轮式悬磁吸附装置结构设计与吸附可靠性研究

摘要爬壁机器人因具备竖直甚至倒立壁面的攀爬能力，从而极大拓展了机器人的 活动空间，因此在众多领域得到应用。面向金属壁面的磁吸附爬壁机器人以其稳 定的吸附、较高的带载能力而在船舶、石化等工业的生产维护作业中发挥了巨大 的作用。然而现有的磁吸附爬壁机器人却普遍存在着壁面过渡、适应能力差，转 向困难，运动灵活性差的缺点。本文针对现有技术的不足，提出了一种新型的轮 式悬磁吸附装置，并在其基础上展开了面向远洋船体的磁吸附爬壁机器人的研 究。首先，根据应用特点为了保证机器人的灵活运动，确定了主动轮差速驱动、 从动轮万向随动的机器人运动系统。通过建立机器人在工作空间任意位姿模型的 描述，从防止机器人失效的角度研究了机器人在静止、运动状态力学平衡问题， 给出了机器人稳定吸附的条件，并分析了机器人越障性能及其影响因素。其次，针对以往磁吸附机构的不足，提出了一种吸附稳定、壁面适应能力强 的新型轮式磁吸附装置。通过对静态磁场分布特点研究的基础上，利用电磁分析 软件Ansoft优化了吸附装置的磁场分布；并基于高效率和低功耗的目标，给出了 对吸附单元参数的最终优化结果。最后，搭建了以高性能数字控制芯片dsPIC33F为核心的机器人嵌入式的控制 系统，实现了机器人的远程遥控和无缆化操作。并进行了吸附装置的吸附实验和 爬壁机器人样机的综合攀爬实验，测试了机器人性能，验证了理论分析的正确性 和设计的合理性。关键词：爬壁机器人；稳定吸附；轮式磁吸附装置；Ansoft；嵌入式控制系统；-1 -AbstractWall-climbing robots, with the excellent capability of climbing up the vertical and even inverted wall, greatly expand the space of the robot, therefore it has been widely applied to various industries. Wall-climbing robots of magnetic adsorption for the metal wall, attributed to its stable adsorption and high load capacity, play a great role in production of shipbuilding, petrochemical and other industries. However, the existing products have deficiencies in aspects of wall transition, adaptation and flexibility. For the inadequacies in existing technologies, this paper presents a new type of wheeled magnetic adsorption unit and expand the study of wall-climbing robot for Ocean-going vessels.First of all, in order to ensure the flexible movement of the robot, we design driving wheel differential driven and driven wheel universal servo motion systems. Through the establishment of the description of arbitrary position and orientation of the robot, we have studied the robot mechanical equilibrium in the stationary and motive state , showing out the conditions of stable adsorption of robot and analyzing robots performance at obstacleSecondly, for the lack of the past adsorbed part, we created a new wheeled magnetic adsorption unit wit outstanding stability and excellent adaptability. On the basis of the study of the magnetic