爬壁机器人论文

爬壁机器人论文（精选7篇）

爬壁机器人论文 第1篇

爬壁机器人作为特种机器人的一种,主要在距离地面一定高度、人无法触及的各种自然环境、人工建筑、工业设施等的竖直或陡峭表面上进行工作[1],如工业中各种基础设施、设备的维护和检测工作,建筑物表面的清洁、喷涂及配套设施的安装、维护工作,高空救援、救险时的信息、物资传递工作等。日本东京液化气公司使用“蜘蛛”机器人进行大型球形罐焊缝的维护检测[2];德国莱比锡商业大厦25 000m2拱形玻璃外墙由该国IPA研究所研制的机器人定期清洗[3];我国厦门市锅炉压力容器检验所投入150万元人民币从美国引进了LSI结构探伤检测机器人,用于高压燃气罐的断层扫描检测。

文献[4]针对爬壁机器人负压吸附系统提出了“气管”模型,从气体宏观状态方程出发建立了压强与质量流量之间的关系。文献[5]对负压吸附特性理论进行研究,得到了负压与各工作参数间的关系式,建立了滑动吸盘的流体模型。文献[6]研究了满足机器人应用要求的离心风扇的热力学过程,应用三维黏性流场计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法,对负压发生装置的主要部件离心风扇的速度场和压力场分布进行了仿真分析,研究了负压发生装置的工作特性。上述研究工作中,尚未开展吸附系统整体流场的流体力学研究,而这对于相关模型的验证及吸附系统设计均有重要意义。

本文针对采用负压吸附技术的爬壁机器人的吸附力配置、运动系统结构、吸附系统热力学及吸附系统整体流场流体力学分析及仿真等进行研究。研制了一款机器人样机,实验证明该样机吸附可靠,具有实用价值。

1 机器人运动系统结构研究

“运动系统”是指影响机器人对吸附力需求的移动机构与吸附系统的特定组合。机器人对吸附力的要求越低,吸附系统的负担就越小,消耗的功率自然就越小,有助于总体吸附效能的提高。

1.1机器人吸附力配置与吸附力利用率

图1所示为一个低负压机器人运动系统模型,其中Fa为吸附力,产生于风机组带来的吸盘内外压差,该力沿壁面法线方向由外而内将机器人“推压”于壁面。一般来讲,吸附力与以下三种作用力的合力组成平衡力系:①驱动轮支持力Fsd,该部分力转化为静摩擦力即机器人移动的驱动力,是设计中希望得到的必要组成部分;②从动轮支持力Fsp;③密封机构支持力Fss。三者在数量上有以下关系:

Fa=Fsd+Fsp+Fss (1)

现定义吸附力利用率ηa为

ηa=Fsd/Fa (2)

在竖直方向上,为使得机器人吸附在壁面上,需要摩擦力去平衡机器人的重力,而该平衡力除了包括驱动轮的静摩擦力外,还可能包括密封机构的静摩擦力、从动轮的静摩擦力,即

G=Ff d+Ff p+Ff s (3)

式中,G为机器人的重力;Ff d为驱动轮静摩擦力;Fs p为从动轮静摩擦力;Ff s为密封机构静摩擦力。

机器人在壁面上不会发生倾覆,因此可以得出力矩平衡方程:

Fab1+G hg=Fsp(b1+b2)+Fssb1+Mrp (4)

式中,hg为重心与壁面的距离;b1为驱动轮轴线至重心的竖直距离;b2为从动轮轴线与重心的竖直距离;Mrp为从动轮滚动摩阻。

理想情况下,Fa的平衡力仅由Fsd组成,即ηa=1,因为Fsp、Fss不能转变为负载能力与移动能力,而且在机器人移动时,Fss还会带来额外的滑动摩擦阻力,因此,从这个角度看,应当力求ηa越接近1越好。然而,从动轮的存在不仅简化了机器人驱动系统的机构和控制方法的复杂性,还避免了驱动轮的侧向滑动,保证了其可控性,所以从动轮在某些机器人中得到了使用,如韩国LARVA机器人[7]、美国CityClimber机器人[8,9,10]等。密封元件支持力Fss能够增大密封元件的流动阻力从而降低吸附功耗,在实际中也得到了应用,如哈尔滨工业大学研制的反恐机器人。

1.2移动机构结构分析

考虑爬壁机器人吸附力利用率的差异,应当按有无从动轮对移动机构进行分类。几种移动机构示意图见图2,其中,图2a为2个独立的驱动轮(轴线偏于车身一侧)配合1个万向脚轮,转向依靠差分驱动;图2b为2个连接的驱动轮配合1个可操纵的万向脚轮,转向靠脚轮舵机;图2c为四轮结构,同侧的2个轮子由1个电机驱动,且用同步带连接;图2d为三轮结构,每个轮子均为可操纵方向的驱动轮。

从吸附力利用率的角度讲,图2a、图2b所示移动机构是相似的,均存在不能提供静摩擦力的从动轮,即其ηa均小于1;而图2c、图2d所示结构的全部吸附力均转化为驱动轮的支持力,从而提供了最大可能的静摩擦力即驱动力。前者结构及控制方法简单,且保持较高的位置控制精度,故移动机构应根据任务需求权衡选择。

本文所涉及的爬壁机器人采用的移动机构如图2a所示,相比于图2b所示机构,其转弯半径可以为0,而且结构简单。与图2c、图2d所示机构相比,尽管图2a所示机构的最大可能的静摩擦力即驱动力较小,但是它提供的驱动力可以承受足够的负载。图2a所示机构可以有效地减小机器人本体的重量,从而使机器人的负载能力增强。此外,这种结构简单紧凑,机构运动灵活。

1.3密封机构结构分析

密封机构在低负压爬壁机器人中所起的作用是阻碍气体泄漏(由吸盘外界流入吸盘内)。

一般说来,有正压力的密封机构的气密性好,但受摩擦磨损限制,适用于密封面线速度较低的场合。机器人与壁面相对运动速度较低,这就为有正压力的密封机构的应用创造了条件。正压力的存在抵消了一部分吸附力,从而影响了吸附力利用率,大大限制了其应用范围。但是对于壁面平坦或对气密性要求高的场合,使用带正压力的密封机构可以大大降低泄漏量,从而减小吸附功耗。图3a、图3b所示为有正压力的密封机构,前者采用填料法,后者采用弹簧法。接触面应力载荷越大,空气泄漏量越小,但这与机器人穿越凸起障碍物的性能、磨损速率、吸附力利用率等指标有密切关系,应慎重选用。

使用无正压力密封机构的爬壁机器人的吸附力利用率较高。该类密封机构还有一个显著优点即无需考虑磨损问题,具有较强的耐久性与可维护性。机器人使用无正压力密封机构时其吸附力主要被分配到了驱动轮和从动轮上,而作用到密封装置的压力较小。如图1所示,吸附力Fa被驱动轮支持力Fsd和从动轮支持力Fsp平衡,密封机构支持力与壁面的反力相比可忽略不计。这种机构主要是靠密封装置本身结构来实现密封,图3c所示的利用刷丝来实现密封的机构即属于此类。

2 负压吸附系统热力学分析

本文将按气流在气路中的流动顺序从热力学角度分析其状态变化,目的在于给出吸附系统中各元件对吸附力形成所扮演的角色和做出的贡献,最终阐明整体吸附系统的热力学实质。

2.1吸附系统定义及组成

爬壁机器人的吸附系统是指由流体机械及相关元件组成、用于制造机器人腔体内外压差而最终形成吸附力的装置。低负压吸附系统一般由密封机构、负压腔(吸盘本体)、流体机械三部分组成,气流在依次通过三者的过程中发生相应的热力学状态变化,目的是在腔内造成低于当地大气压的静态压强,从而产生受力点在吸盘上的垂直于壁面的力。在离心式风机叶轮高速旋转做功的作用下,外部大气气流经过密封零件进入机器人本体腔内,这相当于流体力学中的节流过程,气流通过在密封零件中的黏性摩擦耗散作用和动静压转换作用使得进入腔内的流体静压下降,从而形成期望的真空度。低压气流再由叶轮做功压力升高,并被送出腔体外,最终耗散动能融入大气,完成了整个空气热力循环。这一过程可通过流体力学理论和热力学理论进行解释,考虑这一现象,目的是设计出更合理、高效的吸附系统。

2.2密封机构的热力学分析

密封机构的狭长微观流道或毛刷、迷宫形成的不规则流场均形成了明显的沿程阻力或局部阻力,使得气体压力下降,属于节流过程。忽略气流通过时与外界的热量交换,则该过程为一个绝能过程,既绝热又无轴功。

如图4所示,气流由状态A到状态B的热力学实质为静压能转化为内能。虽然气体的总体温度即总能量并未减少,但是一部分温度较高的气体转化成了温度较低的部分。对于机器人吸附最具有意义的事实是:经过“高级能量”损失,气流的静压已经低于外界大气压,这就是吸附力形成的直接原因。

2.3负压腔的热力学分析

鉴于吸盘负压腔内为大尺度的流场,再忽略其与外界的热量交换,故认为气流在其内的运动为可逆的(忽略机械能损失)稳定流动,吸盘内的热力学过程仅为动静压之间的相互转换,在此统一认为负压腔内气体状态为状态B。

