長期航行的船舶，由于經(jīng)常處于惡劣的水上環(huán)境，其貨艙表面會大面積腐蝕掉漆生銹，這些銹蝕會對貨艙內(nèi)的貨物產(chǎn)生污染，因此，當(dāng)貨船停靠碼頭更換裝載貨物時，特別是當(dāng)裝載貨物為糧食等干凈貨物時，每次都需要對貨艙進行大規(guī)模清洗，清洗的任務(wù)量較大。目前，貨艙清洗主要的操作方式為工人手持清洗工具進行高空作業(yè)清洗，這種方式危險系數(shù)大;此外，多數(shù)船廠為保證清洗的質(zhì)量和效果，大量使用化學(xué)品，據(jù)統(tǒng)計，一個船廠每年用于清洗貨艙的化學(xué)品可達30萬噸，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。為改善當(dāng)前貨艙清洗的狀況，解決方法之一是研制用于艙內(nèi)清洗的爬壁機器人，以此來實現(xiàn)自動化清洗作業(yè)。

　　目前，在船舶清洗領(lǐng)域，爬壁機器人主要分為兩種：履帶式和輪式。履帶式爬壁機器人由于具有良好的壁面適應(yīng)性和高負載能力等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶上大型表面的清洗作業(yè)中。丁問司等研制了一款永磁吸附式船舶爬壁機器人，該履帶機器人設(shè)計有輔助吸附和從動浮動功能的永磁萬向輪機構(gòu)，極大地提高了機器人的負載和越障能力，但該機器人存在轉(zhuǎn)向不靈活的缺點。王明強等設(shè)計了一款多履帶全向爬壁機器人，解決了履帶式機器人轉(zhuǎn)向效率低的問題，其利用4條履帶和履帶上的單向輪實現(xiàn)了機器人精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動，但該機器人重量較大，在進行

　　船舶現(xiàn)場作業(yè)時，安裝拆卸維護較困難。針對現(xiàn)有爬壁機器人曲面適應(yīng)困難的問題，Wang等為現(xiàn)有的履帶式磁吸附爬壁機器人的行走機構(gòu)設(shè)計了兩個四自由度的鉸接機構(gòu)，使機器人可在更小曲率的壁面上行走，曲面適應(yīng)性較好。但是，當(dāng)增加了多自由度的鉸接機構(gòu)后，給機器人壁面行走的控制增添了困難，難以實現(xiàn)對機器人位置的精確控制。與履帶式爬壁機器人相比，輪式爬壁機器人有著重量輕便、運動靈活、安裝維護方便等優(yōu)勢。宋偉等研制了一款磁吸附爬壁機器人，通過優(yōu)化磁吸附組件提高了輪式爬壁機器人的磁質(zhì)比和負載能力，但目前該機器人僅適用在船舶均勻壁面上行走，曲面行走或者越障能力不足。姜愛民等研制的一種雙關(guān)節(jié)輪式機器人具有壁面過渡能力，可以跨越壁面上大型障礙物，但其控制難度高，難以達到工業(yè)上要求的控制穩(wěn)定性能。為了提高輪式爬壁機器人的壁面適應(yīng)性，姜勇等設(shè)計了一種兩輪過渡爬壁機器人，該爬壁機器人采用兩足輪式混合運動機構(gòu)，能夠在兩個具有一定夾角甚至垂直的壁面之間移動，但該機器人負載能力不足，無法搭載船用清洗設(shè)備完成船舶壁面的清洗作業(yè)。

　　船舶貨艙內(nèi)部壁面多為交叉壁面，交叉壁面之間存在過渡角，這就要求爬壁機器人具有壁面過渡能力。本文根據(jù)輪式磁吸附爬壁機器人行走靈活的優(yōu)勢，優(yōu)化了現(xiàn)有的磁吸附機構(gòu)，　同時提高了清洗機構(gòu)對壁面的適應(yīng)能力，設(shè)計出一種壁面自適應(yīng)爬壁機器人，并通過實驗驗證了該機器人在船艙壁面上運動的可行性，實現(xiàn)了船舶貨艙的綠色、高效、安全清洗。

