趙 飛, 姚震球, 凌宏杰, 王 琦

(1.鎮(zhèn)江市高等專科學(xué)校 電氣與信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028, E-mail: zhaofei012353@163.com;2.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

爬壁機(jī)器人代替人工從事特種作業(yè),擁有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值[1]。DAEWON KIM等[2]開發(fā)了一種爬壁機(jī)器人,用于核電站輻射安全的主動(dòng)密封。SANO SHIGENORI等[3]開發(fā)了使用懸掛式NOBORINR的檢查系統(tǒng)爬墻機(jī)器人,并提出了一種圖像拼接和定位方法。Li Hongka等[4]設(shè)計(jì)了一種以同步齒輪和皮帶系統(tǒng)為輪子的輪式爬壁機(jī)器人,分析了其穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。張學(xué)劍等[5]設(shè)計(jì)了一種永磁吸附式爬壁機(jī)器人用于鍋爐水冷壁的壁厚無損檢測(cè),壁厚檢測(cè)效率極高。孟憲宇等[6]設(shè)計(jì)了一種履帶爬壁機(jī)器人,可實(shí)現(xiàn)對(duì)罐壁的檢測(cè),并進(jìn)行了磁力吸附仿真。而爬壁機(jī)器人在船體表面除銹方面的研究是其熱點(diǎn)之一[7],一般在機(jī)器人上搭載高壓水射流和真空清污回收裝置[8],但要特別注意船體金屬壁面傾斜角度對(duì)機(jī)器人吸附穩(wěn)定性的影響。衣正堯等[9-10]對(duì)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人下滑和后翻模型進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了真空負(fù)壓可提高機(jī)器人附壁,但設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要永磁和真空同時(shí)吸附才能可靠附壁,如真空吸附失效將存在安全隱患。徐澤亮等[11]設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人采用履帶多體磁化吸盤進(jìn)行吸附,吸盤的磁場(chǎng)強(qiáng)度和吸力優(yōu)于普通吸盤。王興如等[12]設(shè)計(jì)了一種履帶式除銹爬壁機(jī)器人,確定了吸附結(jié)構(gòu)的磁性材料、磁路構(gòu)成并實(shí)現(xiàn)了橡膠封裝。郭紅霞等[13]設(shè)計(jì)了一種液壓控制的爬壁吸附機(jī)構(gòu),并在不同轉(zhuǎn)向半徑上進(jìn)行了行走試驗(yàn),分析了吸附機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向能力。王明強(qiáng)等[14]設(shè)計(jì)了一種多履帶爬壁機(jī)器人,不同于傳統(tǒng)履帶的差速轉(zhuǎn)向,可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全向移動(dòng)。唐秋華等[15]對(duì)設(shè)計(jì)的磁吸附機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)利用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真分析,研究了機(jī)器人不同位姿運(yùn)動(dòng)下的瞬時(shí)加速度。

綜上,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爬壁機(jī)器人已經(jīng)開展了附壁和應(yīng)用等相關(guān)研究,但為實(shí)現(xiàn)修船作業(yè)中船舶壁面的除銹,保證機(jī)器人的可靠附壁是根本,有必要開展永磁吸附單元和功能性樣機(jī)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn),為最大程度的實(shí)現(xiàn)作業(yè)安全,設(shè)計(jì)中將只依靠永磁吸附進(jìn)行理論計(jì)算,作業(yè)中為實(shí)現(xiàn)廢渣廢水回收使用的真空吸附將作為安全冗余不予考慮,機(jī)器人在真空失效狀況下,依舊不會(huì)掉落。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)和總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)有船舶修造除銹施工的現(xiàn)場(chǎng)工藝和作業(yè)特點(diǎn),確定履帶式爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)表1中的技術(shù)參數(shù),借助三維建模軟件Solid works對(duì)履帶式爬壁機(jī)器人進(jìn)行總體建模,設(shè)計(jì)的履帶式爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

2 磁吸附設(shè)計(jì)

2.1 磁吸附力分析

爬壁機(jī)器人有負(fù)壓吸附、磁吸附、特種材料吸附和混合式吸附這四種吸附方式,由于船體表面為金屬材料,所以綜合考慮,決定選用永磁吸附方式,這種吸附方法適合船體的壁面,即使爬壁機(jī)器人在工作的過程中出現(xiàn)故障斷電,也能穩(wěn)定的吸附在壁面上,不會(huì)從船體上脫落而造成事故,并且采用永磁吸附,也無需考慮對(duì)吸附結(jié)構(gòu)的控制,降低了對(duì)爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求,使爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。

