船舶爬壁機器人吸附技術(shù)及其應(yīng)用研究探討

韓力春，閆曉玲，汪 洋

(海軍工程大學(xué) 電氣學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

船用爬壁機器人是應(yīng)用于船舶清洗等領(lǐng)域的一種智能機器人，集驅(qū)動機構(gòu)、移動機構(gòu)和吸附機構(gòu)為一體。船用爬壁機器人與陸地機器人的不同之處在于其具有吸附功能，這也造就了其是移動機構(gòu)與吸附機構(gòu)強耦合[1-3]的機器體。其中，吸附技術(shù)作為爬壁機器人的關(guān)鍵技術(shù)，近幾年得到了快速發(fā)展并應(yīng)用于各種爬壁機器人之上[4,5]。

目前，吸附技術(shù)主要有負壓吸附、真空吸附、螺旋槳吸附、永磁吸附、膠吸附、柔性電子附著、仿蝸牛的濕吸附、仿壁虎足的干吸附、類攀巖抓持和類蜘蛛的絨毛吸附等[6]，并將后4種吸附方式統(tǒng)稱為仿生吸附。仿生吸附技術(shù)和膠吸附技術(shù)吸附力很小，無法用于船舶作業(yè)領(lǐng)域，但隨著新型高分子材料的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，這類吸附技術(shù)具有很大的發(fā)展前景。

目前應(yīng)用于工程船舶爬壁機器人身上的吸附技術(shù)主要有負壓吸附技術(shù)、螺旋槳吸附和永磁吸附技術(shù)，這類吸附技術(shù)可產(chǎn)生較大的吸附力，能夠支撐起機器人的清洗、除銹等需要強吸附力的作業(yè)任務(wù)。但存在著吸附機構(gòu)與移動機構(gòu)強耦合、吸附力難以調(diào)節(jié)、越障能力弱等問題，為此本文主要對這幾種吸附技術(shù)及其應(yīng)用進行探討。

1 負壓吸附技術(shù)及其應(yīng)用

負壓吸附的工作原理[7]是通過真空泵、噴氣管、文丘里管等設(shè)備產(chǎn)生負壓，以此使爬壁機器人吸附于物體表面。典型負壓系統(tǒng)爆炸圖[8]如圖1所示，高速電機、葉輪連接件和離心葉輪構(gòu)成離心風(fēng)扇，通過高速旋轉(zhuǎn)將密封裝置中的氣體抽出，使密封吸附腔中的氣壓小于大氣壓；在壓力差的作用下，周圍空氣從密封裙進入，輸送給本體腔，根據(jù)節(jié)流原理[9]，本體腔內(nèi)的氣流靜壓下降，然后再次通過離心風(fēng)扇使低壓氣流動能增加，最終，動能伴隨此氣流被甩出本體腔外。

圖1 典型負壓吸附系統(tǒng)爆炸圖

日本大阪府立大學(xué)的西亮[10]研制出了世界上第一臺負壓吸附爬壁機器人，広瀬茂等[11]研制出了步足式負壓吸附機器人。初代負壓技術(shù)雖存在密封性差、負壓不足等問題，但開啟了學(xué)術(shù)界對負壓技術(shù)[12,13]的深度探索。

針對吸附力弱的問題，美國NASA-JPL采用永磁與負壓混合吸附方案，研制出圖2所示的M200機器人[14]，但越障能力沒有明顯提升。

圖2 M200機器人

哈工大研制出了圖3所示的離心風(fēng)扇式負壓機器人[15]，其采用離心風(fēng)扇作為負壓裝置，提高了機器人對船舶壁面的適應(yīng)能力。但也帶來了摩擦力變大的問題，進而阻礙了機器人運動，并加劇了密封圈機構(gòu)損耗。