　　2爬壁機器人整機設(shè)計

　　散貨船艙內(nèi)部壁面不均勻，且各個艙壁之間成一定角度，最小夾角可達120°。圖1為散貨船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要包括底邊艙斜板、舷側(cè)豎板、頂邊艙斜板、艙口圍板和舷側(cè)肋板等結(jié)構(gòu)。船舶外壁表面分布一致，但貨艙內(nèi)部各個壁面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各壁面連續(xù)性較低，這給利用機器人實現(xiàn)貨艙內(nèi)自動化清洗帶來了挑戰(zhàn)。針對該問題，本文研制了一種可搭載清洗設(shè)備完成貨艙內(nèi)多壁面的過渡行走過程的爬壁機器人，主要包括從底邊艙斜板過渡到舷側(cè)豎板，從舷側(cè)豎板過渡到頂邊艙斜板。通過機器人在貨艙內(nèi)多壁面的過渡行走，可使單個機器人最大程度地完成艙內(nèi)大面積壁面的清洗。

圖1散貨船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　本文設(shè)計的壁面自適應(yīng)爬壁機器人的整機結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包括行走機構(gòu)、前后端磁吸附機構(gòu)、自適應(yīng)清洗機構(gòu)和控制箱。機器人的行走機構(gòu)(分為左右兩個行走機構(gòu))利用電機和減速器所產(chǎn)生的強大驅(qū)動力帶動橡膠輪轉(zhuǎn)動，來完成機器人行走，機器人的轉(zhuǎn)向則是利用左右兩個行走機構(gòu)的速度差來完成的。在該機器人結(jié)構(gòu)中有一種特殊的弧形磁吸附機構(gòu)，安裝于兩個行走機構(gòu)內(nèi)側(cè)，通過該弧形磁吸附機構(gòu)的磁吸附力可完成多角度壁面的過渡。同時，該磁吸附力還保障了機器人的安全，避免機器人在行走過程中出現(xiàn)打滑和傾覆現(xiàn)象。本文設(shè)計的爬壁機器人的前端搭載了一種壁面自適應(yīng)清洗機構(gòu)，該機構(gòu)可利用高壓水來清洗艙內(nèi)壁面上的銹斑等附著物，且搭載了真空回收管對清洗后的廢水回收處理。清洗機構(gòu)上搭載的高壓水管和真空回收管被束縛在管子固定器上，提高了機器人運動的穩(wěn)定性。整個機構(gòu)有一定的柔順性，當(dāng)遇到過渡面時，可沿著壁面夾角過渡到另一個面。機器人的控制箱安裝在整機的后端，里面安裝有無線通信裝置，可遠程遙控操作機器人。

　　3磁吸附機構(gòu)設(shè)計與仿真

　　3.1壁面過渡力學(xué)模型

　　為保證輪式爬壁機器人具有壁面過渡能力，需要調(diào)整磁吸附機構(gòu)的磁力分布，特別是前端磁吸附機構(gòu)。當(dāng)機器人進行壁面過渡時，需要對前端過渡面有一個足夠大的磁吸附力，使其獲得的摩擦驅(qū)動力能夠保證其完成壁面過渡。本研究的首要目標(biāo)是確定該磁吸附力的力學(xué)關(guān)系，所以在機器人壁面過渡時，對其進行受力分析，分析結(jié)果如圖3所示。其中，F(xiàn)mag1是機器人對前端壁面磁吸附力，F(xiàn)mag2是機器人前端磁吸附結(jié)構(gòu)對底部接觸面的磁吸附力，F(xiàn)mag3是機器人后端磁吸附結(jié)構(gòu)對底部接觸面的磁吸附力，F(xiàn)f1、Ff2、Ff3是機器人輪子與壁面接觸處的摩擦力，F(xiàn)N1、FN2、FN3是機器人輪子與壁面接觸處的支持力，G為機器人的重力。

