履帶式爬壁除銹機器人設計及試驗

趙 飛, 姚震球, 凌宏杰, 王 琦

(1.鎮(zhèn)江市高等?？茖W校 電氣與信息學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028, E-mail: zhaofei012353@163.com;2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

爬壁機器人代替人工從事特種作業(yè),擁有巨大的優(yōu)勢和應用價值[1]。DAEWON KIM等[2]開發(fā)了一種爬壁機器人,用于核電站輻射安全的主動密封。SANO SHIGENORI等[3]開發(fā)了使用懸掛式NOBORINR的檢查系統(tǒng)爬墻機器人,并提出了一種圖像拼接和定位方法。Li Hongka等[4]設計了一種以同步齒輪和皮帶系統(tǒng)為輪子的輪式爬壁機器人,分析了其穩(wěn)定性和結構設計參數(shù)的影響。張學劍等[5]設計了一種永磁吸附式爬壁機器人用于鍋爐水冷壁的壁厚無損檢測,壁厚檢測效率極高。孟憲宇等[6]設計了一種履帶爬壁機器人,可實現(xiàn)對罐壁的檢測,并進行了磁力吸附仿真。而爬壁機器人在船體表面除銹方面的研究是其熱點之一[7],一般在機器人上搭載高壓水射流和真空清污回收裝置[8],但要特別注意船體金屬壁面傾斜角度對機器人吸附穩(wěn)定性的影響。衣正堯等[9-10]對設計的爬壁機器人下滑和后翻模型進行了分析,驗證了真空負壓可提高機器人附壁,但設計的機器人需要永磁和真空同時吸附才能可靠附壁,如真空吸附失效將存在安全隱患。徐澤亮等[11]設計的爬壁機器人采用履帶多體磁化吸盤進行吸附,吸盤的磁場強度和吸力優(yōu)于普通吸盤。王興如等[12]設計了一種履帶式除銹爬壁機器人,確定了吸附結構的磁性材料、磁路構成并實現(xiàn)了橡膠封裝。郭紅霞等[13]設計了一種液壓控制的爬壁吸附機構,并在不同轉(zhuǎn)向半徑上進行了行走試驗,分析了吸附機構的轉(zhuǎn)向能力。王明強等[14]設計了一種多履帶爬壁機器人,不同于傳統(tǒng)履帶的差速轉(zhuǎn)向,可實現(xiàn)機器人全向移動。唐秋華等[15]對設計的磁吸附機器人本體結構利用Matlab/Simulink進行了仿真分析,研究了機器人不同位姿運動下的瞬時加速度。

綜上,國內(nèi)外學者對爬壁機器人已經(jīng)開展了附壁和應用等相關研究,但為實現(xiàn)修船作業(yè)中船舶壁面的除銹,保證機器人的可靠附壁是根本,有必要開展永磁吸附單元和功能性樣機的設計及實驗,為最大程度的實現(xiàn)作業(yè)安全,設計中將只依靠永磁吸附進行理論計算,作業(yè)中為實現(xiàn)廢渣廢水回收使用的真空吸附將作為安全冗余不予考慮,機器人在真空失效狀況下,依舊不會掉落。

1 設計指標和總體結構

結合現(xiàn)有船舶修造除銹施工的現(xiàn)場工藝和作業(yè)特點,確定履帶式爬壁機器人的總體設計指標如表1所示。

表1 爬壁機器人設計指標

根據(jù)表1中的技術參數(shù),借助三維建模軟件Solid works對履帶式爬壁機器人進行總體建模,設計的履帶式爬壁機器人總體結構如圖1所示。

圖1 爬壁機器人總體結構

2 磁吸附設計

2.1 磁吸附力分析

爬壁機器人有負壓吸附、磁吸附、特種材料吸附和混合式吸附這四種吸附方式,由于船體表面為金屬材料,所以綜合考慮,決定選用永磁吸附方式,這種吸附方法適合船體的壁面,即使爬壁機器人在工作的過程中出現(xiàn)故障斷電,也能穩(wěn)定的吸附在壁面上,不會從船體上脫落而造成事故,并且采用永磁吸附,也無需考慮對吸附結構的控制,降低了對爬壁機器人控制系統(tǒng)的要求,使爬壁機器人控制系統(tǒng)更加簡單可靠。

