面向船舶維護和監(jiān)測的爬壁機器人設計

姜紅建， 高振飛， 杜鎮(zhèn)韜， 王斌

（1.浙江大學海洋學院，浙江舟山316021；2.金海重工股份有限公司，浙江舟山316021）

0 引言

船舶（圖1）在海洋中航行一段時間后，由于海水的腐蝕及海洋環(huán)境中雜物的附著，船殼表面會累積海生物、油污及鐵銹，船殼表面的油漆已達不到保護作用，需要進入船塢進行除銹處理，以便再次涂裝[1-3]。同時，船舶作為大型承載機械裝備，長時間承受貨物的重力負載、海洋風浪流等環(huán)境負載，自身也需要定期地做外板檢測，以便發(fā)現(xiàn)損傷以做及時處理。目前，國內(nèi)修造船廠的上述作業(yè)任務多依賴人工，勞動強度大、作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量較差，且人力成本逐年遞增。因此，設計一種面向船舶外板維護和監(jiān)測的爬壁機器人，顯得十分必要。

目前，國外已研制多款船舶爬壁機器人產(chǎn)品，如圖2所示，廣泛地用在船舶外板維護和檢修等作業(yè)場合，極大地提高了作業(yè)效率。本文提出另外一種爬壁機器人結構，通過平面永磁鐵產(chǎn)生吸附力，進而克服機器人自重和負載的影響，完成在船舶壁面上的吸附及爬行。

圖1 遠洋運輸?shù)拇?/p>

1 爬壁機器人總體結構

如圖3所示，本文所提出的爬壁機器人采用輪式行進方式，相比履帶式具有結構緊湊、轉彎靈活、質(zhì)量較輕等優(yōu)點。同時，相比真空式或電磁式吸附原理，永磁式吸附具有負重能力較大、對作業(yè)表面形貌要求較低、失電安全性高等優(yōu)點，故采用永磁式吸附機構。其中，永磁鐵提供足夠吸附力以克服機器人自重和負載，使機器人能夠可靠地貼附在外板上；伺服電動機直驅(qū)主動輪，克服摩擦阻力而完成行進動作。同時，該爬壁機器人安裝有超高壓旋轉噴頭組件和真空清洗盤，能夠?qū)崿F(xiàn)除銹和含銹廢水的回收。

圖2 國外船舶爬壁機器人

2 力學分析

圖3 爬壁機器人的總體結構

本部分是通過計算來確定爬壁機器人在作業(yè)過程中對永磁鐵吸力的要求，同時確定爬壁機器人驅(qū)動電動機的最大功率，進而為爬壁機器人研制提供依據(jù)。其中，相關參數(shù)如表1所示。

圖4和圖6所示分別為爬壁機器人的靜力學和動力學分析示意圖（此處只取一個輪子為分析點）。其中：F為電動機通過減速器輸出的牽引力；FN為船體對機器人的支持力；G為本體與負載的重力；Fm為單個磁鐵的吸附力；Fs為清洗盤負壓所產(chǎn)生的負壓吸附力；Ff為射流反沖力；α為船體與地面的傾角；μ為兩者之間摩擦因數(shù)。

表1 爬壁機器人結構參數(shù)

圖4 機器人靜力學受力圖

圖5 磁鐵吸附力與船舶傾角曲線圖

2.1 機器人靜止不下滑

機器人的靜力學和動機器人靜止在船體上條件為：機器人所受靜摩擦力大于等于重力沿船體的分量，即

其中，摩擦力f＝μFN，單個磁鐵的吸附力,靜摩擦因數(shù)取0.3，由此單個磁鐵的吸附力

圖5中，船舶與地面傾角α約為20°時，所需 磁鐵吸附力最大，最大吸附力約為1399 N。

2.2 機器人上爬所需轉矩

機器人上爬過程中（圖6），電動機輸出的牽引力需要克服滾動摩擦力和重力沿船體的分量，即：其中摩擦力f=μFN，安全系數(shù)取 1.2，減速器輸出額定轉矩 T=1.2F·R。

圖6 機器人動力學受力圖

摩擦因數(shù)取 0.3，由此得

電動機所需額定轉矩（減速比 i為 200，電動機和減速器傳遞效率取η=0.9），電機所需額定功率P=T′n。9550

圖7中，船舶與地面傾角α為0°時，減速器所需輸出轉矩T最大，最大值為162 N·m。

圖7 減速器輸出轉矩與動摩擦因數(shù)、傾角關系

圖8中，船舶與地面傾角α為0°時，電動機所需額定轉矩最大，最大值為0.9 N·m，小于電動機額定轉矩1.27 N·m。圖9中，船舶與地面傾角α為0°時，電動機所需額定功率最大，最大值約為0.28 kW,小于電動機額定功率400 W。

圖8 電動機輸出轉矩與動摩擦因數(shù)、傾角曲線圖

機器人啟動時，電動機輸出牽引力需要克服靜摩擦力與重力沿船體分量，此時靜摩擦因數(shù)取0.5，真空回收系統(tǒng)真空度取-0.06 MPa，橢圓清洗盤面積s=88 467 mm2，由此得減速器輸出轉矩242 N·m。電動機所需啟動轉矩為1.35 N·m，電動機堵轉轉矩為4.46 N·m。

3 結構仿真

爬壁機器人的總體結構如圖3所示。其中，主動輪為鋁制輪轂，外層為橡膠，在保證良好強度的同時減少摩擦阻力，以降低驅(qū)動功率；2個主動輪為內(nèi)側布置，進而保證鋼板邊緣的有效清洗；支撐桿作為整個機器人的骨架，通過相應零件將輪系、清洗盤等零部件集成在一起，并安裝有安全桿，為安全繩提供掛點。

圖10 爬壁機器人本體結構仿真計算

考慮永磁鐵實際加工工藝，永磁吸附機構分為4個單元。根據(jù)磁場仿真，每個單元在氣隙1.5 mm下的吸附力約844 N，總的吸附力約滿足3376 N，滿足機器人靜止不下滑所需的吸附力（2.1節(jié)所計算得到的吸附力應不小于2798 N）。

根據(jù)永磁鐵吸附力仿真數(shù)值，建立爬壁機器人本體的結構有限元模型，得到應力和變形的分布如圖10所示。可知，本體的最大應力發(fā)生在永磁鐵保護罩，此處由于鋼板較薄，應力較大，但應力數(shù)值約0.19 MPa，遠小于材料的抗拉強度；最大變形發(fā)生在清洗盤外邊緣，數(shù)值約2×10-5mm，變形可忽略不計。所以本體結構強度滿足要求。

4 結語

本文設計了一種面向船舶維護和監(jiān)測的爬壁機器人，分析其靜力學和動力學特性，獲得了磁吸附力和電動機驅(qū)動轉矩的數(shù)值，進而對機器人整體結構做了有限元分析，為后續(xù)機器人研制提供了理論支撐。

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