Utafiti huu unatengeneza roboti ya sumaku yenye magurudumu manne ya kupanda iitwayo C3bot inayoweza kushikamana na kusogea juu ya mabomba, vile vya turbine na nyuso nyingine za metali zenye umbo la pande tatu huku mkunjo wa uso ukibadilika mfululizo. Mfumo unaunganisha magurudumu ya duara-tufe, vibebea sumaku vyenye viwango viwili vya uhuru wa kuzunguka bila kiendeshi, kitovu cha differential kinachounganisha consoles mbili za kimitambo, na mzunguko wa sumaku za kudumu uliopangwa kwa Halbach. Katika hesabu za kinadharia, kwa kipengele cha usalama 1,5, nguvu ya juu zaidi ya kushikamana ya sumaku inayohitajika kwa gurudumu moja ilikuwa 75,73 N huku simulation ya sumaku ya gurudumu kamili la tufe ikitoa 98,547 N imetolewa. Prototipu halisi ilijaribiwa kwenye nyuso tambarare, concave na convex za metali; ilisogezwa kwenye mabomba yenye radius ya 100–350 mm, ikavuka vizuizi vya 2–7 mm na kufanyiwa jaribio la mzigo wa wima wa 166,3 N. Hata hivyo, radius ndogo zaidi ya kufanya kazi kwa kuaminika kwa roboti kusogea tu si sawa na radius inayohitajika ili probes za ukaguzi zilizobebwa na roboti zidumishe pengo linalofaa kutoka kwenye uso.

Ubunifu mkuu wa utafiti si kuongeza motor kwenye kila gurudumu ili kufuatilia mkunjo wa uso, bali kutumia utaratibu wa kujirekebisha usio na kiendeshi unaotumia nguvu ya sumaku yenyewe. Kibebea sumaku ndani ya gurudumu la tufe kinaweza kuzunguka kwa uhuru katika mihimili miwili kulingana na mwelekeo wa normal wa eneo la uso; consoles mbili za roboti pia zinaweza kubadilisha pembe baina yao kupitia kitovu cha differential. Hivyo, magurudumu manne yanakusudiwa kujirekebisha kimitambo kwa hali tofauti za mguso.

Sumaku za NdFeB-N52 katika mpangilio wa Halbach hukusanya uga wa sumaku hasa upande wa uso wa kazi. Katika utafiti wa chanzo, kati ya mizunguko mitatu ya sumaku iliyolinganishwa kwa pengo sawa la hewa, mpangilio wa Halbach ulitoa nguvu ya juu zaidi ya kushikamana. Pia iliripotiwa kuwa, katika ulinganisho wa ujazo sawa, uzito wa gurudumu la sumaku la tufe lililopendekezwa ulipunguzwa kutoka 3562 g hadi 755 g ukilinganishwa na gurudumu la kawaida la sumaku, sawa na takriban kupungua kwa uzito kwa %79.

Uwezo wa roboti kushikamana kimitambo na uso uliopinda unapaswa kutenganishwa na uwezo wa probes za ukaguzi wa ultrasonic kubaki katika umbali sahihi wa kufanya kazi. Bila probe, modeli ya kibebea sumaku hutoa radius za chini za mkunjo za takriban 120 mm kwa concave na 188 mm kwa convex. Lakini pale probes saba zinapotakiwa kudumisha pengo linalopendekezwa lisilozidi 1,5 mm kutoka kwenye uso, uchanganuzi wa kijiometri katika maandishi ya chanzo unaongeza kikomo cha mwendo wa axial hadi 990 mm kwa uso convex na 1357 mm kwa uso concave.

Kwa mtazamo wa Türkiye, utafiti huu una thamani ya moja kwa moja ya kihandisi kwa ukaguzi wa kiroboti wa turbines za mitambo ya umeme, mabomba ya chuma, matangi ya kuhifadhia, miundo ya viwanja vya meli na nyuso nyingine za viwandani za ferromagnetic. Hata hivyo, utafiti haukuthibitishwa katika kituo chochote, kiwango cha bomba au hali ya uwanjani nchini Türkiye. Mipako ya uso, unene wa kutu, viungio vya kijiometri, seams za kulehemu, aina ya sensa na taratibu za usalama zinapaswa kuthibitishwa upya kwa kituo husika kabla ya matumizi halisi.

C3bot ilitengenezwa kutatua tatizo gani?

