华南理工大学学报(自然科学版)

作者：黄海新, 王峥, 程寿山, 等

单位：1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.交通运输部 公路科学研究所，北京 100080；3.天津市交通运输基础设施养护集团有限公司，天津 300401

关键词：爬壁机器人,负压吸附,响应面优化,拓扑优化,样机试验

基金：天津市交通运输科技发展计划项目(2021-29);桥梁结构安全技术国家工程实验室开放课题(2019-QKF02);旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室（北京）开放课题(2020-JQKFKT-3)

针对桥梁高墩、梁底等区域检测困难的问题，设计开发了一款基于负压吸附的桥梁病害检测爬壁机器人。针对其自身的吸附稳定性，建立并推导了满足抗滑移和抗倾覆条件下的吸附力指标计算式，据此确定能在各角度壁面实现稳定吸附时机器人所需的最小吸附力。结果表明：为确保机器人可靠工作，吸附模块需提供53.0 N的吸附力；结合经验公式给出离心叶轮的初步设计方案并利用Fluent对叶轮流域进行流体力学仿真及响应面优化，建立了由吸附力与扭矩共同构成的评价函数，并给出了函数值最佳时的叶轮设计参数，使吸附模块在满足稳定性的前提下，综合评价函数值较初设方案提升了3.4 %；对负压腔进行拓扑优化，综合考虑拓扑优化结果及负压腔气动性能，获得了腔体内加强肋的构造及布置形式，其中与车轮支撑臂相衔接的加劲肋为“八”字形与直线型镂空构造设计；优化后负压腔的最大竖向位移值减小为原模型的18.5 %，而质量仅增加了16.9 %，加强肋的精准布设效果明显，成功将竖向变形控制在了合理的范围内。最后，利用UTR6180型光敏树脂借助3D打印工艺完成了样机制作，其尺寸约为300 mm×280 mm×15 mm，质量约为1.15 kg。将样机置于多工况下进行性能测试，结果表明：本研究设计开发的爬壁机器人可在多种桥梁壁面稳定吸附并行进，不存在打滑、漂移现象。

来源：2023年第12期

《华南理工大学学报(自然科学版)》期刊编辑部

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