基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计

研究了基于静电吸附原理的爬壁机器人设计过程。针对静电吸附原理进行分析,对电极与壁面间产生的吸附力解析建模,通过实验验证静电吸附作用。根据静电吸附力的性质,设计履带式爬壁结构,借助Solidworks软件进行三维建模,分析双履带车质量、重心等关键参数。对机器人样机在壁面上发生吸附时的受力情况展开分析,确定提高爬壁机器人安全稳定性的改进措施。最后对机构运动控制系统作简要介绍。     

爬壁机器人结构优化设计与吸附力分析

为适应油罐外壁危险作业需要,设计了一款具有有效吸附力和灵活移动能力的新型轮式永磁吸附爬壁机器人。为满足爬壁机器人吸附力平稳并具有负载能力的要求,对爬壁机器人进行静力学分析和动力学建模,得到爬壁机器人在壁面运行的安全吸附力,以保证不发生滑移和倾覆。利用有限元软件分析了磁吸附系统磁铁与壁面间距离、轭铁厚度和磁铁之间距离等结构参数对吸附力的影响规律,并获得最佳结构尺寸。通过实验装置对吸附力进行验证,结果表明实验结果与仿真结果的变化趋势基本一致,为后续的模型制作和改进提供了参考。     

大型油罐爬壁机器人吸附结构的优化设计

以用于大型油罐视频检查的爬壁机器人为背景,对爬壁机器人的吸附结构进行优化设计。综合已有的吸附结构方式,结合实际应用环境,选择履带式永磁吸附方式,通过分析爬壁机器人可能的失效形式,计算得到了最小吸附力,并在仿真实验的基础上,分析比较了最小吸附单元可能的四种结构形式,确定了吸附单元最终的结构形式,计算校核该种结构形式的吸附力的可靠性。最小吸附单元包括永磁体、扼铁、隔磁块,磁吸附力大小主要受尺寸、结构布局的影响,利用SolidWorks建立最小吸附单元的三维装配模型,将装配模型导入ANSYS Workbench中,对模型进行磁场分析得到其磁通密度云图和磁吸附力云图,将分析结果进行比较选择,确定理想模型吸附力的大小,最终通过试验制造,验证吸附结构的真实承载情况。     

大型承压设备爬壁机器人磁桥设计和试验研究

针对大型承压设备轮式爬壁机器人磁轮吸附力不足的问题,对爬壁机器人磁吸附结构进行了优化设计与实验研究。通过爬壁机器人受力状态及吸附力要求的物理分析,提出了磁轮与磁桥结构相结合的磁吸附方式;利用建立的有限元仿真模型,确定了最佳永磁体长度、高度、宽度等规格参数,并研究了磁桥与容器壁面空气间隙对爬壁机器人吸附力的影响;设计磁吸附力测试装置进行了实验,然后与有限元仿真结果进行了对比。研究结果表明:该磁桥结构能够为轮式爬壁机器人提供充足的吸附力,能避免机器人爬行过程中出现的向上爬行打滑和横向爬行侧滑问题。     

基于有限元分析的不完全消磁机构的优化设计

基于内平衡原理的爬壁机器人永磁吸附机构具有吸附脱离易控、功耗低等优点,利用有限元方法对其结构进行优化设计,并利用虚拟样机技术对机构参数与机构吸附特性之间的关系进行了分析。通过实验对其结果进行了验证,优化设计后的吸附单元,吸附状态时最大吸附力可达319N,脱离状态时的吸附力仅为6N。     

负压爬壁机器人吸附系统研究

系统研究了爬壁机器人的负压吸附系统。针对负压爬壁机器人的吸附力利用效率,研究了其运动系统结构对吸附力配置的影响。根据吸附力利用效率的差异,提出了若干移动机构及密封机构的构成方案并分析了其综合性能。对负压吸附系统各个元件进行了热力学分析,阐述了吸附系统的气路状态变化过程,揭示了吸附原理的实质。利用CFD对吸附系统气流在流场中的状态变化进行了仿真。最后,通过研制的负压式爬壁机器人样机验证了吸附系统的可靠性和稳定性。     

风电塔筒爬壁机器人吸附结构设计分析

针对风电塔筒外壁面检修困难的问题,对当前风电塔筒检修的方式、缺陷、需求进行了分析,对现有爬壁机器人的机械结构、吸附方式、主要功能进行了归纳,提出了一种可适应曲面吸附爬行的新型机器人机构。该机构可辅助或替代人工进行风电塔筒的检修,具备两个旋转自由度,采用了一种新型永磁爬壁吸附结构,可稳定吸附于风电塔筒外壁面并在壁面移动;利用Solidworks、Maxwell等软件进行了爬壁机器人的结构建模及吸附机构的吸附力仿真;对爬壁机器人在不同的失稳条件下进行了受力分析,得到了所需吸附力数值;将吸附单元仿真结果与计算所需吸附力进行了比较。研究结果表明:该爬壁机器人吸附能力符合稳定吸附要求,可以稳定吸附于风电塔筒外壁面。     

