蔣怡蔚，侯宇，李浩男，孫偉

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)精密制造研究院，湖北武漢 430081)

0 前言

工業(yè)管道作為城市中重要的運(yùn)輸工具，需長(zhǎng)期輸送高溫、高壓、有毒和有輻射的流體介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。且工業(yè)管道所處環(huán)境復(fù)雜，人工檢測(cè)難度大，因此研究代替人工作業(yè)的管道機(jī)器人具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景[1-2]。

在大量應(yīng)用鋼制管道的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，采用磁吸附方式的管道機(jī)器人具有更好的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，目前也最具有應(yīng)用前景。實(shí)際應(yīng)用中需要機(jī)器人具備以下功能：沿著管道進(jìn)行軸向和周向運(yùn)動(dòng)，能通過焊縫、法蘭等障礙，具有良好的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。而這對(duì)管道機(jī)器人的磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、考慮磁吸附力的動(dòng)力學(xué)特性等提出了很高的要求。關(guān)于磁吸附管外機(jī)器人的研究主要分為2個(gè)方面：磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。趙軍友等[3]設(shè)計(jì)了一種由新型電磁吸附單元連接而成的吸附履帶結(jié)構(gòu)，其負(fù)載能力強(qiáng)，但運(yùn)動(dòng)靈活性一般，不適合全方位檢測(cè)工作。邱仕誠(chéng)等[4]設(shè)計(jì)了一種基于磁力吸附的儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人，采用永磁輪結(jié)構(gòu)和輔助吸附裝置，在兩者共同作用下提高了機(jī)器人穩(wěn)定性和負(fù)載能力。駱楊等人[5]設(shè)計(jì)了一種爬壁機(jī)器人，其永磁吸附組件固定在履帶鏈節(jié)上，在行走的過程中，保證單邊至少有10個(gè)永磁吸附組件與作業(yè)面接觸以提供足夠的吸附力。永磁吸附和電磁吸附作為磁吸附的2個(gè)分支，永磁吸附具有磁力持久、不受電源影響、便于維護(hù)等特點(diǎn)[6-7]，在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于永磁吸附式管外機(jī)器人的研究有很多，如：TAVAKOLI等[8]提出的Omniclimber敏捷型機(jī)器人，采用三角放置的磁吸附萬(wàn)向輪，可以實(shí)現(xiàn)任意曲面方向的運(yùn)動(dòng)攀爬；HU等[9]設(shè)計(jì)了一種磁性爬壁機(jī)器人，采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)骨架，可被動(dòng)適應(yīng)曲面；山東科技大學(xué)陳廣慶等[10]設(shè)計(jì)了一種履帶式鋼質(zhì)壁面攀爬機(jī)器人，該機(jī)器人可沿中心軸旋轉(zhuǎn)一定角度，可適應(yīng)外壁面的弧度。上述機(jī)器人都能適應(yīng)管徑變化，但越障性一般。王洋等人[11]研制了一種基于分體柔性履帶移動(dòng)與間隙式永磁吸附的自適應(yīng)爬壁機(jī)器人，利用具有翻轉(zhuǎn)與俯仰2個(gè)自由度的連接模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)變化以適應(yīng)曲面，也可借助間隙式吸附結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫等低障礙的跨越。但是對(duì)于管道上的法蘭盤等較高障礙，以上機(jī)器人依然難以實(shí)現(xiàn)有效越障。

對(duì)于永磁吸附履帶式管外爬行機(jī)器人，其主要的問題是：如何提高機(jī)器人對(duì)于管道的適應(yīng)性以及兼顧機(jī)器人的可靠吸附與靈活運(yùn)動(dòng)[12-13]。針對(duì)以上問題，本文作者設(shè)計(jì)一種永磁吸附履帶式管外爬行機(jī)器人。首先，建立機(jī)器人在軸向和周向運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型并分析其安全吸附力；其次，通過Ansoft Maxwell軟件對(duì)磁性履帶組進(jìn)行仿真分析；最后，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人的越障過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并分析仿真結(jié)果，為研究機(jī)器人的越障能力提供依據(jù)。

1 管道機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

永磁吸附履帶式管外爬行機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由前后2個(gè)相同的移動(dòng)模塊通過鉸鏈連接而成。移動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由車體、履帶電機(jī)、輔助吸附調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、磁性履帶組和旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成。磁性履帶組與車體通過鉸鏈連接，通過改變磁性履帶組與車體之間的角度，可適應(yīng)一定范圍內(nèi)管道曲率的變化。輔助吸附調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上固定連接著若干個(gè)永磁鐵，通過控制電動(dòng)推桿的伸縮可調(diào)節(jié)永磁鐵與管壁之間的磁隙距離，達(dá)到調(diào)節(jié)磁力的目的。

