仿蜘蛛機(jī)器人在火電廠鋼結(jié)構(gòu)除銹刷漆領(lǐng)域的研究及應(yīng)用

焦世榮，呂映斌，李海濤，魏晉宏，李秋婷

（1.國(guó)能神福（石獅）發(fā)電有限公司，福建泉州 362700；2.山西三合盛智慧科技股份有限公司，山西太原 030032）

由于其他爬壁機(jī)器人在火電廠鋼結(jié)構(gòu)建筑的除銹和防腐噴漆工作方面應(yīng)用存在很大的差距，還無(wú)法充分地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的除銹和防腐自動(dòng)化。因此，文章基于爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種能夠適用于火電廠鋼結(jié)構(gòu)的仿蜘蛛機(jī)器人，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)方配備了噴砂槍與相應(yīng)的設(shè)備，使得該機(jī)器人能夠很好地應(yīng)用在除銹和噴漆領(lǐng)域當(dāng)中，最后通過(guò)MATLAB 計(jì)算與仿真，驗(yàn)證了仿蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性。這樣不僅能夠有效促進(jìn)沿海電廠的防腐除銹效率，還對(duì)推動(dòng)我國(guó)沿海電廠的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義[1]。

1 鋼結(jié)構(gòu)仿蜘蛛爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

文章設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且狹窄的火電廠鋼結(jié)構(gòu)建筑的除銹噴漆領(lǐng)域中，使其能夠解決鋼結(jié)構(gòu)的自動(dòng)除銹和噴漆作業(yè)。同時(shí)，還可以通過(guò)搭建相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)人工攀爬和手工噴涂的作業(yè)形式。這樣不僅能夠有效保障作業(yè)人員的安全，還能進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)的除銹效率和質(zhì)量。因此，該機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要分位，除銹技術(shù)、吸附技術(shù)、運(yùn)動(dòng)原理以及驅(qū)動(dòng)和控制、電源等方面[2]。

1.2 吸附方式選擇

爬壁機(jī)器人的吸附方式，直接影響了機(jī)器人在爬壁作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)能力。因此，可以將其吸附劃分為4種：仿生吸附、混合吸附、電磁吸附以及真空負(fù)壓吸附。而混合方式主要是由真空負(fù)壓吸附和永磁吸附的方式共同組合而成的。不過(guò)，在考慮到濱?；痣姀S的地理位置以及電廠的鍋爐鋼結(jié)構(gòu)等因素，在設(shè)計(jì)仿蜘蛛機(jī)器人的吸附方式時(shí)，選擇了電磁吸附方式。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人在除銹和噴漆領(lǐng)域中的作業(yè)要求，該設(shè)備的設(shè)計(jì)需要具備可環(huán)保的噴砂除銹作業(yè)和控制能力。并且機(jī)器人的設(shè)計(jì)，還需要其能夠有效滿足在狹窄且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)建筑表面實(shí)現(xiàn)吸附和移動(dòng)等功能。因此，針對(duì)仿蜘蛛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將其分為環(huán)保噴砂除銹、吸附機(jī)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及移動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分。

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)吸附機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)以及噴砂除銹裝置等進(jìn)行統(tǒng)一的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠鋼結(jié)構(gòu)建筑表面的除銹和噴漆工作。其系統(tǒng)職能：①基于PLC 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿蜘蛛機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行建設(shè)，然后對(duì)噴砂除銹機(jī)器人的多軸選擇、啟動(dòng)、攀爬等相應(yīng)的工作關(guān)聯(lián)進(jìn)行控制，以此促進(jìn)機(jī)器人的噴砂和除銹工作的精度和響應(yīng)速度得到進(jìn)一步的提升。②利用新型傳感技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行定位，并在遠(yuǎn)程控制的作用下完成鋼結(jié)構(gòu)建筑的表面除銹和噴漆作業(yè)。

2.2 仿蜘蛛機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除銹爬壁機(jī)器人作為當(dāng)前階段最熱門的研究熱點(diǎn)之一，許多學(xué)者紛紛提出了不同類型的爬壁機(jī)器人。但該些類型的機(jī)器人在火電廠的鍋爐鋼結(jié)構(gòu)攀爬過(guò)程當(dāng)中，均無(wú)法充分地滿足實(shí)際作業(yè)的需求。而具備磁力的機(jī)器人雖然可以實(shí)現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)上吸附，但輪式的吸附力相對(duì)不足，且不具備高性能的越障能力，進(jìn)而無(wú)法充分實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的除銹和噴漆作業(yè)。因此，文章提出了一種能夠充分滿足鋼結(jié)構(gòu)攀爬的仿蜘蛛機(jī)器人構(gòu)型，具體見(jiàn)圖1所示。

