姜紅建， 高振飛， 杜鎮(zhèn)韜， 王斌

（1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山316021；2.金海重工股份有限公司，浙江舟山316021）

0 引言

船舶（圖1）在海洋中航行一段時(shí)間后，由于海水的腐蝕及海洋環(huán)境中雜物的附著，船殼表面會(huì)累積海生物、油污及鐵銹，船殼表面的油漆已達(dá)不到保護(hù)作用，需要進(jìn)入船塢進(jìn)行除銹處理，以便再次涂裝[1-3]。同時(shí)，船舶作為大型承載機(jī)械裝備，長(zhǎng)時(shí)間承受貨物的重力負(fù)載、海洋風(fēng)浪流等環(huán)境負(fù)載，自身也需要定期地做外板檢測(cè)，以便發(fā)現(xiàn)損傷以做及時(shí)處理。目前，國(guó)內(nèi)修造船廠的上述作業(yè)任務(wù)多依賴(lài)人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、作業(yè)質(zhì)量較差，且人力成本逐年遞增。因此，設(shè)計(jì)一種面向船舶外板維護(hù)和監(jiān)測(cè)的爬壁機(jī)器人，顯得十分必要。

目前，國(guó)外已研制多款船舶爬壁機(jī)器人產(chǎn)品，如圖2所示，廣泛地用在船舶外板維護(hù)和檢修等作業(yè)場(chǎng)合，極大地提高了作業(yè)效率。本文提出另外一種爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過(guò)平面永磁鐵產(chǎn)生吸附力，進(jìn)而克服機(jī)器人自重和負(fù)載的影響，完成在船舶壁面上的吸附及爬行。

圖1 遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)拇?/p>

1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

如圖3所示，本文所提出的爬壁機(jī)器人采用輪式行進(jìn)方式，相比履帶式具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)彎靈活、質(zhì)量較輕等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，相比真空式或電磁式吸附原理，永磁式吸附具有負(fù)重能力較大、對(duì)作業(yè)表面形貌要求較低、失電安全性高等優(yōu)點(diǎn)，故采用永磁式吸附機(jī)構(gòu)。其中，永磁鐵提供足夠吸附力以克服機(jī)器人自重和負(fù)載，使機(jī)器人能夠可靠地貼附在外板上；伺服電動(dòng)機(jī)直驅(qū)主動(dòng)輪，克服摩擦阻力而完成行進(jìn)動(dòng)作。同時(shí)，該爬壁機(jī)器人安裝有超高壓旋轉(zhuǎn)噴頭組件和真空清洗盤(pán)，能夠?qū)崿F(xiàn)除銹和含銹廢水的回收。

圖2 國(guó)外船舶爬壁機(jī)器人

2 力學(xué)分析

圖3 爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

本部分是通過(guò)計(jì)算來(lái)確定爬壁機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中對(duì)永磁鐵吸力的要求，同時(shí)確定爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的最大功率，進(jìn)而為爬壁機(jī)器人研制提供依據(jù)。其中，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖4和圖6所示分別為爬壁機(jī)器人的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析示意圖（此處只取一個(gè)輪子為分析點(diǎn)）。其中：F為電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器輸出的牽引力；FN為船體對(duì)機(jī)器人的支持力；G為本體與負(fù)載的重力；Fm為單個(gè)磁鐵的吸附力；Fs為清洗盤(pán)負(fù)壓所產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力；Ff為射流反沖力；α為船體與地面的傾角；μ為兩者之間摩擦因數(shù)。

