风电塔筒检测爬壁机器人设计与安全性分析

杨占力, 万 媛, 王 洋, 国宝燕, 张 浩, 陈鹏旭

(1.河北工业大学机械工程学院，天津 300130；2.河北工业大学材料学院，天津 300130；3. 哈尔滨工业大学(深圳)电子与信息工程学院，深圳 518055)

近年来，中国风电产业发展呈现上升趋势，随着风机利用率的提高，为节约更多资源，定期对风机塔筒大型立面进行检测维护作业已成为保障其安全运营的重要举措。当前人工检修存在明显的缺点是：检测维修困难大、作业人员条件艰苦，工作强度较大、安全性差，施工周期长、成本高；大量财力的投入在风电的检修维护中降低风电场的生产效益[1-3]。随着检测爬壁机器人的研究与应用,机器人替代人工早已成为一种趋势[4- 8]。利用爬壁机器人进行作业任务时需要保证机器人的安全吸附条件。爬壁机器人进行检测作业的前提是可以稳定的吸附在壁面，由于作业面是曲面，而且有凹凸不平的焊缝，作业面较高，遇到焊缝或机器人在转弯时,起其履带上的永磁铁块与壁面的接触面积会变小，从而机器人对壁面的吸附力也会变小，从而机器人可能会面临从壁面脱离坠落的危险。因此对机器人的安全性要求较高，对机器人进行安全性分析十分重要。机器人吸附力过大容易使稳定性增强的同时使灵活性降低[9-10]。因此机器人的吸附力需要达到保证安全性条件下时最小吸附力。研究爬壁机器人的安全性即静态与动态时机器人在壁面吸附稳定性的研究。需要对机器人不同的位姿状态进行力学分析以保证最小吸附力。

风电塔筒壁面多为圆柱面和圆锥面，需要考虑机器人的曲面适应性。目前已有针对风电塔筒设计的爬壁机器人。刘欢等[11]对爬壁机器人的结构进行了设计，但模型中忽略了机器人对风电塔筒曲面适应能力。刘继刚等[12]研究的轮式超声波检测爬壁机器人的静稳定性分析，并仿真得到主导失稳的形式，但是没有分析动态稳定性机器人吸附力的影响。田兰图等[13]、衣正尧等[14]设计的油罐检测机器人在进行安全性分析对各种失稳形式进行了分析，但是只研究了各失稳形式与倾角、位姿角的关系，没有分析重心高度、负载等对吸附力的影响。

为此，基于塔筒壁面维护作业机器人研究基础与现场应用经验，结合机器人工程应用中的机器人曲面适应性，研发了一款履带爬壁机器人。并对塔筒表面的爬壁机器人进行了静态与动态的安全性分析，分别对其影响因素分别进行了仿真研究。并且对设计的机器人在实际工况下进行试验，从而验证了机器人参数设计的合理性以及机器人的安全稳定性。为下一步的机器人模块功能的实现提供了可靠的保证。

1 自适应爬壁机器人的结构介绍

机器人的本体结构、控制系统以及其他辅助部分构成了完整的机器人样机。机器人的本体结构是机器人功能得以实现的载体，是机器人安全性分析以及控制系统设计的根本出发点和主要依据。图1为机器人基本结构图。图1中机器人的结构主要有由五部分构成：吸附结构、行走结构、驱动模块、检测结构及主体框架。该爬壁机器人整体结构由左车体、右车体、中间平台组成。其中机器人左、右车体相同并相对于中间平台成对称分布。机器人采用前后驱动方式使其结构更紧凑。爬壁机器人的两侧的履带轮各自连一个型号相同的直流伺服电机，分别连在履带轮的前轮与后轮，通过两个控制器控制电机的转速，从而分别控制履带轮的转速，进而实现两个履带的差速，因此机器人可以实现不同半径的转弯运动。