2.4流体机械的热力学分析

这里的流体机械特指消耗外界(机械)能量来压缩气体使气体压力升高的设备,称为压气机。尽管各种形式的压气机结构不同,升压原理不同,但从热力学角度看,它们又都是相同的,具有相同的热力学本质,即气体体积受到压缩时会导致压力上升。

由图5可见,气体比体积由VB压缩至VC,静压则由pB提升至pC,W=-∫CBpdV为由状态B变为状态C的体积功,pBVB为进口的移动功,pCVC为出口的移动功,三者之和为Ws=∫CBVdp,称之为压力功(压缩功)。由此可直观理解为:流体机械原动机的机械能转化为气体的静压能。这对于机器人吸附的意义在于,流体机械做功,将负压腔内的负压值提升至外界大气压值,弥补了密封机构造成的静压损失。流体机械所产生的吸附力实际上是机器人吸附的根本原因。

3 吸附系统流体力学分析及CFD仿真

本节以基于离心叶轮的负压吸附系统为研究对象,从流体力学分析的技术手段出发,在CFD仿真技术的辅助下,从全貌阐明吸附力在吸盘内形成的力学实质。

3.1吸附系统流场的CFD仿真

由于黏性作用在密封机构及叶轮中不可忽略,而且吸盘流场边界条件复杂,故欲求得低负压机器人吸附系统整体流场内的各物理量分布的解析解并不现实,而用CFD方法则有可能找到满足工程需要的数值解。

为定性掌握低负压机器人吸附系统基本流场结构特征,设计了一个算例并使用专长于叶轮机械仿真的NUMECA公司FINE系列软件进行数值模拟。

图6所示为在Solidworks中建立的该算例的三维实体造型,模型中包括地面、叶轮、吸盘等实体。吸盘为扁平圆盘形,直径300mm,高17mm;离心叶轮外径100mm,工作转速为6000r/min;吸盘贴近地面的部分设计了一个环形裙边,它与地面形成了一个长40mm、高1mm的狭缝,由于毛刷及正压力密封在造型及仿真软件中均难以实现,故在仿真时以该狭缝对气流的能量损失模拟密封机构对气流的耗散作用。

如图7所示,通过IGES数据接口将Solidworks三维模型导入IGG前处理模块中。考虑到AUTOGRID自动网格生成器需要有压力面、吸力面、hub、shroud四组数据方能进行网格生成,因此需要在IGG中将几何文件改造为AUTOGRID可识别的格式。根据模型的情况,全都使用结构化网格,叶轮叶片使用O型网格,进出口段使用H型网格,吸盘流道网格使用了蝶形网格以提高网格质量,各固壁处网格加密。生成的网格没有负网格,而且正交性、长宽比、扩展比都达到一定的要求。如图8所示,最终网格总数为1 040 991。控制方程为可压缩的NS方程,湍流模型选用 S-A模型,离散方法为有限体积法,采用了多重网格方法作为加速收敛技术,边界条件设置为:进口按标准大气压,出口按设计的流量0.02m3/s。

首先从能量角度整体分析吸附系统流场。由图9知,气流通过密封机构后,静压由大气压水平(101 325Pa)减小约600Pa,吸盘内静压变化范围很小,而在进入叶轮入口后由于伯努利效应再急降600Pa左右。图10充分说明了离心叶轮为流体做功加压的实质,气流压强由100 000Pa左右迅速恢复至稍大于大气压的水平。

3.2气流行为及流场特征分析

根据仿真结果进一步分析流体在吸附系统内部的流动特点,如图11所示,将吸附系统流场分为耗散区、漩涡区、主流区、汇集区及加压区5个部分。耗散区为密封机构附近的区域。密封机构流道内部均为微观尺寸,其内部气体雷诺数极小,以致空气黏性作用明显,造成了气流内部及气流与流道壁之间剧烈的摩擦损失与撞击损失,在该区域流动保持较大的恒定的速度,而静压部分则由两个渠道进行转移,一部分转化为不可利用的内能(主要部分),一部分则在伯努利效应下转化为动能。密封出口与负压腔入口结合处为一个工程上典型的突扩管路局部损失部位,在此类型的区域,将会由于压力梯度符号的变化产生边界层分离,从而形成吸盘入口上方的漩涡区,在该区将根据具体流场及流动参数不同而存在不同数目的漩涡。主流区为靠近吸盘底部壁面处的区域,该部分流体在惯性作用下按密封出口处的速度方向运动,保持较大的速度,该区域是吸附力形成的关键区域。由吸盘四周流入的气流在吸盘中央汇集,在叶轮下方壁面处形成一个高压带,类似于经典圆柱绕流中圆柱前部的滞止点,此处速度方向90°转向。在吸盘内部的区域中,能量损耗可忽略不计,故吸盘内的漩涡区、主流区、汇集区均属于势流区域。动压与静压在叶轮的作用下形成新的配比后,气流进入离心叶轮入口,离心叶轮高速旋转,气流速度明显增大(本例中增大40m/s左右),在离心力做功的情况下,流体压力增大,流体被送出叶轮。

4 样机研制与实验

研制了一款爬壁机器人样机,如图12所示,该样机拥有吸附系统、电路控制系统、任务系统,具备一般爬壁机器人的基本功能。在本体结构设计上,为了合理减小最小的必需吸附力,取消了从动轮,使两驱动轮的轴线穿过机器人几何中心,这样,从动轮应完成的平衡由重力产生的倾覆力矩的任务交给了密封件,从而可以充分利用密封件的正压力;采取了通过一套齿轮传动实现的驱动电机的非对称结构,这套新颖的结构不仅有利于系统小型化,还可以有效地减小本体自重和机器人重心与壁面距离;在自制的轮毂外套上特制橡胶,以加大驱动轮与壁面的摩擦因数。在吸附系统设计上,采取了模块化的设计,本体拥有密封件槽和叶轮-电机-风机壳标准化套件,方便进行密封件和叶轮的更换与改装。密封件采用了高弹性聚氨酯与毛垫组合的形式,聚氨酯的流阻高且弹性大,其上产生的正压力很有限,而毛垫则对机器人适应不平整壁面与跨越障碍很有帮助。

进行了一系列壁面移动实验以验证样机的性能,如图13所示。经过测试,样机重量2.6kg,高度5cm,直径30cm,负载能力2kg,续航时间30min,越障能力5mm,功率150W。机器人可以稳定可靠地工作于玻璃、金属、室内粉刷墙、室外涂料墙、砖墙等壁面。

5 结束语

本文给出的运动系统结构分析有利于吸附力的优化配置,提高吸附力的利用效率。对吸附系统进行热力学、流体力学分析和CFD仿真对揭示负压吸附原理的实质有重要意义。研制的一款机器人样机达到了预定指标。以后工作将集中在吸附系统元件的结构优化,以降低功耗,提高机器人实用价值。

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爬壁机器人尖爪型仿生脚掌设计 第2篇

目前研究的爬壁机器人主要通过真空吸附[1,2]、磁吸附[3]或粘性吸附来实现在玻璃表面等光滑垂直壁面上的爬行。但是上述方法难于满足机器人在砖块、水泥、岩石等多孔或粗糙垂直表面上爬行的要求。因此,需要找到一种新的抓附机制来实现爬壁机器人在各种粗糙壁面上的爬行。Stanford大学的RISE研究小组研制了一种新型的爬壁机器人,该机器人脚掌部分通过安装微细的尖刺来实现在粗糙壁面上的抓附,从而达到机器人在粗糙垂直壁面上爬行的目的[4,5]。然而,该机器人脚掌结构复杂,加工制造困难。

经过千百万年的生物进化,昆虫的脚掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性,保证了昆虫能够在各种生活环境、不同材料、质构、粗糙度表面上的运动、停留。研究发现,昆虫是通过其脚掌部分的爪和爪垫的特殊黏附机制来实现3DOF(3dimensionalofobstacle free)的运动[6]。昆虫的脚掌有尖爪、软垫和刚毛3种不同类型,且多数昆虫具有包含尖爪在内的两种附着机构[7]。这种生物体的结构与功能特性在机械结构设计方面给了研究人员很大启发,同时随着新型材料、新型加工技术以及驱动控制技术的飞速发展,仿生结构设计在爬壁机器人研究领域得到了广泛的应用与发展。

本研究通过探讨大黄蜂足掌部分的抓附机制,设计在粗糙壁面上爬行的尖爪型爬壁机器人脚掌。

1 脚掌的结构设计

1.1 生物学基础

大黄蜂的跗节由5个亚节(即跗分节)组成,跗节的各亚节间以膜相连,形成跗节链,跗节链的前跗节生长有一对脚爪和一个爪垫,如图1(a)所示。跗分节与跗分节之间的关节都是单关节的构造,它们之间通过一根肌腱联结,如图1(b)所示。当贯穿整个跗节链的肌腱收缩时,跗节链在同一平面内弯曲;大黄蜂通过其脚爪的抓附和爪垫的黏附作用在各种壁面上爬行,但在粗糙表面上爬行时,主要利用脚爪的抓附功能来实现其在粗糙表面上灵活自如的运动。

