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注：本頁藍色字體部分可點擊查詢相關專利 SooPAT 磁輪吸附式爬壁機器人 申請?zhí)枺?00410016429.6 申請日：2004-02-19 申請(專利權)人 上海交通大學 地址 200240上海市閔行區(qū)東川路800號 發(fā)明(設計)人 費燕瓊 趙錫芳 王建平 主分類號 B25J5/00 分類號 B25J5/00 公開(公告)號 1559759 公開(公告)日 2005-01-05 專利代理機構 上海交達專利事務所 代理人 王錫麟 王桂忠 注：本頁藍色字體部分可點擊查詢相關專利 SooPAT 輪式越障爬壁機器人 申請?zhí)枺?01010289327.7 申請日：2010-09-22 申請(專利權)人 上海交通大學 地址 200240 上海市閔行區(qū)東川路800號 發(fā)明(設計)人 吳明暉 趙言正 陳善本 付莊 高曉飛 主分類號 B25J5/00(2006.01)I 分類號 B25J5/00(2006.01)I 公開(公告)號 101947776A 公開(公告)日 2011-01-19 專利代理機構 上海交達專利事務所 31201 代理人 王錫麟 王桂忠
磁吸附式核電筒體自動探傷車機構設計
摘 要
爬壁機器人是機器人的一種，也是屬于極限作業(yè)機器人，主要應用在垂直壁面、球形體表面上，在搭載相應的設備后，完成壁面的清掃、探傷、噴漆、敷設管道等多種作業(yè)。研究爬壁機器人的目的是為了最終讓其代替人類在石化企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門、造船等領域中的危險作業(yè)。它的研究和開發(fā)有著廣闊的前景和良好的經濟效益和社會效益，受到人們的重視。本文的研究目的是設計可靠性高、適應性強、控制簡單、能夠自主移動動避障、自動作業(yè)的爬壁機器人[7]。
研制罐體壁爬行機器人對企業(yè)的發(fā)展具有重大的意義，為了解決其若干關鍵技術問題，本文初步建立了爬壁機器人系統(tǒng)的結構形式，采用永磁輪吸附與可控磁吸盤吸附相結合的方式進行吸附控制，并對機器人的運動學、動力學問題進行分析和仿真，主要研究內容如下：
1.研究磁吸附輪式爬壁機器人的整體結構，提出了磁性輪與磁性吸盤聯合控制磁力的吸附方式，設計出罐體壁爬行機器人的總體結構。
2．針對機器人在罐體底面及側面典型危險位置進行了靜力學和動力學分析，提出了磁力控制方案和差速轉向控制方式，并建立了爬壁機器人的運動學模型[11]。
關鍵詞：爬壁機器人,磁吸附，運動學模型
磁吸附式核電筒體自動探傷車機構設計
ABSTRACT
The wall-climbing robot is one kind of special robots for special assignments which is mainly used for climbing the vertical wall or spherical wall.and taking the corresponding devices for such functions as wall-cleaning, testing, painting, pipeline-laying. It is in the purpose of replacing humans to work in such risky environments as petrochemical enterprises, construction industry, the fire department, ship-building industry and so on. Its research and development will bring good economic benefits and social values. In this paper, the purpose of the study is to design a highly reliable and widely applicable climbing-robot that can automatically move and avoid obstacles.
Studying tank wall-climbing robot is great significance to the development petrochemical enterprises. In order to solve some key technical issues, the paper established the structure of wall-climbing robot system, adopted the adsorption controlled which combine permanent magnetic wheel adsorption with controlled adsorption plate manner, and then analyzed and simulated the robot kinematics, dynamics, the main research contents are as follows:
1. Studied overall structure of wall-climbing robot magnetic wheel adsorption, proposed the adsorption method which combined magnetic wheel and magnetic plate, designed the overall structure of the tank wall-climbing robot.
