爬壁機器人,在船舶行業中,如何解決吸附力和穩定性不足的問題?

2024年02月21日23:25:35 科技 1719

爬壁機器人,在船舶行業中,如何解決吸附力和穩定性不足的問題? - 天天要聞

文|大核有料

編輯|大核有料

爬壁機器人是一種具有爬牆能力的機器人。它通常具有吸附裝置,可以將其固定在牆壁上,並使用臂膀或其他機械設備爬行。在船舶行業,爬壁機器人可以用於搜尋和救援,也可以用於清潔和維護船舶外部。

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爬壁機器人能夠降低成本,減少安全危害,極大提升船廠的工作效率,爬壁機器人在船舶的實際應用是一個非常重大的挑戰,船舶表面的環境類型廣泛,並且不斷變化,使用傳統的機器人設計方法非常困難。

與在傳統的裝配線上進行操作不同,船用機器人的作業位置(船舶或海洋結構物)常常是不斷移動的。

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因此,隨著施工的進行船用機器人往往要面對各式各樣的複雜曲面,需要在充滿各種變化的環境中移動和越過障礙物:如其他移動機器人或人類、腳手架、機械等,因此,造船廠屬於機器人滲透程度較低的行業。

直到近些年,爬壁機器人才真正被船舶行業採用,例如檢查、焊接和船體清潔。爬壁機器人的研究人員最關注的方面是機器人如何在船體工作區域上移動。

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在這方面,從輪式機器人到不同類型的足式機器人,不同的方案都有實現的可能性。儘管如此,機器人使用清潔工具(如機械圓盤刷或空化噴射設備)在船體表面工作時會遇到很大的反作用力,機器人必須牢固地附著在船體表面,並施加適當的力來吸附和移動。

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而且船體通常是一個複雜的曲面,曲率不斷變化,有許多焊接突起,導致自主清潔障礙。因此,研究人員開發了許多不同類型的吸附式攀爬平台,如磁吸附、推力吸附、真空吸附以及模擬吸附等。

«——【·磁吸附類·】——»

永磁吸附機器人一直是船舶清洗領域的熱點,因為船舶表面具有易於磁吸附的特點,磁吸附往往是船體爬壁機器人的第一選擇。磁吸附平台的運動方式大多採用履帶式、腿式和輪式。

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永磁吸附(履帶式):浙江某大學的研究人員設計了一種具有攀爬能力的機器人,並製作了原型,用於造船業的垂直結構檢測。

如圖1所示,機器人由磁軌系統、控制系統、探測器支架和機器人本體結構4個模塊組成。

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船體主要由鋼製成,由於焊接變形而經常不平整,因此選擇永磁作為黏附和運動類型。機器人軌道由電機驅動。

由於焊縫、壁面變形和材料腐蝕,船舶表面不平整。因此,單純設計柔性軌道來適應變形是不夠的,機器人可能不會按照預定的路徑行走。攀爬機器人在不平坦的表面上休息的示例如圖2所示。

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為了解決上述問題並進一步提高精度,研究人員設計了一個補充校正部分,如圖3所示。

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它使機器人能夠自我適應不平坦的表面,同時,控制系統增加了自校正功能。

通過兩個位置感測器實時監測機器人的爬行姿態角度,每當實際軌跡與設計軌跡之間存在差異時,就可以檢測軌跡並校正偏移值。

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為防止在極端情況下機器人滑落或傾覆,研究人員還在實驗室進行了一系列實驗測試,測試驗證了機器人的爬壁平台參數如下。

機器人具有廣泛的速度範圍(主要取決於電機的頻率),最高速度超過7m/min。

隨著塗層厚度的增加,吸附力減小。當塗層厚度達到1mm時,機器人仍然能夠牢固地吸附在船舶表面。

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當重量增加到6kg時,機器人無法攀爬,因此,其有效載荷能力應小於6kg。