characteristics, with the electromagnetic analysis software Ansoft we optimize the magnetic field distribution of the adsorption unit, and also calculate the final optimization results based on the goal of high efficiency and low power consumption.At last, in order to achieve the robots remote control and cable-free operation, we have designed a robot embedded control system with the high-performance digital control chip dsPIC33F as its core. Apart from this, in order to verify the correctness of theoretical analysis and rationality of the design, we have carried out experiments of the adsorption unit and climbing tests of wall-climbing robot prototype.Keywords: Wall-climbing robots, stable adsorption, wheeled magnetic adsorption unit, Ansoft, embedded control systems.目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1课题来源及研究目的和意义11.2爬壁机器人发展现状21.2.1磁吸附爬壁机器人21.2.2负压吸附爬壁机器人51.2.3仿生吸附爬壁机器人61.2.4爬壁机器人现状分析71.3课题的主要研究内容8第2章爬壁机器人吸附稳定性研究92.1爬壁机器人系统方案研究92.1.1爬壁机器人技术要求92.1.2吸附方案分析92.1.3运动方案分析102.1.4总体方案研究112.2爬壁机器人安全吸附条件研究132.2.1爬壁机器人工作空间位姿模型描述142.2.2爬壁机器人静态受力分析152.2.3爬壁机器人运动状态受力分析192.3爬壁机器人越障性能分析202.3.1前从动轮越障性能分析202.3.2双主动轮同时越障性能分析232.3.3单主动轮越障性能分析242.4本章小结25第3章轮式悬磁吸附装置的优化设计263.1轮式悬磁吸附装置的基本结构及原理263.2轮式悬磁吸附装置的有限元磁场优化273.2.1静态磁场的求解27-III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论3.2.2基于Ansoft吸附单元的磁场仿真293.2.3吸附装置磁场优化313.3轮式悬磁吸附装置尺寸参数的优化设计353.3.1轮式吸附装置的动力学分析353.3.2轮式磁吸附装置的尺寸变量及其约束条件363.3.3基于高效率和低功耗的目标函数及求解383.4本章小结41第4章爬壁机器人实验系统平台搭建与实验研究424.1实验系统控制平台搭建424.2爬壁机器人实验研究434.2.1轮式磁吸附装置吸附实验444.2.2机器人运动系统性能实验454.2.3机器人转向性能实验474.2.4机器人越障性能实验494.3本章小结50结论51参考文献52哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明55致谢56-V -第1章绪论1.1课题来源及研究目的和意义作为机器人研究领域的重要分支，爬壁机器人综合运用了机器人移动技术和 吸附技术。它可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至建筑物或容器的内顶面灵活运动， 并能携带工具完成一定的任务。其功能的特殊性决定了系统的复杂性，使之成为 综合的多学科交叉技术。它融合了基础物理、机械、自动控制、计算机技术、传 感及通讯技术等。这些技术的应用不仅仅是简单的叠加，其中还涉及相互的耦合 和系统稳定性问题，所以这也增加了爬壁机器人研发的难度。但爬壁机器人极大 的拓展了机器人的活动空间和工作范围，拥有重大的研发价值和良好的应用前 景。因此自问世以来受到各国的广泛关注。