王剛+翁晶+藺本浩+王生海

摘 要 根據(jù)船舶密閉艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了永磁吸附爬壁機(jī)器人。運(yùn)用Solidworks對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用有限元法對(duì)磁吸附力進(jìn)行分析，通過單片機(jī)控制及無線芯片收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遙控。試驗(yàn)結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機(jī)器人能可靠的吸附與靈活運(yùn)動(dòng)，因此可按需要搭載相關(guān)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入船舶密閉艙室進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機(jī)器人；檢測(cè)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對(duì)于船員來說最大危險(xiǎn)來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進(jìn)入其中。即使有文獻(xiàn)[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設(shè)備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發(fā)生，文獻(xiàn)[2]提出了利用機(jī)器人代替人來進(jìn)行船上危險(xiǎn)環(huán)境檢測(cè)的思想。文獻(xiàn)[3]～[5]設(shè)計(jì)研究了船舶外表面作業(yè)機(jī)器人，為船舶密閉艙室探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據(jù)船舶艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新型永磁吸附爬壁機(jī)器人，其可應(yīng)用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關(guān)設(shè)備（氣體檢測(cè)器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代替人來完成危險(xiǎn)作業(yè)的

功能。

1 爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，同時(shí)通過合理的設(shè)計(jì)安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負(fù)載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動(dòng)方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計(jì)選用雙履帶的移動(dòng)方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達(dá)、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負(fù)重且便于攜帶作業(yè)工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應(yīng)壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設(shè)計(jì)了永磁吸附雙履帶驅(qū)動(dòng)式爬壁機(jī)

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Solidworks對(duì)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時(shí)應(yīng)盡量保證機(jī)器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機(jī)器人的磁吸附設(shè)計(jì)

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機(jī)器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時(shí)，永磁鐵所提供的吸附力應(yīng)能保證能夠克服磁鐵本身和機(jī)器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發(fā)現(xiàn)商品化性能最高的磁鐵，機(jī)械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號(hào)為N35[6]。

本文設(shè)計(jì)選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機(jī)器人具有足夠吸附力的同時(shí)也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對(duì)并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機(jī)器人底部設(shè)置4個(gè)孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個(gè)槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向?yàn)榇怪北诿?，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場(chǎng)，向機(jī)器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設(shè)計(jì)以提供磁場(chǎng)為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對(duì)由永磁體作為磁源的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。本文采用有限元方法，仿真計(jì)算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機(jī)器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場(chǎng)。

本文在簡(jiǎn)化的物理模型、數(shù)學(xué)模型以及求解方法[7]基礎(chǔ)上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對(duì)磁吸附力進(jìn)行仿真求解。

首先建立模型，對(duì)模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進(jìn)行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料即可。然后進(jìn)行相應(yīng)邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、參數(shù)選擇和求解設(shè)置等，最后求解運(yùn)算，計(jì)算后的磁場(chǎng)分布如圖2所示。

通過計(jì)算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機(jī)器人質(zhì)量為1kg時(shí)，橡膠履帶和鐵質(zhì)墻壁間的摩擦系數(shù)為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機(jī)器人重量9.8N，所以機(jī)器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機(jī)器人的正常工作。

3 爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)

爬壁機(jī)器人由主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。一對(duì)主動(dòng)輪通過減速裝置各與一個(gè)直流電機(jī)相連，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人完成前進(jìn)、后退。當(dāng)左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊的電機(jī)停止時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機(jī)器人的實(shí)用性和可靠性。上位機(jī)可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機(jī)安裝于機(jī)器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線收發(fā)模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機(jī)為核心，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗(yàn)，機(jī)器人可達(dá)到預(yù)期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時(shí)能夠適應(yīng)壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與動(dòng)力控制模塊之間良好的通訊，機(jī)器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計(jì)的遙控裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡(jiǎn)單改造并搭載檢測(cè)設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)此爬壁機(jī)器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李勇，劉云鵬.進(jìn)入船舶封閉空間的安全做法[J].航海技術(shù)，2014（1）：70-72.

[2]魯舜.在船舶檢驗(yàn)中使用機(jī)器人[J].中國船檢，2004（6）：96-97.

[3]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機(jī)器人[J].機(jī)器人，2010，32（4）：560-567.

[4]高永寧，丁建龍.船體清洗裝置的國內(nèi)外應(yīng)用與現(xiàn)狀分析[J].新技術(shù)新工藝，2012（2）：28-30.

[5]蔡衛(wèi)國，汪靜，董利峰，等.適于水下船體的爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）.

[6]王峰.水下船體表面清刷機(jī)器人磁吸附驅(qū)動(dòng)裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[7]桂仲成，陳強(qiáng)，孫振國.爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（11）：40-46.

