鋼制表面除銹爬壁機器人系統設計

梁金丹，李昊鳴，陳真，關杰，張夢

（1.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 200092；2.南通中遠克萊芬船舶工程有限公司，江蘇 南通 226006；3.大連海洋大學 航海與船舶工程學院，遼寧 大連 110623）

0 引言

隨著國家工業4.0智能制造的發展，《中國制造2025》的國家戰略的提出，工業機器人正在逐漸推廣，各產業積極利用計算機技術和自動化技術提升產能，擴大建造規模，研發高新技術[1]。鋼制表面除銹爬壁機器人作為工業機器人中的重要組成部分，在大型石油儲罐、船舶、飛機、鐵路、道橋、鋼塔、風電、核工業等領域越來越受到重視。該類除銹爬壁機器人具備吸附和移動兩個基本功能，一般具有永磁體和電磁鐵兩種磁吸附壁方式，再通過高壓水射流等方式對鋼制表面進行除銹作業。近年來歐美在爬壁機器人方面發展迅速。其中Hernando等[2]設計了一種新型自動爬壁機器人，Nguyen等[3]針對爬壁機器人造成的應力破壞進行分析研究。中國在國家戰略提出后，相關產業、研究的扶持力度明顯加大。霍建玲等[4]針對石化儲罐壁面銹斑的清洗進行研究，孫玲等[5]設計了一種能夠在船舶壁面上運動的除銹爬壁機器人，并進行了轉向運動學分析，楊蔚華等[6]設計了一種輸電拉線的除銹機器人。雖然已有較多關于除銹爬壁機器人的研究，但針對除銹爬壁機器人吸附原理的研究仍然較少，這也導致了目前該類項目的投產過低，實際應用程度不高，為此本文設計了針對鋼制表面的除銹爬壁機器人，重點對其磁吸附原理、吸附方式進行有限元分析，并且進行了整體規劃與設計，最后對機器人樣機進行模型繪制，并制作出實物樣機。

1 作業系統原理及總體初步方案

1.1 磁吸除銹爬壁機器人關鍵機構組合

典型鋼制表面的除銹爬壁機器人主要由爬壁機器人本體、電氣控制移動單元、控制電纜、防墜安全繩、防墜卷揚機、防墜卷揚筒等組成，將搭載檢測、探傷、噴涂、除銹、視覺等設備在鋼制表面進行作業，其基本原理圖如圖1所示。

圖1 除銹爬壁機器人作業系統原理圖

1.2 總體初步方案

除銹作業為除銹爬壁機器人的主要功能，根據該功能特點，除銹爬壁機器人總體方案設計必須遵循小型輕量化、驅動爬行能力強、附壁吸附能力強的原則。首先要對吸附機構、行走機構、驅動機構等關鍵機構進行匹配組合。鋼質表面的除銹爬壁機器人主要采用磁吸附，在磁吸附機構方面，主要有電磁吸附和永磁吸附。電磁吸附需要額外供磁并增加電纜，并且電磁線圈體積大、質量大，對機器人吸附產生較大的重力影響，且維修和控制復雜。永磁吸附可緩解因機器人本體自重而產生的負面影響，提高爬壁機器人的負載能力，因此一般采用永磁吸附。行走機構主要分為履帶式、輪式、多足式等，驅動機構主要分為電動機、液壓、氣馬達等。一般進行鋼制表面除銹作業的爬壁機器人，由于鋼制表面大、曲率小、作業范圍廣，更適合采用簡單穩定的履帶行走機構和電動機驅動的組合匹配[7-9]。

2 永磁吸附機構設計

永磁體材料的選擇一般基于以下原則：盡可能選擇磁能積較大的永磁體，這意味著單位體積的磁塊可以產生更大的磁力；永磁體材料必須穩定，并能抵抗溫度帶來的變化，其組織退化和自身退化也相對友好；其硬度必須滿足不易折斷的要求，性價比應盡可能高[10]。

可供選擇的永磁材料比較豐富，如釹鐵硼磁鐵、鐵氧體永磁、釤鈷磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、鐵鉻鈷磁鐵。其中，釹鐵硼稀土永磁材料的磁能積最大可達404.8 kJ/m3，退磁曲線通常為直線，其曲線斜率與回復磁導率接近，因此其與回復曲線重合，去掉干擾磁場后工作點的磁能積不發生變化。根據文獻[11]所述，其典型磁路間隙變化曲線如圖2所示。

