船舶密闭舱室探测机器人载体设计研究
2014-07-31王刚翁晶蔺本浩王生海
王刚+翁晶+蔺本浩+王生海
摘 要 根据船舶密闭舱室钢架结构特点，设计了永磁吸附爬壁机器人。运用Solidworks对机器人本体结构进行了设计，采用有限元法对磁吸附力进行分析，通过单片机控制及无线芯片收发信号，实现对机器人遥控。试验结果表明，在复杂的空间曲面上，机器人能可靠的吸附与灵活运动，因此可按需要搭载相关检测设备进入船舶密闭舱室进行检测。
关键词 船舶；密闭舱室；爬壁机器人；检测；结构设计；有限元分析
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0019-02
船舶上布置着较多的密闭舱室，对于船员来说最大危险来自于其中的有毒有害气体，但是由于工作需要必须安排人员进入其中。即使有文献[1]所述的安全做法，但也可能因人失误、因设备故障等造成重大伤亡事故。为避免此类事故的发生，文献[2]提出了利用机器人代替人来进行船上危险环境检测的思想。文献[3]～[5]设计研究了船舶外表面作业机器人，为船舶密闭舱室探测机器人的设计研究提供了可借鉴的方式方法。本文根据船舶舱室钢架结构特点设计了新型永磁吸附爬壁机器人，其可应用在如压载舱、货舱等船舶密闭舱室。通过结构设计使机器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能够吸附在铁磁避面上，如搭载相关设备（气体检测器、摄像头等）即可完成相应的作业，可实现机器人代替人来完成危险作业的
功能。
1 爬壁机器人的本体结构设计
1.1 关键技术选择
1）吸附方式的选择。
真空吸附式往往需要携带真空泵，体积过大，而本机器人设计应用于船舶铁磁壁面，因此选用永磁吸附方式比较简单经济，同时通过合理的设计安装磁铁的结构，根据搭载设备的负载大小增减磁铁数量，这样即可保证增减吸附力又能灵活地适应壁面。
2）移动方式选择。
通过表2的比较分析，本设计选用双履带的移动方式，虽然结构上复杂，但其接触面积达、重心低、稳定性好，可增加负重且便于携带作业工具。另外，履带是铰链连接的，具有一定的柔性，能够适应壁面的曲率变化，且可越过焊缝等壁面上可能存在的障碍。
综上所述本文最终设计了永磁吸附双履带驱动式爬壁机
器人。
1.2 结构设计
利用Solidworks对机器人底盘结构进行建模，如图1。1是本体前部结构，设计了一定斜度的爬坡角度；2是本体后部安装配重的位置；3是安装磁铁的位置。在建模中以及后期配重时应尽量保证机器人重心靠后且贴近壁面。
图1 机器人本体结构solidworks建模
2 爬壁机器人的磁吸附设计
2.1 永磁材料的选择
当机器人在垂直于壁面或倒贴在墙壁上爬行时，永磁铁所提供的吸附力应能保证能够克服磁铁本身和机器人的重力，紧贴在壁面上。
钕铁硼三元系永磁材料是目前发现商品化性能最高的磁铁，机械加工性能相当好。本作品选用钕铁硼永磁材料的型号为N35[6]。
本文设计选用尺寸规格为20*10*2的长方体结构钕铁硼永磁铁。这样在保证机器人具有足够吸附力的同时也大大减小了磁铁所占用的空间和磁铁增加的重量。
2.2 永磁吸附优化设计
在实际设计过程中，经过反复调试，最后选取8块永磁铁以两两一对并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在机器人底部设置4个孔槽，长11 mm，宽4.2 mm，深度25 mm，将8块永磁铁两两的装入4个槽中，与铁磁性墙壁存在一段约4 mm的间隙。永磁铁的极性方向为垂直壁面，在磁铁、墙壁和之间的气隙中形成闭合的磁场，向机器人提供爬壁的磁吸附力。
2.3 磁吸附力的有限元分析
无论是设计以提供磁场为目的还是以产生指定的力学行为为目标的永磁结构，首先都要必须对由永磁体作为磁源的磁场进行计算。本文采用有限元方法，仿真计算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁机器人的速度低，可以近似的看作静态磁场。
本文在简化的物理模型、数学模型以及求解方法[7]基础上，采用基于麦克斯韦方程组求解的Ansoft Maxwell 14.0软件对磁吸附力进行仿真求解。
首先建立模型，对模型中的磁铁、墙壁和空气三种材料进行定义。由于Ansoft Maxwell 14.0软件中自带有N35型钕铁硼永磁材料、铁以及空气，所以只需选择相应的介质材料即可。然后进行相应边界条件设置、网格划分、参数选择和求解设置等，最后求解运算，计算后的磁场分布如图2所示。