吸附機構用于產(chǎn)生吸附力,保證爬壁機器人可靠地吸附在壁體表面,一方面克服自身重力,另一方面要具有一定的載重能力,使爬壁機器人無論是靜止還是運動,都不至脫落。針對壁面的不平度與鋼板間焊縫等情況,專門設計了自適應壁面的多塊永磁體履帶結構,在機器人履帶總成上鏈條外翼板上布置永磁吸附單元,進而開展永磁吸附單元的設計。

根據(jù)機器人結構,計算的單塊永磁吸附單元抗下滑時吸附力與壁面角度的關系曲線如圖2所示。

圖2 單塊永磁吸附單元抗下滑時吸附力與壁面角度的關系曲線

計算的單塊永磁吸附單元抗傾覆時吸附力與壁面角度的關系曲線如圖3所示。

圖3 單塊永磁吸附單元抗傾覆時吸附力與壁面角度的關系曲線

綜上,單塊永磁吸附單元抗靜態(tài)失穩(wěn)吸附力與壁面角度的關系曲線如圖4所示。

圖4 單塊永磁吸附單元抗靜態(tài)失穩(wěn)吸附力與壁面角度的關系曲線

根據(jù)計算可知:爬壁機器人最危險的傾斜角度約為70°,所需單塊永磁吸附單元的最大吸附力接近800 N。

2.2 總體結構

為了安裝方便,同時節(jié)約制造成本,永磁吸附單元由多塊永磁體成組配置,但是永磁吸附單元總長度一般與鏈條外翼板尺寸相同,為此在永磁吸附單元外形尺寸相同情況下,求解出永磁吸附單元分別由四塊和五塊永磁體時,不同數(shù)量磁體時的磁吸附力與壁面接觸距離的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同數(shù)量磁體時的磁吸附力與壁面接觸距離的關系曲線

由圖5可知,磁體與金屬壁面直接接觸時,磁吸附力最大,隨著磁體與壁面距離的增大,磁吸附力減小極快,但考慮到實際的作業(yè)情況,一般在磁體表面包裹一層保護橡膠耐磨層,橡膠層的厚度即為磁體與壁面的距離,綜合考慮橡膠層的防護效果和磁體的磁力衰減情況,一般選擇橡膠層厚度在1 mm～2 mm之間,同時選取五塊磁體成組較為合適。

2.3 充磁方向比較

在相同的永磁吸附單元尺寸條件下,相同磁體數(shù)量,不同的充磁方向也將有不同的磁吸附效果,比較常見的是N-S正反充磁和Halbach充磁,N-S正反充磁的充磁方案如圖6所示。

圖6 N-S正反充磁方案

Halbach充磁方案如圖7所示。

圖7 Halbach充磁方案

采用上述兩種不同充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力對比結果如圖8所示。

圖8 不同充磁方案磁吸附力比較

由圖8可知,在磁體與壁面相同距離下,永磁吸附單元的磁體采用Halbach充磁方案的磁吸附力大于采用N-S充磁方案的磁吸附力,當選取橡膠層厚度即磁體與壁面距離為2 mm時,采用Halbach充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力接近1.4 kN,而此時采用N-S充磁方案的永磁吸附單元磁吸附力只有0.9 kN,所以永磁吸附單元總體外形尺寸不變情況下,采用Halbach充磁方案有利于增大永磁吸附單元磁吸附力。

3 傳動機構設計

履帶與船舶壁面的接觸面積大,同時重心低,是適合于船舶壁面清污的行走方式。設計的機器人行走方式采用同步鏈傳動,雙鏈條履帶結構,采用雙排鏈形式的履帶穩(wěn)定性將明顯增強,雙排鏈結構的履帶可以克服單排鏈履帶在行走過程中的晃動,同時履帶式爬壁機器人的磁吸附單元固定安裝在兩條鏈條的外翼板上,可以使磁吸附單元更可靠穩(wěn)定的吸附在壁面上。磁吸附單元和兩條鏈條構成整個履帶總成,依靠磁吸附單元的吸附力,實現(xiàn)爬壁機器人的附壁。雙鏈條履帶結構如圖9所示。

