船舶密閉艙室探測機器人載體設計研究

王剛+翁晶+藺本浩+王生海

摘 要 根據船舶密閉艙室鋼架結構特點，設計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結構進行了設計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發信號，實現對機器人遙控。試驗結果表明，在復雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關檢測設備進入船舶密閉艙室進行檢測。

關鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機器人；檢測；結構設計；有限元分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進入其中。即使有文獻[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發生，文獻[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環境檢測的思想。文獻[3]～[5]設計研究了船舶外表面作業機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設計研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據船舶艙室鋼架結構特點設計了新型永磁吸附爬壁機器人，其可應用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結構設計使機器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關設備（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應的作業，可實現機器人代替人來完成危險作業的

功能。

1 爬壁機器人的本體結構設計

1.1 關鍵技術選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機器人設計應用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經濟，同時通過合理的設計安裝磁鐵的結構，根據搭載設備的負載大小增減磁鐵數量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設計選用雙履帶的移動方式，雖然結構上復雜，但其接觸面積達、重心低、穩定性好，可增加負重且便于攜帶作業工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設計了永磁吸附雙履帶驅動式爬壁機

器人。

1.2 結構設計

利用Solidworks對機器人底盤結構進行建模，如圖1。1是本體前部結構，設計了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時應盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結構solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設計

2.1 永磁材料的選擇

當機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，永磁鐵所提供的吸附力應能保證能夠克服磁鐵本身和機器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發現商品化性能最高的磁鐵，機械加工性能相當好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設計選用尺寸規格為20*10*2的長方體結構釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優化設計

在實際設計過程中，經過反復調試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設置4個孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設計以提供磁場為目的還是以產生指定的力學行為為目標的永磁結構，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態磁場。

本文在簡化的物理模型、數學模型以及求解方法[7]基礎上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應的介質材料即可。然后進行相應邊界條件設置、網格劃分、參數選擇和求解設置等，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當機器人質量為1kg時，橡膠履帶和鐵質墻壁間的摩擦系數為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當兩個電機以相同的轉速向相同方向轉動時，機器人完成前進、后退。當左邊的電機轉動，右邊的電機停止時，機器人右轉；反之，左轉。

控制系統采用兩級控制結構，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據實際作業需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統包含了伺服電機驅動模塊、無線收發模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時能夠適應壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調試，實現了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設計的遙控裝置實現遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉向。因此根據船舶作業任務要求，通過簡單改造并搭載檢測設備，便可實現此爬壁機器人代替船員完成相應作業任務。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進入船舶封閉空間的安全做法[J].航海技術，2014（1）：70-72.

[2]魯舜.在船舶檢驗中使用機器人[J].中國船檢，2004（6）：96-97.

[3]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機器人[J].機器人，2010，32（4）：560-567.

[4]高永寧，丁建龍.船體清洗裝置的國內外應用與現狀分析[J].新技術新工藝，2012（2）：28-30.

[5]蔡衛國，汪靜，董利峰，等.適于水下船體的爬壁機器人關鍵技術及其研究進展[J].機器人技術與應用，2010（6）.

[6]王峰.水下船體表面清刷機器人磁吸附驅動裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[7]桂仲成，陳強，孫振國.爬壁機器人永磁吸附裝置的優化設計[J].電工技術學報，2006，21（11）：40-46.

作者簡介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學生，研究領域：船舶機電一體化，船舶動力定位。endprint

摘 要 根據船舶密閉艙室鋼架結構特點，設計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結構進行了設計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發信號，實現對機器人遙控。試驗結果表明，在復雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關檢測設備進入船舶密閉艙室進行檢測。

關鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機器人；檢測；結構設計；有限元分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進入其中。即使有文獻[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發生，文獻[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環境檢測的思想。文獻[3]～[5]設計研究了船舶外表面作業機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設計研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據船舶艙室鋼架結構特點設計了新型永磁吸附爬壁機器人，其可應用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結構設計使機器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關設備（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應的作業，可實現機器人代替人來完成危險作業的

功能。

1 爬壁機器人的本體結構設計

1.1 關鍵技術選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機器人設計應用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經濟，同時通過合理的設計安裝磁鐵的結構，根據搭載設備的負載大小增減磁鐵數量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設計選用雙履帶的移動方式，雖然結構上復雜，但其接觸面積達、重心低、穩定性好，可增加負重且便于攜帶作業工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設計了永磁吸附雙履帶驅動式爬壁機

器人。

1.2 結構設計

利用Solidworks對機器人底盤結構進行建模，如圖1。1是本體前部結構，設計了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時應盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結構solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設計