作为人类的智能助手，爬壁机器人已 经开始应用于多种不适宜人类作业的恶劣环境中1，如应用在核工业2,3和石化工 业的大型罐体内外壁检测、清理、维护作业的机器人4,5；应用在建筑行业6高层 外墙体喷刷、玻璃墙壁的清洁的机器人；应用在船舶行业的除锈、喷涂的机器人卜 8。总之，爬壁机器人正在各个行业发挥越来越大的作用。本课题所研究的“轮式悬磁吸附爬壁机器人”属哈尔滨工业大学机器人研究 所自拟课题，该课题以远洋船舶为应用对象。远洋船舶在我国船舶行业中具有重 要的战略地位，担负着海外运输、科学考察甚至是国防建设等重大任务，涉及船 舶建设、航海探测、光学、通信等领域的最前沿技术9，是我国船舶现代化的集中 体现。由于远洋船舶特殊航行要求，需要深入全球各种复杂海域，不可避免的长 期受到海水的腐蚀和海洋生物的附着，这样船体表面就容易因腐化而生锈。同 时，由于远洋船舶具有较大流动性，常常需要在远离本土的异国停泊驻留，客观 上成为了我国移动的对外宣传窗口，有些船体还需要在完成任务后对外国公众开 放，接待公众上船参观，并进行相关的科技交流活动，因此船只的外观好坏直接 影响了我国在国外公众心中的形象，在船只外观的维护保养方面迫切需要一种船 员可以自行临时应急处理的维护设备，除去船体表面钢板上的铁锈、油污、旧漆 皮等，或进一步进行除锈、喷涂作业，以确保船只的美观，维护国家对外形象。因此，本课题提出研制一种船员可以自行临时应急处理的船体维护保养设备 的移动平台，该平台以智能机器人技术为基础，以适应船体壁面实现灵活运动为 目标，为后期搭载相关的保养维护作业设备做有力的支持。船体壁面存在棱边、凸起、焊缝，这些都对机器人的壁面适应能力提出了挑 战。而特殊的作业用途也要求机器人要有灵活的运动性和一定的带载能力，针对 上述问题，深入研究船体表面爬行机器人技术，使之满足船舶维护作业要求。这 对于探索船舶行业的自动化生产技术、拓展机器人的应用空间具有深刻理论价值 和重大的社会经济效益。1.2 爬壁机器人发展现状爬壁机器人具有较长的历史，其开端可以追溯到日本西亮教授于1966年研制 的依靠负压吸附的爬壁机器人样机，该机器人利用电力驱动风机获得吸附力从而 实现壁面行走H)。由此引发在全球范围内爬壁机器人技术研究热潮，各国纷纷研 制出各种类型的样机，在上世纪八十年代后，国内的研究人员也纷纷涉足这一领 域。这些样机虽然原理不同，但都具有基本的吸附攀爬功能。为了能够在竖直或 者倾斜壁面作业，吸附力不仅要保证机器人基本的静态稳定吸附，而且必须使得 机器人在各种环境的运动中安全的贴紧壁面。所以采用何种方式获取可靠的吸附 力，成为了爬壁机器人技术研究最为核心内容。总体来说，爬壁机器人的吸附方 式主要归为以下三类：磁场吸附，基于负压的吸附和仿生吸附。1.2.1 磁吸附爬壁机器人磁吸附利用磁场对其中介质产生的作用力作为爬壁机器人的吸附力，该技术 发展较早，种类较多，按照不同的标准有多种分类方法：现有的磁吸附型爬壁机 器人按行走机构不同主要分为腿足式、车轮式和履带式；按照其磁力来源分为永 磁与电磁两种吸附方式1148;按照磁体与壁面间的距离可以分为接触式和非接触 式。磁吸附方式产生吸附力相当可观，但需要保持磁源和介质的距离，而且只适 合在导磁面上应用。石化行业的大型罐体对密闭性有较高要求，因此需要定期喷砂防腐、涂层厚 度检测，为此哈尔滨工业大学成功研制出了基于磁吸附的履带式的多功能罐壁喷 涂、检测爬壁机器人14。如图1-1所示，该机器人每条履带上均匀分布多块磁 块，运动过程中始终保持一定数量的磁块和壁面接触以提供可靠吸附力。它通过 控制两侧履带的速度实现机器人的运动和转向，并依靠搭载在本体的倾斜计实现 机器人位姿控制。机器人质量60kg，额定负载超过300N，移动速度2-8m/min， 并实现了遥控控制。如图1-2所示为哈尔滨工业大学研制的又一款用于大型电站 锅炉水冷壁的履带式机器人17。它完成了水冷却壁面的清洗、壁厚检测工作。为 了适应罐壁圆弧形结构，吸附机构的永磁体也做成了圆弧性，并采用了纠偏机 构。提高了机器人作业精度和工作效率。清华大学于2004年研制的油罐检测爬壁 机器人19和加拿大Dalhousie大学于2006年研制的面向石化行业的爬壁机器人20也都采用了类似的结构。履带式爬壁机器人虽然吸附可靠，带载能力强，但是转 向功耗大，壁面过度能力差。图1-1哈工大履带式爬壁机器人图1-2水冷壁检测爬壁机器人17图1-3 REST-1机器人图1-4四足磁吸附爬壁履带式磁吸附爬壁机器人的永磁体是通过铰链联接在一起的，因此机器人在腿足式爬壁机器人能够自主选择落足点，因而具有出色的壁面地形适应和越 障能力。1998年，西班牙工业自动化研究所成功开发出了基于磁吸附的六足式爬 壁机器人REST-121,22。如图1-3所示，这种多足半自主爬壁机器人，通过足底安 装的电磁体实现吸附，腿部的3个自由度保证了灵活运动，机器人质量二百二十 千克，垂直负载一百千克，被应用于船舶行业。