履带式爬壁机器人设计探讨

王天哲

【摘 要】履带式爬壁机器人应用比较广泛，虽然速度慢于轮式机器人，但是可以克服更大的障碍物，具有稳定性好、时应强优点。为进一步提高其应用效率，还需要就其运行原理，做好受力分析，通过优化设计提高其运行稳定性。本文分析了机器人壁面运动受力，研究了履带式爬壁机器人设计要点。

【关键词】履带式爬壁机器人 优化 设计

爬壁机器人为特殊机器人，具有可靠性高、负载能力强、结构简单以及避免适应强等优点。为进一步提高其应用效果，需要对其运行原理进行分析，以优化功能和满足实用要求为目的，对其运行受力状态进行研究，确定其结构设计形式，确保可以满足实际应用需求。

1 机器人壁面运动受力分析

1.1 匀速运动受力

如果机器人向上爬行运动，单边履带上电机驱动转矩需要克服1/2重力转矩与Mf，且Mf计算公式为：

MQ-Mf-MG=0

MG=1/2GTH

其中，MQ表示单侧电机减速后输出驱动转矩；Mf表示机器人履带上最下面一块电磁铁受力所产生的阻力矩；MG表示1/2重力产生的转矩；F1表示履带最下面一块磁铁对壁面的压力，且F1=Fn-N1。则：Mf=F1h=（Fn-N1）h，由此可得单侧电机所需驱动转矩：MQ≥（Fn-N1）h+（HGcosα）/2

1.2 转弯运动受力

如果机器人沿壁面转弯运动，对其运动模型进行分析，需要通过两台履带差速来玩完成转弯动作，而在实际设计中，基本上都选择通过正、反转两条履带方式来完成转弯。假设机器人重力分布在两侧履带上，这样在对转弯运动模型进行分析时，就需要同时考虑摩擦阻力矩MZ、Mf与GT对电机所需驱动力矩的影响[1]。机器人做壁面右转弯动作时，左侧履带所需力矩大于右侧履带力矩，则机器人转弯动作时履带所需力矩方程：

Mq-MZ-Mf-1/4GTL=0

其中，Mq表示履带驱动力矩；MZ表示履带上每块磁铁与壁面摩擦力合力产生的摩擦阻力矩；（1/4）GTL表示机器人左侧质量产生的力矩。其中：

Mq=1/2FPL+1/2FPL=FPL

FP=MQ/R

则可得：Mq=MQL/R

履带式机器人做壁面转弯动作时，接触压力分布并不均匀，摩擦阻力反抗履带转弯阻力越小，压力均匀分布时所受转弯阻力矩越大，分析时按照均匀分布计算，则：

MA=u（nFn-GN）L/4

则，履带式机器人转弯时电机所需驱动转矩：

MQ≥R/L[（Fn-N1）h+uL（nFn-GN）/4+1/4GTL]

2 履带式爬壁机器人设计要点

2.1 结构设计

履带式机器人移动设计方式，在实际应用中吸附性更好，且具有耐腐蚀效果，即便作业时控制器故障，也不会脱离壁面。结构形式的选择需要根据实际需求来确定，例如针对大型油罐检测作业用履带式爬壁机器人，油罐受腐蚀影响，壁面存在不同程度的变形、生锈等情况。在对机器人结构进行设计时，除了要提高其对作业避免的适应能力，还要保证其能够垂直直线行走，重点控制偏斜度，将定位精度控制在规定范围内[2]。同时，在对控制系统进行设计时，要引入修正环节，对因为避免变形造成的机器人爬行轨迹偏差进行修正。

2.2 壁面静力分析

同样以大型油罐容器检测履带式爬壁机器人为例，对永磁吸附履带式爬壁机器人受力状态进行分析。爬壁机器人履带主要以铰链进行联接，垂直于牵引力方向时并不存在刚性，因此不能将垂直于履带平面的荷载分布到每个永磁体上，降低了机器人作业稳定性。假设机器人具有分布荷载，并将荷载分散机构看作为一个弹簧，将机器人在GN方向上所受到的力，分散到吸附在避免其他磁铁上，且单条履带上荷载分散机构所产生的总拉力为弹簧弹力T。为更方便分析荷载分散系数uL对爬壁机器人稳定性的影响，本文确定uL=2T/G。机器人运动过程中弹簧变形量不发生变化，则可以认为由荷载分散机构产生的拉力始终为T。为保证机器人在壁面作业时不会掉下，要求作用的外力应满足静力学平衡方程组：

2（N1+N2+2T）-GN=0

2Ff-GT=0

2T（a-a）+2N2b-2N1b-2FfH=0

其中，Ff表示单条履带所受摩擦力，Ff=1/2GT，且便于计算分析，设定Ff为最大静摩擦力，满足Ff≥GT，则机器人不会在避免作业时下滑，根据此要求计算磁铁所需吸附力。并引入荷载分布系数uL，替换T，分析uL对N1、N2影响。则可获得方程组：

N2b-N1b-GTH=0

2（N1+N2+T）=GN

由上述公式可得：

N1=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b

N2=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b

其中，N1N2表示机器人在垂直于履带方向上吸附在墙壁上的最下面与最上面电磁铁拉力；Ff表示两条履带与壁面间最大静摩擦力；G表示整个机器人重力，GT=Gcosα，GN=Gsinα；b表示支撑力N1N2相对于机器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相对于机器人重心力臂。要求机器人在避免作业时不下滑，则Ff≥GT，Ff=（nFn-GN）u。Fn表示单个磁铁吸附力；n表示永磁铁个数；u表示摩擦系数。

将公式Ff=（nFn-GN）u代入Ff≥GT中，便可得到单个电磁铁吸附力：

Fn≥1/n（1/uGT+GN）

机器人壁面上爬运动作业时，不会出现翻转，则要求最上面一块地铁不会被掀起，则：Fn≥N2，即：

Fn≥1/4GN-1/4uLG+GTH/2b

3 结语

爬壁机器人在很多特殊作业中具有重要应用效果，其可以搭载多种工具在垂直墙壁上移动，现在已经被广泛的应用到建筑、能源、石化等行业中。对其进行设计研究，需要遵循其运行原理，做好受力分析，根据实际需求确定结构形式，保证能够满足各种状态作业要求。

参考文献：

[1]蔡丽君.履带式爬壁机器人设计与研究[D].上海工程技术大学，2011.

[2]熊雕，刘玉良.履带式爬壁机器人受力分析与稳定性仿真研究[J].机电工程，2015（07）：929-932+937.