磁吸附轮式爬壁机器人壁面适应能力研究
磁吸附轮式爬壁机器人壁面适应能力研究[20200419155105]
摘要
永磁吸附轮式爬壁机器人是磁吸附爬壁机器人的重要分支，是在原有移动机器人的基础上增加磁吸附单元，使机器人能在垂直或倾斜的壁面运动，通过携带操作工具和软件编程使其能进行一些危险的壁面工作，使用永磁吸附轮式爬壁机器人具有速度快，运动灵活，工作方式简单，实用化程度高的优点，在生产和生活得到越来越广泛的运用。
由于永磁轮式爬壁机器人主要工作环境大多处于危险壁面，提高其稳定性是重中之重，目前，各国学者研究重点在平整壁面的稳定性，尚未对常见的不平整壁面进行壁面稳定性研究。本文通过有限元的方法对永磁轮式爬壁机器人在不平整壁面稳定性进行分析，分别针对永磁轮式爬壁机器人在不同角度壁面、不同弧度壁面和不同表面状况壁面进行研究，从而得出永磁吸附轮式爬壁机器人的稳定性条件，并对原有爬壁机器人的结构进行改进，进而解放人力，提高机器人的工作效率。
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关键字:爬壁机器人壁面适应结构设计仿真分析
目录
1.绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 爬壁机器人的分类 1
1.3 磁吸附爬壁机器人的国内外研究现状 2
1.3.1 国外研究现状 2
1.3.2 国内研究现状 3
1.4 论文的主要内容 4
2.永磁吸附轮式爬壁机器人的总体设计 6
2.1 永磁吸附轮式爬壁机器人的基本结构 6
2.2 永磁吸附轮式爬壁机器人的吸附装置 6
2.3 ANSYS软件的有限元分析过程 7
2.4 基于ANSYS软件的磁吸附系统的有限元分析 7
2.4.1 基本数学模型的建立 7
2.4.2 吸附力的计算 9
2.4.3 有限元的求解 9
2.4.4 永磁吸附爬壁机器人吸附单元的改进 10
3.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同气隙和角度壁面的壁面适应性研究 12
3.1 不同气隙 12
3.2 锐角壁面 13
3.3 直角壁面 14
3.4 钝角壁面 16
3.5 不同角度壁面的壁面适应性研究比较 18
4.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同弧度壁面的壁面适应性研究 19
4.1 凸形圆弧壁面 19
4.2 凹形圆弧壁面 23
4.3 不同弧度圆弧壁面的壁面适应性的比较 27
5.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同壁面情况的壁面适应性研究 28
5.1 凹槽壁面的壁面适应性研究 28
5.1.1 不同宽度凹槽壁面 28
5.1.2 不同高度凹槽壁面 31
5.1.3 本章小结 33
5.2 凸起壁面的壁面适应性研究 34
5.2.1 不同宽度凸起壁面 34
5.2.2 不同高度凸起壁面 37
5.2.3 本章小结 39
5.3 潮湿壁面的壁面适应性研究 40
6.总结 42
参考文献 43
附录 44
致谢 45
1.绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着机械学、生物学、人类学、电子工程学、控制论与控制工程学及计算机科学等多个学科的高速发展，机器人技术的研究和运用也越来越广泛和深入，并伴随着涌现出各种高性能和多功能的机器人代替人在各种极限环境下劳动，其中爬壁机器人的发展便是机器人技术的研究和运用的重要组成部分。爬壁机器人属于移动机器人的一种，它把地面移动机器人技术和吸附技术相结合，使机器人可以在垂直壁面上运动，并且能完成一定的劳动，极大地拓展了移动机器人的应用范围。目前爬壁机器人主要应用于建筑行业、核工业、石化企业、造船业、航空业等：如用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁面进行清洗[1]、对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除绣、喷漆防腐[2]、对核设备进行视觉检查、测厚及焊缝[3]等。爬壁机器人进行壁面作业的目的；它可以使人从危险、繁重的工作中解放出来，并能提高工作效率和自动化水平[4]。