香港城市大学也研制出了基于磁 吸附的面向核工业罐体四足爬壁机器人如图1-4所示23，该机器人利用足部吸盘 与壁面吸附，壁面过度能力强，可在地面和壁面上行走，相对于六足机器人结构 得到了简化，性能得到提升。但是足式机器人存在机构和控制系统复杂，运动速 度慢，存在系统稳定性不高等缺点。机器人行走过程中会出现负载不均匀分配，发生载荷集中现象。并且履带机器人 的壁面适应能力差。对此日本研究人员研制了一种专门面向曲面的分散机构，如 图1-5中所示，采用多级连杆做成导杆，这样即使在复杂曲面，机器人载荷也能 均匀得分布到多个永磁体上。但是为了机构对称，导杆的分配个的数必须为2的幕次方。图1-5磁吸附爬壁机器人24图1-6三菱爬壁机器人12图1-6所示为日本三菱重工开发的基于磁吸附依靠轮驱动的爬壁机器人，质量 40kg。该机器人依靠腹部的永磁体产生吸附力，依靠轮体实现移动，机器人前端 搭载作业工具，完成钢质壁面的清洗、检测工作。轮式爬壁机器人移动灵活，但 是该机器人壁面适应能力差，只适用于平坦壁面。控单元手臂图1-7车轮式磁吸附爬壁机器人24图1-8轮式爬壁机器人三维模型图日本应有技术研究所研制出了依靠磁轮吸附的爬壁机器人，如图1-7所示。该 机器人依靠永磁体制作的四组车轮单元吸附在壁面，可以在各种大型钢制壁面行 走。两足电机控制单元实现机器人的灵活运动，机器人的摄像机可以传输图像， 实时监控工作现场状况，前端的机械臂可以安装各种操作工具完成诸如除锈、检 测的工作。该机器人最大速度9m/mm，壁面路况适应能力强，且不会对壁面涂层 或者油漆造成破坏。清华大学研制了磁吸附轮式爬壁机器人19，如图1-8磁铁悬挂在车体，工作 -5 -时与壁面非接触。整个机器人主要由轮式移动车体和特殊设计排列的永磁体吸附 机构组成。对称分布的驱动轮采用非磁性材料，依靠差速驱动实现转向。永磁吸 附机构安装在车体盘，与工作壁面保持一定的气隙。使得机器人既能保持一定的 负载又能灵活运动。但是这样的机构壁面适应能力差，越障优势不明显。1.2.2 负压吸附爬壁机器人由于负压吸附爬壁机器人具有良好的壁面材料适应能力，虽然吸附力有限， 但是仍然受到了研究人员的广泛关注。负压吸附方式一般是是利用负压发生装置 将吸附装置腔内空气排出或吸走，从而产生真空或者接近真空的状态，依靠大气 压将吸附装置压在壁面。目前常见的负压发生装置有离心风机、真空泵和文丘里 管等。与磁吸附吸附方式一样，负压吸附爬壁机器人按其移动形式也分为履带 式、轮式和足式三种，下面将分别介绍。1997年，美国AutoCrawler LLC公司和波音公司联合开发了履带式负压吸附 爬壁机器人AutoCrawler25。如图1-9，数个真空吸盘平均分布在每条履带上，通 过气管外接真空源。这种分布式的负压吸盘有效解决了局部漏气导致的机器人吸 附失效的危险，具有较强的带载能力，可靠性高的较高。该装置被用于飞机壁面 的检测。2006年，韩国首尔大学也研制了类似的履带式负压吸附爬壁机器人26。 如图1-10，该机器人共有24个独立负压吸盘并各自通过气管与真空装置相连，这 样通过气阀控制每个吸盘的负压来配合履带的运动，大大降低了机器人的运动阻 力，增强了运动的灵活性。机器人自重14kg，平面尺寸为460X200mm。图1-9多吸盘履带式爬壁机器人25图1-10多吸盘履带式爬壁机器人26国内的负压吸附爬壁机器人在国家自然科学基金和“863计划”的支持下取 得较大的发展，达到了国际先进水平。图1-11是哈尔滨工业大学机器人研究所研 制的微小型尺蠖式爬壁机器人27，它利用安装在足底的智能吸盘产生可靠吸附 力。其双足各有两个自由度，并有一个连接双足的关节，共五个自由度，各个关 节通过直流电机驱动。该机器人装备有触觉、红外接近和加速度计等组成的足端 集成传感器系统，配合DSP等控制器，使得吸盘能够机器人步态实时调节足内负压，这样机器人吸附稳定，并能完成蠕动、翻转等动作，因而具有良好的壁面适 应和壁面过度能力。图1-11 HIT尺蠖式壁面移动机器人图1-12 HIT反恐侦查微声爬壁机器人图1-12是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的反恐侦查低噪声负压吸附爬壁 机器人28。该机器人采用直流电机驱动离心风机产生负压，并采用负压闭环控制 策略实时控制负压，保证吸附安全。其机械臂可以实现俯仰和伸缩运动，搭载无 线视频模块实现侦探作业，并与遥控终端通过无线通讯，锂电池供电，真正实现 了无缆化操作。可在玻璃壁面，水泥墙，砖墙等建筑物外壁灵活行走。机器人质 量5.5kg，额定载荷2kg，最大速度可达15m/min，工作噪音65db，目前该机器 人已经装备反恐部队，成为专业的侦探设备。