基于磁隙式吸附機構(gòu)的槽車清洗機器人

，，，

(上海交通大學(xué)機器人研究所，上海 200240)

0 引言

當(dāng)今時代，石油與人們的生活息息相關(guān)，槽車主要用作石油的衍生品包括汽油、柴油和原油等的運輸和儲存。槽車通過定期清洗保證產(chǎn)品的質(zhì)量，避免槽車裝卸油品時帶入的水分、雜質(zhì)、油垢及鐵銹影響油品的質(zhì)量。目前，槽車的清洗主要由人工完成，一方面效率低下，清洗困難，另一方面工作環(huán)境相對比較惡劣，存在安全隱患。

磁吸附技術(shù)目前在爬壁機器人中已經(jīng)有較為成熟的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。絕大多數(shù)磁吸附爬壁機器人采用磁輪或磁履帶式移動機構(gòu)[3-6]，磁輪由于運動過程中與壁面接觸面積小，導(dǎo)致磁能利用率低。履帶式吸附機構(gòu)與壁面接觸面積大，能產(chǎn)生較大的吸附力，但與壁面摩擦也大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不靈活。Weiss等[7]針對水下船舶檢修問題所研制的爬壁機器人采用輪式永磁吸附機構(gòu)，能夠在船舶表面完成清潔、檢測、噴涂作業(yè)。Tunawattana等[8]研制了一種用于清洗船體附著物的自動清洗機器人，利用磁吸附和海水噴射進行清洗。張小松[9]提出了一種新型輪式懸磁吸附爬壁機器人，其主動輪為輪式懸磁吸附裝置，既能提供驅(qū)動力，又能提供充足的吸附力，能夠穩(wěn)定吸附在船舶表面完成作業(yè)。

由于機器人作業(yè)環(huán)境的惡劣性以及需要保證高效的清洗效率與清洗可靠性，同時清洗作業(yè)時高壓水具有反向沖擊力，會對機器人形成很大的傾覆力矩，增加了各方面的技術(shù)難度。因此，本文針對其工作環(huán)境與工作內(nèi)容，設(shè)計了一種基于磁隙式永磁吸附機構(gòu)的槽車清洗機器人，同時分析其在清洗過程中的傾覆力矩模型，驗證磁吸附方案的可靠性。

1 槽車清洗機器人設(shè)計方案

1.1 槽車清洗機器人總體方案

槽車清洗機器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 槽車清洗機器人總體方案

該機器人主要由吸附模塊、磁力調(diào)整模塊、行走模塊、人孔適應(yīng)模塊、伸縮模塊、旋轉(zhuǎn)模塊和作業(yè)模塊組成。其中，吸附模塊采用永磁式強力磁鐵陣列，可實現(xiàn)機器人在油罐壁面的可靠吸附。磁力調(diào)整模塊主要實現(xiàn)機器人在進入和離開工作罐體時的機器人本體與金屬罐壁順利吸附與脫離，并在機器人行走過程中起到輔助支撐的作用，此模塊通過升降機構(gòu)實現(xiàn)磁鐵與壁面之間距離的改變以改變吸附力的大小。行走模塊采用驅(qū)控一體伺服電機驅(qū)動橡膠輪，實現(xiàn)機器人在罐體內(nèi)部的連續(xù)爬行。人孔適應(yīng)模塊采用伺服電機驅(qū)動滾珠螺母副帶動行走模塊進行伸縮調(diào)節(jié)，保證對不同人孔尺寸的適應(yīng)性，以保證爬壁機器人本體伸縮的精準(zhǔn)性、可靠性和穩(wěn)定性。伸縮模塊采用分段式調(diào)節(jié)方式，保證機器人對不同油罐直徑尺寸的適應(yīng)性，其清洗油罐直徑范圍可保證2 700～3 100 mm。旋轉(zhuǎn)模塊采用伺服電機驅(qū)動，主要實現(xiàn)作業(yè)模塊方向的調(diào)整，此模塊保證機器人在本體不進行轉(zhuǎn)彎操作的前提下對罐內(nèi)有效清洗，同時減輕了行走模塊的控制難度。作業(yè)模塊通過高壓水槍完成槽車內(nèi)部的清洗作業(yè)。