Katika miundo mikubwa ya metali kama mabomba, matangi ya kuhifadhia, miili ya meli na vile vya turbine, jiometri ya uso mara nyingi si tambarare. Kunaweza kuwa na mabadiliko kati ya nyuso convex, concave na mikunjo ya pande tatu. Katika roboti za kawaida za sumaku zenye chassis ngumu, nafasi za magurudumu hazibadiliki kuhusiana na kila moja; hivyo katika mabadiliko makali ya mkunjo baadhi ya magurudumu yanaweza kuachana na uso. Pengo la mguso linapoongezeka, nguvu ya sumaku hupungua na roboti inaweza kukwama au kujitenga.

Mifumo ya active compliance inaweza kutatua tatizo hili kwa motors za ziada. Gharama yake ni actuators zaidi, uzito zaidi, ujazo zaidi na udhibiti mgumu zaidi. Njia ya C3bot ni kutumia gurudumu la sumaku la tufe lenye compliance ya passiv na muundo wa differential console wa passiv unaojirekebisha kimitambo kwa mkunjo wa uso.

Kwa nini gurudumu la sumaku la tufe ni tofauti na gurudumu la silinda?

Gurudumu la silinda linapogusa uso uliopinda, sehemu ya mguso inaweza kubadilika kuhusiana na mstari wa katikati wa gurudumu, na nguvu kutoka kwenye normal ya uso inaweza kuzalisha moment ya ziada kwenye mwili wa roboti. Kwa uso wa tufe, uhusiano wa kijiometri kati ya normal ya eneo la mguso na kituo cha tufe ni mzuri zaidi. Kwa hiyo watafiti walilenga kupunguza moments za ziada katika sehemu ya mguso kwa kutumia gurudumu la tufe lenye radius ndogo ya mkunjo wa eneo hilo.

Kibebea sumaku kilicho ndani ya ganda la tufe kina viwango viwili vya uhuru wa kuzunguka bila kiendeshi. Kimoja kiko kando ya mhimili wa gurudumu na kingine kiko kwenye mwelekeo wa perpendicular kwake. Kundi la sumaku hujielekeza lenyewe kulingana na hali ya mguso na uso.

Kitovu cha differential kinafanya kazi gani?

Consoles mbili za kimitambo upande wa kulia na kushoto wa roboti zimeunganishwa katikati kwa utaratibu wa differential. Kwenye uso wa pande tatu, ikiwa urefu wa mguso wa magurudumu manne hauko sawa, consoles mbili zinaweza kuzunguka kuhusiana na kila moja. Hivyo badala ya chassis kubaki ngumu kabisa, jozi za magurudumu zinakusudiwa kuendana na jiometri ya uso.

Kipengele hiki pia husaidia kudumisha ukaribu wa vifaa vya ukaguzi vinavyobebwa chini ya roboti na uso. Hata hivyo, uchanganuzi wa kijiometri unaofuata unaonyesha kuwa kushikamana kwa magurudumu ya roboti na uso pekee hakuhakikishi kwamba probes za ukaguzi zitabaki katika pengo linalofaa.

Kupinduka na kuteleza kwa roboti kulichambuliwaje?

Watafiti walitathmini hali tatu kuu za kushindwa chini ya kasi ya chini na hali za quasi-static:

• Kupinduka kwa longitudinal,
• Kupinduka kwa transverse,
• Kuteleza juu ya uso.

Katika modeli ilikubaliwa kuwa nguvu ya sumaku hutenda katika mwelekeo wa normal wa uso na sehemu yake ya tangential inaweza kupuuzwa. Athari za inertial na dynamic za kasi kubwa za roboti hazikujumuishwa katika uchanganuzi wa static.

Ili kuzuia kuteleza, nguvu ya kushikamana inayohitajika kwa kila gurudumu la tufe imefafanuliwa katika chanzo kama:

\[ F_{mi}\geq k\left( \frac{(G+F_g)\cos\alpha}{4\mu} + \frac{(G+F_g)\sin\alpha}{4} \right) \]

Hapa \(G\) ni uzito wa roboti, \(F_g\) uzito wa mzigo, \(\mu\) mgawo wa msuguano, \(k\) kipengele cha usalama na \(\alpha\) pembe ya mwinuko wa uso.

Thamani za msingi zilizotumika katika hesabu:

Masharti ya kupinduka kwa longitudinal, kupinduka kwa transverse na kuteleza yalipolinganishwa pamoja, kuteleza kulibainika kuwa hali muhimu zaidi. Nguvu ndogo inayohitajika ya sumaku kwa gurudumu moja iliongezeka kwanza na kisha kupungua kadiri pembe ya uso ilivyobadilika, na kufikia kiwango cha juu cha 75,73 N katika α = 22°.

Kwa nini mzunguko wa sumaku wa Halbach ulichaguliwa?

