立式金属罐无损检测方法的研究爬壁机器人本体设计.doc

1 立式金属罐无损检测方法的研究爬壁机器人本立式金属罐无损检测方法的研究爬壁机器人本 体设计体设计 1 绪论 1 1课题研究背景 目的及意义 立式金属罐是石油化工行业中常见的储油设备 由于其长期暴露在外界 环境中受到各种侵蚀 导致金属罐罐壁发生变形 如出现凹坑 裂纹 防护 漆脱落造成的腐蚀等 如不及时发现并给予相应处理的话 会影响设备继续 安全运行或造成使用的隐患 所以在使用一定时间后要对金属罐罐壁进行检 测 目前 对立式金属罐无损检测的方法很多 最常用的方法是由人工搭建 脚手架携带检测仪器对金属罐壁进行常规检测 但是 这种方法需要检测人 员爬到十几米高的金属罐上作业 不仅操作危险 而且工作效率也不高 1 如 果能设计一款爬壁机器人代替人工携带检测设备按照预先设定好的检测轨迹 行走 并能准确的检测出缺陷和采集到相关数据 如 缺陷位置 大小 深度 等信息 这样金属罐的检测效率和安全性势必得到大大提高 国内 外的许多高校与科研机构都研究过金属罐爬壁机器人 他们研制 的多为履带式或永磁体镶嵌在车轮上的爬壁机器人 这些机器人大多数都存 在着体积和重量大 转向不灵活 容易对罐壁造成损坏等缺点 可以说没有 从真正意义上解决对金属罐安全 稳定和快速检定的问题 为此 应国家大 容量第一计量站的要求 辽宁石油化工大学提供解决方案并研制了一款非接 触永磁吸附方式 四轮驱动的爬壁机器人 以实现对大型立式金属罐的自动 化 快速 安全稳定的检测 1 2爬壁机器人国内外研究发展现状 爬壁机器人 WCR 2 作为极限作业的一个分支 是集机构学 传感器 控制与信息技术为一体的高新技术产品 3 已从六十年代日本的西亮讲师研究 第一台爬壁机器人的试验阶段转向了实用阶段 随着高新技术的迅速发展 爬壁机器人的稳定性和可靠性也得到了提高 在国外 大约 40 多年前就开始研究爬壁机器人 至今已日渐成熟 日本 2 大阪府立大学工学部讲师西亮在那个年代最早研制出一台壁面移动机器人的 原理样机 4 他被誉为研究爬壁机器人的第一人 此后 在世界范围内爬壁机 器人技术得到了迅猛的发展 相继出现了各种各样的样机 大部分已投入使 用 日本在这个领域的成绩最为突出 相继的是美国 英国 法国 意大利 俄罗斯 韩国等国家 国内有关爬壁机器人的研究起步较国外晚 可追溯到本世纪八十年代末 期 应国家 863 项目 计划的要求 哈尔滨工业大学率先研制出了永磁吸附 履带式爬壁机器人 5 8 在随后的 20 多年里 上海交大研制出了滑动吸盘爬 壁机器人 9 10 清华大学研制出了履带式永磁吸附爬壁机器人 11 12 北京航空 航天大学陆续研制出了蓝天洁士系列 13 WASHMAN 14 15 吊篮式爬壁机器 人 16 CLEANBOT I 17 SKYCLEAN 灵巧型擦窗机器人 18 蓝天洁宝 19 等 玻璃幕墙清洗爬壁机器人 上海大学研制出了用于幕墙清洗的爬壁机器人和 曲面壁面爬行机器人 20 22 重庆大学研制出了壁面清洗机器人 23 24 南昌大 学研制出了水下磁吸附式轮履焊接机器人 25 26 等 可以说我国在爬壁机器人 的研究领域取得了丰硕的成果 1 3爬壁机器人的分类 目前 对于爬壁机器人 27 28 的分类主要依据以下几个方面 车体的移动 方式 吸附方式和驱动方式等 按照移动方式划分 爬壁机器人可划分为履 带式 轮式 腿足式等 按照吸附方式划分 可分为磁吸附 真空吸附和推 力吸附等 按照驱动方式划分 可分为电机驱动 液压驱动和气压驱动等 由于工作环境和工作任务的不同 将车体的移动方式与吸附方式相结合能够 设计出各种形式的爬壁机器人 因为大多数的金属罐的壁面都是导磁性材料 它的表面有防护漆 凸起的焊缝等凹凸不平 所以不适合使用真空 负压等 其它吸附方式的爬壁机器人对其进行检测 以下重点介绍几种具有代表性的 永磁吸附方式的爬壁机器人 1 3 1 磁吸附爬壁机器人 1 永磁吸附履带式爬壁机器人 1987 年 日本日立制作所的内藤绅司等人研发了履带式永磁吸附检查机 器人 29 将永磁体镶嵌在链条上构成磁性履带 由履带吸附于壁面并带动机 3 器人本体移动 如图 1 1 a 所示 为了解决载荷集中的现象 他们又研制了一 种适合在平面上应用的载荷分散机构 即在履带上增加一根刚性导杆 使履 带的联接方式由铰链式变成刚性联接式 这种方法让载荷均匀分布于各个永 磁体上 该机器人机械尺寸为 390mm 310mm 90mm 自身重量为 7 6Kg 可 跨越 13mm 凸起焊缝 最大移动速度为 10m min 如图 1 1 b 所示 此后 他 们又研制出了一种适用于曲面的负荷分散机构 原理是将刚性导杆分割成多 段 之间用连杆作为连接机构 如图 1 1 c 所示 为了使履带式爬壁机器人结 构上对称 必须保证它的重心始终处于中心位置 导杆分割的数目必须为 2 的幂次方 机器人外形尺寸为 650mm 450mm l50mm 自重 27Kg 可跨越 平面上 13mm 的凸起和半径为 2m 的曲面外侧的 10mm 的凸起 图图 1 1 日本履带式永磁吸附爬壁机器人日本履带式永磁吸附爬壁机器人 29 Fig 1 1 Japan tracked permanent magnet adsorption climbing robot 1991 年 