磁隙式爬壁机器人的研制_薛胜雄

摘要：大面积钢质表面预处理(如船舶表面除锈、大型储罐表面除漆等)专用的重载爬壁机器人设计，其技术关键是机器人的 吸附效应，即吸附可靠、行走灵活。传统的爬壁机器人有两种吸附方式：真空吸盘式(其不适应重载)和磁吸式(其爬壁运行不 灵活)。磁隙式爬壁机器人将真空吸盘式与磁吸式相结合，互补增强机器人的吸附效应，其磁隙结构即将磁履接触壁面吸附改 为磁块单独安装不与壁面直接接触，通过调节其间隙改变磁隙效应。该机器人质量 75 kg，且要重载几十米长的超高压软管 和真空管，作业时管内充满水，专用于船舶表面自动化除锈等作业，实现了钢质表面用水作业，即除即干不返锈的目标。介 绍爬壁机器人的设计原理、受力分析、磁隙效应和工业试验。应用表明磁隙式爬壁机器人满足了重载作业、灵活行进、吸附 可靠的诸项要求。
关键词：磁隙式 爬壁机器人 磁隙效应 磁隙吸附 磁隙形成与调节
中图分类号：TH111
Design on Magnetic Gap Adhesion Typed Crawler
XUE Shengxiong REN Qile CHEN Zhengwen WANG Yongqiang
(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031)
图 4 磁隙式爬壁机器人除锈作业
3 爬壁机器人的力学分析
爬壁机器人的设计条件如下：机器人设计计算 重力 Gn=1 000 N；超高压水射流压力为 p0=250 MPa， 流量 Q=50 L/min；真空腔直径 d=400 mm，真空度 p' =–0.02 MPa。图 5 为爬壁机器人的静力学和动力 学受力分析，其中 FM 为永磁铁吸附力，Ft 为水射 流反冲力，Fz 为真空吸附力，N 为墙面对机器人的 支持力，Ff 为墙面对机器人的静摩擦力，F 为行走 气动马达的输出牵引力，Fp 为墙面对机器人的动摩 擦力，μ 为摩擦因数(橡胶对钢板的摩擦因数为 0.5)。 3.1 单个吸附单元受力
1. 履带张紧装置 2. 磁隙调节装置 3. 永磁吸附单元 4. 行走机构骨架 5. 履带 6. 驱动行走的气动马达
月 2011 年 11 月
薛胜雄等：磁隙式爬壁机参数：除锈宽幅 350 mm，最大行走速度 4 m/min，水射流喷头转速 400～ 500 r/min，机器人质量 75 kg。
1 爬壁机器人的发展
∗ 中国机械工业集团发展基金资助项目(SINOMACH09 科 244 号)。20101124 收到初稿，20110829 收到修改稿
图 1 所示为爬壁机器人除锈成套设备构成。这
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机械工程学报
第 47 卷第 21 期期
套设备的技术参数：压力 250 MPa，流量 50 L/min， 机组功率 250 kW，除锈效率 60 m2/h，机器人质量 75 kg。由于自重力和加载超高压旋转水射流作业， 这种机器人又称为重载机器人。作为爬壁机器人应 具备 3 个基本功能：吸附壁面、灵活行进和承载作 业的执行机构。而对水射流除锈作业机器人，水射 流旋转喷头位居中央，且由真空腔封闭。真空腔的 主旨作用在于真空吸附，即保证爬壁机器人的贴壁 [3]；其另一作用在于作业中形成真空，确保废水和 锈屑及时抽吸至污水箱；由于常温常压水经过超高 压泵可形成 250 MPa 超高压水工况，水温将升至 90 ℃左右，在这样一个密闭的高温流场中，随着瞬间 污水的抽吸则形成用水除锈即除即干的效果。由于 不管爬壁机器人形式如何，水射流作业的真空腔是 个共性。因此，真空吸附就成为爬壁机器人吸附形 式的首选[4]。
− FZ
= 2 337 N
因此，若采用 8 套吸附单元，则要求单套磁吸 附单元的吸附力大于 300 N。 3.2 行走气动马达的选择
由动力学分析可以得知行走机构驱动电动机
的输出力要求，经分析得知，仅一个气动马达工作
使机器人上行转弯时，此时对气动马达输出力的要
求最大，此时机器人上行转弯的条件为
F − Gn − Fp = 0
由静力学分析可以得知单个吸附单元的受力 要求。机器人静止附壁时，机器人静止不落下的条 件为
图 5 爬壁机器人静力学和动力学受力分析
式中 式中
Ff ≥ Gn
Ff = μ N
N = FM + FZ − Ft
Ft = 0.745Q P
FZ
=
1 πd 2 p 4
(1) μ = 0.5
由此得出
FM
≥
Gn μ
+ Ft
真空吸附为辅的复合吸附方式附壁，采用履带行走 机构实现重载爬壁，很好地解决了爬壁机器人的可 靠吸附与转向灵活、行走平稳的矛盾。
磁隙式爬壁机器人由机器人机架、磁隙吸附行 走机构、真空负载腔、喷头旋转的驱动机构组成(图 2、3)。两套磁隙吸附行走机构对称安装于机器人机 架上，行走机构上共布置 8 组强磁永磁铁吸附单元， 磁隙调节装置调节吸附单元与壁面的磁隙，使吸附 单元均不与壁面接触；同时，每套行走机构由一个 气动马达驱动履带行走，从而带动爬壁机器人附壁 爬行。显然，两套行走机构的气动马达工况的差异 将决定爬壁机器人的行走状态。真空负载腔内装有 水射流旋转喷头，其壳体的唇边与壁面以一个柔软 的密封裙边接触壁面，在机器人机架上 4 个气缸轴 向施力的作用下保证真空腔均匀触壁，形成良好的 真空密封；同时，真空腔与机架之间又采用柔性连 接，使机器人行走和转向时，真空腔能相对于机架 转动。水射流喷头旋转的驱动机构是一组由气动马达 为动力的传动机构，安装于真空腔壳体表面。
与传统的爬壁机器人相比，磁隙式爬壁机器人 具有以下特点：① 磁隙吸附方式降低了成套设备对 真空系统的要求，提高了吸附的可靠性，使得机器 人的重载能得以实现，同时，可调节的磁隙增强了 机器人行走和转向的灵活性，提高了机器人的效率； ② 在机器人附壁爬行的过程中，真空腔与机器人本 体的柔性连接方式确保了真空腔能够始终与壁面接 触，真空腔良好的密封性能确保废水回收的效果； ③ 与轮式行走机构相比，履带式行走机构具有摩擦 因数高，接触面积大的特点，有利于爬壁机器人的 稳定行走；④ 磁隙式爬壁机器人的动力均采用气动 马达控制，与同效率的电动机控制相比，气动马达 具有自身质量小、连接管路简单轻便的特点，更适 合应用于爬壁除锈。图 4 为磁隙式爬壁机器人除锈 作业。