2. Carried out static and dynamic mechanical analysis on typical dangerous location of tank bottom and side when the robot is working, proposed magnetic control program and established kinematics and dynamics models of wall-climbing robot.
Keywords: wall-climbing robot, magnetic adsorption, dynamic model
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磁吸附式核電筒體自動探傷車機構設計
目錄
1.緒論 1
1.1選題背景及其意義 1
1.2國內外研究現狀與發(fā)展趨勢景 2
1.3研究內容 6
2.總體方案確定 7
2.1方案選擇 7
2.2移動方式實現 8
2.3最終方案確定 9
3 探傷車主要部件的設計與校核 11
3.1車輪電機選型 11
3.2 蝸輪蝸桿計算 13
3.3 軸的設計與校核 18
3.4 軸承使用壽命的計算 23
3.5滾珠絲杠副 24
4 結論與展望 29
4.1課題總結 29
4.2課題展望 29
參考文獻 30
致謝 31
1緒論
在煤和石油等化石燃料日益枯竭的今天，化石燃料帶來的環(huán)境問題日益突出的今天，尋找新型能源的要求勢在必行，迫在眉睫，歷數現階段有潛力的新能源：水能，風能，太陽能，核能，地熱，潮汐能等。而眾多新型能源又各自受到各種缺陷與限制，只有核能因為具有資源豐富、清潔、核燃料能量密度高等諸多優(yōu)點，未來將受到越來越廣泛的應用，由于核燃料高度輻射，發(fā)展核電總是繞不開安全問題。自1951年12月美國實驗增殖堆1號（EBR-1）首次利用核能發(fā)電以來，在60余年的核電發(fā)展史上，人類曾發(fā)生過前蘇聯切爾諾貝利核電站事故與日本福島核泄漏兩次嚴重事故，給當地帶來了近乎毀滅的災難。核燃料的高輻射注定了在檢驗核電筒體焊縫等安全問題時由人操作會帶來巨大的人生安全，因此在核電發(fā)展中，若是以機器檢測壁面的焊縫問題，可在最早時間內將安全情況傳遞給工作人員，及時進行一系列的措施來應對，大大降低了人的生命威脅概率。
1.1選題背景及其意義
隨著科學技術的日益發(fā)展與人類安全意識的不斷提高，人們對生產安全的要求也越來越高，使得機器人在各個領域中都得到了廣泛的應用和發(fā)展。以機器人代替人類從事各種危險、繁重、重復、單調及有毒有害的工作是當今社會發(fā)展的一個趨勢。而爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支，它能在壁面與頂部上靈活移動，并完成一定的極限任務。目前，國內外許多家科研機構都在這一領域展開了研制開發(fā)工作?？傮w概括起來，爬壁機器人主要用于以下幾個方面：
(1)核工業(yè)：對核廢液儲罐進行視覺檢查、測厚及焊縫探傷等工作；
(2)石化工業(yè)：對立式金屬罐或球形罐的內外壁面進行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐；
(3)建筑行業(yè)：噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面清洗、擦玻璃等；
(4)消防部門：用于傳遞救援物資，進行救援工作；
(5)造船業(yè)：用于噴涂船體的內外壁等[16]；
而運用于核電筒體上的爬壁探傷儀，其本質就是爬壁機器人，它可在垂直壁面移動，完成壁面的焊縫探傷檢測作業(yè)。核電是利用核能發(fā)電，一旦發(fā)生核泄漏，在壁面上進行探傷的工作人員會吸收到大量的核輻射，直接嚴重危害到人的生命。所以若是以機器檢測壁面的焊縫問題，可在最早時間內將情況傳遞給工作人員，可及時進行一系列的措施來應對，因此大大降低了人的生命威脅概率。
利用機器人技術進行罐體探傷作業(yè)安全可靠，而且效率高、可控性好。目前國內外已經研究、開發(fā)了各種爬壁機器人，用于施工、作業(yè)的機器人主要以磁吸附、真空吸附以及二者的復合吸附為主?？梢耘逝来怪钡牟Ａδ?、船體垂直壁面及儲罐壁面等。負壓或真空吸附對壁面的可吸附性具有一定要求，且存在高噪聲等不利因素。對于絕大部分鐵磁性金屬結構來講，永磁吸附是可靠性最高的工作方式，尤其是對于工作內壁凹凸不平事，難以利用負壓吸附工作。永磁吸附相對于電磁吸附來講吸附單元的重量要小得多，而且安全性不受電力供應意外的影響。機器人在大型作業(yè)面上工作時，需要攜帶電纜、管線、作業(yè)設備，并承受作業(yè)的反作用力，通常需要很大的吸附力。導致機器人的本體重量比較大，其中磁體是主要的重量部件。
1.2國內外研究現狀與發(fā)展趨勢景
作為移動機器人領域的一個重要分支，爬壁機器人把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來，可在垂直壁面上附著爬行，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務，大大擴展了機器人的應用范圍。
為了在壁面工作環(huán)境中執(zhí)行任務，爬壁機器人必須具有兩個基本功能：一是壁面吸附功能和移動功能。按吸附方式來分，主要分為真空吸附和磁吸附兩種方式。真空吸附又分為單吸盤和多吸盤兩種結構形式，具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低;磁吸附可分為永磁鐵和電磁鐵兩種，要求壁面必須是導磁材料，但它的結構簡單，吸附力遠大于真空吸附方式，且對壁面的凹凸適應性強，不存在真空吸附漏氣的問題，因而當壁面是導磁材料時優(yōu)先選用磁吸附爬壁機器人。二是按移動方式來分，有車輪式、履帶式和足腳式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難;履帶式對壁面的適應性強，著地面積大、不易轉彎;足腳式移動速度慢，但帶載能力強[10]。