圖9 雙鏈條履帶結構

鏈條的漲緊采用垂直漲緊和水平漲緊相結合的方式,垂直漲緊直接采用雙鏈輪進行支撐,克服鏈條自重,大幅度漲緊鏈條,起到惰輪的作用;水平漲緊實現(xiàn)小幅度調(diào)整鏈條的作用,主要用來控制傳動鏈輪前后的位置以及調(diào)整最合適的松緊度,通過漲緊拉桿帶動漲緊塊和從動鏈輪軸,當鏈條的松緊度合適時,利用鎖緊螺母固定從動鏈輪軸位置,水平漲緊具體結構如圖10所示。

圖10 水平漲緊具體結構

4 驅(qū)動系統(tǒng)設計

爬壁機器人的驅(qū)動電機選用日本松下公司的伺服驅(qū)動電機,型號:MDME152GCG,額定功率1.5 kW。減速機選用PAB115,減速比70,額定輸出扭矩280 N.m。錐齒輪減速比2,整個驅(qū)動系統(tǒng)結構緊湊,可整體拆卸,便于后期維護和調(diào)整,如圖11所示。

圖11 驅(qū)動系統(tǒng)結構

5 清污盤設計

清污盤毛刷環(huán)利用彈簧進行浮動連接,最大限度的實現(xiàn)自適應復雜曲面,同時利用萬向輪調(diào)整毛刷與壁面的距離,降低污物彌散引起二次污染,保證環(huán)保作業(yè),具體結構如圖12所示。

圖12 清污盤結構

清污盤與框架的連接采用十字鉸接式柔性設計,依靠球軸承旋轉(zhuǎn)和銷軸移動保證清洗盤的越障功能,具體結構如圖13所示。

圖13 清污盤連接方式

6 實驗驗證

6.1 永磁吸附單元拉伸實驗

在拉伸試驗機上對制造的永磁吸附單元樣件進行拉伸實驗,驗證其磁吸附力是否滿足最大所需吸附力。永磁吸附單元樣件的拉伸實驗如圖14所示。

圖14 永磁吸附單元樣件拉伸實驗

拉伸實驗結果表明:制造的單塊永磁吸附單元最大磁吸附力為1.068 kN,小于理論設計的磁吸附力1.4 kN,但大于機器人所需的最大抗傾覆力0.8 kN,可以滿足設計要求。

6.2 功能性實驗

搭建機器人功能性樣機,用以驗證爬壁機器人結構設計的合理性,地面實驗主要驗證機器人的直線運動和轉(zhuǎn)向運動能力,具體如圖15所示。

圖15 機器人地面運動測試

機器人地面運動實驗測試完成后,開展機器人垂直爬壁實驗,在室內(nèi)搭建的垂直鋼架上開展附壁性能測試,具體如圖16所示。

圖16 機器人室內(nèi)爬壁測試

為進一步驗證機器人的爬壁性能,在1∶1實船模型上模擬船體表面進行爬壁實驗,具體如圖17所示。

圖17 機器人1∶1船體壁面爬壁實驗

綜上:通過對搭建的功能性樣機開展地面運動、垂直爬壁和1:1實船模型爬壁等實驗,驗證了設計的機器人在爬壁實驗中是可以可靠附壁的。

7 結論

為保證作業(yè)安全,設計了一種單純采用永磁吸附實現(xiàn)附壁的履帶式爬壁機器人,其上搭載高壓水射流裝置實現(xiàn)除銹,對其磁吸附單元、傳動機構、驅(qū)動系統(tǒng)、清污盤等開展了設計和選型,并對功能樣機開展了爬壁實驗。

研究結果表明:

(1) 設計的爬壁機器人最危險的傾斜角度在70°附近,制造的單塊永磁吸附單元最大磁吸附力為1.068 kN,大于機器人所需的最大抗傾覆力0.8 kN,可以滿足設計要求。

(2) 磁吸附單元中的永磁體采用Halbach充磁明顯優(yōu)于N-S正反充磁,當磁體與壁面距離為2 mm時,采用Halbach充磁的永磁吸附單元磁吸附力接近1.4 kN。

搭建的功能性樣機,在室內(nèi)垂直爬壁和1∶1實船模型爬壁實驗中,是可以可靠附壁的,為下一步清污盤高壓水射流除銹實驗奠定了基礎,同時為工程樣機積累了原始數(shù)據(jù),有利于機器人進一步結構優(yōu)化。