1为拉伸弹簧；2为编码器；3为抱闸；4为直流伺服电机；5为减速器；6为联轴器；7为左车体；8为磁吸附结构；9为限位结构；10为检测结构；11为中间平台；12为电机壳；13为限位销；14为右车体；15为链条；16为履带压紧装置；17为链轮；18为张紧装置图1 爬壁机器人基本结构Fig.1 Wall climbing robot basic structure

该机器人能够有效地对圆柱面或圆锥面自适应，如图2所示。图2中，机器人结构由中间平台、左车体、右车体构成，左右车体相对中间平台分别有两个自由度，使爬壁机器人能够更好地适应变曲率壁面。永磁体通过螺栓固定在链条上从而构成履带行走机构。

θ为两侧车体适应曲面后与中间平台形成的夹角；R为曲面半径；1为车体；2为塔筒壁面图2 爬壁机器人曲面适应模型Fig.2 Surface adaptation model of wall climbing robot

爬壁机器人的车体通过双履带上面固定的永磁吸附结构稳定的附着在作业壁面。履带由链条和永磁吸附单元组成。吸附机构采用多块永磁体机构，多块永磁体机构能增强机器人履带与壁面的接触适应性。在总吸附力恒定的情况下，永磁体块的数量越多，机器人对壁面的柔性接触性能就越好。然而永磁体单元的数量受到链条长度和整机尺寸的限制。图3为爬壁机器人的吸附单元结构示意图，该结构由永磁体、轭铁、螺栓连接结构等构成，永磁体安装在轭铁槽中，轭铁外侧用氯丁胶封装。轭铁槽用螺栓将吸附单元和链条固定在一起。图4为吸附结构的三维图。

1为销轴；2为螺母；3为螺栓；4为氯丁胶；5为轭铁；6为固定板；7为链板图3 吸附单元结构示意图Fig.3 Schematic diagram of adsorption unit structure

图4 吸附结构三维图Fig.4 Adsorption structure three-dimensional figure

2 空间位姿与安全分析

基于风电塔筒壁面检测作业机器人，根据实际工况建立机器人的任意位姿空间模型。为了系统对履带爬壁机器人安全吸附稳定性问题的分析，需要对机器人的静止状态和运动状态下的安全性进行分析。最终得到机器人安全附着在壁面时的许用吸附力。

2.1 空间位姿建立

根据爬壁机器人应用需求，为了更准确地确定机器人安全性的条件，需要以任意姿态下的机器人模型为基础，对其进行安全性分析。图5为爬壁机器人的一般空间位姿模型，考虑到便于对机器人分析，则假设运动壁面为平直面。

O-XYZ为绝对坐标系；o-xyz为壁面坐标系；o′-x′y′z′为机器人本体坐标系;β为塔筒表面的倾角(y轴正方向相对于Y轴正方向的偏角)；θ为爬壁机器人的转向角；G为机器人本体和负载总重图5 爬壁机器人空间位姿模型Fig.5 Space pose model of wall climbing robot

对爬壁机器人进行受力分析时需考虑带有转向角度时的姿态，需要分析不同β和θ下机器人的安全性。

将G在坐标系o-xyz内可分解为

(1)

将G在坐标系o′-x′y′z′内可分解为

(2)

为了得到机器人保持安全性的条件，首先要清楚造成机器人不安全的可能原因。机器人的安全性是设计机器人最基本的前提条件。研究机器人的安全性问题即静稳态问题。需要研究机器人失稳的情况及其原因。

2.2 静态安全性分析

为了分析机器人安全性的条件，首先要明确造成其失稳的因素。对机器人进行安全性分析是设计机器人的最基本前提。研究安全性的问题即研究静稳态的问题。爬壁机器人在塔筒表面上作业主要存在四种失稳形式，分别对以下四种失稳形式以及产生的原因进行分析。