Watafiti walilinganisha mipangilio mitatu tofauti ya magnetization kwa kutumia ANSYS 24 R1 Maxwell. Mpangilio wa kwanza ulikuwa Halbach array, wa pili sumaku zenye mwelekeo mmoja wa magnetization, na wa tatu muundo wenye sumaku jirani zilizoelekezwa kinyume.

Katika mipangilio yote, nguvu ya kushikamana ya sumaku ilipungua kadiri pengo la hewa lilivyoongezeka. Kwa ukubwa na nyenzo sawa za sumaku, muundo wa Halbach ulitoa nguvu ya juu zaidi ya kushikamana katika mapengo yote ya hewa yaliyotathminiwa, na ndio uliochaguliwa kwa prototipu.

Nyenzo ya sumaku ya kudumu ni NdFeB-N52. Kibebea sumaku na ganda la tufe vimetengenezwa kwa alumini ili kupunguza mwingiliano na uga wa sumaku na kutoa uimara wa kimuundo.

Je, gurudumu moja la tufe huzalisha nguvu ya kutosha ya sumaku?

Katika simulation ya uga wa sumaku kwa gurudumu kamili, jumla ya nguvu ya kushikamana ya sumaku ilihesabiwa kuwa 98,547 N. Thamani hii ni juu ya 75,73 N hitaji la juu la gurudumu moja lililopatikana katika modeli ya static.

Thamani hizi mbili si aina moja ya kipimo moja kwa moja: 75,73 N ni hitaji la chini la kinadharia, huku 98,547 N ikiwa output ya simulation ya sumaku. Chanzo pia kilifanya majaribio halisi ya sumaku na kuonyesha kuwa mienendo ya simulation kwa ujumla ililingana na vipimo halisi.

Kwa nini pengo la hewa ni muhimu?

Pengo kati ya gurudumu la sumaku na uso wa chuma linapoongezeka, nguvu ya kushikamana hupungua. Katika utafiti, mizunguko tofauti ya sumaku ililinganishwa katika takriban 3–6 mm na mpangilio wa Halbach ukaendelea kutoa nguvu ya juu zaidi.

Matokeo haya yanaeleza kwa nini mkunjo wa uso si tatizo la kijiometri pekee. Ikiwa gurudumu au kibebea sumaku hakitaweza kufuata uso, pengo la hewa huongezeka na nguvu ya sumaku inaweza kudhoofika haraka. Mojawapo ya kazi kuu za utaratibu wa passiv compliance wa C3bot ni kudumisha pengo hili kuwa dogo.

Pembe inayoruhusiwa ya kuzunguka kwa kibebea sumaku ni ipi?

Katika Kielelezo 10 cha chanzo, mipaka ya kimitambo ya mwendo wa kibebea imeonyeshwa pamoja na anuwai pana zaidi ya kinadharia ya pembe ambamo nguvu ya kutosha ya sumaku inaweza kudumishwa. Kwa upande wa uso concave, mechanical swing ni takriban 9°, na kwa upande convex takriban −4°. Mipaka iliyokokotolewa ambamo nguvu ya sumaku inabaki juu ya kizingiti cha 75,73 N ni takriban 18,9° na −13,6°.

Kwa hiyo, ilihitimishwa kuwa ndani ya mipaka ya mwendo wa kimitambo ya muundo wa chanzo, nguvu ya sumaku hubaki juu ya hitaji la static.

Uhusiano kati ya radius ya mkunjo na pembe ya kibebea ni upi?

Ulinganifu wa kibebea sumaku ndani ya gurudumu la tufe na mkunjo wa uso umeundwa kwa uhusiano ufuatao wa kijiometri:

\[ \varphi = \begin{cases} \arcsin\left(\frac{W/2}{R+D/2}\right), & \text{dışbükey yüzey}\\ \arcsin\left(\frac{W/2}{R-D/2}\right), & \text{içbükey yüzey} \end{cases} \]

Hapa \(R\) ni radius ya mkunjo wa uso, \(D\) kipenyo cha ganda la tufe na \(W\) upana wa kijiometri husika. Kadiri radius ya mkunjo inavyoongezeka, pembe ya swing inayohitajika hupungua.

Mipaka ya kimitambo inayotolewa na modeli:

• Uso concave: minimum R = 120 mm,
• Uso convex: minimum R = 188 mm.

Thamani hizi ni za uwezo wa kimitambo/kushikamana wa roboti bila probes; probes za ukaguzi zikiongezwa, mipaka tofauti hujitokeza.

Kwa nini kuzunguka kwa consoles za kimitambo pia kunapunguzwa?

Roboti inapozunguka juu ya uso uliopinda, si vibebea sumaku pekee, bali pia consoles za kimitambo za kulia na kushoto hubadilisha pembe kuhusiana na kila moja karibu na kitovu cha differential. Watafiti walifafanua pitch angle ya console hii kuhusiana na uso wa eneo hilo kwa \(\beta\).