通过计算分析，磁铁和墙壁之间的吸附力为13.992N，当机器人质量为1kg时，橡胶履带和铁质墙壁间的摩擦系数为0.75，因此履带和墙壁间的摩擦力10.494N大于机器人重量9.8N，所以机器人在爬墙过程中能够牢牢的吸附在墙壁上，保证了机器人的正常工作。
3 爬壁机器人的控制系统
爬壁机器人由主动轮运动带动前进、后退以及转向。一对主动轮通过减速装置各与一个直流电机相连，当两个电机以相同的转速向相同方向转动时，机器人完成前进、后退。当左边的电机转动，右边的电机停止时，机器人右转；反之，左转。
控制系统采用两级控制结构，保证爬壁机器人的实用性和可靠性。上位机可根据实际作业需要安装在易操纵位置，下位机安装于机器人本体，控制系统包含了伺服电机驱动模块、无线收发模块、直流电源模块和控制电路板等。而控制电路板以STC89C52单片机为核心，控制机器人的运动。
4 结束语
通过在船舶模拟舱室试验，机器人可达到预期的要求，能够完成从水平到竖直面的过渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同时能够适应壁面一定程度的突起与凹陷，具有一定的越障能力。另外，通过调试，实现了上位机与动力控制模块之间良好的通讯，机器人搭载无线模块，可以通过配套设计的遥控装置实现远程操作，控制机器人前进、后退以及转向。因此根据船舶作业任务要求，通过简单改造并搭载检测设备，便可实现此爬壁机器人代替船员完成相应作业任务。
参考文献
[1]李勇，刘云鹏.进入船舶封闭空间的安全做法[J].航海技术，2014（1）：70-72.
[2]鲁舜.在船舶检验中使用机器人[J].中国船检，2004（6）：96-97.
[3]衣正尧，弓永军，王祖温，等.用于搭载船舶除锈清洗器的大型爬壁机器人[J].机器人，2010，32（4）：560-567.
[4]高永宁，丁建龙.船体清洗装置的国内外应用与现状分析[J].新技术新工艺，2012（2）：28-30.
[5]蔡卫国，汪静，董利峰，等.适于水下船体的爬壁机器人关键技术及其研究进展[J].机器人技术与应用，2010（6）.
[6]王峰.水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.
[7]桂仲成，陈强，孙振国.爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计[J].电工技术学报，2006，21（11）：40-46.
作者简介
王刚（1988-），男，硕士研究生，学生，研究领域：船舶机电一体化，船舶动力定位。endprint
摘 要 根据船舶密闭舱室钢架结构特点，设计了永磁吸附爬壁机器人。运用Solidworks对机器人本体结构进行了设计，采用有限元法对磁吸附力进行分析，通过单片机控制及无线芯片收发信号，实现对机器人遥控。试验结果表明，在复杂的空间曲面上，机器人能可靠的吸附与灵活运动，因此可按需要搭载相关检测设备进入船舶密闭舱室进行检测。
关键词 船舶；密闭舱室；爬壁机器人；检测；结构设计；有限元分析
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0019-02
船舶上布置着较多的密闭舱室，对于船员来说最大危险来自于其中的有毒有害气体，但是由于工作需要必须安排人员进入其中。即使有文献[1]所述的安全做法，但也可能因人失误、因设备故障等造成重大伤亡事故。为避免此类事故的发生，文献[2]提出了利用机器人代替人来进行船上危险环境检测的思想。文献[3]～[5]设计研究了船舶外表面作业机器人，为船舶密闭舱室探测机器人的设计研究提供了可借鉴的方式方法。本文根据船舶舱室钢架结构特点设计了新型永磁吸附爬壁机器人，其可应用在如压载舱、货舱等船舶密闭舱室。通过结构设计使机器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能够吸附在铁磁避面上，如搭载相关设备（气体检测器、摄像头等）即可完成相应的作业，可实现机器人代替人来完成危险作业的
功能。
1 爬壁机器人的本体结构设计
1.1 关键技术选择
1）吸附方式的选择。