哈尔滨工业大学研制的履带式永磁吸附爬壁机器人 30 该机器 人适用于对石油石化企业金属罐进行喷砂除锈 检测涂层厚度和喷漆等工作 如图 1 2 所示 该机器人的永磁体嵌入地安装在履带上形成磁性履带 其爬行 速度可达 2 8m min 控制方式采用有线遥控式 遥控范围在 25m 内 负载能 力可达 300N 以上 可跨越 5 10mm 的焊缝 为防止机器人发生倾覆 在机 器人的尾部安装了一个万向轮 1997 年 该学校又研制了另外一种履带式 永磁吸附爬壁机器人试验样机 31 该机器人可用于电站锅炉上的水冷壁排管 的清扫 敲渣 测厚等 如图 1 3 所示 为了与管壁形状相吻合来减少永磁单 元与管壁间的气隙 进而提高磁吸附力 将永磁吸附单元设计成弧形 将履 带用密封罩密封起来 为了防止永磁吸附装置对壁面上杂碎铁屑的吸引还专 门设计了气压回路 该爬壁机器人采用有线遥控方式运行 速度为 2 9m min 遥控范围大于 60m 能承载大于 40Kg 的重物 4 图图 1 2 哈工大履带式爬壁机器人哈工大履带式爬壁机器人 30 图图 1 3 哈工大水冷壁清扫爬壁机器人哈工大水冷壁清扫爬壁机器人 31 Fig 1 2 HIT track climbing robot Fig 1 3 HIT track climbing robot 1997 年 上海交通大学研制了油罐容积检测用爬壁机器人 32 如图 1 4 所示 该爬壁机器人为永磁吸附 履带式结构 将永磁铁镶嵌在履带上构成 磁性履带 它采用后驱动方式 并且具有载荷分散机构 对壁面具有较强的 适应能力 该机器人爬行速度为 2 4m min 自重 不含电缆 126N 可承载 16Kg 重物 清华大学研制的 TH Climber I 型 33 永磁吸附履带爬壁机器人 如图 1 5 所示 它的尺寸为 500mm 450mm 200mm 驱动力由两个功率为 80W 的直 流电机提供 运动速度为 2 8m min 吸附力由 36 块永磁体提供 在机器人 运动过程中 每一刻都有 24 块永磁体与壁面吸附 实际吸附力可达 150N 图图 1 4 上海交大容积检测机器人上海交大容积检测机器人 32 图图 1 5 TH Climber I 爬壁机器人爬壁机器人 33 Fig 1 4 Robot of SJTU for Volume Fig 1 5 TH Climber I wall climbing robot 5 2 永磁吸附轮式爬壁机器人 如图 1 6 所示为瑞士联邦理工学院研制的 Mother Child 轮式爬壁机器 人 34 该爬壁机器人主要用于管道检测 由两部分组成 一部分是母体 Mother 吸附力由四组磁性轮来提供 重量为 18Kg 能在角度大于 150 的壁 面间顺利过渡 另一部分为子体 Child 总重量为 2Kg 其中包括本体重量 0 8Kg 传感器 0 3Kg 和电缆 0 9Kg 运动速度为 30m min 母体 Mother 适合 工作在厚度为 1 5mm 以上的导磁壁面 当壁面厚度小于 1 5mm 的薄壁面或边 缘时 由子体 Child 机器人来完成检测 图 1 7 为日本三菱重工研制的永磁吸附轮式喷涂爬壁机器人 该爬壁机器 人采用非接触式永磁吸附方式 永磁体嵌入式地安装在本体的中部 由电缆 提供电力 其结构尺寸为 800mm 500mm 200mm 由于机器人自身重量较大 为 40Kg 所以导致其转向相对较慢 主要用于携带大型设备对钢质表面进行 壁面清洗和喷漆等工作 35 图图 1 6 Mother child 机器人图机器人图 34 图图 1 7 三菱机器人三菱机器人 35 Fig 1 6 Mother child robot Fig 1 7 Mitsubishi robot 日本钢管株式会社研制的车轮移动方式的磁吸附爬壁机器人 36 如图 1 8 所示 该机器人可替代人工来检测或修理如船体 油罐等的大型导磁壁面 该机器人的壁面吸附力来源于磁性车轮组 驱动力是靠两台直流电机产生的 作业工具由位于车体右侧的机械手臂夹持 它的特点是行走速度快且平稳 高速为 9m min 对吸附壁面的形状不做限制 6 1 VR VL 图图 1 8 日本磁吸附轮式机器人日本磁吸附轮式机器人 36 1 驱动轮 驱动轮 2 辅助支撑轮 辅助支撑轮 3 底板底板 Fig 1 8 Japan wheeled robot magnetic 图图 1 9 水轮机修复机器人示意图水轮机修复机器人示意图 37 Adsorption Fig 1 9 Turbine repair robot schemes 2006 年 清华大学桂仲成等人研制了用于水轮机叶片修复的爬壁机器人 37 如图 1 9 所示 该机器人采用两轮式移动机构 非接触的永磁吸附方式 为了使机器人有个好的壁面适应性 它的永磁吸附装置被设计成有 3 个自由 度 机器人的结构尺寸为 600mm 400mm 100mm 特点吸附能力强 可达 11400N 转向灵活 可实现原地转向 运行速度为 0 017m s 3 永磁吸附足式爬壁机器人 足式爬壁机器人克服了轮式爬壁机器人的越障能力差 不适合复杂壁面 环境等的缺点 它具有越障能力强 适应复杂壁面环境能力和壁面过渡能力 等特点 如图 1 10 为西班牙工业自动化研究所研制的电磁吸附足式爬壁机器人 REST 1 38 REST 1 