铁基罐体表面爬壁机器人的研制

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一种基于电磁吸附的爬壁机器人的设计与研究

一种基于电磁吸附的爬壁机器人的设计与研究张加润李占贤摘要：本文以罐体、船舶类等大型金属设备表面的除锈、清洗、打磨为背景，研制出了一种基于电磁吸附的爬壁机器人，完成了传动机构、腿部结构和吸附装置的具体设计。

在明确相关构件尺寸参数的前提下，利用SolidWorks软件绘制了机器人的三维模型。

介绍了其在爬行过程中腿部机构的动作原理。

关键词：爬壁机器人;结构设计;运动学分析1.引言众所周知，罐体、船舶类等金属设备的表面经常存在着除锈、清洗、打磨、焊接等相关作业需求[1-3]，这些工作在以往都是由人工来完成，经常采用搭载吊篮或腰系绳索等的工作方式，工作强度高、效率低，并具有一定的危险性。

因此，一种能够代替人工进行相关作业的爬壁机器人的研制需求变得极为迫切[4-6]。

2.爬壁机器人的整体设计方案如图1所示，为爬壁机器人的基本模型，主要由左腿组件、右腿组件、丝杠组件、直行电机组和本体框架构成。

四个电机等间距并排固定在机器人框架的一端，丝杠的一端通过联轴器与电机连接，另一端与机器人框架的基座刚性连接，左侧两滑块与左侧两丝杠配合移动，右侧两滑块与右侧两丝杠配合移动。

电机、转动丝杠和滑块组成机器人的驱动装置。

在图1中，四个电机从上到下依次表示为OF、OB、IF、IB。

其中左腿所连电机OF、OB驱动左腿上两滑块的移动，右腿所连电机IF、IB驱动右腿上两滑块的移动。

前、后两滑块的一组对角孔设置内螺纹，另一组设为通孔。

腿部组件是爬壁机器人的动作执行装置。

为了保证机器人爬行过程结构紧凑，腿部组件采用类似等腰梯形的机构，对称排列在机器人本体框架的左右两侧。

通过电机以不同转速带动丝杠的转动，可以调节前、后滑块之间的距离，从而实现机器人的抬腿与落腿动作。

2.1传动机构的设计传动机构决定着机器人的运动精度，为了确保机器人作业的效率和质量。

传动机构的设计尤为重要。

其中，该机器人的传动机构主要由四个电机组、联轴器、本体框架、丝杠和滑块组成。

立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计

ｃａｉａｔｃｕｅｄｆｃｓｔａｒｉｉｕｔｏｓｅｅｎａｙｔａｇｄｏｈａｋｗａｌｍｅｎｈｌｔｈｎｃｌｒｔｒｅｅｔｈｔａｅｄｆｃｌｔｔｒｄａｄｅｓｄｍａｅｎｔｅｔｎｌ，ａｗｉｉｓｕｅｏｅａａｙｉｔｔｓａｉｔｎｈｅｉｂｌｙ，ａｄｅｐａｎｔｅｏｅａｌｏｔｌｙｔｍｅｉ．ｈｒｅｓｅｎｌｓｓｏｉｔｂｌｙａｄｔｅｒｌｉｔｓｉａｉｎｘｌｉｔｖｒｌｃｎｒｓｏｈｏｓｅｄｓｎｇＴｅｅａｐ — ｒｃａｘｌｉｅｈｅｅｔｎｏｔｒａｄｒｄｃｒｓｗｌａ８ＣｍｉｒｃｎｒｌｒａｈｏｅｉｌｅｐａｎｄｔｅｓｌｃｉｆＤＣｍｏｏｎｅｕｅ，ａｅｌｓＡＴ９５ｃｏｏｔｌｓｔｅｃｒｏ１ｏｅｃｎｉｉｇｏｎｅｏｓｓｎｆｄｒ—ｍａｈｎａｄａｅｓｓｅａｄｔｅｃｒｅｐｎｉｇｓｆｒｅｉｔｏ．ｔｕｃｉｅｈｒｗｒｙｔｍｎｈｏｒｓｏｄｎｏｔｅｄｓｇｍｅｈｄｗａｎ
ＡｂｔａｔＯｎｉｄｏｌ —ｃｉｉｇｒｂｔａｅｉｔｄｃｄｔａｔｓｏｍｅｓｒｈｅｉａｔｌｓｒｃ：ｅｋｎｆｗａｌｌｍｂｎｏｏｓｒｎｒｕｅｈｔｉｕｅｔａｕｅｔｅｖａｃｌｏｍｅａ

