海上平臺外壁面爬壁除銹機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

王東輝 張仕海 胡子宇 李威徵

摘要：針對海上平臺人工除銹作業(yè)所存在的作業(yè)效率低、風(fēng)險高、勞動強度大等方面問題，設(shè)計了一種可代替人工作業(yè)的爬壁除銹機器人結(jié)構(gòu)。根據(jù)海上平臺實際工況，對機器人吸附方式及爬行方式分析后，確定了機器人爬行運動方案。以機器人爬行運動原理為依據(jù)，完成了機器人前后腿組機構(gòu)、作業(yè)臂機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)3個部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計;為防止機器人出現(xiàn)失穩(wěn)情況，針對機器人實際作業(yè)工況進(jìn)行了3種常見失穩(wěn)狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析，計算出機器人穩(wěn)定吸附于平臺壁面所需電磁吸附力參數(shù)，進(jìn)而得出了選用的電磁鐵吸力所能滿足的實際工況范圍。所研究設(shè)計的爬壁機器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動靈活、吸附可靠等特點，為海上平臺外壁面除銹作業(yè)提供了技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：海上平臺;爬壁機器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計;穩(wěn)定性分析

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0054-05

Structure Design of a Rust-removing Robot on the Outer Wall of Offshore Platform

Wang Donghui，Zhang Shihai，Hu Ziyu，Li Weizheng

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： Aiming at the problems of low efficiency， high risk， and high labor intensity in manual rust removal operations on offshore platforms， the structure of a wall climbing derusting robot which can replace manual operation was designed. The crawling motion scheme of the robot was determined based on the analysis of the adsorption and crawling modes of the robot in the actual working conditions of the offshore platform. Based on the principle of crawling motion of the robot， the structure design of the front and back legs of the robot， the working arm and the rotating drive mechanism were completed. In order to prevent the instability of the robot， the stability analysis of the robot under three common instability states was carried out according to the actual working conditions. The parameters of the electromagnetic adsorption force required for stable adsorption of the robot on the platform wall were calculated， and then the range of the actual working conditions which can be satisfied by the suction force of the selected electromagnet was obtained. The wall climbing robot has the characteristics of compact structure， flexible driving and reliable adsorption， which provides a technical scheme for the derusting operation of the outer wall of offshore platform. Key words： offshore platforms; wall-climbing robot; structure design; stability analysis

0 引言

受海洋環(huán)境的影響，移動或固定平臺在工作現(xiàn)場不可避免地產(chǎn)生不同程度的內(nèi)外腐蝕，從而增加安全隱患。因此，海上平臺設(shè)施需要定期或不定期地進(jìn)行除銹和重新噴漆防腐作業(yè)。傳統(tǒng)的人工除銹方式存在作業(yè)效率低、風(fēng)險高、勞動強度大等方面的問題。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的拓展，爬壁機器人已實現(xiàn)了對高層建筑壁面的檢測與擦洗，實現(xiàn)了對船舶外壁面除銹、噴漆與檢測，在一些應(yīng)用領(lǐng)域部分或全部代替了人工作業(yè)，但應(yīng)用于海上平臺壁面的打磨與噴涂尚處于研究實驗階段，且在技術(shù)上存在較大的空缺。實現(xiàn)爬壁機器人對海上平臺外壁面打磨可以解決傳統(tǒng)的人工除銹方式所存在的安全隱患及效率低下問題。

