钢制表面除锈爬壁机器人系统设计

梁金丹，李昊鸣，陈真，关杰，张梦

（1.同济大学 机械与能源工程学院，上海 200092；2.南通中远克莱芬船舶工程有限公司，江苏 南通 226006；3.大连海洋大学 航海与船舶工程学院，辽宁 大连 110623）

0 引言

随着国家工业4.0智能制造的发展，《中国制造2025》的国家战略的提出，工业机器人正在逐渐推广，各产业积极利用计算机技术和自动化技术提升产能，扩大建造规模，研发高新技术[1]。钢制表面除锈爬壁机器人作为工业机器人中的重要组成部分，在大型石油储罐、船舶、飞机、铁路、道桥、钢塔、风电、核工业等领域越来越受到重视。该类除锈爬壁机器人具备吸附和移动两个基本功能，一般具有永磁体和电磁铁两种磁吸附壁方式，再通过高压水射流等方式对钢制表面进行除锈作业。近年来欧美在爬壁机器人方面发展迅速。其中Hernando等[2]设计了一种新型自动爬壁机器人，Nguyen等[3]针对爬壁机器人造成的应力破坏进行分析研究。中国在国家战略提出后，相关产业、研究的扶持力度明显加大。霍建玲等[4]针对石化储罐壁面锈斑的清洗进行研究，孙玲等[5]设计了一种能够在船舶壁面上运动的除锈爬壁机器人，并进行了转向运动学分析，杨蔚华等[6]设计了一种输电拉线的除锈机器人。虽然已有较多关于除锈爬壁机器人的研究，但针对除锈爬壁机器人吸附原理的研究仍然较少，这也导致了目前该类项目的投产过低，实际应用程度不高，为此本文设计了针对钢制表面的除锈爬壁机器人，重点对其磁吸附原理、吸附方式进行有限元分析，并且进行了整体规划与设计，最后对机器人样机进行模型绘制，并制作出实物样机。

1 作业系统原理及总体初步方案

1.1 磁吸除锈爬壁机器人关键机构组合

典型钢制表面的除锈爬壁机器人主要由爬壁机器人本体、电气控制移动单元、控制电缆、防坠安全绳、防坠卷扬机、防坠卷扬筒等组成，将搭载检测、探伤、喷涂、除锈、视觉等设备在钢制表面进行作业，其基本原理图如图1所示。

图1 除锈爬壁机器人作业系统原理图

1.2 总体初步方案

除锈作业为除锈爬壁机器人的主要功能，根据该功能特点，除锈爬壁机器人总体方案设计必须遵循小型轻量化、驱动爬行能力强、附壁吸附能力强的原则。首先要对吸附机构、行走机构、驱动机构等关键机构进行匹配组合。钢质表面的除锈爬壁机器人主要采用磁吸附，在磁吸附机构方面，主要有电磁吸附和永磁吸附。电磁吸附需要额外供磁并增加电缆，并且电磁线圈体积大、质量大，对机器人吸附产生较大的重力影响，且维修和控制复杂。永磁吸附可缓解因机器人本体自重而产生的负面影响，提高爬壁机器人的负载能力，因此一般采用永磁吸附。行走机构主要分为履带式、轮式、多足式等，驱动机构主要分为电动机、液压、气马达等。一般进行钢制表面除锈作业的爬壁机器人，由于钢制表面大、曲率小、作业范围广，更适合采用简单稳定的履带行走机构和电动机驱动的组合匹配[7-9]。

2 永磁吸附机构设计

永磁体材料的选择一般基于以下原则：尽可能选择磁能积较大的永磁体，这意味着单位体积的磁块可以产生更大的磁力；永磁体材料必须稳定，并能抵抗温度带来的变化，其组织退化和自身退化也相对友好；其硬度必须满足不易折断的要求，性价比应尽可能高[10]。