昆虫和节肢动物在粗糙物体表面上爬行都是由于它们的脚上有细的尖爪,这些尖爪和猫的脚爪不一样,不需要穿透物体表面;相反,它们利用了物体表面上微小的凹坑或凸起。戴振东等建立了尖爪的尖端直径和物体表面粗糙峰直径之间的相互关系,如图2所示[8],即尖爪顶端尺寸与其相对的物体表面粗糙度之间的关系。当尖爪顶端的半径为确定的rs时,只要保证粗糙表面平均半径ra≥rs,就能使之很好地获得尖爪的着力点。即尖爪顶端尺寸越小,其在粗糙表面上的爬行能力就越强。

1.2 脚掌设计

爬壁机器人脚掌部分的设计采用仿照大黄蜂跗节链的功能结构,以实现机器人在粗糙壁面上的爬行。随着注塑成型技术的快速发展,脚掌采用高弹性的聚氨酯材料,通过一体化设计,机器人脚掌被设计成一个整体,如图3(a)所示。其主要有构件少、结构简单、需要的驱动少等优点,并最大程度地简化了其脚掌的控制,大大提高了机器人系统整体的可靠性与效率。同时,为了实现机器人在粗糙壁面上的爬行,笔者在其顶端装备了一些尖爪,提高了机器人在粗糙壁面上爬行时脚掌的抓附能力。

1.3 脚掌关节设计

本研究把脚掌跗节与跗节、跗节与脚爪之间设计成圆弧形薄壁联结,该圆弧形薄壁具有很高的弹性,能够实现脚掌在同一平面内的弯曲与回复;脚掌的驱动力通过安装在底端的柔索来牵拉,拉紧柔索时,驱动脚爪弯曲;每个脚爪仅由一根柔索来传递驱动力,降低了机器人运动控制单元的复杂性,有利于系统的简单化。

1.4 脚掌跗节设计

脚掌的旋转角度范围为0°~90°,每个跗节旋转角度θ为30°,如图3(b)所示。这样设计的目的是既保证了脚爪弯曲距离,又避免了跗节之间圆弧形薄壁弯曲变形过大,提高了抗疲劳能力,增加了其使用寿命。在脚掌的弯曲过程中,要保证脚爪前端的尖爪在运动范围内找到粗糙壁面上的凹凸点(即脚掌的受力支撑点),即脚掌的运动距离越长时,脚爪找到支撑点的几率就越高。但是由于脚掌的尺寸长度的限制,要求其在尽可能长的运动距离内达到最大的抓附概率。本研究在水泥壁面、岩石壁面和砖块壁面上做了大量实验,结果发现脚爪模型在移动20mm的距离时能很好地达到实验目的,所以脚掌每个跗节被设计成直角梯形的外形,以达到控制旋转角度和运动距离的目的。

1.5 脚掌尖爪设计

机器人脚爪的抓附能力是其能否实现在垂直壁面上爬行的关键,所以脚爪上尖爪的设计尤为重要。当机器人在砖块、水泥、岩石等表面爬行时,它们的粗糙度比较大,本研究选择顶端直径约为30μm的尖爪安装在机器人脚爪上(如图4所示),可以很好地解决尖爪与粗糙度之间的矛盾。

该脚掌用于四足爬壁机器人,总重约为0.4kg。机器人在壁面上爬行时,每个脚掌分配到其自身重力的负载约为1N,每个脚掌上又有3根尖爪,即每根尖爪所承受的载荷约为0.35N。但是每次抓附时并不是每根尖爪都获得负载,所以每根尖爪可能承受1N的负载。为了保证机器人的脚爪能支持自身的负载,脚爪上的尖爪不能太细,因为尖爪的直径太小时会由于负载过大导致折断。本研究采用钢铁材料制成的尖爪,在强度上比自然界昆虫脚爪大很多,能够保证其负载能力。同时,为了使其能够在上述粗糙面上平稳地运动,需要合理地安排尖爪在脚爪上的布局和密度,使尖爪的数量尽可能多,并且每根尖爪上的负载尽量地平均分配。本研究把脚掌上的尖爪设计成倒三角布局,使尖爪在位置和数量上达到合理安装。

为了提高脚爪在粗糙表面的抓附能力,笔者对大黄蜂脚爪抓附时的尖爪刺入角度进行了观察,发现它的尖爪刺入角度在0°~90°之间,这时能够进行有效的抓附和脱附。因此,在设计脚爪的时候把尖爪刺入角度设定为小于90°,机器人在壁面上爬行时就能很好地进行抓附和脱附。同时,为了使脚爪在壁面上抓附时能锁合,本研究在脚爪根部安装了倒刺,这样就使整个脚掌稳稳地抓附在壁面上。

2 结构分析

机器人在壁面上爬行时其脚掌受力如图3(b)所示,可分解为平行于壁面的拉力F1和垂直于壁面的压力F2(F1提供机器人向上的驱动力,F2提供机器人的粘附力,并保证机器人的平衡)。为了充分发挥脚掌的性能,本研究通过有限元分析软件ANSYS对其进行了受力分析和结构优化。由于脚掌采用高弹性的聚氨酯材料浇注而成,脚掌受力时容易引起很大的变形,ANSYS分析时使用非线性的结构分析方法,准确地模拟出了脚掌受力变形情况。分析结果如图5所示。

对图5(a)进行分析后发现,脚掌受到0.5N的驱动力就能产生很大的弯曲变形,满足了脚掌低驱动大变形的设计要求;对图5(b)进行分析后发现,脚掌受力时应力集中在跗节之间的圆弧形薄壁区域,它的应力为1.5MPa左右,远远小于聚氨酯的拉伸屈服强度40MPa[9],其结构可靠性高。该区域产生的脚掌弯曲变形与弹性恢复,很好地实现了机器人爬行时脚掌抓附与脱附的功能。

3 位移与力分析

本研究通过肌肉张力换能器对脚掌的负载进行了测试,当单个脚掌的负载超过3N时,脚掌产生扭曲变形,即脚掌失效,故单个脚掌的工作区间为0~3N。而单个脚掌要承受机器人自身负载约为1N,此脚掌满足机器人的使用要求。同时把脚掌的端部固定,对脚爪的自由运动轨迹和尖爪的刺入角度进行分析,如图6(b)所示,当柔索以1mm的间距运动时,脚爪以圆弧弯曲运动,将产生很大的位移,为脚掌提供了足够长的抓附距离,大大提高了脚爪的抓附机率。同时脚掌顶端尖爪的刺入角也随着脚掌的弯曲运动而逐渐加大。当脚掌弯曲运动在图中虚线上方时,即脚掌垂直位移小于20mm,尖爪的刺入角度小于90°时,脚掌运动在有效工作区间。在运动过程中,脚掌的驱动力与柔索运动距离之间的关系如图6(c)所示,驱动力随着柔索运动距离的增加而变大,当脚掌运动到极限位置(即脚掌弯曲最大)时,脚掌需要的驱动力约为0.5N,即用很小的驱动力就能使脚掌弯曲变形,降低了脚掌对驱动力的要求,提高了机器人的爬行效率。

4 结束语

本研究提出的爬壁机器人脚掌在设计上实现了仿生的目的,其外形小巧、结构简单。另外,由聚氨酯材料浇注的脚掌控制简单,易于实现脚掌的各项功能针对所设计的脚掌,笔者采用舵机提供驱动,并进行了实验。实验结果表明,采用一根柔索传递驱动力时,脚掌通过其前端的尖爪在粗糙壁面上抓附是可行的,而且关节转动部分的设计也是简单可行的。

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爬壁机器人论文 第3篇

爬壁机器人属于特种机器人, 由于其可以在竖直壁面爬行, 且能完成一些危险的工作, 越来越受到科研人员的重视。且爬壁机器人已经开始应用到核工业、建筑工业、消防、船舶工业等各个领域[1,2,3]。

爬壁机器人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地贴紧壁面[4]。本文主要对永磁体吸附装置提出新的方案, 设计特殊排列的永磁铁吸附装置。本文对永磁铁的外形、尺寸参数、布局方式进行优化设计, 使吸附机构吸附效率最高。

1 吸附单元有限元分析

应用Ansoft有限元分析软件建立吸附装置的有限元分析模型 (三维模型) , 通过改变吸附装置的尺寸参数, 分析其各自尺寸参数对吸附装置吸附力的影响。对Ansoft静态磁场分析, 选用三维实体分析方法[1,4,5]。本节主要对永磁吸附装置中永磁体的形状、厚度、工作气隙大小、磁铁分布、轭铁厚度等因素对磁吸附效果的影响分别进行了讨论。

1.1 永磁体

吸附单元的永磁铁采用稀土系永磁材料钕铁硼, 这种材料具有极高的磁积能和矫顽力, 同时具有高能量密度的优点。相同体积下, 其产生的磁场强度相当于铁氧体磁铁的5~10 倍, 是铝镍钴磁铁的5~15 倍, 是目前磁性能最强的永磁体[6]。最终选择的钕铁硼牌号为N35, 沿厚度方向充磁, 其性能参数如表1[7]。

1.2轭铁及塔筒壁面

轭铁材料为Q235钢, 为非线性材料, B-H曲线 (磁滞曲线) 如图1。壁面材质取风机塔筒常用的Q345, 同样为非线性导磁材料, B-H曲线如图2。

1.3仿真分析结果

由于爬壁机器人体积较小, 相对于风力发电机塔筒直径比较大, 因此机器人工作壁面近似为平面。在Ansoft中建立吸附装置的三维模型, 对不同参数的磁铁的吸附力进行分析。