爬壁機器人通常必須具備吸附和位移兩個基本功能[1]，確定機器人吸附方式及爬行方式是設(shè)計其運動方案的前提。目前爬壁機器人主流的吸附方式有磁吸附式、負(fù)壓吸附式、真空吸附式和仿生式等。而機器人爬行方式則是基于不同吸附元件的特點設(shè)計的。本文針對爬壁機器人吸附及爬行方式對國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了研究。如Tache F等[2]研制的磁輪式爬壁機器人，磁輪同時作為吸附元件和移動部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動靈活的優(yōu)點，對曲面的適應(yīng)性強。但其缺點是受磁吸附元件與壁面的接觸面積限制，吸力較小。若磁輪在海上平臺局部不平整的壁面上移動時會產(chǎn)生顛簸，當(dāng)顛簸由磁輪傳遞至機器人各元器件時可能引發(fā)故障甚至整體跌落;Kunchanseo等[3]研制的負(fù)壓吸附式爬壁機器人，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力差實現(xiàn)吸附，通過電機驅(qū)動三角履帶實現(xiàn)爬行，可應(yīng)用于多種材質(zhì)的壁面。但應(yīng)用于海上平臺的除銹機器人在其作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量灰屑，負(fù)壓吸附系統(tǒng)吸入灰屑后將無法正常工作;ARGEGO 公司[4] 研制的真空吸附式爬壁機器人，利用真空吸盤進(jìn)行吸附，爬行移動部件為履帶。這種真空吸附式爬壁機器人多應(yīng)用于光滑平整的壁面作業(yè)，當(dāng)氣動吸盤吸附于海上平臺局部不平整的壁面時，這種極端情況下氣動吸盤的局部漏氣會導(dǎo)致吸力大幅度損失，從而影響機器人的吸附可靠性。Boston Dynamics公司[5]的仿生式爬壁機器人擁有微毛結(jié)構(gòu)的仿生爪，能不依靠外力在粗糙表面爬壁，可應(yīng)用于一些特殊場合。但目前仿生式爬壁機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吸附力有限，應(yīng)用于海上平臺進(jìn)行爬壁作業(yè)存在較大難度;Nguyen S T等[6]設(shè)計的履帶式磁吸附爬壁機器人，適用于不同的鋼結(jié)構(gòu)壁面進(jìn)行攀爬與檢測，吸附元件為電磁鐵，通過電機驅(qū)動電磁履帶移動。目前履帶式磁吸附爬壁機器人在導(dǎo)磁材料壁面的應(yīng)用較多，吸附力可靠，但自重較高，移動時需要大轉(zhuǎn)矩電機驅(qū)動履帶克服電磁吸附阻力且轉(zhuǎn)向困難，能量損耗較高。

綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果與海上平臺外壁面的環(huán)境特點以及其材料的導(dǎo)磁特性，論文以電磁吸附為基礎(chǔ)，創(chuàng)新地提出了一種步進(jìn)式爬壁的除銹機器人結(jié)構(gòu)以解決上述問題。

1 爬壁機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 爬行運動原理

為實現(xiàn)機器人的爬行功能，設(shè)計了一種步進(jìn)式爬行運動方案，運動方式是以某一步長間歇跳躍式位移，其原理如圖1所示。以機器人的向上爬行為例，對機器人的爬行運動原理進(jìn)行說明。為便于說明，將安裝位置與爬行方向一致的平行四邊形連桿機構(gòu)命名為前腿組機構(gòu)。將安裝位置與爬行方向相反的平行四邊形連桿機構(gòu)命名為后腿組機構(gòu)。

圖1（a）初始狀態(tài)（作業(yè)狀態(tài)）。在初始狀態(tài)下，前后腿組為收起狀態(tài)，兩組電磁鐵同時通電，爬壁機器人穩(wěn)固吸附于壁面且主體重心貼近壁面，此時可以進(jìn)行除銹作業(yè)。

圖1（b）前腿組預(yù)備撐起階段。前腿組電磁鐵保持通電，后腿組電磁鐵斷電。

圖1（c）后腿組懸空階段。前腿組平行四邊形機構(gòu)撐起，吸附單元并保持與壁面吸附，后腿組懸空。

圖1（d）后腿組下降階段。前腿組機構(gòu)狀態(tài)保持不

變，后腿組平行四邊形機構(gòu)撐起至吸附單元與壁面接觸。

圖1（e）前腿組預(yù)備抬起階段。后腿組吸附單元與壁面吸附，為確保吸附可靠，適當(dāng)延時前腿組電磁鐵斷電。

圖1（f）前腿組懸空階段。后腿組保持通電吸附及撐起狀態(tài)，前腿組平行四邊形機構(gòu)向上偏轉(zhuǎn)至一定角度。

圖1（g）向上爬行階段。前腿組狀態(tài)保持不變，后腿組平行四邊形機構(gòu)向上偏轉(zhuǎn)至前腿組吸附機構(gòu)與壁面接觸。

圖1（h）恢復(fù)初始狀態(tài)階段。將兩腿組電磁鐵同時通電，機器人恢復(fù)至初始狀態(tài)（作業(yè)狀態(tài)），完成一個步長的爬行與作業(yè)。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

