无损检测爬壁机器人静力学设计分析.docx

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无损检测爬壁机器人静力学设计分析

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【中文摘要】本文主要针对无损检测爬壁机器人工作中最常见的失效形式：机器人在设备表面摩擦力不足导致的滑移，以及由于重心偏移致使偏转力矩超标进而产生的倾覆，进行静力学设计分析。通过对机器人的各种运动临界条件建立力学模型，求解出满足所有工作姿态情况下，机器人实现安全工作所需要的临界吸附力，从而为机器人的最终结构定型设计与动力驱动选择提供科学理论支撑。

【关键词】爬壁机器人静力学设计

Staticsdesignandanalysisofwall-climbingrobotfornondestructivetesting

SunZhitao1SongGaofeng1ChenYing1ZhangYanbing1

(1SpecialEquipmentSafetySupervisionInspectionInstituteofJiangsuProvince,Nantong226011)

Abstract:?Inthispaper,themostcommonfailuremodesofwall-climbingrobot,slidingandoverturning,areanalyzedanddesigned.Amechanicalmodelisestablishedforallkindsofmotioncriticalconditionsoftherobot,andthecriticaladsorptionforcewhichisneededfortherobottoworksafelyiscalculatedunderallworkingpostureconditions,thus,itprovidesscientificandtheoreticalsupportforthefinalstructuraldesignandpowerdriveselectionoftherobot.

Keywords:Wall-climbingRobotStaticsDesign

第一

通讯作者：孙志涛，szt008@

1前言

超大型特种设备作为极其重要的生产装置，由于其高温、高压、有毒、有害、易燃、易爆等特点，均被列为重大危险源进行安全监管，依据相关安全管理法律规范需要对其进行定期检测。传统无损检测技术面对这些设备时，不可避免需要技术人员携带仪器靠近进行手工检测，检测过程会产生巨大的作业风险。因此通过爬壁机器人携带各种无损检测仪器代替人工，自动化的完成各种高强度、高风险性的检测工作，有着很强的实用意义和巨大的社会需求。

爬壁机器人结构设计之前，需要充分考虑机器人可能遇到的各种极限工况，对其进行综合力学性能的计算与仿真，进而保证其具有较强的适应性、安全性和可靠性[1]。爬壁机器人主要在垂直或倾斜壁面上进行工作，要求其可以通过可靠的吸附力在被检设备表面稳定精准运动；其主要失效形式为为滑移（包括焊缝等障碍物的跨越能力）、倾覆。本文将对机器人进行整体的静力学设计与仿真分析，计算机器人的运动与承载边界条件，从而为后续结构与动力选型设计提供科学的理论支撑[2]。机器人在金属壁面的检测环境主要分为平板型和圆桶曲面型两种，从技术实现上圆通型结构完全可以覆盖平板型结构的技术范围，因此本文选择大型圆柱金属桶体外侧圆柱表面作为研究对象进行力学分析设计[3]。

2滑移分析

机器人在竖直壁面上向下滑移的临界条件是：竖直向上阻碍滑移的摩擦力不足以抵抗向下的重力，从而整车向下产生滑移，而静摩擦力大小与吸附力直接相关，因此在结构设计前需要对机器人的安全吸附力进行校核计算[4]。

爬壁机器人的工作姿态（见下图1）所示，设定桶体坐标系为Cf，坐标原点Of位于桶体底部圆心，zf轴与圆柱体母线相平行；设定机器人整体坐标系为CR，坐标原点OR位于两自由度旋转机构十字交叉轴中心，zR与车身长度方向平行，yROxR面是两侧车身角平分面；设定zf与zR夹角为θ，θ即为机器人姿态角。不产生滑移失效的临界条件为：zf正方向的摩擦力能够克服zf负方向的重力。

图1爬壁机器人滑移失效受力图

机器人在壁面不产生滑移时，应满足如下受力情况：

（1）

其中，Ffi是壁面对第i个磁轮的切向摩擦力，F’mi是壁面对第i个磁轮的吸附力在xRozR面上的投影，N’i是壁面对第i个磁轮的支持力在yRozR面上的投影（见下图2），G是爬壁机器人及其负载重力之和（也是机器人不产生滑移的安全系数）