機器人可以克服一定高度的障礙物,不大於10mm。

永磁吸附(輪腿式):許多爬壁平台的設計集中於垂直爬牆,然而,船體具有不規則形狀,機器人應不斷調整其姿態,以在移動過程中保持車輪或軌道與船體接觸。

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通常,船體在水線下的區域具有更大的曲率,這要求機器人的工作機制具有強大的適應性。然而機器人大多採用一體化剛性結構,變形能力較弱,無法適應船體的變曲率壁。

爬壁式機器人經常設計為分體式履帶式,可以水平和垂直翻轉。

然而,爬壁平台本身是不彎曲的,這使得機器人可以在曲率較大的牆上很好地行走,但很容易從曲率較小的牆上掉下來。

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針對複雜曲面吸附力不足的問題,上海某大學的研究人員設計了一種基於輪腿複合移動機構的柔性船體清潔機器人,並設計了一種能夠獨立變形並適應船體形狀的多關節行走機構

所設計的機器人具有柔性輪腿複合移動機構,使機器人能夠適應變曲率船體,並對船體有很強的吸附力。

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這種新穎的行走機構還允許機器人在整個船體上自由運行障礙物,並在水下和空中進行船體清潔作業。該機器人可以根據船體曲率的變化被動地調整吸附機構的姿態。

所設計的船體清潔機器人輪腿行走機構比傳統的履帶式或輪式機器人具有更好的靈活性、適應性和穩定性。

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如圖4所示,機器人本體包括行走機構、吸附機構、清潔機構機構、回收裝置(避免清洗廢液中高濃度的金屬和油漆物質污染海洋環境)和控制室。

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回收蓋底部安裝了4個輔助吸附永磁體塊,以增強機器人的整體吸附力,4個萬向輪布置在清潔盤周圍,以與船體保持適當的清潔距離。

清潔機器人在4個柔性複合輪腿機構的支撐下行走,柔性輪腿的機械結構如圖5所示,腿分為三段。

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第二部分由支撐橫軸在軌道中的位置的壓縮彈簧約束。第三部分為嵌套槽鋁,磁輪可以自由翻轉、傾斜,根據船體曲率的變化被動地調整吸附機構的姿態。

設計的可調輪腿由旋轉軸上的3個支腿框架組成,這種設計消除了磁輪的位置限制,擴大了運動空間。相比傳統的履帶式或輪式機器人具有更好的靈活性、適應性和穩定性。

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電磁吸附(電磁腿):西班牙拉科魯尼亞大學的研究人員設計製造了一款爬壁式噴砂機器人,在滿足一系列驅動和安全要求的同時,它能在船體表面航行,按照一定的規則運輸和移動噴槍,並且在完全失去供電的情況下,機器人能夠保持靜止在當前工作位置,並完全附著在船體上。

該機器人使用永磁體作為附著手段。但是,由於一些船舶區域材料是鐵磁性的,在機器人作業過程中,磁鐵需要遠離噴槍,並在某些地方退磁,以避免大量的砂礫附著。

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因此,這種方法的另一個優點是,它可以非常容易地去除在操作過程中可能附著在磁體上的任何鐵磁灰塵。

如圖6所示,機器人架構基於兩個四腿框架或模塊,通過兩個複雜的關節連接,允許它們彼此相對移動,同時允許整個機器人行走。

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雙框架主體為基礎,上層為控制機構,下層為噴砂結構,有利於機器人沿直線或微彎曲路徑前進時噴槍旋轉進行噴砂。

不同於傳統地滾輪和履帶式,該機器人創新地使用了一種基於電磁的「機械腿」,機器人使用帶有磁性的機械腿作為運動機構。

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噴砂工作時,機械腿可以依靠磁性貼附在船體表面,而離開船體表面時,磁鐵會退磁,以便於機械腿進行移動。