真空吸附式往往需要携带真空泵，体积过大，而本机器人设计应用于船舶铁磁壁面，因此选用永磁吸附方式比较简单经济，同时通过合理的设计安装磁铁的结构，根据搭载设备的负载大小增减磁铁数量，这样即可保证增减吸附力又能灵活地适应壁面。
2）移动方式选择。
通过表2的比较分析，本设计选用双履带的移动方式，虽然结构上复杂，但其接触面积达、重心低、稳定性好，可增加负重且便于携带作业工具。另外，履带是铰链连接的，具有一定的柔性，能够适应壁面的曲率变化，且可越过焊缝等壁面上可能存在的障碍。
综上所述本文最终设计了永磁吸附双履带驱动式爬壁机
器人。
1.2 结构设计
利用Solidworks对机器人底盘结构进行建模，如图1。1是本体前部结构，设计了一定斜度的爬坡角度；2是本体后部安装配重的位置；3是安装磁铁的位置。在建模中以及后期配重时应尽量保证机器人重心靠后且贴近壁面。
图1 机器人本体结构solidworks建模
2 爬壁机器人的磁吸附设计
2.1 永磁材料的选择
当机器人在垂直于壁面或倒贴在墙壁上爬行时，永磁铁所提供的吸附力应能保证能够克服磁铁本身和机器人的重力，紧贴在壁面上。
钕铁硼三元系永磁材料是目前发现商品化性能最高的磁铁，机械加工性能相当好。本作品选用钕铁硼永磁材料的型号为N35[6]。
本文设计选用尺寸规格为20*10*2的长方体结构钕铁硼永磁铁。这样在保证机器人具有足够吸附力的同时也大大减小了磁铁所占用的空间和磁铁增加的重量。
2.2 永磁吸附优化设计
在实际设计过程中，经过反复调试，最后选取8块永磁铁以两两一对并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在机器人底部设置4个孔槽，长11 mm，宽4.2 mm，深度25 mm，将8块永磁铁两两的装入4个槽中，与铁磁性墙壁存在一段约4 mm的间隙。永磁铁的极性方向为垂直壁面，在磁铁、墙壁和之间的气隙中形成闭合的磁场，向机器人提供爬壁的磁吸附力。
2.3 磁吸附力的有限元分析
无论是设计以提供磁场为目的还是以产生指定的力学行为为目标的永磁结构，首先都要必须对由永磁体作为磁源的磁场进行计算。本文采用有限元方法，仿真计算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁机器人的速度低，可以近似的看作静态磁场。
本文在简化的物理模型、数学模型以及求解方法[7]基础上，采用基于麦克斯韦方程组求解的Ansoft Maxwell 14.0软件对磁吸附力进行仿真求解。
首先建立模型，对模型中的磁铁、墙壁和空气三种材料进行定义。由于Ansoft Maxwell 14.0软件中自带有N35型钕铁硼永磁材料、铁以及空气，所以只需选择相应的介质材料即可。然后进行相应边界条件设置、网格划分、参数选择和求解设置等，最后求解运算，计算后的磁场分布如图2所示。
通过计算分析，磁铁和墙壁之间的吸附力为13.992N，当机器人质量为1kg时，橡胶履带和铁质墙壁间的摩擦系数为0.75，因此履带和墙壁间的摩擦力10.494N大于机器人重量9.8N，所以机器人在爬墙过程中能够牢牢的吸附在墙壁上，保证了机器人的正常工作。
3 爬壁机器人的控制系统
爬壁机器人由主动轮运动带动前进、后退以及转向。一对主动轮通过减速装置各与一个直流电机相连，当两个电机以相同的转速向相同方向转动时，机器人完成前进、后退。当左边的电机转动，右边的电机停止时，机器人右转；反之，左转。
控制系统采用两级控制结构，保证爬壁机器人的实用性和可靠性。上位机可根据实际作业需要安装在易操纵位置，下位机安装于机器人本体，控制系统包含了伺服电机驱动模块、无线收发模块、直流电源模块和控制电路板等。而控制电路板以STC89C52单片机为核心，控制机器人的运动。
4 结束语
通过在船舶模拟舱室试验，机器人可达到预期的要求，能够完成从水平到竖直面的过渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同时能够适应壁面一定程度的突起与凹陷，具有一定的越障能力。另外，通过调试，实现了上位机与动力控制模块之间良好的通讯，机器人搭载无线模块，可以通过配套设计的遥控装置实现远程操作，控制机器人前进、后退以及转向。因此根据船舶作业任务要求，通过简单改造并搭载检测设备，便可实现此爬壁机器人代替船员完成相应作业任务。
参考文献
[1]李勇，刘云鹏.进入船舶封闭空间的安全做法[J].航海技术，2014（1）：70-72.
