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摘要：爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，其能在垂直壁面上灵活移动，在极限条件下代替人工完成各种作业任务，是目前机器人研究领域的热点之一。此外，爬壁机器人作为一类特殊的机器人，在核工业、石化企业、建筑业等行业有着良好的应用前景。基于此，文章对风电塔筒爬壁机器人吸附结构设计进行了详细的论述。
关键词：风电塔筒；爬壁机器人；吸附结构设计
风能作为一种绿色环保能源，在世界各地区得到了广泛的应用。作为风能收集的载体——风电塔筒，因其在制造、装配等过程中存在的问题以及在长期使用后塔筒疲劳，易出现裂纹、表面锈蚀等现象，若不及时实施相应的检修措施会导致塔筒坍毁的严重事故。而爬壁机器人具有在高空壁面行走和负载等能力，可作为平台实现多种高空极限作业。因此，爬壁机器人在塔筒上的应用具有重要意义。
一、爬壁机器人简介
爬壁机器人又称磁吸附壁面移动机器人等，是特种机器人的一种，能凭借磁吸效应自动在大型金属立面或其它悬壁面连续进行清理工作。一般采用永磁吸附的方式吸附在金属壁面，从而完成壁面清理工作。通常，将完成清扫、除锈、喷漆的机器人，也统一归为磁吸附爬壁机器人或爬壁机器人。
此外，爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，而常见吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。其中负压方式可通过吸盘内产生负压而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式则有永磁体和电磁体两种方式，只适用于吸附导磁性壁面。爬壁机器人主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂。
二、爬壁机器人结构方案设计
1、整体方案布局。设计风电塔筒爬壁机器人目的是为了能替代人工对风电塔筒的检修，因此要求爬壁机器人能安装不同检修装置，并通过在工作表面进行运动，完成检修任务。
综合现有研究成果及生产需求，爬壁机器人要求达到的基本技术指标为：最大尺寸≤550×550×200mm；机器人总重≤40kg；移动速度6～8m•min-1；爬行高度80～120m；越障能力≥10mm；变径能力±6°。
同时，考虑应用场景，爬壁机器人结构设计由运动、吸附、底盘部分组成，其中，吸附部分又包括吸附结构设计、吸附力计算、吸附结构建模。
常见爬壁机器人吸附方式分为负压吸附、真空吸附及磁吸附，以上3种吸附方式都各有优缺点。
根据爬壁机器人应用场景，磁吸附结构对运动表面的材料要求较高，需要能被吸附的磁性材料；同时这种方式设计简单，相对其他吸附方式吸附力明显较大，对运动面形状要求不高。
磁吸附包括永磁体和电磁体两种吸附方式，前者结构简单、可靠性高。使用永磁吸附设备，不会因断电等意外情况出现吸附力消失以及设备从工作面坠落。
考虑风电塔筒曲率半径不断变化的特点，以及需要较大的吸附力等因素，爬壁机器人采用履带式行走方式，通过两台驱动电机驱动状态的不同，实现爬壁机器人直线及转弯运动。
2、旋转吸附机构模型的建立。风电塔筒外壁面曲率是变化的，不同高度直径不同，常见风电塔筒高约80m，塔筒整体呈锥形，最窄端口直径2800mm，最宽端口直径3500mm，若考虑爬壁机器人最大设计尺寸，采用双铰链旋转结构，则极端爬行位置沿塔筒切线方向贴合偏移约7.24°。根据风电塔筒高度、直径等参数计算，可得到爬壁机器人沿塔筒轴线方向贴合偏移约0.2°，该方向偏移可忽略不计。
因此，沿塔筒切线方向，爬壁机器人需具备在一定范围内实现吸附半径变化的能力。考虑机器人在塔筒外壁转弯时，存在前端吸附结构翘起并远离塔筒的情况，应减小吸附机构与塔筒的距离变化，要求机器人吸附结构具备旋转自由度。根据以上分析结果，爬壁机器人需具备两个旋转自由度。