由 6 个腿足构成 由电磁铁提供足部的吸附力 每条腿 可实现 3 个自由度 机器人本体可实现 18 度的自由移动 自重 220Kg 负载 能力约为 1000N 腿部关节最大转动速度是 130 度 秒 该机器人主要适用于 船舶的制造和维护工作 7 图图 1 10 REST 1 机器人机器人 38 图图 1 11 日本足式机器人日本足式机器人 36 Fig 1 10REST 1 robot Fig 1 11 Japan foot type robot 1984 年 日本日立制作所的佐藤主税等人研发的磁吸附式八足爬壁机器 人 36 39 如图 1 11 所示 该机器人有 8 只永磁体制作的脚 内外两侧各四只 在行走过程中 机器人靠内 外两侧 8 脚在壁面上交替吸附来实现壁面上的 直线运动 转向运动靠内 外框架之间的相对转动来实现 机器人的每条腿 抬起和落下都是靠电机带动丝杆来完成的 其移动速度最大可达 1 1m min 1 3 2 真空吸附爬壁机器人 如图 1 12 所示为意大利卡塔尼亚大学的 Domenico Longo 等人研制的 Alicia 40 轮式负压吸附壁面爬行机器人 由一个吸盘和两个轮子组成 吸 盘用来提供吸附力 车轮分别用两个直流电机来提供驱动力 目的是实现 转向灵活 车轮与电机轴之间采用垂直方式绞合 如图 1 13 所示为美国 VORTEX HC 公司设计研制的 CLIMBER III 41 爬壁 机器人 CLIMBER III 可分为四个驱动轮和六个驱动轮两种型号 均采用涡 流驱动静态滑动式吸盘方式运动 机器人本体尺寸为 20 3cm 21 6cm 11 4cm 重量轻 大约为 1Kg 运动速度为 9m min 8 图图 1 12 ALICIA 40 机器人机器人 图图 1 13 CLIMBER III 机器人机器人 41 Fig 1 12 Italia ALICIA robot Fig 1 13 CLIMBER III robot 1 3 3 推力吸附爬壁机器人 1995 年 西亮教授在日本宫崎大学成功研制了 飞行爬壁机器人 42 该机器人的驱动力来源于内燃机驱动螺旋桨 螺旋桨运动起来产生将爬壁机 器人向上推动的力和贴附于壁面的压力 北京航空航天大学机器人研究所于 1998 年研制出了一种新型擦窗机器人 43 该机器人的清洗速度为 10m min 是人工清洗速度的 5 到 10 倍 1 4 课题开展的主要工作 论文将结合爬壁机器人的吸附功能 移动功能和检测功能 主要完成以 下工作 1 爬壁机器人本体结构设计 根据爬壁机器人的作业环境 技术参数的要求 设计爬壁机器人的本体 结构 包括驱动 吸附和移动结构以及整体机械框架 2 爬壁机器人控制系统设计 为保证爬壁机器人控制系统的可靠性 采用上 下位机联合控制的方式 通过对机器人测控系统的软 硬件设计 来实现爬壁机器人的运行速度 姿 态角度等的控制 为了确保爬壁机器人能顺利完成指定的任务 专门为其配 备了一些特殊 倾角检测 电机测速 超声波检测等 传感器 3 爬壁机器人样机测试 为了验证爬壁机器人的各项功能 设计了性能测试实验 包括运动能力 纠偏能力 越障能力和负载能力测试 9 1 5 论文的主要研究内容 论文的主要内容如下 1 简述了爬壁机器人技术在国内 外的研究与发展现状 并且介绍几种典 型的爬壁机器人 2 总体方案设计 包括本体设计和无损检测系统设计 根据爬壁机器人作 业现场环境的要求 并结合机器人自身的特点 设计了爬壁机器人的驱动方 式 移动方式和吸附方式 通过分析几种常规无损检测方法 设计以爬壁机 器人为载体的无损检测系统 提出设计目标 给出了爬壁机器人性能指标参 数 3 在确定爬壁机器人驱动方式 移动方式和吸附方式的基础上 对爬壁机 器人本体进行机械结构设计 并给出相关主要零部件的设计图 4 分析和建立了爬壁机器人静力学和运动学模型 计算出爬壁机器人抗倾 覆和抗滑落的条件 并分析出机器人在直线运动 圆弧转向运动和旋转运动 状态下的运行轨迹 5 设计爬壁机器人控制系统硬件电路及软件程序 以 AT89C51 微控制器 为平台 搭建了爬壁机器人各项功能模块 并对各个模块进行详细的论述与 设计 在此基础上完成了系统主程序和相关子程序的 C 语言程序设计 利用 设计的 PI 控制器和 PWM 脉宽调速模块结合倾角传感器 对爬壁机器人的速 度和位姿进行调节和控制 6 通过构建测试平台 对设计的爬壁机器人的运动能力 纠偏能力 驱动 能力 越障能力等性能指标进行测试 检验爬壁机器人是否满足设计要求 7 总结论文所完成的工作 指出现有爬壁机器人样机存在的不足以及下一 步研究工作的方向 10 10 2 立式金属罐无损检测爬壁机器人总体分析与设计 2 1 立式金属罐无损检测爬壁机器人总体设计目标 2 1 1 功能设计目标 爬壁机器人作为机器人的特例 是一种具有高复杂度的智能化系统 主 要包括机械本体和控制系统两大部分 要想设计出一个完整的机器人系统 就必须让机械结构设计与控制系统设计人员相互促进 密切配合 机械结构 部分的设计既是控制系统设计的出发点和依据 又是机器人功能实现的基础 因此本设计的立式金属罐爬壁机器人总体设计的目标应从以下几点作重点考 虑 1 移动功能 能够在立式金属罐的水平和竖直壁面上自由爬行 2 吸附功能 能够安全可靠地吸附于金属罐壁面 即 各种导磁性材料 