如图3 所示, 为同体积质量矩形、圆柱形吸附单元的吸附力, 其充磁方向均为厚度方向。磁铁与底板之气隙均为5 mm。矩形磁铁40 mm×20 mm×5 mm, 自重30 g。圆柱形磁铁直径15.95 mm, 高为5 mm, 自重30 g。可以看出等体积质量的矩形磁铁对底板所产生的吸附力比圆柱形磁铁的大。

同体积质量的矩形钕铁硼磁铁在工作气隙为5 mm, 磁铁体积为40 mm×20 mm×5 mm。随着厚度的变化其对壁面的吸附力的变化如图4, 可以看出吸附力先是随着磁铁厚度的增加而增大, 当厚度大于10 mm时, 吸附力随着厚度的增加而减小。

如图5, 永磁铁底面积均取为40 mm×20 mm, 磁铁的吸附力随着磁铁厚度的增加而增加, 但是吸附力的并不是随着厚度成正比例增加的, 可以看出磁铁厚度的增加对吸附力的影响越来越小。

永磁体与吸附壁面的距离对吸附力有非常重要的影响, 应根据仿真结果设计合理的工作气隙。取磁铁大约为40 mm×20 mm×5 mm, 重约30 g, 间隙d从1 变化到20 mm。如图6 所示。从图中可以看出吸附力随着气隙的增大近似呈指数减小。

如图7 所示取两块磁铁, 尺寸为40 mm×20 mm×5 mm。它们与壁面间隙均为5 mm, 实验中仅改变二者之间的距离。从图中可以看出磁铁间的间距小于5 mm时, 吸附力随着两块磁铁之间距离的增大而减小。当距离大于5 mm时吸附力则随着其间距的增大而增大。间距达到50 mm时二者所产生的吸附力达到最大值。当间距大于50 mm后, 磁铁间距对吸附力影响很小, 吸附力基本保持不变。

建立两块永磁铁以及配有轭铁的吸附装置的三维模型, 如图8, 磁铁之间的间距为50 mm、吸附装置与壁面的工作气隙保持为5 mm。轭铁的厚度从1~11 mm变化。结果如图9 所示, 随着轭铁的厚度的增大, 吸附机构对壁面的吸附力也随之增大。当轭铁厚度小于5 mm时, 轭铁厚度的增大对吸附力增长影响较大, 但当轭铁厚度大于5 mm, 轭铁厚度的增加对吸附力的贡献非常小。

2 永磁吸附机构设计方案

2.1吸附装置方案

本文提出的爬壁机器人吸附装置三维模型如图10所示, 吸附装置由两块块钕铁硼永磁铁组成。根据本文第1节的分析结果, 确定吸附装置方案。永磁材料选择钕铁硼N35, 选用矩形永磁体, 磁铁厚度定为10 mm。磁铁与壁面的工作气隙需小于等于5 mm。此外由于等体积质量的单块大块磁铁与多块小块磁铁相比进行安装取放操作困难, 因此采用多块小磁铁分布在一定厚度的低碳钢轭铁上的方案, 两块磁铁间的间距定为50 mm;轭铁厚度定为5 mm。

2.2 吸附机构测试结果及分析

对吸附装置方案中吸附装置进行仿真分析和力学测试。测试与仿真结果如图11 所示。仿真结果与实际测得的吸附力曲线较贴合, 仿真与测量的数值误差在5%以内。吸附装置的吸附力与工作气隙的关系可以看出。当气隙为5 mm时, 吸附装置能够提供100 N的吸附力, 轮面与塔筒壁面的摩擦因数取0.8, 这样的话一个吸附装置可以使自重小于等于8 kg的爬壁机器人安全吸附。

机器人自身重力为20 kg, 因此要保证机器人能安全吸附于壁面吸附力应该大于250 N。当工作气隙小于5 mm时单个吸附装置所能提供的吸附力大于100 N。基于上述实验分析, 所设计的爬壁机器人应该装配3 个这种新型吸附装置, 当工作气隙小于9 mm时, 4 个吸附装置能为爬壁机器人提供大于250 N的吸附力, 保证爬壁机器人在壁面灵活运动且具备一定的负载能力, 能满足机器人对风力发电机爬壁的需要。

3 结论

本文以风力发电机检测用爬壁机器人的吸附装置为研究对象, 首先对钕铁硼永磁铁对壁面产生的吸附力进行分析, 用Ansoft软件对吸附单元的磁场分布进行分析, 研究磁铁的形状、结构参数, 以及耦合方式对吸附力的影响。最后以分析的结果为参考, 根据风力发电机检测对爬壁机器人灵活运动及需具备一定的负载能力, 设计一款磁能利用率高、磁力可调节的新型爬壁机器人吸附装置。根据实验结果, 吸附装置在气隙为5 mm时, 吸附力为100 N。适用于大型风力发电机的检测、维护等工作。

参考文献

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[6]刘枫.风力发电机塔身清洗机器人设计与研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2013:41.

爬壁机器人论文 第4篇

关键词：高压水射流切割技术,爬壁机器人,切割参数

0 引言

高压水射流切割技术是利用液体增压原理,通过高压泵将电动机或者发动机的机械能转化成压力能,并通过小孔喷嘴后,将压力能变为动能。高压水射流切割技术是一种非常规切割手段,但却具有无发热、切口平滑、切割原料来源充足、无污染等一系列优点。因此,近年来高压水射流切割技术得到迅速发展,并广泛应用于航空航天、军工等高精尖产业当中[1]。而随着高压水射流切割技术的发展,对其自动化、安全无人化的要求也变得迫切起来。其中夹持携带水射流喷枪的爬壁机器人更是受到了较多的关注和研究。

1 爬壁机器人的分类

由于高压水射流切割技术自身的工作特点,爬壁机器人也必须具备相应的条件才能满足切割的要求。根据不同的行走方式以及吸附方式,目前常见的爬壁机器人主要有以下几种。

1.1 轮式爬壁机器人

轮式爬壁机器人主要依靠其自身的磁力吸附于加工作业表面,而且必须要求工作面为具有铁磁性的金属,如铁、镍、钴等。虽然轮式爬壁机器人的使用具有局限性,受到了工作环境的影响,但其结构简单、制作成本低、经济效益好,因而在石油管道切割、排爆排险、破障救援方面有着巨大的优势。

一般来说,轮式爬壁机器人提供磁吸力的方式主要有两种:电磁体和永磁体。

1.1.1 电磁体轮式爬壁机器人

电磁体轮式爬壁机器人的磁力来源于通电之后设备提供的电磁力,其可以根据设备的自身特点以及高压水射流反冲力调节电磁力的大小,从而使机器人可以正常地工作。但电磁体轮式爬壁机器人对设备的防水性要求较高,并且需要提供额外的电力支持,在野外环境下其工作性能受到了限制。

1.1.2 永磁体轮式爬壁机器人

永磁体轮式爬壁机器人的工作原理是将机器人与工作表面的接触面用永磁体制作,不受电力的影响,其结构简单,行动方便,减轻了自身重量,减少了设备复杂程度,而且使用安全可靠,但吸附力却受气隙影响较大,在不同的工作表面难以获得相同的吸附力。图1为永磁体轮式爬壁机器人。

1998年,日本钢管株式会社(NKK)研究开发了永磁体轮式爬壁机器人[2]。它可以吸附在各种大型切割面如储油罐、船体、大型容器罐等的壁面上,进行监测或者维修等工作。该爬壁机器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力,两台直流电机分别驱动左、右两组车轮单元,手臂用来夹持作业工具。其主要特征是:爬行稳定,最大速度可达9m/min,可用于各种形状的壁面。而当机器人需要做大交角的壁面过渡时会有很大的困难,并且有坠落的危险。因此,为了提供足够大的磁吸附力必须增大车轮的厚度及体积,但这将会增大机器人转向时的摩擦力和其生产成本,而且由于车轮与壁面的接触面积较小,使得其带负载能力较差。

1.2 足式爬壁机器人

足式爬壁机器人依据仿生学的研究,模仿人类或动物的行走特点,通过两个甚至多个机械足臂进行攀爬行走。较之轮式爬壁机器人,其有着较强的越障能力,可以在多种不同的工作表面进行切割作业,是近年来机器人技术研究中的一个热点。其中两足机器人设计要求较高,六足、八足机器人结构又较为复杂,因此在现阶段,四足机器人结构和控制上较容易实现,得到了业界广大科研人员的认可和重视。

足式爬壁机器人多数采用真空吸附方式,在每个机械足底安装吸盘,通过工作表面与足底之间形成真空,可以提供较大的吸附力。

1991年,东京大学的广獭茂男等人研制了“NINJA-I”型四足爬壁机器人[3],如图2所示。该爬壁机器人由四条腿组成,每条腿可以通过电机独立驱动,在腿的末端设有一个吸盘,通过四条腿的相互配合,可实现机器人的爬行。

