攀爬除銹機器人的系統研究*

赫乾辰，施嘉勝，李小鵬，喬俊福

(太原工業學院，山西 太原 030008)

0 引言

我國是全球最大的修船國,目前船舶除銹工藝主要采用手工除銹、機械除銹,勞動強度大,除銹效率低,且工作環境惡劣,是典型的勞動密集型產業,存在著用工成本高、用工模式單一等問題。除銹過程中礦砂接觸鐵銹產生大量的粉末,粉末經過風力的作用進入空氣中,或沉積于船塢中,造成空氣和水體污染。目前大部分發達國家已經全面禁止采用手工噴砂除銹,因此研發攀爬除銹機器人具有重要的意義和價值。攀爬除銹機器人具有操作安全可靠、成本低、工作效率高、排放量少、綠色環保等優勢。從產業鏈來看,上游為原材料及設備供應商,涉及金屬、塑料、控制器、高壓泵、真空系統;中游為機器人生產商;下游為船舶修理企業。研發攀爬除銹機器人符合當下船舶行業機械化、自動化、環保發展理念,為此,本文設計了一種攀爬除銹機器人。

1 攀爬除銹機器人的結構設計

攀爬除銹機器人由四足機構、腳部機構、除銹機構、安全模塊、視覺模塊、運動控制模塊組成,在六大模塊的相互配合下可以更好地完成監測與除銹的任務。攀爬除銹機器人的整體結構如圖1所示。

圖1 攀爬除銹機器人的整體結構

2 機械結構的設計

2.1 機身尺寸

機器人機體的最大直徑為200 mm,總高為224 mm。四足的總長為350 mm,最寬處為56.7 mm。因為連接件部分尺寸重合,經測量機器人整體的最大直徑為900 mm。

2.2 四足機構設計

四足機構的設計參考了蜘蛛的肢體結構,通過對蜘蛛的肢體結構進行研究設計了這款攀爬除銹機器人。機器人的四足機構如圖2所示。

圖2 機器人的四足機構

機構整體的上、下底板分別采用厚5 mm、直徑分別為160 mm和200 mm的亞克力板。其中大腿部位由4 mm亞克力板連接,小腿部位由15 mm×15 mm×2 mm的方型鋁管連接,保證了機器人在行走過程中的穩定性[1]。每條腿安裝3個扭力為20 kg的舵機,共有12個自由度,這樣的設計使得機器人在跨越障礙時更加有力。

2.3 腳部機構設計

經測量,攀爬除銹機器人的總重為4.5 kg,為了使機器人穩定地吸附在墻面上,我們在每條腿上安裝了一個吸力為200 N的電磁鐵,4個電磁鐵可以為機器人提供800 N的吸力,可以使其很好地吸附在船舶表面。經計算,安全系數為17.7。電磁鐵與鋁管之間使用球頭直桿軸承連接,有利于電磁鐵與船舶表面更好地貼合,使機器人整體的靈活性提升[2]。

2.4 除銹模塊設計

腳部機構和四足機構的設計保證了機器人在作業面的靈活移動,但是在工作過程中還需要有高效的除銹模塊,本文設計的除銹模塊由動力裝置、執行裝置、緩沖裝置和吸附裝置構成,其結構如圖3所示。動力裝置為一個可360°旋轉的大扭矩單軸舵機,給執行裝置提供動力;執行裝置為貼有魔術貼(用于貼砂紙)的砂紙盤,此裝置用來完成除銹工作;緩沖裝置由金屬鋼圈、緩沖盤、彈簧組合而成,用于降低除銹模塊工作時產生的震動對機器人的影響[3]。

圖3 除銹模塊結構

機器人在船舶表面上爬行,走到有鐵銹的地方牢牢吸附,隨后身體緩慢下沉,當砂紙盤碰到鐵銹,隨后啟動舵機,帶動砂紙盤在鐵銹上不斷摩擦旋轉進行除銹工作。

2.5 安全模塊設計

在機器人工作過程中,為了避免由于電池斷電、供電故障、電磁鐵損壞、電控元件短路等原因造成電磁鐵不工作,導致機器人跌落從而引發安全事故,我們在機器人主體結構上加裝一根可自由伸縮的安全繩,如圖4所示。工作前,將安全繩的一端提前系在工作區域的上方,機器人正常工作時安全繩不參與工作,發生意外導致機器人跌落時安全繩快速介入,防止事故發生。安全模塊在不影響機器人工作的同時保護了機器人,也保護了工作人員。

圖4 安全繩

3 控制系統設計

3.1 運動控制模塊

控制系統采用ESP32單片機作為主控制器,安裝有IMU模塊、舵機控制模塊。通訊方面選擇了藍牙模塊。電源管理采用外部電源供電,保證了機器人的長續航。

3.2 視覺模塊

視覺模塊采用OpenMV4攝像頭和配套的WIFI擴展板[4]。通過設置熱點,從客戶端接受請求,初始化模塊,傳輸視頻。

4 樣機效果

制作的樣機如圖5所示,藍牙模塊發送指令控制其運動。經過測試攀爬除銹機器人可完成移動,監測模塊可以流暢地傳輸圖片。

圖5 制作的樣機

5 結束語

設計的攀爬除銹機器人以ESP32單片機作為控制核心,使用總線舵機作為機器人的動力來源,它具有12個自由度,可靈活地吸附在船舶上,視覺模塊采用OpenMV模塊及相關圖傳技術,方便快捷。攀爬除銹機器人主要適用于大型船只的船體除銹工作,具有高機動性、高靈活性、高安全性的特點[5]。