新型水冷壁机器人设计及其电永磁轮研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.211

新型水冷壁机器人设计及其电永磁轮研究

张博洋^,^,¹, 冯永利^,¹^,², 黄金凤¹^,², 黄宝旺¹^,²

1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063000

2.河北省工业机器人产业技术研究院，河北唐山 063000

Design of new water-cooled wall robot and research of its electro permanent magnet wheel

ZHANG Boyang^,^,¹, FENG Yongli^,¹^,², HUANG Jinfeng¹^,², HUANG Baowang¹^,²

1.School of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China

2.Industry and Technology Research Institute of Industrial Robot in Hebei, Tangshan 063000, China

通讯作者: 冯永利（1983—），男，讲师，博士，从事先进机器人技术研究，E-mail: fengyongli@ncst.edu.cn

收稿日期: 2023-11-01 修回日期: 2023-12-25

基金资助:

河北省省属高等学校基本科研业务费研究项目.  JQN2022005
唐山市机器人机构学理论基础创新团队研究项目.  21130208D
河北省创新能力提升计划项目.  225676144H
河北省科技重大专项项目.  23261801Z

Received: 2023-11-01 Revised: 2023-12-25

作者简介 About authors

张博洋（1995—），男，硕士生，从事智能装备研究，E-mail:2714981237@qq.com,https://orcid.org/0009-0000-6457-5290 , E-mail：2714981237@qq.com

摘要

火力发电厂的锅炉水冷壁需要定期检测和清扫，采用水冷壁机器人可以提高检测和清扫的效率。针对水冷壁面复杂的工作环境，研发了一种新型水冷壁机器人。对机器人的结构和工作原理进行了介绍；为了保证机器人在水冷壁面运动灵活且有可靠的吸力，设计了一款电永磁轮；通过Maxwell仿真并结合实验得出了使电永磁轮充/退磁所需的电流激励以及轮子吸力，设计了电永磁轮充/退磁电路；介绍了机器人本体的控制系统，搭建了机器人横向行走实验平台，对机器人运动的协同性和稳定性进行了验证。实验结果表明：机器人内、外腿依次交替吸附并前移，实现了抬腿、迈步、落腿等步态，运动稳定；机器人落腿时磁力产生，抬腿时磁力消失，机器人兼具吸附稳定性和运动灵活性；电永磁轮结构简单，体积小，质量小，耗电少，可提供150 N左右的吸力。研究结果为爬壁机器人在水冷壁清扫和检测中的应用提供了参考。

关键词： 水冷壁机器人 ; 电永磁 ; 磁吸力 ; 充/退磁电路

Abstract

The water-cooled wall of boiler in thermal power plants needs to be inspected and cleaned regularly. Using water-cooled wall robot can improve the efficiency of inspection and cleaning. In view of the complex working environment of water-cooled wall, a new type of water-cooled wall robot was developed. The robot structure and working principle were introduced. In order to ensure the robot to move flexibly and have reliable suction on the water wall, an electric permanent magnet wheel was designed. Through Maxwell simulation and experiment, the current excitation required to magnetize/demagnetize the electric permanent magnet wheel and wheel suction were obtained, and the electric permanent magnet wheel magnetize/demagnetization circuit was designed. The control system of the robot body was introduced, and the experimental platform for lateral walking of the robot was built to verify the cooperation and stability of the robot motion. The experimental results showed that the inner and outer legs of the robot could adsorb and move forward alternately, and realize the gait of lifting, stepping and dropping legs, and the movement was stable. The magnetic force was produced when the robot droped its legs and disappeared when it lifted its legs. The robot had both adsorption stability and movement flexibility. The electric permanent magnet wheel had simple structure, small size, small mass, less power consumption, and could provide about 150 N suction. The research results provide a reference for the application of wall-climbing robot in the cleaning and detection of water-cooled walls.

