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工程设计学报
工程设计学报  2025, Vol. 32 Issue (2): 159-168    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.165
机器人与机构设计     
风力发电机叶片检测机器人的设计与分析
张岩1(),胡晓林2,王凯铭2,黄华2()
1.甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730050
2.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050
Design and analysis of wind-generator set blade inspection robot
Yan ZHANG1(),Xiaolin HU2,Kaiming WANG2,Hua HUANG2()
1.Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute, Lanzhou 730050, China
2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China
 全文: PDF(3396 KB)   HTML
摘要：

针对风力发电机叶片检测难度大及传统机器人检测效果不佳的问题，设计了一种基于足履式移动和复合式吸附的风机叶片检测机器人。首先，对机器人在叶片表面移动时的力学特性进行建模，计算其无滑移和倾覆时所需的吸附力，并根据计算结果进行设备元件的选型；其次，根据机器人结构特性，设计相应的控制系统，并对其在叶片表面的移动步态进行规划与分析；最后，通过实验验证了机器人设计方案的有效性。实验结果表明，该机器人具备灵活的移动能力和良好的吸附性能，能够满足风机叶片检测的实际需求。研究结果促进了机器人在风机叶片检测中的实际应用，还为相关领域自动化检查技术的进步和推广提供了参考。
关键词： 足履式移动;  复合吸附;  叶片检测机器人;  气压驱动    
Abstract:

Aiming at the difficulty of wind-generator set blade inspection and the poor effect of traditional robot inspection, a wind-generator set blade inspection robot based on legged-and-tracked movement and hybrid adsorption was designed. Firstly, the mechanical characteristics of the robot moving on the blade surface were modeled, the required adsorption forces were calculated under the conditions of slip-free and overturning-free motion, and the equipment components were selected according to the calculation results. Secondly, according to the robot's structural characteristics, the corresponding control system was designed, and its moving gaits on the blade surface were planned and analyzed. Finally, the experiments were conducted to verify the effectiveness of the robot design scheme. The experimental results demonstrated that the robot had flexible moving ability and good adsorption performance, which could meet the actual demand of blade inspection. The research results not only promote the practical application of the robot in wind-generator set blade inspection, but also provide a reference for the progress and popularization of automatic inspection technology in related fields.
Key words: legged-and-tracked movement    composite adhesion    blade inspection robot    pneumatic actuation
收稿日期: 2024-08-22 出版日期: 2025-05-06
CLC:  TP 242  
基金资助: 甘肃省市场监督管理局科技计划项目(SSCJG-TS-A202203);甘肃省特种设备检验检测研究院重点研发项目(T202102)
通讯作者: 黄华     E-mail: 79144469@qq.com;hh318872@126.com
作者简介: 张　岩（1982—），男，高级工程师，硕士，从事风力发电机叶片故障诊断研究，E-mail: 79144469@qq.com
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张岩
胡晓林
王凯铭
黄华

引用本文:

张岩,胡晓林,王凯铭,黄华. 风力发电机叶片检测机器人的设计与分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 159-168.

Yan ZHANG,Xiaolin HU,Kaiming WANG,Hua HUANG. Design and analysis of wind-generator set blade inspection robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(2): 159-168.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.165    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I2/159

