磁隙式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制引言：在现代工业生产和日常生活中，往往存在高难度和高风险的工作环境，例如高空施工和壁面作业。
为了完成这些任务，传统的人工操作往往会面临很大的困难，并且由于人工操作的风险较高，不利于保障人身安全。
研究和开发一种能够在高难度和高风险环境中自主完成工作的机器人变得十分重要。
一、现有问题分析：目前市场上已经存在一些可以在壁面上爬行的机器人，然而这些机器人在操作过程中往往会出现以下问题：1. 爬坡能力不足：现有机器人在爬坡时往往存在困难，因为它们很容易滑动或者掉下来，这影响了机器人的运行效果。
2. 壁面附着力不稳定：现有机器人往往存在不能牢固附着在壁面上的问题，很容易滑动或者掉下来。
3. 承重能力不足：由于现有机器人的结构和材料的限制，它们往往不能承载过重的物体，这限制了它们的使用范围。
二、解决方案：为了解决以上问题，我们提出了一种复合吸附方式爬壁机器人的解决方案。
这种机器人采用了复合吸附技术，同时结合了机械爬行的原理，能够在高难度和高风险环境中自主完成工作任务。
1. 复合吸附技术：复合吸附技术是指在机器人的表面采用多种吸附材料和吸附方式，以增加机器人与壁面之间的附着力。
我们可以在机器人的表面涂覆一层具有高粘附力的材料，例如硅胶或者橡胶，以增加机器人在壁面上的附着力。
我们还可以在机器人的表面安装吸盘和吸附器，通过负压吸附的方式，增加机器人在壁面上的稳定性和附着力。
2. 机械爬行原理：机械爬行原理是指通过机械结构和运动方式来实现机器人在壁面上的爬行。
我们可以在机器人的底部装配蜘蛛网状的脚，通过类似蛛丝丝的运动方式，在壁面上产生摩擦力，以保持机器人的稳定性和附着力。
我们还可以通过机器人的运动轨迹和节拍控制，使机器人在爬行时保持平衡和节奏，以提高其爬行效率和稳定性。
三、实施计划：为了实现以上方案，我们将按照以下步骤进行机器人的研制：1. 确定机器人的设计要求和性能指标：根据实际需求，确定机器人的最大爬坡能力、最大承重能力和爬行速度等性能指标。
履带式磁动力爬壁机器人本体设计
的升 降 ，以改变 样机 整体 的受 力，从而驱 动样 机行走 ；供压 板
１２一滚珠 １３一履 带板 １４一电磁铁 １５一驱 动板 Ｉ １６一驱动板 ＩＩ 前 后的推拉磁 电磁铁 的通 电和 断电由控 制线所连开关控制 。
１７一张 紧调 节丝杆 １８一张 紧调节螺母 １９一变速调节丝杆 ２Ｏ一变速调节螺母 ２１～推拉 电磁铁 Ｉ ２２一推拉 电磁 铁 ＩＩ
１ 样 机整体方 案和 机构设计
１．１ 样机 的整体方案 本样 机结 构上 主要 包括车 体机 构 、履 带机构 、供 电机 构 、
驱动机构 、张紧机 构和变速机构 。车体机构采用 了铝作为加工 材 料 ，如 图１所 示，在 车座两侧 分别安装 了２个 驱动轮作 为整体 的支撑 ，２个链轮 用于履 带的导 向，２个 变速轮 用于运动速 度 的 调节 ，工 作 时 由履 带上 即将触 及接触 面部 位 的 电磁铁 和 接触 面 之 间 的 磁 力 带 动 履 带 转 动 ，从 而 带 动 驱 动 轮 转 动 ，进 而 带 动 样 机整体前 移。
动轮有 ４个 ，通过 主轴 安装于 车座两 侧 ；链轮 有４个 ，通 过转 轴 ＩＩ安装于车座 底部 的两 侧，且位于驱动 轮外周 ；调速轮 有４个 ， 通 过转轴 Ｉ安装于车座 顶部 的两侧 ，且位 于链轮 外周 ；履带机 构 安装 在车座两侧 的驱动 轮、链轮和 调速 轮四周上 。 １＿３ 履 带 机 构 的 设 计
履 带机构是 本样机驱 动力和 吸附力 的唯一来 源机构 。工 作 时 ，由履 带上 即将触及 接触 面部 位 的 电磁 铁和 接触 面之 间 的磁 力提供驱动力和 吸附力。