Keywords： water-cooled wall robot ; electric permanent magnet ; magnetic attraction ; magnetization/demagnetization circuit

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本文引用格式

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 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.211

ZHANG Boyang, FENG Yongli, HUANG Jinfeng, HUANG Baowang. Design of new water-cooled wall robot and research of its electro permanent magnet wheel[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(4): 446-455 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.211

本文链接：https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.211

锅炉水冷壁表面在使用过程中会产生积灰、结焦、磨损和腐蚀等情况，严重时会发生爆管等事故，因此必须对水冷壁进行定期清扫和检修^[1]。当前，大多数火力发电厂采用人工清扫和检修的方式，需要在锅炉内搭建脚手架^[2]，导致清扫和检测周期长，对工人的健康安全也有危害。采用水冷壁机器人进行清扫和检测，可以大大提高工作效率，并将工人从恶劣的环境中解脱出来。目前，水冷壁机器人的吸附方式以永磁吸附和电磁吸附为主。如：李博等^[3-4]设计的水冷壁检测机器人采用的是永磁吸附方式，马孝栋等^[5]设计的一款检测端可横向调节的水冷壁机器人采用的是电磁吸附方式。但是，采用永磁吸附方式的水冷壁机器人的吸附力不能改变，在机器人完成爬壁作业后很难从壁面取下。电磁轮的吸附力虽然可以改变，但是工作时需要一直通电，当意外断电时极易发生危险，安全性较差。针对以上问题，作者设计了一款新型水冷壁机器人。该机器人采用电永磁轮吸附，在水冷壁面作业时能够实现落腿时磁力产生、抬腿时磁力消失。电永磁轮只需一个持续几毫秒的强电流脉冲来充磁与退磁，轮子吸附在壁面时无需持续通电，线圈几乎不发热，能耗低，使用寿命长，安全性高；每个轮子可提供150 N左右的吸力，且结构简单，体积小，质量小。

1 新型水冷壁机器人的结构与工作原理

火力发电厂的锅炉水冷壁由水管焊接而成，水管之间用鳍片连接。由于水冷壁表面凹凸不平，水冷壁机器人除了具备壁面吸附和移动作业这两大基本功能外，还需有越障能力，而因为要携带清扫和检测设备，还要求有负重能力。现有的水冷壁机器人多通过磁吸附产生摩擦力的方式来平衡机器人的自重，但机器人的负重能力都不强。因此，作者提出了采用绳索吊装机器人本体的方案，如图1所示。在水冷壁面的左上角和右上角分别放置一个吊绳机构，机器人本体上装有电永磁轮。其竖向行走通过吊绳机构收/放绳实现，此时电永磁轮吸附在壁面上；横向行走通过机器人本体实现，此时吊绳机构用于平衡机器人重力。

图1

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图1 机器人工作方案示意

1—机器人本体；2—电永磁轮；3—水冷壁面；

4—绳索；5—吊绳机构。

Fig.1 Schematic of robot working scheme

新型水冷壁机器人是一款腿足式机器人，其本体结构如图2所示。4个电机与内外4条丝杠相连并连接在外框架的一侧；内框架与外框架相连，起到提高机器人结构刚度的作用；内腿滑块与里侧的2条丝杠配合移动，外腿滑块与外侧的2条丝杠配合移动，内腿滑块和外腿滑块各有一组对角设置有丝杠螺母，另一组未设置。通过电机旋转改变丝杠上两滑块的距离，从而实现机器人腿部的抬起和下落：两滑块距离增大时，腿落下吸附在壁面上；两滑块距离减小时，腿抬起向前移动。通过内、外腿的交替支撑和前移实现机器人行走^[6-7]。

图2

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图2 机器人本体结构

1—电机组；2—内腿滑块（有丝杠螺母）；3—外框架；4—丝杠；5—外腿滑块（有丝杠螺母）；6—内腿滑块（无丝杠螺母）；7—外腿滑块（无丝杠螺母）；8—内框架；9—内腿组件；10—外腿组件。

Fig.2 Body structure of robot

机器人本体结构简图如图4所示。图中，OB为控制外腿后滑块移动的电机，OF为控制外腿前滑块移动的电机，IB为控制内腿后滑块移动的电机，IF为控制内腿前滑块移动的电机。