在架構方面,機器人基於兩個模塊,這兩個模塊彼此相對移動,運動結構使用了多個軸承和滑軌作為機械腿之間的運動耦合,這種運動耦合方式允許兩軸之間的相對線性位移,以及兩軸之間的相對旋轉,使得機器人能夠完成前進、改變方向和水平移動。爬壁平台的運動部件如圖7所示。

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第一個複雜關節由S1和S3滑塊和被動R1關節組成,這只是一個軸承。第二個由S2和S4滑塊以及與R1類似的被動R2關節組成。除S4外,所有4個滑塊均由氣動線性致動器驅動,S4被動。

下部模塊有4個支腿,由線性致動器(T5~T8)驅動,並通過球窩接頭(BS5~BS8)在其底部與磁鐵連接。這種耦合方式允許磁體適應船體表面的小角度偏差,從而增加其抓地力。

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該模塊具有一個雙作用線性致動器,用於驅動滑塊S3,滑塊S3相對於S4對齊安裝。兩個軸承(R1和R2)安裝在這兩個元件(S3和S4)上。

這些R1和R2接頭通過其頂端連接到安裝在上框架上的S1和S2滑塊,從而將兩個模塊連接在一起以允許兩個模塊之間沿兩個軸線的相對線性位移,以及模塊之間的相對旋轉。這些模塊共同作用實現機器人的基本運動能力。

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頂部模塊是由剛性矩形結構形成的框架,其具有位於矩形頂點處的4個致動腿。它們與下部模塊的支腿相同。

它還提供了兩個平行的線性致動器,驅動沿著矩形框架的兩個平行側移動的S1和S2滑塊。

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當一起致動時,這些致動器負責機器人在船體上的垂直運動,當獨立致動時負責模塊之間的相對旋轉性能。

在這些致動器中,滑塊中的氣動制動系統防止一個模塊相對於另一個模塊的垂直位移。當一個模塊移動時,另一個模塊通過其四條腿與船體相連。

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如果發生電源故障,腿執行器中的空氣被清除,所有八隻腳都放在地面上,將機器人連接到船體上。在移動之前,每個模塊都會消磁並收回腿。

為了防止模塊耦合處出現不受控制的力矩,每個磁體旁邊都有一個機械支撐元件,該元件由一個帶有球形輪的腿組成。

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由於船體是一個三維表面,為了使機器人正常工作,有必要修正機器人沿其路徑的軌跡。即通過向驅動滑塊S1和S2的致動器引入指令的差異,在機器人路徑中引入小轉彎而不損害其致動。

機器人正常作業不需要進行大轉彎,然而,在某些情況下,機器人需要急轉彎。這些類型的轉動可通過以下方式實現:底部模塊固定,頂部模塊鬆開,滑塊S1和S2沿相反方向移動;然後將頂部模塊固定到表面,釋放底部模塊;之後,S1和S2幻燈片一直向後移動。

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此時,機器人已轉過37°左右。根據需要重複該操作多次,就可以完成所需的轉向角。考慮到機器人必須在鐵磁表面上移動,研究人員還選擇了基於永久磁鐵的固定系統。

如前所述,在系統發生故障時,這樣的固定元件比其他選項(如電磁鐵或基於真空的固定元件)更安全,因為這些其他方法都不能保證機器人在完全失去能量供應時不會墜落。

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«——【·負壓吸附類·】——»

螺旋槳式:螺旋槳式負壓吸附是應用最廣泛的吸附方式之一,難度低,容易實現;然而,當機器人靠近船體壁時,螺旋槳的吸附效率很低,流體噪音特別大,容易對機器人的工作造成干擾。

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中國某大學的研究人員利用伯努利負壓產生機制設計了一種負壓吸附式水下攀爬機器人「UCRobot」。

與其他水下攀爬機器人相比,該機器人具備相當的抗干擾能力,實現了更高的吸附性能。UCRobot的機械結構如圖8所示。

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它由9個主要模塊組成,包括主框架、CRPs、姿態調節模塊、運動模塊、船體清潔模塊、控制和驅動模塊、壓力感測模塊、通信和定位模塊以及檢查模塊。