2.2.1 沿壁面下滑分析

爬壁机器人负载总重Gx′和Gy′向平行于作业面的机器人对称中心产生的合力Gy使机器人产生了滑移的趋势。机器人产生的滑移沿y方向。在作业过程中机器人是不允许发生滑移的。为了防止机器人沿壁面发生滑移，因此与壁面接触的履带沿y轴正方向的静摩擦力应该尽可能的大。摩擦力大小是由接触壁面的履带的支持力的大小决定的，故需要一定的吸附作用力才能产生阻止机器人滑移的摩擦力。

图6为机器人下滑受力分析。图6中，c为机器人质心；Ff为单条履带受到的静摩擦力；fm为机器人吸附单元的吸附力；n为单侧履带上与壁面接触的磁吸附单元的数量；fn为单块磁铁受到的法向支持力；ff为单个磁吸附单元受到的静摩擦力；fmi为单侧履带的第i个永磁吸附单元对塔筒壁面的磁吸附力，其中i=(1，2，…，n)；fni为塔筒表面对单侧履带的第i个永磁吸附单元的支持力。

图6 机器人下滑受力分析Fig.6 Analysis of robot sliding force

为了使机器人防止滑移，静摩擦力应该大于机器人沿壁面的Gy′。对单侧履带进行分析可得机器人需要满足的条件是：

(3)

式(3)中：μ为静摩擦因素；FN为单条履带受到支持力；GZ′为机器人自重沿壁面法线方向的分力。

由式(3)可以得到：

(4)

即

(5)

2.2.2 纵向翻转分析

机器人的翻转包括沿机器人位姿θ=0时沿下边缘的纵向翻转以及θ=π/2时沿车体左右边缘的横向翻转。纵向翻转是由于Gy′向平行于作业面的对称中心所在的平面产生力矩My′而引起的。爬壁机器人纵向翻转受力分析如图7所示。

H为机器人的重心与履带接触壁面的垂直距离；L为机器人履带第一个磁铁块的中心到接触壁面的最后一块磁铁块的中心间距；L1为A点到机器人重心的法向距离,其中L=2L1图7 爬壁机器人纵向翻转受力分析Fig.7 Stress analysis of vertical flip of wall climbing robot

根据图7可得到机器人在z′方向上力和力矩的平衡方程:

(6)

式(6)中：MA为机器人所受合力矩。

根据式(6)可以得到:

(7)

当fn1≥0时，机器人不发生纵向翻转，此时吸附单元吸附力应满足的条件为

(8)

2.2.3 横向翻转分析

机器人的翻转包括沿机器人位姿θ=π/2时沿左边缘的纵向翻转以及θ=-π/2时沿车体右边缘的横向翻转。横向倾翻是由于Gx′向稳定平面对称中心平移产生的力矩Mx′而引起的。爬壁机器人横向翻转受力分析如图8所示。

图8 爬壁机器人横向翻转受力分析Fig.8 Force analysis of wall climbing robot lateral flip

图8中，b为接触壁面的磁吸附单元的宽度；B为机器人的左右车体之间履带的中心距；a为永磁体吸附单元的集中吸附力与集中的法向支持力的作用线之间的偏移距离(在临界状态下h=b/6)。

根据图8建立力和力矩平衡方程：

(9)

(10)

式(10)中：n为单条履带上永磁体的个数。

由于FN≥0，所以每个吸附单元应该满足条件：

(11)

2.2.4 法向脱离分析

Gz′是造成机器人沿着塔筒表面法向脱离的原因。图9为法向脱离受力分析图。

图9 法向脱离受力分析图Fig.9 Normal detachment stress analysis diagram

所研究机器人的质心与形心是一致的。Gz′并不会造成机器人从壁面发生滑移与倾覆。根据图9建立平衡方程。

(12)

由于FN≥0，所以每个吸附单元应该满足条件：

(13)

根据风电塔筒的外形特征β>0，机器人可以依附在塔筒壁面。GZ′不但没有使机器人有法向脱离壁面的趋势，反而能起到保护机器人安全的作用。

2.2.5 叠加分析

由以上的分析计算，机器人安全稳定的吸附在作业面需要满足的四个条件。因此由综合条件能够得到机器人处于静止状态时，单个吸附单元吸附力的许用值。为了方便描述，分别进行如式(14)～式(17)的标记：

