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摘要：爬壁机器人能够在极限工作环境下，代替人工进行作业，在大型化工容器作业中得到广泛的应用。本文结合球罐内壁作业需求，设计了一种新型并联式爬壁机器人，对其外足机构进行动力学分析，为类似机器人设计提供参考。
关键词：并联式；爬壁机器人；设计
引言
改革开放以来，我国国民经济得到了迅猛的发展，球罐作为一种占地面积小、节省钢材料的大型储存容器，也得到了广泛的应用。在球罐使用过程中，需要定期对其内壁焊缝区进行打磨清理以及检测，但是由于其人工作业安全性差，劳动强度大、效率低等问题，采用机器人代替人工作业已成为必然。其中，爬壁机器人作为移动机器人领域的一个重要分支，在球罐作业中具有良好的应用价值。
1.机器人本体设计
1.1设计要求
（1）本体尺寸结构：机器人尺寸必须小于人孔的尺寸；
（2）爬行速度：由于球罐整体尺寸较大，欲在球罐内壁完成作业，机器人系统在罐壁爬行最高速度不小于5m/min；
（3）越障能力：机器人本体应能够顺利爬越球罐内壁焊缝；
（4）工作范围：适用于各种不同直径的球罐作业。
1.2机器人本体设计
（1）传动结构
爬壁机器人的运动方式主要有4种：车轮式、履带式、多足步行式和框架式。车轮式着地面积小，难以维持一定的吸附力；履带式不易实现壁面过渡和转向；多足步行式移动速度慢、各足运动协调性较高，难以控制；框架式移动速度较慢，转向能力有限。因此，设计一种新型并联机器人能够实现机器人本体匀速移动，并能跨越焊缝且适用于不同直径的球罐作业。如图1所示。
图1爬壁机器人结构简图
爬壁机器人传动机构主要由电机、丝杠和滑块组成。根据爬壁机器人行走方式的需要，采用同步丝杠转动来实现机器人的移动。行走过程依靠内、外足交替直线移动，由于该直线运动机构主要起到调整两腿之间相互位置的作用，对传动精度要求较高，因此选用滚珠丝杠螺母机构，机器人采用电磁吸附方式，吸附装置安装在内、外足底部。
爬壁机器人平移工作时，内、外足交替吸附在壁面上，保证机器人不发生滑落现象。内足吸附在壁面上时，外足随丝杠一起移动，当外滑块接触到底座时，外丝杠反转，两滑块之间的距离增大，外足落下吸附在壁面上，同时，两内滑块之间的距离减小，内足抬起，随内丝杆一起移动。依次重复上述步骤，机器人能够实现匀速移动。机器人本体、内丝杠、外丝杠运动速度曲线如图2所示。
图3外足腿部结构简图
机器人外足腿部结构由滑块、拉杆和外足组成，3个拉杆成2－1分布，连接滑块与外足，保证外足与机器人本体保持平行。通过改变丝杠上两滑块的距离实现机器人腿部的抬起和下落。两滑块距离增大时，外足落下吸附在壁面上；两滑块距离减小时，外足抬起向前移动。因此，机器人可以实现越障的要求。
腿部结构中安装滑轨，保证拉杆以给定的轨迹运动，使机器人能够适应于不同直径的球罐，增大了机器人的应用范围。
1.3关键技术的选择
（1）吸附方式。目前，在爬壁机器人设计过程中，常见的吸附方式有真空吸附、磁吸附和推力吸附。生产中常见的球罐大多由钢板焊接而成，壁面存在焊缝，而且由于使用年限较长，球罐内壁表面被严重锈蚀，凹凸不平，因此，选择电磁吸附的方式，其优点是容易控制机器人腿部和球罐的吸附和脱离。
（2）驱动方式。爬壁机器人是自主移动机器人的一种，因此要求具有较好的灵活性，这就需要机器人载重轻并且是相对独立的一个个体。液压驱动是地面的常用设备，要求有较好的密封性，但是爬壁机器人高空作业，所以液压驱动不适用。气动系统的缺点是气体可压缩并且气路上元件众多，会使系统线性度低，无法实现精确位置控制。电驱动应用的领域十分广泛，发展也相对成熟，对机器人的位置和力控制能够较精准地完成。因此，选择电驱动方式。
2.外足机构运动学分析
图1所示爬壁机器人属于空间机器人，其特点是结构复杂、自由度少，因此运动学分析比较困难。为此，根据几何投影学，将爬壁机器人腿部结构简化，等效成平面机构，使运动学分析的复杂性降低。如图4所示。
图4等效平面机构简图
为了便于分析，建立参考坐标系Ｒ：O－xy，两滑块的中心定义为原点O，x轴平行于滑块的运动方向向，y轴指向机器人腿部结构所在的方向。外足底部中心点记为O'，即为外腿机构的位置输出端点。其中P'iP'i（i=1，2）为连杆，长度记为L。外足底部上的点P'1和P'2之间距离为2r，即外足运动的有效长度；两滑块的运动极限参数记为lmin和lmax，分别表示滑块运动范围的最小值和最大值。所有尺寸参数大于0，因此为了能保证机构的正常装配和运动，必须满足以下装配约束条件
3.结论
综上所述，爬壁机器人是当前机器人领域研究的热点之一，能够代替人工在特殊的环境下作业，从而提高作业效率及安全性，在球罐作业中得到广泛的应用。本文设计了一种并联式爬壁机器人，该爬壁机器人移动平稳、能够跨越焊缝、适应球罐作业环境，可在球罐作业中推广应用。
参考文献
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