爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件,磁吸附模块的结构通常会影响机器人的整体质量及吸附稳定性。针对磁吸附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题,结合虚拟仿真技术、代理模型和蜣螂优化算法提出了一种磁吸附模块结构优化方法,以提高其磁力计算和优化设计过程的效率。首先,介绍了爬壁机器人的结构设计方案,并通过对现有的Halbach阵列磁路模式进行仿真分析,确定了三磁路模式具有相对较高的吸附效率;同时,基于初设参数对磁吸附模块磁力仿真模型进行了实验验证,为后续代理模型的建立奠定了基础。然后,建立了以机器人吸附稳定性和结构参数为约束、以磁吸附模块轻量化为目标的优化模型。采用最优拉丁超立方设计、ANSYS参数化建模以及代理模型技术建立了磁吸附模块磁力与结构参数之间的四阶响应面模型,并对其可信度进行了验证。利用蜣螂优化算法对磁吸附模块的结构参数优化模型进行了求解。结果表明,所建立的代理模型的预测误差很小,能够较好地表征磁吸附模块磁力与结构参数之间的关系;优化后磁吸附模块的质量减小了12.7%。最后,通过机器人负载实验验证了优化过程的正确性。研究结果可为其他磁吸附式机器人的磁力分析与结构优化提供参考。

轮足复合式爬壁机器人研究综述

当前轮足复合式机器人机构主要包含轮足结合、分离复合以及变形轮足,分别能够实现不同障碍通道的移动作业、复杂未知环境的探索操作以及突发应急救援等应用。然而,针对船舶、压力储罐等金属立面环境,轮足复合式爬壁机器人必须兼具壁面适应、越障和壁面过渡的全位置自主作业能力,应用于壁面焊接、清洗、检测等作业任务。对比分析当前的国内外研究,轮足复合式爬壁机器人针对在垂直和倾斜壁面的工程应用有良好的适用性,它具备适应复杂曲面工作面的能力,并能够应对非结构化工作场景。轮足复合式爬壁结构在应对曲率变化、非结构化壁面等工作将会有良好的应用前景。

新型4-RRPS爬壁机器人及风电塔筒运行环境下的稳定性分析

在风电机组运维领域中的运维爬壁机器人大多属于特级高处作业,根据特级高处作业特点,爬壁机器人的作业安全性尤为重要,而稳定性是安全性的必要条件。以4-RRPS构型爬壁机器人吸附在塔筒壁面时为分析工况,以吸附力为分析切入点,展开其相关稳定性研究与分析工作。具体包括结构整体在极限倾覆和滑落工况下的最小吸附力分析、单腿抬举运动所需最小推力分析、结构整体的静态稳定裕度分析、携载平台三种工况运动稳定性分析,最终证明该爬壁机器人具备运动平稳性。

模块化作业爬壁机器人设计与分析

为解决传统爬壁机器人在海上风电塔筒立面的作业效率低下和吸附力不足问题,根据模块化设计方法,提出一种可同时用于表面漆膜检测及运维的模块化履带式爬壁机器人。本文详细介绍作业机器人的结构组成及原理,为防止机器人发生滑落和倾覆现象,对其进行力学分析;构建间隙式永磁吸附模型,利用Maxwell软件与传统磁路设计进行参数化仿真对比,并分析气隙和壁厚对机器人吸附力的影响;通过样机平台模拟实验和真实作业,表明机器人能以稳定运动姿态实现塔筒高空及水下作业,验证了其模块化作业的可行性,并同时具备较强的吸附能力和越障能力。

永磁吸附爬壁机器人磁力影响因素分析

磁吸爬壁机器人在运行过程中存在吸附力不足导致倾覆,吸附力过余导致移动受阻等问题。以船体除污爬壁机器人为研究对象,在将吸附装置设计成磁桥结构的基础上,通过理论公式对永磁体磁力影响因素进行推算,并利用Ansys Maxwell软件对吸附装置进行有限元磁力分析,将仿真数据拟合成曲线,通过与实验数据对比,验证了有限元方法的可行性,并总结了永磁体横截面积和厚度、永磁体与船体表面间隙、轭铁厚度、钢板厚度等影响因素在不同区间内对磁力影响的变化规律,为机器人永磁吸附装置选用以及吸附力计算和调整提供依据。

适应多种立面的磁吸附爬壁机器人设计与越障分析

针对现有的磁吸附爬壁机器人无法满足在多种立面作业的问题,提出了一种带有柔性关节履带结构,能自主适应多种立面的爬壁机器人。机器人每个柔性关节履带都具有前后俯仰自由度及左右翻转自由度,在平直立面或凹凸立面发生运动形态的变化时,自主与立面贴合。首先,建立机器人运动形态变化模型,分析机器人在曲率半径为(0.5~3)m的凹凸立面上运动时横摆角度与纵摆角度的变化规律。通过Adams虚拟样机,对机器人在壁面上的越障性能进行仿真,计算结果和仿真分析表明:机器人可以平稳越过39mm的障碍,具有一定的越障能力。