爬壁机器人作为极限高空作业的一种自动化机械装置，已应用于诸多繁重危险的劳动，保障其高空爬行安全性的关键是提高爬壁机器人对复杂壁面的适应能力。目前，各国学者对爬壁机器人的研究都集中在一些特殊机构的设计上面，而还没有对永磁吸附、轮式这种较通用、稳定性较高的爬壁机器人做较全面的壁面适应性研究。本课题主要针对上述问题，基于一种新型永磁吸附轮式爬壁机器人，对其在不同角度壁面、不同弧度壁面、不同表面情况工作时进行静态稳定性和吸附可靠性的分析，得出机器人稳定工作的条件，并对机器人的结构进行改进和完善。
1.2 爬壁机器人的分类
壁面机器人要在垂直的壁面上移动并且要完成一定的劳动，要具备两大基本功能：吸附和移动功能。吸附功能就是提供给爬壁机器人足够的力使它能够紧贴于壁面，按吸附方式可分为三类，分别为：真空吸附方式、磁吸附方式、气体推力吸附方式。真空吸附又可以分为两类：单吸盘和多吸盘，真空吸附的优缺点很明显，优点是不受壁面材料的限制、适应范围广，且易于控制，行动较灵活。磁吸附也可以分为两类：电磁吸附和永磁吸附，它对壁面材料有严格的要求，要求壁面材料必须是导磁材料，但它产生的吸附力也远大于真空吸附的吸附力，而且运用该磁吸附方式的爬壁机器人结构较简单，不会因为壁面的不平而存在漏气现象，因此如果壁面是导磁材料便优先考虑磁吸附方式。另外，因为永磁吸附相比电磁吸附提供吸附力不需要消耗电能，永磁吸附的优先级要高于电磁吸附。气体推
力是利用与壁面成一定角度的气体推力使机器人贴近壁面，产生使机器人运动所需的足够吸附力，这种虽然方式结构比较简单，但效率低下，比较容易受到外界的影响。爬壁机器人按行动方式可分为轮式爬壁机器人、足式爬壁机器人、履带式爬壁机器人，轮式爬壁机器人控制灵活，移动速度较快，但不能维持一定的吸附力，吸附力较小，履带式爬壁机器人能充分与壁面接触，可以提供足够大的吸附力，壁面适应性较强，缺点是不灵活，不易转弯，且需要比较大的驱动力，足式爬壁机器人越障能力突出，移动灵活，但它的速度相对比较慢，同时，足式爬壁机器人运动的步态规划和结构设计比较困难。因此，国内外学者可以根据自己的需要研制和开发各种爬壁机器人。
1.3 磁吸附爬壁机器人的国内外研究现状
在各国爬壁机器人技术都是学校和研究所的研究对象，尤其是目前已成熟的吸附技术无发满足实际应用的要求，怎样能开发出更有效、实用性更强、微型化、智能化、成本低廉的爬壁机器人是如今科研工作者研究的主要能容。同时，伴随着电机、材料、控制等技术的发展，极大地推动了爬壁机器人技术的发展。由于我国起步比较晚，还是明显落后于日本和欧美等国家。
1.3.1 国外研究现状
1984年，日立制作所的内藤绅司等人研制出了磁吸附爬壁机器人（图1-2），该爬壁机器人的八只脚均采用永磁体，内外侧四只脚在行走时，交替作用在壁面上，图1-3为永磁体附足结构，永磁体结构通过丝杆连接于本体上，电机通过丝杆实现永磁体的吸附和脱开，还可以通过丝杆来控制永磁体的移动和切换，通过丝杆控制永磁体来实现爬壁机器人的移动[5]。
日本钢管株式会社开发了永磁轮式爬壁机器人[5]（图1-4），车轮为永磁体，可以吸附在油罐和船体上代替人进行一些简单的检查和修理工作，左右两组车轮单元通过两台直流电机分别进行驱动，通过手臂来加持工具。
文献[6]中Shigeo HIROSE等人也设计了一种永磁吸附轮式爬壁机器人，该机器人底部的两个永磁吸盘既是吸附单元又是移动单元，这样既可以保证它能提供足够的吸附力，又可以保证机器人的运动灵活性，该机器人的永磁吸盘以一定的倾斜角与壁面接触。
图1-2 步行式爬壁机器人 图1-3 永磁体磁吸附足结构
图1-4 日本钢管株式会研究的永磁轮式爬壁机器人
1.3.2 国内研究现状
我国在爬壁机器人领域的研究起步比较晚，爬壁机器人技术相对比较落后。但在国家“863”发展高科技技术计划的支持下，我国在特种机器人、机器人应用工程等方面获得了很大的发展。