铁基罐体表面爬壁机器人的研制

摘要本文应用Solid works三维造型软件，实现了对铁基罐体表面爬行机器人机械结构设计。

应用89S52单片机实现了其控制系统的设计，从而完成了铁基罐体表面爬行机器人系统。

在该系统中，机器人控制主要有手持操作盒完成。

在本系统中，用户可以输入机器人运行速度、运行距离等参数，控制机器人的运动并且可以通过LED数码管组成的屏幕观看机器人的运动状况。

在论文中并对铁基罐体表面爬行机器人的表面适应能力、转向灵活性进行了分析。

关键词：89S52；铁基罐体；机器人！ABSTRACTThe robot was use Solid works three-dimensional model software, is it creep the mechanical structural design of the robot the body surface to iron base pot to realize. Use 89S52 one-chip computer realize design of control system their, finish iron base pot creep the robot system the body surface. In this system, the robot controls and holds and operates the box to finish mainly. Among system this, user can input robot operation speed, operate from, etc. the parameter, control sport of robot and can watch the sport state of the robot through LED number screen made up to in charge of. Is it creep surface adaptive capacity of robot, turn to iron base pot to flexibility analyses the body surface to combine among thesis.Key words: 89S52；Iron base pot; robot}目录[摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------I ABSTRACT--------------------------------------------------------------------------------------------------II 1. 绪论--------------------------------------------------------------------------------------------------------1机器人系统概论------------------------------------------------------------ ----------------------1机器人发展状况-------------------------------------------------------------------1机器人的应用与发展趋势-------------------------------------------------------2课题任务-------------------------------------------------------------------------------------------3课题背景和研究意义--------------------------------------------------------------3本论文的主要工作任务及目标--------------------------------------------------42.|3.总体结构-------------------------------------------------------------------------------------------------6结构概述--------------------------------------------------------------------------------------------6结构组成--------------------------------------------------------------------------------------------6 4.机械结构设计-------------------------------------------------------------------------------------------84.1履带轮的设计--------------------------------------------------------------------------------------84.2履带的设计-----------------------------------------------------------------------------------------94.3张紧机构的设计------------------------------------------------------------------------ ----------9 4.表面适应能力分析--------------------------------------------------------------------------------------12力学模型-------------------------------------------------------------------------------------------12影响爬壁机器人壁面适应能力的因素-------------------------------------------------------12（履带与壁面的贴和系数-------------------------------------------------------------12载荷分散系数-------------------------------------------------------------------------13提高壁面爬行机器人壁面适应能力的措施-------------------------------------------------13适当加长履带和使用张紧轮--------------------------------------------------------13采用后轮驱动的方式-----------------------------------------------------------------14前面从动轮采用浮动支撑-----------------------------------------------------------15载荷分散机构--------------------------------------------------------------------------15平行四边形结构-----------------------------------------------------------------------16 5.转向灵活性分析------------------------------------------------------------------------------------------18爬壁机器人静力学分析--------------------------------------------------------------------------18—爬壁机器人转弯运动分析-----------------------------------------------------------------------19爬壁机器人人转弯动力学分析-----------------------------------------------------------------19爬壁机器人运动灵活性定义与分析---------------------------------------------------------21转向灵活性的定义-------------------------------------------------------------------21大半径转向灵活性的分析----------------------------------------------------------21 6.控制系统设计--------------------------------------------------------------------------------------------23爬壁机器人的工作环境-------------------------------------------------------------------------23单片机驱动部分----------------------------------------------------------------------------------23显示部分-------------------------------------------------------------------------------------------24传感器部分----------------------------------------------------------------------------------------26`7.结论-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29附件-----------------------------------------------------------------------------------------------------------30参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------------35致谢-----------------------------------------------------------------------------------------------------------36(1 绪论机器人系统概论机器人发展状况机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。

