陳建坤 何 凱 方海濤

1(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引 言

長(zhǎng)期航行的船舶，由于經(jīng)常處于惡劣的水上環(huán)境，其貨艙表面會(huì)大面積腐蝕掉漆生銹，這些銹蝕會(huì)對(duì)貨艙內(nèi)的貨物產(chǎn)生污染[1]，因此，當(dāng)貨船?？看a頭更換裝載貨物時(shí)，特別是當(dāng)裝載貨物為糧食等干凈貨物時(shí)，每次都需要對(duì)貨艙進(jìn)行大規(guī)模清洗，清洗的任務(wù)量較大[2]。目前，貨艙清洗主要的操作方式為工人手持清洗工具進(jìn)行高空作業(yè)清洗，這種方式危險(xiǎn)系數(shù)大；此外，多數(shù)船廠為保證清洗的質(zhì)量和效果，大量使用化學(xué)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)船廠每年用于清洗貨艙的化學(xué)品可達(dá) 30 萬(wàn)噸[3]，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為改善當(dāng)前貨艙清洗的狀況，解決方法之一是研制用于艙內(nèi)清洗的爬壁機(jī)器人[4]，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗作業(yè)。

目前，在船舶清洗領(lǐng)域，爬壁機(jī)器人主要分為兩種：履帶式和輪式[5]。履帶式爬壁機(jī)器人由于具有良好的壁面適應(yīng)性和高負(fù)載能力等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶上大型表面的清洗作業(yè)中[6]。丁問(wèn)司等[7]研制了一款永磁吸附式船舶爬壁機(jī)器人，該履帶機(jī)器人設(shè)計(jì)有輔助吸附和從動(dòng)浮動(dòng)功能的永磁萬(wàn)向輪機(jī)構(gòu)，極大地提高了機(jī)器人的負(fù)載和越障能力，但該機(jī)器人存在轉(zhuǎn)向不靈活的缺點(diǎn)。王明強(qiáng)等[8]設(shè)計(jì)了一款多履帶全向爬壁機(jī)器人，解決了履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)向效率低的問(wèn)題，其利用 4 條履帶和履帶上的單向輪實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)，但該機(jī)器人重量較大，在進(jìn)行船舶現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，安裝拆卸維護(hù)較困難。針對(duì)現(xiàn)有爬壁機(jī)器人曲面適應(yīng)困難的問(wèn)題，Wang 等[9]為現(xiàn)有的履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩個(gè)四自由度的鉸接機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可在更小曲率的壁面上行走，曲面適應(yīng)性較好。但是，當(dāng)增加了多自由度的鉸接機(jī)構(gòu)后，給機(jī)器人壁面行走的控制增添了困難，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位置的精確控制。與履帶式爬壁機(jī)器人相比，輪式爬壁機(jī)器人有著重量輕便、運(yùn)動(dòng)靈活、安裝維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)。宋偉等[10]研制了一款磁吸附爬壁機(jī)器人，通過(guò)優(yōu)化磁吸附組件提高了輪式爬壁機(jī)器人的磁質(zhì)比和負(fù)載能力，但目前該機(jī)器人僅適用在船舶均勻壁面上行走，曲面行走或者越障能力不足。姜愛(ài)民等[11]研制的一種雙關(guān)節(jié)輪式機(jī)器人具有壁面過(guò)渡能力，可以跨越壁面上大型障礙物，但其控制難度高，難以達(dá)到工業(yè)上要求的控制穩(wěn)定性能。為了提高輪式爬壁機(jī)器人的壁面適應(yīng)性，姜勇等[12]設(shè)計(jì)了一種兩輪過(guò)渡爬壁機(jī)器人，該爬壁機(jī)器人采用兩足輪式混合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠在兩個(gè)具有一定夾角甚至垂直的壁面之間移動(dòng)，但該機(jī)器人負(fù)載能力不足，無(wú)法搭載船用清洗設(shè)備完成船舶壁面的清洗作業(yè)。

船舶貨艙內(nèi)部壁面多為交叉壁面，交叉壁面之間存在過(guò)渡角，這就要求爬壁機(jī)器人具有壁面過(guò)渡能力。本文根據(jù)輪式磁吸附爬壁機(jī)器人行走靈活的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了現(xiàn)有的磁吸附機(jī)構(gòu)，同時(shí)提高了清洗機(jī)構(gòu)對(duì)壁面的適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)出一種壁面自適應(yīng)爬壁機(jī)器人，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人在船艙壁面上運(yùn)動(dòng)的可行性，實(shí)現(xiàn)了船舶貨艙的綠色、高效、安全清洗。

