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。     

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。     

爬壁机器人永磁吸附轮的磁路及结构设计分析

针对永磁轮吸附式爬壁机器人,提出了一种改进的永磁轮设计方案。与传统的两种磁路方案对比,吸附力分别提高了37%和32%,突出了改进的混合型环状对称磁路的优势。并建立壁面吸附模型,通过研究永磁体宽度、永磁体内径和导磁宽度对磁轮几何参数对磁轮吸附力的影响,确定了永磁体外径R=30mm,内径r=10mm,宽度A=10mm,导磁宽度B=20mm,轭铁宽度D=5mm,气隙高度L=5mm的结构尺寸方案,为后续深入研究提供理论指导。     

一种基于磁力吸附的储罐爬壁机器人本体设计

对于大型储罐焊缝缺陷自动化检测,爬壁机器人需完成自动化全方位扫查。针对储罐爬壁机器人在不同运行工况下的受力状态,建立爬壁机器人力学模型,分析获得不下滑、不纵向倾覆、不横向侧翻以及复合状态下失稳状态危险点,应用Maxwell软件对永磁吸附轮受力状态进行仿真与优化设计,使之满足吸附要求。同时,设计具有辅助吸附功能的编码轮结构,在反馈位置信息的同时,补充安全吸附力的裕度,以增加其越障和抗失稳能力。最后,依据设计模型制造出爬壁机器人本体并进行测试实验,实验结果证明该机器人能在各种危险点处实现带负载稳定全向驱动运行。     

管道攀爬机器人非接触变磁隙式永磁吸附机构的设计与吸附性能优化

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型,得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真,通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算,在最优磁铁宽度为80 mm时,得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3,大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后,通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性,证明了磁吸附机构优化设计的可行性。     

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。     

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。     

风电塔筒爬壁机器人吸附结构优化设计及试验研究

为适应风电塔筒外壁作业需要,设计了一种可自适应曲面的永磁吸附履带式爬壁机器人,并对吸附结构进行了优化。首先建立了爬壁机器人在壁面的吸附力学模型,分析了爬壁机器人永磁吸附单元所需要的最小吸附力;其次设计了永磁吸附单元的基本结构及履带上永磁吸附单元的排列方式,通过有限元软件分析了不同设计参数对永磁吸附单元吸附力和磁质比的影响,并基于响应面模型,通过多目标优化分析得到了设计参数的最优值;最后通过永磁吸附单元和整机试验验证了吸附结构优化结果的可靠性及爬壁机器人负载稳定性。     

一种大型压力容器爬壁机器人的设计

在役大型压力容器需要定期检测，针对传统人工检测存在的难度大、成本高、周期长等问题，本文设计了一种轮式永磁吸附爬壁机器人。该机器人采用分体式结构，能够适应曲面作业。针对球型压力容器实际作业情况，建立了机器人在球面上的静力学模型，分析内、外壁面作业时可能发生滑移、倾覆和法向脱离的失稳条件。通过MATLAB仿真得到机器人在内、外壁面上爬行时最容易发生失稳的位置和单个磁轮的最小吸附力值，总结出保证机器人稳定工作应满足的条件。实验结果表明，该轮式永磁吸附爬壁机器人能够稳定吸附，满足设计要求。     

三角履带爬壁机器人越障动力学建模与仿真

针对一些工作场合对爬壁机器人有较高的越障性能要求,设计了一种包含4个三角形履带轮组构成的磁吸附爬壁机器人。首先设计了三角履带爬壁机器人的整体结构,研究了越障过程中机器人结构变化,以及爬行越障和翻转越障通过原理。建立了翻转越障过程动力学模型,该模型体现了机器人机构尺寸等因素对电机输出力矩的影响。根据此模型,能确定机器人越障过程所需最小驱动力矩。利用ADAMS软件进行仿真验证,仿真结果证明了动力学模型的正确性,表明了机器人结构简单,具有较强的越障能力。     

基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人

给出了一种基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人机构设计方案,采用磁隙式吸附装置平衡清洗作业过程中高压水枪反向冲击力产生的倾覆扭矩,提高系统稳定性裕度。建立数学模型描述清洗作业力学行为,利用有限元仿真优化磁吸附模块设计参数,计算不同气隙高度下单个磁吸附装置产生的吸附力。根据仿真结果,当采用2块40 mm×40 mm×15 mm与2块80 mm×40 mm×15 mm的永磁铁,磁铁间隙为10 mm,轭铁厚度为9 mm,气隙高度为10 mm时,单个磁吸附装置能够产生693 N的吸附力,槽车清洗机器人能够在20 MPa的清洗水压下稳定地工作。     