在自然界,壁虎可以轻易地吸附在各种物体上行走自如,这是由于其脚掌拥有大约上百万根细小的刚毛(直径约为5μm),这些刚毛的顶端有着更小的分支,所有这些分支与接触面形成了范德华力(van derWaals force)[4]。范德华力是当分子距离非常近时产生的一种相互作用力,壁虎依靠这些范德华力的累加,进而轻松地行走在任何接触面上。根据上述理论,美国斯坦福大学研制了一种仿壁虎式壁面移动机器人,该机器人通过足掌的特殊材料吸附在工作壁面,移动时四条足掌交替吸附[5],如图3所示。

除此之外,在足式爬壁机器人吸附方式中,也可采用电磁吸附。北航研制出了一种通过电磁吸附的四足壁面爬行机器人[6],如图4所示,它能够轻易实现跨越障碍和转向。

足式爬壁机器人在携带水射流喷枪作业时,可以简单地通过各种障碍以及复杂的地形、壁面,从而实现在变化繁多的工作地点完成切割作业。但由于高压水射流切割技术对喷嘴至作业面靶距以及行走路线的精确要求,使得足式爬壁机器人难以准确地进行线性切割,因此其多用于高压水射流切割中的复杂工作环境的钻孔作业。

1.3履带式爬壁机器人

履带式爬壁机器人多采用磁吸附方式,通过两个单独的电机驱动两侧的履带行进与制动,由于其接触面积大,因而能够提供较大的吸附力。履带式爬壁机器人能够在凹凸不平的壁面上行走,其稳定性好,能够爬越较大斜坡,但其运动方向的操作是由左右履带的速度差值所控制,所以转向时会出现滑动,转向半径及中心准确度较差,运动控制起来存在一定的困难。

哈尔滨工业大学从20世纪90年代起先后开发了各种永磁体磁吸附式爬壁机器人,主要是履带式爬壁机器人[7],包括油罐检测机器人、核工业检测爬壁机器人、水冷壁清扫爬壁机器人等。图5是一种用于船舶壁面除锈的履带式爬壁机器人,该机器人采用永磁体履带作为吸附力来源,该机构的优点是吸附力大,负载能力强,但是其转向性能较差,而且成本较高。

履带式爬壁机器人结构稳定,吸附力较大,在高压水射流的反冲力下,可以使爬行装置更加安全可靠。并且可以通过凹凸不平的工作表面,较之其他的爬壁机器人有较大的优势。与此同时,由于高压水射流切割技术本身的特点所致,履带式爬壁机器人对自身的防水性有着较高的要求,而在混合磨料式切割设备中,对其防沙性也提出较高的要求。

2爬壁机器人面临的问题

爬壁机器人发展至今,已经取得了显著的进步,各种类型的样机或产品也相继问世并投入到实际生产工作中。同时,对于日渐成熟的高压水射流切割技术,其依靠爬壁机器人来进行自动化操作的目标也趋于完善。在各种不同的工作环境条件下,种类繁多的爬壁机器人可以供其选择操作。

就目前发展状况来看,在高压水射流切割技术中的爬壁机器人依旧面临如下几个问题:

(1)机器人的防水性。

由于高压水射流切割技术的自身特点,爬壁机器人必须在射流喷嘴几十兆帕的高强度环境下作业,这对于结构精密的爬壁机器人的防水性提出了较高的要求。

(2)机器人的防沙性。

在混合磨料式高压水射流切割技术中,磨料的使用也会对机器人内部齿轮、齿条、轴承、履带等机械运动副造成一定的磨损、卡壳等影响。

(3)机器人的经济性。

高压水射流切割技术的市场需求巨大,在冷切割场所以及排爆排险、破障救援方面有着较大需求,能够做到低成本、高效率,才可实现其社会应用价值。

(4)机器人的吸附力。

高压水射流切割在喷嘴处形成巨大的射流冲击压力,根据牛顿第三定律可知,在切割的同时会对喷枪形成同样的反作用力,这对爬壁机器人的吸附力提出了较高的要求。如何做到安全可靠地调节爬壁机器人的吸附力,同时又要做到其行进方便,将会是一个我们未来研究的一个热点。

3 结论

高压水射流切割技术凭借其诸多的优点,在切割、排爆排险、材料加工方面得到越来越多的使用和推广,面对巨大的市场需求和社会需要,高压水射流切割技术也在向着自动化智能化方向发展。与此同时,将迅速发展起来的机器人技术与高压水射流切割技术结合起来,将使其有更大的发展空间。

参考文献

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[6]黄维纲,王显正.两足步行爬壁机器人控制系统的研究[J].传动技术,1998(1):11-15.

爬壁机器人论文 第5篇

爬壁机器人的研制需要较高成本,再加上其工作多为高处负载作业,极有可能从壁面滑下或者倾覆,故机器人的防护装置显得极为重要。目前,爬壁机器人的防护装置主要有三种:1安全绳,即机器人前端连接防坠器,当机器人因故坠落时,防坠器可以在较短时间内自锁,防止坠落,宫崎大学开发的一款旋翼式爬壁机器人［１］和北航开发的幕墙检测爬壁机器人［２］,均采取安全绳作为防护装置;2保护杆,文献[3]中设计保护杆的出发点是防止机器人倾覆失效,主要原理是在机器人尾部加一个支撑杆,该支撑杆可以提供一个与倾覆力矩相反的力矩;3气球,德国的Fraunhofer Institute IFF提出了一种基于气球的机器人系统,气球体积为200m３,和电缆绞车配合来实现防护功能［４］。

以上三种防护装置各有优缺点,其中应用范围最广的是安全绳,但是当机器人失控坠落时,尽管有安全绳的保护,仍无法避免与壁面发生碰撞或低空坠落与地面发生撞击。针对此种情况,本文将介绍一种具有全面防护功能的爬壁机器人,并主要对其总体结构和控制系统做出详细叙述,最后通过实验对机器人的性能进行了测试。

1爬壁机器人总体结构设计

爬壁机器人的结构主要包括行走机构、吸附装置、 密封装置和支撑结构,在本文中增加了防护装置。本文介绍的机器人是作为一个爬壁机器人研究平台来开发的,基本功能要求是工作壁面为一般墙面(如粉墙、 玻璃、门等),机器人能够实时返回拍摄画面,能够实现一定的防护功能,所以其吸附装置采取壁面适应能力较强的负压吸附,行走方式采用控制简单、转向简单、 壁面适应能力较强的车轮。如图1所示,吸附装置由无刷电机和径流式风扇组成,无刷电机高速转动带动风扇将密封腔内部的气体排出,从而使密封腔内形成一定的负压;行走机构为四轮机构,四个轮子均为驱动轮以保证具有足够克服重力的驱动力,同一侧的两轮采用同步带传动,两个主动轮分别由伺服电机进行驱动,转向方式为左右车轮差速转向。

机器人的密封装置采用内部具有一定压力的气囊,气囊和支撑架底板(负压板)形成负压腔,可以通过改变气囊充气量来调节其刚度。机器人的防护装置由气囊和EVA壳子组成,气囊负责周边和底部的防护, EVA壳负责顶部防护。机器人的支撑架集风机架、负压底板、EVA壳支撑和气囊支撑于一体,由3D打印而成。

机器人的总体结构如图2所示。在机器人的前方安装携带摄像头的机械臂,可以根据工作需要抬起或放下。在机器人上还装有安全绳和柔性把手。

2支撑架设计

支撑架是整个机器人设计的重中之重,因为其他结构部分都要安装在支撑架上,并且在机器人撞击过程中支撑架要保护所有零部件,以减少对它们的冲击。

2.1形状确定

机器人损伤最严重的跌落方式是倾覆下落,即机器人顶部着地,这对顶部壳体会产生巨大的冲击,而且由冲击产生的振动也会对内部零部件造成损伤。所以防护装置首先是顶部需采用缓冲材料,然后支撑架尽量将振动冲击降到最小。

文献[5]对龟壳进行静力学、动态和模态分析,得出以下结论:龟壳具有良好的抗压抗冲击能力,载荷从中心向四周传递,应力在传递过程中没有应力集中现象,分布基本均匀;在碰撞过程中,龟壳首尾两端相对于原来位置上下摆动,将整体的动能转变成局部的应变能,通过局部振动耗散能量。文献[6]计算研究了龟壳的承力特点,表明在顶部小面积压力载荷下,有加强筋的龟壳结构在保证结构强度的条件下能够增大内腔面积,并对减轻质量有很大的帮助。因此,支撑架结构采取龟壳状结构,机器人的跌落姿态及支撑架形状如图3所示。机器人触地后仰,由于支撑架任意过其底面中心且垂直底面的截面都为拱形,所以它会绕中心做上下摆动,保护机器人不受损伤或只受到可恢复性损伤。

2.2支撑架布局及轻量化设计

2.2.1抗倾覆性能分析

爬壁机器人对其本身的抗倾覆性能要求较高,假设机器人以速度v匀速向上运动,吸附力为Fｐ,前、后轮受到的支持力和摩擦力分别为N１、f１和N２、f２,作用在气囊密封圈上的支持力和摩擦力等效为与吸附力共线的Nａ和fａ,重力为G。机器人的受力情况如图4所示。

倾覆轴设置在后轮与壁面的两个接触点所在的直线轴,重心位置为Z,可以得出抗倾覆条件为:

其中:MＯ为抗倾覆力矩;L１为前轮与壁面接触点与吸附力作用线之间的距离;L２为O点与吸附力作用线的垂直距离,L１+L２等于前后轮距离;h为重心Z与壁面的垂直距离。