2.1 永磁材料的選擇

當機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，永磁鐵所提供的吸附力應能保證能夠克服磁鐵本身和機器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發現商品化性能最高的磁鐵，機械加工性能相當好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設計選用尺寸規格為20*10*2的長方體結構釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優化設計

在實際設計過程中，經過反復調試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設置4個孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設計以提供磁場為目的還是以產生指定的力學行為為目標的永磁結構，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態磁場。

本文在簡化的物理模型、數學模型以及求解方法[7]基礎上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應的介質材料即可。然后進行相應邊界條件設置、網格劃分、參數選擇和求解設置等，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當機器人質量為1kg時，橡膠履帶和鐵質墻壁間的摩擦系數為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當兩個電機以相同的轉速向相同方向轉動時，機器人完成前進、后退。當左邊的電機轉動，右邊的電機停止時，機器人右轉；反之，左轉。

控制系統采用兩級控制結構，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據實際作業需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統包含了伺服電機驅動模塊、無線收發模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時能夠適應壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調試，實現了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設計的遙控裝置實現遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉向。因此根據船舶作業任務要求，通過簡單改造并搭載檢測設備，便可實現此爬壁機器人代替船員完成相應作業任務。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進入船舶封閉空間的安全做法[J].航海技術，2014（1）：70-72.

[2]魯舜.在船舶檢驗中使用機器人[J].中國船檢，2004（6）：96-97.

[3]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機器人[J].機器人，2010，32（4）：560-567.

[4]高永寧，丁建龍.船體清洗裝置的國內外應用與現狀分析[J].新技術新工藝，2012（2）：28-30.

[5]蔡衛國，汪靜，董利峰，等.適于水下船體的爬壁機器人關鍵技術及其研究進展[J].機器人技術與應用，2010（6）.

[6]王峰.水下船體表面清刷機器人磁吸附驅動裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[7]桂仲成，陳強，孫振國.爬壁機器人永磁吸附裝置的優化設計[J].電工技術學報，2006，21（11）：40-46.

作者簡介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學生，研究領域：船舶機電一體化，船舶動力定位。endprint

摘 要 根據船舶密閉艙室鋼架結構特點，設計了永磁吸附爬壁機器人。運用Solidworks對機器人本體結構進行了設計，采用有限元法對磁吸附力進行分析，通過單片機控制及無線芯片收發信號，實現對機器人遙控。試驗結果表明，在復雜的空間曲面上，機器人能可靠的吸附與靈活運動，因此可按需要搭載相關檢測設備進入船舶密閉艙室進行檢測。

關鍵詞 船舶；密閉艙室；爬壁機器人；檢測；結構設計；有限元分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0019-02

船舶上布置著較多的密閉艙室，對于船員來說最大危險來自于其中的有毒有害氣體，但是由于工作需要必須安排人員進入其中。即使有文獻[1]所述的安全做法，但也可能因人失誤、因設備故障等造成重大傷亡事故。為避免此類事故的發生，文獻[2]提出了利用機器人代替人來進行船上危險環境檢測的思想。文獻[3]～[5]設計研究了船舶外表面作業機器人，為船舶密閉艙室探測機器人的設計研究提供了可借鑒的方式方法。本文根據船舶艙室鋼架結構特點設計了新型永磁吸附爬壁機器人，其可應用在如壓載艙、貨艙等船舶密閉艙室。通過結構設計使機器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能夠吸附在鐵磁避面上，如搭載相關設備（氣體檢測器、攝像頭等）即可完成相應的作業，可實現機器人代替人來完成危險作業的

功能。

1 爬壁機器人的本體結構設計

1.1 關鍵技術選擇

1）吸附方式的選擇。

真空吸附式往往需要攜帶真空泵，體積過大，而本機器人設計應用于船舶鐵磁壁面，因此選用永磁吸附方式比較簡單經濟，同時通過合理的設計安裝磁鐵的結構，根據搭載設備的負載大小增減磁鐵數量，這樣即可保證增減吸附力又能靈活地適應壁面。

2）移動方式選擇。

通過表2的比較分析，本設計選用雙履帶的移動方式，雖然結構上復雜，但其接觸面積達、重心低、穩定性好，可增加負重且便于攜帶作業工具。另外，履帶是鉸鏈連接的，具有一定的柔性，能夠適應壁面的曲率變化，且可越過焊縫等壁面上可能存在的障礙。

綜上所述本文最終設計了永磁吸附雙履帶驅動式爬壁機

器人。

1.2 結構設計

利用Solidworks對機器人底盤結構進行建模，如圖1。1是本體前部結構，設計了一定斜度的爬坡角度；2是本體后部安裝配重的位置；3是安裝磁鐵的位置。在建模中以及后期配重時應盡量保證機器人重心靠后且貼近壁面。