圖1 永磁吸附履帶式管外爬行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Permanent magnet adsorption crawler-type out- of-pipe crawling robot overall structure

圖2 移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Mobile module structure

圖3 機(jī)器人適應(yīng)管道結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of robot adapting to pipe structure

如圖3所示，其中△CB′B為等腰三角形，連接點(diǎn)C與B′B的中點(diǎn)F，可得：

(1)

(2)

(3)

式中：LB′C為B′C的距離；HB′C為B′C的垂直距離；φ1為B′C與水平線之間的夾角；θ/2為磁性履帶組由位置1到位置2旋轉(zhuǎn)角度；φ2為∠CB′B。

LBN=cos(φ2-φ1)LBB′

(4)

(5)

式中：LAB為切點(diǎn)AB之間的距離；R為管道半徑；W為位置1時(shí)兩側(cè)磁性履帶組的底部中心距離，即機(jī)器人的寬度。

已知LB′C、HB′C、R以及W的條件下，聯(lián)立式(1)—(5)可求得磁性履帶組的旋轉(zhuǎn)角度θ/2與管道半徑R之間的關(guān)系：

2Rsinθ/2=W-4cos[π/2-θ/4-

arcsin(HB′C/LB′C)]sin(θ/4)LB′C

(6)

同時(shí)可求得磁性履帶組由位置1到位置2時(shí)，機(jī)器人在垂直方向的移動(dòng)距離，即為L(zhǎng)B′N。

(7)

H1=H+LB′N

(8)

式中：H為位置1時(shí)質(zhì)心點(diǎn)P到履帶底部的垂直距離；H1為位置2時(shí)質(zhì)心點(diǎn)P到履帶底部的垂直距離。

2 管道機(jī)器人力學(xué)建模分析

2.1 靜力學(xué)建模

機(jī)器人在管道上運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的情況分別為沿管壁向下滑移和沿下接觸點(diǎn)發(fā)生傾覆。下面以單節(jié)移動(dòng)模塊為研究對(duì)象，分別在沿管道軸向和周向運(yùn)動(dòng)的2種情況下建立管外爬行機(jī)器人下滑和傾覆的力學(xué)模型并進(jìn)行分析，為后續(xù)機(jī)器人吸附力的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1.1 機(jī)器人沿管道軸向運(yùn)動(dòng)

對(duì)機(jī)器人沿管道軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，如圖4所示，定義Oxy為坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)O與質(zhì)心P重合。

圖4 機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.4 Force analysis of robot axial motion：(a)force diagram；(b)vector diagram

(1)軸向滑移分析

機(jī)器人沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，以不發(fā)生滑移的極限情況進(jìn)行分析可得下式：

(9)

式中：FmL、FmR分別為機(jī)器人兩側(cè)磁性履帶組所提供的吸附力，且Fm=FmL=FmR；fL、fR分別為機(jī)器人兩側(cè)磁性履帶組與管壁之間的摩擦力，且fL=μN(yùn)L，fR=μN(yùn)R；μ為磁性履帶組與管壁的靜摩擦因數(shù)；NL、NR分別為機(jī)器人兩側(cè)磁性履帶組的支持力；G為單節(jié)移動(dòng)模塊的重力；α為機(jī)器人的質(zhì)心P和管道圓心的連線與垂直線之間的角度，當(dāng)機(jī)器人在管道頂部時(shí)，α=0。

由式(9)得：

NR-NL=X1=

(10)

NL+NR=X2=

(11)

(12)

(2)軸向傾覆分析

若機(jī)器人繞點(diǎn)B傾覆，處于即將發(fā)生傾覆的臨界狀態(tài)時(shí)，NL=0。此時(shí)移動(dòng)模塊應(yīng)滿足以下條件：

(13)

由式(13)得：

(14)

2.1.2 機(jī)器人沿管道周向運(yùn)動(dòng)

(1)周向滑移分析

對(duì)機(jī)器人沿管道周向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，如圖5所示。

以單側(cè)磁性履帶組不發(fā)生滑移的極限情況進(jìn)行分析可得下式：

(15)

式中：i為單側(cè)磁性履帶組接地段永磁吸附單元的數(shù)量；Ni為單側(cè)磁性履帶組上單個(gè)永磁吸附單元的支持力；Fmi為單側(cè)磁性履帶組上單個(gè)永磁吸附單元所提供的吸附力，F(xiàn)m=FmL=FmR=∑Fmi；βi為單個(gè)永磁吸附單元與管道切線的夾角；fi為單側(cè)磁性履帶組上單個(gè)永磁吸附單元與管壁的靜摩擦力。