抗滑移的许用吸附力:

(14)

抗纵向翻转许用吸附力:

(15)

抗横向翻转许用吸附力:

(16)

抗法向脱离许用吸附力:

(17)

因此，确保机器人能够安全的静止在壁面时，磁单元吸附力的许用值为

[fm]=max{[fm]S+[Fm]L+[fm]T+[fm]N}

(18)

2.3 动态安全性分析

对运动状态下机器人的安全性进行分析，主要是机器人运动时由于自身具有的惯性力可能对机器人造成失稳。当爬壁机器人以任意位姿在工作表面做直线运动时，机器人加速度沿着y′轴的方向。图10为机器人运动模型示意图。由图10可知，当机器人以一定的加速度向上运动时，电机所提供的动力矩需要克服阻力矩。A点处的支持力与磁铁吸附作用力形成的力矩Mf、重力产生的力矩MG这两个力矩为机器人自身产生的阻力矩。

图10 机器人直线运动模型示意图Fig.10 Schematic diagram of linear motion model of robot

根据图10可知，加速运动过程中达到稳定状态时机器人应满足的条件为

(19)

根据式(19)可以推出机器人加速上爬过程中稳定的吸附力为

(20)

因此，机器人在直线运动中产生的抵抗纵向以及横向翻转力矩时的磁吸附单元的吸附力应该满足安全性的条件。

抗滑移的许用吸附力:

(21)

抗纵向翻转的许用吸附力:

(22)

抗横向翻转的许用吸附力:

(23)

化简式(20)可以得到：

(24)

同理可得到：

(25)

(26)

因此机器人动态安全吸附时磁吸附单元应满足的条件如下：

[fm]≥{[fm]S,[Fm]L,[fm]T}

(27)

由此可以得到影响机器人动态安全性的主要因素有惯性力、动摩擦力、机器人本体重心高度等。

3 仿真分析

3.1 静态安全性仿真

机器人基本参数：总质量M=35 kg，两侧履带的中心距B=300 mm，履带与塔筒壁面接触的长度L=292.1 mm，单侧履带上磁吸附单元的个数n=12，机器人的质心点C点与塔筒壁面的垂直距离hg=80 mm，链轮的半径R=50 mm。

图11 许用值与壁面倾角关系Fig.11 The relationship between allowable value and wall inclination angle

由静态安全性分析得到影响爬壁机器人安全的主要参数有机器人的负载、壁面倾角以及位姿角。图11为通过MATLAB仿真可以得到抗滑移、抗纵向翻转、抗横向翻转、抗法向脱离吸附力随壁面倾角变化的曲线。

图11中的曲线是在G=350 N时，四种吸附力许用值与壁面倾角的关系。在β>0时抗纵向翻转、抗滑移以及抗横向翻转吸附力许用值随β的增大而减小；当β=0时，吸附力可以取得最大的整体许用值49 N，此时容易发生纵向翻转，因此可以得到最大的抗纵向倾翻吸附力49 N。其中法向脱离对机器人的安全性影响最小。由图11可知，影响爬壁机器人安全的主要是滑移和抗纵向翻转。因此需要单独对抗滑移和抗纵向翻转单独分析各因素对其许用吸附力的影响。

图12分析了机器人的位姿角θ对抗滑移、抗纵向翻转、抗横向翻转的永磁吸附单元吸附力大小的影响。由仿真分析图可知，机器人在位姿角θ=0、θ=2π时保证机器人的安全性时的许用吸附力的值达到最大，机器人所需要的永磁的吸附力的值为49 N。由图可知位姿角的变化主要影响的是抗滑移、抗纵向吸附力的大小。

图12 抗滑移、抗翻转吸附力与位姿角的关系Fig.12 The relationship between anti-slip and anti-flip adsorption force and attitude angle