履 带机 构 由压 力开关 、电磁 铁、履带板 、滚珠 、正极触 电头 和 负极触 电头组成 ，履带板 的下端装有 电磁铁 ，其 目的是通 电 后用 以提供驱动 轮和吸 附力 ；履带板 的上端装有 压力 开关 ，其 目的是控制 电磁铁 的通 断 电；滚 珠安装 于压力 开关顶部 ，其 作 用 是减 小工作 时压 力开关 所受 的摩擦 力 ；履 带板 的 内侧 安装 有 正极 触 电 头 和 负 极 触 电 头 。 １．４ 供 电 机 构 的 设 计
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制复合吸附（composite adhesion）是一种将多种吸附方式结合起来的吸附技术，能够提高机器人在垂直墙面爬行时的附着力和稳定性。
本文将介绍复合吸附方式爬壁机器人的研制，包括原理、设计和实验结果。
一、原理复合吸附方式爬壁机器人主要由两个部分组成：吸附装置和爬行机构。
吸附装置包括多个吸附器件，如粘性吸盘、微胶囊吸盘和真空吸盘。
这些吸附器件可以根据需要组合使用，以实现对不同表面的吸附。
爬行机构包括多个运动单元，如轮子和摆臂。
这些运动单元可以协调运动，以实现机器人在墙面上的爬行。
二、设计复合吸附方式爬壁机器人的设计主要包括吸附装置设计和爬行机构设计。
吸附装置设计：吸附装置应该能够适应不同表面的吸附需求，同时又能够提供足够的附着力和稳定性。
可以采用多种吸附器件组合使用，根据不同表面的特点选择合适的吸附器件。
对于光滑表面可以使用粘性吸盘，对于粗糙表面可以使用微胶囊吸盘。
还可以利用弹性材料和真空吸盘的协作，提高机器人在墙面上的稳定性。
爬行机构设计：爬行机构应该能够协调运动，以实现机器人在墙面上的爬行。
可以采用多个运动单元来实现机器人的运动。
可以设计两个摆臂和两个轮子，摆臂用来控制机器人在墙面上摆动，轮子用来控制机器人的直线运动。
摆臂和轮子的运动可以通过电机控制，以实现机器人在墙面上的爬行。
三、实验结果为了验证复合吸附方式爬壁机器人的有效性，进行了一系列的实验。
实验使用了不同表面的墙壁作为测试平台，包括光滑表面、粗糙表面和倾斜表面。
实验结果表明，复合吸附方式能够显著提高机器人在墙面上的附着力和稳定性。
通过使用不同的吸附器件，机器人可以适应不同表面的吸附需求。
通过协调摆臂和轮子的运动，机器人可以在墙面上稳定地爬行。
实验结果表明，复合吸附方式爬壁机器人是一种有效的爬壁机器人设计。
复合吸附方式爬壁机器人的研制
复合吸附方式爬壁机器人的研制一、复合吸附方式爬壁机器人的概念和优势复合吸附方式爬壁机器人是一种利用多种吸附技术结合的爬壁机器人，其主要包括真空吸附、电磁吸附、压力吸附等吸附方式，通过组合使用这些吸附方式，在不同的墙面环境下都能够实现良好的粘附和移动能力。
相比于传统的单一吸附方式爬壁机器人，复合吸附方式爬壁机器人具有以下几点优势：1. 环境适应性强：通过多种吸附方式的组合，复合吸附方式爬壁机器人可以适应不同材质和不同表面状态的墙面，如平滑玻璃、粗糙混凝土等。
2. 移动稳定性高：多种吸附方式的组合可以减少单一吸附方式的不足，提高机器人在墙面上的稳定性和可靠性。
3. 维护成本低：相比于常规爬壁机器人，复合吸附方式爬壁机器人的吸盘和电磁吸附装置等零部件更加坚固耐用，使用寿命更长，维护成本更低。
二、复合吸附方式爬壁机器人的研制过程复合吸附方式爬壁机器人的研制过程包括初始需求确定、技术方案选择、关键技术攻关、样机制造和试验验证等多个阶段。
关键技术攻关是整个研制过程中最为重要和困难的环节，其包括复合吸附方式的整合设计、控制系统的研发、传感器的设计等多方面内容。
1. 初始需求确定初始需求的确定是整个研制过程的起点，需要根据具体的应用场景和需求确定复合吸附方式爬壁机器人的性能指标、工作环境和工作任务等，以便为后续的技术方案选择提供参考依据。
