仿蜘蛛機器人在火電廠鋼結構除銹刷漆領域的研究及應用

焦世榮，呂映斌，李海濤，魏晉宏，李秋婷

（1.國能神福（石獅）發電有限公司，福建泉州 362700；2.山西三合盛智慧科技股份有限公司，山西太原 030032）

由于其他爬壁機器人在火電廠鋼結構建筑的除銹和防腐噴漆工作方面應用存在很大的差距，還無法充分地實現對鋼結構的除銹和防腐自動化。因此，文章基于爬壁機器人設計了一種能夠適用于火電廠鋼結構的仿蜘蛛機器人，并在機械結構方配備了噴砂槍與相應的設備，使得該機器人能夠很好地應用在除銹和噴漆領域當中，最后通過MATLAB 計算與仿真，驗證了仿蜘蛛機器人設計的可行性。這樣不僅能夠有效促進沿海電廠的防腐除銹效率，還對推動我國沿海電廠的可持續性發展具有重要意義[1]。

1 鋼結構仿蜘蛛爬壁機器人總體結構設計

1.1 關鍵技術分析

文章設計的機器人主要應用于結構相對復雜且狹窄的火電廠鋼結構建筑的除銹噴漆領域中，使其能夠解決鋼結構的自動除銹和噴漆作業。同時，還可以通過搭建相應的功能模塊實現人工攀爬和手工噴涂的作業形式。這樣不僅能夠有效保障作業人員的安全，還能進一步提升鋼結構的除銹效率和質量。因此，該機器人設計的關鍵技術主要分位，除銹技術、吸附技術、運動原理以及驅動和控制、電源等方面[2]。

1.2 吸附方式選擇

爬壁機器人的吸附方式，直接影響了機器人在爬壁作業過程中的穩定性和運動能力。因此，可以將其吸附劃分為4種：仿生吸附、混合吸附、電磁吸附以及真空負壓吸附。而混合方式主要是由真空負壓吸附和永磁吸附的方式共同組合而成的。不過，在考慮到濱海火電廠的地理位置以及電廠的鍋爐鋼結構等因素，在設計仿蜘蛛機器人的吸附方式時，選擇了電磁吸附方式。

2 總體結構設計

2.1 總體設計方案

結合鋼結構的爬壁機器人在除銹和噴漆領域中的作業要求，該設備的設計需要具備可環保的噴砂除銹作業和控制能力。并且機器人的設計，還需要其能夠有效滿足在狹窄且結構復雜的鋼結構建筑表面實現吸附和移動等功能。因此，針對仿蜘蛛機器人的結構設計可以將其分為環保噴砂除銹、吸附機構、機械結構以及移動機構等部分。

該機器人的控制系統設計，主要通過對調節吸附機構、移動機構以及噴砂除銹裝置等進行統一的控制，從而實現對電廠鋼結構建筑表面的除銹和噴漆工作。其系統職能：①基于PLC 控制系統，實現對仿蜘蛛機器人的實時狀態進行建設，然后對噴砂除銹機器人的多軸選擇、啟動、攀爬等相應的工作關聯進行控制，以此促進機器人的噴砂和除銹工作的精度和響應速度得到進一步的提升。②利用新型傳感技術，還可以實現對機器人的位置進行定位，并在遠程控制的作用下完成鋼結構建筑的表面除銹和噴漆作業。

2.2 仿蜘蛛機器人主體結構設計

除銹爬壁機器人作為當前階段最熱門的研究熱點之一，許多學者紛紛提出了不同類型的爬壁機器人。但該些類型的機器人在火電廠的鍋爐鋼結構攀爬過程當中，均無法充分地滿足實際作業的需求。而具備磁力的機器人雖然可以實現在鋼結構上吸附，但輪式的吸附力相對不足，且不具備高性能的越障能力，進而無法充分實現對鋼結構的除銹和噴漆作業。因此，文章提出了一種能夠充分滿足鋼結構攀爬的仿蜘蛛機器人構型，具體見圖1所示。