Katika modeli, pitch angle ya juu inayoruhusiwa ya console imewekewa kikomo cha 10°. Chini ya hali hii, huku nguvu ya juu ya kushikamana ya sumaku ikidumishwa, ilihesabiwa kuwa radius ya uso ambayo roboti inaweza kufanya kazi haipaswi kuwa chini ya 136 mm.

Kwa nini probes za ukaguzi zinapunguza uwezo wa mkunjo?

Chini ya C3bot kuna jumla ya probes saba za ultrasonic za elektromagnetiki zilizopangwa katika vikundi vinne. Kwa kuwa pengo kati ya kituo cha probe na uso wa metali huathiri usahihi wa ukaguzi, pengo la juu la probe lililopendekezwa katika chanzo limetumika kama:

\[ \delta \leq 1,5\ \text{mm} \]

.

Kwa uso convex, uhusiano wa mfano wa pengo kwa mwendo wa circumferential umetolewa kama:

\[ \delta = \left| \sqrt{R^2-(w-b/2)^2} - \sqrt{R^2-w^2} \right| \]

Utafiti ulihesabu pengo la kila moja ya vikundi vinne vya probes kando kulingana na umbali wa probe kutoka katikati.

Kulingana na matokeo katika maandishi ya chanzo:

Matokeo haya ni muhimu kwa vitendo: hata kama roboti inaweza kusogea kimwili kwenye mikunjo mikali kama R=100–188 mm, probes zote huenda zisiweze kudumisha umbali unaohitajika kutoka kwenye uso wakati array pana ya sensa imewekwa chini yake.

Sifa kuu za prototipu ni zipi?

Katika prototipu halisi, actuators za DYNAMIXEL XM540-W270R zilitumika. Chanzo kinatoa torque ya kawaida ya motor kuwa 6 Nm, maksimum torku 10,2 Nm.

Jumla ya uzito wa roboti, ikijumuisha probe, mwanga na kifuniko cha juu, ni 7,5 kg. Mfumo ulitumia control board ya STM32, utaratibu wa kujiviringisha kiotomatiki wa safety cable na mfumo wa amri zisizo na waya.

Katika sehemu tofauti za chanzo, thamani mbili tofauti za maximum speed, 0–6 m/min na 0–8 m/min, zimetolewa. Katika jaribio halisi la uwanjani kwenye turbine, mwendo wa takriban 6,5 m/min uliripotiwa.

Mipako ya mpira iliathirije kushikamana?

Katika jaribio la msuguano la gurudumu lenye sumaku moja, gurudumu liliwekwa kwenye uso wa pembeni wa bomba la metali. Kwa gurudumu lenye mpira, maximum static friction force ilikuwa 0,48 kg, na bila mipako 0,18 kg.

Kwa upande mwingine, coefficients za msuguano zilizokokotolewa zilikuwa:

• Lenye mipako ya mpira: 0,39
• Bila mipako ya mpira: 0,15

. Chanzo kinaripoti kuwa maximum static friction force iliongezeka kwa takriban mara 2,6 kwa kutumia mipako.

Roboti ilifanyaje kwenye ukuta tambarare?

Katika jaribio la uso wima, roboti ilifuata njia ya zigzag kwa kasi ya takriban 33 mm/s na kumaliza uso wote kwa takriban dakika moja. Watafiti waliripoti kwamba hawakuona kuteleza au kupinduka wakati wa mwendo wa longitudinal, transverse au kugeuka.

Nini kilitokea kwenye mabomba yenye radius ya 100–350 mm?

Roboti ilijaribiwa kwenye mabomba ya metali yenye R=100, 150 na 350 mm kwenye uso wa nje na R=350 mm kwenye uso wa ndani. Mbali na mwendo wa moja kwa moja, spiral motions kuzunguka bomba pia zilifanywa.

Kwa mwendo wa moja kwa moja kando ya generatrix ya juu na ya pembeni ya bomba lenye radius ya 150 mm, jedwali la chanzo linaripoti %100 mafanikio. Urefu wa seams za kulehemu ulitofautiana takriban 3–7 mm na roboti iliweza kuvuka kutoka pande tofauti.

Katika jaribio la spiral la uso wa nje wa R=100 mm, utafiti unaonyesha kuwa mwendo uliwezekana hata nje ya kikomo cha kinadharia cha minimum concave cha 120 mm; hata hivyo utendaji haukuwa kamili. Maandishi yanataja %80 mafanikio, tukio moja la kujitenga na tukio moja la kuteleza. Matokeo haya yamehusishwa na kupungua kwa eneo la mguso katika radius ndogo ya mkunjo na components za ziada za normal force zinazopingana na mwelekeo wa mwendo.