由抗倾覆条件可以得出:轮距应该在满足运动条件下尽可能减小;机器人总重量要在保证强度的情况下尽量减小,重心尽量降低;增大L２即将吸附装置前置,会增大吸附力力矩,但分配到前轮的压力N１也会相应增大,综合考虑,将吸附装置布置在中心,即L１= L２,这样也使得机器人受力均匀,有利于运动的实现。

2.2.2支撑架布局

支撑架布局如图5所示。行走装置安装的位置向龟形壳体内部嵌入10mm来降低机器人的重心,减小需要克服的倾覆力。在龟形支撑架内的负压板上设置了各个零部件的位置,摄像头与控制其运动的舵机放在机器人的最前端,方便摄像头获取前方环境;电源采用三块锂电池串联结构,重量较大,故而安排在机器人靠后端位置,以提高机器人的平稳性,避免上重下轻的布局;最后综合空间剩余以及机器人中部两侧受摔落冲击较小的情况,选择把电路板和无线模块、负压传感器等带电部件安置在支撑架中部两侧,以提高机器人的安全性能。

2.2.3支撑架轻量化设计

本文中支撑架采用了几种加大强度的结构来实现它的功能:1拱形支撑,用来增强较长横梁的刚度和强度,使其能够承受一定的冲击力;2三角形支架,在减重的同时,保证上层横梁的强度;3传力支撑,当冲击作用在顶部时,可以将一部分通过传力支撑传递到支撑架的四周以分担这些冲击,进而减少传到易损零部件上的冲击;4蜂窝状结构,支撑架中有一块大平面, 通过对比发现,在刚度相当的情况下,蜂窝状结构比桁架结构质量更小,同时蜂窝结构的吸震特性也有利于抗摔性能的提高。此外,在支撑架背面还设有气囊支撑结构及加强筋结构,并对这些结构进行了减重设计, 如图6所示。

3控制系统设计

爬壁机器人的控制系统采取上位机和下位机两级分布式控制,主要实现风机转速控制、机器人直线前进、差速转向、位置伺服和视频传输等功能。

机器人下位机主控芯片为DSP系列的TMS320F2812,两路PWM波输出分别控制风机无刷电机和摄像头伸缩杆舵机,无刷电机采用电调进行驱动;一路PWM波输出和方向信号输出控制行走装置电机,并采用H桥作为其驱动电路,芯片内置正交编码脉冲电路即QEP电路用于获取其位置和速率信息; 三路A/D采集分别用于捕获压差传感器的数据值、驱动电路电流值和机器人总电源值;一路SCI(串行通讯)用于与上位机进行数据传输。行走电机的闭环控制通过PID算法来实现。下位机控制流程如图7所示。

机器人上位机界面采用Eclipse软件进行开发,通讯模块为WIFI模块,通讯协议为TCP/IP协议,与下位机之间的通讯接口使用的是Socket套接字,开发程序可以应用于所有基于Android系统的设备中。机器人携带的摄像头为USB红外夜视摄像头,720P高清, 通过USB线与WIFI模块连接,WIFI模块给摄像头供电,摄像头采集到的数据流会通过WIFI进行无线传输。此外,该模块还设有TTL电平的串行通讯接口,可以与主控板连接进行控制指令传输,波特率设为9 600Bd。图8为上位机界面,图9为摄像头在光亮处和黑暗处采集到的视频图像。

4样机测试及实验

爬壁机器人的样机如图10所示。该机器人能够实现爬壁和实时返回视频功能,经实验表明,当机器人在高空中撤掉吸附力后,防坠器在一定的距离内能够阻止机器人下落,且高空悬挂会出现摇晃并与壁面撞击,但由于机器人的全面防护装置,所有零部件均没有受损。机器人低空跌落实验是在1.5m处倾覆跌落, 可以保证主要零部件不受到损伤或者受到可修复损伤,基本实现了机器人抗摔防护功能。表1给出了机器人性能测试参数。数据显示,本机器人相较同类型的样机性能上有了进一步提高。

5总结

本文设计并研制了一种具有全面防护功能的爬壁机器人系统平台,机器人能够实现基本的抗摔功能,能够实现视频的实时传输,但是仍有很多需改进的部分, 例如抗摔高度有待进一步提高,视频的显示具有一定的迟滞性等。

摘要：开发并研制了一种具有全面防护功能的爬壁机器人,介绍了机器人基本的抗摔装置,详细阐述了其主要结构支撑架的设计理念及设计过程,支撑架仿照龟壳形状设计,并将负压板、风扇架、行走装置固定架设计为一体,减少了成本,简化了机器人的装配过程。机器人控制系统采用DSP作为主控芯片,通讯方式为WIFI通讯,上位机界面由Android开发,操作简单,控制方便。测试结果表明该样机工作性能良好,具有一定的抗摔性,为以后对爬壁机器人抗摔等方面的研究提供了一种思路。

爬壁机器人论文 第6篇

在复杂的机电控制系统中,具有强大的软硬件集成功能的运动控制卡得到了普遍的应用。它可以和上位计算机通讯,在上位计算机上对系统进行状态监控,完成系统任务实时规划,实现人机交互。它还通过上位机接收用户运动指令并将一些重要的状态参数发送给主机,同时接收传感器信号,发出控制信号以形成对伺服电机的伺服控制。它也可以脱离主机单独运行用户程序,执行控制任务。

合理配置运动控制卡的各项资源,不让非主要功能部件过多占用资源,充分发挥运动控制卡的资源优势,可使运动控制卡在保证可靠完成主要控制功能的前提下,同步实现其它次要功能,从而使得用户可以通过上位计算机对复杂机电系统实施集成控制,全面提升系统的软硬件集成化程度和自动化程度。

2 基于运动控制卡的爬壁机器人系统控制集成

2.1 运动控制卡

在作者研制的永磁吸附履带式油罐检修爬壁机器人系统中,选用了BALDOR公司生产的NextMove ES运动控制卡,它是一款独立式的运动控制卡,包括硬件和软件两部分。

硬件即板卡本身,用户可用的资源有1路串行通讯接口、1路USB通讯接口、1路CAN总线通讯接口、2路模数转换器(AD)、4路数模转换器(DA)、2路码盘信号输入口(Encoder IN)、20路数字输入接口(DIN)、8路数字输出接口(DOUT)、4路步进电机脉冲及方向信号输出(Stepper OUT),可以实现对2台直流伺服电机的闭环控制以及对4台步进电机的开环控制。该运动控制卡内部建有高精度数字PID控制器,用户可以根据控制需要选择位移控制模式或速度控制模式,并对控制器的参数进行设定,从而建立起高精度的闭环伺服控制。

NextMove ES运动控制卡随卡提供的软件是Mint MT 多任务用户开发环境。Mint MT主要由两部分组成:一是安装运行在上位机上的WorkBench v5平台及Mint ActiveX控件;二是固化并运行在控制卡上的Mint MT固件(Firmware)。WorkBench v5是使用MintMT语言的专用编辑编译平台,它既是一个功能强大的集成化软件包,又是一个友好的Windows风格的操作界面。将其安装在上位机上以后,可以通过这个平台编辑、编译和调试MintMT源程序,还可以将编译好的可执行文件下载到NextMove ES控制卡的可擦写存储器(FLASH)中,并随时启动和停止程序的运行。另外,还可以在这个平台上对板卡进行设置、发送即使命令、查看各轴的运动状态、跟踪参数变化、下载板卡的配置文件等等。安装WorkBench v5后也就安装了Mint ActiveX控件和Mint界面库服务(MIL SEVER)。这样用户就可以直接在VC,VB等高级语言环境中对控件直接进行编程。利用这一控件功能,主机可以实现对已经下载到板卡上的MintMT可执行程序的完全控制,还可以向板卡发送即时命令和响应来自板卡的中断事件,这些即时命令和中断事件是以MintMT ActiveX控件的属性(Property)、方法(Method)或事件(Event)的形式出现的,但它们与Mint运动函数库(MML)中的关键词、函数或事件具有一一对应的关系、可以实现完全相同的操作。

Mint界面库服务(MIL SEVER)负责处理Mint ActiveX控件和控制卡(Controller)的通讯。Mint MT固件(Firmware)主要由两部分组成:Mint虚拟机器(MVM)和Mint运动库(MML)。和Windows在1台计算机上运行一样,MintMT在Mint控制卡上运行,而固件的作用就是允许控制卡执行运动控制、数字和模拟输入输出采样、运动库函数解码以及运行MintMT程序。简单说就是为了用户应用程序通过Mint ActiveX控件或直接由WorkBench v5对控制卡实现硬件访问。当上位机应用程序(PC Application)调用一个MML函数时,Mint ActiveX控件发送一个数据包给控制卡(Controller),这个数据包包括任何与被调用MML函数相关的数据和参数。然后,控制卡将通过MML接口执行这一MML函数,并将其产生的错误码以及返回数据再次以数据包的形式发送回上位机。如果控制卡上独立运行一个编译好并下载到FLASH中的MintMT程序,则该程序可能是上位机程序通过Mint ActiveX控件开启的,也可能是使用WorkBench v5开启的。但其运行也是通过MML接口来调用MML函数的。因此,MintMT程序和上位机程序中相应的函数都是通过调用MML库函数来实现的,其本质是相同的。