可供选择的永磁材料比较丰富，如钕铁硼磁铁、铁氧体永磁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁铬钴磁铁。其中，钕铁硼稀土永磁材料的磁能积最大可达404.8 kJ/m3，退磁曲线通常为直线，其曲线斜率与回复磁导率接近，因此其与回复曲线重合，去掉干扰磁场后工作点的磁能积不发生变化。根据文献[11]所述，其典型磁路间隙变化曲线如图2所示。

图2 具有变化间隙的磁路工作图

2.1 材料选型

除锈爬壁机器人的吸附装置由永磁体、磁轭和隔磁铝块三部分组成，文献[12]指出在考虑永磁体选型时，应考虑工作温度、稳定性和磁能积等因素，因此选择汝铁硼磁铁Nd2Fe14B作为永磁材料，空气的相对磁导率取1。磁轭采用理想纯铁作为选型材料，其B-H曲线如图3所示。

为了避免磁石与钢质表面的摩擦接触，更有效地防护磁石，并保持机器人的运动稳定，橡皮密封圈能够提高吸收机构与侧壁间的摩擦力，可补偿因内部气隙增加而引起的磁力吸收块与侧壁间磁力下降的问题，因此需要用氯丁橡胶对磁路机构进行密封。

2.2 静态磁场模型与有限元分析

由麦克斯韦应力张量法[13]可得出电磁场的应力定义公式（1），由于本设计不涉及电场，因此可去除电场量，则电磁场应力张量为式（2）。在边界设定为磁绝缘条件下，需满足式（3）。此时将式（2）代入式（1）可得此时载荷体曲面边界所受到的电磁应力公式（4）[14]。

式中：F为电磁场的应力，T为电磁应力张量，n为边界法向量上的单位矢量，B为永磁体的磁通密度，Br为永磁体的剩余磁通密度，μ0为真空磁导率，μr为永磁体的相对磁导率，φm为磁标势，S为包围吸附单元与空气介质的闭合面。

设计静态磁场模型，包括1块800 mm× 600 mm的钢板（厚度为10～50 mm），2块磁铁横截面为50 mm×50 mm的正方形，长度为100 mm，2块磁铁之间的间距为20 mm，磁轭尺寸为120 mm×100 mm×30 mm，外部空气层在各个方向上厚度为500 mm，磁铁和钢板之间的间隙为0.5～30 mm。几何模型正视图及在各个方向上各加厚0.5 cm的空气层侧视图如图4所示。

图4 几何模型图

经过计算及有限元仿真的分析，钢板受力结果如图5所示，其受力随磁铁和钢板之间的间隙数值的变化曲线如图6所示。

图5 钢板受力结果

图6 钢板受力随间隙的变化曲线

由图6可见，钢板受力随磁铁和钢板之间的间隙的增大而减小，减小率v约为15.36×104N/m，间隙越小，钢板受力越大，则磁铁吸附能力越强。

3 行走传动机构设计

由于链条具备了无弹性滑动和打滑的优势，能够保证正确的传动比，因此传动效能较高，而且作用在轴承上的径向压力很小、内部结构也比较紧密，所以传动系统使用链条。设计中选择了短节点间隙传动，用精密滚子链中的两端带翅板的滚动链，以便于在翅子板上安放磁块构成的吸附机构。

查询《机械设计手册》，链传动的主要参数有：链轮齿数z1、z2，传动比i，链条节距p，中心距a，链长节数Lp，以及链轮主要尺寸等。

1）链轮齿数z1、z2和传动比i的选择。由于爬壁机器人的速度应该不是通过减速来降低的，所以主副轮的齿数是一样的。链轮齿数太少，则链轮运转不均，动载荷增大，链条和链轮运动加快。考虑到磁块固定吸附的干扰问题，链条上的齿数不能太少。

2）链条节距p的选择。链条节距p与箱体的稳定性和承载能力相关，p越高，箱体承载能力越高。如果需要稳定的移动紧凑设计和较长的链条使用寿命，尝试使用节距较小的链条。

3）链传动中心距a和链长节数Lp的选择。根据国际标准ISO 606:1994《短节距传动用精密滚子链和链轮》，中心距a计算公式为式（5），链长节数Lp计算公式为式（6），分度圆直径计算公式为式（7），齿顶圆直径计算公式为式（8），齿根圆直径计算公式为式（9）[15]。

