風(fēng)電塔筒爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析摘要：爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其能在垂直壁面上靈活移動(dòng)，在極限條件下代替人工完成各種作業(yè)任務(wù)，是目前機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。此外，爬壁機(jī)器人作為一類(lèi)特殊的機(jī)器人，在核工業(yè)、石化企業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景?；诖耍恼聦?duì)風(fēng)電塔筒爬壁機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。關(guān)鍵詞：風(fēng)電塔筒；爬壁機(jī)器人；吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)能作為一種綠色環(huán)保能源，在世界各地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。作為風(fēng)能收集的載體一一風(fēng)電塔筒，因其在制造、裝配等過(guò)程中存在的問(wèn)題以及在長(zhǎng)期使用后塔筒疲勞，易出現(xiàn)裂紋、表面銹蝕等現(xiàn)象，若不及時(shí)實(shí)施相應(yīng)的檢修措施會(huì)導(dǎo)致塔筒坍毀的嚴(yán)重事故。而爬壁機(jī)器人具有在高空壁面行走和負(fù)載等能力，可作為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種高空極限作業(yè)。因此，爬壁機(jī)器人在塔筒上的應(yīng)用具有重要意義。一、爬壁機(jī)器人簡(jiǎn)介爬壁機(jī)器人又稱(chēng)磁吸附壁面移動(dòng)機(jī)器人等，是特種機(jī)器人的一種，能憑借磁吸效應(yīng)自動(dòng)在大型金屬立面或其它懸壁面連續(xù)進(jìn)行清理工作。一般采用永磁吸附的方式吸附在金屬壁面，從而完成壁面清理工作。通常，將完成清掃、除銹、噴漆的機(jī)器人，也統(tǒng)一歸為磁吸附爬壁機(jī)器人或爬壁機(jī)器人。此外，爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動(dòng)兩個(gè)基本功能，而常見(jiàn)吸附方式有負(fù)壓吸附和永磁吸附兩種。其中負(fù)壓方式可通過(guò)吸盤(pán)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式則有永磁體和電磁體兩種方式，只適用于吸附導(dǎo)磁性壁面。爬壁機(jī)器人主要用于石化企業(yè)對(duì)圓柱形大罐進(jìn)行探傷檢查或噴漆處理，或進(jìn)行建筑物的清潔和噴涂。二、爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)1、整體方案布局。設(shè)計(jì)風(fēng)電塔筒爬壁機(jī)器人目的是為了能替代人工對(duì)風(fēng)電塔筒的檢修，因此要求爬壁機(jī)器人能安裝不同檢修裝置，并通過(guò)在工作表面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成檢修任務(wù)。綜合現(xiàn)有研究成果及生產(chǎn)需求，爬壁機(jī)器人要求達(dá)到的基本技術(shù)指標(biāo)為：最大尺寸＜550x550x200mm；機(jī)器人總重＜40kg；移動(dòng)速度6?8m?min-1；爬行高度80?120m；越障能力＞10mm；變徑能力±6°。同時(shí)，考慮應(yīng)用場(chǎng)景，爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由運(yùn)動(dòng)、吸附、底盤(pán)部分組成，其中，吸附部分又包括吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、吸附力計(jì)算、吸附結(jié)構(gòu)建模。常見(jiàn)爬壁機(jī)器人吸附方式分為負(fù)壓吸附、真空吸附及磁吸附，以上3種吸附方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)爬壁機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，磁吸附結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的材料要求較高，需要能被吸附的磁性材料；同時(shí)這種方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，相對(duì)其他吸附方式吸附力明顯較大,對(duì)運(yùn)動(dòng)面形狀要求不高。磁吸附包括永磁體和電磁體兩種吸附方式，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。使用永磁吸附設(shè)備，不會(huì)因斷電等意外情況出現(xiàn)吸附力消失以及設(shè)備從工作面墜落?？紤]風(fēng)電塔筒曲率半徑不斷變化的特點(diǎn)，以及需要較大的吸附力等因素，爬壁機(jī)器人采用履帶式行走方式，通過(guò)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的不同，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人直線及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。2、旋轉(zhuǎn)吸附機(jī)構(gòu)模型的建立。風(fēng)電塔筒外壁面曲率是變化的，不同高度直徑不同，常見(jiàn)風(fēng)電塔筒高約80m，塔筒整體呈錐形，最窄端口直徑2800mm，最寬端口直徑3500mm，若考慮爬壁機(jī)器人最大設(shè)計(jì)尺寸，采用雙鉸鏈旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，則極端爬行位置沿塔筒切線方向貼合偏移約7.24°。根據(jù)風(fēng)電塔筒高度、直徑等參數(shù)計(jì)算，可得到爬壁機(jī)器人沿塔筒軸線方向貼合偏移約0.2°，該方向偏移可忽略不計(jì)。因此，沿塔筒切線方向，爬壁機(jī)器人需具備在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸附半徑變化的能力。考慮機(jī)器人在塔筒外壁轉(zhuǎn)彎時(shí)，存在前端吸附結(jié)構(gòu)翹起并遠(yuǎn)離塔筒的情況，應(yīng)減小吸附機(jī)構(gòu)與塔筒的距離變化，要求機(jī)器人吸附結(jié)構(gòu)具備旋轉(zhuǎn)自由度。