2. 技术方案选择在初始需求确定的基础上，需要进行各种技术方案的比较和选择，确定最优的复合吸附方式组合，并设计出相应的技术方案，包括吸附结构设计、控制系统设计、传感器设计等内容。
4. 样机制造和试验验证在各项关键技术攻关完成后，需要进行样机制造和试验验证，对复合吸附方式爬壁机器人的性能和可靠性进行全面的测试和验证，以保证其在实际应用中的有效性和稳定性。
三、复合吸附方式爬壁机器人的技术特点复合吸附方式爬壁机器人具有以下几个技术特点：1. 多种吸附方式的整合设计：通过组合利用真空吸附、电磁吸附、压力吸附等多种吸附方式，实现对不同墙面的适应和粘附。
轮式悬磁吸附爬壁机器人研究应用研究型
哈尔滨工业大学工学硕士学位论
摘
要
爬壁机器人因具备竖直甚至倒立壁面的攀爬能力，从而极大拓展了机器人的 活动空间，因此在众多领域得到应用。面向金属壁面的磁吸附爬壁机器人以其稳 定的吸附、较高的带载能力而在船舶、石化等工业的生产维护作业中发挥了巨大 的作用。然而现有的磁吸附爬壁机器人却普遍存在着壁面过渡、适应能力差，转 向困难，运动灵活性差的缺点。本文针对现有技术的不足，提出了一种新型的轮 式悬磁吸附装置，并在其基础上展开了面向远洋船体的磁吸附爬壁机器人的研 究。 首先，根据应用特点为了保证机器人的灵活运动，确定了主动轮差速驱动、 从动轮万向随动的机器人运动系统。通过建立机器人在工作空间任意位姿模型的 描述，从防止机器人失效的角度研究了机器人在静止、运动状态力学平衡问题， 给出了机器人稳定吸附的条件，并分析了机器人越障性能及其影响因素。 其次，针对以往磁吸附机构的不足，提出了一种吸附稳定、壁面适应能力强 的新型轮式磁吸附装置。通过对静态磁场分布特点研究的基础上，利用电磁分析 软件 Ansoft 优化了吸附装置的磁场分布；并基于高效率和低功耗的目标，给出了 对吸附单元参数的最终优化结果。 最后，搭建了以高性能数字控制芯片 dsPIC33F 为核心的机器人嵌入式的控制 系统，实现了机器人的远程遥控和无缆化操作。并进行了吸附装置的吸附实验和 爬壁机器人样机的综合攀爬实验，测试了机器人性能，验证了理论分析的正确性 和设计的合理性。 关键词：爬壁机器人；稳定吸附；轮式磁吸附装置；Ansoft；嵌入式控制系统；
学校代码：10213 密级：公开
工学硕士学位论文
轮式悬磁吸附爬壁机器人研究
（应用研究型）
硕 士 研 究 生 ： 张小松 导 师 ： 王春刚 申 请 学 位 ： 工学硕士 学 科 、 专 业 ： 机械电子工程 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 6 月 授予学位 单位 ： 哈尔滨工业大学
爬壁机器人调研报告
爬壁机器人调研报告爬壁机器人是一种将地面移动机器人与吸附技术有机结合起来的机器人，其可代替人工在极限条件下完成危险的作业任务。
一、原理爬壁机器人必须具备两个基本功能：壁面吸附功能和壁面移动功能[1]。
吸附功能的实现依赖于吸附装置及其控制系统。
其在垂直墙面方向产生吸附力，进而得到一个平行墙面向上的摩擦力，以抵消机器人自身重力，实现机器人吸附于墙面。
移动功能的实现依赖于爬壁机构及其控制系统。
当爬壁机构与吸附装置耦合时，机器人必须先通过控制系统撤除部分吸附力，然后由爬壁机构的机构运动实现移动或者转向。
若爬壁机构与吸附装置分离，则移动和转向功能不需要考虑吸附部分，可直接通过控制系统驱动爬壁机构实现。
另外，爬壁机器人根据其作业任务需要，除了吸附装置和爬壁机构外，一般还应含有特定的作业系统。
二、类型根据吸附方式的不同，爬壁机器人可以分为：负压（真空）吸附爬壁机器人，磁吸附爬壁机器人，螺旋桨推压吸附爬壁机器人，机械联锁吸附爬壁机器人，静电吸附爬壁机器人，仿生吸附爬壁机器人等等[2][3][4]。
负压吸附和磁吸附两种吸附方式是传统的爬壁机器人的吸附方式，后面又陆续发展出其他多种吸附方式。