圖3 離心風(fēng)扇式負壓機器人

2 螺旋槳吸附技術(shù)及其應(yīng)用

螺旋槳吸附[16,17]又名旋翼吸附、推力吸附、正壓吸附。一方面，兩個風(fēng)機中的螺旋槳將前方的空氣抽向機器人后方，根據(jù)牛頓第三定律，后方的空氣會產(chǎn)生反作用力，即推力；另一方面，螺旋槳中每一個葉片的前、后兩面的曲率不同，根據(jù)伯努利原理，空氣流過時會導(dǎo)致葉片的前葉面壓力小于后葉面，產(chǎn)生向前拉動螺旋槳的壓力差，同時機器人腔體的壓力大于前葉面的壓力。上述兩方面的合力使機器人吸附于壁面，典型的正壓吸附爬壁機器人如圖4所示，此機器人名為ROPE RIDE，由韓國首爾大學(xué)研制[18]，在載荷為20 kg時移動速度達到0.25 m/s[19]，但正壓吸附技術(shù)存在通病，即強大轉(zhuǎn)速的風(fēng)機會帶來噪聲污染。

圖4 ROPE RIDE正壓吸附機器人

3 永磁吸附技術(shù)及其應(yīng)用

永磁吸附技術(shù)較晚于負壓吸附技術(shù)，但是負載能力強，可分為履帶式和輪式兩大類[20]，其具體吸附類別和特征又可分為如下4種：

(1) 履帶和永磁塊組合。永磁塊安裝于機身底部用于吸附，履帶用于行走，如圖5(a)所示。

(2) 履帶和永磁體組合。永磁體等間距安裝于履帶之上，伴隨履帶同速轉(zhuǎn)動，履帶與永磁體合為一體，兼具行走和吸附功能，如圖5(b)所示。

(3) 車輪和永磁塊組合。個體較大的永磁塊安裝于機身底部用于吸附，車輪用于行走和轉(zhuǎn)向,如圖5(c)所示。

(4) 永磁輪。車輪本身由永磁鐵制作而具有吸附力，但永磁輪與壁面的接觸面小，吸附力不足，往往在機身底部配有永磁塊,如圖5(d)所示。

3.1 履帶式機器人

針對圖5(a)的吸附方式，美國 Flow公司研制了如圖6(a)所示的Hydro-Cat機器人[21]，其可工作在255 MPa壓力下，除銹效率可達80 m2/h，負載能力強，但越障能力差。法國南特中央科學(xué)實驗室的Olivier Kermorgant針對船舶焊接作業(yè)，通過加入直線焊接控制算法設(shè)計了如圖6(b)所示的自主焊接爬壁機器人[22]，其采用圖5(b)的吸附方式，但負載有限。

圖5 4類永磁吸附原理

圖6 履帶式爬壁機器人

3.2 輪式機器人

輪式機器人相對于履帶式機器人其越障能力較差，但靈活性高。針對圖5(c)的吸附方式，國外VertiDrive公司[23]研制了M系列爬壁機器人，均采用輪式移動，以皮帶作為傳動裝置，最新的M8機器人如圖7(a)所示，可在極端天氣下以及船舶運行過程中進行清潔工作。針對圖5(d)所示的吸附方式，國內(nèi)的洛陽圣瑞公司研制了圖7(b)所示機器人，其用永磁鐵制作而成的車輪(永磁輪)來提高越障能力，最大移動速度達0.25 m/s，可承受150 kg負載，能夠在280 MPa的水壓沖擊力下進行除銹作業(yè)，最優(yōu)除銹效率達到30 m2/h，適用于大型船舶維護工作。

圖7 輪式爬壁機器人

4 吸附力可調(diào)技術(shù)及其應(yīng)用

上述介紹的爬壁機器人均為吸附力不可調(diào)型，若想吸附力可調(diào)，有兩種方案可選：一是采用永磁吸附并通過改變間距的方案來達到吸附力可調(diào)的目的；二是采用電磁吸附，通過調(diào)節(jié)電流大小來改變電磁鐵所產(chǎn)生的吸附力大小。

4.1 永磁間距調(diào)節(jié)技術(shù)

永磁間距調(diào)節(jié)技術(shù)屬于機械調(diào)節(jié)，典型的磁力調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖8所示。將Halbach永磁陣列安裝于車身底部，與滾珠絲桿裝置相連接，通過其伸縮拉動永磁陣列，從而調(diào)節(jié)永磁鐵與船舶壁面之間的間距實現(xiàn)吸附力可調(diào)。

圖8 磁力調(diào)節(jié)機構(gòu)