的表面 3 转向功能 能做到任意方向旋转 旋转半径非常小 4 越障功能 具有一定的越障能力 能跨越焊缝等障碍物 5 负载能力 能够携带各种检测装置和供电电缆在罐壁表面任意行走 5 控制系统 做到体积小 重量轻 操作方便 运算速度快 保障通信 的实时 可靠 能实现多任务实时处理 满足各项控制要求 6 检测功能 根据预先设定好的检测路径检测整个油罐 2 1 2 性能指标 主要设计参数及技术指标如下 1 几何尺寸 388 324 100mm3 2 自重 不包括电缆 6Kg 3 吸附力 由强磁性材料钕铁硼 N35 提供 4 驱动力 120N 5 驱动方式 四个独立的 24V 直流电机 6 车轮材质 防滑橡胶 7 运行速度 2 5m min 11 8 运动角度误差 0 5 9 越障能力 跨越 2 5mm 的障碍 10 连接电缆 长 50 米 重 6Kg 11 电源 24V 直流 安全免维护型蓄电池 容量为 65 安时 12 工作时间 可连续工作 8 小时 2 2 立式金属罐爬壁机器人总体结构设计 为实现作业目的 爬壁机器人首先必须具有在竖直壁面上吸附和移动的 功能 此外还应该有检测功能 控制功能等 因为本文着重研究爬壁机器人 的本体结构和控制系统 所以其他部分只是略作讨论 所以爬壁机器人系统 应包括机器人本体 控制系统 检测系统三大部分 爬壁机器人本体主要包括吸附机构和移动机构两大部分 嵌入式地安装 在爬壁机器人底板上的永磁体可以产生足够大的吸附力 使机器人本体安全 可靠地吸附在立式金属罐壁面上 移动部分靠安装在车体两侧的四个轮子来 完成 运动和刹车机构由四个 24V 直流电机和一个步进电机来实现 四个直 流电机分别驱动四个车轮完成爬壁机器人在壁面上的水平 竖直及转向等动 作 步进电机驱动凸轮机构实现机器人的刹车功能 控制系统的主要任务是通过控制板完成机器人在壁面上的作业功能 包 括自动作业和手动操作两种模式 控制系统设计要遵循可靠 小型 轻量 便于维护的思想 直接安装在机器人本体上 检测系统是为了完成对立式金属罐进行无损检测而设计的 它以超声波 干耦合轮式探头作为其前端检测的主要部件 以爬壁机器人作为载体 2 2 1 驱动方式设计 1 驱动方式的选择 爬壁机器人驱动方式 44 主要分为 液压驱动 气动驱动和电机驱动三种 如表 2 1 所示是三种驱动方式的比较 表表 2 1 三种驱动方式的比较三种驱动方式的比较 Table 2 1 Comparison of three types of driver 项目液压驱动气压驱动电机驱动 控制距离短中短不限 12 信号转换稍困难容易很容易 表表 2 1 三种驱动方式的比较三种驱动方式的比较 续表续表 Table 2 1 Comparison of three types of driver 项目液压驱动气压驱动电机驱动 技术成熟性好好好 结构重量重轻一般 构造难度一般方便一般 可靠性好好好 可控性好一般好 承载能力较大一般较大 立式金属罐爬壁机器人是专为检测大型立式金属罐等导磁壁面而研制的 应具有灵活的转向功能 可跨越一定的障碍和负载能力强 要求结构简单 有较高的控制性 为此由表 2 1 可知 电机驱动方式较适合作为爬壁机器人的 驱动方式 2 驱动电机的选择 为了降低爬壁机器人的自重 提升其工作性能 采用瑞士产 MAXON 24V DC 电机作为爬壁机器人本体的驱动源 该种电机体积小 重量轻 过载 和抗电磁干扰能力强 转动惯量小 具体性能参数见附录 1 对爬壁机器人驱动部分的主要性能指标有如下要求 轮子最大转速 19 9rpm MAX n 轮轴转矩 1 5Nm RMS M 最大轮轴转矩 1 85Nm MAX M 1 齿轮减速箱选择 由于瑞士 MAXON DC 电机的理想转速为 6000rpm 而按着设计的要求 减速后电机转速为 19 9rpm 所以由 2 1 式计算知 2 1 1 51 301 9 19 6000 实 i 而 因此选择齿轮减速箱的减速比为 295 1 传递效率为 比实际 ii 60 2 电机转矩选择 依照可知 减速箱效率减速比轮轴转矩 M 2 2 mNm475 8 RMS RMSmot 实实 实 i M M 13 2 3 mNm452 10 MAX MAXmot 实实 实 i M M 3 电机功率的选择 根据可以选择功率适合的电机 一般来说 直流电机的输出功率应该P 满足如下条件 PPP 5 12 max 2 4 60 2 nMP 将已知条件代入上式 计算得 mNmM452 10 rpmn6000 WP56 6 因此选用的电机的最大输出功率应该在 9 84W 13 12W 之间 通过 max P 以上的参数计算 本设计选用瑞士 MAXON 公司生产的 A max 26 24V 11W 的直流电机 选择减速比为 295 1 的 GP 32C 行星mm26 齿轮减速箱 详细参数见附录 1 2 2 2 移动方式设计 爬壁机器人的移动方式主要分为履带式 29 33 轮式 34 37 40 41 和多足式 38 39 45 46 三种 三种方式的比较见表 2 2 表表 2 2 三种移动方式的比较三种移动方式的比较 Table 2 2 The comparison of three move way 移动方式轮式履带式多足式 概 要 一般配有多个轮子 每 个轮都单独配有一个电 机驱动 