轮足式风电机爬壁机器人的设计与分析

为解决人工维护风电机施工难度高、效率低、劳动强度大等问题，基于爬壁机器人研究现状，提出了轮足式4吸盘风电机爬壁机器人的机械本体结构方案。采用Creo软件对机器人的前后吸盘、三腔星轮式吸盘及前后叉架等进行机械结构设计，借助CAD软件对机器人翻越内直角时各种运动姿态进行分析；建立数学模型，通过MATLAB软件对计算结果进行仿真分析，得出防止机器人滑落的最小安全吸附力；运用ADAMS软件对爬壁机器人虚拟模型进行运动学分析，同时应用爬壁机器人样机进行运动试验予以验证。结果表明：爬壁机器人能够在最小安全吸附力条件下，完成机器人单一曲面越障及翻越内直角时越障的运动要求，从而得出轮足式4吸盘风电机爬壁机器人设计方案可行，为后续研究提供有益参考借鉴。     

基于ANSYS的爬壁机器人永磁吸附单元研究

针对如何提高永磁式爬壁机器人磁吸附单元吸附能力,提出了一种新型的磁吸附单元模型。运用ANSYS中的ANSOFT Maxwell模块对吸附单元模型的二维静态磁场进行了仿真分析,通过分析磁吸附单元各结构尺寸对吸附力的影响,得出水平充磁的方型永磁体改变其高度尺寸对磁吸附力的影响大于改变水平磁化尺寸的影响。对比了传统型和新型单元在尺寸结构相同的条件下,吸附力随工作气隙变化的关系,结果表明新型的磁路具有永磁利用率高、吸附力大、吸附稳定性好等优点。     

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.     

履带式爬壁机器人受力分析与稳定性仿真研究

针对机器人壁面上运动的稳定性问题,对永磁履带式爬壁机器人的结构特点和壁面受力进行了分析。为了便于受力分析,提出了载荷分布系数的新定义,建立了爬壁机器人的静力学模型、直线运动模型及转弯运动模型。利用Matlab软件对永磁铁吸附力、电机所需转矩、壁面倾角、载荷分布系数之间的关系,以及爬壁机器人的壁面受力进行了理论推导和数值仿真。研究结果表明,磁铁的吸附力指标主要决定于履带载荷分布系数和壁面倾角,磁铁的吸附力大小对转弯运动的灵活性有很大的影响,电机转矩要求主要决定于磁铁吸附力和壁面倾角。机器人运动模型的仿真结果与相关文献的实验结果一致,验证了运动模型的有效性,确定了影响稳定性的主要参数,给爬壁机器人的优化设计提供了依据。     

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。     

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。     

磁吸附爬壁机器人履带模块运动仿真与实验

履带模块是履带式爬壁机器人的重要组成部分,设计了一种可以用在履带式磁吸附爬壁机器人中的履带模块,包括履带传动与行走模块、磁吸附模块,利用Solid Works建立履带模块的三维模型,分析其受力情况,并建立其安全吸附的数学模型,得到其能在壁面不发生滑落或者倾覆的安全吸附条件。然后将履带模型导入到ADAMS中分析其动力学特性,通过在ADAMS中的动力学仿真验证履带模块设计的可靠性,并且根据仿真结果选择合适的电机,最后通过实验验证仿真结果是准确的,为多履带体的爬壁机器人提供了理论分析和实验的基础。     

可自适应变曲率立面的分体柔性爬壁机器人设计与分析

为解决传统爬壁机器人在复杂大型金属立面上的变曲率自适应问题,以履带与曲面的有效接触为出发点,分析在自适应曲面运动时履带式移动构型的姿态变化规律,提出一种基于分体柔性履带移动与间隙式永磁吸附的自适应爬壁机器人;建立多状态下移动模型,分析机器人在变曲率立面移动及焊缝越障过程中利用自身姿态变化实现自适应的运动特性;构建间隙式永磁吸附模型,利用参数化仿真分析了壁厚、磁隙等对吸附能力的影响;通过样机平台试验表明,机器人能以合理的运动姿态实现在变曲率立面上的大负载灵活可靠运动,具有较好的变曲率自适应能力及越障能力.     

储油罐在油检测机器人结构设计与运动分析

针对大型石油罐罐底与罐壁缺陷的在油检测问题,设计出一种可爬直角壁的四轮四轴液压驱动式磁力吸附爬壁机器人,机器人可在石油罐内实现罐底与罐壁间的双向直角过渡攀爬、90°转向及工作间隙调节等动作.安装于机器人腹部用于其正常行走的磁吸附装置采用45块(6×6×3) cm Halbach阵列布局的永磁铁块;机器人前后两端用于爬直角壁的磁吸附装置使用10块(5×4×4) cm Halbach阵列布局与6块(4×4×2.5)cm普通布局的永磁铁块.将腹部及前后端部磁吸附装置的永磁铁块在Ansoft软件中进行磁吸附力计算,得出合理的磁吸附力与工作间隙.并基于计算结果,用ADAMS软件完成机器人各动作的仿真试验.仿真结果表明,针对大型石油罐缺陷在油检测,该四轮四轴式液压驱动磁力吸附爬壁机器人结构方案是可行的.