2 爬壁機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)

散貨船艙內(nèi)部壁面不均勻，且各個(gè)艙壁之間成一定角度，最小夾角可達(dá) 120°[13]。圖 1 為散貨船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要包括底邊艙斜板、舷側(cè)豎板、頂邊艙斜板、艙口圍板和舷側(cè)肋板等結(jié)構(gòu)。船舶外壁表面分布一致，但貨艙內(nèi)部各個(gè)壁面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各壁面連續(xù)性較低，這給利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)貨艙內(nèi)自動(dòng)化清洗帶來(lái)了挑戰(zhàn)。針對(duì)該問(wèn)題，本文研制了一種可搭載清洗設(shè)備完成貨艙內(nèi)多壁面的過(guò)渡行走過(guò)程的爬壁機(jī)器人，主要包括從底邊艙斜板過(guò)渡到舷側(cè)豎板，從舷側(cè)豎板過(guò)渡到頂邊艙斜板。通過(guò)機(jī)器人在貨艙內(nèi)多壁面的過(guò)渡行走，可使單個(gè)機(jī)器人最大程度地完成艙內(nèi)大面積壁面的清洗。

圖1 散貨船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of cargo hold

本文設(shè)計(jì)的壁面自適應(yīng)爬壁機(jī)器人的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其包括行走機(jī)構(gòu)、前后端磁吸附機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)和控制箱。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)(分為左右兩個(gè)行走機(jī)構(gòu))利用電機(jī)和減速器所產(chǎn)生的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)橡膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)完成機(jī)器人行走，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向則是利用左右兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)的速度差來(lái)完成的。在該機(jī)器人結(jié)構(gòu)中有一種特殊的弧形磁吸附機(jī)構(gòu)，安裝于兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)，通過(guò)該弧形磁吸附機(jī)構(gòu)的磁吸附力可完成多角度壁面的過(guò)渡。同時(shí)，該磁吸附力還保障了機(jī)器人的安全，避免機(jī)器人在行走過(guò)程中出現(xiàn)打滑和傾覆現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人的前端搭載了一種壁面自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可利用高壓水來(lái)清洗艙內(nèi)壁面上的銹斑等附著物，且搭載了真空回收管對(duì)清洗后的廢水回收處理。清洗機(jī)構(gòu)上搭載的高壓水管和真空回收管被束縛在管子固定器上，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。整個(gè)機(jī)構(gòu)有一定的柔順性，當(dāng)遇到過(guò)渡面時(shí)，可沿著壁面夾角過(guò)渡到另一個(gè)面。機(jī)器人的控制箱安裝在整機(jī)的后端，里面安裝有無(wú)線通信裝置，可遠(yuǎn)程遙控操作機(jī)器人。

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of the robot

3 磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 壁面過(guò)渡力學(xué)模型

為保證輪式爬壁機(jī)器人具有壁面過(guò)渡能力，需要調(diào)整磁吸附機(jī)構(gòu)的磁力分布，特別是前端磁吸附機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行壁面過(guò)渡時(shí)，需要對(duì)前端過(guò)渡面有一個(gè)足夠大的磁吸附力，使其獲得的摩擦驅(qū)動(dòng)力能夠保證其完成壁面過(guò)渡。本研究的首要目標(biāo)是確定該磁吸附力的力學(xué)關(guān)系，所以在機(jī)器人壁面過(guò)渡時(shí)，對(duì)其進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖 3 所示。其中，F(xiàn)mag1是機(jī)器人對(duì)前端壁面磁吸附力，F(xiàn)mag2是機(jī)器人前端磁吸附結(jié)構(gòu)對(duì)底部接觸面的磁吸附力，F(xiàn)mag3是機(jī)器人后端磁吸附結(jié)構(gòu)對(duì)底部接觸面的磁吸附力，F(xiàn)f1、Ff2、Ff3是機(jī)器人輪子與壁面接觸處的摩擦力，F(xiàn)N1、FN2、FN3是機(jī)器人輪子與壁面接觸處的支持力，G為機(jī)器人的重力。