大型球罐壁面除漆机器人设计与实验研究

2024年第48卷第1期Journal of Mechanical Transmission大型球罐壁面除漆机器人设计与实验研究杨怀林1刘春华2陈晓辉2邓贤东1高润智1夏毅1臧红彬1（1 西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室，四川绵阳621010）（2 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000）摘要为解决大型球罐压力容器表面三层高强度环氧漆打磨问题，设计了一款大型球罐壁面除漆机器人，并对其开展了实验研究。

机器人主要包括爬壁吸附系统和自适应打磨系统。

通过对海尔贝克阵列永磁体研究，仿真分析履带结构永磁体吸附力与工作间隙的关系，研发了一款吸附稳定、越障性能优越的爬壁吸附系统；针对弧形壁面打磨情况，设计了一款基于电流反馈的自适应打磨系统，并分析金属丝打磨辊力学模型，研发多样金属丝打磨辊。

对机器人进行测试，打磨效果良好，机器人可以对环氧漆打磨并露出金属光泽，且是人工打磨效率的3~10倍。

该研究为球罐高强度环氧漆打磨提供了新打磨工具，保证了打磨质量，提高了打磨效率。

关键词爬壁机器人永磁吸附磁力仿真三层环氧漆打磨打磨效果Design and Experimental Study of a Large Spherical Tank Wall Paint Removal Robot Yang Huailin1Liu Chunhua2Chen Xiaohui2Deng Xiandong1Gao Runzhi1Xia Yi1Zang Hongbin1(1 Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process of the Ministry of Education,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China）（2 China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China)Abstract In order to solve the problem of polishing three-layer high strength epoxy paint on the surface of large spherical tank pressure vessels, a large spherical tank wall paint removal robot is designed, and the experimental research on it is carried out. The robot mainly includes a wall climbing and adsorption system and an adaptive grinding system. By studying the permanent magnet of Halbach array, the relation between the adsorption force of the permanent magnet of track structure and the working clearance is simulated and analyzed, and a wall climbing adsorption system with stable adsorption and superior obstacle climbing performance is developed. According to the grinding condition of the curved wall, an adaptive grinding system based on current feedback is designed, and various steel wire grinding rollers are developed by analyzing the mechanical model of the steel wire grinding roller. The robot is tested, and the polishing effect is good. The robot can polish the epoxy paint and show the metallic luster, and its efficiency is 3-10 times that of the manual grinding. A new polishing tool is proposed for ball tank high-strength epoxy paint polishing, which ensures the polishing quality and improves the polishing efficiency.Key words Wall-climbing robot Permanent magnet absorption Magnetic force simulation Three layers of epoxy paint polishing Grinding effect0 引言大型压力球罐广泛地应用于石油、化工等产业，在使用的过程中会携带一定的正压力或者负压力。

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方式爬壁机器人是一种能够在垂直墙壁上行走的机器人，其工作原理是通过吸附力与摩擦力的相互作用实现。

