【正文】 軸 轉(zhuǎn) 矩 ??M () ??實(shí)實(shí)i13 () ???實(shí)實(shí)i(3) 電機(jī)功率的選擇根據(jù) 可以選擇功率適合的電機(jī)，一般來說，直流電機(jī)的輸出功率應(yīng)該P(yáng)滿足如下條件 。 表 三種驅(qū)動(dòng)方式的比較Table Comparison of three types of driver項(xiàng)目 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制距離 短 中短 不限12信號(hào)轉(zhuǎn)換 稍困難 容易 很容易表 三種驅(qū)動(dòng)方式的比較(續(xù)表)Table Comparison of three types of driver項(xiàng)目 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟性 好 好 好結(jié)構(gòu)重量 重 輕 一般構(gòu)造難度 一般 方便 一般可靠性 好 好 好可控性 好 一般 好承載能力 較大 一般 較大立式金屬罐爬壁機(jī)器人是專為檢測(cè)大型立式金屬罐等導(dǎo)磁壁面而研制的，應(yīng)具有靈活的轉(zhuǎn)向功能、可跨越一定的障礙和負(fù)載能力強(qiáng)，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有較高的控制性，為此由表 可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式較適合作為爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。檢測(cè)系統(tǒng)是為了完成對(duì)立式金屬罐進(jìn)行無損檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。運(yùn)動(dòng)和剎車機(jī)構(gòu)由四個(gè) 24V 直流電機(jī)和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，四個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)車輪完成爬壁機(jī)器人在壁面上的水平、豎直及轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的剎車功能。所以爬壁機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)包括機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)三大部分。 性能指標(biāo) 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如下： (1)幾何尺寸： 388324100mm3；(2)自重(不包括電纜)： 6Kg；?(3)吸附力：由強(qiáng)磁性材料釹鐵硼 N35 提供；(4)驅(qū)動(dòng)力：120N ；(5)驅(qū)動(dòng)方式：四個(gè)獨(dú)立的 24V 直流電機(jī)；(6)車輪材質(zhì)：防滑橡膠；(7)運(yùn)行速度：2 ~5m/min ；11(8)運(yùn)動(dòng)角度誤差： 177。10102 立式金屬罐無損檢測(cè)爬壁機(jī)器人總體分析與設(shè)計(jì) 立式金屬罐無損檢測(cè)爬壁機(jī)器人總體設(shè)計(jì)目標(biāo) 功能設(shè)計(jì)目標(biāo) 爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人的特例，是一種具有高復(fù)雜度的智能化系統(tǒng)，主要包括機(jī)械本體和控制系統(tǒng)兩大部分。以 AT89C51 微控制器為平臺(tái)，搭建了爬壁機(jī)器人各項(xiàng)功能模塊，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的論述與設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)主程序和相關(guān)子程序的 C 語言程序設(shè)計(jì)。根據(jù)爬壁機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求，并結(jié)合機(jī)器人自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、移動(dòng)方式和吸附方式；通過分析幾種常規(guī)無損檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)以爬壁機(jī)器人為載體的無損檢測(cè)系統(tǒng)；提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，給出了爬壁機(jī)器人性能指標(biāo)參數(shù)。(2) 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為保證爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的可靠性，采用上、下位機(jī)聯(lián)合控制的方式，通過對(duì)機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的運(yùn)行速度、姿態(tài)角度等的控制；為了確保爬壁機(jī)器人能順利完成指定的任務(wù)，專門為其配備了一些特殊（傾角檢測(cè)、電機(jī)測(cè)速、超聲波檢測(cè)等）傳感器。