海洋導管架四輪磁吸附式水下清洗機器人設計

岳春梅，劉書海，姜明明

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

隨著海洋經濟時代的到來，海洋平臺導管架作為海洋石油開采不可或缺的重要裝備之一，其安全性問題逐漸被人們重視[1]。由于長期固定在深水之中，導管架除了被海水侵蝕之外，還易成為各種海洋生物群落生長、繁殖的棲居地。例如，藤壺、海藻、貝殼等生物長期附著在導管架表面[2]。隨著生物的聚集與堆積，不僅會對導管架產生生物腐蝕，還會使導管架的結構特性發生變化，改變其力學特性，進而影響導管架的壽命，增加海洋平臺運行的安全隱患。因此，及時對導管架上的生物和腐蝕產物進行清理顯得尤為重要。

目前，海洋平臺導管架表面附著物的清除方式主要是人工作業。近年來，從國外引入高壓水射流設備，由潛水員攜帶高壓水射流設備進行作業。由于高壓水射流沖擊力較大，出水壓力約為75～100 MPa[3]，對潛水員的自身安全造成一定的威脅。人工進行水下作業的過程中，受海洋自然地理環境以及天氣環境影響較大，清洗過程多變因素較多，勞動強度大，效率低。為提高水下清洗作業的工作效率，研發一套專業的清除設備，代替人工進行水下作業十分必要[4]。

近年來，攀爬類機器人因具有操作便捷、適應環境能力強、工作穩定可靠等優點，得到了迅速發展，并廣泛應用于各行各業，特別是水下鋼結構清洗作業領域[5-6]。在水下清洗爬壁機器人研究方面，Souto等[7]提出了一種負壓吸附式形態適應機器人Lappa，該機器人利用推進器產生的負壓差將自身連接到船體上，清潔過程由旋轉刷子完成。由九州工業大學Nassiraei等[8]研發的四輪機器人具有更專業的清刷裝置，2個刷子反向旋轉，清洗作業的同時，還可以為機器人提供驅動力。卡內基梅隆大學Ross等[9]設計了船體清潔機器人M2000，吸附方式為永磁體陣列吸附，清洗裝置為高壓水射流。在此基礎之上，大連海事大學開發了一種與M2000具有相似操作原理的船體清潔機器人[10]，不同之處在于其驅動機構是鏈輪。

導管架由不同尺寸的鋼管組成，并且具有其特殊的結構?？紤]到上述機器人不能適應各種管道類型，清潔效率無法保證，因此，基于對攀爬機器人的實用情況與設計理念，設計了一種針對水下導管架鋼管結構清洗作業的磁吸附式攀爬機器人。為了確保機器人能夠攜帶清洗設備在導管架上平穩、可靠地爬行，并完成清洗作業，對機器人進行了詳細的分析與設計。

1 清洗作業機器人方案研究

1.1 設計要求

該機器人在導管架表面作業時，要能完成清刷任務，同時還要保證其運行的穩定性。表1列出了該機器人的設計參數和技術要求。

表1 機器人設計方案和技術要求

在滿足設計參數的情況下，該機器人期望實現3個功能。

1) 吸附功能。

海洋平臺導管架的壁面材料(機器人的吸附平面)一般是鋼性材料，導磁性能良好。由于導管架表面被海生物附著，其表面呈現凹凸不平的狀態，因此要求機器人具有可靠、安全的吸附方式，既能保證移動的靈活性，也能保證工作過程穩定，不會產生掉落的情況。

2) 攀爬行走功能。

導管架由立柱、水平支撐梁和斜撐梁等結構組成，其中立柱直徑最大，斜撐梁直徑最小，水下結構均易被海生物附著，清刷表面具有曲率變化大、障礙明顯等特征，因此要求機器人的行走方式有較強的適應性，且具有一定的越障能力。

3) 清刷功能。

本研究設計的機器人最終目的是實現水下清刷功能，清刷目標是導管架表面附著的海生物(藤壺、海澡、貝類等)。附著生物具有吸附能力強、種類繁多的特點，因此要求機器人的清刷機構具有足夠的水下適應能力與清刷動力，同時還需在作業時盡量實現平穩運轉，降低對機器人移動行走的干擾，確保其清刷工作的穩定性。

1.2 機械整體結構設計

通過分析國內外各研究機構設計的水下攀爬式清洗機器人的結構及功能，本文在實現所有技術要求的前提下，結合水下清洗作業的工作環境，提出了磁吸附式海洋平臺導管架表面清刷機器人樣機的結構設計方案。

