目录
1.绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 磁吸附爬壁机器人及其吸附单元研究现状 1
1.3 Halbach阵列磁吸附单元研究方法及其研究现状 4
1.4 本文主要研究内容及内容安排 5
1.4.1主要研究内容 5
1.4.2内容安排 5
2.理想直线型Halbach阵列磁吸附单元基本结构及工作原理 7
2.1 磁路设计的任务 7
2.2 磁性材料的选择 7
2.2.1 软磁材料 7
2.2.2 永磁材料 8
2.3 理想直线型Halbach阵列磁吸附单元基本结构及其工作原理 11
2.4本章小结 12
3.理想直线型Halbach阵列磁吸附单元磁场数学模型 13
3.1 磁场数学模型的建立 13
3.1.1 标量磁势法简介 13
3.1.2 数学模型推导 14
3.2 不同结构参数对磁性能的影响分析 17
3.3本章小结 18
4.理想直线型Halbach阵列磁吸附单元磁性能优化 19
4.1 优化目标 19
4.2 磁体厚度的最优值设计 19
4.3 磁体宽度的最优值设计 21
4.4 Halbach阵列波长的选择 23
4.5本章小结 24
5.仿真分析和实验比较 25
5.1 理想直线型Halbach阵列与非理想的差异 25
5.2 理想直线型Halbach阵列与有限元法的差异 25
5.3 理想直线型Halbach阵列与实验结果比较研究 26
6.总结和展望 28
6.1 总结 28
6.2 展望 28
参考文献 29
致 谢 30
1.绪论
1.1 课题研究的背景和意义
在当今社会，机器人的身影遍布各个领域，然而机器人的研究成果代表着一个国家科技发达程度，同时也是综合国力提升的重要标志。特种机器人分为好多
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种，磁吸附爬壁机器人是里面其中的一种，它不仅拥有爬壁机器人的地面技术特点，而且附加了吸附技术的独特功能。它是一种在恶劣、危险、极限等情况下进行作业的自动化机械装置，由于它在这种工作环境出现的表现，越来越受到人们的重视。目前主要应用于核工业、石化工业、电厂、建筑工业和造船业[1]，并发展到爆破、搜救、侦察等领域。
由于爬壁机器人在完成各项任务时，它都携带了相当量的物品，比如：清洗工具、检测设备、武器等，这对爬壁机器的负载能力提出了很高的要求，这就意味着爬壁机器人的吸附能力决定了负载能力，所以磁吸附单元是磁吸附爬壁机器人的核心部件，本文针对理想型Halbach阵列的新型磁吸附单元，对其性能的结构分析和结构优化。为了提高永磁体的利用率，减轻磁吸附爬壁机器人重量，提升负载能力和吸附的可靠性。
1.2 磁吸附爬壁机器人及其吸附单元研究现状
由于爬壁机器人在各种领域的作用发挥越来越广，机器人的类型也比较多，
但是由于吸附的方式不同，我们把它们分为两类：磁吸附爬壁机器人和真空吸附爬壁机器人。前者的活动范围必须在导磁壁面上，但它的吸附力很大，不受地形的限制。后者的活动范围很广，但它面对凹凸地面时会漏气，导致吸附力减弱，但不受壁面材料限制。二者各有利弊。
日本应用技术研究所研制出了车轮式磁吸附爬壁机器人如图1.2.1所示[2]。


图1.2.1 车轮式磁吸附爬壁机器人
它可以吸附在各种大型物体上如储油罐、球形煤气罐、船只等的壁面，它可以代替人作业。它的吸附力是靠磁性车轮所提供，其特征是：行走稳、速度快，最高速度可可以达到9
，在各种形状的壁面上运行自如，且不会破坏壁面的油漆。1989年日本东京工业大学的宏濑茂男研究开发了吸盘式磁吸附爬壁机器人，吸盘与壁面之间存在一个很小的倾斜角度，即使这样，吸盘对壁面的吸力还是很大，一个电动机来能驱动相对应的吸盘，当爬壁机器人与壁面线相接触后，吸盘就会旋转，然后爬壁机器人就向前移动了，这种吸附结构的吸附力可以达到很大[2]。
1998年西班牙自动化研究所研制出一种六足型爬壁机器人并且是磁吸附类型的，如图1.2.2，该机器人名字叫
，它是由六足组成，它是通过六足底下的永磁体对壁面的吸附来工作，机器人自重约
，负载能力达到了
，现用在船舶行业[11]。


图1.2.2

加拿大也研制了一些磁吸附爬壁机器人如图1.2.3所示，它是由双履带构成的一种磁吸附爬壁机器人，工作环境已经拓展到了水下（工作范围30
），爬行时速有9
，可以在二个物体间过渡爬行,同时也是爬越障碍物的好手。同时它还可以在竖直的刚体上吸附，可谓身手敏捷。它目前应用的领域就是电视检测，也就是对一些大型罐体、压力容器进行一些检查。


图1.2.3 双履带磁力吸附机器人
相比国外，我国机器人领域发展比较晚，应用领域相对狭窄。研究水平相对落后。我国哈尔滨工业大学机器人研究室已成功研制出单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人。磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，如图1.2.4所示[1]。


图1.2.4 磁吸附爬壁机器人本体结构示意图
有十多个个永磁吸附块安装在履带周围，一部分永磁吸附块紧紧地吸附在壁面上，并具有很强的吸附力，并和履带（由链条和永磁块组成）配合使机器人紧紧贴在壁面上。机器人靠履带在壁面上进行移动，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，周而复始，这样机器人就可以在壁面上爬行了。
清华大学也对磁吸附爬壁机器人进行了大量研究,他们研制出了一种叫车轮式的磁吸附爬壁机器人。如图1.2.5所示, 它的永磁体在车体的下方，它在正常移动时，磁体是不和避免有接触的。它4只轮子是对称分布的，轮子的质地不是永磁材料，它是通过改变两边车轮速度来进行方向的变化，这中机器人非常灵活，但它对壁面的要求非常高，跨越障碍能力差[13]。

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