摘要
永磁吸附轮式爬壁机器人是磁吸附爬壁机器人的重要分支，是在原有移动机器人的基础上增加磁吸附单元，使机器人能在垂直或倾斜的壁面运动，通过携带操作工具和软件编程使其能进行一些危险的壁面工作，使用永磁吸附轮式爬壁机器人具有速度快，运动灵活，工作方式简单，实用化程度高的优点，在生产和生活得到越来越广泛的运用。
由于永磁轮式爬壁机器人主要工作环境大多处于危险壁面，提高其稳定性是重中之重，目前，各国学者研究重点在平整壁面的稳定性，尚未对常见的不平整壁面进行壁面稳定性研究。本文通过有限元的方法对永磁轮式爬壁机器人在不平整壁面稳定性进行分析，分别针对永磁轮式爬壁机器人在不同角度壁面、不同弧度壁面和不同表面状况壁面进行研究，从而得出永磁吸附轮式爬壁机器人的稳定性条件，并对原有爬壁机器人的结构进行改进，进而解放人力，提高机器人的工作效率。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:爬壁机器人壁面适应结构设计仿真分析
目录
1.绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 爬壁机器人的分类 1
1.3 磁吸附爬壁机器人的国内外研究现状 2
1.3.1 国外研究现状 2
1.3.2 国内研究现状 3
1.4 论文的主要内容 4
2.永磁吸附轮式爬壁机器人的总体设计 6
2.1 永磁吸附轮式爬壁机器人的基本结构 6
2.2 永磁吸附轮式爬壁机器人的吸附装置 6
2.3 ANSYS软件的有限元分析过程 7
2.4 基于ANSYS软件的磁吸附系统的有限元分析 7
2.4.1 基本数学模型的建立 7
2.4.2 吸附力的计算 9
2.4.3 有限元的求解 9
2.4.4 永磁吸附爬壁机器人吸附单元的改进 10
3.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同气隙和角度壁面的壁面适应性研究 12
3.1 不同气隙 12
3.2 锐角壁面 13
3.3 直角壁面 14
3.4 钝角壁面 16
3.5 不同角度壁面的壁面适应性研究比较 18
4.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同弧度壁面的壁面适应性研究 19
4.1 凸形圆弧壁面 19
4.2 凹形圆弧壁面 23
4.3 不同弧度圆弧壁面的壁面适应性的比较 27
5.永磁吸附轮式爬壁机器人在不同壁面情况的壁面适应性研究 28
5.1 凹槽壁面的壁面适应性研究 28
5.1.1 不同宽度凹槽壁面 28
5.1.2 不同高度凹槽壁面 31
5.1.3 本章小结 33
5.2 凸起壁面的壁面适应性研究 34
5.2.1 不同宽度凸起壁面 34
5.2.2 不同高度凸起壁面 37
5.2.3 本章小结 39
5.3 潮湿壁面的壁面适应性研究 40
6.总结 42
参考文献 43
附录 44
致谢 45
1.绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着机械学、生物学、人类学、电子工程学、控制论与控制工程学及计算机科学等多个学科的高速发展，机器人技术的研究和运用也越来越广泛和深入，并伴随着涌现出各种高性能和多功能的机器人代替人在各种极限环境下劳动，其中爬壁机器人的发展便是机器人技术的研究和运用的重要组成部分。爬壁机器人属于移动机器人的一种，它把地面移动机器人技术和吸附技术相结合，使机器人可以在垂直壁面上运动，并且能完成一定的劳动，极大地拓展了移动机器人的应用范围。目前爬壁机器人主要应用于建筑行业、核工业、石化企业、造船业、航空业等：如用于喷涂巨型墙面，安装瓷砖并对瓷砖、玻璃壁面进行清洗[1]、对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除绣、喷漆防腐[2]、对核设备进行视觉检查、测厚及焊缝[3]等。爬壁机器人进行壁面作业的目的；它可以使人从危险、繁重的工作中解放出来，并能提高工作效率和自动化水平[4]。
