杨雪健，张小俊，张明路
（河北工业大学，天津 300130）
随着大型金属壁面使用时间的增长，焊缝壁面在恶劣的环境中不可避免地会出现腐蚀、表面脱落、裂痕、疲劳断裂等常见问题与缺陷[1]。焊缝检测技术随着现代化工业生产的需求得到广泛应用[2]，传统焊缝检测大多采用人工手动检测，此种检测手段采集数据偏差大、一致性差，环境及人为因素不可控检测过程无法追溯，手动检测效率低，缺陷定位难度大、进而导致难以定性。为解决人工检测存在的诸多问题，许多学者和公司技术人员开始探索能够取代人工检测的焊缝无损检测机器人[3]。本研究针对大型金属壁面检测的需求，设计出在金属壁面上检测的机器人，由于大型金属壁面是由钢制材料组成的，设计的机器人通过在金属壁面上爬行，在爬行的机器人上安装设置检测装置来对金属壁面进行检测，代替人工检测，提高对大型金属壁面的检测效率和安全性。
1.1 机器人设计要求
考虑到爬壁机器人工作的特殊应用环境，这就要求设计应该满足稳定吸附在金属壁面上、在金属壁面快速稳定爬行、驱动能力足够、达到检测目的等要求。同时爬壁机器人在满足工业应用的情况下，应当结构紧凑化、轻量化、运动灵活、控制简单。综合现有爬壁机器人的研究成果，结合大型金属壁面的工作要求和壁面状况，提出机器人的设计指标如表1所示。
表1 机器人设计指标
研究设计的机器人能够在6mm～12mm厚的壁面上稳定吸附，选用的壁面钢材为Q235系列，对其他金属壁面的钢材也同样适用。
1.2 爬壁机器人本体设计
通过模块化参数化思想，设计的爬壁机器人划分为车架、驱动部分、行走模块、检测模块、吸附部分这几个模块[4,5]。行走模块呈对称形式安装在车架的两侧；
驱动部分安装在行走模块的内侧，考虑到设计机器人的结构紧凑，俩个驱动部分一前一后安置在行走模块上；
检测模块安装在机器人车架上；
吸附模块安装在行走模块上，与壁面直接接触，保证爬壁机器人稳定吸附在工作壁面上。其结构如图1所示。
图1 爬壁机器人基本模块
爬壁机器人有两个驱动直流电机带动，两个电机分别安装在两侧行走机构上，通过电机的转速差来实现壁面上的转弯活动，负责驱动的两个直流电机采用一前一后的安装方式，使得机器人的本体结构更加紧凑，爬壁机器人的三维图如图2所示。
图2 爬壁机器人三维整体图
爬壁机器人的行走机构由两条链条履带组成，安装在车架的两侧，每个链条由两根链条组成，通过安装永磁铁的固定板将其连接，其三维建模如图3所示。为了保证机器人在壁面安全稳定的爬行，将永磁体安装在链条上直接与钢制壁面接触，每条履带上有40个永磁吸附单元，每个永磁吸附单元设置一个永磁铁，通过链条将这些永磁吸附单元连接起来，装配时可以通过链条松紧装置调节。
图3 机器人链条设计
永磁吸附单元有永磁铁、固定板、螺栓、安装板组成，通过固定板螺栓连接安装在两根链条上，如图4所示。
图4 永磁吸附单元
爬壁机器人的样机制作如图5所示。
图5 爬壁机器人样机
爬壁机器人静止吸附在大型金属壁面时，造成此机器人的失稳形式主要是以下三种[6]：
1）机器人沿壁面有下滑趋势。
2）机器人有纵向倾覆趋势。
3）机器人有横向倾覆的趋势。在这三种情况下，爬壁机器人在静止吸附情况下有脱离壁面的危险，因此要对此机器人进行以下情况的分析研究。
2.1 机器人沿壁面有下滑趋势时的受力分析
假设机器人吸附在金属壁面是静止的，且磁铁的吸附物力是均匀的，则此机器人的静力学受力分析如图6所示（焊缝检测机构与金属壁面接触产生的力可忽略不计）。
图6 爬壁机器人受力分析图
FN1,FN2,...FN17-大型金属壁面对机器人的支持力；
Fm1,Fm2,...Fm17-机器人与金属壁面的磁吸附力；
G-机器人的总重力；
A-爬壁机器人纵向翻转极限点；
H-爬壁机器人重力偏移轴线距离。L-第一个吸附单元到最后一个吸附单元的距离。
在上式中：μ—静摩擦系数Ff—磁铁吸附壁面提供的静摩擦力。
假设各永磁体提供的吸附力均相同，则可令：
联立式(1)～式(4)可得：
得到结果：永磁体提供的吸附力：
2.2 机器人有纵向倾覆趋势的受力分析