1.2.3 仿生吸附爬壁机器人仿生学是向通过向生物界学习而获取启示和蓝图的独特技术，自问世以来取 得了巨大的成功，显示了极强的生命力。仿生学研究表明，一些昆虫即使在光滑 壁面受到超出自重百倍的作用力，也能安全的行走而不至脱落。壁虎、苍蝇等生 物的出色的吸附能力给爬壁机器人的设计带来了新的灵感。研究者们先后研制出 了基于甲虫毛刺抓持吸附原理和模仿壁虎足体吸的仿生爬壁机器人。2006年美国斯坦福大学成功研制了仿壁虎机器人Stickybot29。如图1-13所 示，机器人从外形，到吸附方式和运动形式都仿照真实壁虎而设计。模仿壁虎足 部刚毛的吸附原理，研制了极其细微的人造绒毛。这些数量众多的微小绒毛保证 了足底和壁面的接触面积足够大，并且和壁面贴得非常近，这样机器人依靠分子 间的范德华力吸附在壁面，从而机器人能像壁虎一样在光滑壁面灵活行走。除此 之外斯坦福大学还研制了另一种仿生爬壁机器人一仿甲虫的SpinyBot3Q，如图1- 14所示。SpinyBot足底末端细微的倒钩刺结构能伸入壁面的凹凸缘，紧紧抓住工- 7 -1.2.4 爬壁机器人现状分析爬壁机器人实质是通过吸附力产生对壁面的正压力，并依靠摩擦力克服自重 从而在壁面上行走的移动机器人。从上述发展现状中可以看出，爬壁机器人的研 究焦点集中在吸附方式和行走机构上。对于三种主要的吸附方式，仿生吸附前景 广阔，但是由于这些技术大多刚刚起步，多数研究还停留在试验阶段，不具备可 行性。负压吸附壁面材料适应范围广，但是要求壁面比较光滑以保证其密封性， 漏气后大大影响其吸附性能，且负压的产生不可避免的产生噪声辐射。磁吸附方 式分为永磁吸附和电磁吸附，结构简单、吸附能力强，而且对壁面形状适应能力 强，但是只适合在导磁性物质。在爬壁机器人各种行走方式中，腿足式机器人壁面适应和过渡能力强，能跨 越较大的障碍，但是存在结构复杂，控制难度大，运动速度慢等缺点。履带式机 器人发展较早，壁面形状适应能力强，工作壁面的接触面积大，但是存在功耗 大，转向阻力矩大，运动不灵活等缺点。轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗 小，控制方便，运动灵活，但是和壁面接触面积小。爬壁机器人是吸附技术和行走技术有机融合，无论选择吸附方式还是行走方 式，都要考虑到两者的相互适应性。针对本课题的实际需求，轮式磁吸爬壁机器 人有较强优势（详见本文2.1)，目前该类机器人有两种主要形式：一是用悬挂于 基体的非接触吸附机构产生吸附力，用非磁性材料制作轮体来驱动机器人运动， 这种悬磁结构所存在壁面适应能力差，越障较困难等缺点。另一种是直接用磁体 制作轮体，轮体既做吸附结构又做驱动行走机构，但是对于现有的高性能永磁 体，其质地硬而脆，抗冲击、振动能力不足，所以磁轮在工作过程中易碎，安全 性不高。如何解决上述矛盾成为了研究的重点。1.3 课题的主要研究内容本论文“轮式悬磁吸附爬壁机器人研究”将结合课题应用的实际要求，以磁 吸附轮式移动机器人为对象展开研究。针对现存问题，从改善轮式爬壁机器人的 壁面适应能力和运动灵活性为出发点，以提高机器人安全和高效吸附为目标，设 计一款新型的磁吸附轮式爬壁机器人。所以本论文从以下几个方面展开研究：(1) 爬壁机器人任意位姿的力学分析和吸附稳定性研究在研究机器人结构设计和总体方案选择的基础上，将建立爬壁机器人工作空 间任意位姿模型的描述。在此前提下对机器人进行静态和运动状态的力学分析， 针对机器人在运动过程中存在的三类可能失效形式：沿壁面滑移、纵向倾覆、横 向倾覆，探索机器人安全吸附的条件与吸附力的关系。针对机器人越障能力的设 计要求，通过建立机器人越障的力学模型，分别研究机器人两前轮、两后轮同时 以及单个轮跨越垂直障碍的能力及其影响因素，并采取相应措施提高其越障性 能。(2) 爬壁机器人轮式磁吸附装置的设计和优化设计一种新型的轮式悬磁吸附装置，通过采用非导磁性金属铝外壳将永磁体 保护的形式，研制一种吸附效率高，越障能力强的磁轮吸附装置。根据Maxwell 静态磁场的规律，利用Ansoft有限元软件对轮式磁吸附装置的磁场进行优化分 析。进行单轮体的动力学分析，以求得单轮的驱动力矩。基于吸附稳定性的研究 的条件，以吸附效率和单轮驱动功耗为主要设计目标，采用软件数值仿真的方 式，对机器人轮吸附装置参数进行优化设计。(3) 爬壁机器人控制系统搭建和综合实验为实现机器人的无缆化操作，需要搭建爬壁机器人嵌入式控制系统，实现机 器人无线遥控控制。为了验证轮式吸附装置的有效性，需要进行吸附单元的吸附 能力实验；为了验证机器人整体运动系统的灵活运动，也要进行机器人的壁面爬 行、转向、壁面过渡和越障能力等测试实验。