海洋導(dǎo)管架四輪磁吸附式水下清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)

岳春梅，劉書海，姜明明

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái)，海洋平臺(tái)導(dǎo)管架作為海洋石油開(kāi)采不可或缺的重要裝備之一，其安全性問(wèn)題逐漸被人們重視[1]。由于長(zhǎng)期固定在深水之中，導(dǎo)管架除了被海水侵蝕之外，還易成為各種海洋生物群落生長(zhǎng)、繁殖的棲居地。例如，藤壺、海藻、貝殼等生物長(zhǎng)期附著在導(dǎo)管架表面[2]。隨著生物的聚集與堆積，不僅會(huì)對(duì)導(dǎo)管架產(chǎn)生生物腐蝕，還會(huì)使導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化，改變其力學(xué)特性，進(jìn)而影響導(dǎo)管架的壽命，增加海洋平臺(tái)運(yùn)行的安全隱患。因此，及時(shí)對(duì)導(dǎo)管架上的生物和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清理顯得尤為重要。

目前，海洋平臺(tái)導(dǎo)管架表面附著物的清除方式主要是人工作業(yè)。近年來(lái)，從國(guó)外引入高壓水射流設(shè)備，由潛水員攜帶高壓水射流設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。由于高壓水射流沖擊力較大，出水壓力約為75～100 MPa[3]，對(duì)潛水員的自身安全造成一定的威脅。人工進(jìn)行水下作業(yè)的過(guò)程中，受海洋自然地理環(huán)境以及天氣環(huán)境影響較大，清洗過(guò)程多變因素較多，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。為提高水下清洗作業(yè)的工作效率，研發(fā)一套專業(yè)的清除設(shè)備，代替人工進(jìn)行水下作業(yè)十分必要[4]。

近年來(lái)，攀爬類機(jī)器人因具有操作便捷、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是水下鋼結(jié)構(gòu)清洗作業(yè)領(lǐng)域[5-6]。在水下清洗爬壁機(jī)器人研究方面，Souto等[7]提出了一種負(fù)壓吸附式形態(tài)適應(yīng)機(jī)器人Lappa，該機(jī)器人利用推進(jìn)器產(chǎn)生的負(fù)壓差將自身連接到船體上，清潔過(guò)程由旋轉(zhuǎn)刷子完成。由九州工業(yè)大學(xué)Nassiraei等[8]研發(fā)的四輪機(jī)器人具有更專業(yè)的清刷裝置，2個(gè)刷子反向旋轉(zhuǎn)，清洗作業(yè)的同時(shí)，還可以為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Ross等[9]設(shè)計(jì)了船體清潔機(jī)器人M2000，吸附方式為永磁體陣列吸附，清洗裝置為高壓水射流。在此基礎(chǔ)之上，大連海事大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種與M2000具有相似操作原理的船體清潔機(jī)器人[10]，不同之處在于其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是鏈輪。

導(dǎo)管架由不同尺寸的鋼管組成，并且具有其特殊的結(jié)構(gòu)。考慮到上述機(jī)器人不能適應(yīng)各種管道類型，清潔效率無(wú)法保證，因此，基于對(duì)攀爬機(jī)器人的實(shí)用情況與設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)水下導(dǎo)管架鋼管結(jié)構(gòu)清洗作業(yè)的磁吸附式攀爬機(jī)器人。為了確保機(jī)器人能夠攜帶清洗設(shè)備在導(dǎo)管架上平穩(wěn)、可靠地爬行，并完成清洗作業(yè)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。

1 清洗作業(yè)機(jī)器人方案研究

1.1 設(shè)計(jì)要求

該機(jī)器人在導(dǎo)管架表面作業(yè)時(shí)，要能完成清刷任務(wù)，同時(shí)還要保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性。表1列出了該機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求。

表1 機(jī)器人設(shè)計(jì)方案和技術(shù)要求

在滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，該機(jī)器人期望實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能。