圖2 具有變化間隙的磁路工作圖

2.1 材料選型

除銹爬壁機器人的吸附裝置由永磁體、磁軛和隔磁鋁塊三部分組成，文獻[12]指出在考慮永磁體選型時，應考慮工作溫度、穩定性和磁能積等因素，因此選擇汝鐵硼磁鐵Nd2Fe14B作為永磁材料，空氣的相對磁導率取1。磁軛采用理想純鐵作為選型材料，其B-H曲線如圖3所示。

為了避免磁石與鋼質表面的摩擦接觸，更有效地防護磁石，并保持機器人的運動穩定，橡皮密封圈能夠提高吸收機構與側壁間的摩擦力，可補償因內部氣隙增加而引起的磁力吸收塊與側壁間磁力下降的問題，因此需要用氯丁橡膠對磁路機構進行密封。

2.2 靜態磁場模型與有限元分析

由麥克斯韋應力張量法[13]可得出電磁場的應力定義公式（1），由于本設計不涉及電場，因此可去除電場量，則電磁場應力張量為式（2）。在邊界設定為磁絕緣條件下，需滿足式（3）。此時將式（2）代入式（1）可得此時載荷體曲面邊界所受到的電磁應力公式（4）[14]。

式中：F為電磁場的應力，T為電磁應力張量，n為邊界法向量上的單位矢量，B為永磁體的磁通密度，Br為永磁體的剩余磁通密度，μ0為真空磁導率，μr為永磁體的相對磁導率，φm為磁標勢，S為包圍吸附單元與空氣介質的閉合面。

設計靜態磁場模型，包括1塊800 mm× 600 mm的鋼板（厚度為10～50 mm），2塊磁鐵橫截面為50 mm×50 mm的正方形，長度為100 mm，2塊磁鐵之間的間距為20 mm，磁軛尺寸為120 mm×100 mm×30 mm，外部空氣層在各個方向上厚度為500 mm，磁鐵和鋼板之間的間隙為0.5～30 mm。幾何模型正視圖及在各個方向上各加厚0.5 cm的空氣層側視圖如圖4所示。

圖4 幾何模型圖

經過計算及有限元仿真的分析，鋼板受力結果如圖5所示，其受力隨磁鐵和鋼板之間的間隙數值的變化曲線如圖6所示。

圖5 鋼板受力結果

圖6 鋼板受力隨間隙的變化曲線

由圖6可見，鋼板受力隨磁鐵和鋼板之間的間隙的增大而減小，減小率v約為15.36×104N/m，間隙越小，鋼板受力越大，則磁鐵吸附能力越強。

3 行走傳動機構設計

由于鏈條具備了無彈性滑動和打滑的優勢，能夠保證正確的傳動比，因此傳動效能較高，而且作用在軸承上的徑向壓力很小、內部結構也比較緊密，所以傳動系統使用鏈條。設計中選擇了短節點間隙傳動，用精密滾子鏈中的兩端帶翅板的滾動鏈，以便于在翅子板上安放磁塊構成的吸附機構。

查詢《機械設計手冊》，鏈傳動的主要參數有：鏈輪齒數z1、z2，傳動比i，鏈條節距p，中心距a，鏈長節數Lp，以及鏈輪主要尺寸等。

1）鏈輪齒數z1、z2和傳動比i的選擇。由于爬壁機器人的速度應該不是通過減速來降低的，所以主副輪的齒數是一樣的。鏈輪齒數太少，則鏈輪運轉不均，動載荷增大，鏈條和鏈輪運動加快。考慮到磁塊固定吸附的干擾問題，鏈條上的齒數不能太少。

2）鏈條節距p的選擇。鏈條節距p與箱體的穩定性和承載能力相關，p越高，箱體承載能力越高。如果需要穩定的移動緊湊設計和較長的鏈條使用壽命，嘗試使用節距較小的鏈條。

3）鏈傳動中心距a和鏈長節數Lp的選擇。根據國際標準ISO 606:1994《短節距傳動用精密滾子鏈和鏈輪》，中心距a計算公式為式（5），鏈長節數Lp計算公式為式（6），分度圓直徑計算公式為式（7），齒頂圓直徑計算公式為式（8），齒根圓直徑計算公式為式（9）[15]。