吸附機(jī)構(gòu)用于產(chǎn)生吸附力,保證爬壁機(jī)器人可靠地吸附在壁體表面,一方面克服自身重力,另一方面要具有一定的載重能力,使爬壁機(jī)器人無論是靜止還是運(yùn)動(dòng),都不至脫落。針對(duì)壁面的不平度與鋼板間焊縫等情況,專門設(shè)計(jì)了自適應(yīng)壁面的多塊永磁體履帶結(jié)構(gòu),在機(jī)器人履帶總成上鏈條外翼板上布置永磁吸附單元,進(jìn)而開展永磁吸附單元的設(shè)計(jì)。

根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu),計(jì)算的單塊永磁吸附單元抗下滑時(shí)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 單塊永磁吸附單元抗下滑時(shí)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線

計(jì)算的單塊永磁吸附單元抗傾覆時(shí)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 單塊永磁吸附單元抗傾覆時(shí)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線

綜上,單塊永磁吸附單元抗靜態(tài)失穩(wěn)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 單塊永磁吸附單元抗靜態(tài)失穩(wěn)吸附力與壁面角度的關(guān)系曲線

根據(jù)計(jì)算可知:爬壁機(jī)器人最危險(xiǎn)的傾斜角度約為70°,所需單塊永磁吸附單元的最大吸附力接近800 N。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

為了安裝方便,同時(shí)節(jié)約制造成本,永磁吸附單元由多塊永磁體成組配置,但是永磁吸附單元總長(zhǎng)度一般與鏈條外翼板尺寸相同,為此在永磁吸附單元外形尺寸相同情況下,求解出永磁吸附單元分別由四塊和五塊永磁體時(shí),不同數(shù)量磁體時(shí)的磁吸附力與壁面接觸距離的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同數(shù)量磁體時(shí)的磁吸附力與壁面接觸距離的關(guān)系曲線

由圖5可知,磁體與金屬壁面直接接觸時(shí),磁吸附力最大,隨著磁體與壁面距離的增大,磁吸附力減小極快,但考慮到實(shí)際的作業(yè)情況,一般在磁體表面包裹一層保護(hù)橡膠耐磨層,橡膠層的厚度即為磁體與壁面的距離,綜合考慮橡膠層的防護(hù)效果和磁體的磁力衰減情況,一般選擇橡膠層厚度在1 mm～2 mm之間,同時(shí)選取五塊磁體成組較為合適。

2.3 充磁方向比較

在相同的永磁吸附單元尺寸條件下,相同磁體數(shù)量,不同的充磁方向也將有不同的磁吸附效果,比較常見的是N-S正反充磁和Halbach充磁,N-S正反充磁的充磁方案如圖6所示。

圖6 N-S正反充磁方案

Halbach充磁方案如圖7所示。

圖7 Halbach充磁方案

采用上述兩種不同充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同充磁方案磁吸附力比較

由圖8可知,在磁體與壁面相同距離下,永磁吸附單元的磁體采用Halbach充磁方案的磁吸附力大于采用N-S充磁方案的磁吸附力,當(dāng)選取橡膠層厚度即磁體與壁面距離為2 mm時(shí),采用Halbach充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力接近1.4 kN,而此時(shí)采用N-S充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力只有0.9 kN,所以永磁吸附單元總體外形尺寸不變情況下,采用Halbach充磁方案有利于增大永磁吸附單元磁吸附力。

3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶與船舶壁面的接觸面積大,同時(shí)重心低,是適合于船舶壁面清污的行走方式。設(shè)計(jì)的機(jī)器人行走方式采用同步鏈傳動(dòng),雙鏈條履帶結(jié)構(gòu),采用雙排鏈形式的履帶穩(wěn)定性將明顯增強(qiáng),雙排鏈結(jié)構(gòu)的履帶可以克服單排鏈履帶在行走過程中的晃動(dòng),同時(shí)履帶式爬壁機(jī)器人的磁吸附單元固定安裝在兩條鏈條的外翼板上,可以使磁吸附單元更可靠穩(wěn)定的吸附在壁面上。磁吸附單元和兩條鏈條構(gòu)成整個(gè)履帶總成,依靠磁吸附單元的吸附力,實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的附壁。雙鏈條履帶結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 雙鏈條履帶結(jié)構(gòu)