Dokezo la jedwali ndani ya chanzo: Katika Jedwali 4, “Spiral motion (outer surface, R = 100 mm)” imeandikwa mara mbili na kupewa %90 na %80 mafanikio mtawalia. Kwa kuwa maandishi yaliyotangulia yanataja kujitenga mara moja katika spiral motion kwenye bomba la 150 mm, inawezekana mstari wa kwanza unawakilisha radius tofauti, lakini utafiti hausuluhishi hili wazi. Kwa hiyo label ya jedwali haijabadilishwa hapa.

Je, mwendo uliwezekana kwenye nyuso zenye kutu na uchafu?

Katika majaribio ya bomba la R=350 mm, roboti ilifanyishwa kazi kwenye nyuso za nje na za ndani. Kwenye uso wa nje, ilisogea juu ya metali yenye kutu na seams za kulehemu za takriban 2–5 mm. Jedwali 4 linaripoti %100 mafanikio kwa spiral motion ya uso wa nje.

Kwenye uso wa ndani, tukio moja la kuteleza lilitokea. Watafiti walieleza hili kwa mkusanyiko mkubwa wa mabaki ya metali sehemu ya chini ya bomba, ambao ulipunguza magnetic adhesion na friction.

Kwa sababu uga wa sumaku katika gurudumu la tufe hauendelei kuzunguka circumference nzima ya gurudumu, utafiti pia ulitaja kama faida ya kiuchunguzi kwamba chembe za metali zilijikusanya hasa katika active contact region na sehemu kubwa ya gurudumu iliweza kubaki safi zaidi.

Uwezo wa kubeba mzigo wa roboti ni kiasi gani?

Kwenye uso wima wa ferromagnetic, wakati roboti ilivutwa na makundi mawili ya drive motors, maximum force iliyopimwa ilikuwa 166,3 N. Watafiti wanaeleza kuwa hii ni takriban mara 2,2 ya uzito wa roboti.

Katika sehemu tofauti za chanzo, uwezo huu umetolewa kama mass equivalent ya 16,63 kg, 16,67 kg na 16,6 kg. Kwa hiyo, usemi wa moja kwa moja wa majaribio unaotegemewa zaidi ni maximum measured tension ya 166,3 N.

Uwezo wa kuvuka vizuizi ni kiasi gani?

Sehemu ya majaribio inasema kwamba roboti iliweza kuvuka vizuizi na seams za kulehemu zenye urefu wa takriban 2–7 mm kwenye nyuso za ndani na za nje za bomba. Muhtasari pia unatumia maximum ya 7 mm.

Hata hivyo, performance Table 5 inatoa 8 mm bila ultrasonic probe na 5 mm ikiwa na probe kama uwezo wa kuvuka kizuizi. Chanzo hakipatanishi kwa kina tofauti za hali za majaribio kati ya 7 mm na 8/5 mm.

Safety rope inafanya kazi gani?

Safety rope iliyounganishwa nyuma ya roboti haitoi tu ulinzi wa passiv dhidi ya kuanguka. Katika jaribio, roboti ilipokuwa imeshikamana na uso wima wa 90°, rope ilivutwa kwa mkono na roboti kusogezwa juu na chini. Lengo ni kuwezesha roboti kurudishwa kwa mkono kwenye eneo salama endapo nguvu au drive itashindwa.

Je, C3bot ilijaribiwa katika kituo halisi cha viwanda?

Ndiyo. Watafiti waliifanyia roboti field test kwenye runner ya Francis turbine katika hydroelectric power plant kusini-magharibi mwa China.

Turbine runner iliyokaguliwa:

• Nyenzo: ZG04Cr13Ni4Mo cast stainless steel,
• Radius: 8,9 m,
• Urefu: 3,59 m,
• Idadi ya blades: 15

. Ilielezwa kuwa uso ulikuwa na kutu, mikwaruzo na cavitation damage.

Roboti iliendeshwa kwenye nyuso za inverted na vertical, kamera za mbele na nyuma zilitumika kuthibitisha nafasi, na chanzo kilitaja kwa probes 0–1 mm surface-defect depth resolution. Iliripotiwa kuwa roboti ilikagua turbine blades kwa zigzag kwa kasi ya takriban 6,5 m/dak na kwamba watafiti walipata full surface coverage.

Dokezo la istilahi: Maandishi makuu ya field application yanaita probes katika sehemu moja “Magnetic Flux Leakage (MFL)”, huku caption ya Kielelezo 24 ikitumia “electromagnetic ultrasonic probes”. Kwa kuwa chanzo hakielezi tofauti hii ya majina ya sensa, maneno haya mawili hayajaunganishwa kimyakimya kana kwamba ni aina moja ya sensa.