面向爬壁机器人的电极吸附阵列模型构建及优化

针对爬壁机器人现有吸附方式的不足,提出一种电极吸附的新方法。对电极吸附技术的吸附机理进行分析,并根据爬壁机器人的应用特点,提出电极阵列式吸附结构——共面梳状交叉电极阵列。针对该阵列结构,基于有限元分析方法,构建吸附力输出模型,并结合量子粒子群优化算法,以电极吸附阵列吸附力输出的最大化为目标,对电极阵列布局的参数进行优化设计;在对电极阵列吸附力分布特性、击穿特性等性能进行分析的基础上,提出电极阵列结构优化设计方案,并采用MEMS技术,设计出了试验样版。为了验证电极吸附方法的有效性和所建模型的正确性,分别基于不同的材料基底(水泥墙、玻璃和木材),进行吸附力测试试验,并基于电极吸附技术,设计单履带式攀爬机器人。试验数据及攀爬机器人的实际运行效果表明了电极吸附技术的有效性和先进性。     

Halbach方形阵列吸附机构优化设计

为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值.通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性.结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100％,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据.     

微型磁吸附爬壁机器人结构设计及实现

文中针对小曲率铁质面吸附、爬行难的问题，设计了一款永磁体吸附的微型爬壁机器人。该机器人采用磁吸附提供正压力，通过履带与铁质壁面的摩擦力提供机器人的驱动力。同时，为了使机器人在工作中保持安全避免失稳，对机器人在4种易脱离的情况下进行受力分析，计算出了机器人保持安全所需的磁吸附力。利用有限元软件分析永磁体的厚度及永磁体与壁面间的距离等因素对吸附力的影响规律，得到了最佳结构尺寸。通过搭建样机在圆筒上进行0～2π的一圈爬行测试，验证了此机器人能够在任意角度进行稳定工作，为后续爬壁机器人结构的设计和优化提供了借鉴。     

新型多履带全向爬壁机器人结构设计

针对爬壁机器人的壁面行走可靠性问题,结合爬壁机器人的结构特点,设计一种抛弃传统履带差速转向,避免机器人运动过程中转弯,可全向移动的多履带爬壁机器人.对机器人在不同倾角壁面的行走条件进行分析,得到机器人所需吸附力与壁面倾斜角度的变化规律,分析壁面倾斜角度对所需驱动力的影响.通过搭建样机进行附壁行走试验,验证了机器人在"危险角度"上能够可靠吸附,驱动电机提供的实时扭矩,可满足机器人的驱动要求并验证了分析结果的正确性,该分析结果为多履带全向爬壁机器人的设计和优化提供了基础.     

锅炉水冷壁磨损检测机器人的研究与开发

介绍了应用于流化床锅炉水冷壁壁厚检测的永磁吸附式爬壁检测机器人,设计了它的本体结构,导向机构和一种新型壁厚无损检测装置,提高了壁厚检测效率。对爬壁机器人本体进行静态受力分析,确定单个永磁体的最小吸附力,设计一种应用于该检测环境下的新型永磁吸附装置,用ANSOFT MAXWELL电磁场仿真软件对永磁吸附装置各结构尺寸进行分析,确定各结构尺寸对吸附力的影响,对永磁吸附装置进行尺寸优化。实验结果证明,该机器人具有运动稳定可靠,检测效率高等优点,具有较高的应用价值。     

轮履组合式磁吸附爬壁机器人设计与稳定性分析

为解决永磁吸附装置与导磁壁面之间由于吸附性能不可靠而产生的失稳问题，文中设计了轮履组合式磁吸附爬壁机器人，设计出越障磁轮结构及磁吸附履带结构。首先，针对爬壁机器人在不同工况下的受力状态，建立机器人的力学模型；其次，分别分析了下滑、倾覆及侧翻的失稳状态，计算出满足稳定性的最小吸附力。当单侧越障磁轮吸附力大于10.85 N,单侧磁吸附履带吸附力大于14.63 N时，机器人就不会出现失稳现象。通过Maxwell仿真软件对越障磁轮及磁吸附履带分别开展磁场仿真与参数化扫描分析研究。结果表明：当越障磁轮气隙高度保持在1 mm内，磁吸附履带气隙高度保持在0.8 mm内，同时导磁壁面厚度在2 mm及以上时，机器人的吸附力才能满足不失稳条件，保证了机器人的爬壁可靠性。     

飞行吸附机器人的静电吸附单元优化设计研究

静电吸附作为一种新型吸附原理,具有低噪声、低功耗等优势,在三维空间移动机器人如爬壁机器人、飞行吸附机器人中潜在应用价值显著。实验对比研究了不同电极类型、不同填充绝缘材料及厚度等对于吸附力性能的影响规律,优化选择了梳状电极类型和PVC填充绝缘材料。理论分析和实验研究了电极几何结构对于吸附力的影响规律,针对影响梳状电极吸附力的关键因素,分别进行了比较,以确定最优的几何结构。对设计的静电吸附板分别在不同壁面下开展了吸附力性能测试,验证了静电吸附优化设计的有效性以及在飞行吸附等机器人应用上的可行性。     