通过复合吸附方式，机器人可以在各种表面上行走，如金属、混凝土和玻璃等。

爬壁机器人的研制主要包括以下几个方面的内容。

爬壁机器人的结构设计是研制的重要一环。

机器人的结构需要考虑到其在垂直墙壁上的行走能力，同时保证其稳定性和安全性。

一般而言，爬壁机器人采用轮式或者足式结构。

轮式结构多由多个电磁吸盘和滚轮组成，通过吸附力和摩擦力在墙壁上行走。

足式结构则模仿了人类的行走方式，通过“脚”的运动在墙壁上行走。

在结构设计过程中，需要考虑机器人的自重、吸附力和摩擦力的平衡关系，使机器人能够平稳地行走。

爬壁机器人的吸附方式是研制的关键之一。

常见的吸附方式有真空吸盘和粘附剂吸盘。

真空吸盘通过创造真空环境产生吸附力，而粘附剂吸盘则将吸附剂粘附在机器人的吸附部件上，通过粘附力实现吸附。

不同的吸附方式适用于不同的表面材质，选择合适的吸附方式对机器人的行走效果至关重要。

爬壁机器人的控制系统也是研制的关键环节。

机器人的控制系统需要能够控制机器人的运动、吸附状态和精确位置，以保证机器人在墙壁上行走的稳定性和安全性。

通过传感器和控制算法，可以实现对机器人运动的控制和实时监测，使机器人能够自主地行走。

爬壁机器人的应用领域非常广泛。

在建筑工地中可以用于高楼外墙的清洗和维护；在工业领域中可以用于高处设备的维修和检测；在军事领域中可以用于侦查和勘察等。

爬壁机器人的研制和应用对提高工作效率、降低人力资源成本具有重要意义。

复合吸附方式爬壁机器人的研制是一个综合性的工程，涉及机器人的结构设计、吸附方式、控制系统等多个方面。

通过不断的研究和改进，爬壁机器人的性能和应用将得到进一步提升。

立式金属罐容积检定爬壁机器人的研制

ＫｅｗｏｄｓＶｅｉａｔｌｔｎＷａｌｃｉｉｇｒｂｔＡｔｉｄｏｔｏＡｌｏｔｍＭｅｓｒｍｅｔａｄｃｎｒｌｓｓｅｙｒ：ｔｒｃｌｍｅａａｋｌ— ｌｍｂｎｏｏｔｔｅｃｎｒｌｕｇｒｈｉａｕｅｎｎｏｔｏｙｔｍ
关键词：立式金属罐中图分类号：Ｔ２ｆ４爬壁机器人姿态控制算法测控系统文献标志码：Ｂ
Ａｂｓｒｃ：Ａｉｄｏｌ— ｌｉｇｒｂｔｏｅｔｃｌｍｅａａｋｉｅｉｎｄ。ｉｎｇａｈｒｂｌｍｓｏｈｅｔａｉｉｎｌｍｅｓｒｎｔｄ，ｕｃｔａｔｋｎｆｗａｃｉｎｏｏｆｖｒｉａｔｌｔｎｓｄｓｇｅａｍｉｔｔｅｐｏｅｆｔｒｄｔａａｕｇｍｅｈｏｓｈｍｂｏｉ
维普资讯
立式金属罐容积检定爬壁机器人的研制文怀海。等
立式金属罐容积检定爬壁机器人的研制
ＲｓａｃｎａＷａｌｌｂｎｅｅｒｈｏｌｃｉｉｇＲｏｂｔｆｐｃｔｅｓｒｍｅｔ — ｍｏｏｒＣａａｉＭａｕｅｙｎ
测量、壁厚测量、板高测量等，能顺利、准确地完成大型罐体的容积检定工作。现场实验表明，该机器人自动
化程度高、运动稳定可靠、定位精度高，大幅度提高了油罐检定效率。
ｐｒｎｎｇｅｉｅｍａｅｔｍａｎｔｗｈｅｌｓａｐｅｎｔｅｂｄｓｇｆｔｅｒｂｔＷｉｈｏｔｏｉｇｅｃｉｏｍｐｔｒ８５１ａｓｔｏｅｏａｕｅｃｅｓｉｄｏｔｄｉｈｏｙｄｅｉｎｏｈｏ．ｏｈｔｔｅｃｎｒｌｓｎｌｈｐｃｕｅ９￥ｈｅｃｒｆｍｅｓｒ —