1.2.1國外爬壁機器人的研究現狀
國外爬墻機器人的研究狀況主要有以下幾個方面：
1）單吸盤真空吸附式爬墻機器人：這是利用單一真空（或機器人本身就是機殼就是密封裝置）與 壁面間形成一個真空室。這種形式的爬墻機器人可實現小型化、輕量化并結構簡單易于控制。但是要求壁面有一定的平滑度，越障能力低。對于復雜壁面環(huán)境不適應，當遇到較大的溝槽或凹凸面時，吸盤內的負壓難以維持，存在相對滑動，吸盤桾邊磨損較為嚴重。
2）多吸盤真空吸附式爬墻機器人：出于單吸盤結構對壁面的適應能力較差，許多學者采用了多個真空吸盤，進行吸附力分散形式的爬墻機器人的研究，為多吸盤式壁面移動機器人的研制做出了有意義的探索和嘗試。因此，在單吸盤爬墻機器人的基礎上，多吸盤結構得到了迅速的發(fā)展。
3)磁吸附式爬墻機器人：只適用于導磁性材料構成的墻面，能產生較大的吸附力，且不受壁面凹凸或裂縫的限制。磁吸附式爬墻機器人可分為電磁體式和永磁體式兩種，電磁體式機器人維吸附需要電能，但控制比較方便；永磁體式機器人不受斷電的影響，使用中安全可靠。目前，研究的磁吸附式壁面移動機器人多為永磁體式。
4）其他類型爬墻機器人：出于傳統(tǒng)機器人的性能受到限制，例如，磁吸附式爬墻機器人受到壁面材料特性的限制，真空吸附式爬墻機器人受到壁面凹凸和多孔狀況的限制。因此，人們研制出了一些其他形式的機器人，例如：飛行式、繩索牽動式和粘著劑吸附式等爬墻機器。
日本是世界上率先開展了壁面移動機器人研究工作的國家，1966年大阪府立大學工學部講師西亮，設計了一種利用電風扇進氣側低壓空氣產生的負壓進行吸附的壁面移動機器人的理想原型機。在1975年，已他又從實用角度考慮，研制出一種用單吸盤結構吸附，以輪子行走的第二代壁面攀爬機器人。
1989年,日本東京工業(yè)大學的宏油茂男研究開發(fā)了吸盤式磁吸附爬壁機器人,吸盤與壁面之間有一個很小的傾斜角度,這樣吸盤對壁面的吸力仍然很大,每個吸盤分別由一個電動機來驅動,與壁面線接觸的吸盤旋轉,爬壁機器人就隨著向前移動,這種吸附機構的吸附力可以達到很大。
日本應用技術研究所研制出了車輪式磁吸附爬壁機器人，它可以吸附在各種大型構造物如油罐、球形煤氣罐、船舶等的壁面，代替人進行檢查或修理等作業(yè)。這種爬壁機器人靠磁性車輪對壁面產生吸附力，其主要特征是：行走穩(wěn)定速度快，最大速度可達9m／min，適用于各種形狀的壁面，且不損壞壁面的油漆。
美國也是開展壁面移動機器人研究較早的國家。1989年，美國西雅圖的HenryR Seemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人。其兩條履帶上各裝有數個小吸附室,隨著履帶的移動,吸附室連續(xù)地成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走。
最近幾年，美國的研究小組真正揭示了壁虎在墻上爬行的秘密，這個秘密就是分子間的作用力一一范德華力。斯坦福大學教授馬克·庫特科斯基的研究小組開發(fā)一種具有粘性腳足的壁虎狀機器人?！氨诨C器人”足底有數百萬個極其微小的毛發(fā)，微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大，進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。借助這些毛發(fā)，它就能令足底粘上壁面。
除此之外，德國、西班牙、俄羅斯、英國、澳大利亞等國家都相繼開展了壁面移動機器人研究。
1990年以來,西班牙馬德里CSIC大學工業(yè)自動化研究所研制出一種6足式爬壁機器人。該機器人為磁吸附式,具有較大的靜載荷,目的是為了工業(yè)上的應用。
1997年俄羅斯莫斯科機械力學研究所研制出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機器人也采用單吸盤結構。該機器人利用風機產生真空負壓來提供吸附力,吸盤腹部裝有4個驅動輪,機器人可在壁面全方位移動。
20世紀90年代初,英國樸次茅斯工藝學校研制了一種多足行走式的爬壁機器人,采用模塊化設計。機器人由兩個相似的模塊組成,每個模塊包括兩個機械腿和腿部控制器。機械腿采用仿生學機構,模擬大型動物臂部肌肉的功能,為兩節(jié)式, 穩(wěn)定性好,承載能力大,利于機器人的輕量化,并能跨越較大的障礙物[9]。
1.2.2國內爬壁機器人的研究現狀
自1988年以來,在國家“863”高技術計劃的支持下,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所已經成功研制我國第一臺壁面爬行遙控檢測機器人。它采用負壓吸附,全方位移動輪,用于核廢液儲存罐罐壁焊縫缺陷檢測。該機器人采用的是單吸盤結構,彈簧氣囊密封,保證了機器人具有較高爬行速度和可靠的附著能力。1995年研制成功金屬管防腐用磁吸附爬壁機器人,采用永磁吸附結構,靠兩條履帶的正反轉移動來實現轉彎。該機器人可以為石化企業(yè)金屬儲料罐的外壁進行噴漆、噴砂,以及攜帶自動檢測系統(tǒng)對罐壁涂層厚度進行檢測。
上海大學談士力等人設計開發(fā)了面向球形存儲罐檢修的球面移動爬壁機器人,它采用真空吸附方式和腿足式移動機構,可以適應不同曲率半徑的曲面,并可跨越300 mm高的障礙。
1996年以來,北京航空航天大學先后研制成功 “吊籃式擦窗機器人”和“藍天潔寶”等幕墻清洗機器人樣機。其中，該吊籃式清洗機器人依靠樓頂上的安全吊索牽引移動,利用風機產生的負壓使機器人貼附在壁面上。
近年來,上海交通大學也開展了爬壁機器人的研究。設計了一種自身無行走機構而依靠壁面牽引實現機器人移動的壁面清洗機器人樣機。機器人腹部的兩個吸盤交替抬起和吸附可實現跨越水平窗框障礙運動[9]。
1.2.3爬壁機器人的發(fā)展趨勢
