0 引　言

近几年来，机器人技术不断发展成熟，各式各样的功能型机器人在各个领域中得到广泛的应用。爬壁机器人作为一种特殊功能机器人，能够实现垂直陡壁上进行作业，作为一种去掉人员高空极限作业的有效手段，爬壁机器人设备获得了广泛重视。

船体检测的目的是发现船舶结构可能出现的失效情况，如焊缝位置的疲劳断裂等，提高船舶的可靠性。船舶检测过程需要覆盖船舶甲板、舱壁、外部船体等位置，高度往往达到数十米，人工进行船体监测不仅工作效率低，还伴随着跌落的安全风险。因此，在这种船舶检测工况下，采用自动化爬壁机器人进行作业成为一种趋势。

本文介绍一种履带磁吸式爬壁机器人，分析爬壁机器人的力学特性，并设计爬壁机器人的远程控制系统，利用爬壁机器人完成船体高处结构的无损检测。

1 爬壁机器人结构设计

爬壁机器人根据吸附原理可以分为真空吸附和磁吸附2种。其中，真空吸附式机器人可以在钢材、铝材或玻璃等表面吸附，但对表面质量要求较高，出现裂缝等问题时容易漏气；磁吸附爬壁机器人尽管只能用于钢材，但吸附性很强，不受壁面裂缝等条件的限制，由于大型船体基本都采用钢材，因此，本文选择磁吸式爬壁机器人。

典型履带式磁吸附爬壁机器人示意图如图1所示。

磁吸式爬壁机器人需要满足下述性能要求：

1）负载能力

为了实现船舶各类检测和维护的工作，爬壁机器人需要具有一定的负载能力，在机器人垂直爬壁过程中，不仅能够承受机器人自身的重力，还需要承受各类辅助装置的重量以及在本体上搭载的模块，保障爬壁机器人除锈、检测、监控特定功能。

2）结构尺寸

爬壁机器人的结构尺寸设计不仅要满足永磁体的吸附能力，与壁面实际接触的总面积应该大于某一个数值，而且为了满足负载能力，尺寸不能无限制增加，本文采用的爬壁机器人尺寸为300 mm×200 mm×83.54 mm（长宽高）。

3）移动速度

爬壁机器人的移动速度与工作效率和安全性有关，由于船体壁面存在一定粗糙不平的位置，爬壁机器人速度过快不利于其安全性，速度太慢又会导致工作效率的下降，因此要综合考虑设定机器人的移动速度，本文限制机器人爬行速度低于7 m/min。

2 船舶检测过程的爬壁机器人技术应用 2.1 爬壁机器人的力学特性分析

爬壁机器人的安全性与其受力状态密切相关，建立爬壁机器人的力学模型如图2所示。

图中，OXYZ为地球坐标系，oxyz为爬壁机器人的动坐标系，壁面与竖直平面的夹角为 $\beta$ 。

假设机器人与其负载的总重力为G，则有重力的分解：

$\begin{gathered} {G_y} = G\sin \beta \text{，} \\ {G_x} = G\cos \beta \text{。} \\ \end{gathered}$

式中： ${G_x}$ ， ${G_y}$ 分别为沿2个坐标轴的分量。

假设履带爬壁机器人共有n个磁吸单元，第i个磁吸单元与壁面之间的吸附力和正压力为 ${N_i}/{F_i}$ ， ${F_f}$ 为爬壁机器人与壁面的摩擦力，则爬壁机器人所需的静压力为：

${F_f} \geqslant \left( {{G_x} + {G_y}} \right)/2 \text{，}$

${F_f} = {\mu _0} \cdot N = {\mu _0}\sum\limits_{i = 1}^n {{N_i}} \text{。}$

进而可得爬壁机器人与壁面之间的总压力为：

${F_e} \geqslant \frac{{{G_x} + {G_y}}}{{2{r_0}n}} + \frac{{{F_d} + {N_t} + {G_y}}}{{2n}} + \frac{{{N_e} - {F_e}}}{n} \text{。}$

式中， $n$ 为磁吸单元的个数。

由于磁吸式爬壁机器人采用铰链连接，磁吸单元在履带前进过程中不断翻转，定义翻转支点为C，则C处的平衡力矩为：

$\sum\limits_{}^{} {{M_e} = {M_1} + {M_2} + {M_3} = 0} \text{。}$

式中： ${M_1}$ 为第一块永磁体的转矩； ${M_2}$ 为重力切向的法向转矩； ${M_3}$ 为重力法向的转矩，按下式计算

$\begin{gathered} {M_1} = \left( {{F_{{\text{e1 }}}} - {N_1}} \right)l \text{，} \\ {M_2} = \frac{{(G \cdot \sin \alpha )}}{2}{l_1} \text{，} \\ {M_3} = \frac{{G \cdot \cos \alpha }}{2}{l_2} \text{。} \\ \end{gathered}$