圍繞爬行運動方案，合理地設(shè)計了機器人結(jié)構(gòu)。為了在保證強度的前提下降低自重，機器人整體設(shè)計為框架機構(gòu)，如圖2所示，所設(shè)計爬壁機器人整體由前后腿組機構(gòu)、作業(yè)臂機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)3個部分組成。

1.3 前后腿組機構(gòu)

機器人前后腿組機構(gòu)結(jié)構(gòu)相似，均包括上框架、電磁鐵框架、連桿、電磁鐵、舵機等部件構(gòu)成。以前腿組（圖3）為例說明其結(jié)構(gòu)特點。上框架為矩形框架機構(gòu)，并與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)連接。電磁鐵框架為“U”型框架結(jié)構(gòu)，兩邊架用于搭載電磁單元，設(shè)計中預(yù)留多個電磁鐵安裝位，可根據(jù)需要適當(dāng)增減電磁鐵數(shù)量。考慮到海上平臺豎直壁面局部具有一定弧度、以及機器人落腳時沖擊等因素，在電磁鐵與電磁鐵框架之間預(yù)留合理的浮動距離，并安裝壓縮彈簧（圖4）。通過落腳后不同電磁鐵對各自彈簧的壓縮，同時起到減振及自動適應(yīng)弧形壁面的雙重效果。

上框架與電磁鐵框架的兩側(cè)分別通過連桿構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)。舵機兩端分別與上框架和電磁鐵框架的橫梁連接，通過舵盤的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)平行四邊形形態(tài)的調(diào)整，近而實現(xiàn)機器人爬行運動，機構(gòu)需維持某形態(tài)時，舵機通過堵轉(zhuǎn)實現(xiàn)機構(gòu)自鎖。

針對機器人運動過程中的換向需求，將機器人前后腿組機構(gòu)設(shè)計為套嵌式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖及轉(zhuǎn)向原理如圖5所示。

以下以機器人順時針90°轉(zhuǎn)向為例，說明機器人轉(zhuǎn)向原理。

圖5（i）基于圖1爬行原理中狀態(tài)（c），機器人預(yù)備轉(zhuǎn)向，前腿組撐起且電磁鐵與壁面吸附，后腿組懸空。

圖5（j）前腿組機構(gòu)狀態(tài)保持不變，后腿組在步進(jìn)電機驅(qū)動下整體順時針旋轉(zhuǎn)90°。

圖5（k）后腿組平行四邊形機構(gòu)撐起至吸附單元與壁面接觸并通電吸附，前腿組吸附單元斷電且平行四邊形機構(gòu)向上偏轉(zhuǎn)一定角度，前腿組處于懸空狀態(tài)。

圖5（l）后腿組機構(gòu)狀態(tài)保持不變，前腿組在步進(jìn)電機驅(qū)動下整體順時針旋轉(zhuǎn)90°，此時爬行姿態(tài)與圖1（f）一致。

1.4 作業(yè)臂機構(gòu)

根據(jù)海上平臺豎直壁面的作業(yè)特點，將作業(yè)臂設(shè)計為“L”型伸出結(jié)構(gòu)，其中臂的上側(cè)末端與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)固定，通過步進(jìn)電機帶動作業(yè)臂回轉(zhuǎn);臂的下側(cè)末端用于連接作業(yè)機構(gòu)。圖 2中打磨頭及電機為整體式組件，可固定于作業(yè)臂的末端，實現(xiàn)打磨作業(yè)。