驅動、傳感、控制等硬軟件技術的發(fā)展極大地推動了爬壁機器人技術的發(fā)展,實際應用的需求也對爬壁機器人的發(fā)展提出了挑戰(zhàn),爬壁機器人的發(fā)展趨勢歸結起來主要有以下幾方面。
(1)新型吸附技術的發(fā)展。吸附技術決定了機器人的應用范圍，目前應用比較成熟的吸附技術主要有磁吸附和真空吸附方式，都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實際應用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術是當前爬壁機器人領域的一個重要方向，其中，仿壁虎腳掌仿生粘性材料的發(fā)展是當前新型吸附技術發(fā)展趨勢。
(2)爬壁機器人的任務由單一化向多功能化方向發(fā)展。過去所研制的爬壁機器人大多用于清洗、噴涂、檢測等作業(yè),作業(yè)任務往往只局限于單一的任務。而目前人們則希望爬壁機器人能夠裝備多種工具,在不同的場合進行工作，實現一機多用的功能。這樣可以減小人類使用機器人的成本，有利于爬壁機器人的發(fā)展。
(3)小型化、微型化是當前爬壁機器人發(fā)展的趨勢。在滿足功能要求的前提下,體積小、質量輕的機器人可較小能耗,具有較高靈活性,可以承載更多的負荷，有利于實現爬壁機器人的多功能性，并且在某些特殊場合也需要機器人具有小的體積。各種微型驅動元件、控制元件及能源供應方式的發(fā)展,以及在納米材料方面取得的進步，為小型化、微型化奠定了基礎。
(4)由帶纜作業(yè)向無纜化方向發(fā)展。帶纜作業(yè)極大地限制了機器人的作業(yè)空間,所以,為了提高機器人的靈活性和擴大工作空間,無纜化成為現在和未來爬壁機器人的發(fā)展趨勢。
(5)由簡單遠距離遙控向智能化方向發(fā)展。與人工智能相結合,使機器人在封閉環(huán)境中能夠具有一定的自主決策能力,完成任務,并具有自我保護能力,是移動機器人發(fā)展的重要方向,也是爬壁移動機器人的重要發(fā)展方向。
(6)可重構是機器人適應能力的一項重要指標。為了使機器人能夠應用于不同場合,根據任務需求,在不需要重新設計系統(tǒng)條件下,充分利用已有的機器人系統(tǒng),應使機器人具有可重構性,即具有模塊化結構。根據任務需求,可以把需要的模塊直接連接起來組成新的機器人。此可以大大降低機器人的制造成本[14]。
具體到機器人結構設計上，由于傳統(tǒng)爬壁機器人具有很多的不足之處(如對壁面的材料和形狀適應性不強，跨越障礙物的能力弱，體積大，質量重等)，因此未來爬壁機器人的結構應該向著實用化的方向發(fā)展。
(1)吸附方式
吸附技術一直是爬壁機器人發(fā)展的一個瓶頸,它決定了機器人的應用范圍。目前,吸附方式主要有真空負壓吸附、磁吸附、螺旋槳推力及粘結劑等幾種方式。由于目前應用比較成熟的吸附技術都有很大的局限性,在很多情況下難以滿足實際應用的要求。因此,開發(fā)和研究新型吸附技術是當前爬壁機器人領域的一個重要方向。近年來,人們通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理,制作出高分子合成的粘性材料,這些材料利用分子與分子之間的范德華力,在很小的接觸面積上就可獲得巨大的吸附力,而且具有吸附力與表面材料特性無關的優(yōu)點。模仿壁虎等動物腳掌的仿生粘性材料的發(fā)展是當前新型吸附技術發(fā)展的熱點。
(2)移動方式
在移動機器人中，輪式和履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但是足式移動方式具有輪式和履帶式所沒有的優(yōu)點。足式移動方式的機器人可以相對較容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人的足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凸凹不平的地形適應能力更強。足式機器人的立足點是離散的，跟壁面接觸的面積小，可以在可達到的范圍內選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。正是由于足式結構多樣、運動靈活，適應于各種形狀的壁面上，而且能夠跨越障礙物，因此足式結構將在爬壁機器人上有著較好的應用前景。
(3)能源供應及驅動方式
傳統(tǒng)伺服電機因功率重量比低，必須安裝在遠離驅動的地方，而且電機高速運行后需有減速齒輪來降低速度，致使傳動系統(tǒng)復雜，結構累贅，不能滿足實用化的要求，為此需要研制利用功能材料構成的體積小、重量輕、高效率密度的新型電機。
微特電機所組成的驅動伺服系統(tǒng)和位置速度傳感系統(tǒng)是機器人關鍵部件，研制開發(fā)直接驅動、大力矩、小體積、重量輕、精度高、反應靈敏、工作可靠的各類微特電機是提高我國機器人的研究開發(fā)水平，滿足國內機器人高性能微特電機的基礎保障。因此微特電機在機器人應用的前景是非常樂觀的，而且要求微特電機技術的發(fā)展，滿足機器人智能化、可靠、靈活、長壽命的需要。因此爬壁機器人使用微特電機技術的發(fā)展趨勢可歸納為朝高精度、高可靠性、直接驅動、新原理、新結構、機電一體化、超微化方向發(fā)展。
綜上所述，目前國內外對于爬壁機器人的研究正處于飛速發(fā)展水平，因其可在垂直陡壁或高空極限空間代替人進行危險作業(yè)，已被廣泛地應用于清洗、消防、檢測等多個行業(yè)。但爬壁機器人在吸附能力和運動靈活性上還存在一些問題。在實際的工程應用中，一般要求爬壁機器人攜帶一定重量的負載，這就要求它具備可靠、穩(wěn)定而又足夠大的吸附力。但這一要求得到滿足的同時，其運動速度、越障能力、轉向靈活性、壁面適應能力等必然會受到不同程度的限制。因此，為解決這一矛盾，需要尋找一種可以方便地控制其吸附力大小的吸附方式以及設計靈活輕便的移動機構。這是爬壁機器人在相當長一段時間所要面對的問題之一[15]。
