履带式爬壁机器人设计探讨.doc

履带式爬壁机器人设计探讨【摘 要】履带式爬壁机器人应用比较广泛，虽 然速度慢于轮式机器人，但是可以克服更大的障碍物, 具有稳定性好、时应强优点为进一步提高其应用效 率，还需要就其运行原理，做好受力分析，通过优化 设计提高其运行稳定性本文分析了机器人壁面运动 受力，研究了履带式爬壁机器人设计要点关键词】履带式爬壁机器人 优化 设计爬壁机器人为特殊机器人，具有可靠性高、负载能力强、结构简单以及避免适应强等优点为进一步 提高其应用效果，需要对其运行原理进行分析，以优 化功能和满足实用要求为目的，对其运行受力状态进 行研究，确定其结构设计形式，确保可以满足实际应 用需求1机器人壁面运动受力分析1.1匀速运动受力如果机器人向上爬行运动，单边履带上电机驱动转矩需要克服1/2重力转矩与Mf,且Mf计算公式为:MQ-Mf-MG=OMG=1/2GTH其中，MQ表示单侧电机减速后输出驱动转矩； Mf表示机器人履带上最下面一块电磁铁受力所产生 的阻力矩；MG表示1/2重力产生的转矩；F1表示履 带最下面一块磁铁对壁面的压力，且Fl=Fn-Nlo则: Mf=Flh= (Fn-Nl) h,由此可得单侧电机所需驱动转 矩：MQN (Fn-Nl) h+ (HGcos a ) /21.2转弯运动受力如果机器人沿壁面转弯运动，对其运动模型进行 分析，需要通过两台履带差速来玩完成转弯动作，而 在实际设计中，基本上都选择通过正、反转两条履带 方式来完成转弯。

假设机器人重力分布在两侧履带上, 这样在对转弯运动模型进行分析时，就需要同时考虑 摩擦阻力矩MZ、Mf与GT对电机所需驱动力矩的影 响［1］机器人做壁面右转弯动作时，左侧履带所需力 矩大于右侧履带力矩，则机器人转弯动作时履带所需 力矩方程：Mq-MZ-Mf-l/4GTL=0其中，Mq表示履带驱动力矩；MZ表示履带上每 块磁铁与壁面摩擦力合力产生的摩擦阻力矩；(1/4) GTL表示机器人左侧质量产生的力矩其中：Mq=l/2FPL+1/2FPL=FPLFP=MQ/R则可得：Mq=MQL/R履带式机器人做壁面转弯动作时，接触压力分布 并不均匀，摩擦阻力反抗履带转弯阻力越小，压力均 匀分布时所受转弯阻力矩越大，分析时按照均匀分布 计算，则：MA=u (nFn-GN) L/4贝U,履带式机器人转弯时电机所需驱动转矩：MQNR/L[ (Fn-Nl) h+uL (nFn-GN) /4+1/4GTL]2履带式爬壁机器人设计要点2.1结构设计履带式机器人移动设计方式，在实际应用中吸附 性更好，且具有耐腐蚀效果，即便作业时控制器故障， 也不会脱离壁面结构形式的选择需要根据实际需求 来确定，例如针对大型油罐检测作业用履带式爬壁机 器人，油罐受腐蚀影响，壁面存在不同程度的变形、 生锈等情况。

在对机器人结构进行设计时，除了要提 高其对作业避免的适应能力，还要保证其能够垂直直 线行走，重点控制偏斜度，将定位精度控制在规定范 围内[2]同时，在对控制系统进行设计时，要引入修 正环节，对因为避免变形造成的机器人爬行轨迹偏差 进行修正2.2壁面静力分析同样以大型油罐容器检测履带式爬壁机器人为例, 对永磁吸附履带式爬壁机器人受力状态进行分析爬 壁机器人履带主要以皎链进行联接，垂直于牵引力方 向时并不存在刚性，因此不能将垂直于履带平面的荷 载分布到每个永磁体上，降低了机器人作业稳定性 假设机器人具有分布荷载，并将荷载分散机构看作为 一个弹簧，将机器人在GN方向上所受到的力，分散 到吸附在避免其他磁铁上，且单条履带上荷载分散机 构所产生的总拉力为弹簧弹力T为更方便分析荷载 分散系数uL对爬壁机器人稳定性的影响，本文确定 uL=2T/Go机器人运动过程中弹簧变形量不发生变化， 则可以认为由荷载分散机构产生的拉力始终为T为 保证机器人在壁面作业时不会掉下，要求作用的外力 应满足静力学平衡方程组：2 (N1+N2+2T) -GN=O2Ff-GT=02T (a-a) +2N2b-2Nlb-2FfH=0其中，Ff表示单条履带所受摩擦力，Ff=l/2GT, 且便于计算分析，设定Ff为最大静摩擦力，满足Ff NGT,则机器人不会在避免作业时下滑，根据此要求 计算磁铁所需吸附力。

并引入荷载分布系数uL,替换 T,分析uL对Nl、N2影响则可获得方程组：N2b-Nlb-GTH=02 (N1+N2+T) =GN由上述公式可得：Nl=l/4GN-l/4uLG-GTH/2bN2=l/4GN-l/4uLG-GTH/2b其中，N1N2表示机器人在垂直于履带方向上吸附 在墙壁上的最下面与最上面电磁铁拉力；Ff表不两条 履带与壁面间最大静摩擦力；G表示整个机器人重力， GT=Gcos a , GN=Gsin a ； b表示支撑力N1N2相对于 机器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相对于机器人重心 力臂要求机器人在避免作业时不下滑，则FfNGT, Ff= (nFn-GN) uFn表示单个磁铁吸附力；n表示永 磁铁个数；u表示摩擦系数将公式Ff= (nFn-GN) u代入FfNGT中，便可得 到单个电磁铁吸附力：Fn^l/n (1/uGT+GN)机器人壁面上爬运动作业时，不会出现翻转，则 要求最上面一块地铁不会被掀起，贝上FnNN2,即：Fn^l/4GN-l/4uLG+GTH/2b3结语爬壁机器人在很多特殊作业中具有重要应用效果, 其可以搭载多种工具在垂直墙壁上移动，现在巳经被 广泛的应用到建筑、能源、石化等行业中。

对其进行 设计研究，需要遵循其运行原理，做好受力分析，根 据实际需求确定结构形式，保证能够满足各种状态作 业要求参考文献：[1] 蔡丽君.履带式爬壁机器人设计与研究[D].上海 工程技术大学，2011.[2] 熊雕，刘玉良.履带式爬壁机器人受力分析与稳 定性仿真研究[J].机电工程，2015 (07)： 929-932+937.。