表1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 機(jī)器人靜力學(xué)受力圖

圖5 磁鐵吸附力與船舶傾角曲線圖

2.1 機(jī)器人靜止不下滑

機(jī)器人的靜力學(xué)和動(dòng)機(jī)器人靜止在船體上條件為：機(jī)器人所受靜摩擦力大于等于重力沿船體的分量，即

其中，摩擦力f＝μFN，單個(gè)磁鐵的吸附力,靜摩擦因數(shù)取0.3，由此單個(gè)磁鐵的吸附力

圖5中，船舶與地面傾角α約為20°時(shí)，所需 磁鐵吸附力最大，最大吸附力約為1399 N。

2.2 機(jī)器人上爬所需轉(zhuǎn)矩

機(jī)器人上爬過(guò)程中（圖6），電動(dòng)機(jī)輸出的牽引力需要克服滾動(dòng)摩擦力和重力沿船體的分量，即：其中摩擦力f=μFN，安全系數(shù)取 1.2，減速器輸出額定轉(zhuǎn)矩 T=1.2F·R。

圖6 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)受力圖

摩擦因數(shù)取 0.3，由此得

電動(dòng)機(jī)所需額定轉(zhuǎn)矩（減速比 i為 200，電動(dòng)機(jī)和減速器傳遞效率取η=0.9），電機(jī)所需額定功率P=T′n。9550

圖7中，船舶與地面傾角α為0°時(shí)，減速器所需輸出轉(zhuǎn)矩T最大，最大值為162 N·m。

圖7 減速器輸出轉(zhuǎn)矩與動(dòng)摩擦因數(shù)、傾角關(guān)系

圖8中，船舶與地面傾角α為0°時(shí)，電動(dòng)機(jī)所需額定轉(zhuǎn)矩最大，最大值為0.9 N·m，小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩1.27 N·m。圖9中，船舶與地面傾角α為0°時(shí)，電動(dòng)機(jī)所需額定功率最大，最大值約為0.28 kW,小于電動(dòng)機(jī)額定功率400 W。

圖8 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與動(dòng)摩擦因數(shù)、傾角曲線圖

機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出牽引力需要克服靜摩擦力與重力沿船體分量，此時(shí)靜摩擦因數(shù)取0.5，真空回收系統(tǒng)真空度取-0.06 MPa，橢圓清洗盤(pán)面積s=88 467 mm2，由此得減速器輸出轉(zhuǎn)矩242 N·m。電動(dòng)機(jī)所需啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.35 N·m，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為4.46 N·m。

3 結(jié)構(gòu)仿真

爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，主動(dòng)輪為鋁制輪轂，外層為橡膠，在保證良好強(qiáng)度的同時(shí)減少摩擦阻力，以降低驅(qū)動(dòng)功率；2個(gè)主動(dòng)輪為內(nèi)側(cè)布置，進(jìn)而保證鋼板邊緣的有效清洗；支撐桿作為整個(gè)機(jī)器人的骨架，通過(guò)相應(yīng)零件將輪系、清洗盤(pán)等零部件集成在一起，并安裝有安全桿，為安全繩提供掛點(diǎn)。

圖10 爬壁機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算

考慮永磁鐵實(shí)際加工工藝，永磁吸附機(jī)構(gòu)分為4個(gè)單元。根據(jù)磁場(chǎng)仿真，每個(gè)單元在氣隙1.5 mm下的吸附力約844 N，總的吸附力約滿足3376 N，滿足機(jī)器人靜止不下滑所需的吸附力（2.1節(jié)所計(jì)算得到的吸附力應(yīng)不小于2798 N）。

根據(jù)永磁鐵吸附力仿真數(shù)值，建立爬壁機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)有限元模型，得到應(yīng)力和變形的分布如圖10所示?？芍倔w的最大應(yīng)力發(fā)生在永磁鐵保護(hù)罩，此處由于鋼板較薄，應(yīng)力較大，但應(yīng)力數(shù)值約0.19 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度；最大變形發(fā)生在清洗盤(pán)外邊緣，數(shù)值約2×10-5mm，變形可忽略不計(jì)。所以本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種面向船舶維護(hù)和監(jiān)測(cè)的爬壁機(jī)器人，分析其靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，獲得了磁吸附力和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)做了有限元分析，為后續(xù)機(jī)器人研制提供了理論支撐。

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