1.2.4爬壁機器人面臨難題
（1）吸附及密封技術：面對凹凸不平復雜的壁面完成探傷任務，要求吸附機構必須要產生一定的吸附力，使機器人能攜帶檢測裝置安全可靠地吸附在壁上。
（2）移動技術：移動機構要體積小，重量輕，轉動靈活、移動速度快等，使機器人可以在壁面上移動，并可靈活自如地調節(jié)移動的速度和方向，具有較強的越障能力（例如：（壁上的凹坑、裂紋、腐蝕等）
（3）控制技術：必須保證信號通訊的實時性，可靠性。控制機器人的整體工作，進行檢測、故障診斷和綜合分析，實現機器人各個部分裝置的協調配合[17]。
1.3研究內容
本課題名為磁吸附式核電筒體自動探傷車機構設計，其研究目標是對核電筒體壁面上的探傷作業(yè)提供可以代替人工進行作業(yè)的專用探傷機構，為了安全有效地工作，該探傷機構要保證爬行可靠、移動靈活、定位準確。在此基礎上，要盡可能使其本體質量輕、體積小、操作方便。本課題將對機器人的吸附方式、移動方式、轉向調節(jié)方式、驅動方式、傳動機構以及執(zhí)行機構進行研究。先后完成資料查閱、方案確定、零部件選擇設計及計算、二維裝配圖與零件圖繪制、編寫說明書等工作?；跈C器人的工作環(huán)境是在核電筒體壁面，對機器人進行了一系列合理的設計。
2.總體方案確定
2.1方案選擇
2.1.1吸附方式
該探傷儀要想在垂直的壁面上運動，必須保證機構能夠穩(wěn)定吸附在壁面上，防止滑落、跌落、傾倒等不利因素的產生，因此要設計合理而可行的吸附機構。爬壁探傷儀現有的吸附方式主要分為真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于筒體表面是導磁性材料，且凹凸不平，為了提高吸附力，選用磁吸附法。磁吸附方式又分為永磁吸附和電磁吸附。而采用磁吸附中的永磁體吸附比較安全可靠，即使突然斷電，探傷儀也不會發(fā)生墜落現象，而電磁鐵要實現吸附功能就要受到電源通斷電的限制，另外永磁吸附可產生更強的吸附力。綜合各方面因素考慮，選取永磁吸附方式。
2.1.2移動方式
爬壁探傷儀按移動功能分主要是足腳式、車輪式和履帶式和框架式。車輪式移動速度快、控制靈活，但維持一定的吸附力較困難；履帶式對壁面的適應性強，著地面積大，但結構復雜，不易轉彎；足腳式吸附能力強，承載能力大，能跨越一定的障礙，但是移動速度慢，結構復雜，控制難度大；框架式結構簡單，越障能力和帶載能力均較強，但移動速度慢，有間歇性。車輪式設計簡單方便，故采用車輪式。
2.1.3驅動方式
常用于探傷儀的驅動方式有液壓式驅動、氣壓式驅動和電動式驅動。相對于電動式驅動氣壓驅動需要氣源，穩(wěn)定性差，攜帶負載有限，控制繁瑣；液壓傳動構造復雜，運動速度慢，信號傳遞困難，并且由于采用磁盤吸附的行走方式，所以采用電機驅動的方式。電機驅動具有很多優(yōu)點：電機體積小、重量輕，驅動反應快、控制性能好，正反轉反應快。用于機器人控制方面的電機主要有步進電機和伺服電機。步進電機是將電磁脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械原件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機分為直流和交流伺服電動機兩大類。而直流電機體積小、負載能力強、功率大、控制簡單、易于調速等，所以選用直流步進電機的驅動方式。
2.1.4傳動機構
由于直流電機的額定轉速非常高（1500r/min以上），因此需要減速裝置。常用的減速裝置有齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動。為了防止爬壁機器人在豎直筒壁上靜止時不會向下滾動，采用蝸輪蝸桿裝置，它具有自鎖功能，可以保證車輪被制動而不能繞自身軸線作自由轉動。傳動裝置包括電動機、蝸輪蝸桿減速器、聯軸器、軸、軸承等。
2.1.5執(zhí)行機構
探頭的移動通過滾珠絲杠螺母調節(jié)方式。圖2-1是探頭調節(jié)方式原理圖，其工作原理是壓緊力調節(jié)電機陳云滾珠絲杠轉動，絲杠螺母和緊力傳感器以及軸套用螺栓固定在一起，連桿AB的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點A，推桿CD與連桿AB鉸接在D點，另一端鉸接在軸套上C點,軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲桿的轉動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動。進面推動連桿AB嬈支點A轉動，使探頭達到升降高度的目的。
圖2-1 探頭調節(jié)方式原理圖
2.2移動方式實現
探傷車在實現移動的情況下，還要考慮小車的速度調節(jié)、轉向、后退等動作。本課題選用的是步進電機，步進電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械原件運轉的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。步進電機可使控制速度，位置精度比較準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。因此可以通過控制系統(tǒng)控制電機的轉速，從而實現探傷車速度的變化。輪式移動機器人的轉向方式有很多種，其中差動轉向方式是最常用而且安全、可靠的一種方式。其原理是通過對驅動輪轉速的控制來實現轉向功能，控制簡單，位姿準確。要探傷車實現后退功能可設計一個直流電機正反轉電路。
2.3最終方案確定
2.3.1移動機構確定
