董家候，郑甲红，何凯，左启阳
(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021；
2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳 518055)
随着我国船舶制造业的发展，我国大型轮船的制造技术更是走在国际前列。大型轮船是由各种类型的钢板件分块、分段焊接而成。在相邻的2块钢板之间便会出现形状不规则的焊缝，焊缝不规则、表面出现余高会造成应力集中，焊缝表面将出现疲劳裂纹，从而影响整个船舶结构的稳定性[1]。这就要求必须对焊缝进行打磨，避免应力集中的现象发生[2]。
传统的船体焊缝打磨是通过人工作业的方式进行的，工人悬挂在船体侧壁上对焊缝进行手工打磨，这种方式不仅仅效率非常低，而且施工者存在很大的安全隐患。一种焊缝打磨爬壁机器人代替人工作业，不仅能提高工作效率，而且能严格保证打磨质量[3]。目前对焊缝打磨爬壁机器人的研究尚少，焊缝打磨的方式也大多是采用机械手携带打磨装置进行打磨，而爬壁式焊缝打磨作业方式也只停留在理论阶段。
目前最大的技术难点就是避免机器人掉落。由于机器人在越障和反顶倒挂过程中会出现机器人掉落的现象，尤其在焊缝打磨过程中，发生掉落的概率越大。为此，本文作者通过优化磁吸附机构，研究实现机器人打磨效率最大化，研发了一款基于磁力吸附的新型焊缝打磨爬壁机器人样机；
同时开展实验测试，以实现机器人在高空壁面上灵活运动及高空焊缝打磨机械化的目标。
1.1 焊缝打磨机器人设计需求分析
设计的焊缝打磨机器人在船体侧壁面上运动，且对壁面上的焊缝进行打磨。要求设计的机器人：应在壁面上灵活运动，不会发生掉落、倾覆等状况；
在进行焊缝打磨时，应该避免对焊缝实体材料造成损伤；
打磨后不仅要求去除焊缝表面毛刺，还需露出一定的金属光泽。为尽可能减轻机器人的质量和保证具有足够的刚度，该机器人选用铝合金材料，缩小机器人的尺寸。基于该机器人的作业环境及船体由很多条焊缝拼接而成，且每一条焊缝都不是笔直的，要求机器人能够直线行走、变道、转弯和掉头等，同时还应具有一定的越障和负载能力；
同时考虑到爬壁机器人吸附在钢铁壁面，在距离地面40～50 m高的船体外侧壁上高空作业，设计的机器人采用遥控控制的方式。
1.2 船体焊缝打磨机器人的功能设计
机器人在远程遥控操纵控制下，可实现在壁面上灵活运动，如：转弯、变道、掉头、直线行走等诸多功能。焊缝打磨机器人的焊缝打磨执行机构只有进入打磨环节时，打磨头才能与打磨面发生接触，并且施加一定的打磨压力，打磨停止后，打磨头需离开打磨平面，因此，打磨头需要具有移动功能。同时打磨头的打磨压力应该控制在一个合理的范围内，此外，机器人在打磨焊缝的过程中，还需要使用柔性打磨技术。
由于轮式机器人具有运动灵活、速度快等特点[4]，设计的机器人采用轮式结构。吸附机构提供的磁吸附力将机器人紧紧吸附在壁面上，保证机器人不会掉落和倾覆[5]。吸附机构主要有4种吸附方式[6]：磁力吸附、负压吸附、仿生吸附、化学吸附。船体壁面是具有一定弧度的曲面，负压吸附不适合曲面工况，仿生吸附和化学吸附成本高，而磁力吸附效率高、成本低[7-8]。所以此次设计便采取磁力吸附的方式。永久磁铁和电磁铁相比，电磁铁会由于电路发生故障而导致磁力消失，从而导致机器人掉落，永久磁铁不会出现任何问题，因此选择永磁体作为磁吸附材料。
2.1 整体结构设计
设计的焊缝打磨爬壁机器人如图1所示，机器人主要由车身车架、前后永磁体吸附机构、运动驱动机构、电柜箱、打磨装置升降机构和打磨头等组成。机器人前端布置打磨执行机构，当机器人沿着焊缝向前走时，打磨机构将对焊缝进行打磨处理。
图1 焊缝打磨爬壁机器人三维模型