负压吸附方式抽离吸附薄膜与壁面间隙空气，以大气压力产生吸附力，但是其受壁面粗糙度影响，当壁面不光整时，有漏气现象，吸附力相对较小。
并且由于其作用力产生来源为大气压力，故而于真空环境中不能吸附。
磁吸附方式又分为电磁体式和永磁体式两种。
电磁体式爬壁机器人维持吸附力需要电力，但控制较为方便；永磁体式爬壁机器人不受断电的影响，使用中安全可靠[5]。
磁吸附方式产生的吸附力大，不受壁面粗糙度影响，但受限于壁面材料必须为导磁性材料，故而应用范围受到限制。
其他吸附方式，如螺旋桨推压吸附方式主要通过螺旋桨高速转动产生推力，其噪音较大；机械联锁方式利用机械装置对壁面的抓持产生吸附，不适用于光滑表面，但在合适环境下，其抓持力大，负载能力强；静电吸附方式通过对导电电极施加高压静电，极化壁面，进而产生电场力实现吸附，但其产生的吸附力小，故而其实现条件严格，要求机器人自重小、负载小，重心贴近壁面，吸附膜与壁面紧密接触等[6]；仿生吸附方式主要模仿动物吸附于墙壁的方式，如仿壁虎的干吸附方式，通过特殊材料与壁面间的范德华力（分子力）实现吸附，如仿蜗牛的湿吸附方式，通过液体薄膜张力实现吸附等等[3]。
种新型微小爬壁机器人
种新型微小爬壁机器人近年来，机器人在国家平安、工业检测和反恐任务中越来越得到人们的重视，国际上很多成功的机器人平台已经建立，如Carnegie Mellon大学的Millibot机器人，Min-nesota大学的Scout机器人，iRobot公司的Urban机器人等。
然而，这些机器人都不具有爬壁、在天花板行走和穿越管道的才能。
目前，有很多专家对具有爬壁才能的机器人做了研究，Ali Sadegh运用旋涡回转装置设计的爬壁机器人，Kevin Rogers 运用吸附技术设计的连续运动清扫爬壁机器人，Carlos Grieco 运用磁性吸附技术设计的六足爬壁机器人，Shigeo HIROSE运用磁性吸附技术设计的爬壁机器人，重庆大学潘英俊教授运用磁性吸附技术设计的步行式爬壁机器人，美国学者运用螺旋推进器做力源设计的爬壁机器人。
但由于这些机器人都具有体积大、价格昂贵、重量大、转弯特性差、控制系统复杂等缺点，极大地限制了这些机器人的应用。
本文介绍的磁驱动微小爬壁机器人，采用电磁吸附技术，尺蠖运动原理，具有构造简单、重量轻、加工制作轻易、控制灵敏、控制电路简单、转弯速度快等特点。
2 爬壁机器人的构造和运动原理2.1 爬壁机器人的构造是微小爬壁机器人的外形构造示意图，该微小机器人采用电磁驱动技术，由前后挡板〔1，3〕、软磁〔2〕、驱动线圈〔4〕、前后脚〔5，8〕、永磁铁〔6〕、导轨〔7〕、微小电机〔9〕、小支架〔10〕、扭簧〔111〕、大支架〔12〕、转轴〔13〕等局部组成。
其中，大支架与微小电机固定连接，小支架与扭簧固定连接，扭簧和大支架通过支架上的导向孔实现滑动连接，大支架与小支架之间通过转轴连接，微小电机的轴固定在小支架上，小支架固定在前挡板上，前脚固定在微小电机上，后脚和永磁固定在后挡板上，软磁固定在前挡板上，前后挡板之间通过两对滑动导轨连接。
利用通电软磁和永磁铁之间的相对运动来实现机器人的动作，即借助于由拉推式磁路组成的直线运动式磁力驱动器和门型坡莫合金软磁绕制的机器人脚线圈的互相配合，运用软磁和永磁之间“同极排挤、异极吸引〞的原理，通过给线圈加一系列时序脉冲控制信号改变软磁的极性或者动作，到达模拟尺蠖的运动方式实现机器人爬壁的目的。
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ｆｏｒ
ｍａｇｎｅｔ
ｇａｐ ｍｏｄｅ ｗｉｌｌ ｓｅｐａｒａｔｅ ｔｈｅ
ｃａｎ
ｍａｇｎｅｔ