图3

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图3 机器人本体结构简图

1—内腿后滑块；2—内腿前滑块；3—外腿后滑块；4—外腿前滑块。

Fig.3 Schematic diagram of body structure of robot

图4

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图4 机器人外腿和内腿组件

1—丝杠；2—后滑块（有丝杠螺母）；3—前滑块（无丝杠螺母）；4—前滑块（有丝杠螺母）；5—后滑块（无丝杠螺母）；6—轴承座；7—外足；8—拉杆；9—滑块连接板；10—丝杠；11—后滑块（有丝杠螺母）；12—前滑块（有丝杠螺母）；13—前滑块（无丝杠螺母）；14—后滑块（无丝杠螺母）；15—拉杆；16—轴承座；17—内足；18—滑块连接板。

Fig.4 Assembly of outer leg and inter leg of robot

机器人外腿和内腿组件如图4所示。外滑块连接板底端与足部通过拉杆联接。整体上机器人内腿组件采用与外腿组件相同的结构。

2 电永磁轮的结构与工作原理

机器人本体在横向移动时需要抬腿与落腿。为了保证机器人的吸附稳定性和行走灵活性，要求在机器人落腿时磁力产生，抬腿时磁力消失。针对这一要求，本文提出了一种电永磁轮。

2.1　电永磁轮结构

电永磁轮的结构如图5所示（省略了螺栓和螺母等紧固件），主要由左右轴、左右磁极块、尼龙套、线圈和铝镍钴永磁体等组成。右轴和右磁极块均开有中心通孔以方便线圈外接导线；左右磁极块的材料为电工纯铁DT4，左右轴则由铝合金制成；位于轮子中心轴线上的永磁体呈圆柱形，材料采用矫顽力低的铝镍钴，牌号为LNG52；线圈由漆包铜线制成，缠绕在永磁体上，用于给永磁体充/退磁；磁极块、尼龙套、线圈、永磁体之间的间隙用环氧树脂胶填充。电永磁轮需搭配电滑环使用。

图5

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图5 电永磁轮结构

1—左轴；2—左磁极块；3—尼龙套；4—线圈；5—铝镍钴永磁体；6—右磁极块；7—右轴。

Fig.5 Structure of electric permanent magnet wheel

电永磁轮行走在2根水冷壁管上，如图6所示。尼龙套起到轮子的定位与导向作用，防止轮子左右偏移。电永磁轮作业时，永磁体与左右磁极块、水冷壁管组成磁路。

图6

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图6 电永磁轮行走示意

Fig.6 Walking scheme of electric permanent magnet wheel

2.2　电永磁轮工作原理

电永磁轮的工作原理为：线圈缠绕在LNG52永磁体上组成螺线管；当线圈通入正向电流时，产生正向磁场，对永磁体充磁；当线圈通入反向电流时，产生反向磁场，对永磁体退磁。

2.2.1　永磁体充/退磁过程

永磁体的起始磁化曲线、磁滞回线、退磁曲线如图7所示^[8-9]。

图7

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图7 永磁体的起始磁化曲线、磁滞回线和退磁曲线

Fig.7 Initial magnetization curve, hysteresis loop and demagnetization curve of permanent magnet

起始磁化曲线和磁滞回线如图7(a)所示。 $\hat{O a}$ 段为起始磁化曲线：永磁体充磁时，其磁感应强度B会随着外加磁场强度H的增大而增大，当磁感应强度增加到B_m（a点）后几乎不再增大，此时永磁体饱和磁化。若撤去外加磁场，磁感应强度会减小到B_r^[10]，B_r便是剩磁。这是永磁体充磁过程。

当外加磁场按H_m $\to$ 0 $\to$ -H_c $\to$ -H_m $\to$ 0 $\to$ H_c $\to$ H_m变化时（其中H_c为永磁体的矫顽力），磁感应强度B的变化呈一闭合曲线，这一闭合曲线便为磁滞回线。磁滞回线表明磁性材料具有回复特性。磁滞回线的第2象限部分称为B—H曲线。

退磁曲线如图7(b)所示。在磁路中永磁体有一工作点（W点），当外部施加直流电而产生反向磁场时，永磁体工作点会沿B—H曲线向下移动。当施加的反向磁场的强度大于H_c后，永磁体被反向充磁。若对永磁体施加一个略大于H_c的反向磁场H_cr，去除外部磁场后，磁性材料的回复特性会使其磁感应强度回到0。这是永磁体退磁过程。