2.2 机器人前后磁吸附机构设计方案
如图2所示，为了给机器人提供足够的磁吸附力，避免机器人脱落，在后端万向轮两侧对称布置1个磁铁盒，机器人前端2个驱动橡胶轮之间的底盘处布置1个永磁铁盒，前后的3个永磁体盒中布置永久磁铁提供吸附力，将打磨机器人紧紧吸附在船体外壁上。此外，设计前后吸附机构时，不仅应该保证吸附的稳定性，而且应该避免吸附力过大而造成电机过载。
图2 前后磁吸附机构结构
永久磁铁产生的磁吸附力稳定可靠，所以只需后磁铁盒各布置1块永久磁铁，磁铁盒采用不锈钢材质，上端连接轭铁，轭铁通过螺栓连接到机架上，如图3所示。轭铁具有导磁和固定安装磁铁盒的作用。整个磁铁盒可沿着螺栓上下移动，避免壁面上出现的凹凸物卡住磁铁盒。
图3 后磁铁结构Fig.3 Rear magnet structure
前磁铁盒里面按照一定的充磁方式布置5块永久磁铁，如图4所示。前磁铁吸附是5块永久磁铁搭配在一起，磁铁在实际使用过程中，充磁方向非常重要，如果每块磁铁的充磁方向杂乱无章，很可能出现失效的现象，所以必须考虑每块磁铁的充磁方向。每块磁铁按照一定的充磁方向排列布置，避免相邻磁铁之间产生磁性损失，尽量使之达到最佳的磁场强度[9]。
图4 前磁铁结构Fig.4 Front magnet structure
2.3 机器人驱动机构设计方案
文中机器人的驱动方式如图5所示，电机与行星减速器和直角减速器固定连接，直角减速器的输出轴与橡胶轮连接，电机输出的动力经过减速器减速增矩后，驱动车轮转动，最终驱动爬壁机器人运动。左右两侧车轮的驱动方式是分开的，不会发生任何运动干涉，转弯时，可以采用差速转弯[10-11]；
掉头时，可以采用两轮子旋转方向相反，做到真正意义上的原地转弯，大大减少转弯半径，使爬壁机器人更加灵活[12]。
图5 机器人驱动机构Fig.5 Robot drive mechanism
2.4 焊缝打磨执行机构设计方案
机器人焊缝打磨执行机构如图6所示，安装座固定在机器人前端，电动缸固定在安装座上，电动缸工作时带动整个打磨装置上下移动，打磨电机输出的转矩通过同步带传递到打磨头上，驱动打磨头旋转，对焊缝进行打磨。此外，为保证柔性打磨，在打磨机构中布置弹性机构，维持打磨压力的恒定，同时，在气弹簧旁边布置链条，避免弹性机构在结束打磨时承受拉力，起到保护弹性机构的作用：打磨开始，电动缸带动整个打磨装置向下移动压紧焊缝，接着打磨电机开始工作，带动打磨头旋转；
停止打磨，打磨电机停止工作，电动缸带动打磨装置离开壁面。
图6 机器人打磨执行机构
机器人在运动过程中可能会出现4种不稳定的状态：(1)沿壁面向下滑移失效；
(2)横向倾覆失效；
(3)纵向倾覆失效；
(4)后从动轮脱离失效。通过对不同的失效进行受力分析，最终可以得出前、后磁吸附机构的最小极限磁吸附力。
3.1 沿壁面向下滑移失效
图7为极限静摩擦机器人的受力分析，机器人静止停在船体外壁上，驱动轮的电机处于自锁状态，不会发生转动，此时为了保证机器人不会沿着壁面下滑，必须满足前面2个驱动橡胶轮处最大静摩擦力之和远大于重力在Z轴方向的分力，后面万向轮所受的滚动摩擦力很小，可以忽略不计。而最大静摩擦力与正压力呈正比。机器人在驱动轮处所受的正压力等于磁吸附力和重力的分力之和。若焊缝打磨头与壁面之间的正压力100 N，即壁面对打磨头的支持力Pd=100 N。