- 9 -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章爬壁机器人吸附稳定性研究面向船体的爬壁机器人，既要吸附可靠，又要运动灵活，因此机器人吸附方 案选择和运动机构的设计显得尤为重要，本章将对此展开研究。由于机器人的吸 附性能对整机性能有着决定性的影响，本章从分析机器人可能出现的所有失效形 式入手，研究稳定吸附的条件，并在此基础上分析了影响机器人越障能力的因 素，为后续轮式悬磁吸附装置的设计提供理论基础。2.1爬壁机器人系统方案研究2.1.1 爬壁机器人技术要求本课题的研究任务是设计一款面向远洋船舶的小型化、无缆化的壁面移动机 器人，为船舶壁面的侦查、检测、维护作业工具提供平台支持。机器人搭载电 源、无线通讯模块，以遥控的方式在船体壁面全方位的灵活运动。为适应船体壁 面形状，对机器人的壁面过渡能力和越障能力提出了较高的要求。以下是机器人 的具体技术要求指标。表2-1爬壁机器人技术指标技术要求设计参数自重2.5kg额定载荷2.5kg壁面过渡角30曲面适应能力R5mm (外表面）越障能力8mm (焊缝圆柱型）转向能力零半径灵活转向2.1.2 吸附方案分析要实现机器人在壁面的运动，首先需要提供可靠的吸附力。考虑到本课题的 应用背景和成本，主要考虑当前较成熟的负压吸附和磁吸附两种吸附方式。负压吸附是利用吸盘腔内外压差，借助大气压将吸附机构压在壁面的一种技 术。这种方式不受壁面材料的限制，只要有大气压的存在，就能提供吸附力。负 压产生的方式机理有多种，但基本都是依靠动能使空气分子产生运动，从而获得 压差。负压源自负压设备，常见的负压设备有真空泵和风机，都需外界能量来产 生负压。这样就增加了系统的功耗，带来了工作噪音。负压吸附爬壁机器人的正 常工作不仅需要负压源产生负压，还需要密封机构维持负压28。在吸附机构中， 抽气和漏气是一个动态的平衡，只有尽量的防止气体泄漏才能产生理想的吸附-11 -力，这对密封性提出了要求。而密封性就限制了机器人的壁面适应能力和运动的 灵活性。当壁面存在凹凸不平或者裂缝时，密封机构产生泄漏，严重时还会导致 吸附的失效。磁吸附方式是依靠吸附机构产生的磁场对壁面材料的作用力使机器人贴紧壁 面的，但是磁吸附只适用于导磁性材料，如常见钢铁及铁合金等。按磁场的来源 分为永磁吸附和电磁吸附。永磁吸附一般是利用高性能的永磁体获得稳定强大的 磁场，作用于壁面产生吸附力。这种方式无需额外能量，吸附力远大于负压吸 附，简单、方便、可靠。电磁吸附也能产生较大的吸附力，并能通过控制电流控 制磁场，为机器人的运动提供了方便，但是电磁吸附需要外接电源，如突然断 电，吸附会立即失效。本课题的应用环境为钢铁结构的船体壁面，其壁面过渡处存在棱角，并且表 面存在凹凸和焊缝。考虑到成本和吸附的安全，选用永磁体吸附方式将会取得理 想效果。2.1.3 运动方案分析与普通的移动机器人类似，爬壁机器人应用较广泛的移动方式主要有履带 式、车轮式、腿足式三种。腿足式移动机构落地点是离散的位置点，机器人能够 自主选择最有利的位置着地，有出色的壁面适应能力。但是腿足式运动机构系统 复杂，控制较困难，稳定性差。履带式机构是轮式机构的拓展，履带本身给车轮 铺路，与壁面接触面积大，带载能力强，附着稳定32，但是转向时，尤其是原地 转向时，如下图2-1所示，履带与壁面滑动摩擦功耗大，转向困难，严重时还会对 壁面碾压产生划痕，对船体表面造成破坏。轮式移动方式机构简单、控制方便， r- MTM图2-1履带机器人（左）和轮式机器人（右）转向受力示意图本课题要求中明确提出机器人功耗要低，转向要灵活，因此综合考虑，采用 轮式移动机构优势明显。2.1.4 总体方案研究以上的分析确定了磁吸附轮驱动的爬壁机器人系统方案。具体到轮驱动磁吸 附方案主要有两种形式：一种是吸附机构和和驱动机构分离；另一种是驱动行走 机构既负责移动又负责吸附的方式。前者一般是在轮驱动车体腹部安装永磁体， 这样永磁体辐射面积广、吸附力大、带载能力强，结合轮体驱动，机器人可以灵 活移动。但是由于要维持稳定的吸附力必须保证机永磁体和壁面的距离足够近， 磁力随永磁体与壁面距离的增大而急剧衰减。这就限制了机器人的越障能力和 曲面的适应能力，如图2-2所示，当机器人过凹曲面时会由于距离d的增大吸附 力锐减，而过凸面或者障碍物时，会因为底盘过低导致与永磁体发生干涉。凹面凸面图2-2磁吸盘式爬壁机器人凹凸曲面适应示意图图2-4爬壁机器人实物图 转向灵活，调速方便的爬壁机器人而对于行走机构既负责移动又负责吸附的方式常见的是用永磁材料制作机器 人轮体，但是现有的强永磁材料钕铁硼质地硬而脆，抗冲击、振动性能差，且吸 附效率不高，本设计针对此问题设计了一种强度好、吸附效率高的轮式悬磁吸附 装置（见本文3.1)，较好的解决了上述问题。