由电机驱动两条无 轨履带 实现机器 人的移动 用电机控制多个足交替 吸附与脱落 来实现移 动 特 点 运动速度快 转向灵活 便于控制 与壁面摩擦 力较小 越障能力较差 运动安全平稳 负 载和越障能力强 转弯困难 容易对 壁面造成伤害 运动速度慢 运动平稳 性差 越障能力强 在 垂直壁面容易脱落 负 载能力强 在爬壁机器人的各种运动机构中 车轮移动方式运动速度快 运动转向 灵活 但负载能力相对来说较差 履带运动方式与壁面的接触面积大 吸附 能力强 对壁面的适应能力强 但其运动灵活性较差 多足步行运动方式的 吸附能力强 负载能力强 较其他两种运动方式容易跨越障碍和实现壁面过 渡 但其运动速度较慢 控制难度高 本设计的爬壁机器人要求运动速度快 转向灵活 能够跨越一定高度的 14 障碍 负载能力要求不是很高 所以综合考虑这三种运动方式 选择了轮式 移动方式 2 2 3 吸附方式设计 1 吸附方式的选择 爬壁机器人的吸附方式主要分为 磁吸附 29 39 真空吸附 40 41 47 和推力 吸附 42 43 各种方式的优缺点如表 2 3 所示 表表 2 3 三种吸附方式的比较三种吸附方式的比较 Table 2 3 Comparison of three types of adsorption 吸附方式优 点缺 点 单吸盘 结构简单 体积小 易控制 允许有一定程度的泄漏和壁面 突起 越障能力低 不适用于复杂壁面环 境 一旦断电或超过泄漏量允许值 将丧失吸附能力 真 空 吸 附 多吸盘 密封性好 吸附力稳定 越障 能力强 适应复杂壁面环境 结构复杂 难于控制 断电后将丧 失吸附能力 永磁式 维持吸附力不需要外加能源 吸附能力强 安全 稳定 可 靠 只适用于导磁材料 步行运行时磁 体与壁面脱离较困难 磁 力 吸 附电磁式 磁体与壁面容易脱离 吸附力 实时可调 易实现快速移动 需要外界供电 电磁体重量大 不 适合易燃易爆场所 推力吸附 无泄漏问题 对壁面适应性强 越障容易 控制复杂 噪声大 体积大 效率 低 三种吸附方式中 真空吸附的优点是它可吸附于任何壁面 不受壁面材 料限制 如果吸附面不平整 吸盘可能会发生漏气现象 吸附力和承载能力 都受影响 磁吸附方式中 不论是永磁吸附还是电磁吸附都要求吸附壁面为 导磁性材料 但该吸附方式的吸附力大 对壁面环境适应能力强 并且在结 构设计上也很简单 推力吸附是利用涵道风扇或螺旋桨等产生垂直于壁面的 负压力 把机器人推向壁面 该方式的优点是无泄漏问题 吸附力大小可控 缺点是工作效率低 运动精度难于控制 吸附稳定性差 由于本设计的爬壁机器人是专为立式金属罐等导磁材料量身定做的 电 磁吸附需要外界提供电源才能提供磁力 考虑到罐区不应该使用强电 所以 本设计选择了永磁吸附方式 2 爬壁机器人吸附单元优化设计 爬壁机器人吸附单元优化的设计主要有两方面 一方面 根据永磁材料 15 性能参数所决定的吸附性能的好坏来选择永磁材料 另一方面 设计能发挥 永磁体最佳吸附性能的吸附装置的结构 磁性材料 48 49 的选择 欲选择最好的永磁材料 最基本的磁性要求是 1 剩余磁感应强度要高 r B 2 内禀矫顽力要大 cJ H 3 最大磁能积要高 maxBH 4 回复磁导率近似等于 1 rec 5 高的工作温度 表表 2 4 钕铁硼钕铁硼 N35 的性能参数的性能参数 Table 2 4 Performance parameters of Nd Fe B N35 剩磁 Br T 磁感矫顽 力 HCB kA m 内禀矫顽 力 HCJ kA m 最大磁能 积 BH max kJ m3 Br的温 度系数 密 度 m3 最高工 作温度 回复磁导 率 rec 1 17 1 23 851 955 955264 288 0 127 3 103801 05 1 10 从表 2 4 可知钕铁硼 N35 的剩磁 Br 为 1 17 1 23T 和最大磁能积 BH max为 264 288kJ m3 其最高矫顽力高达 2244 7KA m 由于永磁材料钕铁硼 N35 具有优越的性能 因此本设计选用该永磁材料 吸附装置优化设计 据文献 50 51 可知 永磁体磁路结构的形式主要有三种结构类型 如图 2 1所示的 a 开路结构 漏磁严重 磁能利用率低 并且不容易固定 b 两 块轭铁内夹永磁体的甲型磁路结构 当气隙很小时 吸附力较大 但随着气 隙的增大 其吸附力会成指数倍迅速降低 所以不适合用于工作气隙不断变 化的场合 c N S永磁铁附着轭铁的乙型磁路结构 漏磁较小 磁块越靠近 吸附壁面 吸附力越大 因此这种结构的工作气隙范围较宽 在工作气隙不 断变化的场合使用该种磁路结构是理想而明智的选择 因为本设计的爬壁机 器人采用非接触式永磁吸附方式 由于金属罐壁的凹凸不平很容易使其在运 动过程中的工作气隙不断地发生变化 所以选择 c 结构作为机器人的磁路结 构 16 图图 2 1 常见的三种磁路结构简图常见的三种磁路结构简图 Fig2 1 Common three magnetic circuit structure diagrams 图图 2 2 爬壁机器人磁路简图爬壁机器人磁路简图 Fig 2 2 Wall climbing robot magnetic circuit diagram 吸附力计算 如图2 2所示为本设计用的爬壁机器人吸附单元结构简图 其中空白处为 