如圖 所示為美國 VORTEX HC 公司設(shè)計(jì)研制的 CLIMBER III[41]爬壁機(jī)器人，CLIMBER III 可分為四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和六個(gè)驅(qū)動(dòng)輪兩種型號(hào)，均采用渦流驅(qū)動(dòng)靜態(tài)滑動(dòng)式吸盤方式運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人本體尺寸為，重量輕，大約為 1Kg，運(yùn)動(dòng)速度為 9m/min。7 圖 REST1 機(jī)器人 [38] 圖 日本足式機(jī)器人 [36] robot Japan foot type robot1984 年，日本日立制作所的佐藤主稅等人研發(fā)的磁吸附式八足爬壁機(jī)器人 [36,39]，如圖 所示。(3)永磁吸附足式爬壁機(jī)器人足式爬壁機(jī)器人克服了輪式爬壁機(jī)器人的越障能力差、不適合復(fù)雜壁面環(huán)境等的缺點(diǎn)。它的特點(diǎn)是行走速度快且平穩(wěn)、高速為 9m/min，對(duì)吸附壁面的形狀不做限制。圖 為日本三菱重工研制的永磁吸附輪式噴涂爬壁機(jī)器人。 圖 上海交大容積檢測(cè)機(jī)器人 [32] 圖 TH_Climber I 爬壁機(jī)器人 [33] Robot of SJTU for Volume TH_Climber I wallclimbing robot5(2)永磁吸附輪式爬壁機(jī)器人如圖 所示為瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院研制的“MotherChild ”輪式爬壁機(jī)器人 [34]。該機(jī)器人爬行速度為 2~4m/min，自重(不含電纜)126N，可承載16Kg 重物。為了與管壁形狀相吻合來減少永磁單元與管壁間的氣隙，進(jìn)而提高磁吸附力，將永磁吸附單元設(shè)計(jì)成弧形。該機(jī)器人適用于對(duì)石油石化企業(yè)金屬罐進(jìn)行噴砂除銹、檢測(cè)涂層厚度和噴漆等工作，如圖 所示。此后，他們又研制出了一種適用于曲面的負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)，原理是將剛性導(dǎo)桿分割成多段，之間用連桿作為連接機(jī)構(gòu)，如圖 (c)所示。 磁吸附爬壁機(jī)器人(1)永磁吸附履帶式爬壁機(jī)器人 1987 年，日本日立制作所的內(nèi)藤紳司等人研發(fā)了履帶式永磁吸附檢查機(jī)器人 [29]。 爬壁機(jī)器人的分類目前，對(duì)于爬壁機(jī)器人 [27,28]的分類主要依據(jù)以下幾個(gè)方面：車體的移動(dòng)方式、吸附方式和驅(qū)動(dòng)方式等。此后，在世界范圍內(nèi)爬壁機(jī)器人技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了各種各樣的樣機(jī)，大部分已投入使用。已從六十年代日本的西亮講師研究第一臺(tái)爬壁機(jī)器人的試驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向了實(shí)用階段。他們研制的多為履帶式或永磁體鑲嵌在車輪上的爬壁機(jī)器人。目前，對(duì)立式金屬罐無損檢測(cè)的方法很多，最常用的方法是由人工搭建腳手架攜帶檢測(cè)儀器對(duì)金屬罐壁進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)。由于其長期暴露在外界環(huán)境中受到各種侵蝕，導(dǎo)致金屬罐罐壁發(fā)生變形，如出現(xiàn)凹坑、裂紋、防護(hù)漆脫落造成的腐蝕等，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并給予相應(yīng)處理的話，會(huì)影響設(shè)備繼續(xù)安全運(yùn)行或造成使用的隱患，所以在使用一定時(shí)間后要對(duì)金屬罐罐壁進(jìn)行檢測(cè)。國內(nèi)、外的許多高校與科研機(jī)構(gòu)都研究過金屬罐爬壁機(jī)器人。 爬壁機(jī)器人國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀爬壁機(jī)器人 (WCR)[2]作為極限作業(yè)的一個(gè)分支，是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感器、控制與信息技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品 [3]。日本2大阪府立大學(xué)工學(xué)部講師西亮在那個(gè)年代最早研制出一臺(tái)壁面移動(dòng)機(jī)器人的原理樣機(jī) [4]，他被譽(yù)為研究爬壁機(jī)器人的第一人。在隨后的 20 多年里，上海交大研制出了滑動(dòng)吸盤爬壁機(jī)器人 [9,10],清華大學(xué)研制出了履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人 [11,12]，北京航空航天大學(xué)陸續(xù)研制出了藍(lán)天潔士系列 [13]、WASHMAN [14,15]、吊籃式爬壁機(jī)器人 [16]、CLEANBOT I [17]、 SKYCLEAN“靈巧型擦窗機(jī)器人” [18]，藍(lán)天潔寶 [19]等玻璃幕墻清洗爬壁機(jī)器人，上海大學(xué)研制出了用于幕墻清洗的爬壁機(jī)器人和曲面壁面爬行機(jī)器人 [20~22]，重慶大學(xué)研制出了壁面清洗機(jī)器人 [23,24]，南昌大學(xué)研制出了水下磁吸附式輪履焊接機(jī)器人 [25,26]等，可以說我國在爬壁機(jī)器人的研究領(lǐng)域取得了豐碩的成果。