从动轮图2-3爬壁机器人运动系统示意图为了研制一款面向船体壁面的吸附可靠，移动平台，设计了如图2-3所示的机器人运动系统。机器人运动系统主要包括主动 轮和从动轮，主动轮中心点分布于菱形的对角线端点上，从动轮落在菱形的另一 对角线上。其中主动轮为轮式悬磁吸附装置，既能提供可靠的吸附力，又能驱动 机器人灵活运动。两主动轮轴线重合，分别由直流电机通过减速器驱动，这样可 以实现机器人的差速驱动，通过控制两个电机的转速实现机器人的前进、后退、 转向等运动。非金属材料的万向从动轮分别在机器人的前端和末端，每个轮体可 以绕与机体垂直的轴线自由旋转，并且每个从动轮设计有上下浮动机构，这样可 以增强机器人的越障和壁面适应能力。这样的差速驱动，万向从动轮式的运动系 统使得机器人在转向时实现各个轮体的纯滚动运动，大大降低了转向的功耗，增 强了机器人的运动灵活性。机器人实物如图2-4所示。虽然整个机器人为四轮机构，但是从动轮为万向轮，在运动过程中主要起导 向和支撑作用，机器人的运动和转向控制是通过控制主动轮实现的。这样机器人 的运动学模型可以等效为图2-5所示。图2-5爬壁机器人运动机构简化图机器人等效运动模型的中心位于两主动轮轴线的中点o，此点的运动状态满足 如下的表达式xo = vsinO厂0 =0机器人的运动控制最终要依靠两侧主动轮的控制，因此要求得机器人质心速 度和两侧驱动轮速度的关系。|v = (aL +aR)R/2(2 2)= (aL -aR)R/B式中v一机器人质心平移速度a机器人机体的旋转角速度 仍L 一一机器人左驱动轮旋转角速度 0R 一一机器人右驱动轮旋转角速度B机器人轮中心距宽度 9 机器人姿态角 这样将式（2-2)代入式（2-1)得到式（2-3)，这样就得到了机器人质心速度 和两主动轮速度的关系。_ 1RXo =(仍 L +aR ):sin9Ryo =(仍 L +aR )cos9(2-3)=(L当机器人转向时，机器人的瞬时转弯半径为R。，机器人质心的运动速度与机器人旋转的角速度关系如下式（2-4)所示：v = Ra a(2-4)当左右轮的速度相等时，=0，而机器人速度v不为零，此时机器人转向半径 R 二。此时机器人做直线运动。当左右驱动轮速度大小相等方向相反时，根据 上述公式得v为零，而此时不为零，所以R = 0，即机器人做原地零半径转向运 动28。这样我们就可以通过控制两侧驱动轮的速度来获得机器人期望的直线速度和 转向旋转速度，也可以控制机器人的转弯半径。完成机器人的灵活运动。机器人的运动轨迹可以通过对质心速度和旋转角速度的积分获得，这样就能 完整的表达机器人在任意时刻的位置信息可以如下确定。x0 (t) = I v(t) sin 9dty0 (t) = v(t) cos 9dt(2-5)90(t) = a(t )dt2.2 爬壁机器人安全吸附条件研究爬壁机器人在运动过程中需要磁力吸附装置提供合适的吸附力。如果吸附力 不足，会影响稳定性，机器人有发生跌落的危险；而过大的吸附力又会导致机器 人驱动功耗过大，运动灵活性也受到影响。因此需要在保证机器人安全、稳定吸 附的前提下尽量提高机器人的运动灵活性、努力降低机器人功耗。本节将建立船体爬壁机器人的工作空间的位姿模型描述，在此基础上对机器 人任意姿态下静止和运动状态进行系统的力学分析。针对机器人所有可能发生的失效形式33，细致的研究了机器人吸附单元吸附力和负载及机器人结构之间的关 系。为确定可靠稳定的吸附力，设计合适的机器人吸附单元，提供基础。2.2.1 爬壁机器人工作空间位姿模型描述本课题所设计的爬壁机器人的工作空间为船体外表面，出于减小船舶航行时 的阻力的考虑，船体的前端表面一般都呈流线型的不规则光滑曲面，如图2-6所 示。但考虑到机器人相对船体体积较小，为了研究的方便，将船体曲面简化为与竖直面成a角的平面来表示机器人的工作空间简化为图2-7所示。图2-6远洋船舶图2-7爬壁机器人空间位姿模型上图2-7中，机器人以任意的位姿处于船体壁面，图2-7中的ZFZ为世界坐标 系，为船舶表面坐标系，xyz为机器人机体坐标系，O为机器人重心。a是 船体外表面相对于竖直平面的倾角，也即y轴与r轴之间的夹角，考虑到船体壁 面形状实际情况，ae0，z/2，方向是逆时针负顺时针正。P是机器人的空间位 姿角度，也即x，轴与x轴的夹角，一-疋/2,冗/2，方向同a。为了研究的方便，我们对机器人受力进行分解。如图2-7将沿7轴向下的G 在船体壁面坐标系oxyz内，分解为平行于壁面的y轴分量和垂直于壁面的z轴分G, = G cos a sin P - G G cosa + G sin a(2 9)m 2 + 2-式中Ff一一机器人所受到的静摩擦力一一机器人与船体壁面的静摩擦系数 N一一机器人每个吸附单元所受到的支持力 Fm 一一每个吸附单元工作时所产生的吸附力2.2.2.2 机器人的纵向倾覆如图2-9描述了机器人以任意位姿在工作空间向上运动的情况。