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。

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。

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。

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。

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%。

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%。

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。

船舶除锈清洗爬壁机器人移动智能导航系统

为良好辅助爬壁机器人完成舰船除锈清洗工作,设计包含远程监控平台和爬壁机器人两部分的船舶除锈清洗爬壁机器人移动智能导航系统。远程监控平台发布船舶除锈清洗任务后,爬壁机器人通过搭载的多线激光雷达和双目相机相结合的多传感器感知船舶除锈清洗环境信息,结合SLAM(同时定位与建图)技术完成爬壁机器人同步定位与环境栅格地图构建,并以此为基础,通过分块区域之间顺序除锈和分块区域内路径规划2个环节实现全局路径规划,结合动态窗口算法实现区域内避障路径局部规划,实现智能导航,并通过应用层的移动通信模块将导航结果回传远程监控平台。实验结果显示:该系统可有效完成除锈清洗环境栅格地图构建,并以高覆盖率完成全覆盖路径规划。

四履带式全位置爬壁机器人运动特性分析

针对船体壁面爬行机器人在复杂环境中的操作需求,设计并验证一种四履带式全位置爬壁机器人,旨在提高其自适应能力和操作效率。通过建立三维模型并使用ADAMS软件进行仿真,对机器人在曲面变化、壁面折角以及障碍翻越这3种主要工况下的动力学行为进行了深入的仿真分析。结果显示:在曲面变化和壁面折角工况下,机器人通过调整履带倾角和速度,成功实现了稳定过渡;在障碍翻越工况下,尽管后履带出现翘起现象,但通过对履带速度的精确反馈控制,有效解决了可能的内部挤压和滑动问题。此外,样机测试结果进一步验证了机器人的性能,其最大运动速度大于5 m/min,负载极限为20 N,越障高度达到14 mm,均达到或超出设计预期。仿真与样机测试均展现了机器人在关键工况下的出色适应性,成功地实现了稳定过渡和障碍翻越。

风电塔筒自动化喷涂爬壁机器人设计

风能是目前最有发展前景的清洁能源之一,然而在极端条件下风电塔筒容易发生腐蚀、生锈,目前主要依靠人工进行周期性的高空悬挂喷涂维护。因此,设计一种具有强吸附力、大曲率、运动灵活的永磁式自动化喷涂爬壁机器人替代人工作业,通过研究塔筒上的工况条件,分别对吸附、行走、驱动、喷涂等机构进行分析,提出了永磁吸附、轮式行走、直流伺服驱动、高压无气喷涂的爬壁机器人方案。针对初步设计的爬壁机器人模型,进行了力学计算,分析了倾覆临界状态,优化了爬壁机器人结构。通过单因素法研究喷涂速度对漆膜厚度的影响,调整了喷涂参数,选择了合适的喷涂速度。结果表明:初步设计的爬壁机器人喷涂产生的漆膜厚度均匀,且厚度满足风电塔筒喷涂要求。

一种爬壁机器人的移动方案设计

本文研究了一种可以在风机塔筒外部爬行的自走式清刷机器人。首先,根据爬壁机器人的功能需求确定了项目的性能指标。然后,借助MATLAB计算推导出铰链夹角、底盘高度与塔身直径之间的关系,确定了悬架设计方案。最后通过ANSYS软件对永磁吸附装置进行有限元分析,确定了适宜本设计的永磁体材料、尺寸、轭铁厚度等参数。

钢制表面除锈爬壁机器人系统设计

针对大型钢制表面除锈爬壁机器人作业的特性,进行了作业系统原理及总体初步方案的建立。结合钢制表面除锈作业的特点,按照该类爬壁机器人的本体小型化、搭载工作设备的负载能力强、驱动爬壁能力强的原则,分别对永磁吸附机构、履带链轮行走机构、电动机驱动机构及其减速机等进行选型分析,并研讨了电动机系统的控制策略。最后,根据分析过程,建立了钢制表面除锈爬壁机器人初步方案设计的流程图及其样机三维模型,验证了方案设计的可行性。

足式混联爬壁机器人结构设计与分析

针对人工桥梁壁面检测存在的安全风险高、作业周期长、窗口期短等问题,设计了一款桥墩外墙壁面负压吸附足式爬壁机器人,该机器人可在壁面上完成前进、后退、转向等动作。对该机器人主要执行机构进行计算及仿真校核,并通过原型机验证方案可行。

基于径向基神经网络的爬壁机器人姿态调节控制方法

爬壁机器人姿态调节受其运动状态的影响,控制中心难以实时纠正爬壁机器人方向与角度,存在机器人运动失衡的问题,为此设计基于径向基神经网络的爬壁机器人姿态调节控制方法。建立机器人运动方程与静力学方程,判断机器人运动失衡状态,采用径向基神经网络对爬壁机器人姿态进行纠偏控制,并通过控制中心传输指令,实现基于径向基神经网络的爬壁机器人姿态调节控制。实验结果表明,应用所提方法后爬壁机器人偏航角、俯仰角误差与滚转角的误差平均值分别为0.20×10^(3)、0.15×10^(3)、0.45×10^(3) rad,在无干扰和有干扰的情况下,所提方法控制后到达的位置与目标位置的最大误差分别为2及10 m,体现了爬壁机器人姿态调节控制的优异性能。

基于混合控制算法的爬壁机器人跟踪控制

为解决爬壁机器人轨迹跟踪过程中速度突变与输入抖振的问题,提出一种基于神经动力学模型的反演运动学控制器与组合趋近律神经滑模动力学控制的混合鲁棒控制算法。利用神经动力学模型获取有界、平滑的虚拟位姿误差信号,解决了传统反演控制法引起的速度跳变问题;引入自适应径向基神经网络(RBFNN)调节基于组合趋近律的滑模增益,消除了抖振现象。设计过程采用Lyapunov函数,保证了控制系统的稳定与收敛。通过仿真数据与实验结果证明了所提算法的有效性。

四轮爬壁机器人滑移转向运动分析

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。

基于数据融合的爬壁机器人控制系统设计

爬壁机器人在大型金属立面维护作业时,难以辨别障碍高度并按期望响应。针对该问题,在结构上,设计一种三段式爬壁机器人,保障机器人自适应曲面越障,其次利用GP2Y0A21YK0F红外传感器、TFminiPlus激光雷达传感器、Risym US—100超声波测距模块的有效数据,输入至基于支持向量机(SVM)的多传感器数据融合模型计算出准确的障碍位置,规划爬壁机器人行进速度,提高系统工作效率。实验表明:本文设计的爬壁机器人控制系统能够解决上述问题,具有一定的可行性和实用性。

爬壁机器人脚爪的设计与分析

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。