Matokeo makuu yanayoungwa mkono na utafiti

• Kibebea sumaku cha passiv chenye viwango viwili vya uhuru na muundo wa differential console vilitekelezwa katika prototipu halisi.
• Mzunguko wa sumaku wa Halbach ulitoa nguvu ya juu zaidi ya kushikamana kati ya mipangilio mitatu iliyolinganishwa kwa pengo sawa la hewa.
• Kwa gurudumu moja, maximum force inayohitajika katika static model ni 75,73 N, huku force katika full-wheel simulation ikiwa 98,547 N.
• Roboti ilisogezwa kwenye nyuso za majaribio zenye radius ya 100–350 mm.
• Mwendo uliwezekana kwenye mkunjo mkali wa R=100 mm ambao uko nje ya theoretical design limit, lakini matukio ya kujitenga na kuteleza yalionekana.
• Mipako ya mpira iliongeza kwa kiasi kikubwa static friction iliyopimwa.
• Katika vertical load test, tension ya 166,3 N ilipimwa.
• Roboti iliweza kuvuka seams za kulehemu na vizuizi vya uso vya milimita kadhaa.
• Field test kwenye nyuso wima na inverted ilifanywa kwenye runner halisi ya hydroelectric turbine.
• Utaratibu wa passiv unaweza kutoa surface compliance bila kutumia idadi kubwa ya active joints za ziada.

Matokeo ambayo utafiti haujathibitisha

• Haijaonyeshwa kuwa C3bot itafanya kazi bila kujitenga kwenye miundo yote ya metali ya pande tatu.
• %100 reliable operation kwa radius ya 100 mm haijathibitishwa.
• Minimum curvature ambayo magurudumu yanaweza kusogea si sawa na minimum curvature ambayo reliable inspection inaweza kufanywa kwa ultrasonic probes.
• Roboti haifanyi autonomous path planning; high-performance onboard controller na autonomous planning zimetajwa kama kazi za baadaye.
• Chanzo hakihakikishi magnetic force sawa kwa coatings zote za uso na hali zote za kutu.
• 0–1 mm field defect-depth resolution iliyotolewa si universal detection performance kwa nyenzo na sensor configurations zote.
• Field application halisi ya jiometri moja ya turbine haionyeshi kuwa matokeo yanaweza kuhamishwa kwa miundo yote ya viwanda.
• Utafiti haukufanya uthibitishaji kwa vituo vya Türkiye au local maintenance standards.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mtiririko wa kazi wa kihandisi wa utafiti

Utafiti unatumia tabaka tano za uthibitishaji zinazofuatana:

1. Kubuni mechanical robot architecture inayofaa tatizo la variable-curvature surface,
2. Kuunda static-force model kwa sliding na overturning,
3. Kulinganisha Halbach na alternative magnetic circuits kwa ANSYS Maxwell,
4. Kumodeli kijiometri curvature, magnet swing angle, mechanical-console pitch angle na probe clearance,
5. Kujaribu prototipu kwa majaribio maabara na katika mazingira halisi ya turbine.

Muundo wa roboti

Chanzo kinatoa thamani gani kwa vipimo vya roboti?

Hakuna seti moja thabiti ya external dimensions katika chanzo:

• Comparison Table 1: 312 × 210 × 176 mm,
• Maelezo ya mechanical design: 320 × 230 × 180 mm,
• Performance Table 5: 315 × 210 × 176 mm.

Haijaelezwa kama tofauti hizi zinatokana na prototype revision, measurement definition au tofauti ya uandishi. Kwa hiyo, hakuna seti iliyochaguliwa kama “thamani sahihi”.

Simulation ya magnetic circuit

Magnetic model iliundwa katika mazingira ya ANSYS 24 R1 Maxwell. Halbach array ililinganishwa na alternative magnetization arrangements mbili. Force ilipungua katika mipangilio yote kadiri air gap ilivyoongezeka, na mpangilio wa Halbach ukatoa force ya juu zaidi.

Katika simulation ya full spherical wheel, magnetic field ilikusanywa katika eneo linalokabili uso; ilionyeshwa kuwa tangential components kwa kiasi kikubwa zilifutana kwa sababu ya muundo symmetric na net force ikaelekezwa hasa kwenye surface normal.

Net adhesion force katika simulation ni 98,547 N.

Jaribio halisi la sumaku

Adhesion force ilipimwa kwa majaribio huku angle ya magnet carrier ikibadilishwa, na wastani wa vipimo vitatu ulitumika kwa kila point. Sehemu moja ya chanzo inasema measurement–simulation difference ilikuwa takriban %2 huku sehemu ya majaribio ikiandika kuwa matokeo yalibaki ndani ya %10 error limit. Haijaelezwa kama kauli hizi mbili ni summaries tofauti za error metric moja.

