船舶外板噴涂機器人設(shè)計

周雨桐

摘 要 船舶外板涂裝具有美化、防腐蝕等功能，在延長船舶工作期限方面具有重要意義。目前采用人工涂裝方法存在自動化程度低、作業(yè)效率低等問題，且面臨涂料中毒及人員墜落危險，而爬壁噴涂機器人可以將工人從艱苦的工作環(huán)境中解放出來，還可以提高涂裝精度，但傳統(tǒng)的爬壁機器人吸附及行走方式并不能夠直接用于船舶外板涂裝工作。在本文中，通過比較分析傳統(tǒng)爬壁機器人的行走及吸附方式，選取履帶式移動方式、磁吸附為主真空吸附為輔的復合式吸附方式，設(shè)計吸附行走模塊，選擇旋杯靜電噴槍以及四桿機構(gòu)作為機械臂，設(shè)計噴涂模塊，實現(xiàn)了船舶外板噴涂機器人的設(shè)計。

關(guān)鍵詞 爬壁噴涂機器人 吸附行走模塊 噴涂模塊 機械臂

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A

0引言

船舶外板在高溫、高濕、高鹽等工作環(huán)境中普遍存在電化學腐蝕、化學腐蝕、生物腐蝕等問題，增加了船舶的維修成本，降低了船舶的使用壽命。船舶涂裝，即在船舶鋼材表面進行涂裝，對提高船舶的耐腐蝕性和使用壽命具有重要意義。目前，船舶涂裝作為船廠中最艱苦的工種之一，仍大量采用人工噴涂的作業(yè)方式，存在工人因有害氣體中毒、將噴槍長時間舉在高空造成眩暈墜落等問題。

爬壁噴涂機器人是一種工作在任意角度壁面并攜帶噴涂模塊的特種機器人，可代替工人進行船舶外板噴涂作業(yè)，具有工作效率高，油漆利用率高，成本低等優(yōu)點。爬壁機器人的正常工作需要兩個條件：行走能力和吸附能力。吸附能力是指在任何工作環(huán)境下，機器人都能保證吸附在作業(yè)壁面上不發(fā)生墜落的能力，行走能力則是指在保證機器人吸附在壁面的前提下，能夠根據(jù)指令自由的移動。機器人壁面吸附能力的提高必然會影響到行走能力，反之亦然，所以，在設(shè)計爬壁機器人時必須綜合考慮這兩個方面，得到最適合的解決方案。

1船舶外板噴涂機器人總體設(shè)計

爬壁機器人屬于移動機器人，與地面移動機器人相比有很多相同的地方，但由于特殊的工作環(huán)境，在結(jié)構(gòu)方面又有一些差別，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）吸附機構(gòu)。吸附機構(gòu)的作用是產(chǎn)生平衡機器人重力的吸附力，使其穩(wěn)定吸附在壁面上。目前常見的吸附方式有磁力吸附、真空吸附、螺旋槳推力等。

（2）行走機構(gòu)。行走機構(gòu)的作用為在保證機器人可靠吸附的前提下實現(xiàn)自由移動。爬壁機器人的行走方式包括履帶式、輪式、仿生式、足式等。

（3）能源及驅(qū)動方式。由于爬壁機器人需長時間工作在壁面上，所以主要通過電線和管路對機器人進行能源供應，驅(qū)動方式有電機驅(qū)動、氣動等方式。

（4）安全措施。為防止機器人在作業(yè)時發(fā)生墜落或墜落發(fā)生后減小機器人的受損害程度，目前爬壁機器人大都采用系在機器人上的繩索進行防護。

在設(shè)計船舶分段外板噴涂機器人時，需要重點考慮在船舶外板工作環(huán)境中可靠的吸附能力以及靈活的移動能力，即對應的吸附機構(gòu)和行走機構(gòu)設(shè)計。除此之外，還要實現(xiàn)噴涂功能。由于船舶外板的曲率隨著機器人的移動不斷發(fā)生變化，并且不同的涂料所需的噴涂高度也有所區(qū)別，所以在噴涂模塊的設(shè)計中除了選擇合適的噴槍，同時還要設(shè)計一種機構(gòu)調(diào)節(jié)噴槍作業(yè)高度以滿足噴涂需求。

2吸附行走模塊設(shè)計

2.1 行走方式的選取

除了應用廣泛的輪式、履帶式和多足式外，在一些特殊場合還會應用到軌道式、仿生式、復合式等。不同的行走方式有其各自的有缺點，需要根據(jù)各自的適用場合選擇最佳的行走方式。表1為常見移動方式的歸納對比。

表1：爬壁機器人常見行走方式

一方面，考慮到船舶外板曲率變化平緩，所以爬壁機器人可弱化壁面過渡能力和越障能力。另一方面，因為爬壁機器人需攜帶噴槍等作業(yè)工具，應具有一定的帶負載能力。綜合考慮以上兩點，可選用履帶式移動方式。

2.2 吸附方式的選取

因爬壁機器人多在距地較高的豎直壁面、倒懸壁面作業(yè)，吸附能力對爬壁機器人及地面工作者的安全則顯得至關(guān)重要。同時，吸附能力越強，對爬壁機器人自由移動的影響也就越大，造成能源的不必要浪費。因此，在選取吸附方式時，要結(jié)合行走方式和實際的作業(yè)要求，綜合分析。表2所示為爬壁機器人常見的吸附方式歸納對比。