[2]鲁舜.在船舶检验中使用机器人[J].中国船检，2004（6）：96-97.
[3]衣正尧，弓永军，王祖温，等.用于搭载船舶除锈清洗器的大型爬壁机器人[J].机器人，2010，32（4）：560-567.
[4]高永宁，丁建龙.船体清洗装置的国内外应用与现状分析[J].新技术新工艺，2012（2）：28-30.
[5]蔡卫国，汪静，董利峰，等.适于水下船体的爬壁机器人关键技术及其研究进展[J].机器人技术与应用，2010（6）.
[6]王峰.水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.
[7]桂仲成，陈强，孙振国.爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计[J].电工技术学报，2006，21（11）：40-46.
作者简介
王刚（1988-），男，硕士研究生，学生，研究领域：船舶机电一体化，船舶动力定位。endprint
摘 要 根据船舶密闭舱室钢架结构特点，设计了永磁吸附爬壁机器人。运用Solidworks对机器人本体结构进行了设计，采用有限元法对磁吸附力进行分析，通过单片机控制及无线芯片收发信号，实现对机器人遥控。试验结果表明，在复杂的空间曲面上，机器人能可靠的吸附与灵活运动，因此可按需要搭载相关检测设备进入船舶密闭舱室进行检测。
关键词 船舶；密闭舱室；爬壁机器人；检测；结构设计；有限元分析
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0019-02
船舶上布置着较多的密闭舱室，对于船员来说最大危险来自于其中的有毒有害气体，但是由于工作需要必须安排人员进入其中。即使有文献[1]所述的安全做法，但也可能因人失误、因设备故障等造成重大伤亡事故。为避免此类事故的发生，文献[2]提出了利用机器人代替人来进行船上危险环境检测的思想。文献[3]～[5]设计研究了船舶外表面作业机器人，为船舶密闭舱室探测机器人的设计研究提供了可借鉴的方式方法。本文根据船舶舱室钢架结构特点设计了新型永磁吸附爬壁机器人，其可应用在如压载舱、货舱等船舶密闭舱室。通过结构设计使机器人具有一定的越障能力，利用吸附力使自身能够吸附在铁磁避面上，如搭载相关设备（气体检测器、摄像头等）即可完成相应的作业，可实现机器人代替人来完成危险作业的
功能。
1 爬壁机器人的本体结构设计
1.1 关键技术选择
1）吸附方式的选择。
真空吸附式往往需要携带真空泵，体积过大，而本机器人设计应用于船舶铁磁壁面，因此选用永磁吸附方式比较简单经济，同时通过合理的设计安装磁铁的结构，根据搭载设备的负载大小增减磁铁数量，这样即可保证增减吸附力又能灵活地适应壁面。
2）移动方式选择。
通过表2的比较分析，本设计选用双履带的移动方式，虽然结构上复杂，但其接触面积达、重心低、稳定性好，可增加负重且便于携带作业工具。另外，履带是铰链连接的，具有一定的柔性，能够适应壁面的曲率变化，且可越过焊缝等壁面上可能存在的障碍。
综上所述本文最终设计了永磁吸附双履带驱动式爬壁机
器人。
1.2 结构设计
利用Solidworks对机器人底盘结构进行建模，如图1。1是本体前部结构，设计了一定斜度的爬坡角度；2是本体后部安装配重的位置；3是安装磁铁的位置。在建模中以及后期配重时应尽量保证机器人重心靠后且贴近壁面。
图1 机器人本体结构solidworks建模
2 爬壁机器人的磁吸附设计
2.1 永磁材料的选择
当机器人在垂直于壁面或倒贴在墙壁上爬行时，永磁铁所提供的吸附力应能保证能够克服磁铁本身和机器人的重力，紧贴在壁面上。
钕铁硼三元系永磁材料是目前发现商品化性能最高的磁铁，机械加工性能相当好。本作品选用钕铁硼永磁材料的型号为N35[6]。