圖3 機(jī)器人壁面過(guò)渡受力情況Fig. 3 Mechanical model of robot wall transition

假設(shè)貨艙內(nèi)部壁面間的最大傾角為 60°，當(dāng)機(jī)器人從艙底過(guò)渡到底邊艙斜板時(shí)，F(xiàn)mag1需要足夠大，使其提供的摩擦力Ff1可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人過(guò)渡到另一個(gè)面，此時(shí)，需要滿足的力學(xué)關(guān)系沿x軸方向?yàn)椋?/p>

3.2 磁吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)公式(3)中Fmag1和Fmag2之間的關(guān)系可知，前端磁吸附機(jī)構(gòu)對(duì)前端過(guò)渡面的磁吸附力要遠(yuǎn)大于對(duì)底部接觸面的磁吸附力，且在整個(gè)壁面過(guò)渡過(guò)程中，該力學(xué)關(guān)系穩(wěn)定不變，因此，本文設(shè)計(jì)了一種弧形磁吸附機(jī)構(gòu)，分別安裝于左右行走機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)，以滿足磁吸附力關(guān)系，如圖 4 所示。

圖4 前端磁吸附機(jī)構(gòu)Fig. 4 Magnetic adsorption mechanism in front

該弧形磁吸附機(jī)構(gòu)由 9 塊釹鐵硼永磁體排列組成。為使磁吸附力達(dá)到最優(yōu)，即提高磁吸附力和磁鐵質(zhì)量的比值(磁質(zhì)比)，本研究利用Halbach 陣列的特點(diǎn)[14]，將磁通密度集中于壁面接觸端，極大地提高了磁能利用率。此外，該磁鐵呈弧形結(jié)構(gòu)，弧度設(shè)計(jì)為 120°，這樣在壁面過(guò)渡過(guò)程中，該機(jī)構(gòu)始終會(huì)對(duì)接觸面有磁吸附力，不會(huì)發(fā)生失去磁力導(dǎo)致機(jī)器人墜落的情況。磁吸附力會(huì)隨著磁體與壁面距離的增大而衰減，為了使機(jī)器人獲得過(guò)渡能力，即滿足公式(3)中磁吸附力的關(guān)系，需要確定該弧形磁鐵與前端過(guò)渡面的距離d1和底部接觸面的距離d2的大小。當(dāng)d1＜d2時(shí)，在過(guò)渡過(guò)程中，整個(gè)弧形磁吸附機(jī)構(gòu)上的磁吸附力從上到下是遞減的。

3.3 磁吸附機(jī)構(gòu)仿真

根據(jù) Halbach 陣列磁鐵充磁方向的特點(diǎn)，本文列舉了兩種不同排列形式的磁鐵陣列，并對(duì)兩種排列形式在d2＝8 mm 時(shí)的磁吸附力進(jìn)行了仿真分析。仿真分析結(jié)果如圖 5 所示，其中，圖 5(a)為磁鐵底部橫向充磁的排列形式，圖 5(b)為磁鐵底部豎向充磁的排列形式。通過(guò)仿真結(jié)果可知，第一種排列形式在壁面處的磁通密度大于第二種排列形式的磁通量密度，兩種排列形式對(duì)壁面的磁吸附力Fm1＝3 587 N、Fm2＝3 242 N。綜上所述，第一種排列形式的磁能利用率大，磁吸附性能更好，因此，本文設(shè)計(jì)的前端磁吸附機(jī)構(gòu)中磁鐵的充磁方向選用第一種磁鐵陣列。

圖5 兩種 Halbach 陣列的仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation results of two Halbach arrays

為確定磁吸附機(jī)構(gòu)的吸附力與壁面間距d1和d2的關(guān)系，將橫向充磁的磁吸附機(jī)構(gòu)的吸附力進(jìn)行仿真，得到Fmag1-d1和Fmag2-d2兩種關(guān)系曲線，如圖 6 所示。

圖6 磁吸附力(Fmag1, Fmag2)與壁面距離(d1, d2)的關(guān)系Fig. 6 The relationship between magnetic adsorption force (Fmag1, Fmag2) and wall distance (d1, d2)

根據(jù)機(jī)器人防傾覆和防打滑的力學(xué)模型[15]，假設(shè)機(jī)器人重 100 kg，那么機(jī)器人對(duì)底部接觸面的磁吸附力需滿足Fmag2≥3 000 N。為保證機(jī)器人具有一定的越障能力，特別是具有跨越 6 mm高焊縫的能力，磁吸附機(jī)構(gòu)與壁面間需保持一定的間距，故取d2＝8.5 mm，由圖 6 中曲線(b)可得此時(shí)Fmag2＝3 000 N。再根據(jù)公式(3)可知，機(jī)器人對(duì)前端過(guò)渡面的磁吸附力需滿足Fmag1≥5 834 N，為了滿足這個(gè)關(guān)系，根據(jù)曲線(a)，取d1＝2.5 mm，可得Fmag1＝5 987 N。綜上可得，該前端磁吸附機(jī)構(gòu)相對(duì)于壁面的安裝位置為d1＝2.5 mm，d2＝8.5 mm。