储罐壁面爬壁机器人吸附结构设计与优化

38
将沿着壁面向下滚动，履带上端与壁面接触的第 1块
永磁体产生的力矩克服重力矩 GH 的作用，同时电
机和减速器提供制动力矩 M1 和阻力矩 M2，阻止爬
壁机器人沿壁面下滚。
M1
+M2
+
１２
L（F1
-N1）-
１２
GH=0
（7）
M1
+M2
＝
１２
GH- １２
L（F1 -N1）
（8）
式中：L 为最上端与壁面接触的单个永磁吸附单元
于沿壁面外力之和，满足以下条件：
ｎ
∑ ∑X=0，FN- Ｎi ＝0
（1）
ｉ＝１
∑Y=0， G ２
-Ff
＝0
（2）
Fi≤ μNi
（3）
式中：n 为履带与壁面同时吸附的永磁体数目； μ 为
静摩擦系数。假设各永磁体吸附力均相同，则可令：
N1 =N2 =…Ni =N1
（4）
由公式（4）可以得出：
N1
F2
N2
F3
N3
FN C
H
Fi
Ni
图 5 爬壁机器人纵向受力分析图 Fig.5 Longitudinal force analysis chart of
wall climbing robot
2.1 沿壁面滑动时的受力分析
爬壁机器人有沿着壁面下滑的倾向。为了使机
器人静止在壁面上，机器人与壁面间的摩擦应该大
图中：N1i，N2i 为单条履带永磁体与壁面作用力； D 为爬壁机器人两履带吸附中心距离；B 为爬壁机
器人横向翻转极限点。
n×N×0+n×N×B-G·L≥0

基于钢铁墙壁的永磁吸附爬壁机器人研究

III
太原理工大学硕士研究生学位论文
第一章绪论
1.1 本文研究背景及意义
对于石化工业，电厂，造船业等行业中工作面的清洗和检测工作，目前基本上还是由人工来完成，工人的工作环境恶劣且有一定的危险，工作效率也很低。随着机器人技术的出现和发展以及人们自我保护意识的增强，人们迫切希望能用机器人代替人进行这些危险的作业，从而把人从恶劣的环境和繁重的劳动中解脱出来。爬壁机器人的使用将大大降低危险行业的人力成本，改善工人的劳动环境，提高劳动生产率。爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务，大大扩展了机器人的应用范围。目前，爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等：如对高楼外壁面进行清洗、对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护、对大面积钢板进行喷漆以及在高楼事故中进行抢险救灾等。经过 30 多年的发展，爬壁机器人领域已经涌现出一大批丰硕的成果，特别是 20 世纪 90 年代以来，国内外在爬壁机器人领域中的发展尤为迅速。近年来，由于多种新技术的发展，爬壁机器人的许多技术难题得到解决，极大地推动了爬壁机器人的发展。本课题是针对大同某电厂提出的清洗钢铁墙壁要求而设计的一种新型爬壁清洗机器人本体。经过研究国内外动态，发现目前虽然有很多大学研究和研制出了不同结构和吸附方式的爬壁机器人，有些大学已经开始将爬壁机器人与仿生学结合研制基于新型吸附材料的微型爬壁机器人。然而，在众多爬壁机器人类型中往往都采用直接吸附的履带式，而移动速度快，控制灵活的轮式移动爬壁机器却因为吸附力较难满足而相对较少，国内的上海交通大学 2005 年研制了一款磁轮式爬壁机器人，该机器人采用磁轮提供吸附力，但工作时吸附装置与墙壁之间同样是直接接触关系，虽然提供的吸附力足够大，仍然没有解决机器人在上下墙壁时比较困难的问题。本论文设计了一种新型的可调磁极永磁吸附装置，机器人在工作时吸附装置与钢铁墙壁之间非直接接触，在满足吸附力的同时能够方便的上下墙壁。同时，设计了基于 ATmega16 单片机的控制系统，包括最小系统，电源模块，通讯模块，电机驱动调速模块等，为下一步实现机器人的爬壁和样机制作提供了基础。