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的金屬罐的壁面都是導(dǎo)磁性材料，它的表面有防護(hù)漆、凸起的焊縫等凹凸不平，所以不適合使用真空、負(fù)壓等其它吸附方式的爬壁機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以下重點(diǎn)介紹幾種具有代表性的永磁吸附方式的爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人機(jī)械尺寸為 390mm310mm90mm，自身重量為 ，可跨越 13mm 凸起焊縫，最大移動(dòng)速度為 10m/min，如圖 (b)所示。圖 日本履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人 [29] Japan tracked permanent mag adsorption climbing robot1991 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人 [30]。1997 年，該學(xué)校又研制了另外一種履帶式、永磁吸附爬壁機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī) [31]，該機(jī)器人可用于電站鍋爐上的水冷壁排管的清掃、敲渣、測(cè)厚等，如圖 所示。4 圖 哈工大履帶式爬壁機(jī)器人 [30] 圖 哈工大水冷壁清掃爬壁機(jī)器人 [31] HIT track climbing robot HIT track climbing robot 1997 年，上海交通大學(xué)研制了油罐容積檢測(cè)用爬壁機(jī)器人 [32]，如圖 所示，該爬壁機(jī)器人為永磁吸附、履帶式結(jié)構(gòu)，將永磁鐵鑲嵌在履帶上構(gòu)成磁性履帶，它采用后驅(qū)動(dòng)方式，并且具有載荷分散機(jī)構(gòu)，對(duì)壁面具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，每一刻都有 24 塊永磁體與壁面吸附，實(shí)際吸附力可達(dá) 150N。母體 Mother 適合工作在厚度為 以上的導(dǎo)磁壁面，當(dāng)壁面厚度小于 的薄壁面或邊緣時(shí)，由子體 Child 機(jī)器人來完成檢測(cè)。該機(jī)器人的壁面吸附力來源于磁性車輪組，驅(qū)動(dòng)力是靠?jī)膳_(tái)直流電機(jī)產(chǎn)生的，作業(yè)工具由位于車體右側(cè)的機(jī)械手臂夾持。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸為 600mm400mm100mm，特點(diǎn)吸附能力強(qiáng)，可達(dá)11400N、轉(zhuǎn)向靈活，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，運(yùn)行速度為 。該機(jī)器人主要適用于船舶的制造和維護(hù)工作。 真空吸附爬壁機(jī)器人如 圖 所 示 為 意 大 利 卡 塔 尼 亞 大 學(xué) 的 Domenico Longo 等 人 研 制 的 Alicia[40]輪 式 負(fù) 壓 吸 附 壁 面 爬 行 機(jī) 器 人 ， 由 一 個(gè) 吸 盤 和 兩 個(gè) 輪 子 組 成 ， 吸盤 用 來 提 供 吸 附 力 ， 車 輪 分 別 用 兩 個(gè) 直 流 電 機(jī) 來 提 供 驅(qū) 動(dòng) 力 ， 目 的 是 實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn) 向 靈 活 ， 車 輪 與 電 機(jī) 軸 之 間 采 用 垂 直 方 式 絞 合 。 課題開展的主要工作 論文將結(jié)合爬壁機(jī)器人的吸附功能、移動(dòng)功能和檢測(cè)功能，主要完成以下工作：(1) 爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)爬壁機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境、技術(shù)參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)（包括驅(qū)動(dòng)、吸附和移動(dòng)結(jié)構(gòu)以及整體機(jī)械框架） 。 (2)總體方案設(shè)計(jì)：包括本體設(shè)計(jì)和無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(5)設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件電路及軟件程序。(7)總結(jié)論文所完成的工作，指出現(xiàn)有爬壁機(jī)器人樣機(jī)存在的不足以及下一步研究工作的方向。