Jaribio la msuguano

Gurudumu lenye sumaku moja lilijaribiwa kwenye bomba la metali. Separation force ya 1,45 kg na wheel weight ya 0,23 kg vilipimwa kwenye upper surface, na effective magnetic adhesion ya takriban 1,22 kg ikakokotolewa.

Katika side-surface friction test, rubber coating iliripotiwa kuongeza coefficient of friction kutoka 0,15 hadi 0,39.

Majaribio yaliyodhibitiwa ya nyuso zilizopinda

Majaribio yalitumia flat vertical wall, outer surfaces za R=100 mm, R=150 mm na R=350 mm, pamoja na inner surface ya R=350 mm. Motion modes zilijumuisha straight, transverse, turning na spiral motions.

Kichwa cha Table 4 cha chanzo kinaeleza success rates kama “10 trials”, wakati maandishi ya sehemu hiyo hiyo yanasema matokeo yalifupishwa kutokana na “five repeated trials”. Kauli hizi mbili kuhusu idadi ya marudio ya jaribio hazilingani.

Uchanganuzi wa kijiometri wa inspection probes

Kwa sababu ya nafasi ya probes saba za electromagnetic ultrasonic katika vikundi vinne, surface clearance ya kila group ni tofauti. Curvature inapokuwa kali zaidi, probe groups zilizo mbali na center ya roboti husogea mbali zaidi na surface.

Uchanganuzi huu unaonyesha kuwa mechanical climbing capability ya roboti na operating capability ya actual inspection sensor vinapaswa kutathminiwa tofauti. Matokeo ya axial yenye vikwazo zaidi katika maandishi ya chanzo ni 990 mm kwa convex surface na 1357 mm kwa concave surface.

Load na obstacle tests

Maximum tension ya 166,3 N ilirekodiwa katika vertical load test. Chanzo kinaitathmini kama takriban mara 2,2 ya uzito wa roboti.

Vizuizi na welding seams za 2–7 mm zilivukwa kwa mafanikio kwenye inner na outer pipe surfaces. Performance table pia inaripoti obstacle capability ya 8 mm bila probe na 5 mm ikiwa probe imewekwa.

Field validation

Roboti ilitumika kwenye Francis turbine runner halisi ikiwa na kamera na contact/electromagnetic inspection system. Mwendo inverted na vertical ulifanywa kwenye nyuso zenye kutu, mikwaruzo na cavitation defects.

Chanzo kinaripoti kuwa roboti ilifanya zigzag scanning kwa takriban 6,5 m/min na ikapata full coverage ya turbine-blade surface. Field test hii ni safu muhimu ya validation inayotofautisha utafiti na laboratory prototype pekee.

Vikwazo vikuu vya utafiti

Kikwazo cha kwanza ni kupuuzwa kwa high-speed dynamic na inertial effects katika static model. Equations za sliding na overturning zinategemea dhana ya quasi-static operation.

Kikwazo cha pili ni sensor geometry. Hata kama mechanical robot inaweza kukaribia curvatures za 100–188 mm, wide probe array inaweza kuhitaji minimum radius kubwa zaidi.

Kikwazo cha tatu ni kwamba %100 success haikufikiwa kwenye curvatures kali sana kama R=100 mm. Kujitenga na kuteleza vilionekana katika hali hizi.

Kikwazo cha nne ni autonomy. Utafiti wa sasa unalenga hasa mechanical compliance, adhesion na field applicability. High-performance onboard computer, autonomous path planning na continuous transitions kati ya heterogeneous surfaces zimeachwa kwa kazi za baadaye.

Kikwazo cha tano ni kwamba baadhi ya performance parameters zimetolewa kwa kutolingana katika sehemu tofauti za chanzo. Dimensions, speed, load capacity, probe-curvature labels, idadi ya experimental repetitions na baadhi ya obstacle values hazipatani kikamilifu kama seti moja ya nambari.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la utafiti asilia: C3bot: A Climbing Robot for 3D Variable-Curvature Structures

Waandishi: Mingyuan Wang; Yize Xu; Ziqing Gu; Jianjun Yuan; Sheng Bao; Zhengtao Hu.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio uliotolewa katika chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Waandishi wa mawasiliano: Jianjun Yuan na Zhengtao Hu.

Co-first/co-contribution: Chanzo hakijataja tamko la co-first authorship au equal contribution.

Taasisi:

1. School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200444, China.
2. Shanghai Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Robotics, Shanghai University, Shanghai 200444, China.

