随着人工智能和机器学习等技术的快速发展，智能机器人开始在日常生活和工业生产等方面发挥越来越重要的作用。特别是在工业领域，通过机器人替代人工进行重复性、高风险性的作业成为了现代化工业发展的趋势。目前对于一些高危环境的壁面检测，多采取人工搭建脚手架和背负安全绳攀登的方法进行检测，而人工检测存在很大的安全风险，如在高空建筑外墙检测、核设施容器壁面、特殊压力罐容器壁面检测等场景中，稍有不慎就可能导致人员伤亡。爬壁巡检机器人可以代替人工在危险环境中进行作业，避免了人员直接暴露在危险之中，有效保障了检测人员的生命安全。同时，受安全性、可行性及环境影响等多方面因素的限制下，人工检测无法对被检测目标实现精准全面的检测。爬壁巡检机器人是一种可以在垂直立面等多角度平面上移动的机器人，搭载了超声波探伤检测探头，可以实现在管道立面、水冷避面、体壁面、船体表面等特殊场景的精准全面检测。根据不同的作业场景和工作需求，爬壁巡检机器人机身所携带的机械臂可以适配多种工具，以完成包括检测探伤在内的多种工作，如搬运、喷涂、清扫等多种功能。爬壁巡检机器人可采用负压吸附、磁吸附、仿生吸附、静电吸附、黏结剂吸附等不同的吸附方式，其中磁吸附因其吸附效果良好、结构简单、使用安全、灵活性好等特点，被广泛应用于船舶、电力、甚至军事等领域。磁吸式爬壁机器人最早由日本提出且发展迅速，自20世纪80年代日本已先后研制出八足磁吸式爬壁机器人、吸盘式磁吸附爬壁机器人、履带式磁吸附爬壁机器人等我国于20世纪90年代，在“863计划”的支持下，由哈尔滨工业大学开展了一系列爬壁机器人的研究工作，研发了多款用于储罐检测、搬运清理等工作的磁吸式爬壁机器人，也推动了爬壁巡检机器人在国内的研发应用。未来，随着爬壁巡检机器人研究的进一步深入，爬壁巡检机器人将不再局限于检测探伤、维修清理等工作，爬壁巡检机器人所搭载的模块的功能更加多样化、对各种恶劣环境的适应能力提升以及自动化程度的进一步加深，爬壁巡检机器人将不再局限于检测探伤、搬运清理等工作，还可以完成诸如监测、勘探、安装、焊接、维修及救援等多种工作，爬壁巡检机器人的应用将大大减少企业在诸如此类的工作上的人力成本和安全防护费用，同时，爬壁巡检机器人可以在易燃易爆、有毒有害、辐射强烈的环境中代替人工进行巡检、维修等工作，避免人员暴露在高危环境中，有效的保障了人员安全，且爬壁巡检机器人能够快速覆盖大面积的罐面、容器壁面，效率更高，大大缩短检测周期，减少时间成本。爬壁巡检机器人的应用可以降低安全风险，提高工作效率，保障人员生命安全，达到降本增效的效果。

电磁超声技术：

电磁超声（EMAT）技术相较传统的超声技术直接使用电磁耦合方式，是非接触式检测，因此信号稳定，不会如压电超声探头一样受到耦合剂的干扰。可灵活选择检测激发频率，可以检测不同类型和不同尽寸的缺陷，非常适用于面积型腐蚀导致的壁减薄或者具有一定体积的腐蚀坑的检测工作。非常符合通过智能机器人实现自动化超声无损检测的工作方式。

机械结构方面：

1.吸附结构的选择。

2.整体设计：

超声波检测爬壁机器人整体采用四轮驱动车结构，以满足爬壁机器人对直行，转弯等灵活移动动作的完成以改变超声波检测位置，同时辅助安装机械臂结构，用以完成超声波检测或其他额外作业的多功能任务，这样的机器人设计能满足工业罐体金属探伤对全方位探伤的要求以及定点探伤的要求。