基于上述吸附力調(diào)節(jié)原理，江蘇科技大學(xué)的陳錦[24]研制了圖9所示的機器人，在其兩側(cè)鏈條履帶上鑲嵌一周永磁鐵，實現(xiàn)永磁吸附。將Halbach永磁陣列安裝于車身底部并對其進行排布設(shè)計，實現(xiàn)吸附力的機械調(diào)節(jié)并得到最優(yōu)吸附力。

圖9 永磁可調(diào)間距式機器人

4.2 電磁調(diào)節(jié)技術(shù)

電磁調(diào)節(jié)技術(shù)的主要依據(jù)是電磁力與電流的關(guān)系，通過改變電流大小即可調(diào)節(jié)吸附力大小。

電磁力與電流的關(guān)系如下：

FE=(IN)22μ0SR2m.

(1)

其中：FE為電磁力；N為線圈匝數(shù)；I為流經(jīng)電磁鐵電流；μ0為真空的磁導(dǎo)率；Rm為電磁鐵磁阻；S為磁極面積。

南京林業(yè)大學(xué)的洪曉瑋和陳勇[25]研制出了圖10所示的電磁吸附爬壁機器人，通過與壁面接觸的電磁鐵產(chǎn)生吸附力吸附于壁面之上。

圖10 電磁吸附爬壁機器人

5 吸附技術(shù)評估

針對船舶領(lǐng)域，評估各種吸附技術(shù)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)主要有吸附性能、越障能力、移動機構(gòu)與吸附機構(gòu)的耦合程度。吸附性能決定機器人載荷能力，越障能力可以反映其對壁面的適應(yīng)程度，耦合程度可以決定其能耗大小。應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的吸附技術(shù)主要性能指標(biāo)評估如表1所示。

從表1中可以看出：永磁吸附技術(shù)的吸附性能最強，但這也導(dǎo)致了其移動阻力大，進而使得耦合程度升高，增加了能耗；負壓吸附性較強，能夠產(chǎn)生足夠的吸附力使機器人吸附于傾斜的船舶壁面，但是受船舶壁面平整度的影響，其越障能力最弱，不適合存在明顯凹凸不平壁面的船舶；螺旋槳吸附技術(shù)對船舶壁面的要求不高，具有一定的越障能力，但是存在明顯的不足，即噪聲污染；吸附力可調(diào)技術(shù)包括了電磁調(diào)節(jié)和永磁間距調(diào)節(jié)兩方面，其性能較為優(yōu)越，能夠通過改變吸附力的大小使機器人適應(yīng)不同的壁面和作業(yè)強度要求，但是電磁鐵長時間通電存在發(fā)熱現(xiàn)象，這需要在未來材料和吸附技術(shù)的發(fā)展過程中進行改進，而且調(diào)節(jié)永磁鐵與壁面的間距時難以保證間距恒定，根據(jù)磁力特性可知，間距減小會導(dǎo)致磁力迅速下降，即吸附力迅速下降，難以保證安全性。

表1 吸附技術(shù)指標(biāo)評估

此外，仿生吸附和靜電吸附在近幾年被應(yīng)用于爬壁機器人，其越障能力和耦合程度基本符合爬壁機器人技術(shù)要求，能耗小，但相對于表1中所述的吸附技術(shù)其吸附性能非常弱，還難以完成作業(yè)任務(wù)。

6 結(jié)論

應(yīng)用于船舶爬壁機器人之上的吸附技術(shù)在吸附能力、越障能力等方面正在逐步提高，但依然存在著耦合程度較高、壁面適應(yīng)性程度低和吸附力調(diào)節(jié)技術(shù)不完善等瓶頸問題，在實際工程上的應(yīng)用距離普適性還有一段距離。

在未來，船舶爬壁機器人吸附技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該為吸附性能高、越障能力強、低耗能。隨著新型高分子材料的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，以及各研究機構(gòu)的深入研究，吸附技術(shù)必能有新的突破，各類吸附技術(shù)相融合，打破現(xiàn)有瓶頸，使低耦合、強吸附力、低能耗等有機地融為一體。隨著材料科學(xué)、傳感器技術(shù)以及新能源技術(shù)的發(fā)展，未來的吸附技術(shù)將會使爬壁機器人不受壁面的約束并具有智能調(diào)節(jié)能力。