基于改进灰狼优化的桥梁检测爬壁机器人全覆盖路径规划

基于爬壁机器人对混凝土桥梁健康进行自动巡检是推动桥梁管养智能化的有效途径,而合理的路径规划对机器人全面获取检测数据尤为重要。针对爬壁机器人电源重量限制与巡检时能源补充困难这一工程实际问题,充分考虑主梁、高墩等桥梁构件巡检场景,将能量消耗指标作为性能评价优化目标函数并建立相应约束条件,进而提出全覆盖路径规划评价模型。针对传统灰狼优化(GWO)算法易陷入局部最优的不足,提出一种改进的灰狼优化(IGWO)算法。IGWO算法通过K-means聚类改善了灰狼初始种群在搜索空间难以保持相对均匀分布的特性;以非线性收敛因子提高算法局部开发能力和全局搜索性能;结合粒子群算法个体优越性的思想对位置更新公式进行改进,提升算法的模型求解能力。仿真对比实验结果表明,IGWO算法相较于GWO、差分进化(DE)与遗传算法(GA)等全局优化算法,稳定性更好,能耗降低了10.2%~16.7%,迭代次数与求解时间分别减少了19.3%~36.9%和12.8%~32.3%,路径重复率降低了0.23~1.91个百分点,同时路径长度缩短1.6%~11.0%。

新型刚柔耦合爬壁机器人虚拟样机建模与仿真分析

对于具有刚柔耦合性质的船用爬壁机器人在建立虚拟样机时,履带为多柔性体连接件,刚性体与柔性体机构之间难以建立配合关系及动力学约束,从而导致其不能完成仿真运动。针对此问题,文中依据DAE建模原理和SI2积分求解法提出刚柔分离建模方案。设计了刚柔耦合爬壁机器人,其由刚体性质的车体框架和柔体性质的履带移动机构组成。通过此建模方案有效地完成了机器人的多体动力学虚拟样机建模和仿真,联合仿真结果表明:机器人的越障能力提高了3 mm。基于此虚拟样机模型完成了实际样机的制作与试验,验证了此刚柔耦合爬壁机器人设计的合理性及刚柔分离建模方案的可行性,为履带式机器人领域的多体动力学虚拟样机建模提供了新方案。

风电塔筒外壁爬壁机器人结构设计

以风电塔筒外壁运维检测机器人为研究对象,设计了一款可适应风电塔筒外壁曲面的爬壁机器人。针对机器人所处的工作环境,设计了机器人的整体结构布局,计算并验证了机器人所用驱动气缸的参数。根据机器人的整体结构布局,详细介绍了机器人的转向运动原理。最后对机器人的曲面适应性进行了计算分析,验证了机器人的曲面适应性,证明了结构设计的合理性。

双体负压爬壁机器人神经网络非奇异滑模控制

针对自主研制的双体负压滚动吸附式爬壁机器人控制中存在模型参数不确定和外部干扰等问题,设计了一种径向基神经网络(RBFNN)结合改进趋近律的准滑动模态控制的自适应轨迹跟踪控制方法。在对双体负压爬壁机器人建立动力学模型的基础上,采用RBF神经网络逼近系统未知非线性动力学,消除外界未知干扰以及建模误差对系统的影响,实现了对双体负压爬壁机器人系统的精确控制。最后,将该控制方法应用于双体负压爬壁机器人进行实验验证,仿真结果和实验结果证明该方法在双体负压爬壁机器人轨迹跟踪中具有更快的收敛速度和削弱系统抖振的能力。

适应多种立面的磁吸附爬壁机器人转弯特性分析

现有的磁吸附爬壁机器人无法满足同时在平直壁面与凹凸曲面上的作业要求,提出了一种带有柔性履带结构的爬壁机器人,确保机器人在多种立面上的可靠吸附。根据机器人在平直壁面实现转弯的两种情形,建立了机器人转弯力学模型,推导出电机输出转矩方程,经计算,履带驱动电机转矩应不小于2.5 N·m。分析了机器人两侧履带随曲面曲率的变化情况,利用几何关系探究了机器人在曲面曲率半径为0.5~3.0 m的凹凸曲面上转弯时,柔性履带机构的姿态变化规律。该研究为机器人进一步优化设计、电机选型与应用场景选定提供了理论依据。

除锈爬壁机器人位姿分析与纠偏技术研究

文章研究了一种用于金属壁面除锈的爬壁机器人,探讨其本体结构设计和纠偏控制方法。采用永磁吸附、轮式移动和电机驱动相结合的设计方案,确保机器人在复杂壁面环境中的稳定性和灵活性。为解决机器人在壁面上可能出现的偏移问题,提出了基于PID控制算法的纠偏控制策略。通过实验测试,验证了PID控制算法在不同初始偏移情况下的有效性和稳定性。实验结果表明,机器人能够快速纠偏,保持在预定轨迹上运行,最终偏移量较小。

