1引言
履帶式磁吸附爬壁機器人是種機器人中個比較重要的類型，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)的種自動機械裝置，履帶式磁吸附爬壁機器人已經(jīng)越來越受到人們的重視，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，通過履帶(由鏈條和永磁塊組成)使機器人貼附在壁面上．機器人在壁面上的移動靠履帶來完成，移動時，履帶的旋轉(zhuǎn)使 后的吸附塊脫離壁面，同時還使前面的個吸附塊吸附于壁面，這樣周而復(fù)始，就實現(xiàn)了機器人在壁面上的爬行。
爬壁機器人通過履帶實現(xiàn)移動和負(fù)重承載兩大功能，磁塊吸附力的大小直接影響著機器人承載能力的大?。瑯?，吸力的精 確計算對于機器人的力學(xué)分析、運動學(xué)分析和驅(qū)動電機的選型等具有重要的意義。本文利用有限元法對磁塊吸附力進(jìn)行了求解，它先利用變分原理將邊值問題轉(zhuǎn)化為等價的變分問題，也就是泛函求值問題，然后通過剖分插值將變分問題離散化為多元函數(shù)的值問題，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，而且吸附力十分可靠．另外，為了使機器人在完成作業(yè)時易于脫離工作表面，在機器人的履帶中設(shè)計了種結(jié)構(gòu)，通過手動操作將磁鐵中的磁回路切斷，從而消去機器人與工件表面間的磁吸力，操作方便可靠．如圖1，機器人在工作時，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)，磁通主要通過兩側(cè)鐵軛閉合，氣隙b中磁感應(yīng)強度減為弱，磁吸力小，機器人就可以很方便地從工作表面上取下來．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)長期穩(wěn)定地工作．其性能見表1

表1釹鐵硼性能參數(shù)

3有限元模型的建立
電磁場理論是由個麥克斯韋方程組來描述的，它實際上是由4個定律組成，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，分析和研究電磁場就是對麥克斯韋方程組的求解和實驗驗證．
4ANSYS求解
機器人的平面運動包括直線運動和轉(zhuǎn)向運動．在直線運動中，隨著履帶的連續(xù)運動，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
器人個主動力矩；同時，履帶 后方吸附于工件上的磁塊逐漸地脫離工件，并形成個阻力矩．在轉(zhuǎn)向運動中，履帶除了受到前后兩個磁塊的共同作用以外，工作表面每個磁塊自身的滑動同樣形成了機器人運動的摩擦阻力矩，并直接影響到驅(qū)動系統(tǒng)．因此，根據(jù)履帶的運動情況，我們利用ANSYS對不同狀態(tài)的磁塊進(jìn)行了磁場分析。
5履帶平面力學(xué)分析
由于機器人的兩個履帶各自由個電機進(jìn)行驅(qū)動，因此我們只就單個履帶進(jìn)行分析．
6結(jié)論
(1)本文從履帶的單個磁吸附單元出發(fā)，為磁塊建立了有限元模型，通過ANSYS計算求得了磁塊與工件的磁吸附力，并真實地反映了磁塊在工作過程中的磁場變化；
(2)通過對機器人驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩的測定得出，在直線運動中，機器人受到本身機構(gòu)內(nèi)部摩擦力和前后兩個磁塊的共同作用；在轉(zhuǎn)向運動中，外履帶電機轉(zhuǎn)矩增加，內(nèi)履帶電機轉(zhuǎn)矩減小．