三、永磁吸附结构设计与仿真分析
1、方案设计。根据上述分析可知，每个吸附单元应具备至少“68.18N”的吸附力，考虑吸附单元外部需嵌套防磨橡胶，因此设备吸附单元选用稀土永磁材料钕铁硼（Nd-Fe-B），这种永磁材料磁能积较大，现已在相关领域得到广泛应用。
永磁体单元的布置主要有：“单块永磁体与两块分离永磁体”、“有无扼铁”等方式本文选用两块分离永磁体，添加扼铁产生的相对吸附力最大。吸附方案如图1所示。
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图1 吸附单元方案
1-橡胶隔套；2-隔磁体；3-永磁体；4-轭铁
2、磁力仿真。常见风电塔筒的壁厚约为15mm，根据传动部分设计结果计算得到永磁体吸附力，初步确定单块永磁体尺寸为8mm×22mm×30mm。由此可通过Maxwell软件进行磁铁吸附力的仿真。令永磁体距壁面的距离、轭铁的厚度为变量，研究观察不同参数下吸附力的变化情况（仿真采用2D模型，数据中对壁面产生吸附力为永磁体厚度为30mm时，不同参数变化产生的吸附力大小）。综合分析曲线如图2所示。
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图2 吸附力综合分析曲线
四、实验及结果
根据综合分析曲线结果及制造难易程度，可得到相对最优目标点：当永磁体距壁面距离为3mm，轭铁厚度为2.5mm时，所求永磁体吸附力仿真结果为70.42N，此结果最接近计算结果68.18 N。
实验结果表明：在实际应用条件下，爬壁机器人吸附能力符合稳定吸附要求，说明该爬壁机器人结构能稳定吸附于风电塔筒外壁面。
根据吸附单元仿真结果，结合吸附单元结构设计方案及整机设计方案，最终得到一种适用于风电塔筒外壁检修的爬壁机器人三维模型。通过在该机器人上安装不同工具，操作人员即可完成对风电塔筒的检测、清理、修复等任务。
五、爬壁机器人的发展趋势
驱动、传感、控制等软硬件技术的发展极大地推动了爬壁机器人技术的发展，实际应用需求也对爬壁机器人的发展提出了挑战，爬壁机器人的发展趋势归结起来主要有以下方面。
1、新型吸附技术的发展。吸附技术一直是爬壁机器人发展的一个瓶颈，它决定了机器人的应用范围。由于目前应用比较成熟的吸附技术都有很大的局限性，在很多情况下难以满足实际应用要求。因此，开发和研究新型吸附技术是当前爬壁机器人领域的一个重要方向。模仿壁虎等动物脚掌的仿生粘性材料的发展是当前新型吸附技术发展的热点。
2、爬壁机器人的任务由单一化向多功能化方向发展。过去所研制的爬壁机器人大多用于清洗、喷涂、检测等作业，作业任务往往只局限于单一的任务。而目前人们希望爬壁机器人能装备多种工具，在不同场合进行工作。比如机器人能在空间飞行器上进行安装及外部维护作业等。
3、小型化、微型化是当前爬壁机器人发展趋势。在满足功能要求前提下，体积小、质量轻的机器人有较高灵活性，某些特殊场合也需小体积机器人。各种微型驱动元件、控制元件及能源供应方式的发展，为小型化、微型化奠定了基础。
4、由带缆作业向无缆化方向发展。由于爬壁机器人作业空间一般较大，带缆作业限制了机器人的作业空间，所以，为了提高机器人的灵活性和扩大工作空间，无缆化成为当前与未来爬壁机器人的发展趋势。
5、由简单远距离遥控向智能化方向发展。与人工智能相结合，使机器人在封闭环境中具有一定的自主决策能力，并具有自我保护能力，是移动机器人发展的重要方向，也是爬壁移动机器人的重要发展方向。
6、可重构是机器人适应能力的一项重要指标。为使机器人能应用于不同场合，在不需要重新设计系统条件下，充分利用已有的机器人系统，使机器人具有可重构性以及模块化结构。根据任务需求把需要的模块连接起来组成新的机器人。
参考文献：
[1]付宜利.爬壁机器人的研究进展[J].机械设计，2015（04）.
[2]孙立新.风电塔筒爬壁机器人吸附结构设计分析[J].机电工程，2018（09）.