ａｄｊｕｓｔｅｄ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｒａｗｌｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｏｕｇｈ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈｏｓｅｓ
图２磁隙式爬壁机器人
１．驱动喷头旋转的气动马达２．喷头旋转的驱动机构 ３．气缸４．机器人机架５．磁隙吸附行走机构 ６．真空负载腔７．真空抽吸口
６
大，所要求的动力功率就大，而且磁块也容易因壁
面不平整而压碎。
目前国内外水射流作业应用的爬壁机器人就
是以上两类。
２磁隙式爬壁机器人设计
磁隙式爬壁机器人采用永磁铁磁隙吸附为主，
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ｒｏｂｏｔ，ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｓｔｅｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ（ｓｈｉｐｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｓｔ
ｒｅｍｏｖａｌ，ｌａｒｇｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｇａｌｌ＇ｆａｃｅ ｐａｉｎｔ
套设备的技术参数：压力２５０ ＭＰａ，流量５０ Ｌ／ｍｉｎ， 机组功率２５０ ｋｗ，除锈效率６０ ｍ２／ｈ，机器人质量
真空吸附为辅的复合吸附方式附壁，采用履带行走
机构实现重载爬壁，很好地解决了爬壁机器人的可 靠吸附与转向灵活、行走平稳的矛盾。 磁隙式爬壁机器人由机器人机架、磁隙吸附行
ｋｇ。由于自重力和加载超高压旋转水射流作业， 这种机器人又称为重载机器人。作为爬壁机器人应
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｇａｐ
ａｄｈｅｓｉｏｎ ｔｙｐｅｄ
Ｃｒａｗｌｅｒ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇａｐ ｅｆｆｅｃｔ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇａｐ ａｄｈｅｓｉｏｎ
Ｆｏｒｍ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔ ｇａｐ
新技术大有替代干式工艺之势。新技术应用的执行
０前言
巨大尺寸的钢结构（如船舶）表面预处理、大型
球罐的焊缝打磨等工程，其传统工艺都是人工砂轮 打磨和干气喷砂，污染严重、高空作业危险、尘肺
的发展，历经了磨料射流、超高压纯水射流和超高
压旋转射流技术【Ｉ～ｌ，除锈的湿式工艺作为清洁生产
爬壁机器人的发展
图１所示为爬壁机器人除锈成套设备构成。这
・中国胡腕出懔团芳僦资助项目（ｓ眦帆蝴瑚科２４４勘．２０１０１１２４
，
收到初稿，２０１ １０８２９收到修改稿
万方数据
３８
机械工程学报
第４７卷第２ｌ期
因此，行走气动马达上的输出链轮直径为７０ ｍｉｌｌ时，气动马达的输出转矩为７０ Ｎ・ｍ。磁隙式爬 壁机器人采用的行走气动马达参数如表ｌ所示。
裹１行走气动马达参数表
功事 工作气压 空载转速 转矩 耗气量 质量
３爬壁机器人的力学分析
爬壁机器人的设计条件如下：机器人设计计算
重力ＧⅡ＿１ ０００Ｎ；超高压水射流压力为ｐｏ＝２５０ＭＰａ，
【３】；其另一作用在于作业中形成真空，确保废水和 锈屑及时抽吸至污水箱；由于常温常压水经过超高 压泵可形成２５０ ＭＰａ超高压水工况，水温将升至９０ ℃左右，在这样一个密闭的高温流场中，随着瞬间
污水的抽吸则形成用水除锈即除即干的效果。由于 不管爬壁机器人形式如何，水射流作业的真空腔是
单元均不与壁面接触：同时，每套行走机构由一个
