为了实现爬壁机器人永磁吸附单元的可调节性,提出了基于Halbach方形永磁阵列的变磁力间隙吸附结构,将吸附单元与船体壁面之间的间隙作为变量,根据不同的壁面倾角进行实时调整,使吸附力处于最佳值。通过数值仿真和有限元分析研究了各参数(如磁轭厚度、阵列周期、空气隙和磁铁尺寸)对磁吸附力的影响,基于多岛遗传算法的磁吸附单元的结构尺寸参数优化分析,并通过实验验证了仿真值的正确性。结果表明,优化后的磁吸附力和吸附单元体积比优化前提高了近100%,极大提高了磁能利用率;通过对实测值进行曲线拟合,得出吸附力与空气间隙的函数关系,为磁力控制系统提供理论依据。

针对爬壁机器人的壁面行走可靠性问题,结合爬壁机器人的结构特点,设计一种抛弃传统履带差速转向,避免机器人运动过程中转弯,可全向移动的多履带爬壁机器人。对机器人在不同倾角壁面的行走条件进行分析,得到机器人所需吸附力与壁面倾斜角度的变化规律,分析壁面倾斜角度对所需驱动力的影响。通过搭建样机进行附壁行走试验,验证了机器人在“危险角度”上能够可靠吸附,驱动电机提供的实时扭矩,可满足机器人的驱动要求并验证了分析结果的正确性,该分析结果为多履带全向爬壁机器人的设计和优化提供了基础。

为了减小履带式爬壁机器人的质量,增强机器人的便携性,满足机器人在极限空间的作业要求,设计了磁吸单元。首先,对磁场理论计算模型进行了分析;其次,借鉴乙型磁路提出了以整个履带单元为整体分析对象的N-S交替排布的磁路型式;再次,借助ANSYS Workbench中的静磁模块对该磁路型式中的磁铁数量、磁铁排布方式等影响因素进行了分析;最后,针对隧道二衬台车养护机器人的要求设计了机器人样机,并进行了试验。试验结果表明,提出的磁路设计型式结构简单、吸附力大,能够有效减小机器人的尺寸和质量,满足面向极限作业空间的履带式爬壁机器人设计要求。

针对自然界广泛存在的粗糙壁面应用环境以及现有爬壁机器人抓附结构存在的不足,提出密集阵爪刺式脚爪。对影响密集阵爪刺式脚爪在壁面上抓附性能的各关键参数进行分析与建模,计算出各设计参数的最优值。通过对具有不同设计参数值的脚爪在壁面上所能承受的最大载荷进行对比实验,验证了对于脚爪关键设计参数所建数学模型的正确性及脚爪各设计参数最佳值的准确性。根据实际情况确定各设计参数值,并完成脚爪的制作,进而测定其在抓附壁面的过程中所能承受的最大载荷。结果表明此脚爪所能承受的最大载荷超过400 g。

爬壁机器人能够替代人工完成高难度、高风险的高空工程作业,在舰船清洗、液化气罐检测等诸多领域已经得到广泛的应用。基于现代爬壁技术在机器人领域的实际应用,对爬壁机器人的工作原理进行了介绍,分析了真空吸附、磁力吸附、静电吸附、仿生吸附以及攀附式吸附等不同吸附技术的特点,比较了轮式爬壁机器人、履带式爬壁机器人、足式爬壁机器人等多种爬壁机器人移动机构的优缺点。最后,结合火电厂应用环境特点,重点分析了爬壁机器人在火力发电厂的应用案例,探讨了火电厂爬壁机器人的发展趋势,指出复合吸附结构与移动方式是未来火电厂爬壁机器人的发展热点。

针对四轮驱动爬壁机器人在铅垂壁面上进行原地滑移转向运动过程进行研究,提出了机器人壁面滑移运动模型。首先从动力学角度分析了爬壁机器人在壁面转向时产生滑移的原因,建立爬壁机器人原地滑移转向运动的动力学模型,结合运动学、动力学方程推导出爬壁机器人的滑移运动模型,从而确定转向过程中由滑移造成的机器人质心位置坐标变化量。结果表明机器人在原地转向过程中存在纵向和横向滑移,滑移量与机器人的轮速以及相关设计参数有关,适当增大轮速能有效减少滑移。通过仿真与实验验证,证明理论分析的正确性,可为四轮爬壁机器人的路径规划和滑移问题研究提供理论依据。

根据松毛虫和尺蠖蠕动前行的特点以及仿生学原理,基于模块化思路分别提出了松毛虫和尺蠖爬壁机器人运动学构型.针对两种模型,讨论比较了它们的安全性和可用步态.通过分析松毛虫的蠕动步态和尺蠖步态,发现基于全主动关节驱动的松毛虫模型中存在冗余驱动问题.但由于松毛虫模型具有更多的可用步态,因此比尺蠖模型具有更高的安全性.这两种模型的样机由若干吸附模块和关节模块构成,以验证两种蠕虫机器人的爬壁能力.试验表明由于松毛虫机器人运动时存在冗余驱动,导致吸盘出现侧滑力,同时验证了尺蠖机器人在竖直壁面上的爬壁能力.为了进一步改进尺蠖机器人的吸附能力,采用了一种非对称的运动步态.

设计了一种电磁吸附履带式除锈爬壁机器人,可实现对狭窄立柱、横梁等电厂典型钢结构的高空喷砂除锈并回收砂粒。通过建立爬壁机器人沿钢结构壁面喷砂除锈的静力学模型和动力学模型,推导出爬壁机器人向上爬行的电机启动转矩和工作转矩,为电磁铁和电机的选择提供理论依据。利用MATLAB进行计算仿真,获得机器人不沿壁面下滑时吸附力与静摩擦因数、钢结构壁面倾角的关系,讨论了机器人不发生倾覆时摆臂摆角、壁面倾角对吸附力性能的影响。分析结果表明,当钢结构壁面倾角为21.8°,且静摩擦因数为0.4时,机器人所需的磁吸附力达到最大值。当机器人单侧履带的电磁铁数量为20块时,选择吸附力大于54.37 N的电磁铁安装于履带上,机器人不会出现下滑和倾覆,可以保证机器人爬壁的安全性。

当前对在役球罐进行定期检测时,需在球罐内外搭建脚手架,由人工操作无损探伤设备完成检测。检验人员工作量大,且检测效率低。因此,研制出满足于现场条件的自动检测系统代替人工检测十分必要。本文作者在对国内外爬壁和检测机器人的研究现状进行归纳和总结的基础上,提出了一种适用于大型球罐的爬壁检测机器人。该机器人能够实现宏观视频检测、超声测厚、磁粉检测等功能,能够提高工作效率,降低工人劳动强度,具有较大的应用前景。

针对船舶外板爬壁喷涂的轨迹涂层保护策略,提出了搭载往复喷枪的船舶外板拖涂爬壁机器人设计。从系统角度,全面对该机器人的拖涂爬壁本体系统、供料及漆雾回收防护罩系统、安全防护系统、轨迹规划等进行了总体设计,并分别对每个部分的设计问题进行提炼分析,提出相应的解决方案。这种爬壁机器人设备,能够模拟人工作业,并可以根据双机作业控制流程进行多机联动附壁作业,为机器化在船舶智能制造生产中的实际应用提供了参考。