2.2.2　通电螺线管磁场

任何通电导线的周围都会产生磁场。通电螺线管的磁场分布如图8所示^[11]。

图8

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图8 通电螺线管的磁场分布

Fig.8 Magnetic field distribution of electrified solenoid

多层密绕螺线管内部中心点产生的磁场强度为^[9]:

H = \frac{N I}{2 (R_{2} - R_{1})} \cdot l n \frac{R_{2} + \sqrt[]{{R_{2}}^{2} + l^{2}}}{R_{1} + \sqrt[]{{R_{1}}^{2} + l^{2}}}

(1)

式中：N为线圈匝数，I为导线中通入的电流，R₁为螺线管内径，R₂为线管外径， $l$ 为螺线管长度的一半。

3 电永磁轮充/退磁仿真及实验验证

3.1　充磁仿真

充磁仿真是为了研究在饱和充磁时水冷壁管所受的吸力，仿真过程如下。

1）建立模型。尼龙套和左右轴的相对磁导率与空气的相等，因此其用空气替代。线圈由线径为1 mm的漆包铜线紧密缠绕184匝而成，铜线层厚为4 mm，在Maxwell软件中可用空心圆柱体来替代。电永磁轮模型的尺寸如图9所示。

图9

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图9 电永磁轮模型尺寸

1—LNG52永磁体；2—右磁极块；3—左磁极块；4—线圈；5—水冷壁管。

Fig.9 Model dimension of electric permanent magnet wheel

2）定义材料参数。电永磁轮的材料参数如表1所示。表中，u为相对磁导率。纯铁DT4和Q235钢的B—H曲线分别如图10和图11所示^[14-15]。

表1 电永磁轮的材料参数

Table 1 Material parameters of electric permanent magnet wheel

零件	材料参数
LNG52永磁体	B_r=1.3 T, H_c=56 kA/m^[12-13]
左右磁极块（纯铁DT4）	B—H曲线
线圈（纯铜）	u=0.999 991
空气	u=1
水冷壁管（Q235钢）	B—H曲线

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图10

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图10 纯铁DT4的 B — H 曲线

Fig.10 B—H curve of pure iron DT4

图11

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图11 Q235钢的 B — H 曲线

Fig.11 B—H curve of Q235 steel

3）添加边界条件。

4）添加需求解的参数，设置求解器^[16]。将水冷壁管所受的力设为需求解的参数。

5）计算并显示结果。电永磁轮饱和充磁仿真结果如图12所示。

图12

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图12 电永磁轮饱和充磁仿真结果

Fig.12 Simulation results of saturation magnetization of electric permanent magnet wheel

由图12(a)可知，电永磁轮在工作时主要有2条磁路。磁路1：LNG52永磁体N极—右磁极块—水冷壁管—左磁极块—LNG52永磁体S极；磁路2：LNG52永磁体N极—右磁极块—空气—左磁极块—LNG52永磁体S极。

由图12(b)可知，在电永磁轮饱和充磁时，LNG52永磁体的磁场强度为两边大、中间小。为了简化分析，取永磁体的中心点作为永磁体的工作点（实际上永磁体各点处的磁场强度或磁感应强度是不相同的，为了便于退磁电流的计算，这里用永磁体中心点作为计算点）。经分析得出，工作点处B=1.21 T，H=-27.80 kA/m，H的方向与B的方向相反。电永磁轮饱和充磁后对水冷壁管的吸力为146.29 N。

LNG52永磁体饱和充磁的磁场强度约为100 kA/m^[17]，通过式(1)可求得饱和充磁时需通入的电流为32.4 A。

3.2　退磁仿真

在Maxwell软件的退磁模式下，对线圈添加电流激励，将水冷壁管所受的力、LNG52永磁体中心点的B和H设为需求解的参数，并设置瞬态求解器，进行电永磁轮退磁仿真。