真空吸附:另一種應用較廣的吸附方式為真空吸附,即利用吸盤內外的壓力差將機器人推到船體表面。由於船體表面充滿了不均勻的海洋生物或縫隙,因此在吸盤軟橡膠周圍發生密封泄漏的情況下,機器人很難將自己吸附到船體表面。

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這種缺點限制了真空吸附機制在相對無孔、無間隙和光滑表面上的應用。並且由於真空吸附的吸附力無法調整,這對機器人的運動控制提出了挑戰。

與電磁吸附方法相比,真空吸附機制更適合開發用於清潔、噴漆和檢查任務的高有效載荷攜帶爬牆機器人。

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印度理工大學的研究人員提出了一種真空吸附式爬牆機器人,該機器人通過諸如皮帶、轉向、帶被動和主動吸入的導軌等機構,可連續運動、黏附,以及敏銳轉向,高效覆蓋工作區域。

且吸盤內的真空控制無需使用電磁閥,降低了機器人的整體重量和電力消耗。

如圖9所示,機器人由皮帶機構兩側的兩對前後履帶輪驅動。

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GFCR的組件包括四對前後履帶輪(左側和右側)、兩個正時皮帶機構(左側和右側)、以及滾刷和轉向機構組成的底座平台。滾筒清洗刷臂的尾端通過被動蝸殼接頭與機器人底板相連。

齒輪機構的驅動電機與相應的機構連接,用於各種所需的機器人運動。

如圖10所示,GFCR的轉向機構有一個固定部分連接到機器人底板上,另一部分可藉助一對絲杠和齒圈和小齒輪機構的組合來移動。帶絲杠機構的行星齒輪系在爬升時提供所需的轉向動作以及機器人的主動和被動吸力附件。

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GFCR的急轉是通過激活轉向機構的圓形吸盤內的真空以黏附在玻璃牆表面來完成的。

機器人本體可以通過控制帶有行星齒輪系或皮帶的相反運動來控制連接的電機,從而自由轉動轉向機構。轉向機構設有旋轉接頭機構,以避免連接多輪吸盤的氣動管纏結。

«——【·結語·】——»

本文講述了用於船用攀爬機器人附著到表面的特殊設計,重點介紹了目前正在開發的實現這些目標的新結構設計。

船用攀爬機器人與一般攀爬機器人的設計差異如表1所示。

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如表2所示,每種吸附方式、吸附平台都有自己獨特的特點,也有著不同的限制和缺陷。

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由於磁鐵的重量,磁性機器人很重,只能在鐵磁表面上使用;基於真空吸附的機器人重量輕,易於控制,但由於壓縮空氣泄漏,它們不能用於開裂的表面;受生物啟發的機器人仍處於開發階段,因為新材料正在測試並有待改進。

目前尚未出現一種能夠完美覆蓋船體工作環境要求的爬壁平台。

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結合國內外研究成果,船體表面限制、其他行業要求和對各爬壁平台的分析,目前爬壁平台的通用問題是吸附力不足和穩定性不足。爬壁機器人的未來設計應注意以下幾個關鍵特徵。

通用性:由於船體表面和其他水下平台具有不同的形狀、面積和材料,理想的水下吸附機器人應儘可能通用,並能夠適應可能遇到的大多數表面或平台,具有一定的越障能力。

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魯棒性機器人的工作環境極易受外界干擾。此外,機器人工作條件,即船體表面條件,對吸附力的影響也很大。因此,吸附機構應能夠以足夠的力將機器人拉到表面上,該力可實時調節,對複雜多變的環境具有魯棒性。

靈活性:機器人應能在附著和清潔表面時靈活移動。當機器人移動時,其滾動摩擦力取決於作用在機器人本體上的垂直吸附力。為了保證機器人的運動穩定性,由於表面環境的複雜性,必須使機器人的吸附力保持在可控和適用範圍內的同時,還具有一定的靈活性。

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