圖1 仿蜘蛛機器人

該類型機器人的設計是基于蜘蛛生理特征，結合吊索、支腿以及身軀等方面，共同開發的一種鋼結構攀爬機器人。同時，該機器人具備較高的負重能力，其吊索還為機器人的攀爬工作提供了充足的動力。而多足結構，使得機器人在除銹工作中，本體離開壁面，這樣既可以保證機器人擁有足夠的附著力，還擁有很強的障礙通過能力。并且該機器人只需要通過改變其牽引方向，就能夠實現垂直爬行。

2.3 組成模塊分析

受環境因素的影響，針對機器人的本體結構設計，通過利用模塊化，實現了仿蜘蛛機器人的懸吊模塊、軀體模塊以及支腿模塊、功能模塊設計和輔助模塊等方面的。

2.3.1 懸吊模塊

該模塊的設計可以分為外置和內置兩個部分，外置部分通過吊索的一端在機器人本體上固定，將絞車外置在地面或者相應的結構上，通過滑輪實現了機器人移動。而內置部分，主要是將吊索和絞輪裝配在機器人的本體上，使得另一端懸掛在鋼結構上，具體見圖2所示。

圖2 機器人懸掛模塊設計

2.3.2 功能和輔助模塊

功能模塊的設計主要包括檢測、除銹和噴漆等3個部分。而輔助模塊，主要是通過機器人的左側臂、右側臂以及彎臂，實現將機器人固定在鋼結構上。

2.4 仿蜘蛛機器人的機械結構

由于仿蜘蛛型機器人是模塊化的機器人，因此在機器人設計過程中，將其劃分成前后本體、伸縮機構、支腿及滾輪以及電動擺桿等部分。

2.4.1 前本體

該部分設計主要作用于對傳感器、吊繩收放機構以及前支腿和伸縮機構、除銹噴漆等相應的作業模塊的安裝。

2.4.2 后本體

該部分設計主要應用于對后支腿、除銹噴漆等作業模塊的安裝，并通過利用伸縮機構與前本體實現相對移動。

2.4.3 伸縮機構

該方面的設計，主要位于前本體和后本體兩者之間。利用步進電機、滾珠絲杠以及導軌部件等共同組成。步進電機及絲杠安裝于前本體上，絲杠螺母與后本體通過螺釘緊固。步進電機驅動絲杠轉動，絲杠旋轉帶動螺母做直線運動，從而實現后本體靠近或遠離前本體，實現機器人縮短或伸長。

2.4.4 支腿及滾輪

前后本體各有兩只左右對稱的支腿，各支腿連接兩個滾輪。直流電機通過齒輪傳動同時驅動左右支腿，通過電機正反轉實現支腿的抬升或下落以越過障礙。齒輪傳動放大力矩，通過支腿將滾輪壓在工字鋼側面，從而為機器人移動、越過障礙提供支撐。滾輪與支腿通過軸承相連，“工”字型滾輪可以卡在工字鋼側面，為機器人在垂直工作面提供支撐，滾輪在機器人和工字鋼之間提供滾動摩擦。

2.4.5 電動擺桿

固定在后本體頂面，通過直流調速電機帶動擺桿轉動，通過調節電機轉速及擺桿角度可以模擬不同負載工作情況。

2.5 驅動與控制

2.5.1 吊繩收放機構

帶抱閘閉環步進電機，驅動器電源DC24 V。閉環步進電機可以精確控制收放輥的角度，控制吊繩升降長度，從而可以實現機器人精確定位。同時步進電機驅動器體積小巧，甚至可與電機集成。

2.5.2 支腿

無刷直流電機，驅動器電源DC24 V。無刷直流電機采用電子部件代替傳統電刷換相器，保留了直流電機的優良調速特性，低速力矩大、調速范圍寬，電機體積小、效率高，同時克服了直流電機電刷容易打火、壽命短、維護復雜等缺點。與異步電機調速系統比，無刷直流電機具有體積小、效率高、過載能力強、系統簡單、低速恒力矩等特點。

