LPG球罐检测爬壁机器人底盘研究

【摘要】：LPG球罐大型设备主要采用混合式排板焊接加工而成,球罐在使用一段时间后,常在焊缝处出现应力腐蚀开裂的问题。当前,常用的球罐焊缝检测方法仍是检测人员手握超声检测设备,沿着支架进行逐层检测,其工作环境恶劣,效率低。因此开发一种携带探伤设备对球罐进行焊缝检测的爬壁机器人来代替人工完成检测作业,具有重要意义和广阔的应用前景。首先,在深入调研现有爬壁机器人的基础上,以面向LPG球罐的焊缝检测需求为目标,综合考虑爬壁机器人的工作环境、体积、负载能力,提出了爬壁机器人底盘采用永磁吸附轮履式电机驱动的设计方案,通过Solidworks建立其整体结构的三维模型,为后续机器人力学特性分析提供基础。其次,通过对爬壁机器人底盘进行力学分析,建立机器人底盘壁面防下滑、防倾覆力学方程。通过Matlab仿真得出爬壁机器人底盘单侧所需的最小磁吸附力和驱动力矩,完成底盘驱动系统的选型设计。再次,应用电磁场理论建立了底盘永磁吸附机构中永磁体吸附力的计算模型并进行定性分析,利用Ansys Maxwell有限元仿真软件分析永磁体的静态磁场特性并优化结构参数。在仿真基础上,对机器人底盘的爬壁负载能力进行了实验,验证了仿真结果的正确性。最后,针对LPG球罐检测爬壁机器人底盘远程控制的技术需求,研制了一种基于WIFI的底盘远程控制系统。该系统包括爬壁机器人底盘机载系统和上位机监控系统。基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103型单片机开发了爬壁机器人底盘机载控制系统,采用WIFI方式与上位机监控系统通信,采用PWM控制方式驱动爬壁机器人底盘电机转动。上位机监控系统采用C/S架构,数据传输采用TCP/IP协议,基于Visual Studio平台中的MFC框架设计了上位机监控系统。经实验验证,该系统能够较好地实现对外部环境的监控和机器人底盘转向、定速和定距的远程控制。