作者簡(jiǎn)介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學(xué)生，研究領(lǐng)域：船舶機(jī)電一體化，船舶動(dòng)力定位。endprint

摘 要 根據(jù)船舶密閉艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了永磁吸附爬壁機(jī)器人。運(yùn)用Solidworks對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用有限元法對(duì)磁吸附力進(jìn)行分析，通過單片機(jī)控制及無線芯片收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遙控。試驗(yàn)結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機(jī)器人能可靠的吸附與靈活運(yùn)動(dòng)，因此可按需要搭載相關(guān)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入船舶密閉艙室進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機(jī)器人；檢測(cè)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對(duì)于船員來說最大危險(xiǎn)來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進(jìn)入其中。即使有文獻(xiàn)[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設(shè)備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發(fā)生，文獻(xiàn)[2]提出了利用機(jī)器人代替人來進(jìn)行船上危險(xiǎn)環(huán)境檢測(cè)的思想。文獻(xiàn)[3]～[5]設(shè)計(jì)研究了船舶外表面作業(yè)機(jī)器人，為船舶密閉艙室探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據(jù)船舶艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新型永磁吸附爬壁機(jī)器人，其可應(yīng)用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關(guān)設(shè)備（氣體檢測(cè)器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代替人來完成危險(xiǎn)作業(yè)的

功能。

1 爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，同時(shí)通過合理的設(shè)計(jì)安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負(fù)載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動(dòng)方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計(jì)選用雙履帶的移動(dòng)方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達(dá)、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負(fù)重且便于攜帶作業(yè)工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應(yīng)壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設(shè)計(jì)了永磁吸附雙履帶驅(qū)動(dòng)式爬壁機(jī)

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Solidworks對(duì)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時(shí)應(yīng)盡量保證機(jī)器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機(jī)器人的磁吸附設(shè)計(jì)

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機(jī)器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時(shí)，永磁鐵所提供的吸附力應(yīng)能保證能夠克服磁鐵本身和機(jī)器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發(fā)現(xiàn)商品化性能最高的磁鐵，機(jī)械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號(hào)為N35[6]。

本文設(shè)計(jì)選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機(jī)器人具有足夠吸附力的同時(shí)也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對(duì)并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機(jī)器人底部設(shè)置4個(gè)孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個(gè)槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向?yàn)榇怪北诿妫诖盆F、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場(chǎng)，向機(jī)器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設(shè)計(jì)以提供磁場(chǎng)為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對(duì)由永磁體作為磁源的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。本文采用有限元方法，仿真計(jì)算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機(jī)器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場(chǎng)。

本文在簡(jiǎn)化的物理模型、數(shù)學(xué)模型以及求解方法[7]基礎(chǔ)上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對(duì)磁吸附力進(jìn)行仿真求解。

首先建立模型，對(duì)模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進(jìn)行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料即可。然后進(jìn)行相應(yīng)邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、參數(shù)選擇和求解設(shè)置等，最后求解運(yùn)算，計(jì)算后的磁場(chǎng)分布如圖2所示。

通過計(jì)算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機(jī)器人質(zhì)量為1kg時(shí)，橡膠履帶和鐵質(zhì)墻壁間的摩擦系數(shù)為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機(jī)器人重量9.8N，所以機(jī)器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機(jī)器人的正常工作。

3 爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)

爬壁機(jī)器人由主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。一對(duì)主動(dòng)輪通過減速裝置各與一個(gè)直流電機(jī)相連，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人完成前進(jìn)、后退。當(dāng)左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊的電機(jī)停止時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機(jī)器人的實(shí)用性和可靠性。上位機(jī)可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機(jī)安裝于機(jī)器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線收發(fā)模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機(jī)為核心，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗(yàn)，機(jī)器人可達(dá)到預(yù)期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時(shí)能夠適應(yīng)壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與動(dòng)力控制模塊之間良好的通訊，機(jī)器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計(jì)的遙控裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡(jiǎn)單改造并搭載檢測(cè)設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)此爬壁機(jī)器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]李勇，劉云鵬.進(jìn)入船舶封閉空間的安全做法[J].航海技術(shù)，2014（1）：70-72.

[2]魯舜.在船舶檢驗(yàn)中使用機(jī)器人[J].中國船檢，2004（6）：96-97.

[3]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機(jī)器人[J].機(jī)器人，2010，32（4）：560-567.

[4]高永寧，丁建龍.船體清洗裝置的國內(nèi)外應(yīng)用與現(xiàn)狀分析[J].新技術(shù)新工藝，2012（2）：28-30.