正如图7(b)所示，退磁就是使永磁体工作点处的磁场强度为H_cr。由于并不知道H_cr的值，只知道H_cr略大于H_c，可以先用H_c替代H_cr来求出一个退磁电流，然后以该电流为参考，设置一组退磁电流进行仿真，得出使电永磁轮的吸力最小的电流值即可。在3.1节中已经求得永磁体中心点处B=1.21 T，H=-27.80 kA/m，而H_c=-56 kA/m，故需添加的反向外磁场强度为28.2 kA/m，由式(1)可求得线圈中需通入11.7 A的反向电流。以11.7 A为初始值、1 A为步长递增进行参数化仿真，求出不同电流对应的退磁曲线，结果如图13所示。由图可知，H_cr≈-56.199 7 kA/m。在对线圈通入16.7 A反向电流时，LNG52永磁体的中心点基本完全退磁。同时，通过仿真可知退磁后电永磁轮对水冷壁管的吸力几乎为0。

图13

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图13 不同电流下永磁体退磁曲线

Fig.13 Demagnetization curves of permanent magnet under different currents

3.3　实验验证

为了验证电永磁轮充/退磁仿真结果的正确性,搭建了电永磁轮充/退磁实验电路。充/退磁系统的电路结构为全桥逆变电路^[18]，如图14所示。该电路包括1个直流电源、4个带有反并联二极管的IGBT（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管）及由电感器L1和电阻器R1组成的负载线圈。充/退磁电路的工作原理为通过改变IGBT开关（Q1至Q4）的状态实现充/退磁电流方向的转变。充/退磁实验电路的开关状态如表2所示，实验电路如图15所示。

图14

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图14 全桥逆变电路

Fig.14 Full-bridge inverter circuit

表2 电永磁轮充/退磁实验电路的开关状态

Table 2 Switching state of magnetization/demagnetization experimental circuit of electric permanent magnet wheel

Q1	Q2	Q3	Q4	负载状态
导通	断开	断开	导通	充磁
断开	导通	导通	断开	退磁

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图15

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图15 电永磁轮充/退磁实验电路

Fig.15 Magnetization/demagnetization experimental circuit of electric permanent magnet wheel

首先，测出线圈的电阻为0.6 $Ω$ ，电感为0.61 mH。用单片机输出模拟电压来控制4 000 W电源的电压变化，用信号发生器输出一个高电平、持续1 s的脉冲信号来控制IGBT开通1 s，完成电永磁轮的充/退磁。用电子拉力计沿垂直壁面方向拉电永磁轮，记录轮体与水冷壁管临界分离时拉力计的读数^[19]，该读数减去电永磁轮自重即为轮子吸力。用万用表测出大电源的输出电压，该电压减去IGBT的导通压降即为线圈两端电压。充/退磁实验结果分别如表3和表4所示。

表3 电永磁轮充磁实验结果

Table 3 Experimental results of magnetization of electric permanent magnet wheel

测量次序	电压/V	电流/A	吸力/N
1	19.50	32.50	124.2
2	20.00	33.33	136.5
3	20.50	34.17	142.9
4	21.00	35.00	145.3
5	21.50	35.83	144.7
6	22.00	36.67	149.3

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表4 电永磁轮退磁实验结果

Table 4 Experimental results of demagnetization of electric permanent magnet wheel

测量次序	电压/V	电流/A	吸力/N
1	10.00	16.67	32
2	10.25	17.08	26
3	10.50	17.50	12
4	10.75	17.91	7
5	11.00	18.33	8
6	11.25	18.75	0
7	11.50	19.17	5
8	11.75	19.58	14

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实验中发现，只有当电流大于35.00 A时才能使电永磁轮完全充磁，若继续增大充磁电压，电永磁轮的吸力变化不大。电永磁轮饱和充磁后的吸力约为150 N。当用16.67 A的电流对电永磁轮退磁时，发现轮子仍有一定的吸力，若继续增大退磁电流，轮子吸力呈现先减小后增大的趋势，原因是永磁体在退磁后又被反向充磁了。当退磁电流为18.75 A时，轮子几乎没有吸力。实验测得的充磁电流和退磁电流均比仿真值大，但误差都没有超过3 A，验证了充/退磁仿真的正确性。

