大型化工压力容器、油罐及大型船舶等壁面材料为钢制材料，多由钢板焊接而成存在大量焊缝，需进行定期的清理检测。目前研制的爬壁机器人大多是针对垂直壁面或较大曲率半径的壁面，适用于中小型曲率壁面作业的机器人则研究较少。故设计了一种基于永磁吸附原理的爬壁机器人机械结构，能够适用于不同曲率半径的钢制曲面实现了机器人的多功能化提高了作业效率和质量。
1 工作过程与功能要求
基于永磁吸附的爬壁机器人的工作过程为：机器人吸附于钢制壁面，可以任意位置行走和转弯，行走至指定位置，利用承载的设备对各种大型压力容器、油罐或船舶壁面进行焊缝打磨、除锈及无损检测，往复循环至整个壁面作业完成。
根据爬壁机器人的作业环境及工作过程要求具备的功能有：稳定的吸附行走能力；不同曲率半径壁面的适应能力；不同的行走速度；抗倾覆能力；转向功能；跨越一定焊缝尺寸的能力。
2 结构设计原则
永磁吸附的爬壁机器人主要由机器人机械本体、辅助机构、传感器及控制系统组成。其中机器人本体主要包括吸附机构、抗倾覆机构及行走驱动机构辅助机构主要是指承载机器人作业设备的机构。只有各个子系统之间相互协调配合，才能使得机器人稳定可靠地完成各种作业。
对基于永磁吸附的爬壁机器人进行结构设计时，要遵循的设计原则及参数要求有：（1)尽量以最小的体积、最小的机器人重量获得最大的负载能力机器人本体尺寸小于400×350×240mm机器人负载能力mo≥l0kg；（2）尽可能适应不同曲率半径的曲面；（3）能够稳定吸附于钢制壁面。
根据设计原则及理论基础来确定机器人的吸附、行走方式及轮式移动的结构形式以确保其能够稳定可靠地吸附与不同曲率半径的钢制壁面以较高的效率完成对壁面的检测、打磨或者除锈作业。
3 吸附方式的确定
爬壁机器人的作业环境一般是各种壁面，其吸附机构的作用是使机器人能够克服自身重量及行走过程中产生的倾覆力矩从而稳定吸附于壁面。目前，常用的吸附方式有真空负压吸附、磁吸附、螺旋桨推力吸附和粘结吸附等4种。这四种吸附方式各自有优缺点，针对性较强，只能适用于某一种特定的任务通用性差因此应根据机器人的工作环境、工作任务及要求选取合适的吸附方式。
真空负压吸附主要包括单吸盘负压吸附和多吸盘负压吸附，用真空装置抽去吸盘内的空气在吸盘内形成负压利用吸盘内的负压牢牢吸附在墙壁表面。吸盘的真空度越高，吸附力越大。但负压吸附方式对壁面的粗糙度要求和吸盘的密封度要求较高若壁面锈蚀严重则直接影响其吸附性。这种吸附方式不适用于有凹凸、焊缝或者粗糙的壁磁吸附，包括永磁吸附和电磁吸附，永磁吸附是磁铁与导磁性壁面接触形成闭合回路而产生吸附力，只适用于导磁性壁面。电磁吸附是利用电磁铁的线圈与壁面产生吸附对电源的依赖性大。
螺旋桨推力吸附通过合理的布置螺旋桨的角度利用螺旋桨或涵道风扇产生的推力使机器人附着于壁面但其噪音大、负载能力差。
粘性吸附基于仿生学原理通过研究壁虎、蜥蜴等爬行动物的吸附特性研制出的特殊粘结材料将这些材料应用于机器人吸附于壁面。这种吸附方式对壁面特性没有要求，但使用寿命短，实用化差，需进一步研究。
由于所研究的爬壁机器人作业环境为大型容器、油罐或船舶的钢制壁面表面存有较多焊缝等障碍，故选择吸附力大且较为稳定的永磁吸附作为机器人的吸附方式。
4 行走方式的确定
爬壁机器人常用的行走移动方式如下：轮式行走。其运动灵活，转向力矩小运动速度较高，且容易控制，工作效率较高，但与壁面的接触面积小；履带式行走。履带式行走对壁面的适应性高，与壁面的接触面积大，但其转弯较困难，常与真空吸盘吸附和磁吸附方式相配合；多足式行走。通过多个足交替移动实现障碍跨越和机器人的移动。具有较好的越障能力，但移动速度慢控制算法比较复杂。由于所研究的爬壁机器人的作业环境为钢制壁面，且需具有一定的行走速度、全方位转向能力以及越障能力故爬壁机器人的行走方式选用轮式行走。
5 轮式移动结构形式的确定
常见的驱动方式有：电机驱动、液压驱动和气压驱动，考虑到机器人的功能要求采用电机驱动方式能够满足其要求。
机器人的轮式移动机构有三轮式和四轮式。三轮式布置方式如图1（a)所示。该形式机器人在非水平壁面上平衡性难以控制，行走不稳定导致机器人倾覆滑落，如图1（b)所示。
四轮式具有较好的平衡性考虑到机器人行走环境及确保爬壁机器人的抗倾覆性和平衡性，该方式是合适的选择。常见的四轮式有三种，如图2所示。图（a)中，该布置方式分散了转向和吸附功能，增大了机器人的结构体积，且具有转弯半径，不能实现原地转弯转向轮和驱动磁轮较难协调控制。图（b)中，通过操舵机构实现机器人的前进移动通过差动齿轮实现机器人的调速及差速转弯，机构复杂，体积和重量大，多用于智能汽车等方面的研究。图（c)中，四轮的布置与图（a)相同不同的是独立的磁轮作为机器人驱动的同时也作为转向的操作轮。此结构布置形式简单紧凑转弯灵活同时提高了中间驱动轮电机的精度要求。
综合考虑各种布置方式的优缺点和作业环境，由于机器人的作业壁面环境一般为非水平壁面且需要机器人具有良好的平衡性和抗倾覆性，因此选用图2（c）所示方案。
6 结论
通过对吸附理论、抗倾覆理论及机器人的工作过程和功能要求的考虑提出结构设计的原则确定了机器人的吸附方式、行走方式及轮式移动的结构形式。
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