图1  风力发电机叶片检测机器人结构
图2  履带机构结构
图3  磁吸履带受力示意图
符号含义
f单侧磁吸履带受到的摩擦力
Fn单侧磁吸履带受到的塔筒壁面的支持力
Fm单侧履带对塔筒壁面的吸附力
fi第i节履带受到的摩擦力
Fn, i第i节履带受到的塔筒壁面的支持力
Fm, i第i节履带对塔筒壁面的吸附力
Li第i节履带到第1节履带的直线距离
L履带下轴心a到上轴心b的距离
H质心c到塔筒壁面的垂直距离
表1  磁吸履带受力参数
图4  足式移动机构
图5  气缸受力示意图
图6  吸盘机构
图7  壁面倾角对吸盘吸附力的影响
图8  机架结构
图9  控制系统结构
图10  气动控制系统原理示意图
图11  气缸驱动原理示意
图12  电路控制原理图
图13  吸盘过渡切换示意
图14  机器人 X 方向步态规划
图15  机器人 Y 方向步态规划
图16  吸附机构吸附力测试
图17  机器人吸附在90°倾角的墙面
图18  机器人吸附在60°倾角的木板表面
图19  吸附机构吸附在曲率壁面
图20  机器人移动实验
1 陈先龙， 王秀丽， 陈洁， 等. 考虑分布式可再生能源交易的风电商与电动汽车充电站协同优化调度［J］. 电网技术， 2023， 47（11）： 4598-4610.
CHEN X L， WANG X L， CHEN J， et al. Optimal collaborative scheduling of wind power operators and electric vehicle charging stations considering distributed renewable energy trading［J］. Power System Technology， 2023， 47（11）： 4598-4610.
2 王道累， 肖佳威， 刘易腾， 等. 风电机组叶片损伤检测技术研究与进展［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（12）： 4614-4631.
WANG D L， XIAO J W， LIU Y T， et al. Research and development of wind turbine blade damage detection technology［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（12）： 4614-4631.
3 张小俊， 吴亚淇， 刘昊学， 等. 轮足式磁吸附越障爬壁机器人设计与分析［J］. 机械工程学报， 2024， 60（1）： 248-261. doi：10.3901/jme.2024.01.248
ZHANG X J， WU Y Q， LIU H X， et al. Design and analysis of wheel-footed magnetic adsorption wall-climbing robot with passing obstacles capability［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（1）： 248-261.
doi: 10.3901/jme.2024.01.248
4 杨培， 张明路， 孙凌宇. 爬壁机器人磁黏附模块设计分析与参数优化［J］. 工程设计学报， 2024， 31（5）： 592-602.
YANG P， ZHANG M L， SUN L Y. Design analysis and structural parameter optimization for magnetic adsorption module of wall-climbing robot［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2024， 31（5）： 592-602.
5 郑勇峰， 刘昊学. 自适应轮足式爬壁机器人设计与分析［J］. 机械设计， 2021， 38（9）： 105-112.
ZHENG Y F， LIU H X. Design and analysis of the self-adaptive wheel-footed wall-climbing robot［J］. Journal of Machine Design， 2021， 38（9）： 105-112.
6 霍平， 徐阳阳， 于江涛， 等. 一种新型足式爬壁机器人设计［J］. 实验室研究与探索， 2021， 40（10）： 77-81.
HUO P， XU Y Y， YU J T， et al. Design of a new foot wall climbing robot［J］. Research and Exploration in Laboratory， 2021， 40（10）： 77-81.
7 徐阳阳， 于江涛， 李占贤， 等. 足式爬壁机器人的控制系统和实验研究［J］. 传感器与微系统， 2023， 42（9）： 14-17.
XU Y Y， YU J T， LI Z X， et al. Control system and experimental research of foot-type wall-climbing robot［J］. Transducer and Microsystem Technologies， 2023， 42（9）： 14-17.
8 LEE D G， OH S， SON H I. Wire-driven parallel robotic system and its control for maintenance of offshore wind turbines［C］//2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation. New York： IEEE， 2016： 902-908.
9 SAHBEL A， ABBAS A， SATTAR T. System design and implementation of wall climbing robot for wind turbine blade inspection［C］//2019 International Conference on Innovative Trends in Computer Engineering. New York： IEEE， 2019： 242-247.
10 李响， 刘书海， 肖华平， 等. 风电叶片检测机器人设计与运动仿真研究［J］. 现代制造工程， 2023（4）： 51-58.
LI X， LIU S H， XIAO H P， et al. Design and motion simulation of a wind turbine blade detection robot［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2023（4）： 51-58.
[1] 覃超,唐东林,游东潘,丁超,饶胜,何媛媛. 基于改进RTAB-Map算法的爬壁机器人导航研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(1): 32-41.
[2] 杨培,张明路,孙凌宇. 爬壁机器人磁吸附模块设计分析与结构参数优化[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 592-602.
[3] 刘鑫,李飞虎. 基于概率-区间混合模型的六足机器人运动稳定性优化设计方法[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 585-591.
[4] 朱慧轩,崔广泽,李炳南,郭凯,王蔚,李松. 面向皮肤大面积损伤修复的原位打印系统工作空间分析[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 529-537.
[5] 张博洋,冯永利,黄金凤,黄宝旺. 新型水冷壁机器人设计及其电永磁轮研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 446-455.
[6] 许哲,代威,曹宇,李永国,张舜. 欠驱动型ROV改进设计与纵倾优化[J]. 工程设计学报, 2024, 31(4): 483-490.
[7] 俞青松,徐向荣,刘胤真. 基于Transformer的机器人像素级抓取位姿检测[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 238-247.
[8] 张瑞,蒋婉玥. 基于视觉跟踪与自主导航的移动机器人目标跟随系统[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 687-696.
[9] 田雅琴,胡梦辉,刘文涛,侯寅智. 基于跳点搜索-遗传算法的自主移动机器人路径规划[J]. 工程设计学报, 2023, 30(6): 697-706.
[10] 李明烁,孟令帅,谷海涛,曹新星,张明远. 基于 USV的 AUV布放回收系统设计与实现[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 650-656.
[11] 李琦琦,徐向荣,张卉. 基于自适应神经网络的机械臂滑模轨迹跟踪控制[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 512-520.
[12] 陈贵亮,李子浩,蔡超,李永超,杨冬. 基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 362-371.
[13] 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.
[14] 张春燕,江毅文,杨杰,蒋新星. 可变向多地形移动全R副并联机器人[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 189-199.
[15] 丁杨,张明路,焦鑫,李满宏. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 154-163.