圖1 仿蜘蛛機(jī)器人

該類型機(jī)器人的設(shè)計(jì)是基于蜘蛛生理特征，結(jié)合吊索、支腿以及身軀等方面，共同開(kāi)發(fā)的一種鋼結(jié)構(gòu)攀爬機(jī)器人。同時(shí)，該機(jī)器人具備較高的負(fù)重能力，其吊索還為機(jī)器人的攀爬工作提供了充足的動(dòng)力。而多足結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在除銹工作中，本體離開(kāi)壁面，這樣既可以保證機(jī)器人擁有足夠的附著力，還擁有很強(qiáng)的障礙通過(guò)能力。并且該機(jī)器人只需要通過(guò)改變其牽引方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)垂直爬行。

2.3 組成模塊分析

受環(huán)境因素的影響，針對(duì)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)利用模塊化，實(shí)現(xiàn)了仿蜘蛛機(jī)器人的懸吊模塊、軀體模塊以及支腿模塊、功能模塊設(shè)計(jì)和輔助模塊等方面的。

2.3.1 懸吊模塊

該模塊的設(shè)計(jì)可以分為外置和內(nèi)置兩個(gè)部分，外置部分通過(guò)吊索的一端在機(jī)器人本體上固定，將絞車外置在地面或者相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，通過(guò)滑輪實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人移動(dòng)。而內(nèi)置部分，主要是將吊索和絞輪裝配在機(jī)器人的本體上，使得另一端懸掛在鋼結(jié)構(gòu)上，具體見(jiàn)圖2所示。

圖2 機(jī)器人懸掛模塊設(shè)計(jì)

2.3.2 功能和輔助模塊

功能模塊的設(shè)計(jì)主要包括檢測(cè)、除銹和噴漆等3個(gè)部分。而輔助模塊，主要是通過(guò)機(jī)器人的左側(cè)臂、右側(cè)臂以及彎臂，實(shí)現(xiàn)將機(jī)器人固定在鋼結(jié)構(gòu)上。

2.4 仿蜘蛛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

由于仿蜘蛛型機(jī)器人是模塊化的機(jī)器人，因此在機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，將其劃分成前后本體、伸縮機(jī)構(gòu)、支腿及滾輪以及電動(dòng)擺桿等部分。

2.4.1 前本體

該部分設(shè)計(jì)主要作用于對(duì)傳感器、吊繩收放機(jī)構(gòu)以及前支腿和伸縮機(jī)構(gòu)、除銹噴漆等相應(yīng)的作業(yè)模塊的安裝。

2.4.2 后本體

該部分設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于對(duì)后支腿、除銹噴漆等作業(yè)模塊的安裝，并通過(guò)利用伸縮機(jī)構(gòu)與前本體實(shí)現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)。

2.4.3 伸縮機(jī)構(gòu)

該方面的設(shè)計(jì)，主要位于前本體和后本體兩者之間。利用步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠以及導(dǎo)軌部件等共同組成。步進(jìn)電機(jī)及絲杠安裝于前本體上，絲杠螺母與后本體通過(guò)螺釘緊固。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺母做直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)后本體靠近或遠(yuǎn)離前本體，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人縮短或伸長(zhǎng)。

2.4.4 支腿及滾輪

前后本體各有兩只左右對(duì)稱的支腿，各支腿連接兩個(gè)滾輪。直流電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)左右支腿，通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)支腿的抬升或下落以越過(guò)障礙。齒輪傳動(dòng)放大力矩，通過(guò)支腿將滾輪壓在工字鋼側(cè)面，從而為機(jī)器人移動(dòng)、越過(guò)障礙提供支撐。滾輪與支腿通過(guò)軸承相連，“工”字型滾輪可以卡在工字鋼側(cè)面，為機(jī)器人在垂直工作面提供支撐，滾輪在機(jī)器人和工字鋼之間提供滾動(dòng)摩擦。

2.4.5 電動(dòng)擺桿

固定在后本體頂面，通過(guò)直流調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速及擺桿角度可以模擬不同負(fù)載工作情況。

2.5 驅(qū)動(dòng)與控制

2.5.1 吊繩收放機(jī)構(gòu)

帶抱閘閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器電源DC24 V。閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)可以精確控制收放輥的角度，控制吊繩升降長(zhǎng)度，從而可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確定位。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小巧，甚至可與電機(jī)集成。

2.5.2 支腿

無(wú)刷直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器電源DC24 V。無(wú)刷直流電機(jī)采用電子部件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電刷換相器，保留了直流電機(jī)的優(yōu)良調(diào)速特性，低速力矩大、調(diào)速范圍寬，電機(jī)體積小、效率高，同時(shí)克服了直流電機(jī)電刷容易打火、壽命短、維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。與異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比，無(wú)刷直流電機(jī)具有體積小、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、低速恒力矩等特點(diǎn)。

2.5.3 伸縮機(jī)構(gòu)