　　假設(shè)貨艙內(nèi)部壁面間的最大傾角為60°，當(dāng)機器人從艙底過渡到底邊艙斜板時，F(xiàn)mag1需要足夠大，使其提供的摩擦力Ff1可驅(qū)動機器人過渡到另一個面，此時，需要滿足的力學(xué)關(guān)系沿x軸方向為：

    (1)

　　沿y軸方向為：

   (2)

　　圖3機器人壁面過渡受力情況

　　由過渡的臨界情況可知，且、，若輪子與壁面的摩擦系數(shù)為0.7，根據(jù)公式(1)和公式(2)可得到如下關(guān)系：

(3)

　　3.2磁吸附機構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)公式(3)中Fmag1和Fmag2之間的關(guān)系可知，前端磁吸附機構(gòu)對前端過渡面的磁吸附力要遠大于對底部接觸面的磁吸附力，且在整個壁面過渡過程中，該力學(xué)關(guān)系穩(wěn)定不變，因此，本文設(shè)計了一種弧形磁吸附機構(gòu)，分別安裝于左右行走機構(gòu)內(nèi)側(cè)，以滿足磁吸附力關(guān)系，如圖4所示。

圖4前端磁吸附機構(gòu)

　　該弧形磁吸附機構(gòu)由9塊釹鐵硼永磁體排列組成。為使磁吸附力達到最優(yōu)，即提高磁吸附力和磁鐵質(zhì)量的比值(磁質(zhì)比)，本研究利用Halbach陣列的特點，將磁通密度集中于壁面接觸端，極大地提高了磁能利用率。此外，該磁鐵呈弧形結(jié)構(gòu)，弧度設(shè)計為120°，這樣在壁面過渡過程中，該機構(gòu)始終會對接觸面有磁吸附力，不會發(fā)生失去磁力導(dǎo)致機器人墜落的情況。磁吸附力會隨著磁體與壁面距離的增大而衰減，為了使機器人獲得過渡能力，即滿足公式(3)中磁吸附力的關(guān)系，需要確定該弧形磁鐵與前端過渡面的距離d1和底部接觸面的距離d2的大小。當(dāng)d1<d2時，在過渡過程中，整個弧形磁吸附機構(gòu)上的磁吸附力從上到下是遞減的。< p="">

　　3.3磁吸附機構(gòu)仿真

　　根據(jù)Halbach陣列磁鐵充磁方向的特點，本文列舉了兩種不同排列形式的磁鐵陣列，并對兩種排列形式在d2=8mm時的磁吸附力進行了仿真分析。仿真分析結(jié)果如圖5所示，其中，圖5(a)為磁鐵底部橫向充磁的排列形式，圖5(b)為磁鐵底部豎向充磁的排列形式。通過仿真結(jié)果可知，第一種排列形式在壁面處的磁通密度大于第二種排列形式的磁通量密度，兩種排列形式對壁面的磁吸附Fm1=3587N、Fm2=3242N。綜上所述，第一種排列形式的磁能利用率大，磁吸附性能更好，因此，本文設(shè)計的前端磁吸附機構(gòu)中磁鐵的充磁方向選用第一種磁鐵陣列。

(a)第一種排列形式(b)第二種排列形式

圖5兩種Halbach陣列的仿真結(jié)果

　　為確定磁吸附機構(gòu)的吸附力與壁面間距d1和d2的關(guān)系，將橫向充磁的磁吸附機構(gòu)的吸附力進行仿真，得到Fmag1-d1和Fmag2-d2兩種關(guān)系曲線，如圖6所示。