2.5.3 伸縮機構

步進電機，驅動器電源DC24 V。步進電機可以精確控制絲杠轉動角度，通過絲杠旋轉帶動后本體做直線運動。步進電機體積小可與絲杠集成為直線絲桿電機，步進電機驅動器體積小巧，甚至可與電機集成，從而可以實現伸縮機構小型化。

2.5.4 電動擺桿

直流調速電機DC24 V。電動擺桿僅需要以不同的速度進行旋轉，故選用調速性能好、使用及維修簡單、過載能力較強，受電磁干擾影響小的直流電機。

2.6 信號傳輸

從信號傳輸方面的實際，主要利用Zigbee 技術通過2.4GHz 無線通信，實現了仿蜘蛛機器人與地面控制中心兩者之間的通信。通過物聯網通信，能夠實現利用移動端對機器人進行控制。

3 仿蜘蛛機器人的力學特性分析

仿蜘蛛機器人的運動是步行框架式移動，因此在移動過程中，機器人的各項結構設計的質量重心，就會隨著運動的位置發生變化。而機器人自身的吸附力、負載以及摩擦力三者之間存在一個相對復雜的關系。所以結合實際情況對仿蜘蛛機器人的運動建立了相應的位姿模型，然后結合模型對該機器人的靜力學展開了相應分析。從而得出仿蜘蛛仿蜘蛛機器人在不發生向下滑移的失穩的基礎上，對其最小吸附力進行了計算。當機器人爬行壁面與豎直鋼結構方向呈現出等于72°的夾角時，機器人的吸附單元所需要的抗向下滑移最小吸附力最大，其值為480 N。在對機器人的縱向傾覆的臨界情況進行考慮，如果兩者之間的夾角等于71.5°時，該機器人的最小吸附力最大為290 N。所以，為了能夠有效比較避免機器人在除銹噴漆工作中不會發生問題，需要結合實際作業情況對機器人的單元吸附力進行合理科學的配置。

4 仿蜘蛛機器人的性能仿真實現

為了能夠保證仿蜘蛛機器人在火電廠鋼結構除銹刷漆領域中的有效應用，文章對該機器人的可行性和適用性等進行了驗證。并結合現場情況制定制定了相應的試驗，如豎直鋼結構表面的除銹試驗等。

4.1 鋼結構表面機器人除銹試驗分析

4.1.1 除銹工作情況分析

文章所研發的鋼結構仿蜘蛛機器人，通過攀爬和吊索的方式實現了對豎直鋼結構表面的除銹和噴漆作業。作業過程當中，并沒有出現機器人意外故障以及墜落等問題。同時，除銹時也沒有產生污染環境的污染。由此可以證明環保可回收式的除銹噴砂功能的實現。最后借助遠程控制系統，對仿蜘蛛機器人的上下左右移動等方面的功能實現進行了驗證。從運動過程當中發現，該機器人的靜態噴砂效率可以達到650 cm2/min。

4.1.2 除銹效果分析

由于鋼結構的表面受外界氣候和自然因素等方面的影響，會存在相對嚴重腐蝕的現象，如表面粗糙，漆面鼓泡以及脫落等現象。因此，通過除銹之后，鋼結構表層的腐蝕物均被清理干凈，且除銹達到了Sa3.0的標準。

4.2 實驗結構分析

通過試驗驗證，文章設計的仿蜘蛛機器人在火電廠的鍋爐鋼結構除銹和噴漆工作中，其性能不僅滿足了沿海發電廠的鋼結構實際除銹工作需要，還沒有任何環境污染物的出現，具體性能分析見表1所示。

表1 鋼結構仿蜘蛛機器人的性能分析

5 結束語

結合火電廠的鋼結構需求，設計的仿蜘蛛機器人利用了電磁吸附方式，實現了對火電廠復雜的鋼結構除銹和噴漆工作。并通過對機器人的動力學模型建立，為電磁吸附單元的應用提供了相應的依據，最后利用MATLAB 仿真驗證了該機器人設計的可行性和在工作過程中爬壁的安全性。并未仿蜘蛛機器人的設計提供相應的參考。