根據(jù)以上分析結(jié)果，爬壁機(jī)器人需具備兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。三、永磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析1、方案設(shè)計(jì)。根據(jù)上述分析可知，每個(gè)吸附單元應(yīng)具備至少“68.18N”的吸附力，考慮吸附單元外部需嵌套防磨橡膠，因此設(shè)備吸附單元選用稀土永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B），這種永磁材料磁能積較大，現(xiàn)已在相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。永磁體單元的布置主要有：“單塊永磁體與兩塊分離永磁體”、“有無(wú)扼鐵”等方式本文選用兩塊分離永磁體，添加扼鐵產(chǎn)生的相對(duì)吸附力最大。吸附方案如圖1所示。圖1吸附單元方案1-橡膠隔套；2-隔磁體；3-永磁體；4-軛鐵2、磁力仿真。常見(jiàn)風(fēng)電塔筒的壁厚約為15mm，根據(jù)傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到永磁體吸附力，初步確定單塊永磁體尺寸為8mmx22mmx30mm。由此可通過(guò)Maxwell軟件進(jìn)行磁鐵吸附力的仿真。令永磁體距壁面的距離、軛鐵的厚度為變量，研究觀察不同參數(shù)下吸附力的變化情況（仿真采用2D模型，數(shù)據(jù)中對(duì)壁面產(chǎn)生吸附力為永磁體厚度為30mm時(shí)，不同參數(shù)變化產(chǎn)生的吸附力大小）。綜合分析曲線如圖2所示。圖2吸附力綜合分析曲線四、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果根據(jù)綜合分析曲線結(jié)果及制造難易程度，可得到相對(duì)最優(yōu)目標(biāo)點(diǎn)：當(dāng)永磁體距壁面距離為3mm,軛鐵厚度為2.5mm時(shí)，所求永磁體吸附力仿真結(jié)果為70.42N，此結(jié)果最接近計(jì)算結(jié)果68.18N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)際應(yīng)用條件下，爬壁機(jī)器人吸附能力符合穩(wěn)定吸附要求說(shuō)明該爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定吸附于風(fēng)電塔筒外壁面。根據(jù)吸附單元仿真結(jié)果，結(jié)合吸附單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及整機(jī)設(shè)計(jì)方案，最終得到一種適用于風(fēng)電塔筒外壁檢修的爬壁機(jī)器人三維模型。通過(guò)在該機(jī)器人上安裝不同工具，操作人員即可完成對(duì)風(fēng)電塔筒的檢測(cè)、清理、修復(fù)等任務(wù)。五、爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)驅(qū)動(dòng)、傳感、控制等軟硬件技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了爬壁機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展實(shí)際應(yīng)用需求也對(duì)爬壁機(jī)器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)，爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)歸結(jié)起來(lái)主要有以下方面。1、新型吸附技術(shù)的發(fā)展。吸附技術(shù)一直是爬壁機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)瓶頸，它決定了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。由于目前應(yīng)用比較成熟的吸附技術(shù)都有很大的局限性，在很多情況下難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。因此，開(kāi)發(fā)和研究新型吸附技術(shù)是當(dāng)前爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。模仿壁虎等動(dòng)物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當(dāng)前新型吸附技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。2、爬壁機(jī)器人的任務(wù)由單一化向多功能化方向發(fā)展。過(guò)去所研制的爬壁機(jī)器人大多用于清洗、噴涂、檢測(cè)等作業(yè)，作業(yè)任務(wù)往往只局限于單一的任務(wù)。而目前人們希望爬壁機(jī)器人能裝備多種工具，在不同場(chǎng)合進(jìn)行工作。比如機(jī)器人能在空間飛行器上進(jìn)行安裝及外部維護(hù)作業(yè)等。、小型化、微型化是當(dāng)前爬壁機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)。在滿(mǎn)足功能要求前提下，體積小、質(zhì)量輕的機(jī)器人有較高靈活性，某些特殊場(chǎng)合也需小體積機(jī)器人。各種微型驅(qū)動(dòng)元件、控制元件及能源供應(yīng)方式的發(fā)展，為小型化、微型化奠定了基礎(chǔ)。、由帶纜作業(yè)向無(wú)纜化方向發(fā)展。由于爬壁機(jī)器人作業(yè)空間一般較大，帶纜作業(yè)限制了機(jī)器人的作業(yè)空間，所以，為了提高機(jī)器人的靈活性和擴(kuò)大工作空間，無(wú)纜化成為當(dāng)前與未來(lái)爬壁機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。、由簡(jiǎn)單遠(yuǎn)距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結(jié)合，使機(jī)器人在封閉環(huán)境中具有一定的自主決策能力，并具有自我保護(hù)能力，是移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要方向，也是爬壁移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。、可重構(gòu)是機(jī)器人適應(yīng)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為使機(jī)器人能應(yīng)用