　　(a)Fmag1與d1的關(guān)系曲線(b)Fmag2與d2的關(guān)系曲線

　　圖6磁吸附力(Fmag1,Fmag2)與壁面距離(d1,d2)的關(guān)系

　　圖7自適應(yīng)清洗機構(gòu)壁面過渡過程　　

　　根據(jù)機器人防傾覆和防打滑的力學(xué)模型，假設(shè)機器人重100kg，那么機器人對底部接觸面的磁吸附力需滿足Fmag2≥3000N。為保證機器人具有一定的越障能力，特別是具有跨越6mm高焊縫的能力，磁吸附機構(gòu)與壁面間需保持一定的間距，故取d2=8.5mm，由圖6中曲線(b)可得此時Fmag2=3000N。再根據(jù)公式(3)可知，機器人對前端過渡面的磁吸附力需滿足Fmag1≥5834N，為了滿足這個關(guān)系，根據(jù)曲線(a)，取d1=2.5mm，可得Fmag1=5987N。綜上可得，該前端磁吸附機構(gòu)相對于壁面的安裝位置為d1=2.5mm，d2=8.5mm。

　　4自適應(yīng)清洗機構(gòu)設(shè)計

　　磁吸附機構(gòu)的設(shè)計使得機器人本體具有了壁面過渡能力，但在實際工作過程中，機器人需要搭載清洗機構(gòu)才能完成壁面清洗作業(yè)，因此，清洗機構(gòu)同樣需要具備壁面過渡能力。目前，船舶清洗爬壁機器人主要采用清洗盤式的清洗機構(gòu)，它搭載高壓清洗裝置和真空回收裝置，具有清洗和回收的雙重功能。在清洗盤式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的清洗機構(gòu)增加一種三輪過渡機構(gòu)，該機構(gòu)由3個麥克納姆輪各成120°對稱分布構(gòu)成，可使清洗盤完成一定夾角壁面的過渡。清洗機構(gòu)的末端通過轉(zhuǎn)臂與機器人本體相連接，轉(zhuǎn)臂可以繞著連接處轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，自適應(yīng)清洗機構(gòu)壁面過渡的主要實現(xiàn)原理如圖7所示。

　　圖8三輪過渡機構(gòu)實驗

　　當(dāng)清洗機構(gòu)到達過渡面時，在水平推力Fp的作用下，三輪過渡機構(gòu)中與過渡面接觸的麥克納姆輪會與過渡面緊密接觸，另外兩個麥克納姆輪會繞著接觸輪轉(zhuǎn)動，然后最上面的輪子經(jīng)轉(zhuǎn)動后會與過渡面接觸。在整個壁面過渡過程中，三輪過渡機構(gòu)帶動清洗盤轉(zhuǎn)動了一定角度，使得推力Fp產(chǎn)生了一個沿過渡面方向的分力，在該力的作用下，整個清洗機構(gòu)開始沿過渡面移動，最終完成壁面過渡。

　　為驗證三輪過渡機構(gòu)的可行性，本文搭建了該機構(gòu)的簡易模型，并進行了壁面過渡實驗，如圖8所示。實驗過程中，通過給該簡易模型施加一個沿行走壁面的推力，使其向過渡面運動。實驗發(fā)現(xiàn)，三輪過渡機構(gòu)可以完成過渡壁面處的轉(zhuǎn)動、抬升和沿過渡面行走等動作，因此，將該三輪過渡機構(gòu)搭載在清洗機構(gòu)上，可使清洗機構(gòu)具有一定的壁面自適應(yīng)能力。

　　5樣機實驗及結(jié)果分析

　　5.1樣機實驗

　　將機器人各個模塊進行裝配后得到的樣機如圖9所示，

　　其包括自適應(yīng)清洗機構(gòu)、磁吸附機構(gòu)、行走機構(gòu)等。為驗證該樣機的壁面過渡能力及其在船舶貨艙內(nèi)行走的穩(wěn)定性，本文通過模擬貨艙內(nèi)的環(huán)境，進行了相關(guān)實驗，包括底邊艙行走實驗、頂邊艙行走實驗。

　　(1)底邊艙行走實驗

　　為模擬貨艙底部的實際情況，本文搭建了一個120°壁面夾角的實驗平臺，使機器人沿著此壁面進行過渡測試，如圖10所示。機器人從底邊艙斜板以2m/min的恒定速度行駛，當(dāng)遇到前端過渡面時，搭載三輪過渡機構(gòu)的清洗盤會沿著前端過渡面慢慢移動。在移動過程中，整個清洗機構(gòu)相對于機器人本體向著過渡面方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)清洗盤完全貼合過渡面時，機器人前輪剛好運動到過渡面處。此時，磁吸附機構(gòu)作用于過渡面和行走底面，在磁吸附力的作用下，機器人脫離底邊艙斜板開始沿著豎直過渡面行走。當(dāng)后輪運動到過渡面時，機器人完成了從底邊艙斜板運動到舷側(cè)豎板的過程。

