船舶密閉艙室探測機器人載體設(shè)計研究

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，設(shè)計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發(fā)信號，實現(xiàn)對機器人遙控。試驗結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關(guān)檢測設(shè)備進入船舶密閉艙室進行檢測。

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

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險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入其中。即使有文獻[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[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環(huán)境檢測的思想。文獻[3]～[5]設(shè)計研究了船舶外表面作業(yè)機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設(shè)計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)特點設(shè)計了新型永磁吸附爬壁機器人，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)計使機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（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實現(xiàn)機器人代替人來完成危險作業(yè)的

功能。

1 爬壁機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，而本機器人設(shè)計應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經(jīng)濟，同時通過合理的設(shè)計安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計選用雙履帶的移動方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負重且便于攜帶作業(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)計了永磁吸附雙履帶驅(qū)動式爬壁機

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用Solidworks對機器人底盤結(jié)構(gòu)進行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計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應(yīng)盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設(shè)計

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，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，機械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設(shè)計選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時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

在實際設(shè)計過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設(shè)置4個孔槽，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。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機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)計以提供磁場為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場。

本文在簡化的物理模型、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軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。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，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機器人質(zhì)量為1kg時，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大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統(tǒng)

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉(zhuǎn)向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當(dāng)兩個電機以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動時，機器人完成前進、后退。當(dāng)左邊的電機轉(zhuǎn)動，右邊的電機停止時，機器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據(jù)實際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機驅(qū)動模塊、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單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預(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，實現(xiàn)了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計的遙控裝置實現(xiàn)遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡單改造并搭載檢測設(shè)備，便可實現(xiàn)此爬壁機器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進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.在船舶檢驗中使用機器人[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器人[J].機器人，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器人關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）.

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

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

作者簡介

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

摘 要 根據(jù)船舶密閉艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發(fā)信號，實現(xiàn)對機器人遙控。試驗結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關(guān)檢測設(shè)備進入船舶密閉艙室進行檢測。

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

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險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入其中。即使有文獻[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[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環(huán)境檢測的思想。文獻[3]～[5]設(shè)計研究了船舶外表面作業(yè)機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設(shè)計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)特點設(shè)計了新型永磁吸附爬壁機器人，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)計使機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（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實現(xiàn)機器人代替人來完成危險作業(yè)的

功能。

1 爬壁機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，而本機器人設(shè)計應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經(jīng)濟，同時通過合理的設(shè)計安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計選用雙履帶的移動方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負重且便于攜帶作業(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)計了永磁吸附雙履帶驅(qū)動式爬壁機

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用Solidworks對機器人底盤結(jié)構(gòu)進行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計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應(yīng)盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設(shè)計

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，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，機械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設(shè)計選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時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

在實際設(shè)計過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設(shè)置4個孔槽，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。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機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)計以提供磁場為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場。

本文在簡化的物理模型、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軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。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，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機器人質(zhì)量為1kg時，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大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統(tǒng)

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉(zhuǎn)向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當(dāng)兩個電機以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動時，機器人完成前進、后退。當(dāng)左邊的電機轉(zhuǎn)動，右邊的電機停止時，機器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據(jù)實際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機驅(qū)動模塊、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單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預(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，實現(xiàn)了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計的遙控裝置實現(xiàn)遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡單改造并搭載檢測設(shè)備，便可實現(xiàn)此爬壁機器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進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.在船舶檢驗中使用機器人[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器人[J].機器人，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器人關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）.

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

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

作者簡介

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

摘 要 根據(jù)船舶密閉艙室鋼架結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發(fā)信號，實現(xiàn)對機器人遙控。試驗結(jié)果表明，在復(fù)雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關(guān)檢測設(shè)備進入船舶密閉艙室進行檢測。

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

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險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入其中。即使有文獻[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[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環(huán)境檢測的思想。文獻[3]～[5]設(shè)計研究了船舶外表面作業(yè)機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設(shè)計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)特點設(shè)計了新型永磁吸附爬壁機器人，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)計使機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（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應(yīng)的作業(yè)，可實現(xiàn)機器人代替人來完成危險作業(yè)的

功能。

1 爬壁機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，而本機器人設(shè)計應(yīng)用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經(jīng)濟，同時通過合理的設(shè)計安裝磁鐵的結(jié)構(gòu)，根據(jù)搭載設(shè)備的負載大小增減磁鐵數(shù)量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應(yīng)壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設(shè)計選用雙履帶的移動方式，雖然結(jié)構(gòu)上復(fù)雜，但其接觸面積達、重心低、穩(wěn)定性好，可增加負重且便于攜帶作業(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)計了永磁吸附雙履帶驅(qū)動式爬壁機

器人。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用Solidworks對機器人底盤結(jié)構(gòu)進行建模，如圖1。1是本體前部結(jié)構(gòu)，設(shè)計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應(yīng)盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結(jié)構(gòu)solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設(shè)計

2.1 永磁材料的選擇

當(dāng)機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，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，機械加工性能相當(dāng)好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設(shè)計選用尺寸規(guī)格為20*10*2的長方體結(jié)構(gòu)釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時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

在實際設(shè)計過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設(shè)置4個孔槽，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。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機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)計以提供磁場為目的還是以產(chǎn)生指定的力學(xué)行為為目標(biāo)的永磁結(jié)構(gòu)，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態(tài)磁場。

本文在簡化的物理模型、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軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。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，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當(dāng)機器人質(zhì)量為1kg時，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大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統(tǒng)

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉(zhuǎn)向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當(dāng)兩個電機以相同的轉(zhuǎn)速向相同方向轉(zhuǎn)動時，機器人完成前進、后退。當(dāng)左邊的電機轉(zhuǎn)動，右邊的電機停止時，機器人右轉(zhuǎn)；反之，左轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)采用兩級控制結(jié)構(gòu)，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據(jù)實際作業(yè)需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統(tǒng)包含了伺服電機驅(qū)動模塊、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單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結(jié)束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預(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，實現(xiàn)了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設(shè)計的遙控裝置實現(xiàn)遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉(zhuǎn)向。因此根據(jù)船舶作業(yè)任務(wù)要求，通過簡單改造并搭載檢測設(shè)備，便可實現(xiàn)此爬壁機器人代替船員完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進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.在船舶檢驗中使用機器人[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器人[J].機器人，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器人關(guān)鍵技術(shù)及其研究進展[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（6）.

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

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

作者簡介

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