1) 吸附功能。

海洋平臺(tái)導(dǎo)管架的壁面材料(機(jī)器人的吸附平面)一般是鋼性材料，導(dǎo)磁性能良好。由于導(dǎo)管架表面被海生物附著，其表面呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)，因此要求機(jī)器人具有可靠、安全的吸附方式，既能保證移動(dòng)的靈活性，也能保證工作過(guò)程穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生掉落的情況。

2) 攀爬行走功能。

導(dǎo)管架由立柱、水平支撐梁和斜撐梁等結(jié)構(gòu)組成，其中立柱直徑最大，斜撐梁直徑最小，水下結(jié)構(gòu)均易被海生物附著，清刷表面具有曲率變化大、障礙明顯等特征，因此要求機(jī)器人的行走方式有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且具有一定的越障能力。

3) 清刷功能。

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人最終目的是實(shí)現(xiàn)水下清刷功能，清刷目標(biāo)是導(dǎo)管架表面附著的海生物(藤壺、海澡、貝類等)。附著生物具有吸附能力強(qiáng)、種類繁多的特點(diǎn)，因此要求機(jī)器人的清刷機(jī)構(gòu)具有足夠的水下適應(yīng)能力與清刷動(dòng)力，同時(shí)還需在作業(yè)時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低對(duì)機(jī)器人移動(dòng)行走的干擾，確保其清刷工作的穩(wěn)定性。

1.2 機(jī)械整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的水下攀爬式清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及功能，本文在實(shí)現(xiàn)所有技術(shù)要求的前提下，結(jié)合水下清洗作業(yè)的工作環(huán)境，提出了磁吸附式海洋平臺(tái)導(dǎo)管架表面清刷機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

該機(jī)器人的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為7個(gè)部分：

1) 吸附裝置。機(jī)器人通過(guò)該裝置吸附在工作平面上，進(jìn)行清刷作業(yè)。

2) 機(jī)器人框架。承載機(jī)器人的各個(gè)控制元件。

3) 控制箱。控制機(jī)器人的位姿、行走等功能。

4) 電機(jī)箱。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置。

5) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。使機(jī)器人的各個(gè)構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。

6) 密封機(jī)構(gòu)。避免機(jī)器人受到海水的腐蝕。

7) 清刷機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)清除附著在導(dǎo)管架表面的生物和腐蝕產(chǎn)物的機(jī)構(gòu)。

機(jī)器人整機(jī)由水上部分和水下部分組成，2部分通過(guò)防水電纜進(jìn)行連接，水上部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人位姿、深度的控制，通過(guò)姿態(tài)傳感器、水壓計(jì)和編碼器等結(jié)構(gòu)控制機(jī)器人位置形態(tài)。本研究重點(diǎn)為機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制部分將是下一階段的研究工作。

2 吸附方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架多為圓形鋼管，且佇立于深海之中。水下清洗工作環(huán)境特殊，清洗機(jī)器人需要極其可靠的吸附方式。目前，國(guó)內(nèi)爬行機(jī)器人常用吸附方式有負(fù)壓(真空)吸附、推力吸附和磁吸附等。其中，最適合鋼管結(jié)構(gòu)的吸附方式為磁吸附。磁吸附方式根據(jù)吸附體的不同分為永磁體吸附和電磁體吸附2種形式，最適合水下環(huán)境的磁吸附方式為永磁吸附。結(jié)合水下作業(yè)環(huán)境以及鋼管結(jié)構(gòu)的特殊性，且四輪機(jī)制比二輪或三輪更具穩(wěn)定性，最終采取四輪磁輪吸附方式。

由于水下工作環(huán)境影響因素頗多，磁輪吸附提供的磁力易受外界因素干擾，不能保證絕對(duì)的穩(wěn)定，因此本研究采用組合式磁體吸附的方式。組合式磁體吸附裝置包含磁輪與磁體吸附單元2種結(jié)構(gòu)，裝置產(chǎn)生的吸附磁力由4個(gè)磁輪和2個(gè)磁體吸附單元提供。