2.2 爬壁机器人系统控制集成

爬壁机器人系统需要控制的部件有4种:1)两台直流无刷伺服电机,拖动机器人的运动;2)4台步进电机,其中2台用于实现机器人的结构改变以实现换面,另外2台用于拖动机器人的辅助功能部件(如砂轮或焊枪的运动);3)1台小型直流电机,拖动检测探头往复运动;4)牵引电磁铁,拖动打标装置的开关运动。另外检测信号处理板卡插在上位机ISA插槽上,其软件也要集成到用户操作图形界面上。图1为爬壁机器人系统软硬件集成控制框图。

要在运动控制卡的基础上通过上位机实现上述功能部件的软硬件集成,作者重点考虑了下述3方面的问题:1)伺服控制卡与上位机的通讯问题。因为上位机与控制卡之间距离比较远,又兼顾到一般PC机有RS232串口而无RS485串口,故采用RS232接口+长距中继器或RS232接口+RS232/ RS485转换接口的方案。若采用 USB接口、CAN总线接口通讯,都必须解决长距离通讯的问题。2)合理分配和有效利用运动控制卡的硬件资源,实现了爬壁机器人系统的硬件集成。由于运动控制卡是数字化、专门化产品,数字输入输出接口和专用接口较多而模拟输入输出接口少,所以资源配置时要尽量使用数字口而节省模拟口,还要兼顾专口专用。3)灵活应用Mint ActiveX控件编制程序,开发出友好、实用的用户图形操作界面。NextMove ES运动控制卡提供的软件功能特性对于用户开发集成软件是非常重要的,而爬壁机器人系统也正是基于此控件编程功能在上位机上实现了将伺服电机控制、步进电机控制、小型直流电机控制、牵引电磁铁控制和机器人运行状态信号监控、检测信号处理等集成于同一软件,从而实现了机器人系统的软件集成。

3 小型直流电机控制集成的具体实施

由于篇幅所限,这里不介绍伺服电机、步进电机等部件集成控制的实施,只对拖动检测探头往复运动的小型直流电机的集成控制实施做一详细介绍。

3.1 自动往复运动机构

如图2所示,小型直流电机减速后拖动同步轮(驱动轮),同步轮带动同步带并拖动探头移动。只要小型直流电机交替正反转,探头机构就可以往复循环运动。

3.2 双输入(磁保持)继电器

为实现只占用运动控制卡的一个数字输出口就可控制直流电机的启停和频繁换向,采用了两个欧姆龙公司生产的固态继电器:一个是单输入继电器,与一般继电器无异;另一个是双输入继电器,或者叫磁保持继电器,图3所示为其接线示意图。

该继电器有两个信号输入线圈,一个是置位线圈,另一个是复位线圈。当其置位线圈S通电时,其触点动作,此后即便S断电,其触点继续保持动作后的通断状态,直到其复位线圈R通电时,其触点才释放复位。

3.3 应用电路

如图4所示, DOUT0-COM0是伺服控制卡的一个数字输出口(DOUT),SQ1和SQ2分别是安装在探头行程两端的两个微动开关,KA0是单输入继电器,KA1是双输入(磁保持)继电器。使用时要预先分别将KA1的6脚和9脚、8脚和11脚短接。控制实施应用电路原理如下文所述。

1)初始状态时,由于伺服控制卡的数字输出口DOUT0输出为“0”,相当于DOUT0与COM0之间断开,继电器KA0的2脚和9脚之间的线圈未得电,其管脚1与10之间的常开触点处于断开状态,直流电机正负两端都悬空,整个探头机构处于停止状态。

2)当DOUT0输出为“1”时,相当于DOUT0与COM0接通,继电器KA0的2脚和9脚之间的线圈得电,其管脚5与10之间的常开触点接通,直流电机通电,机构开始运动,电机的2个接线端的接线顺序为:“+”接线端KA1脚4KA1脚6KA1脚9GND,“-”接线端KA0脚5KA0脚10KA1脚13KA1脚11 KA1脚8+12 V。于是,直流电机反向旋转,探头架从右向左运动。

3)当探头架运动到左侧,其撞块触动左微动开关SQ1,使其常开触点闭合,KA1的1和16脚之间的置位线圈S通电,其管脚4和6之间、11和13之间的触点断开而4和8之间、9和13之间的触点接通,这时小电机的接线顺序变为:“+”接线端KA1脚4KA1脚8+12V,“-”接线端KA0脚5KA0脚10KA1脚13KA1脚9 GND。于是电机变为正向旋转,探头架从左向右运动。

4)从左向右运动开始后,探头架撞块将不再接触左微动行程开关,SQ1触点复位,磁保持继电器KA1置位线圈S断电,但其各触点通断状态继续保持不变。当探头架向右运动到最右侧时,撞块触动右微动开关SQ2使其常开触点闭合,KA1的2脚和15脚之间的复位线圈R通电,其所有触点复位,4脚和 6脚之间、13脚和11脚之间的触点恢复到接通状态,从而使直流电机接线恢复到第2)步状态,直流电机又开始反向旋转。如此直流电机交替正反转,探头架往复循环运动。

5)欲停止机构运动,可通过用户操作界面使伺服控制卡的数字输出口DOUT0输出为“0”,继电器KA0的2脚和9脚之间的线圈失电,其管脚1与10之间的常开触点恢复到断开状态,直流电机断电,整个探头机构停止于当时位置。

使用本电路实施小型直流电机的控制集成,既最少地占用了运动控制卡的资源,又方便可靠地将直流电机的控制融入到上位机的用户图形操作界面中,控制简单可靠,集成方便实用。在使用过程中要注意以下问题:①运动控制卡数字输出口输出电压较低、输出电流较小,选用继电器时要注意线圈电压和线圈驱动电流要与之匹配,必要时增加一级放大;②要根据电机负载电流选用具有合适触点容量的继电器;③继电器线圈已接保护二极管,使用时要注意区分其线圈极性;④继电器印刷面上的管脚图一般为底视图,接线时要一一对应。

4 结论

采用基于运动控制卡的上下两层分布式结构的控制方式,合理配置和有效利用运动控制卡的硬件资源,积极开发运动控制卡软件的控件操作功能,可以将爬壁机器人的各项控制任务有机地整合为一体,实现系统的完全软硬件控制集成,显著提高系统的集成化程度和自动化程度。

原来化工企业的油罐检测工作一般由工作人员手持检测仪器在脚手架上移动完成,劳动强度大,工作条件恶劣,检测信息不能实时处理;采用爬壁机器人系统后,机器人携带检测探头运动,机器人的运动控制、检测探头的运动控制和检测信号的处理都由置于油罐外的上位机实时完成,既降低了劳动强度,改善了工作条件,又便于大量检测信息的即时存储和处理,为后续工作打下了良好的基础。该爬壁机器人系统已成功应用于燕山石化公司东方化工厂的实际生产中。

摘要：为了全面提升爬壁机器人系统的集成化程度和自动化程度,提出了一种机电系统控制集成方法:采用基于运动控制卡的上下两层分布式控制结构,合理配置和有效利用运动控制卡的硬件资源,借助于运动控制卡随卡软件的控件编程功能,开发出集成化的用户图形操作界面,将系统的各项控制任务有机地整合为一体。该方法完全可以实现爬壁机器人系统软硬件控制集成。控制集成可靠有效,明显提高了系统的自动化程度。还对一台直流电机控制集成的实施做了详细介绍。

关键词：运动控制卡,控件编程,爬壁机器人系统,直流电机控制集成实施

参考文献

[1] Baldor Electric Company.NextMove ES Motion ControllerInstallation Manual[M].Printed in UK,Baldor UK Ltd,2004.

[2] Baldor Electric Company.Introduction to MintMT[M].Prin-ted in UK,Baldor UK Ltd,2004.

[3]于凌宇.继电器技术及发展[J].国外电子元器件,2000(8):1-3.

[4]王孝洪,游林儒,毕淑娥.磁保持继电器及其在便携设备中的应用[J].磁性材料及器件,2004(2):28-30.

