Halbach陣列機(jī)器人磁吸附單元理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、對于鐵磁材料壁面而言，磁吸附爬壁機(jī)器人的吸附能力優(yōu)于其它吸附方式，且具有節(jié)能、不發(fā)熱、無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石化工業(yè)、電廠、造船業(yè)等行業(yè)中，執(zhí)行制造和維護(hù)等特殊任務(wù)，并逐步替代人從事危險(xiǎn)作業(yè)，因此，有著廣闊的應(yīng)用價(jià)值，并一直受到國內(nèi)外各種研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。磁吸附單元是磁吸附爬壁機(jī)器人可靠吸附的核心部件，目前，對其存在的兩方面的問題一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn):一是如何合理地設(shè)計(jì)最佳磁路以提高永磁利用率;

2、二是怎樣解決吸附力大而卸載難的問題。本文以永磁吸附單元為研究對象，以磁吸附爬壁機(jī)器人為研究背景，對最佳磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立、優(yōu)化分析以及實(shí)驗(yàn)研究等進(jìn)行詳細(xì)的探討，旨在為解決上述兩個(gè)問題和推動(dòng)爬壁機(jī)器人的發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　首先，針對應(yīng)用背景提出一種非接觸式磁吸附輪式爬壁機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)方案，該機(jī)器人具有如下三個(gè)方面的特點(diǎn):永磁吸附結(jié)構(gòu)簡單，且具有可靠的吸附性能;非接觸吸附方式能夠減小爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)阻力，相

3、應(yīng)地增加其運(yùn)動(dòng)靈活性;輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、控制容易?；谠撃Ｐ蛯ε辣跈C(jī)器人附壁運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行理論和仿真分析，研究爬壁機(jī)器人可靠吸附時(shí)磁吸附單元所需的最小許用吸附力和設(shè)計(jì)合理的磁吸附單元的總體要求。
　　其次，根據(jù)最小許用吸附力和總體設(shè)計(jì)要求，同時(shí)基于聚磁技術(shù)和爬壁機(jī)器人磁吸附單元磁路結(jié)構(gòu)必須滿足的要求，并針對目前Halbach陣列的優(yōu)點(diǎn)及研究中存在的問題，提出一種基于Halbach直線型陣列的新型磁吸附單元的基本結(jié)構(gòu)。新型磁

4、吸附單元由直線型Halbach永磁陣列、適量軟鐵和中心旋轉(zhuǎn)軸組成。陣列弱磁側(cè)和兩端放置少量軟鐵作為磁軛改善其弱磁側(cè)磁場非零和端部效應(yīng)問題。當(dāng)陣列強(qiáng)磁側(cè)或弱磁側(cè)與導(dǎo)磁壁面正面接觸時(shí)分別產(chǎn)生“吸附”狀態(tài)和“卸載”狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換通過中心旋轉(zhuǎn)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，從而改變磁吸附力。
　　第三，為了充分考慮材料的屬性和漏磁因素，運(yùn)用有限元法建立新型磁吸附單元的磁場模型，研究磁吸附單元的磁軛結(jié)構(gòu)參數(shù)、陣列單波長分段個(gè)數(shù)和陣列結(jié)構(gòu)尺寸

5、對磁吸附性能影響的規(guī)律。通過與純直線型Halbach陣列、傳統(tǒng)永磁排列方式和變磁力吸附機(jī)構(gòu)的比較分析得出新型磁吸附單元結(jié)構(gòu)的磁性能優(yōu)勢。
　　第四，針對求解磁吸附單元多目標(biāo)優(yōu)化問題的目的和免疫遺傳算法的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的多目標(biāo)免疫遺傳算法(MOIIGA)，并運(yùn)用MOIIGA算法對磁吸附單元進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　最后，對磁吸附單元的空間和氣隙磁場分布、磁吸附力和吸附性能的測量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證磁吸附