該機器人的主體機械結構設計分為7個部分：

1) 吸附裝置。機器人通過該裝置吸附在工作平面上，進行清刷作業。

2) 機器人框架。承載機器人的各個控制元件。

3) 控制箱。控制機器人的位姿、行走等功能。

4) 電機箱。機器人的驅動裝置。

5) 傳動機構。使機器人的各個構件運轉的機構。

6) 密封機構。避免機器人受到海水的腐蝕。

7) 清刷機構。實現清除附著在導管架表面的生物和腐蝕產物的機構。

機器人整機由水上部分和水下部分組成，2部分通過防水電纜進行連接，水上部分主要實現對機器人位姿、深度的控制，通過姿態傳感器、水壓計和編碼器等結構控制機器人位置形態。本研究重點為機器人樣機的結構設計，控制部分將是下一階段的研究工作。

2 吸附方案設計

導管架多為圓形鋼管，且佇立于深海之中。水下清洗工作環境特殊，清洗機器人需要極其可靠的吸附方式。目前，國內爬行機器人常用吸附方式有負壓(真空)吸附、推力吸附和磁吸附等。其中，最適合鋼管結構的吸附方式為磁吸附。磁吸附方式根據吸附體的不同分為永磁體吸附和電磁體吸附2種形式，最適合水下環境的磁吸附方式為永磁吸附。結合水下作業環境以及鋼管結構的特殊性，且四輪機制比二輪或三輪更具穩定性，最終采取四輪磁輪吸附方式。

由于水下工作環境影響因素頗多，磁輪吸附提供的磁力易受外界因素干擾，不能保證絕對的穩定，因此本研究采用組合式磁體吸附的方式。組合式磁體吸附裝置包含磁輪與磁體吸附單元2種結構，裝置產生的吸附磁力由4個磁輪和2個磁體吸附單元提供。

2.1 吸附條件分析

導管架結構組成包括立柱、水平支撐梁和斜撐梁等，各構件的尺寸不同，其直徑為500～1 500 mm[11]，當機器人在導管架上爬行和工作時，機器人受到洋流和海浪的影響，其受力方向不斷變化，穩定性受到影響。這些因素會導致機器人出現2種類型的故障形式：滑倒和跌落。為了避免這2種故障，磁體吸附組合必須提供足夠的吸附力。

為保證機器人水下爬行過程中能夠滿足極限工況要求，即，可以在直徑最小、傾斜程度最大的鋼管上穩定爬行，特此選取直徑為?450 mm、水平傾角為90°的鋼管作為研究對象，取校正系數0.875，則被研究鋼管直徑確定為?393.75 mm。

對機器人在豎直鋼管壁面工作進行靜力分析，將機器人及其攜帶裝置看作一個整體，質心為幾何結構中心，其受力分析如圖1所示。

圖1 機器人在豎直壁面上作業受力分析示意

其中，F為磁鐵產生的總的吸附力，f為輪子受到的摩擦力，N、G分別為機器人受到的壁面支撐力與重力，r為車輪半徑，L為前后兩輪的輪距。

機器人吸附失效有2種形式：①由于吸附裝置的吸附力小于其他外力，使機器人與接觸表面分離導致其跌落；②吸附力產生的轉矩不足以克服機器人其他外部轉矩而造成的滑倒現象。為避免機器人從壁面掉落，分別對這2種情形進行分析。

1) 跌落分析。

由受力分析可知，機器人不跌落，首先要滿足式(1)：

f≥G

(1)

對機器人水平方向做受力分析，有：

F=N

(2)

設管道壁面的摩擦因數為μ，并取安全系數λ為1.5，則機器人不跌落的力學條件為：

(3)

其中，摩擦因數μ為0.25，設機器人裝置總質量約為10 kg，取重力加速度為9.8 m/s2。則F≥588 N。

2) 滑倒分析。

對點A進行力矩的計算，可得機器人不發生傾覆的條件是：

∑Ma≥Fa-Na-Gr

(4)

式中：Ma是電機的驅動轉矩；a為車長L2的一半。

將導管架截面劃分為10等分，用直線近似代替曲線的方法，取1/10的弦長b為

(5)

取安全系數為1.2，令車身長寬相等，則：

L1=L2=1.2b=1.2×231.6 mm=278 mm

(6)

2.2 磁輪設計

圖2為永磁輪的磁路模型[12]，充磁方向為軸向，且方向相反。該模型的隔磁材料選用鋁，導磁材料選用牌號為Steel-1008的鋼材。磁鐵材料選擇釹鐵硼N35。資料顯示，N35永磁體在理想狀態下可提供4.61 N/cm3的磁力[13]。