4 自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人本體具有了壁面過(guò)渡能力，但在實(shí)際工作過(guò)程中，機(jī)器人需要搭載清洗機(jī)構(gòu)才能完成壁面清洗作業(yè)，因此，清洗機(jī)構(gòu)同樣需要具備壁面過(guò)渡能力。目前，船舶清洗爬壁機(jī)器人主要采用清洗盤(pán)式的清洗機(jī)構(gòu)，它搭載高壓清洗裝置和真空回收裝置，具有清洗和回收的雙重功能[16]。在清洗盤(pán)式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的清洗機(jī)構(gòu)增加一種三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由 3 個(gè)麥克納姆輪各成 120°對(duì)稱分布構(gòu)成，可使清洗盤(pán)完成一定夾角壁面的過(guò)渡。清洗機(jī)構(gòu)的末端通過(guò)轉(zhuǎn)臂與機(jī)器人本體相連接，轉(zhuǎn)臂可以繞著連接處轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)壁面過(guò)渡的主要實(shí)現(xiàn)原理如圖 7 所示。

圖7 自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)壁面過(guò)渡過(guò)程Fig. 7 The wall transition process of adaptive cleaning mechanism

當(dāng)清洗機(jī)構(gòu)到達(dá)過(guò)渡面時(shí)，在水平推力Fp的作用下，三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)中與過(guò)渡面接觸的麥克納姆輪會(huì)與過(guò)渡面緊密接觸，另外兩個(gè)麥克納姆輪會(huì)繞著接觸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后最上面的輪子經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)與過(guò)渡面接觸。在整個(gè)壁面過(guò)渡過(guò)程中，三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)帶動(dòng)清洗盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度，使得推力Fp產(chǎn)生了一個(gè)沿過(guò)渡面方向的分力，在該力的作用下，整個(gè)清洗機(jī)構(gòu)開(kāi)始沿過(guò)渡面移動(dòng)，最終完成壁面過(guò)渡。

為驗(yàn)證三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)的可行性，本文搭建了該機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易模型，并進(jìn)行了壁面過(guò)渡實(shí)驗(yàn)，如圖 8 所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)給該簡(jiǎn)易模型施加一個(gè)沿行走壁面的推力，使其向過(guò)渡面運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)可以完成過(guò)渡壁面處的轉(zhuǎn)動(dòng)、抬升和沿過(guò)渡面行走等動(dòng)作，因此，將該三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)搭載在清洗機(jī)構(gòu)上，可使清洗機(jī)構(gòu)具有一定的壁面自適應(yīng)能力。

圖8 三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)Fig. 8 The three-wheel mechanism transition experiment

5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

將機(jī)器人各個(gè)模塊進(jìn)行裝配后得到的樣機(jī)如圖 9 所示，其包括自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)、磁吸附機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)等。為驗(yàn)證該樣機(jī)的壁面過(guò)渡能力及其在船舶貨艙內(nèi)行走的穩(wěn)定性，本文通過(guò)模擬貨艙內(nèi)的環(huán)境，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，包括底邊艙行走實(shí)驗(yàn)、頂邊艙行走實(shí)驗(yàn)。

圖9 機(jī)器人樣機(jī)Fig. 9 Robot prototype

(1)底邊艙行走實(shí)驗(yàn)

為模擬貨艙底部的實(shí)際情況，本文搭建了一個(gè) 120° 壁面夾角的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使機(jī)器人沿著此壁面進(jìn)行過(guò)渡測(cè)試，如圖 10 所示。機(jī)器人從底邊艙斜板以 2 m/min 的恒定速度行駛，當(dāng)遇到前端過(guò)渡面時(shí)，搭載三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)的清洗盤(pán)會(huì)沿著前端過(guò)渡面慢慢移動(dòng)。在移動(dòng)過(guò)程中，整個(gè)清洗機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)器人本體向著過(guò)渡面方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)清洗盤(pán)完全貼合過(guò)渡面時(shí)，機(jī)器人前輪剛好運(yùn)動(dòng)到過(guò)渡面處。此時(shí)，磁吸附機(jī)構(gòu)作用于過(guò)渡面和行走底面，在磁吸附力的作用下，機(jī)器人脫離底邊艙斜板開(kāi)始沿著豎直過(guò)渡面行走。當(dāng)后輪運(yùn)動(dòng)到過(guò)渡面時(shí)，機(jī)器人完成了從底邊艙斜板運(yùn)動(dòng)到舷側(cè)豎板的過(guò)程。