4 电永磁轮充/退磁电路设计

永磁体的充/退磁只与充/退磁电流的大小有关，与电流持续时间无关。充/退磁时，线圈中的电流密度会达到几百A/mm²。为了减少发热，必须缩短通电时间，因此采用脉冲电流在线圈中产生脉冲磁场的方法为永磁体充/退磁。本文采用电容放电的方式来产生充/退磁所需的脉冲电流。首先给电容充电，电容存储的电荷量 $Q = C U_{C}$ （式中：C为电容， $U_{C}$ 为电容两端的电压），电容瞬间放电产生的电流 $I = d Q / d t$ ，只要电容存储的电荷量足够，就能产生很大的电流脉冲。

设计的电永磁轮的充/退磁电路如图16所示。图中：充磁电源的电压为36 V，C1为充磁储能电容；退磁电源的电压为12 V，C2为退磁储能电容；U1、U2为可控硅，D1、D2、D3、D4为防倒流二极管，K1、K2为中间继电器。PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）通过控制中间继电器触点的开合来控制电路，先给电容充电，然后打开可控硅门极使励磁线圈放电，得到适当的电流脉冲给永磁体充/退磁。电路实物如图17所示，电路开关的状态如表5所示。

图16

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图16 电永磁轮充/退磁电路设计

Fig.16 Design of magnetization/demagnetization circuit of electric permanent magnet wheel

图17

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图17 电永磁轮充/退磁电路实物图

Fig.17 Object of magnetization/demagnetization circuit of electric permanent magnet wheel

表5 电永磁轮充/退磁电路的开关状态

Table 5 Switching state of magnetization/demagnetization circuit of electric permanent magnet wheel

K1	K1	K2	K2	C1	C2	负载状态
常闭	常闭	常开	常开	充电	放电	退磁
常开	常开	常闭	常闭	放电	充电	充磁

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电路中电容的放电过程是RLC串联电路的零输入响应。3种脉冲放电电流的波形如图18所示^[8]。以 $U_{C}$ 为未知量的常系数二阶微分方程为：

L C \frac{d^{2} U_{C}}{d t^{2}} + R C \frac{d U_{C}}{d t} + U_{C} = 0

I = C \frac{d U_{C}}{d t}

图18

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图18 3种脉冲放电电流波形

Fig.18 Three waveforms of pulse discharge current

在电容开始放电的初始瞬间， $U_{C} = U_{0}$ （ $U_{0}$ 为开始放电时电容电压的初始值）， $I = 0$ ，求得：

1）当 $R > 2 \sqrt[]{L / C}$ 时，式(2)的特征根为 $P_{1}$ 、 $P_{2}$ ， $I = U_{0} (e^{P_{1} t} - e^{P_{2} t}) / [L (P_{1} - P_{2})] > 0$ 。电流波形为有阻尼的正向脉冲波形，如图18的波形1。

2）当 $R = 2 \sqrt[]{L / C}$ 时，式(2)的特征根为 $- δ$ ， $I = U_{0} t e^{- δ t} / L$ 。电流波形为临界阻尼的正向脉冲波形，如图18的波形2。

3）当 $R < 2 \sqrt[]{L / C}$ 时，式(2)的特征根为 $- δ + j ω$ 、 $- δ - j ω$ ， $I = U_{0} e^{- δ t} s i n ω t / (ω L)$ （其中 $ω$ 为振荡角频率）。电流波形为有阻尼的减幅振荡正弦波形，如图18的波形3^[20]。

呈波形3的电流脉冲会导致永磁体在充磁（退磁）后又退磁（充磁），故须保证 $R \geq 2 \sqrt[]{L / C}$ ，即 $C \geq 6.78 m F$ ，此处取 $C = 22 m F$ 。当 $R > 2 \sqrt[]{L / C}$ 时，可求得充磁电流的峰值为51.5 A，大于饱和充磁所需的电流35.00 A；退磁电流峰值为18.6 A，与退磁实验值18.75 A很接近。