Jarida: Machines.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Volume/issue/article number: 14(5), 492.

DOI: 10.3390/machines14050492.

Aina ya chanzo na hali ya peer review: Peer-reviewed original research article (Article).

Submitted: 10 Machi 2026.

Revised: 11 Aprili 2026.

Accepted: 21 Aprili 2026.

Published: 28 Aprili 2026.

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Waandishi walisema kuwa utafiti haukupokea external funding.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa data zimo ndani ya utafiti.

Nyenzo ya ziada: Video S1: Climbing Robot Experiment.

Mgongano wa maslahi: Waandishi walitangaza kuwa hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Conceptualization M.W. na J.Y.; methodology M.W. na Y.X.; software M.W. na Y.X.; validation M.W., Y.X. na Z.G.; formal analysis M.W. na Z.G.; investigation M.W., Y.X. na Z.H.; resources M.W., J.Y., S.B. na Z.H.; data curation Z.G.; original draft M.W., Y.X. na Z.G.; review/editing M.W., Z.G., J.Y., S.B. na Z.H.; visualization Z.G.; supervision J.Y., S.B. na Z.H.; project administration M.W., J.Y., S.B. na Z.H.

Uhusiano na kazi ya awali: Makala ni toleo lililopitiwa na kupanuliwa la kazi ya mkutano ya 2025 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems yenye kichwa “Design and Validation of a Climbing Robot via Passive Wheel Compliance”. Katika makala ya sasa, robot design, magnetic adhesion mechanism, curved-surface kinematics na experimental validation zimepanuliwa.

Dokezo la tarehe ya mkutano: Sehemu ya Acknowledgments ya makala inataja mkutano wa awali kuwa 24–26 Oktoba 2025, huku rejea [30] katika bibliography ikitoa 17–19 Oktoba 2025 kwa karatasi hiyo hiyo ya mkutano. Chanzo hakielezi tofauti hii.

Rekodi rasmi ya uchapishaji: MDPI Machines, Volume 14, Issue 5, Article 492; DOI 10.3390/machines14050492.

Maelezo ya kisayansi katika maudhui haya ya Verianla yanategemea tu mechanical design, mathematical models, magnetic simulations, laboratory experiments na field validation ya utafiti uliokaguliwa. Chanzo cha nje kilitumika tu kuthibitisha bibliographic identity na official publication record; hakuna experiment, statistic au mechanism mpya iliyoongezwa kutoka nje kwenye maudhui kuu ya kisayansi.

Madokezo ya kutolingana ndani ya chanzo: (1) External dimensions za roboti zimetolewa kwa namna tatu: 312 × 210 × 176 mm, 320 × 230 × 180 mm na 315 × 210 × 176 mm. (2) Movement speed imeripotiwa katika ranges mbili tofauti, 0–6 m/min na 0–8 m/min; field test ilitumia takriban 6,5 m/min. (3) Load capacity imeandikwa kama 16,63 kg, 16,67 kg na 16,6 kg; direct experimental maximum tension ni 166,3 N. (4) Maandishi ya Sehemu 5.3 yanatoa convex R=990 mm na concave R=1357 mm kwa system yenye probes, lakini Table 5 inabadilisha labels hizi mbili za surface. (5) Table 4 inaorodhesha R=100 mm outer-surface spiral motion mara mbili na success rates tofauti; surrounding text inaashiria kuwa moja inaweza kuhusiana na R=150 mm, lakini table haijasahihishwa kimyakimya. (6) Maandishi ya sehemu hiyo hiyo yanataja five repetitions huku kichwa cha Table 4 kikiandika ten trials. (7) Obstacle-crossing result ni hadi 7 mm katika abstract na experimental text, lakini Table 5 inatoa 8 mm bila probe na 5 mm ikiwa na probe. (8) Simulation–measurement difference katika magnet-angle experiment imetajwa kama %2 sehemu moja na ndani ya %10 sehemu nyingine. (9) Katika field section, sensa zimeitwa MFL probes sehemu moja na electromagnetic ultrasonic probes katika caption ya Figure 24. Hakuna tofauti hizi iliyotatuliwa kwa kudhani habari nje ya utafiti.

Kiwango cha sasa cha ushahidi wa utafiti kinaunga mkono kwamba passive magnetic na mechanical compliance mechanism ya C3bot inaweza kufanya kazi kwenye steel surfaces zenye curvatures tofauti na inaweza kutumika kama inspection carrier katika mazingira halisi ya turbine. Hata hivyo, transitions ngumu zaidi za surfaces, fully autonomous path planning, kuboresha sensor geometry kwenye tight curvatures na long-term industrial reliability zinahitaji validation ya ziada.