步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器電源DC24 V。步進(jìn)電機(jī)可以精確控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)后本體做直線運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)體積小可與絲杠集成為直線絲桿電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小巧，甚至可與電機(jī)集成，從而可以實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)構(gòu)小型化。

2.5.4 電動(dòng)擺桿

直流調(diào)速電機(jī)DC24 V。電動(dòng)擺桿僅需要以不同的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，故選用調(diào)速性能好、使用及維修簡(jiǎn)單、過(guò)載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小的直流電機(jī)。

2.6 信號(hào)傳輸

從信號(hào)傳輸方面的實(shí)際，主要利用Zigbee 技術(shù)通過(guò)2.4GHz 無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)了仿蜘蛛機(jī)器人與地面控制中心兩者之間的通信。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信，能夠?qū)崿F(xiàn)利用移動(dòng)端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。

3 仿蜘蛛機(jī)器人的力學(xué)特性分析

仿蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是步行框架式移動(dòng)，因此在移動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量重心，就會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)的位置發(fā)生變化。而機(jī)器人自身的吸附力、負(fù)載以及摩擦力三者之間存在一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的關(guān)系。所以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)仿蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)建立了相應(yīng)的位姿模型，然后結(jié)合模型對(duì)該機(jī)器人的靜力學(xué)展開(kāi)了相應(yīng)分析。從而得出仿蜘蛛仿蜘蛛機(jī)器人在不發(fā)生向下滑移的失穩(wěn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其最小吸附力進(jìn)行了計(jì)算。當(dāng)機(jī)器人爬行壁面與豎直鋼結(jié)構(gòu)方向呈現(xiàn)出等于72°的夾角時(shí)，機(jī)器人的吸附單元所需要的抗向下滑移最小吸附力最大，其值為480 N。在對(duì)機(jī)器人的縱向傾覆的臨界情況進(jìn)行考慮，如果兩者之間的夾角等于71.5°時(shí)，該機(jī)器人的最小吸附力最大為290 N。所以，為了能夠有效比較避免機(jī)器人在除銹噴漆工作中不會(huì)發(fā)生問(wèn)題，需要結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況對(duì)機(jī)器人的單元吸附力進(jìn)行合理科學(xué)的配置。

4 仿蜘蛛機(jī)器人的性能仿真實(shí)現(xiàn)

為了能夠保證仿蜘蛛機(jī)器人在火電廠鋼結(jié)構(gòu)除銹刷漆領(lǐng)域中的有效應(yīng)用，文章對(duì)該機(jī)器人的可行性和適用性等進(jìn)行了驗(yàn)證。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況制定制定了相應(yīng)的試驗(yàn)，如豎直鋼結(jié)構(gòu)表面的除銹試驗(yàn)等。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)表面機(jī)器人除銹試驗(yàn)分析

4.1.1 除銹工作情況分析

文章所研發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)仿蜘蛛機(jī)器人，通過(guò)攀爬和吊索的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)豎直鋼結(jié)構(gòu)表面的除銹和噴漆作業(yè)。作業(yè)過(guò)程當(dāng)中，并沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)器人意外故障以及墜落等問(wèn)題。同時(shí)，除銹時(shí)也沒(méi)有產(chǎn)生污染環(huán)境的污染。由此可以證明環(huán)?？苫厥帐降某P噴砂功能的實(shí)現(xiàn)。最后借助遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)仿蜘蛛機(jī)器人的上下左右移動(dòng)等方面的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。從運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)器人的靜態(tài)噴砂效率可以達(dá)到650 cm2/min。

4.1.2 除銹效果分析

由于鋼結(jié)構(gòu)的表面受外界氣候和自然因素等方面的影響，會(huì)存在相對(duì)嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象，如表面粗糙，漆面鼓泡以及脫落等現(xiàn)象。因此，通過(guò)除銹之后，鋼結(jié)構(gòu)表層的腐蝕物均被清理干凈，且除銹達(dá)到了Sa3.0的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，文章設(shè)計(jì)的仿蜘蛛機(jī)器人在火電廠的鍋爐鋼結(jié)構(gòu)除銹和噴漆工作中，其性能不僅滿足了沿海發(fā)電廠的鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際除銹工作需要，還沒(méi)有任何環(huán)境污染物的出現(xiàn)，具體性能分析見(jiàn)表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)仿蜘蛛機(jī)器人的性能分析

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合火電廠的鋼結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計(jì)的仿蜘蛛機(jī)器人利用了電磁吸附方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火電廠復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)除銹和噴漆工作。并通過(guò)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型建立，為電磁吸附單元的應(yīng)用提供了相應(yīng)的依據(jù)，最后利用MATLAB 仿真驗(yàn)證了該機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性和在工作過(guò)程中爬壁的安全性。并未仿蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。