圖1 機器人本體結構solidworks建模

2 爬壁機器人的磁吸附設計

2.1 永磁材料的選擇

當機器人在垂直于壁面或倒貼在墻壁上爬行時，永磁鐵所提供的吸附力應能保證能夠克服磁鐵本身和機器人的重力，緊貼在壁面上。

釹鐵硼三元系永磁材料是目前發現商品化性能最高的磁鐵，機械加工性能相當好。本作品選用釹鐵硼永磁材料的型號為N35[6]。

本文設計選用尺寸規格為20*10*2的長方體結構釹鐵硼永磁鐵。這樣在保證機器人具有足夠吸附力的同時也大大減小了磁鐵所占用的空間和磁鐵增加的重量。

2.2 永磁吸附優化設計

在實際設計過程中，經過反復調試，最后選取8塊永磁鐵以兩兩一對并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在機器人底部設置4個孔槽，長11 mm，寬4.2 mm，深度25 mm，將8塊永磁鐵兩兩的裝入4個槽中，與鐵磁性墻壁存在一段約4 mm的間隙。永磁鐵的極性方向為垂直壁面，在磁鐵、墻壁和之間的氣隙中形成閉合的磁場，向機器人提供爬壁的磁吸附力。

2.3 磁吸附力的有限元分析

無論是設計以提供磁場為目的還是以產生指定的力學行為為目標的永磁結構，首先都要必須對由永磁體作為磁源的磁場進行計算。本文采用有限元方法，仿真計算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁機器人的速度低，可以近似的看作靜態磁場。

本文在簡化的物理模型、數學模型以及求解方法[7]基礎上，采用基于麥克斯韋方程組求解的Ansoft Maxwell 14.0軟件對磁吸附力進行仿真求解。

首先建立模型，對模型中的磁鐵、墻壁和空氣三種材料進行定義。由于Ansoft Maxwell 14.0軟件中自帶有N35型釹鐵硼永磁材料、鐵以及空氣，所以只需選擇相應的介質材料即可。然后進行相應邊界條件設置、網格劃分、參數選擇和求解設置等，最后求解運算，計算后的磁場分布如圖2所示。

通過計算分析，磁鐵和墻壁之間的吸附力為13.992N，當機器人質量為1kg時，橡膠履帶和鐵質墻壁間的摩擦系數為0.75，因此履帶和墻壁間的摩擦力10.494N大于機器人重量9.8N，所以機器人在爬墻過程中能夠牢牢的吸附在墻壁上，保證了機器人的正常工作。

3 爬壁機器人的控制系統

爬壁機器人由主動輪運動帶動前進、后退以及轉向。一對主動輪通過減速裝置各與一個直流電機相連，當兩個電機以相同的轉速向相同方向轉動時，機器人完成前進、后退。當左邊的電機轉動，右邊的電機停止時，機器人右轉；反之，左轉。

控制系統采用兩級控制結構，保證爬壁機器人的實用性和可靠性。上位機可根據實際作業需要安裝在易操縱位置，下位機安裝于機器人本體，控制系統包含了伺服電機驅動模塊、無線收發模塊、直流電源模塊和控制電路板等。而控制電路板以STC89C52單片機為核心，控制機器人的運動。

4 結束語

通過在船舶模擬艙室試驗，機器人可達到預期的要求，能夠完成從水平到豎直面的過渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同時能夠適應壁面一定程度的突起與凹陷，具有一定的越障能力。另外，通過調試，實現了上位機與動力控制模塊之間良好的通訊，機器人搭載無線模塊，可以通過配套設計的遙控裝置實現遠程操作，控制機器人前進、后退以及轉向。因此根據船舶作業任務要求，通過簡單改造并搭載檢測設備，便可實現此爬壁機器人代替船員完成相應作業任務。

參考文獻

[1]李勇，劉云鵬.進入船舶封閉空間的安全做法[J].航海技術，2014（1）：70-72.

[2]魯舜.在船舶檢驗中使用機器人[J].中國船檢，2004（6）：96-97.

[3]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機器人[J].機器人，2010，32（4）：560-567.

[4]高永寧，丁建龍.船體清洗裝置的國內外應用與現狀分析[J].新技術新工藝，2012（2）：28-30.

[5]蔡衛國，汪靜，董利峰，等.適于水下船體的爬壁機器人關鍵技術及其研究進展[J].機器人技術與應用，2010（6）.

[6]王峰.水下船體表面清刷機器人磁吸附驅動裝置的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2003.

[7]桂仲成，陳強，孫振國.爬壁機器人永磁吸附裝置的優化設計[J].電工技術學報，2006，21（11）：40-46.

作者簡介

王剛（1988-），男，碩士研究生，學生，研究領域：船舶機電一體化，船舶動力定位。endprint