3.转向设计：

爬壁机器人磁吸附单元结构设计以及车轮转向速度控制。

机器人自动行进控制方面：

1.自动化行进功能：实现巡检机器人在自动行进过程中的定线定点运动以及运行中的自动校正功能。

2.避障系统：常见的避障系统可以分为红外避障系统、超声波避障系统、激光雷达避障系统等。

3.最优路径计算：该功能基于stm32单片机计算功能实现，选择合适的路径计算方法规范机器人运动轨迹。

国内外学者对爬壁机器人的吸附方式进行了研究。KOH等提出了静电与弹性体吸附机构混合的爬壁机器人，MINOR等提出了采用欠驱动结构的双足四关节吸盘式爬壁机器人， TOHRU等提出了基于真空吸附式的采用1个吸盘和2个独立驱动轮的爬壁机器人，真空吸附方式不受壁面材料的限制，但吸附力易受壁面光整度的影响。DANIEL等提出了基于定向黏合结构的Stickybot仿生爬壁机器人，能够在光滑竖直表面以4cm/s的速度爬行，但负载能力不足。朱志宏等提出了基于负压吸附原理的爬壁机器人，其吸附力容易控制，但吸附稳定性不足。而磁吸附爬壁机器人对壁面要求低，同时可保证负载能力，如SHEN等提出的履带式永磁吸附爬壁机器人，负载可达到30 kg以上。磁吸附方式有永磁轮式、磁性履带式和永磁间隙式。机器人的负载能力与运动灵活性互相矛盾，永磁轮式爬壁机器人运动灵活性好，但负载能力差，磁性履带式爬壁机器人负载能力好，但运动灵活性差，耗能多；机器人的负载能力与机器人体积也互相矛盾，永磁轮式爬壁机器人将永磁铁布置在车轮上，不增大机器人的底盘尺寸，永磁间隙式爬壁机器人将永磁铁布置在底盘上，增大了机器人的底盘尺寸，但负载能力比永磁轮式爬壁机器人的更优。因此，综合考虑负载能力、运动灵活性以及机器人体积，选择永磁轮式爬壁机器人。现有常用的无损检测方法可以对罐体常见的缺陷（腐蚀缺陷、应力集中和裂纹等）进行有效检测，但基于不同检测技术的原理和方法，结合罐体自身尺寸结构，可以实现罐体检测的方法主要包括以下几个方面：１. 超声波检测技术，超声波检测技术主要是利用超声波在介质中传播和反射，根据声波的衰减程度明确被检测设备表面存在的缺陷，可以有效检测焊缝内部埋藏缺陷等，并在压力容器螺栓的潜在质量缺陷中也比较适用。但针对储罐罐体检测时，需要储罐停产，并对与罐体壁面进行打磨和添加耦合剂处理，检测程序较为复杂。另外，对于罐体的检测经常是局部性的，局限性较大。２. 漏磁检测技术，漏磁检测采用霍尔探头或感应线圈对磁化后的工件进行扫查，漏磁通量会随缺陷尺寸而变化，从而根据检出信号来分析对应缺陷。漏磁检测对储罐表面清洁度要求不高，检测较为全面、精准，可实现缺陷的初步量化，但仪器重量较大，且只适用于铁磁性材料检测。３. 声发射检测技术，声发射检测技术是利用材料内部结构发生变化而引起材料内应力重新分布，使机械能转变为声能，可实现储罐的在线检测，通过合理布置传感器，探测、收集并分析储罐受载情况下的有效活动声源来判定其腐蚀程度，同时通过时差法来定位缺陷位置。检测时无需开罐，检测效率高，但易受外界环境条件的影响，难定量确定罐底板腐蚀缺陷尺寸。４. 三维激光扫描技术，三维激光扫描技术是利用激光测距原理，测量大型储罐的垂直、水平方向角，从而获取扫描区域各测点的空间坐标，对罐体进行三维重构，以分析罐体可能存在的地基沉降与罐体倾斜问题。检测过程中不需要对于储罐进行停工停产。但对于罐体存在的缺陷、应力集中程度等高风险隐患问题无法检测。５. 磁粉检测技术，磁粉检测主要用来检测铁磁性材料表面或近表面缺陷。磁粉检测设备简单、易操作、检测周期短，对表面缺陷检测灵敏度较高且费用低。磁粉检测结果，缺陷的特征可通过缺陷位置处附着的磁粉痕迹直接观察，但磁粉检测无法检测较深的内部缺陷，检测灵敏度受缺陷深度影响，较难定量分析，且检测后需要进行退磁处理才能进行下一次检测。不同检测方法和技术针对储罐的不同特征缺陷具有不同的有效性，在提升基础检测方法的可靠性和检测范围之外，应注重增加检测技术的适应性，为未来检测技术的智能化应用和搭载奠定基础粉痕迹直接观察，但磁粉检测无法检测较深的内部缺陷，检测灵敏度受缺陷深度影响，较难定量分析，且检测后需要进行退磁处理才能进行下一次检测，通过对比上述常用的检测方法及其有效性可以看出，不同检测方法和技术针对储罐的不同特征缺陷具有不同的有效性，在提升基础检测方法的可靠性和检测范围之外，应注重增加检测技术的适应性，为未来检测技术的智能化应用和搭载奠定基础，而最后在爬壁机器人与检测技术的融合方面，位雪提出了轨道客车焊点超声检测爬壁机器人；田兰图提出了基于涡流检测的油罐检测爬壁机器人。虽然这些爬壁机器人实现了与检测技术的融合，但存在检测步骤不完整、检测效果不足的缺点，缺少壁面打磨、耦合剂涂抹以及缺陷标记等步骤，检测机构设计的标准化和集成式是未来的发展方向。针对铁磁壁面的缺陷检测需求，为实现磁吸附爬壁机器人与超声检测技术的融合，通过提出一种融合集成式超声检测机构的轮式磁吸附爬壁机器人结构方案，分析了机器人在不同工况下稳定运行的吸附力条件和电机扭矩条件，并对机器人样机进行了试验，验证了设计的合理性和可行性。

