风电塔筒爬壁机器人电机基座优化设计

张学森

（中广核新能源控股有限公司，北京 100071）

目前，风力发电已在世界各地广为应用。作为风能收集的载体—风电塔筒而言，由于制造、装配等过程存在的问题，以及长时间使用后塔筒疲劳，容易出现塔筒裂纹、表面锈蚀等状况，不及时实施对应的检修措施将会引发塔筒坍毁的严重事故。目前常见的人工检修法存在诸多弊端：1） 检修人员需要携带大量工具从高度极高的塔筒内攀爬到顶部；2） 检修人员悬吊在塔筒外壁工作时，由于高空风力较大，极易出现晃动，威胁检修人员的安全。

1 动力学建模

该爬壁机器人模型主要分为以下几个部分:履带模块、连接机构、驱动模块和车体。由于爬壁机器人零部件数量繁多，连接关系复杂，所以只将单侧履带模块加上电机基座作为模型来进行后续动力学仿真，其中力的传递是从电机经电机基座传递到链轮轴上。根据模型简化的原则，提出了基于ADAMS 的爬壁机器人建模方法，步骤如下。1） 在ADAMS中对模型部件重新建模，仅保留前后各一个链轮，名称分别为PART_C1 和PART_C2，其余部件均需要重新生成。2） 将电机基座与链轮板简化成连杆一，另一个链轮板简化成连杆二，建立两个连杆连接链轮，名称分别为PART_C1L 和PART_C2L；壁面名称为PART_DM；长方体表示履带板框架，名称为PART_CHETI。3） 对链条部分进行简化，将滚筒和套筒合并成一个部分，只保留链板与滚子。4） 永磁吸附模块部分简化成一块永磁铁。5） 将1 个永磁铁和1 个链节作为一个整体，命名为PART_LD_X，X 取值范围为1～70，整个链传动模块中，包括有70 个永磁铁和70 个链节。6）最后加上地面和履带框架简化成的长方体，基于ADAMS 建模生成履带行走模块。

2 爬壁机器人的吸附方式

2.1 磁吸附方式

磁吸附的方式多应用在攀爬的壁面是导磁体的场景，如造船行业的焊接爬壁机器人、除锈爬壁机器人和管道检测机器人。利用带有永磁体的履带作为机器人的吸附力来源，研制了一种用于船舶壁面除锈的爬壁机器人，该机器人具有吸附力大，负载能力强的优点。磁吸附有电磁体吸附和永磁体吸附两种。电磁体爬壁机器人的磁力是电磁铁通电后产生电磁吸力，它的特点是可以通过调整通电电压来调整电磁力的大小，但是由于需要通过电磁线圈励磁产生吸力，因此需要提供额外的电源供电，且防水性能要求较高。因此该方法具有一定的局限性。

2.2 负压吸附方式

负压吸附是利用机器人和被吸附的壁面之间形成负压，产生吸附力而实现吸附。该方式现有的技术相当成熟，且能承受比较大的负载。但其对吸附面的粗糙度要求较高且设备笨重、噪声大。日本的西亮于1966 年利用负压吸附技术研制出第一个能吸附在垂直壁面上的爬壁机器人样机，1975 年他采用单吸盘结构研制了第二代爬壁机器人样机。此后很多爬壁机器人的吸附方式均利用了真空吸附原理。研制了一种利用负压吸附的单吸盘爬壁机器人，并研制了原理样机。

2.3 干性材料静电吸附方式

干性黏附材料是模拟壁虎脚掌，通过微机电系统(MEMS） 加工技术设计并制作的高分子材料吸附阵列，该吸附方式最大的优点就是对吸附面的形状和材质没有特殊要求，适应性较强。2010 年斯坦福大学的MarkCutkoky 利用干性黏附材料研制了一种名为StickyBotⅢ的仿壁虎机器人，其脚掌是一种干性黏附材料，它是一种微纳尺度的仿生刚毛，脚趾能外翻和内收。每条腿使用4 台舵机驱动，腿部是五杆机构，该机器人的吸附原理、运动形式均和壁虎相近，该机器人长760cm。

3 爬壁机器人的未来发展趋势和结论

1） 爬壁机器人的工程应用将更加深入和广泛。虽然当前有很多学者和单位对爬壁机器人开展了深入的研究，也取得了相当丰富的成果，其应用的主要目标是清洗、喷涂、检测、除锈等作业，但是由于存在跨越障碍未能从根本上克服，吸附技术仍然有待发展等，因此目前爬壁机器人离大规模的应用仍然存在一定的差距。随着这些问题的克服，将来爬壁机器人的工程应用将更加深入和广泛。2） 吸附技术发展，将提高爬壁机器人的攀爬能力。吸附技术是爬壁机器人所必须克服的一个关键技术问题，它决定了爬壁机器人的运行可靠性和稳定性问题。而当前很多吸附技术仍然存在一定的不足，在工程应用过程中存在不能满足需求的问题，这一问题多年来得到了国内外学者的高度重视，也取得了不少科研成果，因此随着新材料、仿生技术的发展，爬壁机器人的吸附技术也将得到发展，从而提高爬壁机器人的吸附能力。3） 运行空间和适应范围将更为扩大，从而推动无缆爬壁机器人的应用。随着电池能量密度的不断增加，从而使得机器人本体的重量越来越轻。同时机器人传感技术飞速发展，推动了机器人人工智能控制方式的发展，使得机器人不再局限在有限的空间，从而拥有一定自主决策能力、不再有电缆的爬壁机器人将是其发展的趋势。

4 结语

在满足机械性能的前提下，为获得质量较小的电机基座，提出了一种优化设计方法。该方法首先是基于ADAMS动力学仿真得到极限载荷并将其用于后续的有限元分析，然后是将拓扑优化、参数敏感性分析和响应面法相结合进行电机基座的优化设计。通过拓扑优化分析，确定优化方向;通过参数敏感性分析，得到影响输出参数的主要输入参数;通过建立基于标准二阶响应面法的响应面模型，结合多目标遗传优化算法对模型进行了尺寸优化，得到符合优化目标的设计尺寸。