式中： ${l_1}$ ， ${l_2}$ 分别为中心到质点的距离； ${N_1}$ 为第1块永磁体的支持力； ${F_{{\text{e1 }}}}$ 第1块永磁体对壁面的压力。

建立力平衡方程可得：

$\begin{gathered} \left( {{F_{{\text{e1 }}}} - {N_1}} \right)l - \frac{{(G \cdot \sin \alpha )}}{2} - \frac{{G \cdot \cos \alpha }}{2} = 0 \text{，} \\ {F_{e1}} = \frac{{(G \cdot \sin \alpha ){l_1}}}{{2l}} - \frac{{G \cdot \cos \alpha }}{{2l}} + {N_1} \text{。} \\ \end{gathered}$

2.2 船舶检测过程爬壁机器人控制系统设计

由于爬壁机器人必须采用自动化控制完成各类工作，因此控制系统的设计系统是爬壁机器人的重要环节，图3为爬壁机器人的控制原理图。

爬壁机器人控制系统应具备以下特点：

1）操作方便、可靠性高。由于爬壁机器人处于船体壁面高空作业，控制器必须具有较高的灵活性和可靠性。

2）可实时调整爬壁机器人的移动速度，准确调整机器人的运动方向，保证工作效率。

3）无损检测和探伤等功能模块能够实现单独控制，并将检测数据通过无线信号实时传输到地面控制中心，无线遥控距离需能够大于200 m。

2.3 船舶检测过程的爬壁机器人硬件设计

船舶检测过程爬壁机器人的关键部件包括驱动模块、检测装置、检测模块控制单元等。

1）驱动模块

选用伺服交流电机作为驱动动力，驱动模块包括伺服交流电机、减速器等。电机功率50 W，减速器的速比为73，设计移动速度6 m/min。驱动源采用蓄电池，续航时间可达3 h。

2）检测装置

超声波探伤法可探测金属板、大型锻件中所存在的夹杂物、裂缝等缺陷，也可以探测表面裂缝、划伤以及气孔等缺陷，因此，采用超声波探伤技术进行船体表面的质量检测可行性高。

将超声波探伤模块集成在履带式爬壁机器人的机械臂上，超声波探伤模块的原理图如图4所示。

爬壁机器人超声波探伤模块由高频电能、超声波控制箱、换能器、压电陶瓷晶体、变幅器、焊头等组成。

3）检测模块控制单元

超声波检测模块采用的控制器以AT89C51单片机为核心，配置标准的RS-485接口，图5为超声波检测模块的单片机控制器接线图。

3 船舶检测过程的爬壁机器人性能测试

为了验证本文设计的爬壁机器人的静态稳定特性，针对爬壁机器人履带与船舶壁面的摩擦力特性进行测试。由前文力学分析计算可知，机器人履带与壁面之间摩擦力 ${F_f}$ 应不低于机器人的驱动力，即

${F_f} \geqslant \frac{{{M_Q}}}{R} \text{，}$

由前文可知机器人履带与壁面的静摩擦系数为：

${\mu _0} \geqslant \frac{{2{M_Q} + GR\cos \beta }}{{\left( {2n{F_f} - {F_e} - {N_e} - G\sin \beta } \right)R}} \text{，}$

由于爬壁机器人转向时驱动力矩不大于额定力矩，即

$M \geqslant \frac{{G \cdot R\cos \beta }}{2} + \frac{{{\mu _0}R\left( {2n{F_e} - {F_d} - {N_t}} \right)}}{n} \cdot \sum\limits_{i = 1}^n {{I_i}} \text{，}$

可得动摩擦系数公式：

$\mu \leqslant \frac{{nB\left( {2M - 2{M_Q} - GR\cos \beta } \right)}}{{2R\left( {2n{F_e} - {N_e} - G\sin \beta } \right)}} 。$

本文测试的机器人履带与壁面的静摩擦系数曲线如图6所示。

4 结　语

爬壁机器人不仅能够代替人工进行狭小空间或危险环境的常规检测，还可以通过安装超声波或红外探伤设备，检测船体表面裂纹问题，安装自动清洗设备，进行船体表面的除锈。本文爬壁机器人的力学特性、控制系统构成详细介绍，并对爬壁机器人的摩擦力特性进行了测试。