风电塔筒用变曲率自适应爬壁机器人运动特性分析与磁吸附模块优化

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.144

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (2): 169-181 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.144

机器人与机构设计

风电塔筒用变曲率自适应爬壁机器人运动特性分析与磁吸附模块优化

李享¹(

),李科²,张明路¹(

),高春艳¹,李满宏¹

^1.河北工业大学机械工程学院，天津 300401
^2.台山核电合营有限公司，广东台山 529228

Motion characteristics analysis and magnetic adsorption module optimization of variable curvature adaptive wall-climbing robot for wind power tower

Xiang LI¹(

),Ke LI²,Minglu ZHANG¹(

),Chunyan GAO¹,Manhong LI¹

^1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
^2.Taishan Nuclear Power Joint Venture Co. , Ltd. , Taishan 529228, China

全文: PDF(6786 KB) HTML

摘要：

针对传统爬壁机器人无法自适应风电塔筒变曲率壁面的问题，以轮式移动机构的快速稳定性和转弯灵活性为出发点，分析了轮式移动机构在变曲率壁面上运动时的姿态变化，并以此为基础设计了一种采用分体轮式移动和间隙式永磁吸附技术的新型爬壁机器人。首先，建立了多状态下的爬壁机器人运动模型，分析了机器人利用自身分体结构的姿态调整实现在变曲率壁面上移动时的自适应运动特性；然后，对爬壁机器人的磁吸附模块进行了优化，通过参数化分析得到了高吸附效率下的最优结构参数。实验结果表明，新型爬壁机器人结构设计合理，能够实现在变曲率壁面上的自适应可靠运动。所设计的爬壁机器人可为风电塔筒的维护作业提供高效、安全的解决方案，具有重要的工程应用价值。

关键词： 爬壁机器人; 变曲率自适应; 姿态调整; 分体轮式移动; 永磁吸附

Abstract:

Aiming at the problem that traditional wall-climbing robots cannot adapt to the variable curvature wall of wind power towers, taking the fast stability and turning flexibility of the wheeled mobile mechanism as the starting point, the attitude change of the wheeled mobile mechanism moving on the variable curvature wall was analyzed, and on this basis, a new wall-climbing robot adopting split wheeled movement and gap permanent magnetic adsorption technology was designed. Firstly, a multi-state motion model for the wall-climbing robot was established, and the adaptive motion characteristics of the robot moving on the variable curvature wall by using the attitude adjustment of its own split structure were analyzed. Then, the magnetic adsorption module of the wall-climbing robot was optimized, and the optimal structural parameters under high adsorption efficiency were obtained through parametric analysis. The experiment results showed that the structural design of the new wall-climbing robot was reasonable, and it could realize the adaptive and reliable motion on the variable curvature wall. The designed wall-climbing robot can provide an efficient and safe solution for the maintenance of wind power towers, which has important engineering application value.

Key words: wall-climbing robot variable curvature adaptive attitude adjustment split wheeled movement permanent magnetic adsorption

收稿日期: 2024-05-27 出版日期: 2025-05-06

CLC:

TH 122

基金资助: 中央引导地方科技发展资金资助项目(226Z1811G);河北省高等学校科学技术研究项目(JZX2023015)

通讯作者: 张明路 E-mail: 13315583895@163.com;zhangml@hebut.edu.cn

作者简介: 李　享（1999—），男，硕士生，从事特种机器人应用研究，E-mail: 13315583895@163.com，https://orcid.org/0009-0004-7181-6557

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引用本文:

李享,李科,张明路,高春艳,李满宏. 风电塔筒用变曲率自适应爬壁机器人运动特性分析与磁吸附模块优化[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 169-181.

Xiang LI,Ke LI,Minglu ZHANG,Chunyan GAO,Manhong LI. Motion characteristics analysis and magnetic adsorption module optimization of variable curvature adaptive wall-climbing robot for wind power tower[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(2): 169-181.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.144 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I2/169

图1 分体式柔性变曲率自适应爬壁机器人结构

图2 柔性连接模块示意图

图3 柔性铰链结构示意图

表1 柔性铰链关键尺寸参数 (mm)

图4 作业前端快速换装示意图

图5 传统爬壁机器人的曲面姿态简图

图6 变曲率自适应爬壁机器人曲面姿态简图

图7 α—R及h1—R的关系曲线

图8 优化后变曲率自适应爬壁机器人曲面姿态简图

图9 α—R—h2关系曲面

图10 爬壁机器人原地转弯的 XOY 面投影

图11 爬壁机器人原地转弯的 XOZ 面投影

图12 α1'—θ—R关系曲面

图13 α1'—θ—h2关系曲面

图14 α1'—R—h2关系曲面

性能参数	数值
剩磁感应强度 $/ m T$	$1 ? 380 ~ 1 ? 420$
矫顽力 $/ k A / m$	923
最大磁能 $/ k J / m 3$	$366 ~ 390$
最高工作温度 $/ ℃$	$80$

表2 NdFeB-N48性能参数

图15 磁吸附模块结构示意图

图16 磁吸附模块的磁感应强度云图

图17 磁吸附模块结构参数

参数	初始值	参数	初始值
$φ 1 / °$	11	$h / m m$	28
$φ 2 / °$	11	$d / m m$	105
$φ 3 / °$	11	$t / m m$	5
$φ 4 / °$	11

表3 磁吸附模块结构参数初始值

图18 磁吸附模块参数化分析结果

参数	优化前	优化后
$φ 1 / °$	11	8
$φ 2 / °$	11	16
$φ 3 / °$	11	10
$φ 4 / °$	11	6
$h / m m$	28	26
d $/ m m$	105	105
t $/ m m$	5	6
$F m / N$	1 796.2	1 833.6
$η / N / k g$	350.7	403.9

表4 磁吸附模块优化结果

图19 磁吸附模块总吸附力随距壁间隙的变化曲线

图20 磁吸附模块总吸附力随壁面厚度的变化曲线

图21 变曲率自适应爬壁机器人系统

参数	数值
机身尺寸^①/(mm $×$ mm $× m m$ )	680 $×$ 500 $×$ 410
质量/kg	55
最大负载/kg	110
载重自重比	2
可适应曲率半径/mm	$≥ 1 ? 500$
最大移动速度/(m/min)	8

表5 爬壁机器人参数

图22 爬壁机器人负载测试现场

图23 爬壁机器人变曲率自适应运动实验

图24 爬壁机器人稳定性与灵活性测试实验

图25 爬壁机器人纵向、斜向运动时铰链处摆角的变化情况

图26 爬壁机器人转弯实验

图27 爬壁机器人转弯时铰链处摆角的变化情况

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