由圖5可知：

(16)

式中：d為磁性履帶組底部?jī)陕膸л喼g的距離；LDE為機(jī)器人與管道的切點(diǎn)DE之間的距離；r為磁性履帶組中履帶輪的半徑；β為機(jī)器人接地段所對(duì)應(yīng)的圓心角。由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，則β可忽略不計(jì)。由式(15)可得：

(17)

(2)周向傾覆分析

以機(jī)器人單側(cè)磁性履帶組為例進(jìn)行分析，若機(jī)器人繞點(diǎn)E傾覆，處于即將發(fā)生縱向傾覆的臨界狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)D處的支持力ND為零，即ND=0。其中β忽略不計(jì)，則單側(cè)磁性履帶組應(yīng)滿足以下條件：

(18)

式中：FmD為單側(cè)磁性履帶組中點(diǎn)D處永磁吸附單元的吸附力。由式(18)得：

(19)

機(jī)器人參數(shù)初步取G=30 N、R=1 m、W=345 mm、H=85 mm、d=128 mm、LB′C=155 mm、HB′C=136 mm、μ=0.8、i=7。由式(1)—(8)可得到θ、H1、LAB，通過MATLAB計(jì)算得出機(jī)器人在管道上穩(wěn)定工作時(shí)所需要的極限吸附力和位置角度α之間的關(guān)系，取α=[0°，180°]。當(dāng)吸附力小于零時(shí)，表明此時(shí)不需要吸附力作用便可保持機(jī)器人不下滑或不傾覆。

如圖6(a)所示，當(dāng)機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在位置角度α=126°處，機(jī)器人保持不滑移的極限吸附力最大，單側(cè)磁性履帶組所需提供極限吸附力為25.890 9 N；在位置角度α=146°處，機(jī)器人保持不傾覆的極限吸附力最大，單側(cè)磁性履帶組所需提供極限吸附力為18.4471 N。

圖6 吸附力與位置角度α關(guān)系Fig.6 Relationship between adsorption force and position angle α：(a)axial direction；(b)circumferential direction

如圖6(b)所示，當(dāng)機(jī)器人周向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在位置角度α=129°處，機(jī)器人保持不滑移的極限吸附力最大，單個(gè)永磁吸附單元所需提供極限吸附力為3.430 2 N，單側(cè)磁性履帶組所需提供極限吸附力為24.011 4 N；在位置角度為α=127°處，機(jī)器人保持不傾覆的極限吸附力最大，單個(gè)永磁吸附單元所需提供吸附力為12.468 8 N，單側(cè)磁性履帶組所需提供極限吸附力為87.281 6 N。

綜上所述，機(jī)器人在管道上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)需滿足的條件為：沿軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，單側(cè)磁性履帶組提供的最小吸附力應(yīng)大于25.890 9 N；沿周向運(yùn)動(dòng)時(shí)，單側(cè)磁性履帶組提供的最小吸附力應(yīng)大于87.281 6 N。

2.2 動(dòng)力學(xué)建模

為便于機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模，做出以下假設(shè)：(1)機(jī)器人的質(zhì)心和幾何中心在壁面上投影重合；(2)履帶在其運(yùn)動(dòng)方向上不打滑；(3)單條履帶的接地段壓力均勻分布。

2.2.1 機(jī)器人沿管道軸向運(yùn)動(dòng)

對(duì)機(jī)器人沿軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，如圖7所示。以機(jī)器人的質(zhì)心P為坐標(biāo)原點(diǎn)OP建立坐標(biāo)系OPxPyP，設(shè)定xP為垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向，yP為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向。

圖7 機(jī)器人軸向運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.7 Force analysis of robot axial motion

建立其動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程：

(20)

由式(9)可得：

(21)

(22)

聯(lián)立方程組可得：

(23)

(24)

圖8 軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)牽引力與位置角度的關(guān)系Fig.8 Relationship between traction force and position angle during axial motion

2.2.2 機(jī)器人沿管道周向運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)機(jī)器人沿周向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人周向運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.9 Force analysis of robot circumferential motion

由于機(jī)器人為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此機(jī)器人兩側(cè)磁性履帶的支持力和摩擦力相同。其動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為

(25)

式中：

(26)

如圖10所示，對(duì)機(jī)器人垂直于管道壁面的方向建立力平衡方程：

圖10 機(jī)器人周向運(yùn)動(dòng)時(shí)垂直管壁受力分析Fig.10 Analysis of vertical pipe wall forces during robot circumferential motion

