1引言
履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人是種機(jī)器人中個(gè)比較重要的類型，它能夠在垂直壁面和天棚壁面上進(jìn)行作業(yè)．作為高空限作業(yè)的種自動(dòng)機(jī)械裝置，履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，目前主要應(yīng)用于石化、建筑、消防、造船等域．
履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人采用的是雙履帶永磁吸附結(jié)構(gòu)．在履帶周上安裝有數(shù)十個(gè)永磁吸附塊，其中的部分緊緊地吸附在壁面上，并形成定的吸附力，通過(guò)履帶(由鏈條和永磁塊組成)使機(jī)器人貼附在壁面上．機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)靠履帶來(lái)完成，移動(dòng)時(shí)，履帶的旋轉(zhuǎn)使 后的吸附塊脫離壁面，同時(shí)還使前面的個(gè)吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面上的爬行。
爬壁機(jī)器人通過(guò)履帶實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和負(fù)重承載兩大功能，磁塊吸附力的大小直接影響著機(jī)器人承載能力的大小．同樣，吸力的精 確計(jì)算對(duì)于機(jī)器人的力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型等具有重要的意義。本文利用有限元法對(duì)磁塊吸附力進(jìn)行了求解，它先利用變分原理將邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等價(jià)的變分問(wèn)題，也就是泛函求值問(wèn)題，然后通過(guò)剖分插值將變分問(wèn)題離散化為多元函數(shù)的值問(wèn)題，終歸結(jié)為求解多元代數(shù)方程組。
2磁吸附單元結(jié)構(gòu)及工作原理
爬壁機(jī)器人采用永磁吸附方式，它不僅克服了空氣吸附力小的缺點(diǎn)，而且吸附力十分可靠．另外，為了使機(jī)器人在完成作業(yè)時(shí)易于脫離工作表面，在機(jī)器人的履帶中設(shè)計(jì)了種結(jié)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)操作將磁鐵中的磁回路切斷，從而消去機(jī)器人與工件表面間的磁吸力，操作方便可靠．如圖1，機(jī)器人在工作時(shí)，磁吸附塊處于磁吸附狀態(tài)，吸附單元與鋼鐵工件表面足夠接近，磁通幾乎完經(jīng)工件閉合，氣隙b中磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到 大值，磁吸力也 大；工作結(jié)束后，將永磁體旋轉(zhuǎn)90°，磁吸附塊處于磁短路狀態(tài)，磁通主要通過(guò)兩側(cè)鐵軛閉合，氣隙b中磁感應(yīng)強(qiáng)度減為弱，磁吸力小，機(jī)器人就可以很方便地從工作表面上取下來(lái)．磁吸附塊中的永磁體材料為釹鐵硼系列中的Nd15Fe77B8，采用徑向磁化，它具有較高的內(nèi)稟矯頑力和較好的抗老化退磁性能，可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作．其性能見(jiàn)表1
表1釹鐵硼性能參數(shù)
3有限元模型的建立
電磁場(chǎng)理論是由個(gè)麥克斯韋方程組來(lái)描述的，它實(shí)際上是由4個(gè)定律組成，分別是安培環(huán)路定律、法拉電磁感應(yīng)定律、高斯定律和磁通連續(xù)性定
律．因此，分析和研究電磁場(chǎng)就是對(duì)麥克斯韋方程組的求解和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．
4ANSYS求解
機(jī)器人的平面運(yùn)動(dòng)包括直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)．在直線運(yùn)動(dòng)中，隨著履帶的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，履帶前方靠近：[件的磁塊逐漸地被吸附于工件上，并且給予機(jī)
器人個(gè)主動(dòng)力矩；同時(shí)，履帶 后方吸附于工件上的磁塊逐漸地脫離工件，并形成個(gè)阻力矩．在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中，履帶除了受到前后兩個(gè)磁塊的共同作用以外，工作表面每個(gè)磁塊自身的滑動(dòng)同樣形成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力矩，并直接影響到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)．因此，根據(jù)履帶的運(yùn)動(dòng)情況，我們利用ANSYS對(duì)不同狀態(tài)的磁塊進(jìn)行了磁場(chǎng)分析。
5履帶平面力學(xué)分析
由于機(jī)器人的兩個(gè)履帶各自由個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此我們只就單個(gè)履帶進(jìn)行分析．
6結(jié)論
(1)本文從履帶的單個(gè)磁吸附單元出發(fā)，為磁塊建立了有限元模型，通過(guò)ANSYS計(jì)算求得了磁塊與工件的磁吸附力，并真實(shí)地反映了磁塊在工作過(guò)程中的磁場(chǎng)變化；
(2)通過(guò)對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的測(cè)定得出，在直線運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器人受到本身機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力和前后兩個(gè)磁塊的共同作用；在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)中，外履帶電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，內(nèi)履帶電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小．