爬壁机器人论文 第7篇

爬壁机器人可搭载多种工具在垂直墙壁上移动, 能够执行高难度任务, 在石化、能源、船舶、建筑等行业应用前景广阔[1]。爬壁机器人有滑架式、多足式、轮式、履带式等结构类型[2], 其中履带式应用较为广泛。相对于多足爬壁机器人, 履带爬壁机器人的优点在于移动速度更快, 但缺点是路面适应性较差。履带机器人与轮式机器人相比, 速度虽慢, 但可以越过更大的障碍物。总之, 履带机器人的主要优势是稳定性好、适应能力强, 可以搭载更多传感器执行更为复杂的任务, 因而得到了广泛应用。

关于爬壁机器人的应用研究, 国外已有46年的历史, 特别是日本欧美等国的著名院所, 在履带爬壁机器人基础理论和试验方面做了大量研究工作。国内方面, 衣正尧等人[3]研制了船舶上用于除锈的爬壁机器人, 并进行了动力学建模与分析, 主要研究了影响电机转矩的因素, 但理论研究结果与相关文献的实验结果相差较大, 无法为爬壁机器人的优化提供理论依据。文献[4]论述了爬壁机器人的动力学建模、仿真和实验, 但没有对磁铁吸附力与运动性能的关系做理论分析。目前已报道的大量文献中, 很多仅进行履带爬壁机器人建模和仿真验证, 分析和优化方面的文献较少。

本研究针对履带试爬壁机器人的结构特点, 分析爬壁机器人壁面运动的受力情况, 对载荷分布系数的概念进行修正, 然后建立完整的运动模型, 并对永磁铁的吸附力、电机所需转矩、壁面倾角和载荷分布系数之间的关系, 进行全面分析和仿真, 确定载荷分布系数和壁面倾角对所需的电机转矩和永磁铁吸附力的影响。

1 壁面静力学分析

下面本研究以大型油罐容器检测为应用背景, 分析永磁吸附履带式爬壁机器人的受力情况如图1所示。

爬壁机器人的履带是通过铰链联接, 在垂直于牵引力的方向上没有刚性, 所以不能将垂直于履带平面的载荷分布到每个永磁体上, 这是爬壁机器人工作稳定性不高的主要原因[5]。本研究假设机器人上有分布载荷, 并把载荷分散机构等效为一个弹簧, 将机器人在GN方向上受到的力, 分散到吸附在壁面的其他磁铁上, 且单条履带上载荷分散机构产生的总拉力为弹簧的弹力T。有文献定义载荷分散系数uL=1-ΔWmax/W, 其中:ΔWmax—吸附面上各永磁铁所承受载荷的最大差值, W—总载荷。很明显ΔWmax难以测量或计算, 导致uL难以计算, 而T相对于ΔWmax更便于测量或计算, 因此为了便于分析uL对爬壁机器人稳定性的影响, 本研究将载荷分散系数重新定义为uL=2 T/G。

下面研究载荷分散系数对机器人爬壁稳定性的影响。由于弹簧的变形量在机器人运动过程中保持不变, 可认为由载荷分散机构产生的拉力始终为T。为保证爬壁机器人不会从壁面掉下, 作用在其上的外力应满足静力学平衡方程组。

其中, 文献[6]中的方程组为:

式中:Ff—单条履带受到的摩擦力, 其大小与1/2GT相等, 个人认为这种定义对分析计算无任何帮助。这里笔者将Ff定义为最大静摩擦力, 只要满足Ff≥GT, 机器人就不会沿壁面下滑, 可依据此条件计算磁铁所需要的吸附力, 并额外引入了载荷分布系数uL的概念, 将uL替换T, 分析uL对N1、N2影响, 为吸附力优化提供依据。

改进后方程组为:

由式 (1, 2) 得到:

式中:N1, N2—机器人在垂直于履带方向上对吸附在墙壁上的最下面和最上面的电磁铁的拉力;Ff—两条履带与壁面间的最大静摩擦力;G—整个机器人的重力, GT=Gcosα, GN=Gsinα;b—支撑力N1、N2相对与机器人重心的力臂;H—摩擦力Ff相对于机器人重心的力臂。

要保证机器人在壁面上不向下滑动, 须有:

其中:

式中:单个磁铁的吸附力, n—永磁铁的个数, u—摩擦系数。

将代入到可得到单个电磁铁所需的吸附力:

机器人上爬过程要保证机器人在壁面上不发生翻转, 必须使最上面一块磁铁不被掀起, 即:

将式 (4) 代入上式有:

2 机器人沿壁面运动的受力分析

2.1 沿壁面匀速运动的受力分析

机器人如果上爬, 单边履带上的电机驱动转矩应克服1/2重力转矩和Mf[7,8]。而关于Mf的计算, 相关文献有所不同, 经综合分析多篇文献, 重新计算了Mf, 得到下式:

式中:MQ—单侧电机经减速后的输出驱动转矩;Mf—机器人履带上最下面一块电磁铁由于受力产生的阻力矩;MG—1/2重力产生的转矩;F1—履带最下面一块磁铁对壁面的压力, 且。因此有:

将式 (8, 9) 代入式 (7) , 可得到单侧电机所需驱动转矩:

2.2 沿壁面转弯运动的受力分析

文献[9]中对转弯运动模型进行分析时, 仅考虑总摩擦阻力矩MZ的影响, 而MZ推导过程不明确, 与文献[10]推导过程不同, 在分析时也未考虑Mf和重力对电机驱动力矩的影响, 且对运动模型的仿真结果与相关文献的实验结果不同。其电机力矩方程为:

履带机器人一般通过两条履带的差速实现转弯, 而在实际设计时, 都是通过正、反转两条履带实现机器人的转弯功能。假设机器人的重力主要分布在两侧履带上, 本研究在分析转弯运动模型时, 充分考虑了摩擦阻力矩MZ、Mf和GT对电机所需驱动力矩的影响。

机器人在壁面向右转弯时, 左侧履带所需力矩大于右侧履带力矩[11,12,13,14], 所以机器人转弯时履带所需的力矩方程为:

式中:履带驱动力矩;履带上每块磁铁与壁面的摩擦力合力所产生的摩擦阻力矩;机器人左侧质量产生的力矩。其中:

合并式 (12, 13) 得到:

履带机器人在转弯时, 接触面压力不均匀分布的程度越显著, 摩擦阻力反抗履带转弯的阻力越小, 所以压力均匀分布时所受转弯阻力矩最大, 这里的压力按均匀分布计算, 则有:

联立式 (9, 11, 14, 15) 可得到转弯时电机所需的驱动转矩:

3 实验及结果分析

机器人物理参数设置参照文献[6], 即G=700 N, u=0.5, H=0.112 m, b=0.3 m, L=0.6 m, R=0.08 m, n=30。

3.1 磁铁所需吸附力

首先以机器人在壁面不滑动为约束条件, 根据式 (5) , 通过仿真分析可得单个磁铁所需吸附力与壁面倾角的关系如图2所示。为保证机器人不滑动, 壁面倾角对单个磁铁所需吸附力有很大影响, 本研究对式 (5) 进行求导, 发现壁面倾角为26.1°时所需电磁铁吸附力最大, 为FN=52.17 N;然后以机器人在壁面不翻转为约束条件, 利用式 (6) , 通过仿真分析可得单个磁铁所需吸附力与壁面倾角和载荷分布系数的关系如图3所示。

壁面倾角和载荷分布系数对单个磁铁所需吸附力都有很大影响, 为保证机器人不翻转, 单个磁铁所需吸附力随载荷分布系数uL增大而减小, 对式 (6) 求导计算得, 机器人在uL=0, α=53.1°时, 单个磁铁所需吸附力最大, Fn=218 N。在下面的仿真中, 为保证机器人稳定运行, 将单个磁铁的吸附力设定为218 N。

3.2 电机所需转矩

下面设定参数, 其余物理参数不变, 根据式 (10) , 通过仿真分析机器人直线上爬时电机所需转矩与载荷分布系数和壁面倾角的关系如图4所示。可见, 直线运动时电机所需驱动转矩随α角增大而减小, 随uL增大而增大;在同一α的前提下, 不同uL所对应的电机所需最小驱动转矩的变化范围只有5 N·m, 因此在磁铁吸附力确定的条件下, 直线上爬时电机所需驱动转矩受uL影响很小, 其大小主要是由α决定, 其最小所需驱动转矩为48 N·m。

本研究设定参数, 其余物理参数不变, 根据式 (16) , 通过仿真分析零转弯半径时电机所需转矩与载荷分布系数和壁面倾角的关系如图5所示。转弯时电机所需最小驱动转矩为72 N·m, 大于48 N·m, 主要是因为电机还要额外克服转动摩擦阻力矩, 其值比直线上爬所需转矩要大, 且其转矩也是随α的增大而减小, 随uL的增大而增大, 但对于不同uL所对应的电机所需最大驱动转矩最大差值只有1 N·m, 因此在磁铁吸附力确定的条件下, 转弯时电机所需驱动转矩主要受α影响, uL对其产生的影响可以忽略。

由于参数过多, 图4和图5都未分析磁铁吸附力对电机转矩的影响, 在此本研究设定参数uL=0.5, α=30°, 对式 (10, 16) 进行仿真, 分析磁铁吸附力对电机转矩的影响。磁铁吸附力与电机所需驱动转矩的关系如图6所示。由图6可以看出, 机器人作直线运动时电机所需转矩受磁铁吸附力的影响不大, 而转弯运动时电机所需转矩受磁铁吸附力的影响很大, 仿真结果与文献[5]的实验结果相同。

4 结束语

本研究对永磁吸附履带式爬壁机器人进行了受力分析。首先根据履带式爬壁机器人特点, 重新定义了载荷分布系数, 然后对爬壁机器人进行静力学分析, 建立了数学模型, 并根据现有爬壁机器人硬件参数进行仿真, 确定了机器人在不同的壁面倾角和载荷分布系数下, 单个磁铁所需要的最小吸附力和单个电机所需要的最小转矩。根据仿真结果, 确定通过提高载荷分布系数可以提高机器人在壁面运动的安全性, 而且还要考虑磁铁吸附力对电机转矩的影响, 才能提高机器人运动的灵活性。本研究结果为永磁吸附履带式爬壁机器人的结构优化和安全操作提供了理论支持。

本文引用格式:

熊雕, 刘玉良.履带式爬壁机器人受力分析与稳定性仿真研究[J].机电工程, 2015, 32 (7) :929-932, 937.