1.实现机器人在爬壁过程中更自由的转向和行进方便快速准确到达检测点

2.通过多个传感器的应用拓展了机器人对不同形状，角度的罐体壁的探伤检测

3.磁吸单元结构以及材料用量更加合理，机器人更轻量化，运动更灵活。

电磁超声技术：

电磁超声（EMAT）技术相较传统的超声技术直接使用电磁耦合方式，是非接触式检测，因此信号稳定，不会如压电超声探头一样受到耦合剂的干扰。可灵活选择检测激发频率，可以检测不同类型和不同尽寸的缺陷，非常适用于面积型腐蚀导致的壁减薄或者具有一定体积的腐蚀坑的检测工作。非常符合通过智能机器人实现自动化超声无损检测的工作方式。

   项目计划使用电磁超声，用电磁超声横波在材料中的传播特性以及回波信号来确定。通过电磁超声器产生的电磁场效应使得试样表面质点局部振动，发射的超声波以横波形式沿着材料传播。其振动方向与波传播方向相垂直。反射的超声波信号被接收器接收。接收器可以使用与发射器相同的磁致伸缩或洛伦兹力机制，将超声波信号转换为电信号。接收到的电信号经过放大、滤波处理，以便准确地分析和测量。通过分析接收到的回波信号，可以确定反射信号的时间延迟，从而确定材料的厚度。

机械结构方面：

1.吸附结构：

有电磁吸附和永磁吸附两种方式，因电磁吸附存在断电掉落风险，且需要额外消耗爬壁机器人携带的能量，近年来随着磁性材料的突破，商用的钕铁硼磁铁表面磁力达到 50 MGOe，可以吸附超过自身重量 100 倍的物体，结合我们机器人使用环境，所以我们选择永磁磁铁做吸附结构。

2.整体设计：

超声波检测爬壁机器人整体采用四轮驱动车结构，以满足爬壁机器人对直行，转弯等灵活移动动作的完成以改变超声波检测位置，同时辅助安装机械臂结构，用以完成超声波检测或其他额外作业的多功能任务，这样的机器人设计能满足工业罐体金属探伤对全方位探伤的要求以及定点探伤的要求。

