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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (3): 334-341    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031
机器人与机构设计     
爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化
张栋(),杨培(),黄哲轩,孙凌宇,张明路
河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
Design and optimization of pendulous magnetic adsorption mechanism for wall-climbing robots
Dong ZHANG(),Pei YANG(),Zhexuan HUANG,Lingyu SUN,Minglu ZHANG
School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
 全文: PDF(4821 KB)   HTML
摘要：

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题，分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足，并以轮式爬壁机器人为研究对象，根据爬壁机器人的功能要求，设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量，同时提高其吸附可靠性，基于高磁能利用率的目标，采用SNLP（sequential non-linear programming，连续非线性规划）算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化，优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机，开展了吸附力测试实验和卸磁实验，并将其安装在爬壁机器人上，开展了运动性能测试实验，验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。
关键词： 爬壁机器人;  悬摆式磁吸附机构;  磁路仿真分析;  参数优化    
Abstract:

In order to solve the problems of poor wall adaptability and low movement flexibility of wall-climbing robots, the shortcomings of the existing magnetic adsorption mechanism of wall-climbing robots were analyzed. Taking a wheeled wall-climbing robot as research object, a wall adaptive pendulous magnetic adsorption mechanism was designed based on the functional requirements of wall-climbing robots. A comparative analysis was conducted between the pendulous magnetic adsorption mechanism and the traditional magnetic adsorption wheel by Ansoft software. In order to further reduce the mass of the magnetic adsorption mechanism and improve its adsorption reliability, based on the goal of high magnetic energy utilization, SNLP (sequential non-linear programming) algorithm was used to optimize the structural parameters of the pendulous magnetic adsorption mechanism. After optimization, the adsorption force of the magnetic adsorption mechanism was increased by 25.52%. A prototype of pendulous magnetic adsorption wheel was developed and the adsorption force testing experiment and demagnetization experiment were conducted. Motion performance testing experiment was carried after installing the pendulous magnetic adsorption wheel on a wall-climbing robot to verify the rationality of the optimization results of the structural parameters of the magnetic adsorption mechanism and the practicality of the structural design. The research results provide a reference for improving the working performance of wall-climbing robots.
Key words: wall-climbing robot    pendulous magnetic adsorption mechanism    magnetic circuit simulation analysis    parameter optimization
收稿日期: 2022-06-04 出版日期: 2023-07-06
CLC:  TP 242.2  
基金资助: 国家重点研发计划资助项目(2018YFB1309400);河北工业大学学科交叉方向研究生培养资助项目(HEBUT-Y-XKJC-2021119)
通讯作者: 杨培     E-mail: 2010078@hebut.edu.cn;yang_p1993@163.com
作者简介: 张 栋（1985—），男，河北黄骅人，讲师，硕士，从事智能机器人技术研究，E-mail: 2010078@hebut.edu.cn, http://orcid.org/0009-0006-6423-4545
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张栋
杨培
黄哲轩
孙凌宇
张明路

引用本文:

张栋,杨培,黄哲轩,孙凌宇,张明路. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 334-341.

Dong ZHANG,Pei YANG,Zhexuan HUANG,Lingyu SUN,Minglu ZHANG. Design and optimization of pendulous magnetic adsorption mechanism for wall-climbing robots[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(3): 334-341.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I3/334

图1  现有的磁吸附机构
图2  悬摆式磁吸附机构
图3  爬壁机器人整体结构
图4  爬壁机器人传动机构的结构
图5  悬摆式磁吸附机构的结构
图6  磁吸附机构的3D模型
图7  磁吸附机构的磁场分布
图8  磁吸附机构车轮径向磁场强度的变化
图9  爬壁机器人在竖直方向的受力
图10  悬摆式磁吸附机构结构参数示意
图11  悬摆式磁吸附机构的有限元模型
图12  悬摆式磁吸附机构结构参数的优化过程
优化前后r /mmα /(°)H/mmFm/NGg /Nλ
优化前25356104.162.15-0.39
优化后2039.645.03129.932.609.59
变量取整20405130.752.639.79
表1  优化前后悬摆式吸附机构的结构参数和性能参数
图13  悬摆式磁吸附机构吸附力测试实验现场
图14  悬摆式磁吸附机构卸磁操作示意
图15  爬壁机器人样机及运动性能测试场地
图16  爬壁机器人运动过程
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