磁輪結構如圖3所示。永磁體寬度、永磁體內徑、導磁寬度是影響磁輪吸附磁力的主要因素。在其他參數不變的情況下，磁吸附力隨著永磁體寬度的增加而增加，但是在寬度達到22 mm以后增加不明顯，趨于穩定；保證其他參數不變，改變永磁體內徑，隨著永磁體內徑的變小，磁吸附力逐漸變小，內徑10 mm時相對穩定；保證其他參數不變，導磁寬度增加，磁吸附力也隨之增加，導磁寬度在15 mm以后，磁吸附力變化趨于穩定[12]。

1—永磁體；2—導磁；3—隔磁；4—軛鐵；5—壁面。

圖3 清洗機器人磁輪結構示意

考慮到磁輪的寬度不宜太大，所以取永磁體寬度為15 mm。綜上分析，取磁輪的永磁體外徑40 mm，內徑10 mm，寬度15 mm，導磁寬度15 mm，軛鐵厚度5 mm。

環形永磁體的體積為：

(7)

式中：D為永磁體外徑；d為永磁體內徑；h為永磁體寬度。

主動永磁輪可提供的吸附力：

F1=4×4.61k0V= 4×4.61×0.9×17.663=292.127 N

(8)

式中：k0為漏磁系數，k0=0.9。

2.3 磁體吸附單元設計

磁體吸附單元由2塊條形永磁體組成，分別安裝在底盤上2個前輪與2個后輪中間位置，如圖4所示。

圖4 磁體吸附單元示意

為了避免磁體陣列接觸管道表面，每塊磁體盡量保證厚度在20 mm以下，充磁方向與車輪軸向同向，且與兩側磁輪相近磁體充磁方向相同。當車輪輪胎面的一部分脫離吸附表面導致粘附力減小時，磁體單元和表面之間的氣隙同時減小，磁力增加，由磁體單元產生的磁力自動補償磁輪損失的吸附力。

理想狀態下，磁體吸附單元的磁吸附力為：

(9)

式中：F2為單個永磁體在理想狀態下產生的磁力；μ0為真空磁導率，取值μ0=4π×10-7T/(A·m)。B為導磁面的磁感應強度；S為導磁面面積。

根據車底底盤的設計，磁鐵規格選取為150 mm×50 mm×10 mm，故F2為326 N?？紤]到洋流等外界因素對磁力的干擾，且多重因素對磁力的影響不可預估，因此選取安全系數1.5來增加裝置的可靠性，則：

F=F1+2F2=944.127 NF≥1.5×588 N=882 N

(10)

故滿足吸附條件。

3 機器人清刷裝置設計

3.1 刷子的設計與安裝

目前最常見的水下清洗裝置是高壓水射流裝置。由于高壓水射流裝置在工作過程中會產生較大的沖力，降低機器人水下作業底盤吸附的穩定性，考慮到以上因素，清洗設備采用隨車身移動的刷子代替高壓水射流裝置。

如圖5所示，為了達到良好的清刷效果，刷子形狀設計為杯型，刷盤采用輕質鋁合金材料，刷絲采用硬而有彈性的尼龍材料。

圖5 刷子示意

本文設計的清刷機器人的2個杯刷分別安裝在車體2個前輪前端，該機器人的行走區域就是其清掃區域。清刷時，左右刷子的旋向相反，二者的轉動轉矩相互平衡。采用這種設計，在一定程度上可避免機器人在工作過程中由于刷子旋轉產生轉矩而引起的同轉矩方向相同的自轉。2個刷子的結構設計增加了清掃面積，減少了清刷盲區的面積，同時2個刷子的設計起到了良好的支撐作用，保證了車體行走的穩定性。

3.2 往復裝置的設計

由于導管架外壁表面被海生物附著，清洗作業表面具有一定的曲率，且凹凸不平。因此設計一種往復機構，使得機器人工作時刷子可以跟隨清洗機構在清洗機器人的爬升面上作上下往復運動，能夠保證機器人不會因為清刷凸起的海生物而產生顛覆力矩，增加了機器人的穩定性。往復裝置結構如圖6所示。

1—端蓋；2—上套筒；3—上傳動軸；4—法蘭盤；5—滑動軸承；6—下傳動軸；7—刷具；8—彈簧；9—軸承。圖6 清刷結構三維視圖

刷盤的旋轉運動是由電機驅動的，傳動路線為：電機→齒輪變速箱→傳動軸→刷盤。當清洗機器人的磁輪移動時，刷毛末端緊貼導管架表面，彈簧在一定的預緊壓力下被壓縮，處于中間位置。當清洗面接近導管架壁面凸起部位時，刷盤帶動傳動軸向上運動，迫使彈簧在中心位置的基礎上進一步壓縮，清洗機構向上移動。當清洗面接近凹陷位置，偏離清洗機器人爬行平面時，彈簧釋放彈力，毛刷受到彈簧傳遞的壓力而被壓在清洗表面，實現清洗機構的向下運動。如此清洗機構往復運動，實現凹凸表面的清洗[14-15]。