本課題研究的是一個磁吸附式核電筒體自動探傷車機構，基于爬壁機器人可以攜帶檢測裝置快速完成立式金屬壁面的探傷任務，選擇車輪式的結構。車輪式結構分為三輪式、四輪式和六輪式三種情況。根據實際作業(yè)的環(huán)境要求，爬壁機器人的本體設計要求質量輕、強度大、爬行穩(wěn)定等特點。因此機器人本體設計選用磁性輪作為爬行機構，采用前兩輪單獨驅動的輪式結構，前兩輪不共軸，后兩輪共軸設計。探傷車通過控制系統(tǒng)控制電機轉動，通過聯軸器帶動蝸桿轉動，經過蝸輪蝸桿減速后傳遞到蝸輪軸，再經過聯軸器帶動后輪軸轉動，從而實現后輪轉動。探傷車移動機構如圖2-2所示。
圖2-2 探傷車移動機構
2.3.2執(zhí)行機構確定
探頭部分通過電機帶動滾珠絲杠轉動，從而實現絲杠螺母的直線運動，推桿一端固定在螺母上，螺母的直線運動使得探頭會繞著支點做旋轉運動，從而實現了探頭位置的變化。執(zhí)行機構設計如圖2-3所示。
圖2-3 探傷車執(zhí)行機構
3 探傷車主要部件的設計與校核
3.1車輪電機選型
小車受力分析：靜止時可能出現兩種危險情況，一是爬壁機器人在壁面上滑落；二是爬壁機器人在壁面上發(fā)生傾覆。
爬壁車靜態(tài)示意圖如圖3-1：
圖3-1 爬壁車靜態(tài)示意圖
其中：為壁面對車輪的彈力；
為車輪收到的吸附力；
為車輪所受的摩擦力；
為車輪部分所受的重力。
小車靜止時：
∑Y=0 （3-1）
所以要保證小車不向下滑動，需滿足
其中：μ為橡膠與鋼鐵之間的靜摩擦系數，取μ=0.75
機器人不顛覆條件：
（3-2）
其中：S為前輪到后輪的垂直距離，h為車輪中心道壁面距離
取兩者中較大值，并且去安全系數
所以
（3-3）
因此要保證小車能安全停放在壁面上，需保證每個輪子受到到的吸附力不低于50N。
設定機器人的行走速度為0.1m/s，車輪直徑d=109mm，因此從車輪出來的轉速
考慮機器人的總重量m=10kg，由于機器人行走時受到摩擦力作用，在此設定其摩擦系數，則所需力矩:
M= （3-4）
基于上述計算得出以下兩個關鍵數據：
從車輪出來的轉速：n=6.4rpm；所需提供的扭矩T=5.6N.m；
電機功率計算：
首先計算出電機負載功率，
（3-5）
經初步估計電機經減速箱的減速比不會很大因此將減速箱的傳動效率設定為0.8，將中間機械結構的傳動效率設定為0.5，因此這個傳動結構的機械效率
由此根據電機功率傳遞不變原則，計算出電機功率
在此設定電機功率為150w。由于所選電機功率為150w且所選電機為直流有刷伺服電機，暫選定電機的額定電壓為24V,基于此兩項可選定RE 40系列中訂貨號為：148867的電機；額定轉速為693rpm，根據車輪出來轉速可知總傳動比
電機扭矩校核：
考慮傳動機構中的傳動損耗，應有
M==0.17*0.4*109=7.4Nm （3-6）
大于負載扭矩滿足要求。
綜上所述，網上查得選取電機型號為：RE 40系列中訂貨號為：148867的電機；總減速比為109，功率為150w。這個減速比為減速箱和中間齒輪這兩者減速比之積。電機具體參數如下表3-1所示
表3-1 RE40電機參數
電機參數
單位
額定電壓下數值
額定電壓
v
24
空載轉速
rpm
7580
空載電流
mA
137
額定轉速
rpm
6930
額定轉矩
mNm
170
額定電流
A
5.77
堵轉扭矩
mNm
2280
堵轉電流
A
75.7
最大效率
%
91
額定轉矩
mNm
630
額定電流
A
8.37
堵轉扭矩
mNm
10600
堵轉電流
A
133
最大效率
%
83
3.2 蝸輪蝸桿計算
3.2.1選擇材料
由于蝸桿傳動功率較小，速度較小，故蝸桿用45鋼；因需要效率高，耐磨性較高，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45—55HRC。
渦輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。由于渦輪尺寸較小，開采用整體澆鑄式。
3.2.2按齒面接觸疲勞強度進行設計
根據開式蝸桿傳動設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。
傳動中心距：
（1）確定作用在渦輪上的轉矩
按 估取效率，則
= （3-7）
（2）確定載荷系數K
因為工作載荷不穩(wěn)定，取載荷不均系數；由《機械設計》（西北工業(yè)大學編）表11—5選取使用系數；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數；則：
K=
（3）確定彈性影響系數
由于鑄錫磷青銅ZCuSn10P1渦輪與45鋼蝸桿相配，取
（4）確定接觸系數
先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距的比值
從圖11—18知
=2.9
（5）確定許用接觸應力
根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可以從表11—7中差得渦輪的基本許用應力。
應力循環(huán)次數
（3-8）
壽命系數
（3-9）
則
（6）計算中心距
（3-10）
考慮制作工藝性，將中心距取為40
根據表11—2 中心距為40mm，取m=1，蝸桿分度圓直徑。
這時，從圖11—18中可查接觸系數；
由于，因此以上計算結果可用。
3.2.3 蝸桿渦輪的主要參數和幾何尺寸
（1）蝸桿
軸向齒距
直徑系數
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓導程角
蝸桿軸向齒厚
蝸桿齒寬
（2）渦輪
渦輪齒數 ； 變位系數；
驗算傳動比
這時傳動比誤差為，允許；
渦輪分度圓直徑
渦輪喉圓直徑
渦輪齒根圓直徑
渦輪咽喉母圓半徑
3.2.4 校核齒根彎曲強度
（3-11）
當量齒數
29.51
根據，從圖11—19中可知齒形系數；
螺旋角系數
；
許用彎曲應力
從表11—8中查得由制造的渦輪的基本許用彎曲應力。
壽命系數。
彎曲強度是滿足的。
3.2.5 驗算效率
（3-12）
已知與相對滑動速度有關。
從表11—18中用插值法差得、 ；
則
與原估計值接近，不用反算。
3.2.6 精度等級公差和表面粗糙度的確定