(27)

式中：Gy為機(jī)器人在y方向上的重力分力；Fn為離心力。

由式(27)得：

Fm+Gcosα-mv2/R)×1/2

(28)

式中：v為機(jī)器人的移動(dòng)速度。

由式(25)—(28)可得：

(29)

圖11 周向運(yùn)動(dòng)時(shí)牽引力與位置角度的關(guān)系Fig.11 Relationship between traction force and position angle during circumferential motion

3 磁吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 永磁鐵布局設(shè)計(jì)分析

永磁鐵固定在每個(gè)橡膠履塊上，橡膠履塊相互連接構(gòu)成了磁性履帶組。這種結(jié)構(gòu)既保證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的傳遞，也保障了機(jī)器人在爬行過程中所需的吸附力，提高了機(jī)器人在管道外壁運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

為使永磁鐵得到更充分的利用，在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2種永磁鐵的布局方式。方案中永磁鐵均采用厚度方向充磁，方案一(圖12(a))為永磁鐵采用同一充磁方向，方案二(圖12(b))為相鄰永磁鐵的充磁方向相反。

取永磁鐵的尺寸為30 mm×10 mm×3 mm，磁隙距離設(shè)定為1 mm。利用Ansoft Maxwell軟件對(duì)磁性履帶組進(jìn)行仿真，其步驟為：依據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸建立二維模型；定義材料屬性(永磁材料選取FdFeB-N35，并設(shè)置各永磁鐵充磁方向；管道選取鋼鐵Steel-1008；磁隙介質(zhì)為空氣，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1.0)；對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加邊界條件；設(shè)置合適的求解參數(shù)進(jìn)行求解；進(jìn)行后處理得到相應(yīng)的磁力線分布，如圖13所示。

圖13 磁力線分布Fig.13 Distributions of magnetic field lines：(a)scheme 1； (b)scheme 2

對(duì)比可知：

(1)磁化方向垂直于壁面的磁體產(chǎn)生的磁感線，通過空氣磁隙進(jìn)入壁面再回到磁體，產(chǎn)生吸附力[14]。方案一的磁力線主要集中在履帶兩側(cè)，通過壁面的磁力線較少；方案二的磁力線主要集中在上下兩側(cè)，對(duì)管道的吸附力更強(qiáng)。

(2)對(duì)比磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，方案二在鋼質(zhì)壁面上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度比方案一分布得更均勻、密度更大，這保證了吸附力均勻分布。

(3)2種方案在空氣中都存在漏磁，可在永磁鐵上部添加軛鐵，利用軛鐵的聚磁效應(yīng)，減少永磁吸附單元上部分漏磁和磁能量的損耗[15-16]。文中由于結(jié)構(gòu)局限，故不考慮添加軛鐵。

3.2 仿真分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

運(yùn)用Ansoft Maxwell軟件將磁性履帶組模型從SolidWorks軟件中轉(zhuǎn)換格式并導(dǎo)入分析。其中周向運(yùn)動(dòng)時(shí)，因履帶為柔性，在建模中需使磁性履帶貼合在管道上。

通過仿真分析得到2種方案下的軸向和周向運(yùn)動(dòng)時(shí)的吸附力，如表1所示。

由表1可得：上述2種方案都能夠滿足機(jī)器人在管道上穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的吸附力條件，方案二的吸附力要大于方案一?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，選擇方案二作為文中機(jī)器人磁性履帶組的布局方案。

因機(jī)器人需要適應(yīng)管道外壁的各種障礙，在此過程中磁性履帶組所產(chǎn)生的吸附力會(huì)發(fā)生變化。為進(jìn)一步研究吸附力的變化，在軸向運(yùn)動(dòng)模型下對(duì)磁隙參數(shù)進(jìn)行掃描，設(shè)定磁隙范圍為1～10 mm。磁隙與吸附力之間的關(guān)系如圖14所示。

圖14 磁隙與吸附力的關(guān)系Fig.14 Relationship between magnetic gap and adsorption force

由圖14可知：隨著磁隙逐漸增大，吸附力減小，趨近于0。則當(dāng)機(jī)器人在越障過程中，機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)吸附力驟減的現(xiàn)象，因此需要借助輔助吸附調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使機(jī)器人保持穩(wěn)定運(yùn)行。