　　(2)頂邊艙行走實驗

　　貨艙內(nèi)頂邊艙斜面和艙頂面之間的夾角最大為120°，為驗證本文研制的爬壁機器人具有從頂邊艙斜面到艙頂面的過渡能力，本實驗搭建了兩塊夾角為120°的鋼板，對貨艙頂部的壁面特點進行模擬仿真，機器人的頂邊艙行走實驗過程如圖11所示。實驗過程中，機器人從頂邊艙斜板開始運動，當(dāng)自適應(yīng)清洗機構(gòu)運動到頂部過渡面時，過渡面會給清洗機構(gòu)一個反作用力，此時連接機器人本體和清洗機構(gòu)的伸縮推桿開始作用，伸縮推桿給清洗機構(gòu)一個沿壁面法線方向的推力，避免清洗機構(gòu)在壁面反作用力和自身重力的作用下傾覆。由圖11可知，當(dāng)清洗機構(gòu)過渡到艙頂壁面后，整個機器人的前輪行走機構(gòu)也在磁吸附機構(gòu)的作用下完成了過渡動作。在整個頂邊艙行走實驗過程中，機器人行走穩(wěn)定，未發(fā)生傾覆和脫落的情況。

　　5.2結(jié)果分析

　　圖9機器人樣機

　　圖10底邊艙行走實驗

　　針對現(xiàn)有爬壁機器人在船舶貨艙內(nèi)無法完成多壁面過渡的問題，本文研制了一種壁面自適應(yīng)爬壁機器人，通過仿真分析和樣機實驗，驗證了該爬壁機器人具有一定的壁面過渡能力。本文建立了兩個實驗平臺——艙底實驗平臺和艙頂實驗平臺，搭建的過渡壁面夾角為120°，通過壁面行走實驗，結(jié)果表明磁吸附機構(gòu)可以提供過渡所需的磁吸附力，且清洗機構(gòu)中的三輪過渡機構(gòu)能夠完成轉(zhuǎn)動、抬升和過渡等動作。綜上所述，本文研制的爬壁機器人整機可以完成從艙底面到艙頂面的行走過程，滿足貨艙清洗的需求。

　　本文還對國內(nèi)外相關(guān)的磁吸附爬壁機器人進行了討論，發(fā)現(xiàn)有大量研究對爬壁機器人的壁面過渡能力進行了仿真分析和樣機試驗。與王洋等研制的自適應(yīng)變曲率立面的分體柔性爬壁機器人相比，本文研制的爬壁機器人不僅可以適應(yīng)一定曲率的凹面和凸面，而且可以適應(yīng)一定夾角的壁面，作業(yè)和應(yīng)用場景更加廣泛。Eto等設(shè)計的壁面自適應(yīng)輪式爬壁機器人可以攀