在图7中，沿壁面的法向和切向建立XOZ坐标系，其中，Z轴与机器人运动方向平行，X轴与运动方向垂直。Fc1为爬壁机器人前磁铁所受到的磁吸附力，Pc1、Pc2分别为机器人的左右驱动轮与壁面接触处所受的支持力。Fc2、Fc3为爬壁机器人的后端2个磁铁箱与壁面之间的磁吸附力，Pc3为机器人的从动万向轮与壁面接触处所受的支持力。Ff1、Ff2分别为机器人2个驱动轮与壁面之间所受的摩擦力，Ff3为打磨头处所受的摩擦力。Pd为焊缝打磨头所受的支持力。β为船体壁面与竖直面之间的最大倾斜角。G为机器人满载总重力。由于后磁铁箱的结构尺寸完全一样，因此可得：Fc2=Fc3，Ff1=Ff2。
图7 向下滑移失效受力分析Fig.7 Sliding failure force analysis
为了保证机器人不发生滑移，需满足：
Ff≥Gz
(1)
式(1)中：Ff为爬壁机器人受到的总摩擦力；
Gz为机器人重力在Z轴方向的分力。
由式(1)及图7可得：
(2)
由于机器人吸附在壁面上运动，为了避免机器人发生纵向倾覆，总有F吸附≥F支持，即：
Fc2+Fc3=2Fc2≥Pc3
(3)
所以
(4)
当爬壁机器人前磁铁吸附力Fc1满足式 (4)时，该焊缝打磨机器人将不会发生沿壁面向下滑移失效。
3.2 横向倾覆失效
机器人在船体的倾斜壁面横向移动时会出现绕主动驱动轮的接触点Q发生侧向倾覆。只要保证有足够大的吸附力，机器人的轮子就能和船体壁面紧密接触，就能保证机器人不会发生横向倾覆失。随着船体壁面角度在θ∈[0°,90°]内变化，机器人所受到的力矩也会随着发生变化。此时的受力状态如图8所示，在o′x′y′z′坐标系中：L1为Fc1的作用点到点Q沿y′方向的距离；
L2为Fc2的作用点到点Q沿y′方向的距离；
L3为Fc3的作用点到点Q沿y′方向的距离；
L4为Gy′的作用点到点Q沿X′方向的距离。
图8 横向倾覆失效受力分析
如图8所示：机器人的前磁铁的磁吸附力Fc1和后端2个磁铁箱所提供的磁吸附力Fc2、Fc3提供抗倾覆力矩，Gy′、Gx′和Pd提供倾覆力矩。当抗倾覆力矩MA1大于等于倾覆力矩MA2时，机器人将不会发生横向倾覆，即：
MA1≥MA2
(5)
由于Fc1的作用点在机器人的中心轴线上，Fc2、Fc3的作用点在机器人后端的磁铁箱中心轴线上，即：
式中：B为两主动轮最内侧边缘之间相距的长度；
b为主动轮宽度；
c为后端磁铁箱的宽度。
由式(5)及图8可得：
(6)
当机器人前端磁吸附力满足式(6)时，可保证机器人不会发生沿点Q横向倾覆。且当船体壁面倾斜角θ达到最大90°时，式(6)的右边达到最大值，即：
(7)
综上所述，当爬壁机器人前磁铁吸附力Fc1满足式(7)时，该焊缝打磨机器人将不会发生横向倾覆失效。
3.3 纵向倾覆失效
机器人以任意姿势向上运动时，有绕后轮点E发生纵向倾覆的趋势。Fc1提供抗纵向倾覆力矩，Pd、Gx′和Gz′提供纵向倾覆力矩。当机器人处于临界倾覆状态时，前主动轮处壁面对轮子的支持力将为0。此时受力分析如图9所示，在o′x′z′坐标系中：Gx′为重力沿x′轴方向的分力，Gz′为重力沿z′轴方向的分力；
Lc为Fc1的作用点到点E沿z′方向的距离；
Ld为Pd的作用点到点E沿z′方向的距离；
Lg为Gx′的作用点到点E沿x′方向的距离；
Hg为Gz′的作用点到点E沿z′方向的距离。
图9 纵向倾覆失效受力分析Fig.9 Force analysis of longitudinal overturning failure
(8)
由式(8)及图9可得：
(9)
要保证机器人不会发生纵向倾覆，即机器人前端主动轮不会发生脱离，机器人前端的磁吸附力Fc1就必须满足式(9)。且当θ=0°时，右边取得最大值，即：
(10)
3.4 后从动轮脱离失效
后从动轮脱离失效将影响到机器人的稳定性，后端磁吸附力虽然没有机器人前端磁吸附力大，但也是机器人运行稳定性的重要因素之一。此时假设机器人前端磁吸附力足够大，前主动轮不会发生脱离。当β=90°时，即机器人倒立吸附在船体壁面上，后从动轮发生脱离的趋势将达到最大，此时受力分析如图10所示，在o′x′z′坐标系中：L5为Fc2、Fc3的作用点到点K沿z′方向的距离；