2.1 吸附條件分析

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)組成包括立柱、水平支撐梁和斜撐梁等，各構(gòu)件的尺寸不同，其直徑為500～1 500 mm[11]，當(dāng)機(jī)器人在導(dǎo)管架上爬行和工作時(shí)，機(jī)器人受到洋流和海浪的影響，其受力方向不斷變化，穩(wěn)定性受到影響。這些因素會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)2種類型的故障形式：滑倒和跌落。為了避免這2種故障，磁體吸附組合必須提供足夠的吸附力。

為保證機(jī)器人水下爬行過(guò)程中能夠滿足極限工況要求，即，可以在直徑最小、傾斜程度最大的鋼管上穩(wěn)定爬行，特此選取直徑為?450 mm、水平傾角為90°的鋼管作為研究對(duì)象，取校正系數(shù)0.875，則被研究鋼管直徑確定為?393.75 mm。

對(duì)機(jī)器人在豎直鋼管壁面工作進(jìn)行靜力分析，將機(jī)器人及其攜帶裝置看作一個(gè)整體，質(zhì)心為幾何結(jié)構(gòu)中心，其受力分析如圖1所示。

圖1 機(jī)器人在豎直壁面上作業(yè)受力分析示意

其中，F(xiàn)為磁鐵產(chǎn)生的總的吸附力，f為輪子受到的摩擦力，N、G分別為機(jī)器人受到的壁面支撐力與重力，r為車輪半徑，L為前后兩輪的輪距。

機(jī)器人吸附失效有2種形式：①由于吸附裝置的吸附力小于其他外力，使機(jī)器人與接觸表面分離導(dǎo)致其跌落；②吸附力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不足以克服機(jī)器人其他外部轉(zhuǎn)矩而造成的滑倒現(xiàn)象。為避免機(jī)器人從壁面掉落，分別對(duì)這2種情形進(jìn)行分析。

1) 跌落分析。

由受力分析可知，機(jī)器人不跌落，首先要滿足式(1)：

f≥G

(1)

對(duì)機(jī)器人水平方向做受力分析，有：

F=N

(2)

設(shè)管道壁面的摩擦因數(shù)為μ，并取安全系數(shù)λ為1.5，則機(jī)器人不跌落的力學(xué)條件為：

(3)

其中，摩擦因數(shù)μ為0.25，設(shè)機(jī)器人裝置總質(zhì)量約為10 kg，取重力加速度為9.8 m/s2。則F≥588 N。

2) 滑倒分析。

對(duì)點(diǎn)A進(jìn)行力矩的計(jì)算，可得機(jī)器人不發(fā)生傾覆的條件是：

∑Ma≥Fa-Na-Gr

(4)

式中：Ma是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；a為車長(zhǎng)L2的一半。

將導(dǎo)管架截面劃分為10等分，用直線近似代替曲線的方法，取1/10的弦長(zhǎng)b為

(5)

取安全系數(shù)為1.2，令車身長(zhǎng)寬相等，則：

L1=L2=1.2b=1.2×231.6 mm=278 mm

(6)

2.2 磁輪設(shè)計(jì)

圖2為永磁輪的磁路模型[12]，充磁方向?yàn)檩S向，且方向相反。該模型的隔磁材料選用鋁，導(dǎo)磁材料選用牌號(hào)為Steel-1008的鋼材。磁鐵材料選擇釹鐵硼N35。資料顯示，N35永磁體在理想狀態(tài)下可提供4.61 N/cm3的磁力[13]。