[5]蔡衛(wèi)國，汪靜，董利峰，等.適于水下船體的爬壁機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）.

[6]王峰.水下船體表面清刷機(jī)器人磁吸附驅(qū)動(dòng)裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[7]桂仲成，陳強(qiáng)，孫振國.爬壁機(jī)器人永磁吸附裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21（11）：40-46.

作者簡(jiǎn)介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學(xué)生，研究領(lǐng)域：船舶機(jī)電一體化，船舶動(dòng)力定位。endprint

摘 要 根據(jù)船舶密閉艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了永磁吸附爬壁機(jī)器人。運(yùn)用Solidworks對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用有限元法對(duì)磁吸附力進(jìn)行分析，通過單片機(jī)控制及無線芯片收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人遙控。試驗(yàn)結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機(jī)器人能可靠的吸附與靈活運(yùn)動(dòng)，因此可按需要搭載相關(guān)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)入船舶密閉艙室進(jìn)行檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機(jī)器人；檢測(cè)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對(duì)于船員來說最大危險(xiǎn)來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進(jìn)入其中。即使有文獻(xiàn)[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設(shè)備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發(fā)生，文獻(xiàn)[2]提出了利用機(jī)器人代替人來進(jìn)行船上危險(xiǎn)環(huán)境檢測(cè)的思想。文獻(xiàn)[3]～[5]設(shè)計(jì)研究了船舶外表面作業(yè)機(jī)器人，為船舶密閉艙室探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據(jù)船舶艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新型永磁吸附爬壁機(jī)器人，其可應(yīng)用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關(guān)設(shè)備（氣體檢測(cè)器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人代替人來完成危險(xiǎn)作業(yè)的

功能。

1 爬壁機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機(jī)器人設(shè)計(jì)應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，同時(shí)通過合理的設(shè)計(jì)安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負(fù)載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動(dòng)方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計(jì)選用雙履帶的移動(dòng)方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達(dá)、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負(fù)重且便于攜帶作業(yè)工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應(yīng)壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設(shè)計(jì)了永磁吸附雙履帶驅(qū)動(dòng)式爬壁機(jī)

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Solidworks對(duì)機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時(shí)應(yīng)盡量保證機(jī)器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機(jī)器人的磁吸附設(shè)計(jì)

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機(jī)器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時(shí)，永磁鐵所提供的吸附力應(yīng)能保證能夠克服磁鐵本身和機(jī)器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發(fā)現(xiàn)商品化性能最高的磁鐵，機(jī)械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號(hào)為N35[6]。

本文設(shè)計(jì)選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機(jī)器人具有足夠吸附力的同時(shí)也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優(yōu)化設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對(duì)并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機(jī)器人底部設(shè)置4個(gè)孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個(gè)槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向?yàn)榇怪北诿妫诖盆F、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場(chǎng)，向機(jī)器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設(shè)計(jì)以提供磁場(chǎng)為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對(duì)由永磁體作為磁源的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。本文采用有限元方法，仿真計(jì)算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機(jī)器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場(chǎng)。

本文在簡(jiǎn)化的物理模型、數(shù)學(xué)模型以及求解方法[7]基礎(chǔ)上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對(duì)磁吸附力進(jìn)行仿真求解。

首先建立模型，對(duì)模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進(jìn)行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應(yīng)的介質(zhì)材料即可。然后進(jìn)行相應(yīng)邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分、參數(shù)選擇和求解設(shè)置等，最后求解運(yùn)算，計(jì)算后的磁場(chǎng)分布如圖2所示。

通過計(jì)算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機(jī)器人質(zhì)量為1kg時(shí)，橡膠履帶和鐵質(zhì)墻壁間的摩擦系數(shù)為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機(jī)器人重量9.8N，所以機(jī)器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機(jī)器人的正常工作。

3 爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)

爬壁機(jī)器人由主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。一對(duì)主動(dòng)輪通過減速裝置各與一個(gè)直流電機(jī)相連，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人完成前進(jìn)、后退。當(dāng)左邊的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊的電機(jī)停止時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機(jī)器人的實(shí)用性和可靠性。上位機(jī)可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機(jī)安裝于機(jī)器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線收發(fā)模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機(jī)為核心，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗(yàn)，機(jī)器人可達(dá)到預(yù)期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時(shí)能夠適應(yīng)壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與動(dòng)力控制模塊之間良好的通訊，機(jī)器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計(jì)的遙控裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡(jiǎn)單改造并搭載檢測(cè)設(shè)備，便可實(shí)現(xiàn)此爬壁機(jī)器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學(xué)生，研究領(lǐng)域：船舶機(jī)電一體化，船舶動(dòng)力定位。endprint