所設(shè)計的作業(yè)臂具有較強的可替換性，如可將打磨部分替換為檢測、噴涂等功能性單元，以實施柔性化作業(yè)。

1.5 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

如圖6所示，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)主要由雙輸出步進(jìn)電機、離合器及上下基座構(gòu)成。上基座與后腿組機構(gòu)上框架固定，步進(jìn)電機固定于上基座底部。步進(jìn)電機上輸出軸帶動作業(yè)臂回轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機下輸出軸與離合器連接，離合器固定在下基座上，下基座與前腿組機構(gòu)的上框架固定，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，離合器吸合，并通過步進(jìn)電機的回轉(zhuǎn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能（轉(zhuǎn)向運動時，作業(yè)臂與后腿組機構(gòu)作同步回轉(zhuǎn)運動）。

2 爬壁機器人靜態(tài)受力與穩(wěn)定性分析

機器人穩(wěn)固吸附于壁面是確保機器人能夠穩(wěn)定爬行、轉(zhuǎn)向及作業(yè)的前提。由圖1爬行原理可知，當(dāng)前機器人處于狀態(tài)（c）和 （f）時，機器人整體由單腿組支撐，且重心離壁面的距離最遠(yuǎn)，屬于最不利狀態(tài)。因此，以圖1（c）狀態(tài)為例，分別對其沿壁面下滑、縱向傾覆和橫向傾覆3種失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行分析[7]，進(jìn)而得出電磁鐵的最小配置量。

2.1 沿壁面下滑

機器人與壁面間的靜摩擦力大小決定機器人能否可靠地吸附于壁面，靜摩擦力由電磁鐵與壁面間的吸附力及摩擦因數(shù)所決定。圖7所示為機器人處于后腿組懸空階段的沿壁面下滑受力。圖中， G 為機器人自身重力，F(xiàn)f 為機器人與壁面間的靜摩擦力，方向與下滑趨勢相圖7機器人沿壁面下滑受力反。F1i 為壁面對前腿組單側(cè)電磁鐵桿上第i個電磁鐵的吸附力（即電磁鐵與壁面間的正壓力）， n 單側(cè)電磁鐵桿上電磁鐵的個數(shù)。機器人相對壁面不向下滑移的條件如式（ 1）所示。

式中：μ為靜摩擦因數(shù)。

假設(shè)系統(tǒng)中所有電磁鐵規(guī)格、與壁面間的吸附力、界面參數(shù)等均相同，可得 F11=F1i= F1n=Fa ，其中 Fa 為單個電磁吸附單元所產(chǎn)生的電磁吸附力。由式（1） 條件進(jìn)一步可得單個電磁吸附單元 Fa1需滿足下述條件。

式中：m 為總質(zhì)量;g 為重力加速度。

2.2 縱向傾覆

分析機器人吸附狀態(tài)可知：處于縱向爬壁運動過程中的機器人受到傾覆力矩的作用，嚴(yán)重時可能促使機器人以點 A 為旋轉(zhuǎn)中心而傾覆掉落。圖8所示為機器人處于后腿組懸空階段的縱向傾覆受力。圖中，點A 為傾覆旋轉(zhuǎn)中心， F1i 單側(cè)為前腿組電磁鐵桿上第i個電磁吸附單元所產(chǎn)生的電磁吸附力，L1i 為沿壁面方向第i個電磁鐵與壁面的接觸中心點到 A 點的距離。H 為機器人質(zhì)心到壁面的距離。為避免機器人發(fā)生傾覆，應(yīng)保證系統(tǒng)中抗傾覆力矩大圖 8 機器人縱向傾覆受力于傾覆力矩，即：

式中： A1為抗傾覆力矩; A2為傾覆力矩。

抗傾覆力矩：

傾覆力矩：

由式（3） ～ （5）可求得單個電磁吸附單元 Fa2需滿足下述條件：

2.3 橫向傾覆

分析機器人吸附狀態(tài)可知：處于橫向位移運動過程中的機器人受到傾覆力矩的作用，嚴(yán)重時可能促使機器人以 O 點為旋轉(zhuǎn)中心而傾覆掉落。圖 9所示為機器人處于后腿組懸空階段的橫向傾覆受力。圖中，O 為傾覆旋轉(zhuǎn)中心，F(xiàn)2、F1為分別為前腿組上、下兩側(cè)電磁鐵桿上所有電磁吸附單元所產(chǎn)生的電磁吸附力，L2、L1分別為沿壁面方向前腿組上、下兩側(cè)電磁鐵桿上電磁鐵與壁面的接觸中心點到點 O 的距離。為避免機器人發(fā)生傾覆，應(yīng)保證系統(tǒng)中抗傾覆力矩大于傾覆力矩，即：