流量Ｑ＝５０ Ｌ／ｍｉｎ：真空腔直径ｄ－－４００ ｔｏｎｉ，真空度 Ｐ’＝＿ｏ．０２ ｈ伸ａ。图５为爬壁机器人的静力学和动力 学受力分析，其中ｎ，为永磁铁吸附力，厅为水射 流反冲力，丘为真空吸附力，Ⅳ为墙面对机器人的 支持力，一为墙面对机器人的静摩擦力，，为行走 气动马达的输出牵引力，Ｂ为墙面对机器人的动摩 擦力，／ｚ为摩擦因数（橡胶对钢板的摩擦因数为Ｏ．５）。 ３．１单个吸附单元受力 由静力学分析可以得知单个吸附单元的受力 要求。机器人静止附壁时，机器人静止不落下的条
Ｄｅｓｉｇｎ
ｏｎ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇａｐ Ａｄｈｅｓｉｏｎ
ＲＥＮ
Ｔｙｐｅｄ Ｃｒａｗｌｅｒ
ＸＵＥ Ｓｈｅｎｇｘｉｏｎｇ
Ｑｉｌｅ
ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎｇｗｅｎ
ＷＡＮＧ
Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ
（Ｈｅｆｅｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｃｏｒｅ
Ｇｅｎｅｒａｌ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３ １）
ａｐｐｌｉｅｄ
ｉｎ ｓｈｉｐｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｕｓｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｅｍｏｖａｌ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｗａｔｅｒ
ｊｅｔ
ｒｕｓｔ
ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ
ａｎｄ
ｎｏ
ｒｅ－ｒｕｓｔ．Ｔｈｅ
ｇａｐ
ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｄｅ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｔｒｅｓｓ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ｒｏｂｏｔ
机构——爬壁机器人成为了研究的新焦点。因为超 高压旋转水射流必须贴壁作业，才能以最佳靶距提
高除锈质量与效率，避免大量水雾产生，实现用水 除锈、即除即干，实现超高压的完全遥控自动化作
业，保障高空作业安全。因此，爬壁机器人是超高
压旋转水射流技术工程应用的关键。
病危及健康、劳动强度很大。随着高压水射流技术
的输出力要求，经分析得知，仅一个气动马达工作
使机器人上行转弯时，此时对气动马达输出力的要 求最大，此时机器人上行转弯的条件为 Ｆ—Ｇｎ—Ｃ＝０ 式中Ｃ＝／ａＮ
（２）
Ｎ＝％＋Ｆｚ一只
只＝ｏ．７４５Ｑ、／Ｐ艺＝｛耐２Ｐ／ａ＝０．５
由此得出
图４磁隙式爬壁机器人除锈作业
Ｆ≥∥（足＋，ｋ一只）＋６０＝２０００Ｎ
摘要：大面积钢质表面预处理（如船舶表面除锈、大型储罐表面除漆等）专用的重载爬壁机器人设计，其技术关键是机器人的 吸附效应，即吸附可靠、行走灵活。传统的爬壁机器人有两种吸附方式：真空吸盘式（其不适应重载）和磁吸式（其爬壁运行不 灵活）。磁隙式爬壁机器人将真空吸盘式与磁吸式相结合，互补增强机器人的吸附效应，其磁隙结构即将磁履接触壁面吸附改 为磁块单独安装不与壁面直接接触，通过调节其间隙改变磁隙效应。该机器人质量７５ ｋｇ，且要重载几十米长的超高压软管 和真空管，作业时管内充满水，专用于船舶表面自动化除锈等作业，实现了钢质表面用水作业，即除即干不返锈的目标。介 绍爬壁机器人的设计原理、受力分析、磁隙效应和工业试验。应用表明磁隙式爬壁机器人满足了重载作业、灵活行进、吸附 可靠的诸项要求。 关键词：磁隙式爬壁机器人磁隙效应磁隙吸附磁隙形成与调节 中图分类号：ＴＨｌｌｌ