由于船舶外板屬于可導磁壁面，且爬壁噴涂機器人需要具有較大的帶負載能力，故可選用磁吸附作為主要的吸附方式。磁吸附包括永磁吸附和電磁吸附兩種，電磁吸附具有磁力可控的優(yōu)點，但當發(fā)生斷電情況時吸附能力消失，易發(fā)生危險，并且結(jié)構(gòu)笨重，所以采用永磁體吸附方式。值得注意的是，目前已有的履帶磁吸附式爬壁機器人的吸附力較大，需要的驅(qū)動功率也變大，易造成磁塊的擠壓破壞，而且，履帶與壁面的接觸面積較大，導致轉(zhuǎn)向困難。所以，在選擇吸附方式時，可額外增加一種輔助吸附方式，用來改善單一吸附方式帶來的不足。

考慮到船舶外板噴涂油漆之前，需要對外板表面除銹清潔，目前常采用水射流除銹機器人進行作業(yè)。承載作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)由真空封閉腔，水射流旋轉(zhuǎn)噴頭組成。因為水射流作業(yè)真空腔是除銹爬壁機器人的共性，故可選用真空吸附方式作為輔助吸附方式，為爬壁噴涂機器人之后的功能拓展提供空間。

綜上，該機器人采用以永磁吸附為主，真空吸附為輔的復合式吸附方式。

2.3 吸附行走模塊的設(shè)計

通常爬壁機器人的行走及吸附方式聯(lián)系密切，將兩者統(tǒng)一設(shè)計，滿足實際的需要，也有利于簡化機構(gòu)，使機器人整體更加緊湊。

爬壁噴涂機器人的吸附行走模塊由以下零部件組成：真空吸附腔、氣動馬達、傳動齒輪、履帶、間隙調(diào)節(jié)螺栓和永磁吸附單元，連接關(guān)系如圖1所示。兩塊永磁體構(gòu)成一個永磁吸附單元，共有8組永磁吸附單元對稱分布在兩條履帶兩側(cè)。每條履帶安裝在兩個從動輪和一個主動輪上，主動輪通過傳動軸和傳動齒輪由氣動馬達驅(qū)動。在機架平臺中間是真空吸附腔，由真空抽吸空通過真空管道與地面的真空泵相連。真空吸附腔的下方是柔性密封裙邊，可保證腔體與壁面的均勻貼合。

（a）俯視圖

（b）正視圖

1.真空吸附腔 2.氣動馬達 3.傳動齒輪 4.履帶5.間隙調(diào)節(jié)螺栓 6.密封裙邊 7.永磁吸附單元

3噴涂模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1噴槍的選擇

根據(jù)船舶外板涂裝要求，選擇旋杯靜電噴槍，與其他噴涂方式相比，具有如下優(yōu)勢：

（1）傳統(tǒng)旋杯噴槍在進行噴涂作業(yè)的時候容易產(chǎn)生漆膜厚度不一致的問題，旋杯靜電噴槍良好的漆霧穿透能力很好地解決了該問題;

（2）涂料利用率大幅提高。一般空氣噴涂的涂料利用率僅為30%～50%，而旋杯靜電噴槍的率用率高達85%，可節(jié)省一半以上的油漆;

（3）提高勞動生產(chǎn)率。多支噴槍可同時噴涂，生產(chǎn)效率比空氣噴涂提高了1～3倍。

3.2 噴涂參數(shù)的選擇

船舶各部分接觸到的腐蝕介質(zhì)不同，受到的腐蝕性質(zhì)和程度也就不同，因而油漆的選用要針對船舶不同部位進行選擇。對于船舶外板而言，要求涂料耐候性好，色澤鮮艷，有一定耐水性，可選用的防銹漆包括氯化橡膠系、環(huán)氧系和酚醛醇酸系等。

3.3 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到爬壁噴涂機器人的機械臂的首要任務是調(diào)整噴槍距離作業(yè)壁面的距離，并且爬壁機器人功能拓展空間和帶負載能力有限，所以可將機械臂的運動形式設(shè)計為關(guān)節(jié)型，如圖2所示。平行四邊形機構(gòu)的一個主要特點是它的兩組相對桿始終保持平行，且兩連架桿的角位移、角速度始終相等，基于這一特點，可將噴涂模塊的機械臂設(shè)計成該類型機構(gòu)，噴槍夾持工具布置在連桿l2上。

4結(jié)論

針對目前船舶涂裝崗位自動化程度不高，工人作業(yè)存在各種安全隱患等情況，通過大量查閱有關(guān)爬壁機器人及噴涂機構(gòu)的相關(guān)資料，分析國內(nèi)外爬壁機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納對比常見吸附和運動方式，提出了間隙式爬壁噴涂機器人的設(shè)計思路，設(shè)計了一款間隙式爬壁噴涂機器人，完成了相應的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文仍存在以下問題有待完善：機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠緊湊，存在大量空間未被充分利用;所設(shè)計的結(jié)構(gòu)未通過計算和實驗進行驗證。

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