式中： O1為抗傾覆力矩; O2為傾覆力矩。

抗傾覆力矩：

傾覆力矩：

系統(tǒng)中：

F1= F2= F1i

由式（7） ～ （10）可求得單個電磁吸附單元 Fa3需滿足下述條件：

2.4 電磁力計算

根據(jù)上述分析中的式（2）、（6）、（10）可以得出：

擬選用長方形吸盤電磁鐵，其外形尺寸為50 mm×30 mm×20 mm。初步設(shè)計的機器人模型總質(zhì)量 m=7.2 kg，前后腿組各配備8個電磁鐵，單個腿組的單側(cè)電磁鐵桿上安裝電磁鐵數(shù)量 n=4。查得鋼與油漆面之間無潤滑摩擦系數(shù)μ=0.36，重力加速度 g=10 N/kg ，受力分析圖中各項參數(shù)為： L11=177.5 mm ，L12=123.3 mm ，L13=69.2 mm ，L14=15 mm ，L1=25 mm ，L2=185 mm ，H=101.5 mm。

將各參數(shù)代入式 （12），計算得： Fa 1>24.5 N; Fa2>9.3 N ;Fa3>4.26 N （分別為沿壁面下滑、縱向傾覆、橫向傾覆3種狀態(tài)下單個電磁吸附單元所需最小吸附力）。

經(jīng)上述分析，在機器人沿壁面下滑模型中，單個吸附單元的吸附力需求最大，為24.5 N 。即保證單個吸附單元吸力大于24.5 N 時，便可同時滿足機器人縱向、橫向傾覆模型中的吸力需求。實際工作時，存在以下因素影響電磁吸力：（1） 吸附于粗糙壁面或弧形壁面時電磁鐵與壁面存在間隙;（2）海上平臺壁面涂有一定厚度的漆膜; （3）打磨除銹過程產(chǎn)生的鐵屑可能被電磁鐵吸附。這3種情況的共同本質(zhì)是電磁系統(tǒng)中的工作氣隙厚度δ的增大。根據(jù)恒定磁動勢條件下電磁系統(tǒng)的靜態(tài)吸力特性[8]，簡化磁路模型后的電磁吸力 F 與工作氣隙厚度δ存在下述關(guān)系：

式中：I 為線圈勵磁電流;N 為線圈匝數(shù);A 為工作氣隙處的磁極端面面積;μ0為真空導(dǎo)磁率。

選用電磁鐵的線圈勵磁電流為0.42 A ，匝數(shù)為206匝，磁極端面面積為625 mm2，真空導(dǎo)磁率為1.25×10-6 H/mm。經(jīng)計算，選用的電磁鐵在工作氣隙厚度δ<0.345 mm時，其吸力不低于24.5 N ，能可靠地吸附于壁面。

3 結(jié)束語

（1） 本文對爬壁機器人幾種典型吸附和位移方式進(jìn)行了探討，指出了各自的特點及應(yīng)用場合。以此基礎(chǔ)針對海上平臺現(xiàn)場的工況特點，創(chuàng)新地提出了應(yīng)用于海上平臺作業(yè)的爬壁機器人運動方案和結(jié)構(gòu)。

（2） 考慮到機器人實際運行工況，作出了靜態(tài)受力與穩(wěn)定性分析，得出了爬壁機器人所能滿足的實際工況范圍。

（3） 本文所研究設(shè)計的爬壁機器人結(jié)構(gòu)緊湊，吸附可靠，通過靈活的驅(qū)動方式實現(xiàn)了爬壁機器人的吸附、爬行及作業(yè)，為海上平臺外壁面除銹作業(yè)提供了技術(shù)方案。

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作者簡介：

王東輝（1997-），男，碩士研究生，研究領(lǐng)域為智能制造技術(shù)及裝備。

張仕海（1977-），男，博士，教授，研究領(lǐng)域為轉(zhuǎn)子動力學(xué)及動平衡技術(shù)。

（編輯：刁少華）