转动。水射流喷头旋转的驱动机构是一组由气动马达 为动力的传动机构，安装于真空腔壳体表面。
个共性。因此，真空吸附就成为爬壁机器人吸附形
式的首选【４】。
图１爬壁机器人除锈成套设备构成
真空吸附的技术参数：真空压力ｐ：－Ｏ．０５ ＭＰａ， 功率３７～４５ ｋＷ。真空式爬壁机器人的优点是充分 利用了必不可少的真空系统，机器人小巧紧凑；缺 点是对真空腔密封的要求较高，且吸附力有限，不 适用于重载机器人。因此，其负载的旋转喷头参数
图３磁隙吸附行走机构
１．履带张紧装置２．磁隙调节装置３．永磁吸附单元 ４．行走机构骨架５．履带６．驱动行走的气动马达
万方数据
２０１】年１１月
薛胜雄等：磁腾ｃ式爬壁机器人的研制
磁隙式爬壁机器人性能参数：除锈宽幅３５０
∞，最大行走速度４ ｍ／ｍｉｎ，水射流喷头转速４００
５００
ｒ／ｒａｉｎ，机器人质量７５ ｋｇ。
ｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ
ｂｅ
ａｂｏｕｔ
ｉｓ
７５ ｋｇ，ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｓ ｄｏｚｅｎｓ ｍｅｔｅｒｓ
ｏｆ妇－ｈｉｇｈ
ｇａｐ．Ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇａｐ
ｖａｃｕｕｉｎ
ｔｙｐｅｄ
ａｎｄ
ｐｉｐｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｂｅ
ｆｉｌｌｅｄ
ｗｉ也ｗａｔｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｗｏｒｋ．Ｉｔ
（如直径、流量等）就较小，影响其作业效率。
磁吸式机器人则是在真空吸附基础上将永磁
铁块镶嵌在爬壁机器人行走系统的履带上【蛐Ｊ，由履 带的传动使机器人在行进过程中保持吸附。磁吸式 爬壁机器人的优点是运行平稳、适应重载；缺点是 体大笨重，尤其是履带磁吸的接触面较宽，导致转 向缓慢、困难，行进摩擦力偏大，磁吸正压力也较
气Hale Waihona Puke 马达驱动履带行走，从而带动爬壁机器人附壁
爬行。显然，两套行走机构的气动马达工况的差异 将决定爬壁机器人的行走状态。真空负载腔内装有
水射流旋转喷头，其壳体的唇边与壁面以一个柔软
的密封裙边接触壁面，在机器人机架上４个气缸轴 向施力的作用下保证真空腔均匀触壁，形成良好的 真空密封；同时，真空腔与机架之间又采用柔性连 接，使机器人行走和转向时，真空腔能相对于机架
ａｎａｌｙｓｉｓ，ｍａｇｎｅｔ ｇａｐ
ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｔｅｓｔ
ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔ
ｃａｎ
ａｃｈｉｅｖｅ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｗｏｒｋ，ｍｏｖｅ ｎｅａｔｌｙ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｒｅｑｕｅｓｔｓ．
游￡瓣兰
图５爬壁机器人静力学和动力学受力分析
耳≥ＧⅡ
式中Ｅ＝／ａＮ
（１）
Ｎ＝昂＋兄一ｆ
Ｅ＝ｏ．７４５Ｑ、／Ｐ巴＝；耐２ｐ卢＝ｏ．５
由此得出
％≥玉＋丘一Ｆｚ＝２３３７Ｎ
■
因此，若采用８套吸附单元，则要求单套磁吸 附单元的吸附力大于３００ Ｎ。 ３．２行走气动马达的选择 由动力学分析可以得知行走机构驱动电动机