第 47 卷第 21 期 2011 年 11 月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.47 No.21 Nov. 2 0 1 1
DOI：10.3901/JME.2011.21.037
磁隙式爬壁机器人的研制*
薛胜雄 任启乐 陈正文 王永强
(合肥通用机械研究院 合肥 230031)
目前国内外水射流作业应用的爬壁机器人就 是以上两类。
2 磁隙式爬壁机器人设计
磁隙式爬壁机器人采用永磁铁磁隙吸附为主，
图 2 磁隙式爬壁机器人
1. 驱动喷头旋转的气动马达 2. 喷头旋转的驱动机构 3. 气缸 4. 机器人机架 5. 磁隙吸附行走机构 6. 真空负载腔 7. 真空抽吸口
图 3 磁隙吸附行走机构
0 前言*
巨大尺寸的钢结构(如船舶)表面预处理、大型 球罐的焊缝打磨等工程，其传统工艺都是人工砂轮 打磨和干气喷砂，污染严重、高空作业危险、尘肺 病危及健康、劳动强度很大。随着高压水射流技术 的发展，历经了磨料射流、超高压纯水射流和超高 压旋转射流技术[1-2]，除锈的湿式工艺作为清洁生产
新技术大有替代干式工艺之势。新技术应用的执行 机构——爬壁机器人成为了研究的新焦点。因为超 高压旋转水射流必须贴壁作业，才能以最佳靶距提 高除锈质量与效率，避免大量水雾产生，实现用水 除锈、即除即干，实现超高压的完全遥控自动化作 业，保障高空作业安全。因此，爬壁机器人是超高 压旋转水射流技术工程应用的关键。
(2)
式中 Fp = μ N
式中
N = FM + FZ − Ft
Ft = 0.745Q P
FZ
=
1 πd 2 p 4
μ = 0.5
由此得出
F ≥ μ ( FZ + FM − Ft ) + Gn = 2 000 N
Abstract：The core technology of heavy-duty attaching robot, applied in large scale steel surface preparation (ships surface rust removal, large storage tank surface paint removal), is the attaching effect which means attach reliably and move neatly. The traditional attaching robot has two kinds of attaching modes: vacuum sucker mode (invalid for heavy-duty) and magnet crawler mode (inflexible move). The magnetic gap adhesion typed crawler combines two kinds of attaching modes to enhance the attaching ability of robot. The magnet gap mode will separate the magnet from the crawler, and the magnet is installed separately which dose not contact the surface, and the attaching ability can be adjusted though changing the gap. The magnetic gap adhesion typed crawler’s own weight is about 75 kg, and carries dozens meters of ultra-high pressure hoses and vacuum pipes which will be filled with water during work. It is applied in ships surface rust automatic removal and achieves water jet rust removal of steel surface and no re-rust. The design principle, stress analysis, magnet gap effect and industry test are introduced. The application shows that the magnet gap mode attaching robot can achieve heavy-duty work, move neatly, reliable attaching and other requests. Key words：Magnetic gap adhesion typed Crawler Magnetic gap effect Magnetic gap adhesion Form and adjust gap
磁吸式机器人则是在真空吸附基础上将永磁 铁块镶嵌在爬壁机器人行走系统的履带上[5-6]，由履 带的传动使机器人在行进过程中保持吸附。磁吸式 爬壁机器人的优点是运行平稳、适应重载；缺点是 体大笨重，尤其是履带磁吸的接触面较宽，导致转 向缓慢、困难，行进摩擦力偏大，磁吸正压力也较 大，所要求的动力功率就大，而且磁块也容易因壁 面不平整而压碎。
图 1 爬壁机器人除锈成套设备构成
真空吸附的技术参数：真空压力 pz= –0.05 MPa， 功率 37～45 kW。真空式爬壁机器人的优点是充分 利用了必不可少的真空系统，机器人小巧紧凑；缺 点是对真空腔密封的要求较高，且吸附力有限，不 适用于重载机器人。因此，其负载的旋转喷头参数 (如直径、流量等)就较小，影响其作业效率。