式中：a為鏈傳動中心距，p為鏈條節距，Lp為鏈長節數，z1、z2為鏈輪齒數，i為傳動比，d為分度圓直徑，da為齒頂圓直徑，dr為剩余直徑，df為齒根圓直徑。

4）鏈條的松緊程度。鏈條包在鏈輪上要保證有合適的松緊程度，松邊垂度f=（0.01～0.02）a。如果鏈條太松，會影響齒輪和鏈條的振動，造成爬壁機器人履帶本身與鋼面接觸不良。

4 驅動機構及控制方案

除銹爬壁機器人通常采用的驅動方式包括：液壓驅動和氣壓驅動、電動機驅動與機械驅動相結合。由于電動機具有體積小、質量輕、轉矩高、反應迅速的優點，所以鋼制表面爬壁機器人的驅動方式選用電動機驅動，可供選擇的電動機類型有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。因為鋼制墻壁的移動需要精確定位和其他因素，所以爬墻機器人除銹器的整體表面需要有一個快速反應的推進系統。因此選擇驅動系統為交流伺服電動機，交流伺服最穩定，基本可以滿足需求。

每個服務器都有一個對應的單元，沒有伺服驅動器，伺服電動機就會無法旋轉。本文在探討的案例中，選用性能好、可靠性高的日本安川的Σ-Ⅱ系列交流伺服系統中的SGMAH-02AAA21型伺服電動機，相對應的伺服驅動器型號為SGDM-02AD，可控制速度和轉矩，具有過載、過壓、CPU故障、編碼器故障等保護功能。

同時，高轉矩低速電動機必須減速才能產生高轉矩。使用行星齒輪箱的優點是質量輕、體積小、傳動比大、轉矩大、間隙小、效率高、容量大、噪聲低、安裝方便、平穩性持久，可搭配德國NEUGART公司精密行星履帶PLE80-200。

鋼制表面作業的除銹爬壁機器人，一般可以采用遠程人工遙控的半自動化控制、上下位機二級分布式控制方式。其中，下位機主要感應左、右伺服運動控制，與上位機通信，負責控制機器人。上位機是對下位機遙控器進行識別，并控制機器人的轉速和朝向。除銹爬壁機器人通過左、右驅動電動機及2個伺服系統來實現行走與轉彎，在伺服電動機的正轉轉速與方向盤轉速相等的情況下，機器人會沿著平臺直線移動。當電動機正轉時機器人就前進，電動機反轉時機器人會后退。在舵機正轉運行的時候，機器人會回到平臺上。機器人控制系統總體結構框圖如圖7所示[16]。

圖7 除銹爬壁機器人控制系統結構圖

5 初步設計方案流程及模型

設計鋼制表面除銹爬壁機器人的第一步是根據小型輕型機器人的原則仔細選擇吸附和驅動模式。通過以上逐步分析和方案選擇來確定攀爬機器人的基本結構、行走、吸附能力、控制方式。經過上述分析和選型，用于去除鋼制表面銹跡的爬壁機器人的初步設計方案路線流程如圖8所示。

圖8 初步設計方案路線流程

根據上述分析和選型，為體現吸附機構、行走機構、驅動機構特點和控制系統總體形貌，以驗證該類鋼制表面爬壁機器人總體設計效果，應用SolidWorks三維軟件建立了設計樣機的三維模型，并制作其實物樣機，如圖9所示。

圖9 除銹爬壁機器人外觀

6 結論

隨著智能制造的發展，鋼制表面除銹作業的爬壁機器人將在工業機器人應用領域逐漸發展，本文研究了鋼制爬壁機器人的作業原理，建立了初步方案，分析了永磁吸附機構、履帶鏈輪行走機構、電動機驅動機構的選型，并建立了初步控制策略，提出了一種鋼制表面除銹作業的爬壁機器人初步設計方案路線，并建立了樣機三維模型，從三維形貌上分析，該機器人初步的設計方案可行。該機器人裝置未來將在石化、船舶、核工業等大型設備作業領域有廣闊的應用前景。