移动机构，带动另一个机构作 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 壁面过渡运动，两者之间有一根可伸缩杆，在壁面过渡的时候可以伸长或缩短，以实现 自主壁面过渡，而且机构不冗余，易控制，但是却不能重复完成回程的壁面过渡，只能 应用于结构简单，可以方便人为帮助操作的检测装置。如果还需要进行壁顶过渡或从竖 直壁返回水平面，机器人将无法自主完成。因此，这种方案仍有较大的局限性，只适合 在壁面环境较简单的场合应用。 图2 - 2 履带小车结构示意图 f i 9 2 - 2 t r a c k c a rs c h e m a t i cd i a g r a m ( 3 ) 可变四边形结构 可变四边形结构也以对称布置的两条履带为运动机构，单侧履带与四个链轮啮合， 四边形结构的特点是可以通过改变支撑杆之间的角度来改变履带轮廓形状，但是不同的 角度有可能会造成履带过紧或松弛，基于这点考虑，就可以把其中一个支撑杆设计成可 内装弹簧可自动调节的伸缩杆，从而保证履带始终处于适当的张紧状态。 下图中1 、2 、3 描述的是机器人地壁过渡的过程【2 6 】：图1 所示为机器人在底面运动， 图2 所示为机器人构型变换过程的某一时刻，支撑杆沿相交面上升，与底面吸附的履带 段上的吸盘被逐个揭起，而与竖直壁吸附的履带段上的吸盘数逐渐增加，与此同时，各 支撑杆的相对位置以及可伸缩支撑杆的长度随之变化；到图3 位置的时候，机器人已经 完成了地壁过渡。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 3 摩56 图2 - 3 可变四边形结构壁面过渡示意图 f i 9 2 - 3 v a r i a b l e q u a d r i l a t e r a ls t r u c t u r eo f w a l lt r a n s i t i o n 图4 、5 、6 描述了壁顶过渡的过程：图4 所示为机器人在竖直壁上运动，图5 为机 器人构型变换过程中的某一时刻，支撑杆贴向顶面，机器人完成壁顶过渡，继而在顶面 运动。按照相似的过程i 机器人也可以完成从顶面到竖直壁和从竖直壁到底面的过渡。 从可变四边形结构可以看出，这种结构可以实现壁面过渡，但是因为结构较复杂， 实现起来需要较多驱动机构，并且因为加上探头和抗倾覆机构，壁面过渡时还有复杂的 位姿随动问题，假如一个驱动不能很好配合，运动过程中很容易倾覆，所以并不适合。 ( 4 ) 结构方案的选择 通过分析可以看出，可变四边形方案可以实现爬壁机器人的各项功能，克服了履带 式爬壁机器人壁面过渡能力的不足，但其实现难度最大。另一方面，单车双履带方案不 具备自主壁面过渡能力，功能有限，但其可实施性是最强的，其实现难度也是适应于课 题的时间和人力等条件的，同时，基于本课题的实际情况，爬壁机器人对压力容器进行 焊缝检测，并不要求本体具有壁面过渡能力。 基于以上分析，在本课题中，课题组选择简单易行的单车双履带方案作为样机的本 体结构形式。 爬壁机构行走装置如下图： 1 3 刮2 一 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 图2 - 4 爬壁机器人行走装置 f i 9 2 - 4w a l k i n gd e v i c e o f w a l lc l i m b i n gr o b o t 爬壁机器人车体结构如下图： 0- 、：勿i 、， 1) 0- - 图2 - 5 爬壁机器人车体结构图 f i 9 2 - 5b o d ys t r u c t u r eo fw a l lc l i m b i n gr o b o t 2 2 3 爬壁机器人检测机构设计 超声检测模块是完成压力容器检测的核心功能模块，它由超声检测仪及其驱动软 件、超声探头、探头携带机构组成。 在无损检测领域，超声检测技术口刀已经发展比较成熟，市场上已有较为成熟的产品 出售。在本课题中，课题组选购了北京卓川电子科技有限公司生产的b s n 6 1 6 超声波探 伤仪。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 - 2b s n 6 1 6 超声波探伤仪系列功能与性能介绍 t a b l e 2 2i n t r o d u c t i o no ff u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o rs e r i e s 0 - 1 0 0 0 0 m m ( 钢纵波) ，连续可调，最小步进值0 1 m m 探测范围 发射脉冲 接收放大 报警 显示 控制与接口 数据存储 材料声速为1 0 0 - 一2 0 0 0 0 m s 。连续可调，内置3 1 个常用材料声速值 2 0 h z - 1 0 0 0 h z ，自动调节，分高中低三个发射强度 增益0 0 11 0 0 d b ，频带0 2 2 0 m h z ，峰值测量模式，抑制为0 9 0 报警方式为进波报警、失波报警、d a c 报警 报警信号为声音、发光二极管报警 高清晰度t f t 彩色液晶显示屏，屏幕刷新率高于l o o h z 英文输入，单手控制，b n c 探头接口，r s 2 3 2 接口或u s b 转接 可存储5 0 0 套探伤报告，编辑文件名称，可调用、预览、通讯等 焊缝扫查机构用来携带超声检测机构，首先清除壁面铁锈，涂抹耦合剂，然后利用 超声探头进行检测，对有缺陷的位置打标进行缺陷标记。 焊缝扫查机构： 图2 _ 6 爬壁机器人检测装置 f i 9 2 - 6w a l lc l i m b i n gr o b o td e t e c t o r 2 2 4 爬壁机器人抗倾覆机构设计 只要磁吸附单元的吸附力足够大，就可以保证爬壁机器人在平直壁面上的可靠吸附 和稳定运动，但是实际的压力容器壁面并非是平直的，焊缝、不规则凸起等都有可能造 成机器人倾覆。压力容器的焊缝大都是对焊焊缝，会比较平整，但是仍然会有焊接后留 下的一个突起。跨越突起凶时，磁块首先与突起接触并被迫后仰一个角度；继续向上 1 5 第二章爬壁机器人机械本体结构设计 爬行时，仅靠磁块的磁力己无法提供足够的力将机器人拉回正常姿态，因为重心后仰， 产生重力矩，机器人在其作用下进一步后仰；机器人继续爬行，后仰逐渐加剧，从而最 终导致倾覆。我们称这个过程为渐变倾覆。 图2 - 7 爬壁时渐变倾覆模型 f i 9 2 - 7o v e r t u r n i n gm o d e lo fg r a d u a lc l i m b i n g