L6为Gx′的作用点到点K沿z′方向的距离。
图10 后从动轮脱离失效受力分析Fig.10 Failure force analysis of the rear driven wheel
(11)
由式(11)及图10可得：
(12)
当后从动轮处的磁吸附力Fc2满足式(12)时，机器人即使倒挂吸附在船体壁面上，也不会发生后从动轮脱离壁面而绕主动轮的旋转中心K翻转的现象。
4.1 磁吸附机构设计
机器人前端磁吸附力远比后端磁吸附力大，所以后端磁吸附机构的2个磁铁盒中各放1块永久磁铁。前端的磁吸附机构为5块永久磁铁，为了使5块永久磁铁所产生的磁吸附力最大，将磁铁按照Halbach Array排列在一起[13]，如图11所示。
图11 磁铁排列分布Fig.11 Distribution of magnet arrangement
4.2 基于Maxwell的磁吸附力仿真
使用的计算机操作环境为Windows 10 专业版，64位操作系统。采用磁力仿真软件Ansys Electronics Desktop-Maxwell 3D对永磁体进行分析，列出能够影响永久磁铁磁吸附力的参数，并进行分析[14-15]。采用控制变量法，分析其中一个参数变化与磁力大小之间的关系。
4.2.1 前磁铁吸附力仿真
前磁铁吸附机构由衔铁和5块永久磁铁按照Halbach Array排列在一起，磁铁的材质为钕铁硼N48H，轭铁材料为Q235。前磁体磁感应强度分布如图12所示。
图12 前磁铁磁感应强度分布
对前主动轮磁吸附机构的永磁体磁力线分布进行了仿真运算，得到如图13所示的磁力线分布。
图13 前磁铁磁力线分布Fig.13 Distribution of magnetic field lines of front magnets
对前磁吸附机构的磁吸附力Fc1进行了磁力仿真运算，其与壁面间距d之间的关系见图14。
图14 Fc1-d关系曲线Fig.14 Fc1-d relationship curve
由于船体壁面上存在多条焊缝，焊缝的高度为3～4 mm，机器人前端磁铁与壁面之间的安装距离设为5 mm，根据式(4)(7)(10)可得出：机器人不发生危险的临界值Fc1≥1 160 N。由图14可知：在安装距离为5 mm的条件下Fc1=2.15 kN，所以前磁铁提供的磁吸附力满足所需要求。
船体壁面的厚度也是影响机器人磁吸附力大小的一个重要因素。将前磁铁与壁面之间的安装距离固定为6 mm时，对前磁吸附机构的磁吸附力Fc1进行了磁力仿真运算，它与壁面厚度h之间的关系见图15所示的得到Fc1-h关系曲线。
图15 Fc1-h关系曲线Fig.15 Fc1-h relationship curve
由图15可知：在9 mm以内，磁吸附力随着壁面厚度的增大而增大；
但当厚度大于等于9 mm时，磁吸附力将基本保持不变。
4.2.2 后磁铁吸附力仿真
后磁铁是一整块永久磁铁，材质为钕铁硼N48H。轭铁材料为Q235，船体壁面最小厚度10 mm。后磁体磁感应强度分布如图16所示。对后轮磁吸附机构永磁体的磁力线分布进行了仿真运算，得到如图17所示的磁力线分布情况。
图16 后磁铁磁感应强度分布
图17 后磁铁磁力线分布Fig.17 Distribution of magnetic field lines of the rear magnet