圖10 底邊艙行走實(shí)驗(yàn)Fig. 10 Cargo bottom walking experiment

(2)頂邊艙行走實(shí)驗(yàn)

貨艙內(nèi)頂邊艙斜面和艙頂面之間的夾角最大為 120°，為驗(yàn)證本文研制的爬壁機(jī)器人具有從頂邊艙斜面到艙頂面的過(guò)渡能力，本實(shí)驗(yàn)搭建了兩塊夾角為 120° 的鋼板，對(duì)貨艙頂部的壁面特點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真，機(jī)器人的頂邊艙行走實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖 11 所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人從頂邊艙斜板開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到頂部過(guò)渡面時(shí)，過(guò)渡面會(huì)給清洗機(jī)構(gòu)一個(gè)反作用力，此時(shí)連接機(jī)器人本體和清洗機(jī)構(gòu)的伸縮推桿開(kāi)始作用，伸縮推桿給清洗機(jī)構(gòu)一個(gè)沿壁面法線方向的推力，避免清洗機(jī)構(gòu)在壁面反作用力和自身重力的作用下傾覆。由圖 11 可知，當(dāng)清洗機(jī)構(gòu)過(guò)渡到艙頂壁面后，整個(gè)機(jī)器人的前輪行走機(jī)構(gòu)也在磁吸附機(jī)構(gòu)的作用下完成了過(guò)渡動(dòng)作。在整個(gè)頂邊艙行走實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器人行走穩(wěn)定，未發(fā)生傾覆和脫落的情況。

圖11 頂邊艙行走實(shí)驗(yàn)Fig. 11 Cargo top walking experiment

5.2 結(jié)果分析

針對(duì)現(xiàn)有爬壁機(jī)器人在船舶貨艙內(nèi)無(wú)法完成多壁面過(guò)渡的問(wèn)題，本文研制了一種壁面自適應(yīng)爬壁機(jī)器人，通過(guò)仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該爬壁機(jī)器人具有一定的壁面過(guò)渡能力。本文建立了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——艙底實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和艙頂實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建的過(guò)渡壁面夾角為 120°，通過(guò)壁面行走實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明磁吸附機(jī)構(gòu)可以提供過(guò)渡所需的磁吸附力，且清洗機(jī)構(gòu)中的三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)能夠完成轉(zhuǎn)動(dòng)、抬升和過(guò)渡等動(dòng)作。綜上所述，本文研制的爬壁機(jī)器人整機(jī)可以完成從艙底面到艙頂面的行走過(guò)程，滿足貨艙清洗的需求。