鏈條的漲緊采用垂直漲緊和水平漲緊相結(jié)合的方式,垂直漲緊直接采用雙鏈輪進(jìn)行支撐,克服鏈條自重,大幅度漲緊鏈條,起到惰輪的作用;水平漲緊實(shí)現(xiàn)小幅度調(diào)整鏈條的作用,主要用來控制傳動(dòng)鏈輪前后的位置以及調(diào)整最合適的松緊度,通過漲緊拉桿帶動(dòng)漲緊塊和從動(dòng)鏈輪軸,當(dāng)鏈條的松緊度合適時(shí),利用鎖緊螺母固定從動(dòng)鏈輪軸位置,水平漲緊具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 水平漲緊具體結(jié)構(gòu)

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用日本松下公司的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī),型號(hào):MDME152GCG,額定功率1.5 kW。減速機(jī)選用PAB115,減速比70,額定輸出扭矩280 N.m。錐齒輪減速比2,整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,可整體拆卸,便于后期維護(hù)和調(diào)整,如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 清污盤設(shè)計(jì)

清污盤毛刷環(huán)利用彈簧進(jìn)行浮動(dòng)連接,最大限度的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)復(fù)雜曲面,同時(shí)利用萬向輪調(diào)整毛刷與壁面的距離,降低污物彌散引起二次污染,保證環(huán)保作業(yè),具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 清污盤結(jié)構(gòu)

清污盤與框架的連接采用十字鉸接式柔性設(shè)計(jì),依靠球軸承旋轉(zhuǎn)和銷軸移動(dòng)保證清洗盤的越障功能,具體結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 清污盤連接方式

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 永磁吸附單元拉伸實(shí)驗(yàn)

在拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)制造的永磁吸附單元樣件進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證其磁吸附力是否滿足最大所需吸附力。永磁吸附單元樣件的拉伸實(shí)驗(yàn)如圖14所示。

圖14 永磁吸附單元樣件拉伸實(shí)驗(yàn)

拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:制造的單塊永磁吸附單元最大磁吸附力為1.068 kN,小于理論設(shè)計(jì)的磁吸附力1.4 kN,但大于機(jī)器人所需的最大抗傾覆力0.8 kN,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2 功能性實(shí)驗(yàn)

搭建機(jī)器人功能性樣機(jī),用以驗(yàn)證爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,地面實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)能力,具體如圖15所示。

圖15 機(jī)器人地面運(yùn)動(dòng)測(cè)試

機(jī)器人地面運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試完成后,開展機(jī)器人垂直爬壁實(shí)驗(yàn),在室內(nèi)搭建的垂直鋼架上開展附壁性能測(cè)試,具體如圖16所示。

圖16 機(jī)器人室內(nèi)爬壁測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人的爬壁性能,在1∶1實(shí)船模型上模擬船體表面進(jìn)行爬壁實(shí)驗(yàn),具體如圖17所示。

圖17 機(jī)器人1∶1船體壁面爬壁實(shí)驗(yàn)

綜上:通過對(duì)搭建的功能性樣機(jī)開展地面運(yùn)動(dòng)、垂直爬壁和1:1實(shí)船模型爬壁等實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的機(jī)器人在爬壁實(shí)驗(yàn)中是可以可靠附壁的。

7 結(jié)論

為保證作業(yè)安全,設(shè)計(jì)了一種單純采用永磁吸附實(shí)現(xiàn)附壁的履帶式爬壁機(jī)器人,其上搭載高壓水射流裝置實(shí)現(xiàn)除銹,對(duì)其磁吸附單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、清污盤等開展了設(shè)計(jì)和選型,并對(duì)功能樣機(jī)開展了爬壁實(shí)驗(yàn)。

研究結(jié)果表明:

(1) 設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人最危險(xiǎn)的傾斜角度在70°附近,制造的單塊永磁吸附單元最大磁吸附力為1.068 kN,大于機(jī)器人所需的最大抗傾覆力0.8 kN,可以滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 磁吸附單元中的永磁體采用Halbach充磁明顯優(yōu)于N-S正反充磁,當(dāng)磁體與壁面距離為2 mm時(shí),采用Halbach充磁的永磁吸附單元磁吸附力接近1.4 kN。

搭建的功能性樣機(jī),在室內(nèi)垂直爬壁和1∶1實(shí)船模型爬壁實(shí)驗(yàn)中,是可以可靠附壁的,為下一步清污盤高壓水射流除銹實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ),同時(shí)為工程樣機(jī)積累了原始數(shù)據(jù),有利于機(jī)器人進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化。