本文设计选用尺寸规格为20*10*2的长方体结构钕铁硼永磁铁。这样在保证机器人具有足够吸附力的同时也大大减小了磁铁所占用的空间和磁铁增加的重量。
2.2 永磁吸附优化设计
在实际设计过程中，经过反复调试，最后选取8块永磁铁以两两一对并排一行的布局，吸附效果最佳。因此，在机器人底部设置4个孔槽，长11 mm，宽4.2 mm，深度25 mm，将8块永磁铁两两的装入4个槽中，与铁磁性墙壁存在一段约4 mm的间隙。永磁铁的极性方向为垂直壁面，在磁铁、墙壁和之间的气隙中形成闭合的磁场，向机器人提供爬壁的磁吸附力。
2.3 磁吸附力的有限元分析
无论是设计以提供磁场为目的还是以产生指定的力学行为为目标的永磁结构，首先都要必须对由永磁体作为磁源的磁场进行计算。本文采用有限元方法，仿真计算磁吸附力的大小。另外，由于爬壁机器人的速度低，可以近似的看作静态磁场。
本文在简化的物理模型、数学模型以及求解方法[7]基础上，采用基于麦克斯韦方程组求解的Ansoft Maxwell 14.0软件对磁吸附力进行仿真求解。
首先建立模型，对模型中的磁铁、墙壁和空气三种材料进行定义。由于Ansoft Maxwell 14.0软件中自带有N35型钕铁硼永磁材料、铁以及空气，所以只需选择相应的介质材料即可。然后进行相应边界条件设置、网格划分、参数选择和求解设置等，最后求解运算，计算后的磁场分布如图2所示。
通过计算分析，磁铁和墙壁之间的吸附力为13.992N，当机器人质量为1kg时，橡胶履带和铁质墙壁间的摩擦系数为0.75，因此履带和墙壁间的摩擦力10.494N大于机器人重量9.8N，所以机器人在爬墙过程中能够牢牢的吸附在墙壁上，保证了机器人的正常工作。
3 爬壁机器人的控制系统
爬壁机器人由主动轮运动带动前进、后退以及转向。一对主动轮通过减速装置各与一个直流电机相连，当两个电机以相同的转速向相同方向转动时，机器人完成前进、后退。当左边的电机转动，右边的电机停止时，机器人右转；反之，左转。
控制系统采用两级控制结构，保证爬壁机器人的实用性和可靠性。上位机可根据实际作业需要安装在易操纵位置，下位机安装于机器人本体，控制系统包含了伺服电机驱动模块、无线收发模块、直流电源模块和控制电路板等。而控制电路板以STC89C52单片机为核心，控制机器人的运动。
4 结束语
通过在船舶模拟舱室试验，机器人可达到预期的要求，能够完成从水平到竖直面的过渡爬行以及垂直壁面上的爬行，同时能够适应壁面一定程度的突起与凹陷，具有一定的越障能力。另外，通过调试，实现了上位机与动力控制模块之间良好的通讯，机器人搭载无线模块，可以通过配套设计的遥控装置实现远程操作，控制机器人前进、后退以及转向。因此根据船舶作业任务要求，通过简单改造并搭载检测设备，便可实现此爬壁机器人代替船员完成相应作业任务。
参考文献
[1]李勇，刘云鹏.进入船舶封闭空间的安全做法[J].航海技术，2014（1）：70-72.
[2]鲁舜.在船舶检验中使用机器人[J].中国船检，2004（6）：96-97.
[3]衣正尧，弓永军，王祖温，等.用于搭载船舶除锈清洗器的大型爬壁机器人[J].机器人，2010，32（4）：560-567.
[4]高永宁，丁建龙.船体清洗装置的国内外应用与现状分析[J].新技术新工艺，2012（2）：28-30.
[5]蔡卫国，汪静，董利峰，等.适于水下船体的爬壁机器人关键技术及其研究进展[J].机器人技术与应用，2010（6）.
[6]王峰.水下船体表面清刷机器人磁吸附驱动装置的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.
[7]桂仲成，陈强，孙振国.爬壁机器人永磁吸附装置的优化设计[J].电工技术学报，2006，21（11）：40-46.
作者简介
王刚（1988-），男，硕士研究生，学生，研究领域：船舶机电一体化，船舶动力定位。endprint