本文還對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的磁吸附爬壁機(jī)器人進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)有大量研究對(duì)爬壁機(jī)器人的壁面過(guò)渡能力進(jìn)行了仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)。與王洋等[17]研制的自適應(yīng)變曲率立面的分體柔性爬壁機(jī)器人相比，本文研制的爬壁機(jī)器人不僅可以適應(yīng)一定曲率的凹面和凸面，而且可以適應(yīng)一定夾角的壁面，作業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。Eto 等[18]設(shè)計(jì)的壁面自適應(yīng)輪式爬壁機(jī)器人可以攀爬多角度壁面，但是與本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人相比，該機(jī)器人磁吸附能力弱，無(wú)法搭載重量大的清洗機(jī)構(gòu)。Tche等[19]針對(duì)垂直面過(guò)渡和曲面行走設(shè)計(jì)了一種磁輪式爬壁機(jī)器人——利用前后兩個(gè)磁輪和輔助輪的支撐作用完成壁面過(guò)渡，該機(jī)器人的主要功能是實(shí)現(xiàn)各種不規(guī)則壁面的表面檢測(cè)，但無(wú)法應(yīng)用于貨艙壁面的清洗作業(yè)，且兩輪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。本文設(shè)計(jì)的磁吸附機(jī)構(gòu)采用了 Halbach 陣列，與現(xiàn)有的甲型磁路和乙型磁路的磁鐵排列[20]相比，該磁鐵排列形式的磁能利用率更高。劉峰等[21]將 Halbach 陣列應(yīng)用于履帶式爬壁機(jī)器人的永磁吸附單元，基于傳統(tǒng)的 Halbach 永磁體陣列，該研究在弱磁側(cè)加入軛鐵，有效地減少了弱磁側(cè)的磁場(chǎng)泄漏。此外，劉峰等[21]還研究了磁體陣列的寬度、高度、厚度以及軛鐵的高度對(duì)吸附力和吸附效率的影響，這為本文機(jī)器人磁吸附機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考，但該永磁吸附單元只在行走底面上產(chǎn)生磁吸附力，無(wú)法滿足壁面過(guò)渡對(duì)吸附力的要求。鑒于輪式機(jī)器人應(yīng)用該磁鐵陣列可很大程度減少機(jī)器人自重，安磊等[22]設(shè)計(jì)的輪式爬壁機(jī)器人采用了一種弧形磁吸附機(jī)構(gòu)，本文在該磁力機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了 Halbach 陣列的充磁方向并優(yōu)化了磁力分布，為機(jī)器人的穩(wěn)定行走提供了充足的磁吸附力，同時(shí)保證了機(jī)器人能夠完成最小 120° 夾角壁面的過(guò)渡。

本文研制的壁面自適應(yīng)爬壁機(jī)器人具有貨艙清洗和除銹雙重功能，該機(jī)器人行走穩(wěn)定，且可搭載真空回收裝置防止清洗后的廢水污染環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)了高效、安全、綠色的清洗作業(yè)。但是，該機(jī)器人目前在應(yīng)用上存在一定的局限性。首先，該機(jī)器人的壁面過(guò)渡夾角最小為 120°，無(wú)法適應(yīng)更小的壁面夾角甚至垂直面；其次，該機(jī)器人主要適應(yīng)的行走壁面為凹面，當(dāng)在角度過(guò)小的凸面行走時(shí)，容易失去磁力導(dǎo)致設(shè)備脫落。后期將對(duì)機(jī)器人的磁吸附機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，解決機(jī)器人垂直面過(guò)渡的難點(diǎn)，并增強(qiáng)機(jī)器人清洗機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，提高清洗作業(yè)的效率。

6 結(jié) 論

本文通過(guò)磁力仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)貨艙清洗機(jī)器人的壁面過(guò)渡特點(diǎn)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種弧形磁吸附機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)清洗機(jī)構(gòu)。針對(duì)一般的磁吸附機(jī)構(gòu)吸附力不足的缺點(diǎn)，本文利用ANSYS Maxwell 3D 仿真軟件進(jìn)行了磁力的仿真優(yōu)化，優(yōu)化了磁吸附機(jī)構(gòu)周圍的磁通量分布，使得磁吸附機(jī)構(gòu)對(duì)壁面的磁吸附力滿足壁面過(guò)渡的力學(xué)關(guān)系。在解決機(jī)器人本體的過(guò)渡問(wèn)題后，又針對(duì)壁面清洗機(jī)構(gòu)的壁面過(guò)渡，設(shè)計(jì)了一種三輪過(guò)渡機(jī)構(gòu)，將該機(jī)構(gòu)安裝于清洗盤(pán)上，可實(shí)現(xiàn)壁面清洗機(jī)構(gòu)對(duì)傾斜壁面有一定的自適應(yīng)能力。

目前，針對(duì)爬壁機(jī)器人在船舶貨艙內(nèi)部多壁面過(guò)渡的問(wèn)題，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并得到了合適的解決方案，但是未進(jìn)行機(jī)器人在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作的實(shí)驗(yàn)，不能得出機(jī)器人可在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)工作的結(jié)論。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的水霧，這對(duì)機(jī)器人的防水性提出了挑戰(zhàn)。此外，本文研制的爬壁機(jī)器人主要針對(duì)艙底面、舷側(cè)面和艙頂面大范圍壁面的清洗，對(duì)于肋板側(cè)面和貨艙內(nèi)的狹小區(qū)域的清洗問(wèn)題還未解決，后續(xù)將會(huì)對(duì)多種壁面清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，將該機(jī)構(gòu)搭載在機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，可極大提高貨艙的清洗效率，真正實(shí)現(xiàn)船舶行業(yè)的自動(dòng)化清洗作業(yè)。