　　爬多角度壁面，但是與本文設(shè)計的機器人相比，該機器人磁吸附能力弱，無法搭載重量大的清洗機構(gòu)。Tche等針對垂直面過渡和曲面行走設(shè)計了一種磁輪式爬壁機器人——利用前后兩個磁輪和輔助輪的支撐作用完成壁面過渡，該機器人的主要功能是實現(xiàn)各種不規(guī)則壁面的表面檢測，但無法應(yīng)用于貨艙壁面的清洗作業(yè)，且兩輪的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。本文設(shè)計的磁吸附機構(gòu)采用了Halbach陣列，與現(xiàn)有的甲型磁路和乙型磁路的磁鐵排列相比，該磁鐵排列形式的磁能利用率更高。劉峰等將Halbach陣列應(yīng)用于履帶式爬壁機器人的永磁吸附單元，基于傳統(tǒng)的Halbach永磁體陣列，該研究在弱磁側(cè)加入軛鐵，有效地減少了弱磁側(cè)的磁場泄漏。此外，劉峰等還研究了磁體陣列的寬度、高度、厚度以及軛鐵的高度對吸附力和吸附效率的影響，這為本文機器人磁吸附機構(gòu)的優(yōu)化提供了參考，但該永磁吸附單元只在行走底面上產(chǎn)生磁吸附力，無法滿足壁面過渡對吸附力的要求。鑒于輪式機器人應(yīng)用該磁鐵陣列可很大程度減少機器人自重，安磊等設(shè)計的輪式爬壁機器人采用了一種弧形磁吸附機構(gòu)，本文在該磁力機構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了Halbach陣列的充磁方向并優(yōu)化了磁力分布，為機器人的穩(wěn)定行走提供了充足的磁吸附力，同時保證了機器人能夠完成最小120°夾角壁面的過渡。

　　本文研制的壁面自適應(yīng)爬壁機器人具有貨艙清洗和除銹雙重功能，該機器人行走穩(wěn)定，且可搭載真空回收裝置防止清洗后的廢水污染環(huán)境，真正實現(xiàn)了高效、安全、綠色的清洗作業(yè)。但是，該機器人目前在應(yīng)用上存在一定的局限性。首先，該機器人的壁面過渡夾角最小為120°，無法適應(yīng)更小的壁面夾角甚至垂直面;其次，該機器人主要適應(yīng)的行走壁面為凹面，當(dāng)在角度過小的凸面行走時，容易失去磁力導(dǎo)致設(shè)備脫落。后期將對機器人的磁吸附機構(gòu)進一步優(yōu)化，解決機器人垂直面過渡的難點，并增強機器人清洗機構(gòu)的強度，提高清洗作業(yè)的效率。

　　6結(jié)論

　　本文通過磁力仿真分析和樣機實驗，對貨艙清洗機器人的壁面過渡特點進行研究，設(shè)計了一種弧形磁吸附機構(gòu)和自適應(yīng)清洗機構(gòu)。針對一般的磁吸附機構(gòu)吸附力不足的缺點，本文利用ANSYSMaxwell3D仿真軟件進行了磁力的仿真優(yōu)化，優(yōu)化了磁吸附機構(gòu)周圍的磁通量分布，使得磁吸附機構(gòu)對壁面的磁吸附力滿足壁面過渡的力學(xué)關(guān)系。在解決機器人本體的過渡問題后，又針對壁面清洗機構(gòu)的壁面過渡，設(shè)計了一種三輪過渡機構(gòu)，將該機構(gòu)安裝于清洗盤上，可實現(xiàn)壁面清洗機構(gòu)對傾斜壁面有一定的自適應(yīng)能力。

　　目前，針對爬壁機器人在船舶貨艙內(nèi)部多壁面過渡的問題，本文進行了相關(guān)實驗，并得到了合適的解決方案，但是未進行機器人在作業(yè)現(xiàn)場長時間工作的實驗，不能得出機器人可在作業(yè)現(xiàn)場進行連續(xù)工作的結(jié)論。當(dāng)機器人進行清洗作業(yè)時，會產(chǎn)生大量的水霧，這對機器人的防水性提出了挑戰(zhàn)。此外，本文研制的爬壁機器人主要針對艙底面、舷側(cè)面和艙頂面大范圍壁面的清洗，對于肋板側(cè)面和貨艙內(nèi)的狹小區(qū)域的清洗問題還未解決，后續(xù)將會對多種壁面清洗機構(gòu)進行研究，將該機構(gòu)搭載在機器人上，實現(xiàn)多機器人協(xié)同作業(yè)，可極大提高貨艙的清洗效率，真正實現(xiàn)船舶行業(yè)的自動化清洗作業(yè)。

　　陳建坤1,2何凱1*方海濤1

　　1中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院

　　2中國科學(xué)院大學(xué)

　　轉(zhuǎn)載自《集成技術(shù)》