永磁体 阴影部分为轭铁 网格部分为隔磁材料 选用的是薄铜板 本设计中选用的单个永磁块的尺寸为50mm 25mm 10mm 其使用面积 为1250mm2 为了增强磁力 利用同样的两块磁体叠放起来作为一个单元 其中两个子单元间的隔磁材料选择厚度为5mm的铜板 轭铁材料选用Q235的 钢板 外形尺寸为115mm 50mm 10mm 机器人的吸附单元是由四个该结构 的子单元组成 爬壁机器人吸附单元的磁路结构中有用磁通密度为 u B 2 5 m d d mdrecdLmu H H B HHBBBB 式中 u B永磁体有用磁通密度T m B永磁体工作点磁通密度T L B永磁体漏磁通密度T 17 d B对应的磁通密度永磁材料最大磁能积点T d H对应的磁场强度永磁材料最大磁能积点A m m H永磁体工作点磁场强度A m rec 回复磁导率 48 为 永磁体气息能量 2 6 0 2 2 ggg LSB E 式中 E永磁体气隙能量J g B永磁体气隙磁通密度T g S永磁体气隙截面积 2 m g L永磁体气隙长度m 0 绝对真空磁导率mH 7 0 104 依据 2 6 式 知永磁吸附力满足下式 2 7 0 2 2 gg g SB L E F 吸 通相等 气息的磁通量与有用磁得知 通过永磁体工作依据磁通量连续的原理 即 2 8 ggmu SBSB 式中 m S永磁体横截面积 2 m 永磁体磁势有如下关系永磁体工作气隙磁势和 2 9 ggmm LfHLH 式中 m L永磁体长度m g H 强度永磁体工作气隙的磁场mA f磁阻系数5 1 1 1 f 有如下关系 与磁通密度强度永磁体工作气隙中磁场 gg BH 2 10 grg HB 式中 r 导率永磁体工作气隙相对磁 所以 因为空气磁导率1 r 2 11 gg HB 联立 2 5 和 2 7 2 11 式可得为 吸 永磁体磁吸附力F 18 2 12 2 ba 1 F g L 吸 其中 0 2 g drec d d mg S H H B SS a 0 2 g dm S HLf b 图图 2 3 工作气隙变化对磁力影响关系图工作气隙变化对磁力影响关系图 Fig 2 3 Working air gap change on the magnetic influence diagram 如图 2 3 所示为永磁体磁吸附力与工作气隙间的关系曲线 图中可以看出 永磁体吸附力的大小随气隙呈平方关系衰减 为了保证爬壁机器人能可 吸 F g L 靠的吸附于立式金属罐壁面 除了考虑永磁体吸附力的大小外 还应考虑工 作气隙的大小 工作气隙太大则会导致吸附力明显下降 致使爬壁机器人从 壁面脱落 工作气隙过小则会影响爬壁机器人运动灵活性 为了使爬壁机器 人安全稳定的作业 一定确保其工作在合理的气隙范围内 2 3 无损检测系统设计 2 3 1 几种常规的无损检测方法 无损检测方法 52 54 分为常规检测方法和非常规检测方法 这里主要介绍 几种常规无损检测方法 其中包括超声检测 涡流检测 射线检测 磁粉检测 超声波检测 UT 55 58 分为穿透法和脉冲反射法 这里以脉冲反射法为例 说明超声波检测原理 脉冲检测法是将超声波探头放在被检工件一侧 根据 探头采集到超声波在被检工件内部被缺陷反射的回波的时间来计算工件的厚 度或缺陷的深度 假设超声波被反射的时间为 而声波的传播速度为 由tC 19 此可以计算出工件的厚度或是缺陷的深度 计算公式为 H 2 13 tCH 2 1 常规超声检测的优点是检测对象广 穿透能力强 缺陷定位准确 灵敏 度高 成本低 使用方便 速度快 对人体无害等 缺点是在检测时必须在 被检工件和超声探头间涂抹耦合介质 以达到良好的检测效果 这样就导致 该方法不适合用于快速地对大规模工件进行自动检测的场合 涡流检测 ET 59 60 是建立在电磁感应原理基础上的一种表面或近表面的 无损检测方法 该检测方法的优点是在被检工件与探头间不需要任何耦合介 质 检测速度快 缺点是只能检测深度较浅的缺陷并且还无法探知缺陷的种 类和具体形状 射线检测 RT 61 62 的基本原理是利用射线能透过物质 在物质内发生规 律性衰变 透过的射线使光物感光 照相法 或发生荧光 屏幕法 射线检 测法的优点是贯穿能力强 能适应各种材料的检测 缺点是射线具有辐射生 物效应 可对人体产生伤害 检测成本高 检测机构复杂 磁粉检测 MT 63 原理 被检工件被磁化后 在其表面或者近表面的磁力 线会发生局部变形而形成漏磁场 吸附施加在表面的磁粉 在合适的光照条 件下形成可见磁痕 这就显示出了缺陷的位置 形状和大小等信息 它的优 点是检测灵敏度高 成本低 检测结果显示直观 缺点是被检表面必须干燥 清洁 需要有技术人员全程操作 工作量大 不适用于自动检测 2 3 2 基于爬壁机器人的超声波干耦合无损检测方法 国内对于立式金属罐的无损检测技术大多还处于用人工进行操作 在国 外已有将自动爬壁超声波检测技术应用于罐壁腐蚀检测的先例 64 该技术是 以自动爬行装置为载体背着超声波测厚装置对罐壁进行检测 不仅检测费用 低 操作方便 采集数据多 而且检测结果更具代表性 采用干摩擦耦合方 式的这种设备除了具有无需耦合剂 不需打磨防腐层等显著的优点外 还具 有检测速度快 效率高 能实现在线检测的优点 这种技术在国内也逐渐有 了一些应用 考虑到进口国外的产品不仅价格昂贵 