由于受到Gy 和Gz倾覆力矩的作用，机器人会有绕着从动轮接壁点A纵向倾覆的趋势，而抵抗机器人绕着A点倾覆的力为两主动轮的吸附力，因此要保证必要的吸附力维持吸 附安全。此时机器人受力平衡方程如下式（2-10)所示。图2-9爬壁机器人纵向倾覆分析图厚 i (Fmi - Ni )L - Gy,H -孝 GzL-彻3L = 0Ma2i Fmi =i Ni + Gz(2-10)12Ffyy = Ff cos P =Ni cos P 之 Gy1Ma为对A点的力矩，由于机器人左右轮体相同，所以机器人左右两侧受吸附 力情况相同。因此有：r GyH Gz N, + N2 Ar11AFm H + Y + N1 )机器人轮体和壁面的相互接触产生了支持力，两接触面脱离时法向支持力为 零。要使得机器人不发生倾覆，必须不能和壁面脱离，因此所有的支持力必须大 于零，将式（2-7)代入式（2-11 )，从而得到机器人不发生纵向倾覆的条件：GH coscos P G sin,.Fm-V2L+Y(2-12)2.2.2.3机器人的横向倾覆在机器人沿着船体壁面运动时，除了机器人沿着y轴的运动以外的其他位 姿，机器人会产生绕着主动轮接壁点A的倾覆横向倾覆的趋势；机器人的此时受力状态如图2-10所示。图2-10机器人横向倾覆分析图 机器人上部主动轮的吸附力产生抵抗横向倾覆的力矩。而由于主动轮两吸附 单元的吸附力和法向支持力产生一定距离的偏距w，所以最下端轮体的吸附单元 也产生抗倾覆力矩。对于图2-10中主动轮吸附力和支持力的偏距大小w做如下研究。法向的支持 力在机器人倾覆的临界时刻，吸附单元的支持力呈三角形分布，表面正应力分布为n(x) = Nmaxx， x e0,b图示位置吸附单元接壁由上到下为x轴的正方向。求其- 19 -3yf2L + b6 拉 + 2b 346拉 + 2b机器人不发生翻转的条件是N 0,n3 0,n4 0。所以：、GH cos sin PG sin 汉F m 1 +分布力对下侧轮体接触点A的力矩，然后求其等效集中力的作用位置。f Nmaxx(x-0)dx = Nmax ( + w)，所以 w = J0 b2 26下面研究机器人在任意位姿角时，机器人整体的受力情况，由力和力矩平衡知:ZMa = Fm(拉 + w) + FmW(N + N4 + 2N)L -GXH -GzL + w)2Z Fmm =Z N + Gz2Ffx =Z N Sin P 之 Gx1机器人不发生横向翻转的条件为ZMa = 0。因此有：拉 + b/322.2.2.4机器人的侧向倾覆对于绕主从动轮接壁点连线00的侧向倾覆，当机器人在船体壁面沿着斜上 方，位置姿态角卢=土 45 时，如图2-11所示，O3O4的连线和水平面平行。此 刻，机器人重力对机器人几何中心在壁面投影力矩作用，发生绕底部轮连线O3O4 倾覆的危险最大。现分析该时刻的机器人受力情况。起抵抗倾覆作用的主要是上 侧主动轮的吸附力。如图2-11所示，现按以上分析思路，列写该状态的力学平衡 方程如式（2-16)所示：3GHG (32L + b)+ (N3 + N4 + 2 N)-(2-15)图2-11机器人侧向倾覆分析图(2-13)32L(2-14)FZMo4 = FmL- (N + 零-GyH -GZL/2 = 02(2-16)Z Fmi =Z N + Gz2Ff =N 之 G1仍然利用支持力恒为正这个条件，N o,n3 0，所以，(2-17)GH cos a G sin a + - 23 -L2综合上述的滑移、纵向翻转、横向翻转、侧向翻转的多种失效形式，可以得 知单个吸附轮体的许用静态安全吸附力Fm 满足如下关系：n ,G cos a G sina GH cos a cos B G sin a(2-18)Fm- max(丁，拉 + 丁,GH cos a sin B 七 G sina GH cosa + G sina、拉 + b/32L2通过比较各式分母，很容易发现上式中第二项和第三项均小于第四项，所以 化简如下：(2-19)r G cos a G sina GH cos a G sina、Fm max( + ， + )L22 22.2.3 爬壁机器人运动状态受力分析机器人在工作空间以任意位姿做直线运动时，其驱动力由两侧电机提供，任 意时刻机器人加速度只能产生在沿着机器人本体坐标空间的y，轴方向。运用达朗 贝尔虚功原理，对应静态力学分析的失效形式，机器人直线运动时的受力和力矩 平衡方程为：Z Fm,-Z N - Gz = 0Ff - Ma - Gy, = 0(N + N + 2N、拉 / 2 + Gy,H + MaH + GzAl / 2 -2FmL