考慮到所設計的蝸桿傳動是動力傳動，屬于通用機械減速器，從圓柱蝸桿、渦輪精度中選擇8級精度，側隙種類為，標注為。后由有關手冊查得要求的公差項目和粗糙度，此處從略。
3.3 軸的設計與校核
3.3.1 軸的材料選取
選取45鋼，調制處理，參數如下:
硬度為HBS＝220
抗拉強度極限＝650MPa
屈服強度極限＝360MPa
彎曲疲勞極限＝270MPa
剪切疲勞極限＝155MPa
許用彎應力=60MPa
3.3.2初步估計軸的最小直徑
軸上的轉速功率由以上機械裝置的運動和動力參數計算部分可知
=47.7；=0.75 取=11
輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯軸器處的直徑.為了使所選的軸的直徑與聯軸器的孔徑相適應，故需要同時選取聯軸器型號。
聯軸器的計算轉矩，查表14-1，考慮到轉矩變化小，故取則
＝=1906800
按照計算轉矩應小于聯軸器公稱轉矩的條件。查機械設計手冊（軟件版）R2.0，選HL5型彈性套柱銷連軸器，半聯軸器孔的直徑，長度L＝100mm，半聯軸器與軸配合的轂孔長度。故?。?8mm
3.3.3根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）選取d=20mm, 。因I-II軸右端需要制出一個
定位軸肩，故取
（2）初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，，故選用深溝球軸承，參照工作
要求， 由軸知其工作要求并根據＝25mm，選取單列圓錐滾子軸承
33015型,由機械設計手冊(軟件版)R2.0查得軸承參數：
軸承直徑：d＝10mm
軸承寬度：B＝10mm，D=18mm
所以
（3）右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。取33215型軸承
的定位軸肩高度h=3mm,因此，取
3.3.4計算過程
圖3-2 軸的計算簡圖
1）根據軸上的結構圖作出軸的計算簡圖。確定軸承的支點位置大致在軸承寬度中間。
故
因此作為簡支梁的支點跨距
計算支反力:
作用在軸上的
==5120N （3-13）
=1263.8N
水平面方向 ΣMB＝0
故
=0
垂直面方向 ΣMB＝0，
故
ΣF＝0
2)計算彎距
水平面彎距
==185295
垂直面彎矩
合成彎矩
==197190
==197190
根據軸的計算簡圖做出軸的彎距圖和扭距圖?？煽闯鯿截面為最危險截面，現將計算出的截面C處的及M的值列于下表3：
表3-2 軸截面參數
載荷
水平面H
垂直面V
支反力
彎距M
總彎距
扭距T
T＝1307.2 N·m
3.3.5按彎扭合成應力校核軸的硬度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面（即危險截面C）的強度。根據課本式15－5及上表中的值，并扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取α＝0.6，軸的計算應力
＝ MPa＝13.166 MPa （3-14）
已由前面查得許用彎應力
[σ－1]=60MPa
因<[σ－1]，故安全。
3.3.6精確校核軸的疲勞強度
1)判斷危險截面
截面A，Ⅱ，Ⅲ，B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉強度較為寬裕地確定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，B均無需校核。
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面和IV和V處的過盈配合引起的應力集中最嚴重；從受載的情況看，截面C上的應力最大。截面IV的應力集中的影響和截面V的相近，但截面V不受扭距作用,同時軸徑也較大，故可不必作強度校核。截面C上雖然應力最大，但應力集中不大（過盈配合及槽引起的應力集中均在兩端),而且這里軸的直徑最大，故截面C不必校核。因而只需校核截面IV的右側即可，因為IV的左側是個軸環(huán)直徑比較大，故可不必校核。
2)截面IV右側
抗彎截面系數
W＝0.1d3＝0.1×853＝61412.5mm3
抗扭截面系數
WT＝0.2d3＝0.2×853＝122825mm3
彎矩M及彎曲應力為:
M＝197190×＝100112 N·mm
＝ ＝ ＝1.63MPa
截面上的扭矩
截面上的扭轉切力:
＝＝＝10.6Mpa
過盈配合處的的值，由課本附表3-8用插入法求出，并取
，＝2.20
則
0.8×2.20＝1.76
軸按磨削加工，由課本附圖3-4查得表面質量系數＝0.92
故得綜合系數值為：
＝ ＝＝2.29
＝ ＝＝1.85
又由課本§3－1及§3－2得炭鋼得特性系數
＝0.1～0.2 ，取 ＝0.1
＝0.05～0.1 ，取 ＝0.05
所以軸在截面Ⅵ的右側的安全系數為
=103.30
＝26.32
25.505>S＝1.6
（因計算精度較低，材料不夠均勻，故選取s＝1.6）
故該軸在截面Ⅳ右側的強度也是足夠的。因無大的瞬時過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。
3.4 軸承使用壽命的計算
軸承為6008深溝球軸承,查手冊得C=17KN
軸承工作時間為：
h＝2×8×8×365＝46720h
（1）求兩軸承的徑向載荷和
（2）由于低速級為圓柱直齒輪傳動，故軸承不受軸向力
（3）求當量動載荷P5和P6
取載荷系數fp=1.2，則軸承當量動載荷為：
由于P6>P5,則取P6計算：
（3-15）
所以低速軸軸承選擇滿足壽命要求。
3.5滾珠絲杠副
3.5.1 進給滾珠絲杠副的軸向剛度
進給滾珠絲杠副軸向剛度表示滾珠絲杠副及其支承部件抵抗其軸向彈性變形的能力。用彈簧常數表示，按下式計算
???? =F/δ1 （3-15）