而且一旦出现故障维修 是个大问题 因此准备自己设计载体爬壁机器人 然后进口国外的超声波干 耦合探头组合成一个超声检测爬壁机器人 20 1 干耦合技术 干耦合 63 也称作干压式耦合 即在探头下方附以软橡胶或塑料垫 或在 滚动探头上加上轮胎 压向工件 干压耦合的实质就是利用一种与水有一样 声阻的固态物质 橡胶 或其他软材料 取代液体耦合介质 这种技术与 传统的耦合技术有着同样的效果 但是该技术的优点是无需耦合剂 本设计 选用的轮式探头就是利用这种技术制作的 2 超声波探头的选型 本设计选用的超声波探头是 5MHZ 的双晶轮式探头 65 它采用的是干耦 合技术 探头的内部结构如图 2 4 双晶探头被包在橡胶轮套内部 靠内部支 架将其撑成轮子形状 为了使轮内空间密封 在轮的两侧各有一个用于封闭 的圆片 由于有橡胶轮套的保护 超声波探头不直接与罐壁接触 检测装置 在罐壁上行走的过程中 超声波探头不会受到任何损伤 而且由于橡胶的柔 软特性 在检测时能更好的与罐壁接触 轮式干耦合探头作为检测装置的一 个辅助轮 被安装在检测爬壁机器人前下方 紧贴罐壁运行 a 内部结构 b 俯视图 图图 2 4 轮式探头结构示意图轮式探头结构示意图 Fig 2 4 Wheeled probe structure schematic drawing 2 4 小结 本章通过对爬壁机器人驱动方式 移动方式和吸附方式的分析与设计 本文最终确定选用直流电机作为机器人的驱动方式 永磁体为其提供吸附力 以四轮移动方式作为机器人的移动机构 简要介绍了几种无损检测方法的原 理以及优缺点 概述了超声波轮式干耦合探头的检测机理和探头内部结构 21 21 3 立式金属罐无损检测爬壁机器人本体机械结构设计 机械结构是爬壁机器人运动的物质基础 是爬壁机器人完成检测任务的 具体执行机构 爬壁机器人的所有功能都是有机械机构配合控制系统共同完 成的 根据上一章节对机器人整体的规划以及对性能参数的设计 确定爬壁 机器人的机械结构图如图 3 1 所示 其中主要包括 底座 直流电机 电机座 轴承 轴 轴承座 车轮 刹车块和步进电机以及其控制的凸轮渐进结构等 部件 1 车轮 车轮 2 轴承座 轴承座 3 轴承 轴承 4 电机座 电机座 5 直流电机 直流电机 6 轴 轴 7 刹车块 刹车块 8 9 左 右杠杆 左 右杠杆 10 永磁体 永磁体 11 永磁体支座 永磁体支座 12 步进电机 步进电机 13 凸轮凸轮 图图 3 1 爬壁机器人本体结构简图爬壁机器人本体结构简图 Fig 3 1 Climbing robot body structure diagram 3 1 立式金属罐爬壁机器人主要机械部件设计 3 1 1 机器人车体底盘设计 为了降低爬壁机器人本体自重 在给爬壁机器人本体选材时要着重考虑 材料重量和强度 本设计选用 8mm 厚的铝镁合金板作为爬壁机器人本体框架 的基础材料 该材料具有密度小 强度大 单位体积的重量轻等优点 保证 了爬壁机器人底板的强度大和重量轻的的要求 从图 3 2 可以看到爬壁机器人 22 的底板被设计成四个顶角各挖掉一个长方体的形状 用来安装四个车轮 在 需要放置电机的两侧都被铣出了与电机支座和和轴承座相同宽度的凹槽 深 度为 2mm 用于固定直流电机和保持左右两侧电机同轴 在放置刹车块的两 侧也同样被铣出 2mm 的凹槽 宽度与弹簧座相同 它的作用是保证刹车块与 车轮在同一条直线上 使它们之间的接触面最大 刹车效果更好 而底板的 中央抠出的 117 5mm 60mm 8mm 的长方体孔是永磁单元固定区域 图图 3 2 爬壁机器人车体地盘机械图与三维立体图爬壁机器人车体地盘机械图与三维立体图 Fig 3 2 The framework of the body base diagram and three dimensional diagram 3 1 2 刹车机构设计 本设计的爬壁机器人的主要任务是携带无损检测设备在立式金属罐壁面 上做水平方向 竖直方向和任意角度的运动作业 并且还需要完成数据的实 时 准确的采集任务 因此 迅速 准确地使爬壁小车停下来是完成该项任 务的必要条件 本文设计的爬壁机器人刹车机构采用的是由步进电机驱动凸 轮渐进机构来完成的 凸轮渐进机构是由凸轮 左右杠杆 杠杆支座 压片 和左右两个刹车块及一些安装用的螺钉 螺母和弹簧等构成的 图 3 3 所示为 刹车块的机械图和三维立体图 23 图图 3 3 刹车块结构图与三维立体图刹车块结构图与三维立体图 Fig 3 3The framework of the brake block and three dimensional diagram 3 1 3 承重部件设计 为了保证爬壁机器人能可靠的吸附于立式金属罐的罐壁 本设计采用两 块钕铁硼叠放在一起的方式作为一个永磁吸附单元 由于永磁吸附材料钕铁 硼的磁力非常大 而直流电机的轴所能承受的力又是有限的 因此在运动过 程中容易使轴变形 为了防止上述情况发生 设计了专门的承重部件 一方 面为了使直流电机在负重的情况下正常运转不易造成轴变弯 本文设计了承 重轴 它是用来连接电机轴和车轮轴的 另一方面为了保证左右两侧电机同 轴 还设计了电机支座和轴承座 它们分别用来固定电机和承重轴 如图 3 4 所示为轴承座 电机支座和承重轴的机械图和三维图 a 轴承座 