4 越障過程運(yùn)動(dòng)仿真

在ADAMS軟件中建立機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，其步驟為：將SolidWorks中建立的模型導(dǎo)入，設(shè)置單位、工作網(wǎng)格和重力等工作環(huán)境；設(shè)定各組件的名稱、顏色、材料屬性等信息，并定義各組件間的約束以及添加吸附力。虛擬樣機(jī)模型如圖15所示。

圖15 虛擬樣機(jī)模型Fig.15 Virtual prototype model

磁性履帶組采用三角履帶的結(jié)構(gòu)，便于機(jī)器人適應(yīng)管道上不同高度的障礙。下面對(duì)低障礙(焊縫等)和高障礙(法蘭盤等)2種情況分別討論。遇到焊縫等低障礙時(shí)，可直接通過。在運(yùn)動(dòng)仿真中設(shè)定低障礙的高度為10 mm，單側(cè)磁性履帶組所提供的吸附力為30 N。越障過程如圖16所示。

圖16 機(jī)器人跨越低障礙過程Fig.16 Robot crossing low obstacle process：(a)prepare to overpass obstacle；(b)mobile module 1 overpass obstacle；(c)mobile module 2 overpass obstacle； (d)complete obstacle crossing

機(jī)器人在通過低障礙過程中的2個(gè)移動(dòng)模塊質(zhì)心的變化趨勢(shì)，如圖17所示?？芍?個(gè)移動(dòng)模塊的質(zhì)心變化趨勢(shì)相似，且與障礙物的形狀相近。履帶的柔性特質(zhì)使機(jī)器人在越障過程中其質(zhì)心位移比障礙物低，且造成了質(zhì)心位移的波動(dòng)。這驗(yàn)證了機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性以及越障性。

遇到法蘭盤等高障礙時(shí)，磁性履帶組可相對(duì)于車體整體旋轉(zhuǎn)，提高了機(jī)器人整體的越障性。設(shè)定高障礙的高度為50 mm，吸附力不變，其越障過程如圖18所示。

圖18 機(jī)器人跨越高障礙過程Fig.18 Robot crossing high obstacle process：(a)prepare to overpass obstacle；(b)mobile module 1 starts to overpass obstacle；(c)mobile module 1 is overpassing obstacle；(d)mobile module 1 overpass obstacle； (e)mobile module 2 starts to overpass obstacle； (f)mobile module 2 is overpassing obstacle； (g)mobile module 2 overpass obstacle； (h)complete overpass obstacle

當(dāng)機(jī)器人即將遇到障礙時(shí)，移動(dòng)模塊1的磁性履帶組相對(duì)于車體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備越障；當(dāng)磁性履帶組接觸到障礙物時(shí)，磁性履帶組以兩者的接觸點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，直至移動(dòng)模塊1越過障礙；同時(shí)移動(dòng)模塊2的磁性履帶組相對(duì)于車體旋轉(zhuǎn)，重復(fù)移動(dòng)模塊1的運(yùn)動(dòng)過程，直至移動(dòng)模塊2跨越障礙；機(jī)器人完成了整個(gè)越障動(dòng)作。

機(jī)器人通過高障礙過程中的2個(gè)移動(dòng)模塊質(zhì)心的變化趨勢(shì)如圖19所示。其質(zhì)心變化趨勢(shì)與障礙物的高度基本一致，從而驗(yàn)證了機(jī)器人具有良好的越障性能。

圖19 機(jī)器人越高障礙時(shí)移動(dòng)模塊質(zhì)心變化Fig.19 The centroid changes of the moving module when the robot crosses high obstacle

5 總結(jié)

(1)設(shè)計(jì)了一種永磁吸附履帶式管外爬行機(jī)器人，其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和負(fù)載能力；推導(dǎo)出管道直徑與機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，為機(jī)器人的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

(2)建立機(jī)器人在管道上軸向和周向運(yùn)動(dòng)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，得到了該機(jī)器人穩(wěn)定工作時(shí)的吸附力條件，以及該條件下軸向和周向運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力和位置角度的變化關(guān)系。

(3)通過Ansoft Maxwell建立磁性履帶組的模型，對(duì)比分析了2種不同永磁鐵布局方式，選定了合適的布局方案；計(jì)算軸向和周向運(yùn)動(dòng)時(shí)吸附力的大小，其結(jié)果滿足機(jī)器人的吸附力條件，驗(yàn)證了磁性履帶組結(jié)構(gòu)的可行性。

(4)通過ADAMS進(jìn)行越障的動(dòng)力學(xué)仿真，分析了機(jī)器人在10 mm和50 mm 2種障礙物高度下越障過程中的質(zhì)心變化，驗(yàn)證了機(jī)器人具有良好的越障性能。