Halbach 方形阵列吸附机构优化设计

方海峰，陈 锦，范纪华，许侃文

（江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003）

1 引言

目前在石化工业、建筑工业和造船业等行业[1-3]，磁吸附式爬壁机器人作为一种可在恶劣、危险、极限、复杂工况下作业的特种机器人，逐渐引起了大众的重视。永磁吸附具有吸附稳定可靠、负载能力强[4-5]等优点，能够在一定高度和倾角的导磁壁面上进行作业，是众多爬壁机器人理想的吸附方式之一，然而卸载困难、易磨损等缺点，一直是制约爬壁机器人发展的重要因素之一[6]。在文献[7]中，设计了一种基于Halbach 直线型磁吸附装置，利用Halbach 阵列的单侧增强性，通过翻转磁吸附单元，可实现机器人的吸附和卸载两种状态，从一定程度上解决了上述矛盾，文献[8]中提出了一种基于Halbach 环形阵列的磁轮，通过调节磁轮的磁化方向来调节磁力。

上述研究均有一缺陷，即吸附单元只有吸附和卸载两种状态，不能实现实时调节吸附力。设计一种基于Halbach 方形永磁阵列的吸附单元，可通过调节磁吸附单元与铁磁壁面之间的空气间隙来实时改变机器人与壁面之间的吸附力。为进一步研究不同因素对吸附力的影响，采用有限元分析方法进行分析，多岛遗传算法用于优化结构，最后通过搭建实验平台来验证结果的正确性。

2 可调磁力吸附单元结构与理论

2.1 爬壁机器人基本结构

爬壁机器人具有的两个必要功能：移动功能和吸附功能。机器人采用轮式作为移动方式，通过差速实现转向功能，如图1所示。……