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摘要本文应用Solid works三维造型软件，实现了对铁基罐体表面爬行机器人机械结构设计。

应用89S52单片机实现了其控制系统的设计，从而完成了铁基罐体表面爬行机器人系统。

在该系统中，机器人控制主要有手持操作盒完成。

在本系统中，用户可以输入机器人运行速度、运行距离等参数，控制机器人的运动并且可以通过LED数码管组成的屏幕观看机器人的运动状况。

在论文中并对铁基罐体表面爬行机器人的表面适应能力、转向灵活性进行了分析。

关键词：89S52；铁基罐体；机器人ABSTRACTThe robot was use Solid works three-dimensional model software, is it creepthe mechanical structural design of the robot the body surface to iron base pot to realize. Use 89S52 one-chip computer realize design of control system their, finish iron base pot creep the robot system the body surface. In this system, the robot controls and holds and operates the box to finish mainly. Among system this, user can input robot operation speed, operate from, etc. the parameter, control sport of robot and can watch the sport state of the robot through LED number screen made up to in charge of. Is it creep surface adaptive capacity of robot, turn to iron base pot to flexibility analyses the body surface to combine among thesis.Key words: 89S52；Iron base pot; robot目录摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------I ABSTRACT--------------------------------------------------------------------------------------------------II1. 绪论--------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1机器人系统概论------------------------------------------------------------ ----------------------11.1.1 机器人发展状况-------------------------------------------------------------------11.1.2 机器人的应用与发展趋势-------------------------------------------------------21.2 课题任务-------------------------------------------------------------------------------------------31.2.1 课题背景和研究意义--------------------------------------------------------------31.2.2 本论文的主要工作任务及目标--------------------------------------------------42.总体结构-------------------------------------------------------------------------------------------------62.1 结构概述--------------------------------------------------------------------------------------------62.2 结构组成--------------------------------------------------------------------------------------------63.机械结构设计-------------------------------------------------------------------------------------------83.1履带轮的设计--------------------------------------------------------------------------------------83.2履带的设计-----------------------------------------------------------------------------------------93.3紧机构的设计------------------------------------------------------------------------ ----------94.表面适应能力分析--------------------------------------------------------------------------------------124.1力学模型-------------------------------------------------------------------------------------------124.2影响爬壁机器人壁面适应能力的因素-------------------------------------------------------124.2.1履带与壁面的贴和系数-------------------------------------------------------------124.2.2载荷分散系数-------------------------------------------------------------------------134.3提高壁面爬行机器人壁面适应能力的措施-------------------------------------------------134.3.1适当加长履带和使用紧轮--------------------------------------------------------134.3.2采用后轮驱动的方式-----------------------------------------------------------------144.3.3前面从动轮采用浮动支撑-----------------------------------------------------------154.3.4载荷分散机构--------------------------------------------------------------------------154.3.5平行四边形结构-----------------------------------------------------------------------165.转向灵活性分析------------------------------------------------------------------------------------------185.1爬壁机器人静力学分析--------------------------------------------------------------------------185.2爬壁机器人转弯运动分析-----------------------------------------------------------------------195.3爬壁机器人人转弯动力学分析-----------------------------------------------------------------195.4爬壁机器人运动灵活性定义与分析---------------------------------------------------------215.4.1转向灵活性的定义-------------------------------------------------------------------215.4.2大半径转向灵活性的分析----------------------------------------------------------216.控制系统设计--------------------------------------------------------------------------------------------236.1爬壁机器人的工作环境-------------------------------------------------------------------------236.2单片机驱动部分----------------------------------------------------------------------------------236.3显示部分-------------------------------------------------------------------------------------------246.4传感器部分----------------------------------------------------------------------------------------267.结论-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29附件-----------------------------------------------------------------------------------------------------------30参考文献-----------------------------------------------------------------------------------------------------35致-----------------------------------------------------------------------------------------------------------361 绪论1.1机器人系统概论1.1.1机器人发展状况机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。