图13、图14反映了机器人负载总重分别对抗纵向翻转、抗滑移的吸附力大小的影响。负载的变化对抗滑移吸附力影响较小，对抗纵向翻转的影响较大；当改变机器人的总负载的大小时，随着的减小使其稳定性得到提高。由以上分析过程可知，机器人在位姿角θ=0、2π时保证机器人的安全性的许用吸附力的值达到最大，此时磁吸附单元的吸附力fm≥50 N。

图13 抗滑移吸附力与位姿角、负载的关系Fig.13 The relationship between anti-slip adsorption force and attitude angle and load

图14 抗纵向翻转吸附力与位姿角、负载的关系Fig.14 The relationship between anti-longitudinal flip adsorption force and attitude angle and load

3.2 动态安全性仿真

通过MATLAB仿真分析机器人本体重心的高度、接触表面摩擦系数对爬壁机器人动态安全性的影响。如图15、图16分别为摩擦系数与抗滑移的关系图、抗翻转吸附力与机器人重心高度的关系图。

图15 抗滑移与摩擦擦系数的关系Fig.15 The relationship between anti-slip and friction coefficient

图16 抗翻转吸附力与机器人重心高度的关系Fig.16 The relationship between anti-flip adsorption force and the height of gravity center of robot

由图15可知，在机器人的运动过程中摩擦系数对抗滑移吸附力的影响较大，摩擦系数越大抗滑移许用值越小，结合接触表面的材料μ=0.5，由图15分析可得[Fm]S=32 N。由图16可知，机器人重心高度对纵向翻转比横向翻转的影响较大。在机器人的运动过程中，降低机器人的高度有利于机器人本体的平稳；保证机器人动态安全性的条件为fm≥53 N。

4 样机试验

通过研究爬壁机器人的安全性，为后续的机器人的样机的运动奠定了一定的基础。经过设计、加工、装配一系列进程，最终制作的机器人样机尺寸为400 mm×350 mm×150 mm，质量为20 kg。磁吸附单元在机器人的左右两侧的履带上等间距均匀分布。磁吸附单元结构在高3 m，厚度13 mm，直径为2.6 m的弧面钢板进行试验。

图17为磁吸附单元的吸附力测试图。通过试验测得磁吸附单元的吸附力为54.5 N，大于机器人安全性分析过程中的理论值，因此该吸附单元提供的吸附力能够保证机器人的安全稳定性。

图18为样机攀爬试验情况。在整个运动的过程中机器人履带与弧形壁面的贴合情况良好，机器人可以在模拟塔筒的钢板壁面可以稳定的爬行并爬越模拟焊缝障碍，整个运动过程机器人都能够稳定的吸附在壁面并实现转向运动，试验验证了磁吸附单元的吸附力能够满足机器人在竖直塔筒壁面爬行的要求。

图17 吸附单元吸附力测试Fig.17 Adsorption force test of adsorption unit

图18 样机攀爬试验照片Fig.18 Sample climbing test photo

图19为样机负重试验图，检测机器人在弧面钢板上能够保持正常运行的最大承重能力为15 kg。

图19 样机负重试验图Fig.19 Prototype load test diagram

机器人采用的直流伺服电机的额定功率为 150 W，额定转速为6 930 r，最大转矩为0.17 Nm，机器人负载总重为350 N，试验中机器人的攀爬的最大速度为7.5 m/min，满足设计要求。

5 结论

分析塔筒壁面作业机器人在作业面的安全稳定性。对分析结果进行了仿真，同时对机器人样机在壁面的吸附性能进行了试验。得到以下结论。

(1)设计的爬壁机器人具有一定的曲面自适应能力，能够实现在塔筒壁面的攀爬。

(2)静态与动态失稳的主要形式是抗纵向翻转以及抗滑移；保证机器人安全的前提是单块磁铁吸附力为50 N。

(3)减小机器人总负载可以是机器人在运动过程中更安全稳定。

(4)样机试验验证了机器人参数设计的合理性以及对机器人安全性分析的准确性。为后期机器人模块化作业功能的实现奠定了基础。