磁輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。永磁體寬度、永磁體內(nèi)徑、導(dǎo)磁寬度是影響磁輪吸附磁力的主要因素。在其他參數(shù)不變的情況下，磁吸附力隨著永磁體寬度的增加而增加，但是在寬度達(dá)到22 mm以后增加不明顯，趨于穩(wěn)定；保證其他參數(shù)不變，改變永磁體內(nèi)徑，隨著永磁體內(nèi)徑的變小，磁吸附力逐漸變小，內(nèi)徑10 mm時(shí)相對(duì)穩(wěn)定；保證其他參數(shù)不變，導(dǎo)磁寬度增加，磁吸附力也隨之增加，導(dǎo)磁寬度在15 mm以后，磁吸附力變化趨于穩(wěn)定[12]。

1—永磁體；2—導(dǎo)磁；3—隔磁；4—軛鐵；5—壁面。

圖3 清洗機(jī)器人磁輪結(jié)構(gòu)示意

考慮到磁輪的寬度不宜太大，所以取永磁體寬度為15 mm。綜上分析，取磁輪的永磁體外徑40 mm，內(nèi)徑10 mm，寬度15 mm，導(dǎo)磁寬度15 mm，軛鐵厚度5 mm。

環(huán)形永磁體的體積為：

(7)

式中：D為永磁體外徑；d為永磁體內(nèi)徑；h為永磁體寬度。

主動(dòng)永磁輪可提供的吸附力：

F1=4×4.61k0V= 4×4.61×0.9×17.663=292.127 N

(8)

式中：k0為漏磁系數(shù)，k0=0.9。

2.3 磁體吸附單元設(shè)計(jì)

磁體吸附單元由2塊條形永磁體組成，分別安裝在底盤上2個(gè)前輪與2個(gè)后輪中間位置，如圖4所示。

圖4 磁體吸附單元示意

為了避免磁體陣列接觸管道表面，每塊磁體盡量保證厚度在20 mm以下，充磁方向與車輪軸向同向，且與兩側(cè)磁輪相近磁體充磁方向相同。當(dāng)車輪輪胎面的一部分脫離吸附表面導(dǎo)致粘附力減小時(shí)，磁體單元和表面之間的氣隙同時(shí)減小，磁力增加，由磁體單元產(chǎn)生的磁力自動(dòng)補(bǔ)償磁輪損失的吸附力。

理想狀態(tài)下，磁體吸附單元的磁吸附力為：

(9)

式中：F2為單個(gè)永磁體在理想狀態(tài)下產(chǎn)生的磁力；μ0為真空磁導(dǎo)率，取值μ0=4π×10-7T/(A·m)。B為導(dǎo)磁面的磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為導(dǎo)磁面面積。

根據(jù)車底底盤的設(shè)計(jì)，磁鐵規(guī)格選取為150 mm×50 mm×10 mm，故F2為326 N。考慮到洋流等外界因素對(duì)磁力的干擾，且多重因素對(duì)磁力的影響不可預(yù)估，因此選取安全系數(shù)1.5來(lái)增加裝置的可靠性，則：

F=F1+2F2=944.127 NF≥1.5×588 N=882 N

(10)

故滿足吸附條件。

3 機(jī)器人清刷裝置設(shè)計(jì)

3.1 刷子的設(shè)計(jì)與安裝

目前最常見(jiàn)的水下清洗裝置是高壓水射流裝置。由于高壓水射流裝置在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖力，降低機(jī)器人水下作業(yè)底盤吸附的穩(wěn)定性，考慮到以上因素，清洗設(shè)備采用隨車身移動(dòng)的刷子代替高壓水射流裝置。

如圖5所示，為了達(dá)到良好的清刷效果，刷子形狀設(shè)計(jì)為杯型，刷盤采用輕質(zhì)鋁合金材料，刷絲采用硬而有彈性的尼龍材料。

圖5 刷子示意

本文設(shè)計(jì)的清刷機(jī)器人的2個(gè)杯刷分別安裝在車體2個(gè)前輪前端，該機(jī)器人的行走區(qū)域就是其清掃區(qū)域。清刷時(shí)，左右刷子的旋向相反，二者的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相互平衡。采用這種設(shè)計(jì)，在一定程度上可避免機(jī)器人在工作過(guò)程中由于刷子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩而引起的同轉(zhuǎn)矩方向相同的自轉(zhuǎn)。2個(gè)刷子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了清掃面積，減少了清刷盲區(qū)的面積，同時(shí)2個(gè)刷子的設(shè)計(jì)起到了良好的支撐作用，保證了車體行走的穩(wěn)定性。