4 機器人驅動裝置方案與參數計算

機器人最常用的驅動方案有電機動驅動、液壓驅動和氣動驅動3種形式。導管架清洗機器人的工作環境為深海，氣動驅動需要水下供氣，無法保證供氣的穩定性和持續性，而且氣動驅動方式所能承載的載荷一般不大，不能滿足水下清洗作業的要求。液壓驅動通常用在大型機械設備之中。電機驅動方式可提供的行駛速度范圍較大，使用壽命較長，運行相對平穩，更適合水下作業，因此采用電機驅動方式?，F通過計算可得到電機的相關參數。

1) 電機轉速。

機器人運動時驅動輪的轉速為

(11)

式中：v為機器人獨立行走時的移動速度；r為車輪半徑。

2) 電機功率。

(12)

式中：T為機器人正常行駛電機軸所需要的轉矩；i為電機傳動比；n為電機轉速；η為電機傳動效率。

3) 電機轉矩。

第2節已分析并得到了機器人在靜止時的受力情況。要想讓機器人沿著管壁運動，則有：

Fq≥f+G=μF1+G= 0.25×292.127+10×9.8=171.031 N

(13)

式中：Fq為機器人的驅動力。

因為設計的是四輪驅動，則每個電機的驅動力應至少為42.76 N，電機所需提供的驅動轉矩至少應為42.76×0.04=1.71 N·m。根據以上計算得到的相關數據，初步選擇57BYG10042A4D8E型步進電機，相關參數如表2所示。

表2 57BYG10042A4D8E型步進電機技術參數

5 清洗機器人密封設計

機器人作業工況為水下，且包含電機、控制箱等精密儀器，這些結構易被海水侵蝕而失效。為了確保機器人能夠正常工作，需要對其做一定的密封處理。O形圈密封是最常見的密封方式，其結構簡單，應用廣泛[16]，適用于水下密封。O形圈可以從根本上解決水下機器人在靜態下的密封問題，但在機器人的正常操作中，僅靜態密封無法滿足機器人的需求。除了滿足靜態條件外，還要滿足水下機器人作業時運動狀態的條件。

查閱有關水下電動工具的相關信息，最終采用O形圈-聚四氟乙烯滑環組合密封的形式。聚四氟乙烯滑環具有很好的潤滑性，并且具有出色的耐磨性，非常適合與金屬表面直接滑動接觸。O形圈的彈性非常理想，二者組合使得滑環既具有強密封性能，又具有自密封性能，且密封性能隨壓力增加而增加。

因此，對電機軸的輸出軸端采用O形圈-聚四氟乙烯滑環組合密封方式，對于電機整體和底盤上控制系統等設備部分采用密封箱進行密封，軸端密封與密封箱結構如圖7～8所示。

a 電機密封箱

b 齒輪減速器密封箱圖7 電機和齒輪減速器密封箱裝配圖

6 機器人虛擬樣機結構

1) 驅動機構。如圖9所示。

1—傳動套；2、5—O型圈；3—動環(補償環)；4—靜環 ；6—端蓋；7—電機密封端蓋； 8—軸承；9—支撐環；10—止推環；11—彈簧。圖8 電機軸端密封結構

圖9 驅動機構裝配圖

2) 清刷機構。如圖10所示。

圖10 清刷機構裝配圖

3) 虛擬樣機裝配圖。如圖11所示。

圖11 虛擬樣機裝配圖

7 結論

1) 本文闡述了海洋平臺導管架水下結構目前存在清洗方面的問題，重點分析了海洋平臺導管架清洗技術的發展趨勢與主要技術，綜合分析了國內外攀爬機器人研究現狀與發展趨勢。

2) 針對海洋平臺導管架的結構，提出了一種永磁驅動的、帶有雙旋轉刷的四輪磁驅動式爬行機器人裝置，并對機器人吸附裝置、清洗裝置、驅動裝置與密封裝置進行了分析與設計，制作了機器人虛擬樣機圖，為接下來的研究工作提供了理論基礎。

3) 由于機器人本體設計仍然存在不足之處，接下來將會繼續完善該設計，并完成機器人水上控制部分的設計，制作原理樣機。

4) 本文設計的機器人靈活性高，適用于導管架斜支撐梁和水平支撐梁(直徑較小的結構)清洗作業。未來研究之一是適當放大機器人結構，使之適用于大直徑導管架外壁面的清洗作業，提高機器人的適用性。