因此本設(shè)計(jì)的立式金屬罐爬壁機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的目標(biāo)應(yīng)從以下幾點(diǎn)作重點(diǎn)考慮：(1) 移動(dòng)功能：能夠在立式金屬罐的水平和豎直壁面上自由爬行；(2) 吸附功能：能夠安全可靠地吸附于金屬罐壁面，即，各種導(dǎo)磁性材料的表面；(3) 轉(zhuǎn)向功能：能做到任意方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)半徑非常小；(4) 越障功能：具有一定的越障能力，能跨越焊縫等障礙物；(5) 負(fù)載能力：能夠攜帶各種檢測(cè)裝置和供電電纜在罐壁表面任意行走；(5) 控制系統(tǒng)：做到體積小、重量輕、操作方便、運(yùn)算速度快，保障通信的實(shí)時(shí)、可靠，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)處理，滿足各項(xiàng)控制要求；(6) 檢測(cè)功能：根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的檢測(cè)路徑檢測(cè)整個(gè)油罐。 立式金屬罐爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)作業(yè)目的，爬壁機(jī)器人首先必須具有在豎直壁面上吸附和移動(dòng)的功能，此外還應(yīng)該有檢測(cè)功能、控制功能等（因?yàn)楸疚闹匮芯颗辣跈C(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，所以其他部分只是略作討論） 。移動(dòng)部分靠安裝在車體兩側(cè)的四個(gè)輪子來完成?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)要遵循可靠、小型、輕量、便于維護(hù)的思想，直接安裝在機(jī)器人本體上。如表 所示是三種驅(qū)動(dòng)方式的比較。(1) 齒輪減速箱選擇由于瑞士 MAXON DC 電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速為 6000rpm，而按著設(shè)計(jì)的要求，減速后電機(jī)轉(zhuǎn)速為 ，所以由()式計(jì)算知： ()1::6?實(shí)i而 ，因此選擇齒輪減速箱的減速比為 295：1，傳遞效率為 。通過max以上的參數(shù)計(jì)算，本設(shè)計(jì)選用瑞士 MAXON 公司生產(chǎn)的 Amax 26， ，24V，11W 的直流電機(jī)，選擇減速比為 295：1 的 GP 32C 行星m26?齒輪減速箱。表 三種移動(dòng)方式的比較 Table The parison of three move way移動(dòng)方式 輪式 履帶式 多足式概 要一般配有多個(gè)輪子，每個(gè)輪都單獨(dú)配有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩條無軌履帶，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)用電機(jī)控制多個(gè)足交替吸附與脫落，來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)特 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向靈活，便于控制，與壁面摩擦力較小，越障能力較差運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)、負(fù)載和越障能力強(qiáng)；轉(zhuǎn)彎困難，容易對(duì)壁面造成傷害運(yùn)動(dòng)速度慢、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差、越障能力強(qiáng)；在垂直壁面容易脫落，負(fù)載能力強(qiáng)在爬壁機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，車輪移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向靈活，但負(fù)載能力相對(duì)來說較差；履帶運(yùn)動(dòng)方式與壁面的接觸面積大、吸附能力強(qiáng)，對(duì)壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)，但其運(yùn)動(dòng)靈活性較差；多足步行運(yùn)動(dòng)方式的吸附能力強(qiáng)、負(fù)載能力強(qiáng)，較其他兩種運(yùn)動(dòng)方式容易跨越障礙和實(shí)現(xiàn)壁面過渡，但其運(yùn)動(dòng)速度較慢，控制難度高。表 三種吸附方式的比較Table Comparison of three types of adsorption吸附方式 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)單吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，易控制，允許有一定程度的泄漏和壁面突起越障能力低，不適用于復(fù)雜壁面環(huán)境，一旦斷電或超過泄漏量允許值將喪失吸附能力真空吸附 多吸盤 密封性好，吸附力穩(wěn)定，越障能力強(qiáng)，適應(yīng)復(fù)雜壁面環(huán)境 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于控制，斷電后將喪失吸附能力永磁式維持吸附力不需要