攀爬除銹機(jī)器人的系統(tǒng)研究*

赫乾辰，施嘉勝，李小鵬，喬俊福

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

0 引言

我國是全球最大的修船國,目前船舶除銹工藝主要采用手工除銹、機(jī)械除銹,勞動(dòng)強(qiáng)度大,除銹效率低,且工作環(huán)境惡劣,是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),存在著用工成本高、用工模式單一等問題。除銹過程中礦砂接觸鐵銹產(chǎn)生大量的粉末,粉末經(jīng)過風(fēng)力的作用進(jìn)入空氣中,或沉積于船塢中,造成空氣和水體污染。目前大部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)全面禁止采用手工噴砂除銹,因此研發(fā)攀爬除銹機(jī)器人具有重要的意義和價(jià)值。攀爬除銹機(jī)器人具有操作安全可靠、成本低、工作效率高、排放量少、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。從產(chǎn)業(yè)鏈來看,上游為原材料及設(shè)備供應(yīng)商,涉及金屬、塑料、控制器、高壓泵、真空系統(tǒng);中游為機(jī)器人生產(chǎn)商;下游為船舶修理企業(yè)。研發(fā)攀爬除銹機(jī)器人符合當(dāng)下船舶行業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化、環(huán)保發(fā)展理念,為此,本文設(shè)計(jì)了一種攀爬除銹機(jī)器人。

1 攀爬除銹機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攀爬除銹機(jī)器人由四足機(jī)構(gòu)、腳部機(jī)構(gòu)、除銹機(jī)構(gòu)、安全模塊、視覺模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊組成,在六大模塊的相互配合下可以更好地完成監(jiān)測(cè)與除銹的任務(wù)。攀爬除銹機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 攀爬除銹機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身尺寸

機(jī)器人機(jī)體的最大直徑為200 mm,總高為224 mm。四足的總長為350 mm,最寬處為56.7 mm。因?yàn)檫B接件部分尺寸重合,經(jīng)測(cè)量機(jī)器人整體的最大直徑為900 mm。

2.2 四足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四足機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參考了蜘蛛的肢體結(jié)構(gòu),通過對(duì)蜘蛛的肢體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)了這款攀爬除銹機(jī)器人。機(jī)器人的四足機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人的四足機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)整體的上、下底板分別采用厚5 mm、直徑分別為160 mm和200 mm的亞克力板。其中大腿部位由4 mm亞克力板連接,小腿部位由15 mm×15 mm×2 mm的方型鋁管連接,保證了機(jī)器人在行走過程中的穩(wěn)定性[1]。每條腿安裝3個(gè)扭力為20 kg的舵機(jī),共有12個(gè)自由度,這樣的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人在跨越障礙時(shí)更加有力。

2.3 腳部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)量,攀爬除銹機(jī)器人的總重為4.5 kg,為了使機(jī)器人穩(wěn)定地吸附在墻面上,我們?cè)诿織l腿上安裝了一個(gè)吸力為200 N的電磁鐵,4個(gè)電磁鐵可以為機(jī)器人提供800 N的吸力,可以使其很好地吸附在船舶表面。經(jīng)計(jì)算,安全系數(shù)為17.7。電磁鐵與鋁管之間使用球頭直桿軸承連接,有利于電磁鐵與船舶表面更好地貼合,使機(jī)器人整體的靈活性提升[2]。

2.4 除銹模塊設(shè)計(jì)

腳部機(jī)構(gòu)和四足機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了機(jī)器人在作業(yè)面的靈活移動(dòng),但是在工作過程中還需要有高效的除銹模塊,本文設(shè)計(jì)的除銹模塊由動(dòng)力裝置、執(zhí)行裝置、緩沖裝置和吸附裝置構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。動(dòng)力裝置為一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的大扭矩單軸舵機(jī),給執(zhí)行裝置提供動(dòng)力;執(zhí)行裝置為貼有魔術(shù)貼(用于貼砂紙)的砂紙盤,此裝置用來完成除銹工作;緩沖裝置由金屬鋼圈、緩沖盤、彈簧組合而成,用于降低除銹模塊工作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)機(jī)器人的影響[3]。

圖3 除銹模塊結(jié)構(gòu)

機(jī)器人在船舶表面上爬行,走到有鐵銹的地方牢牢吸附,隨后身體緩慢下沉,當(dāng)砂紙盤碰到鐵銹,隨后啟動(dòng)舵機(jī),帶動(dòng)砂紙盤在鐵銹上不斷摩擦旋轉(zhuǎn)進(jìn)行除銹工作。

2.5 安全模塊設(shè)計(jì)

在機(jī)器人工作過程中,為了避免由于電池?cái)嚯?、供電故障、電磁鐵損壞、電控元件短路等原因造成電磁鐵不工作,導(dǎo)致機(jī)器人跌落從而引發(fā)安全事故,我們?cè)跈C(jī)器人主體結(jié)構(gòu)上加裝一根可自由伸縮的安全繩,如圖4所示。工作前,將安全繩的一端提前系在工作區(qū)域的上方,機(jī)器人正常工作時(shí)安全繩不參與工作,發(fā)生意外導(dǎo)致機(jī)器人跌落時(shí)安全繩快速介入,防止事故發(fā)生。安全模塊在不影響機(jī)器人工作的同時(shí)保護(hù)了機(jī)器人,也保護(hù)了工作人員。

圖4 安全繩

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊

控制系統(tǒng)采用ESP32單片機(jī)作為主控制器,安裝有IMU模塊、舵機(jī)控制模塊。通訊方面選擇了藍(lán)牙模塊。電源管理采用外部電源供電,保證了機(jī)器人的長續(xù)航。

3.2 視覺模塊

視覺模塊采用OpenMV4攝像頭和配套的WIFI擴(kuò)展板[4]。通過設(shè)置熱點(diǎn),從客戶端接受請(qǐng)求,初始化模塊,傳輸視頻。

4 樣機(jī)效果

制作的樣機(jī)如圖5所示,藍(lán)牙模塊發(fā)送指令控制其運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過測(cè)試攀爬除銹機(jī)器人可完成移動(dòng),監(jiān)測(cè)模塊可以流暢地傳輸圖片。

圖5 制作的樣機(jī)

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的攀爬除銹機(jī)器人以ESP32單片機(jī)作為控制核心,使用總線舵機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力來源,它具有12個(gè)自由度,可靈活地吸附在船舶上,視覺模塊采用OpenMV模塊及相關(guān)圖傳技術(shù),方便快捷。攀爬除銹機(jī)器人主要適用于大型船只的船體除銹工作,具有高機(jī)動(dòng)性、高靈活性、高安全性的特點(diǎn)[5]。