对后磁吸附机构的磁吸附力Fc2进行了仿真运算，它与壁面间距d之间的关系如图18所示。可知：磁吸附力随着间隙的增大而减小。机器人质量45 kg，根据式(12)可得，机器人后端磁铁的磁吸附力需满足Fc2≥100 N。当机器人后端磁铁盒被动地上下移动间隙在2～10 mm时，Fc2均满足Fc2≥100 N，所以后磁铁提供的磁吸附力满足所需要求。
图18 Fc2-d关系曲线Fig.18 Fc2-d relationship curve
将机器人的各个模块进行组装，得到如图19所示样机，包括行走机构、磁吸附机构、焊缝打磨执行机构等，样机的整机质量大约为45 kg。为了验证机器人在船壁上运行的稳定性和焊缝打磨效果，通过模拟机器人在船壁上运动和对焊缝进行打磨，做了相关实验。
图19 机器人样机Fig.19 Robot prototype
5.1 机器人性能测试
组装好的样机进行了防下滑测试、防横向翻转测试、爬坡能力测试、负载能力测试和倒挂测试等，对上述仿真结果进行进一步验证：(1)在90°的壁面上进行下滑测试，如图20(a)所示，机器人由于电机自锁，前主动轮被锁住不动，机器人将静止在壁面上，磁吸附力提供的摩擦力克服重力防止机器人向下滑动；
(2)在90°的壁面上横向移动和任意多方向转向测试，如图20(b)所示，测试机器人是否会发生横向翻转；
(3)在90°壁面上向上移动的爬坡能力和越障能力测试，如图20(c)所示，电机由电调输出控制电流信号，闭环控制转速，机器人在垂直壁面上均速向上移动，未出现低速爬行的现象；
在越障过程中，机器人越障平稳；
(4)在90°壁面上向上移动负载能力测试，如图20(d)所示，机器人悬挂30 kg的重物进行测试；
(5)倒挂在壁面上移动测试，如图20(e)所示，测试机器人后轮是否会发生脱离而掉落。壁面材料为Q235，厚度15 mm。
图20 爬壁机器人性能测试
5.2 磁吸附力测试
将机器人的磁吸附机构单独装在磁力测试平台上进行测试，通过控制不同的间隙测试磁吸附力的大小，文中测试的间隙d在2～10 mm，每次增加1 mm，便可通过该磁力测试平台测试出在不同间隙时的磁吸附力，如图21所示。
图21 磁力测试平台Fig.21 Magnetic test platform
表1和表2为前、后磁吸附力仿真结果与实际测量结果的对比，与机器人前后吸附机构所提供的磁吸附力的仿真结果和实际测量出来的基本吻合。由此，实际加工出来的磁铁满足设计要求，可以保证机器人运行平稳。
表1 前磁吸附力对比Tab.1 Comparison of front magnetic adsorption force
表2 后磁吸附力对比Tab.2 Comparison of rear magnetic adsorption force
5.3 机器人焊缝打磨测试
将机器人置于带有焊缝的钢铁壁面上进行了焊缝打磨测试，在打磨过程中机器人运行良好，未出现打滑、倾覆和翻转等现象。通过对比焊缝打磨前、后，可得出打磨结束后，焊缝表面光滑，未出现焊缝余高，且露出一定的金属光泽，如图22所示。
图22 焊缝打磨测试
设计大型船舶侧壁的焊缝打磨机器人，通过对机器人各种失稳状态下的极限吸附力的设计计算、仿真运算及样机实验表明，设计的焊缝打磨机器人具有运行稳定、转向灵活和打磨效果良好性能：(1)通过力学分析和仿真，可以得到机器人在各个极限位置的极限磁吸附力，保证机器人不会发生翻转、掉落和倾覆。通过磁力仿真可以得出磁吸附力的大小与间隙值、壁厚之间的变化关系；
(2)由机器人性能测试可知，机器人在钢铁壁面上运行平稳，未出现向下滑动、横向翻转和倒挂脱离的现象，该机器人爬坡、越障和负载能力良好；
(3)通过机器人焊缝打磨实验可知：机器人在打磨过程中运行良好，未出现任何危险状况，打磨结束后，焊缝表面光滑，未出现焊缝余高，且露出一定的金属光泽。