3.2 往復(fù)裝置的設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)管架外壁表面被海生物附著，清洗作業(yè)表面具有一定的曲率，且凹凸不平。因此設(shè)計(jì)一種往復(fù)機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人工作時(shí)刷子可以跟隨清洗機(jī)構(gòu)在清洗機(jī)器人的爬升面上作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，能夠保證機(jī)器人不會(huì)因?yàn)榍逅⑼蛊鸬暮Ｉ锒a(chǎn)生顛覆力矩，增加了機(jī)器人的穩(wěn)定性。往復(fù)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—端蓋；2—上套筒；3—上傳動(dòng)軸；4—法蘭盤；5—滑動(dòng)軸承；6—下傳動(dòng)軸；7—刷具；8—彈簧；9—軸承。圖6 清刷結(jié)構(gòu)三維視圖

刷盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，傳動(dòng)路線為：電機(jī)→齒輪變速箱→傳動(dòng)軸→刷盤。當(dāng)清洗機(jī)器人的磁輪移動(dòng)時(shí)，刷毛末端緊貼導(dǎo)管架表面，彈簧在一定的預(yù)緊壓力下被壓縮，處于中間位置。當(dāng)清洗面接近導(dǎo)管架壁面凸起部位時(shí)，刷盤帶動(dòng)傳動(dòng)軸向上運(yùn)動(dòng)，迫使彈簧在中心位置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步壓縮，清洗機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)。當(dāng)清洗面接近凹陷位置，偏離清洗機(jī)器人爬行平面時(shí)，彈簧釋放彈力，毛刷受到彈簧傳遞的壓力而被壓在清洗表面，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)構(gòu)的向下運(yùn)動(dòng)。如此清洗機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凹凸表面的清洗[14-15]。

4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置方案與參數(shù)計(jì)算

機(jī)器人最常用的驅(qū)動(dòng)方案有電機(jī)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)3種形式。導(dǎo)管架清洗機(jī)器人的工作環(huán)境為深海，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)需要水下供氣，無(wú)法保證供氣的穩(wěn)定性和持續(xù)性，而且氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式所能承載的載荷一般不大，不能滿足水下清洗作業(yè)的要求。液壓驅(qū)動(dòng)通常用在大型機(jī)械設(shè)備之中。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式可提供的行駛速度范圍較大，使用壽命較長(zhǎng)，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，更適合水下作業(yè)，因此采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。現(xiàn)通過(guò)計(jì)算可得到電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速為

(11)

式中：v為機(jī)器人獨(dú)立行走時(shí)的移動(dòng)速度；r為車輪半徑。

2) 電機(jī)功率。

(12)

式中：T為機(jī)器人正常行駛電機(jī)軸所需要的轉(zhuǎn)矩；i為電機(jī)傳動(dòng)比；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；η為電機(jī)傳動(dòng)效率。

3) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

第2節(jié)已分析并得到了機(jī)器人在靜止時(shí)的受力情況。要想讓機(jī)器人沿著管壁運(yùn)動(dòng)，則有：

Fq≥f+G=μF1+G= 0.25×292.127+10×9.8=171.031 N

(13)

式中：Fq為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是四輪驅(qū)動(dòng)，則每個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)至少為42.76 N，電機(jī)所需提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩至少應(yīng)為42.76×0.04=1.71 N·m。根據(jù)以上計(jì)算得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，初步選擇57BYG10042A4D8E型步進(jìn)電機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 57BYG10042A4D8E型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 清洗機(jī)器人密封設(shè)計(jì)