由于机器人受到G倾覆力矩的存在，机器人会有脱离车轮与壁面接触点A纵向倾覆的趋势，而抵抗机器人发生纵向倾覆的趋势，而抵抗机器人发生纵向倾覆的力为永磁体对壁面的吸附力。爬壁机器人本体不发生纵向倾覆的条件为：∑MA≥0,通过计算可得：对A取距:
当第一个吸附单元处于即将脱落壁面的临界状态时，有：
履带上每个吸附单元所受的吸附力应满足条件：
2.3 机器人有横向倾覆趋势受力分析
横向倾覆，即爬壁机器人沿水平方向运动，重力产生的力矩将会使得机器人绕靠近地面的两轮的一侧翻转，如图7所示。
图7 机器人横向倾覆受力图
对B点取距：
化简得到：
2.4 机器人吸附状态失稳极值计算
根据以上爬壁机器人常见失稳状态，爬壁机器人所需的最大吸附力为：
式(12)中：K-安全系数。根据设计参数可得:G=500N，H=75mm，L=420mm，μ=0.4，K=1.5，s=290mm。将各个参数代入式(12)可得：Fm≥66.96N。
由计算可得，要实现此机器人的安全吸附，与壁面贴合的吸附的每个吸附单元需要提供的吸附力Fm≥66.96N。
3.1 永磁单元磁路选择
经实验研究表明[7,8]，在吸附装置中，吸附单元包含两块永磁体和一块轭铁产生的吸附力最大。因此，吸附单元的布置如图8所示。
图8 吸附单元的结构
3.2 永磁材料选择
钕铁硼永磁材料的缺点是居里温度低，温度稳定性差，化学稳定性也欠佳，但这些缺点可以通过调整化学成分和采取其它措施加以克服，钕铁硼永磁材料是一种性能优异的永磁材料，有着较高的矫顽力和磁能积，并且资源丰富价格较便宜[9]，有广阔的应用和发展前景。本机器人磁力吸附单元选择钕铁硼N38[10]，其性能参数如表2所示。
表2 钕铁硼N38性能参数
3.3 磁力分析
由吸附单元所提供的吸附力[11]
式(13)中(BH)为磁能积，V为永磁铁的体积，K1为漏磁系数，K2为磁阻系数，μ0为真空磁导率，L为气隙的长度。其中针对特定的磁铁材料，(BH),K1,K2,μ0为恒定值，因此磁吸附力主要与V和L有关。用AnsysMaxwell得出磁铁单元的尺寸与吸附单元所提供的吸附力F的关系，如图9～图11所示。
图9 吸附单元长度与吸附力的关系图
图10 吸附单元高度与吸附力的关系图
图11 吸附单元宽度与吸附力的关系图
由图9～图11中可以看出磁铁吸附单元的长宽高与吸附力之间的关系，由于设计所需的磁铁需要提供的吸附力为69.96N，从上图中可以得到当吸附单元尺寸为70mm、12mm、5mm时吸附力大致为82N，满足使用要求。设计的永磁吸附装置安装在履带上与壁面直接接触，气隙宽度对吸附力的影响可忽略不计，通过磁力的结构尺寸优化，确定了单块永磁吸附单元的具体尺寸。图12为磁铁吸附单元的磁感线。
图12 吸附单元的磁感线
为了校验爬壁机器人的合理性，就需要在金属壁面上进行实验。模拟现场环境，壁厚为6 mm，材料为 Q235的金属壁面上进行了实验，检验爬壁机器人的各项性能，爬壁机器人的实验平台如图13所示。
图13 实验平台
为了验证爬壁机器人的带负载能力，实验过程：进行此性能测试，首先静止状态下增加依次配重，记录相关数据。负载配重用1.2kg的砖块代替，负载由一块砖块逐渐增加到5块砖块，机器人还可以在壁面上安全吸附，如图14所示。
图14 机器人负载实验
从图14的机器人负载试验中能够得到机器人在增加负载的情况下吸附力可以满足使用要求，当机器人爬行到15mm焊缝时如图15所示。
图15 机器人跨越焊缝试验
从图15机器人跨越焊缝试验中可以看出机器人在大型金属壁面爬行过程中遇到焊缝可以安全吸附在壁面，满足设计和应用要求，验证爬壁机器人设计的合理性。
针对大型金属壁面的检修工作，用SolidWorks软件设计了一种爬壁机器人。本研究对金属壁面机器人进行了静力学分析，通过对爬壁机器人的失稳形式分析计算得出了单个磁铁所需要提供的最小吸附力，确定了磁铁的磁路结构，并通过磁力仿真软件AnsoftMaxwell分析得到单块永磁单元的最优尺寸，最后通过样机试验对设计的爬壁机器人进行负载试验，证明了机器人设计的合理性，为大型金属壁面的下一步研究提供了理论依据。
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