24 b 电机支座 c 承重轴 图图 3 4 承重轴 轴承座与电机支座结构图与三维立体图承重轴 轴承座与电机支座结构图与三维立体图 Fig 3 4 The framework of load bearing shaft bearing and motor base and three dimensional diagram 3 1 4 永磁固定区优化设计 通过第二章的磁力分析可知 永磁吸附力的大小与永磁单元与壁面之间 的气隙大小有直接关系 为了使爬壁机器人能适应不同的工作环境 需要调 节永磁单元与壁面的距离 本设计采用的方法是将四个由磁块构成的永磁单 元置于永磁体支座中 用隔磁材料间隔开 将永磁体支座卡在机器人车体底 板中间设计好的方孔中 用夹在支座与底板之间的调整垫片来调节永磁单元 与壁面间的气隙 使爬壁机器人可靠的吸附于罐壁 如图 3 5 所示为爬壁机器 人永磁固定区 25 图图 3 5 永磁体支座结构图和三维立体图永磁体支座结构图和三维立体图 Fig 3 5 The framework of permanent magnet base and three dimensional diagram 3 2 小结 本章主要介绍了爬壁机器人本体机械结构的总体设计方案以及构成本体 的主要部分的机械原理图和三维立体图 从爬壁机器人的本体机械结构可以 看出 爬壁机器人具有结构简单 质量轻 速度快 转向灵活 稳定性强 安全性高和便于控制等优点 同时还具有一定的越障能力和抗倾覆能力 26 4 立式金属罐爬壁机器人力学与运动学分析 4 1 立式金属罐爬壁机器人力学分析 爬壁机器人本体的可靠吸附需要克服两个力 一个是重力 使机器人在 重力作用下不致滑落 另一个是机器人倾覆力 使机器人在倾覆力矩作用下 不会脱离壁面吸附而跌落 综合考虑和分析爬壁机器人的结构以及运动特点 当机器人处于向前运动的状态时 前方有障碍物 前面两个轮准备越过障碍 物 此时爬壁机器人永磁吸附单元与壁面间的气隙被拉大导致吸附力不足 此时最容易使机器人从壁面侧翻下来 此时爬壁机器人的受力情况如图 4 1 所 示 4 1 1 抗滑落条件计算 图 4 1 是爬壁机器人在立式金属罐壁面上处于静止状态时的受力分析图 在竖直壁面上 对爬壁机器人进行静力学分析和求可靠性吸附条件的目的是 为设计和研制一个性能良好的机器人提供依据和参考 为了保证爬壁机器人 的安全不脱落 必须保证静止时爬壁机器人受力平衡 N11N12 N13N14 Y X O G F11F12 F13F14 L1 L2 图图 4 1 爬壁机器人受力分析图爬壁机器人受力分析图 Fig 4 1 Force diagram of wall climbing robot 假设爬壁机器人永磁吸附装置提供的吸附力的分布是均匀的 因此爬壁 27 机器人在壁面上处于静止状态时的力学平衡方程为 4 1 0X 0N N N N P 14131211 4 2 0Y 0F F F F G 14131211 4 3 1111 NF 静 f 4 4 1212 NF 静 f 4 5 1313 NF 静 f 4 6 1414 NF 静 f 式中 为永磁装置在立式金属罐罐壁上提供的吸力 P 分别为车轮与立式金属壁面间的作用力 1411 N N G 为爬壁机器人本体自重加上负载的重力 分别为四个驱动轮与壁面间的摩擦力 1411 F F 为驱动轮与壁面间的静摩擦系数 静 f 爬壁机器人在立式金属壁面上处于静止状态时 由于驱动轮被制动而不 能绕其自身轴线转动 因此 本文仅考虑爬壁机器人与立式金属壁面间存在 相对滑动而引起机器人滑落的情形 所以 式 4 3 4 6 中用到的静摩擦系数 均指滑动静摩擦系数 因为四个轮子受力情况相同 所以 假设它们都等 14131211 NNNN 于 因此 由 4 2 4 6 式可得 N 4 7 GN4 静 f 将 4 7 式代入 4 1 式得 4 8 静 f G P 由 4 8 式知 在爬壁机器人本体机械结构设计时 为了使爬壁机器人的 承载能力得到提高 应尽可能缩短永磁吸附装置与壁面间的距离和尽可能选 用材质较轻的金属材料作为爬壁机器人的基础材料 来达到降低 G 的目的 4 1 2 抗倾覆条件计算 欲使爬壁机器人在立式金属罐壁面上不发生倾覆 则机器人的驱动力矩 应满足如下条件 即 0MA 4 9 0LG 2 L N 2 L N 2 L N 2 L N 2 1 14 1 13 1 12 1 11 联合式 4 2 4 6 和 4 9 可简化为 28 4 10 1 2 2L LG N 再由 4 1 和 4 10 式知 4 11 2 1 2 P LG L 即 得到 4 12 1 2 L 2LG P 欲使爬壁机器人可靠的吸附于在竖直壁面上 必须满足 尽可能降0P 低爬壁机器人的重心使其靠近壁面 即尽可能小 同时在允许的情况下 2 L 尽可能拉长的距离 即尽可能拉开前后两车轮间的距离 在爬壁机器人整 1 L 体设计时 应尽量降低吸附装置的高度 缩小永磁吸附单元与壁面之间的工 作气隙 这样不仅有利于减小的值 而且还有利于增大永磁单元与壁面的 2 L 有效吸附面积 由 4 8 和 4 12 可以得到 为安全系数 1 2 LG2 maxP Lf G k 静 k 由 4 7 和 4 10 式得出 4 13 静 f G L LG2 8 1 N 1 2 欲使