3.转向设计：

由于爬壁机器人在爬壁过程中需要灵活转向，因此爬壁机器人磁吸附单元结构设计以及车轮转向速度控制成为关键，我们团队将对永磁轮和车轮转动进行建模仿真，进而优化转速，磁轮的轭铁厚度和气隙厚度等。磁吸附单元我们团队有几种设计方案，一种是磁化圆柱形永磁体，径向磁化圆柱形永磁体位于长方形铁轭中心的通孔中，永磁体可以在通孔中转动，当机器人需要与壁面吸附时，永磁体磁通与壁面闭合，吸力最大；当机器人需要与壁面脱落时，永磁体转过90?，磁通与铁轭闭合吸力最小。一种是采用悬摆式磁吸附单元设计，摆式磁吸附结构能使磁场范围很大防止漏磁出现，使得磁吸附力够大支撑车体运动，而且能很好适应车轮结构随着车轮一起转动，我们也将对这些结构进行仿真实验，设计最佳适配结构。在转速分配方面，我们团队将通过摩擦力分析以及转向运动分析进行仿真实验得出各个车轮最佳转速以满足转向需求。

机器人自动行进控制方面：

.自动化行进功能：该功能基于L298实现，小车启动超声波或者红外线测距模块，为提高巡检机器人在自动行进过程中的定线定点运动精度，采用串级PID算法和红外传感器校正补偿控制。串级PID算法其中内环为速度环，外环为位置环。外环控制器的输入是期望的行驶距离，输出的距离是内环控制器的输入，其中距离的微分是速度，内环控制器计算出控制量的输出，发送给L298N从而控制电机达到相应的转速，最终达到期望的行驶距离。红外传感器的主要作用是确保机器人在行进过程中不偏移直线，并对内环输出值进行补偿校正。通过车轮转速的控制改变控制方向，让机器人在我们预定的的轨迹上运行，在这一模式中小车还会接收来自按键或者上位机模式转换指令。

2.避障系统：

常见的避障系统可以分为红外避障系统、超声波避障系统、激光雷达避障系统等，由于考虑到超声波传感器可能对探测结果产生干扰，以及激光元件的昂贵价格，我们最终决定选用红外避障模块，避障模块采用的小车的车头两边各装上一个红外传感器，相当于一个红外电子开关，检测到障碍后输出低电平，平时输出高电平。前方有障碍物时，红外管发出的红外信号经红外接收管接收回来后，经集成的芯片放大，比较后输出一低电平，点亮模块上的LED发光管，同时输出一个低平信号，当stm32单片机接收到来自避障模块的信号后，会根据预设的避障策略，通过调整电机的状态来调整小车的运动，包括调整小车方向、减速或停车，以避开障碍物。

3.最优路径计算：

通过上述途径实现机器人在多种环境下的自动巡检功能。

2024年10月下旬

1、确认选题，与指导老师和师兄交流，明确项目目标，参观实验场地，初步了解研究领域。

2、组内分配工作，初步确定项目进展节点。

2024年11月上旬

1、查阅文献，了解该领域发展现状，寻找项目实现的重难点，对项目预计实现形式、实现方法形成初步构想，及时与导师交流联络，分析可行性。

2、填写项目申报书，咨询指导老师和师兄申报书修改意见，网上申请立项

2024年11月中旬-2025年3月

项目虚拟搭建阶段

1、查阅文献，深入学习有关超声检测的知识。

2、根据先前提出的预计实现方式，进行SolidWorks三维模型的搭建，对模型进行虚拟仿真。

3、每周定期召开组会，根据现有的建模进度，进一步讨论实际方案可行性，对可能存在的问题提出解决方案。

4、组内成员利用空余时间，学习python语言，单片机的使用，以及Ansys等三维仿真软件。

5、寻找设计智能寻迹的解决方案。

2025年3月-2025年9月

项目实物搭建阶段

1、根据前期虚拟建模成果，找到相关厂家加工所需定制零件。

2、制定出实验方案，进行为期一月的实验，获得实验数据并分析，发现实验存在问题，及时对机器人进行改进，换用相关改进零件，继续进行实验。

3、对机器人加装电路控制，调试设备，改进算法。

4、预计搭建出能够初步达到项目主要目标的爬壁机器人，通过超声检测获得被探测材料的壁厚数据。

5、准备进行立项答辩。

2025年10月

在装置初步完善的基础上，编写专利申请书。

2025年11月-2026年4月

1、进一步对机器人进行改进，寻找机器人有可能增设的辅助功能。

2、视前期完成度，对采集数据进行更为丰富和智能化的后处理。

3、根据现有情况，撰写论文。

2026年4月