爬壁机器人行走部设计与试验研究

船舶除漆爬壁机器人通过行走部行走,通过轮胎间的永磁吸附装置吸附于船舶钢板壁面。文中以船舶除漆爬壁机器人行走部为研究对象,通过力学模型得出可靠吸附所需的吸附力。通过有限元软件对永磁体磁场进行仿真,用吸附力测量装置验证了有限元分析的准确性。通过轮胎静负荷试验,确定连接盘等关键部件的尺寸。最终,通过爬壁机器人行走试验证明,行走部可以满足设计要求。

多履带爬壁机器人结构设计与优化

近年来,爬壁机器人愈发成为行业的研究热点。针对爬壁机器人在吸附壁面运动时的安全性和可靠性问题,设计出一种多履带爬壁机器人,其特点在于能够在不同弧度的金属壁面进行工作运动,同时具有一定的越障功能。在多种不同工作状态下,对爬壁机器人进行静力学分析,求出机器人在保证可靠吸附时的极限吸附力,在此基础上使用Ansys Maxwell进行仿真比较,确定结构尺寸合适的永磁体及合适的吸附气隙,设计出合适的磁吸附机构,最终完成多履带爬壁机器人的整体设计。

一种新型1000MW超临界锅炉水冷壁爬壁机器人结构设计

锅炉水冷壁稳定运行是火电厂安全生产的重要保障,目前国内外锅炉水冷壁的巡检工作主要以目视检验、卡尺测量、超声波测厚仪检测壁厚、电筒照射检查等人工方式进行,巡检周期长且精度低。文章结合计算机视觉、电磁超声无损检测、自动化等技术,设计了一种新型的锅炉水冷壁爬壁机器人,致力于解决困扰火电行业已久的缺少有效评估检查锅炉水冷壁外观磨损及内部腐蚀状态的评估问题。

基于改进人工势场算法的爬壁机器人避障研究

人工势场算法是机器人导航中常用的局部路径规划算法,但传统的人工势场算法存在无法到达目标点以及存在局部最小值等问题。本文通过分析人工势场算法的基本原理,并对其进行改善,以提高算法的性能和适应性。首先,本文通过改善人工势场算法的斥力函数,解决了传统算法无法到达目标点的问题;其次,通过提出通过活动窗口判断障碍物是否陷入极小值问题,解决了传统算法存在局部最小值的问题;最后,通过Matlab进行仿真分析,证实上述改善方案可以有效解决人工势场算法存在的问题。本研究将为机器人的自主导航提供重要参考。

一种基于动态最小成本路径启发式算法的水冷壁爬壁机器人路径规划方法

为了满足水冷壁爬壁机器人在复杂多变的表面进行工作的需求,文章针对其持续爬移运动的特点,提出了一种基于动态最小成本路径启发式(D^(*))算法的水冷壁爬壁机器人路径规划方法。该方法通过栅格法对须爬壁的工作环境进行建模,利用D^(*)算法的动态重规划特性,实现机器人在复杂多变的水冷壁表面环境下的有效路径规划。实验结果表明,该方法能够使爬壁机器人高效地完成水冷壁表面的路径规划任务。

一种永磁吸附履带式爬壁机器人主体结构的变密度拓扑优化

针对爬壁机器人机身过重导致其运动灵活性差的问题,采用变密度法对爬壁机器人的主体结构进行拓扑优化,以降低机器人主体结构的质量。选择爬壁机器人主体结构质量占比大的关键部件进行变密度拓扑优化,并对优化结果进行有限元分析。分析结果表明,部件优化后结构最大变形量小于结构的许用变形量,最大静应力小于所用材料的许用强度,爬壁机器人主体结构质量由0.849 kg减少到0.673 kg,减轻了20.73%。

履带式爬壁机器人运动学建模与磁吸附设计

针对搭载高压水射流装置的履带式爬壁机器人附壁稳定性问题,结合设计的爬壁机器人的结构特点,建立了爬壁机器人吸附在船舶壁面时的运动学模型,分析并求解了影响爬壁机器人附壁性能的各个因素,并对其磁吸附单元进行设计,分析磁吸附单元在N-S充磁和Halbach充磁方向时磁力与间隙关系。借助拉伸试验机对永磁吸附单元进行试验,验证了磁吸附单元的可靠性。并对搭建的功能性样机,开展室内水平行走、垂直爬壁和1∶1实船模型爬壁试验,验证了分析结果的正确性,为履带式爬壁机器人进一步结构优化设计和动力学分析提供了基础。

基于Halbach阵列的储罐爬壁机器人吸附装置优化分析

为解决储罐爬壁机器人永磁吸附效率低的问题,设计了基于Halbach阵列的永磁吸附装置,并对吸附装置的结构参数进行了优化分析。首先,根据吸附单元实际运用中的漏磁问题,通过增加轭磁铁来减少漏磁;其次,基于Halbach阵列永磁体充磁方向特性,对两种不同排列方式的吸附装置进行仿真对比分析,选择在相同变量下吸附力更大的排列方式;最后,通过控制变量的方法对吸附装置结构参数进行优化分析。仿真表明:优化后的单位体积吸附力提升了21.2%,达到了5.19 N·cm^(-3),提高了磁能利用率。