式中：a为链传动中心距，p为链条节距，Lp为链长节数，z1、z2为链轮齿数，i为传动比，d为分度圆直径，da为齿顶圆直径，dr为剩余直径，df为齿根圆直径。

4）链条的松紧程度。链条包在链轮上要保证有合适的松紧程度，松边垂度f=（0.01～0.02）a。如果链条太松，会影响齿轮和链条的振动，造成爬壁机器人履带本身与钢面接触不良。

4 驱动机构及控制方案

除锈爬壁机器人通常采用的驱动方式包括：液压驱动和气压驱动、电动机驱动与机械驱动相结合。由于电动机具有体积小、质量轻、转矩高、反应迅速的优点，所以钢制表面爬壁机器人的驱动方式选用电动机驱动，可供选择的电动机类型有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。因为钢制墙壁的移动需要精确定位和其他因素，所以爬墙机器人除锈器的整体表面需要有一个快速反应的推进系统。因此选择驱动系统为交流伺服电动机，交流伺服最稳定，基本可以满足需求。

每个服务器都有一个对应的单元，没有伺服驱动器，伺服电动机就会无法旋转。本文在探讨的案例中，选用性能好、可靠性高的日本安川的Σ-Ⅱ系列交流伺服系统中的SGMAH-02AAA21型伺服电动机，相对应的伺服驱动器型号为SGDM-02AD，可控制速度和转矩，具有过载、过压、CPU故障、编码器故障等保护功能。

同时，高转矩低速电动机必须减速才能产生高转矩。使用行星齿轮箱的优点是质量轻、体积小、传动比大、转矩大、间隙小、效率高、容量大、噪声低、安装方便、平稳性持久，可搭配德国NEUGART公司精密行星履带PLE80-200。

钢制表面作业的除锈爬壁机器人，一般可以采用远程人工遥控的半自动化控制、上下位机二级分布式控制方式。其中，下位机主要感应左、右伺服运动控制，与上位机通信，负责控制机器人。上位机是对下位机遥控器进行识别，并控制机器人的转速和朝向。除锈爬壁机器人通过左、右驱动电动机及2个伺服系统来实现行走与转弯，在伺服电动机的正转转速与方向盘转速相等的情况下，机器人会沿着平台直线移动。当电动机正转时机器人就前进，电动机反转时机器人会后退。在舵机正转运行的时候，机器人会回到平台上。机器人控制系统总体结构框图如图7所示[16]。

图7 除锈爬壁机器人控制系统结构图

5 初步设计方案流程及模型

设计钢制表面除锈爬壁机器人的第一步是根据小型轻型机器人的原则仔细选择吸附和驱动模式。通过以上逐步分析和方案选择来确定攀爬机器人的基本结构、行走、吸附能力、控制方式。经过上述分析和选型，用于去除钢制表面锈迹的爬壁机器人的初步设计方案路线流程如图8所示。

图8 初步设计方案路线流程

根据上述分析和选型，为体现吸附机构、行走机构、驱动机构特点和控制系统总体形貌，以验证该类钢制表面爬壁机器人总体设计效果，应用SolidWorks三维软件建立了设计样机的三维模型，并制作其实物样机，如图9所示。

图9 除锈爬壁机器人外观

6 结论

随着智能制造的发展，钢制表面除锈作业的爬壁机器人将在工业机器人应用领域逐渐发展，本文研究了钢制爬壁机器人的作业原理，建立了初步方案，分析了永磁吸附机构、履带链轮行走机构、电动机驱动机构的选型，并建立了初步控制策略，提出了一种钢制表面除锈作业的爬壁机器人初步设计方案路线，并建立了样机三维模型，从三维形貌上分析，该机器人初步的设计方案可行。该机器人装置未来将在石化、船舶、核工业等大型设备作业领域有广阔的应用前景。