式中 ——進給滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛度，400N/μm
F——施加于進給絲杠的軸向負載，8.93N
δ1——進給滾珠絲杠副軸向彈性位移，1.82μm
——絲杠軸向剛度，61.35N/μm
——螺母組件軸向剛度，320N/μm
——支承軸承軸向剛度，43.26N/μm
——螺母支架及軸承支架軸向剛度，298.6N/μm
??（1） 絲杠軸向剛度計算
絲杠的軸向剛度因安裝方式不同而不同。
雙推—支承安裝絲杠的軸向剛度
采用雙推—支承方式安裝絲杠時，絲杠的軸向剛度隨載荷作用點至雙推支承真?zhèn)€間隔變化而改變。其最小剛度按下式計算
????式中 A—絲杠的斷面積，60mm2
（d為螺紋小徑，10mm）
E—絲杠材料的彈性模量，對于鋼材E=2.07×105MPa
La—載荷作用點距雙推支承的最大間隔，40mm
附圖a為日本精機生產的標準滾珠絲杠雙推—支承安裝時的軸向剛度圖。
圖3-3 滾珠絲杠軸向剛度圖
雙推—雙推安裝絲杠的軸向剛度
采用雙推—雙推安裝絲杠時，其軸向剛度計算公式為
式中 L—兩雙推支承端間隔，40mm
由上式可以看出，絲杠采用雙推—雙推方式安裝時，剛度也是變化的，且在處軸向剛度值最小，其最小值
附圖b為日本精機生產的標準滾珠絲杠雙推—雙推安裝時的軸向剛度圖。
?3.5.2 螺母的剛度
螺母剛度實為螺母組件的剛度，包括滾珠和絲杠、螺母螺紋滾道的軸向剛度。
根據赫茲接觸理論，滾珠和螺紋滾道間的軸向彈性變形量δN按下式計算
（μm） （3-16）
式中 α——滾珠的接觸角，（30°）
F——軸向載荷，8.93N
——滾珠直徑，3mm
Z——每圈有效載荷滾珠數
Z=πDm/(cosφ)=9
Dm——螺母公稱直徑，10mm
φ——螺旋升角，（90°）
1） 進給滾珠絲杠副為單螺母時，假如軸向工作載荷即是30％動額定載荷Ca，其剛度KN=0.8K′1（K′1為產品樣本尺寸表中給出的剛度值）；假如軸向載荷不即是30％動額定載荷Ca時，其軸向剛度按下式計算
? 2）帶預壓載荷的雙螺母軸向剛度
當預壓載荷Fao=0.1Ca時，其剛度KN按下式計算
?? ??KN=0.8K′1
???? 當Fao≠0.1Ca時，剛度KN計算公式為
????式中 Fao——預壓載荷，450N
??3.5.3支承軸承的剛度KB
不加預壓載荷時，軸承軸向剛度按下式計算
?? ??KB=F/δB
????式中 F——軸向載荷，320N
δB——軸承軸向彈性位移量，8.35μm
施加預壓載荷時，軸承軸向剛度計算公式為
????KB=3Fao/δao
????式中 Fao——軸向預壓載荷，346N
δao——在預壓載荷作用下，軸向彈性位移，9.51μm
各種軸承的軸向彈性位移量δB計算公式如下：
?、僮詣诱{心滾珠軸承
②圓錐滾柱軸承
③止推滾珠軸承
????式中 α——接觸角，（30°）
Q——加于軸承一個轉動體上的載荷，560N
d0——軸承轉動體的直徑，10mm
l——軸承滾柱的有效接觸長度，30mm
Z——軸承轉動體個數
??1 螺母及軸承支承部件的剛度
螺母支架的剛度，已在螺母剛度計算時乘以系數0.8計進。軸承安裝部件的剛度可通過采用高剛度支承部件解決。
??2 進給滾珠絲杠副的扭轉剛度
??影響進給滾珠絲杠副扭轉變形的主要因素是絲杠。下面僅就絲杠的扭轉剛度進行討論。
絲杠的扭轉剛度是指絲杠抵抗扭轉變形的能力，其計算公式為
（3-17）
式中KT—絲杠扭轉剛度，345N.mm/rad
θ—扭轉角，12rad
M—扭矩，0.84N.mm
G—絲杠材料抗剪彈性模量，對鋼材
G=8.24×104MPa
JP——截面慣性矩，對實心絲杠
，20mm4
3進給滾珠絲杠副的傳動剛度
在載荷作用下，進給滾珠絲杠副的軸向彈性變形為
絲杠的扭轉變形為
此角折算成滾珠絲杠副的軸向變形量為
式中 t——滾珠絲杠導程，110mm
故滾珠絲杠副總的軸向變形為
由可得
式中 K——進給滾珠絲杠副傳動剛度，280N/μm
由于δ2δ1，所以計算絲杠扭轉剛度KT時，x取以下數值
4 結論與展望
4.1課題總結
本文以探傷爬壁機器人的設計為主線，在系統(tǒng)地綜述了國內外爬壁機器人研究發(fā)展概況以及未來發(fā)展趨勢的基礎上，針對鋼鐵墻面的特點和探傷作業(yè)的要求，對爬壁機器人的本體結構進行了合理的設計,并結合理論力學的相關知識，對爬壁機器人的穩(wěn)定性進行了研究。
論文取得的主要研究成果如下：
1．通過對國內外爬壁機器人的研究，確定了筒壁爬行機器人的吸附方式、移動方式、驅動方式、傳動方式執(zhí)行機構方式最終設計出了采用永磁磁性輪的爬行機器人本體結構，機器人采用后輪驅動方式，由兩個步進電機提供動力，通過蝸輪蝸桿減速后傳遞到后車輪軸帶動車輪轉動。另外設計出了執(zhí)行機構探頭，由電機、絲桿及滾珠絲杠構成，是探頭能實現上下運動。
2．論文對機器人進行受力分析，通過計算得出了機器人需要的吸附力以及驅動力，確定了機器人的基本參數。
3．論文對機器人設計的合理性進行了校核，保證各部件均能滿足要求，確定了方案的可行性。
4.2課題展望
本課題為磁吸附式核電筒體探傷車機構設計，文中對探傷車的本體機構進行了設計與計算，由于探傷爬壁機器人的研究設計所涉及到的技術知識面較廣，其所需完成的工作量大，受時間和經驗限制，本課題對其研究尚很有限，在該方向上很多后續(xù)工作需要完成。
1.本課題的研究目前還只能停留在理論與圖紙階段。由于不具備充足的實驗條件，沒有做出探傷機器人的實物，課題中所需的一些實際參數也不能精確得到確定與論證。
2.本課題主要著眼于探傷機器人的結構設計，對機器人的一些控制系統(tǒng)未做具體設計與驗證。
3.本課題在探頭設計方面還不全面，未能設計出多自由度靈活的探頭機構，現有探頭僅能實現上下運動。
4.由于永磁體磁吸附力計算復雜，本課題在磁吸附力方面沒有具體計算，因而對永磁車輪結構沒做具體設計。
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