爬壁机器人作为极限高空作业的一种自动化机械装置，已应用于诸多繁重危险的劳动，保障其高空爬行安全性的关键是提高爬壁机器人对复杂壁面的适应能力。目前，各国学者对爬壁机器人的研究都集中在一些特殊机构的设计上面，而还没有对永磁吸附、轮式这种较通用、稳定性较高的爬壁机器人做较全面的壁面适应性研究。本课题主要针对上述问题，基于一种新型永磁吸附轮式爬壁机器人，对其在不同角度壁面、不同弧度壁面、不同表面情况工作时进行静态稳定性和吸附可靠性的分析，得出机器人稳定工作的条件，并对机器人的结构进行改进和完善。
1.2 爬壁机器人的分类
壁面机器人要在垂直的壁面上移动并且要完成一定的劳动，要具备两大基本功能：吸附和移动功能。吸附功能就是提供给爬壁机器人足够的力使它能够紧贴于壁面，按吸附方式可分为三类，分别为：真空吸附方式、磁吸附方式、气体推力吸附方式。真空吸附又可以分为两类：单吸盘和多吸盘，真空吸附的优缺点很明显，优点是不受壁面材料的限制、适应范围广，且易于控制，行动较灵活。磁吸附也可以分为两类：电磁吸附和永磁吸附，它对壁面材料有严格的要求，要求壁面材料必须是导磁材料，但它产生的吸附力也远大于真空吸附的吸附力，而且运用该磁吸附方式的爬壁机器人结构较简单，不会因为壁面的不平而存在漏气现象，因此如果壁面是导磁材料便优先考虑磁吸附方式。另外，因为永磁吸附相比电磁吸附提供吸附力不需要消耗电能，永磁吸附的优先级要高于电磁吸附。气体推
力是利用与壁面成一定角度的气体推力使机器人贴近壁面，产生使机器人运动所需的足够吸附力，这种虽然方式结构比较简单，但效率低下，比较容易受到外界的影响。爬壁机器人按行动方式可分为轮式爬壁机器人、足式爬壁机器人、履带式爬壁机器人，轮式爬壁机器人控制灵活，移动速度较快，但不能维持一定的吸附力，吸附力较小，履带式爬壁机器人能充分与壁面接触，可以提供足够大的吸附力，壁面适应性较强，缺点是不灵活，不易转弯，且需要比较大的驱动力，足式爬壁机器人越障能力突出，移动灵活，但它的速度相对比较慢，同时，足式爬壁机器人运动的步态规划和结构设计比较困难。因此，国内外学者可以根据自己的需要研制和开发各种爬壁机器人。
1.3 磁吸附爬壁机器人的国内外研究现状
在各国爬壁机器人技术都是学校和研究所的研究对象，尤其是目前已成熟的吸附技术无发满足实际应用的要求，怎样能开发出更有效、实用性更强、微型化、智能化、成本低廉的爬壁机器人是如今科研工作者研究的主要能容。同时，伴随着电机、材料、控制等技术的发展，极大地推动了爬壁机器人技术的发展。由于我国起步比较晚，还是明显落后于日本和欧美等国家。
1.3.1 国外研究现状
1984年，日立制作所的内藤绅司等人研制出了磁吸附爬壁机器人（图1-2），该爬壁机器人的八只脚均采用永磁体，内外侧四只脚在行走时，交替作用在壁面上，图1-3为永磁体附足结构，永磁体结构通过丝杆连接于本体上，电机通过丝杆实现永磁体的吸附和脱开，还可以通过丝杆来控制永磁体的移动和切换，通过丝杆控制永磁体来实现爬壁机器人的移动[5]。
日本钢管株式会社开发了永磁轮式爬壁机器人[5]（图1-4），车轮为永磁体，可以吸附在油罐和船体上代替人进行一些简单的检查和修理工作，左右两组车轮单元通过两台直流电机分别进行驱动，通过手臂来加持工具。
文献[6]中Shigeo HIROSE等人也设计了一种永磁吸附轮式爬壁机器人，该机器人底部的两个永磁吸盘既是吸附单元又是移动单元，这样既可以保证它能提供足够的吸附力，又可以保证机器人的运动灵活性，该机器人的永磁吸盘以一定的倾斜角与壁面接触。
图1-2 步行式爬壁机器人 图1-3 永磁体磁吸附足结构
图1-4 日本钢管株式会研究的永磁轮式爬壁机器人
1.3.2 国内研究现状
我国在爬壁机器人领域的研究起步比较晚，爬壁机器人技术相对比较落后。但在国家“863”发展高科技技术计划的支持下，我国在特种机器人、机器人应用工程等方面获得了很大的发展。
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