機(jī)器人作業(yè)工況為水下，且包含電機(jī)、控制箱等精密儀器，這些結(jié)構(gòu)易被海水侵蝕而失效。為了確保機(jī)器人能夠正常工作，需要對(duì)其做一定的密封處理。O形圈密封是最常見(jiàn)的密封方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛[16]，適用于水下密封。O形圈可以從根本上解決水下機(jī)器人在靜態(tài)下的密封問(wèn)題，但在機(jī)器人的正常操作中，僅靜態(tài)密封無(wú)法滿足機(jī)器人的需求。除了滿足靜態(tài)條件外，還要滿足水下機(jī)器人作業(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的條件。

查閱有關(guān)水下電動(dòng)工具的相關(guān)信息，最終采用O形圈-聚四氟乙烯滑環(huán)組合密封的形式。聚四氟乙烯滑環(huán)具有很好的潤(rùn)滑性，并且具有出色的耐磨性，非常適合與金屬表面直接滑動(dòng)接觸。O形圈的彈性非常理想，二者組合使得滑環(huán)既具有強(qiáng)密封性能，又具有自密封性能，且密封性能隨壓力增加而增加。

因此，對(duì)電機(jī)軸的輸出軸端采用O形圈-聚四氟乙烯滑環(huán)組合密封方式，對(duì)于電機(jī)整體和底盤上控制系統(tǒng)等設(shè)備部分采用密封箱進(jìn)行密封，軸端密封與密封箱結(jié)構(gòu)如圖7～8所示。

a 電機(jī)密封箱

b 齒輪減速器密封箱圖7 電機(jī)和齒輪減速器密封箱裝配圖

6 機(jī)器人虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)

1) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖9所示。

1—傳動(dòng)套；2、5—O型圈；3—?jiǎng)迎h(huán)(補(bǔ)償環(huán))；4—靜環(huán) ；6—端蓋；7—電機(jī)密封端蓋； 8—軸承；9—支撐環(huán)；10—止推環(huán)；11—彈簧。圖8 電機(jī)軸端密封結(jié)構(gòu)

圖9 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配圖

2) 清刷機(jī)構(gòu)。如圖10所示。

圖10 清刷機(jī)構(gòu)裝配圖

3) 虛擬樣機(jī)裝配圖。如圖11所示。

圖11 虛擬樣機(jī)裝配圖

7 結(jié)論

1) 本文闡述了海洋平臺(tái)導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)目前存在清洗方面的問(wèn)題，重點(diǎn)分析了海洋平臺(tái)導(dǎo)管架清洗技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與主要技術(shù)，綜合分析了國(guó)內(nèi)外攀爬機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

2) 針對(duì)海洋平臺(tái)導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)，提出了一種永磁驅(qū)動(dòng)的、帶有雙旋轉(zhuǎn)刷的四輪磁驅(qū)動(dòng)式爬行機(jī)器人裝置，并對(duì)機(jī)器人吸附裝置、清洗裝置、驅(qū)動(dòng)裝置與密封裝置進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，制作了機(jī)器人虛擬樣機(jī)圖，為接下來(lái)的研究工作提供了理論基礎(chǔ)。

3) 由于機(jī)器人本體設(shè)計(jì)仍然存在不足之處，接下來(lái)將會(huì)繼續(xù)完善該設(shè)計(jì)，并完成機(jī)器人水上控制部分的設(shè)計(jì)，制作原理樣機(jī)。

4) 本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人靈活性高，適用于導(dǎo)管架斜支撐梁和水平支撐梁(直徑較小的結(jié)構(gòu))清洗作業(yè)。未來(lái)研究之一是適當(dāng)放大機(jī)器人結(jié)構(gòu)，使之適用于大直徑導(dǎo)管架外壁面的清洗作業(yè)，提高機(jī)器人的適用性。