大型钢结构巡检爬壁机器人永磁轮优化设计

针对大型钢结构人工巡检劳动强度大和危险系数高的问题,本文研制了一种轮式永磁吸附爬壁机器人,并对永磁轮进行了优化。论文开展了机器人机械结构及永磁轮结构设计;针对机器人可能发生的三种失稳形式:沿壁面滑移、纵向倾覆和横向倾覆,进行了力学分析;为了提高磁能利用率,利用COMSOL软件建立三维模型,分析结构参数对永磁轮吸附力和吸附效率的影响,确定了最优结构尺寸。优化后,永磁轮吸附力达到357.8N,吸附效率提高了24.2%,机器人能在曲率半径大于0.87m的钢结构上可靠吸附。实验结果表明机器人能够在钢铁壁面上稳定爬行,验证了本设计的可行性和正确性。     

爬壁机器人变密度拓扑优化吸附结构研究

针对目前爬壁机器人自身重量过重、机身结构过于复杂的问题,提出一种爬壁机器人吸附结构变密度拓扑优化法.通过对爬壁机器人吸附于壁面时影响较大的主要结构部件进行三维建模,引入变密度拓扑优化法对所选用的部件在Ansys Workbench软件中进行结构优化.根据机器人工作实际情况设置边界条件和载荷,合理去除爬壁机器人主体部件中对结构强度影响不大的区域.根据优化结果重建模型并和原始结构模型进行应力分析对比,从而实现对爬壁机器人主体结构的拓扑优化.将优化后的吸附面结构与优化前的吸附面结构在ANSYS中对比,在保证爬壁机器人底板强度一致的基础上达到轻量化的目的,有助于提高爬壁机器人的灵活性和运动控制能力.     

基于旋翼负压混合吸附的爬壁清洗机器人系统动力学性能研究

针对爬壁清洗机器人越障时,负压装置的吸附力下降导致吸附不稳定的问题,设计了一种旋翼负压混合吸附工作的多边形履带清洗机器人,并对爬行稳定性及越障性能进行了动力学分析。首先根据机器人爬壁的运动原理,建立机器人沿玻璃幕墙上的动力学模型,计算出电机理论驱动力矩;其次分析机器人在跨越障碍过程中的运动模型,结合与壁面接触的实际受力状态,对越障过程中关键阶段的本体倾翻、滑移两种失效形式进行运动学和动力学分析;然后根据玻璃幕墙实际的障碍高度,确定多边形履带的参数和理论驱动力矩的大小,并研制了实验样机进行爬行和越障试验,结果表明所设计的机器人具有良好的越障性能。     

基于有限元分析的永磁吸附单元设计优化

为了同时满足爬壁机器人负载能力和运动灵活性的要求,设计了一种永磁吸附单元,并应用有限元分析法,建立了永磁吸附单元吸附力的计算模型,运用有限元分析软件分析了在不同参数下磁吸附力的变化,为永磁吸附单元的设计提供了依据.     

永磁轮式爬壁微机器人尺寸优化设计研究

给出了一种全向的永磁轮式爬壁微机器人。为获得爬壁机器人运动所需力矩和磁力与其尺寸设计之间的关系,研究了其动力学分析方法。结合爬壁机器人自身永磁轮尺寸、永磁轮间距、转向齿轮传输比、底盘半径、所需磁吸附力等设计约束,构造所需驱动力矩最小为目标函数,对其主要尺寸参数进行了优化设计。通过ANSOFT磁力仿真、Pro/Engineer机械仿真和MATLAB计算对爬壁机器人整体尺寸优化设计进行求解。对仿真计算结果进行了分析比较,证明上述设计方法的可行性。     

基于Halbach阵列的爬壁机器人永磁吸附模块优化设计

针对轮式永磁吸附爬壁机器人吸附效率较低的问题，设计了一种基于Halbach阵列的新型弧形永磁吸附模块，研究其吸附特性并进行优化。运用ANSYS Maxwell软件对新型吸附模块进行有限元仿真分析，研究Halbach弧形永磁体阵列在聚磁一侧的磁感线分布规律；为了减少弱磁侧的磁感线泄漏，在传统的Halbach永磁阵列基础上，在弱磁侧增加了轭铁装置；通过对弧形磁体阵列的角度、宽度、厚度及轭铁的厚度对吸附力的影响的研究，采用控制变量法并利用ANSYS Maxwell对新型弧形永磁吸附模块的关键结构尺寸进行优化，设计了永磁吸附模块的最优尺寸。结果表明，经过优化后的吸附单元的总体质量降低，但单位质量吸附力增大，磁能利用率大幅度提高，为轮式爬壁机器人的优化设计提供依据。