立式金属罐无损检测方法的研究爬壁机器人本体设计

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1、立式金属罐无损检测方法的研究爬壁机器人本体设计1绪论1.1课题研究背景、目的及意义立式金属罐是石油化工行业中常见的储油设备。由于其长期暴露在外界环境中受到各种侵蚀，导致金属罐罐壁发生变形，如出现凹坑、裂纹、防护漆脱落造成的腐蚀等，如不及时发现并给予相应处理的话，会影响设备继续安全运行或造成使用的隐患，所以在使用一定时间后要对金属罐罐壁进行检测。目前，对立式金属罐无损检测的方法很多，最常用的方法是由人工搭建脚手架携带检测仪器对金属罐壁进行常规检测。但是，这种方法需要检测人员爬到十几米高的金属罐上作业，不仅操作危险，而且工作效率也不高[1]。如果能

2、设计一款爬壁机器人代替人工携带检测设备按照预先设定好的检测轨迹行走，并能准确的检测出缺陷和采集到相关数据(如，缺陷位置、大小、深度等信息)，这样金属罐的检测效率和安全性势必得到大大提高。国内、外的许多高校与科研机构都研究过金属罐爬壁机器人。他们研制的多为履带式或永磁体镶嵌在车轮上的爬壁机器人。这些机器人大多数都存在着体积和重量大、转向不灵活、容易对罐壁造成损坏等缺点，可以说没有从真正意义上解决对金属罐安全、稳定和快速检定的问题。为此，应国家大容量第一计量站的要求，辽宁石油化工大学提供解决方案并研制了一款非接触永磁吸附方式、四轮驱动的爬壁机器人，

3、以实现对大型立式金属罐的自动化、快速、安全稳定的检测。1.2爬壁机器人国内外研究发展现状爬壁机器人(WCR)[2]作为极限作业的一个分支，是集机构学、传感器、控制与信息技术为一体的高新技术产品[3]。已从六十年代日本的西亮讲师研究第一台爬壁机器人的试验阶段转向了实用阶段。随着高新技术的迅速发展，爬壁机器人的稳定性和可靠性也得到了提高。在国外，大约4072多年前就开始研究爬壁机器人，至今已日渐成熟。日本大阪府立大学工学部讲师西亮在那个年代最早研制出一台壁面移动机器人的原理样机[4]，他被誉为研究爬壁机器人的第一人。此后，在世界范围内爬壁机器人技术

4、得到了迅猛的发展，相继出现了各种各样的样机，大部分已投入使用。日本在这个领域的成绩最为突出，相继的是美国、英国、法国、意大利、俄罗斯、韩国等国家。国内有关爬壁机器人的研究起步较国外晚，可追溯到本世纪八十年代末期，应国家“863项目”计划的要求，哈尔滨工业大学率先研制出了永磁吸附履带式爬壁机器人[5~8]。在随后的20多年里，上海交大研制出了滑动吸盘爬壁机器人[9,10],清华大学研制出了履带式永磁吸附爬壁机器人[11,12]，北京航空航天大学陆续研制出了蓝天洁士系列[13]、WASHMAN[14,15]、吊篮式爬壁机器人[16]、CLEANBO

5、TI[17]、SKYCLEAN“灵巧型擦窗机器人”[18]，蓝天洁宝[19]等玻璃幕墙清洗爬壁机器人，上海大学研制出了用于幕墙清洗的爬壁机器人和曲面壁面爬行机器人[20~22]，重庆大学研制出了壁面清洗机器人[23,24]，南昌大学研制出了水下磁吸附式轮履焊接机器人[25,26]等，可以说我国在爬壁机器人的研究领域取得了丰硕的成果。1.1爬壁机器人的分类目前，对于爬壁机器人[27,28]的分类主要依据以下几个方面：车体的移动方式、吸附方式和驱动方式等。按照移动方式划分，爬壁机器人可划分为履带式、轮式、腿足式等；按照吸附方式划分，可分为磁吸附、真

6、空吸附和推力吸附等；按照驱动方式划分，可分为电机驱动、液压驱动和气压驱动等。由于工作环境和工作任务的不同，将车体的移动方式与吸附方式相结合能够设计出各种形式的爬壁机器人。因为大多数的金属罐的壁面都是导磁性材料，它的表面有防护漆、凸起的焊缝等凹凸不平，所以不适合使用真空、负压等其它吸附方式的爬壁机器人对其进行检测，以下重点介绍几种具有代表性的永磁吸附方式的爬壁机器人。1.3.1磁吸附爬壁机器人(1)永磁吸附履带式爬壁机器人1987年，日本日立制作所的内藤绅司等人研发了履带式永磁吸附检查机器人[29]72。将永磁体镶嵌在链条上构成磁性履带，由履带吸

7、附于壁面并带动机器人本体移动，如图1.1(a)所示。为了解决载荷集中的现象，他们又研制了一种适合在平面上应用的载荷分散机构，即在履带上增加一根刚性导杆，使履带的联接方式由铰链式变成刚性联接式，这种方法让载荷均匀分布于各个永磁体上。该机器人机械尺寸为390mm×310mm×90mm，自身重量为7.6Kg，可跨越13mm凸起焊缝，最大移动速度为10m/min，如图1.1(b)所示。此后，他们又研制出了一种适用于曲面的负荷分散机构，原理是将刚性导杆分割成多段，之间用连杆作为连接机构，如图1.1(c)所示。为了使履带式爬壁机器人结构上对称，必须保证它的

8、重心始终处于中心位置，导杆分割的数目必须为2的幂次方。机器人外形尺寸为650mm×450mm×l50mm，自重27Kg，可跨越平面上13mm的凸起和半