5 新型水冷壁机器人控制系统设计

机器人本体控制器采用施耐德电气有限公司生产的PLC，型号为TM258LF42DT。采用CAN（controller area network，控制器局域网）总线进行数据传输。机器人本体控制系统的结构框图如图19所示，控制系统实物如图20所示。

图19

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图19 机器人本体控制系统结构框图

Fig.19 Structure chart of control system of robot body

图20

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图20 机器人本体控制系统实物图

Fig.20 Object of control system of robot body

为了使控制系统轻量化，电机选用施耐德公司型号为1A0ILE1F661PB1A0的一体化驱动伺服电机，可与控制电路集成为非常紧凑的单元。控制电路具有绝对编码器的功能，能够实时反馈电机的工作状态，并集成了CANopen通信协议。

6 新型水冷壁机器人横向行走实验

为了验证新型水冷壁机器人的行走效果，进行机器人横向行走实验，观察机器人行走的协同性和稳定性。机器人行走实验现场如图21所示。实验中，滑轮悬挂在横梁上，在滑轮下面用钢丝绳吊装机器人。机器人向前迈步时，滑轮会沿着横梁随着机器人一起前移。

图21

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图21 机器人行走实验现场

Fig.21 Robot walking experimental site

机器人行走过程如图22所示。机器人完成1个爬行周期需执行6个步态。步态1：内腿支撑，外腿抬腿完成，为机器人初始状态，即4个电机处于回零状态，此时内腿上的电永磁轮吸附在壁面上。步态2：内腿支撑行走，外腿前移。步态3：外腿落腿完成，内腿抬腿开始，外腿上的电永磁轮瞬间充磁，外腿吸附在壁面上，内腿上的电永磁轮瞬间退磁，内腿开始脱离壁面，从而保证机器人在行走时一直吸附在壁面上。为了保证外腿落腿时稳定、无冲击，采用了反向落腿的方式。结合图4来说明反向落腿的具体过程：内腿支撑时机器人以速度v向前运动，当滑块3和4前移至距右轴承座10 mm时速度降为0，然后滑块4以速度v相对于机器人框架向后运动，滑块3向后先作加速运动、后作减速运动，当滑块3的速度降为v时，滑块3和4刚好满足落腿所需的位移差的要求，从而完成落腿，这样外腿落腿时相对于壁面的速度为0，从而实现稳定落腿。步态4：外腿支撑行走，内腿抬腿完成。步态5：外腿支撑行走，内腿前移。步态6：内腿反向落腿完成，外腿抬腿开始，内腿上的电永磁轮瞬间充磁，外腿上的电永磁轮瞬间退磁。步态1至步态6构成了机器人步态的一个周期。在整个实验过程中，没有出现机器人从壁面脱离的情况，也没有出现机器人在抬腿和前移的过程中出现卡顿的情况，机器人内、外腿能够协同动作，实现了稳定吸附和灵活运动。机器人的步距是管间距的整数倍，能够始终保证机器人落腿后行走在2根水冷壁管之上，实现了图6所示的行走方案。实验完成后，对电永磁轮退磁，可以很方便地将机器人从壁面分离。另外，由于机器人内框架的限制，机器人内腿的行程比外腿行程短。

图22

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图22 机器人行走过程

Fig.22 Robot walking process

7 结论

1）作者完成了新型水冷壁机器人工作方案的设计，对机器人本体结构进行了描述，并对机器人的电永磁轮进行了结构设计。电永磁轮结构简单，体积小，质量小，可提供150 N的吸力，完全可以满足水冷壁机器人所需吸附力的要求。

2）采用Maxwell软件对电永磁轮充/退磁进行了仿真，并结合实验得到了电永磁轮充/退磁电流和充/退磁后的轮子吸力。设计了电永磁轮充/退磁电路，分析了储能电容给励磁线圈放电的电流激励。

3）设计了机器人本体的控制系统，进行了机器人横向行走实验，验证了内、外腿交替支撑和前移的协同性和稳定性，实现了机器人抬腿时无吸力、落腿时具有可靠的吸力。机器人的横向行走兼具吸附稳定性和运动灵活性，在其完成作业后可对电永磁轮退磁，方便工作人员将机器人从壁面分离。

参考文献

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文中引用次数倒序

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孙连启

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