1.2 行走模塊

行走模塊如圖2所示。此模塊主要包括一號輪組、二號輪組、導(dǎo)向模塊和傳動模塊，可以實現(xiàn)一號輪組與二號輪組之間軸向距離的自動調(diào)整。其調(diào)整過程如下：傳動模塊的電機驅(qū)動滾珠螺母副帶動二號輪組相對于一號輪組產(chǎn)生伸縮運動，在運動過程中導(dǎo)向模塊主要保證二號輪組運動方向的精確性和穩(wěn)定性。此模塊可通過的最小人孔尺寸為500 mm。機器人在工作過程中調(diào)整2個輪組之間的距離可有效保證清洗機器人工作過程的穩(wěn)定性。

海陵藥業(yè)精準(zhǔn)聚焦企業(yè)實際情況，針對員工年輕化、專業(yè)化特點，立足企業(yè)市場化、科技化特征，緊緊圍繞企業(yè)經(jīng)營發(fā)展中的產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)攻關(guān)、人才引進、購銷渠道等問題，精準(zhǔn)對接員工在工作生活中的心理和要求，有效利用黨小組活動、黨支部會議等組織形式解決企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和員工工作生活中的困難，實現(xiàn)企業(yè)員工個人、企業(yè)、社會的共同進步。民企要以塑造精品的意識做黨建，著力打造自己的黨建品牌，精心培育和發(fā)展自身的黨建工作模式，才能形成企業(yè)長久、深厚的影響力。□

圖2 行走模塊

1.3 作業(yè)模塊

作業(yè)模塊如圖3所示。此模塊機構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)和改變作業(yè)角度的功能。作業(yè)過程中推桿電機通過同步帶輪傳遞至推桿，控制推桿前進后退，從而改變清洗噴槍的夾角，使其能夠清理槽罐兩端的球面。旋轉(zhuǎn)電機控制清洗噴槍繞軸旋轉(zhuǎn)，清洗槽罐內(nèi)壁。采用對稱噴槍設(shè)計，使得質(zhì)量關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸對稱分布，降低旋轉(zhuǎn)電機的輸出力矩，提高其相應(yīng)速度；噴槍口可安裝清洗延長桿或除塵裝置，適應(yīng)不同作業(yè)需求。

圖3 作業(yè)模塊

1.4 機器人功能方案

根據(jù)安全性槽車清洗機器人的技術(shù)要求和性能指標(biāo)，清洗機器人在槽罐內(nèi)部執(zhí)行清洗作業(yè)時的效果分別如圖4和圖5所示，工作過程中機器人在槽罐底部沿罐體母線方向行進。

圖4 機器人工作效果示意

圖5 機器人工作局部示意

工作過程中機器人一邊沿著槽罐母線方向行進，一邊旋轉(zhuǎn)作業(yè)模塊，清洗油罐內(nèi)壁。到達槽罐兩端球冠時機器人停止運動，同時調(diào)整噴槍之間的夾角，保證兩端球面能夠完全清洗，簡化模型如圖6所示。

圖6 機器人工作簡化示意

在清洗槽罐圓周內(nèi)壁時，可以得到2個噴槍清洗軌跡為

(1)

v為機器人運動速度；t為時間；lt為作業(yè)模塊長度；β為噴槍與垂直方向的夾角；H為工作模塊高度；ω為作業(yè)模塊旋轉(zhuǎn)角速度。

在清洗兩端球冠時，可以得到2個噴槍清洗軌跡為

(2)

ωt為作業(yè)模塊張合角速度。

2 非接觸式磁吸附模塊方案

吸附力大小是保證機器人壁面安全性和負載能力的直接因素，通過吸附力平衡清洗過程中由于高壓水槍反向沖擊力造成的傾覆力矩，提高作業(yè)穩(wěn)定性。本文設(shè)計了一種新型非接觸式磁吸附機構(gòu)，同時配備磁力調(diào)整機構(gòu)，能夠根據(jù)壁面情況對吸附做出相應(yīng)調(diào)整，保證清洗機器人在完成作業(yè)后能夠方便地從壁面脫落下來，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 新型非接觸磁吸附模塊示意

磁力調(diào)節(jié)模塊如圖8所示，此模塊由上到下分別有升降調(diào)節(jié)機構(gòu)、十字架附件安裝部件、萬向輪部件和尼龍支撐部件4個部分組成。

圖8 磁力調(diào)整模塊結(jié)構(gòu)示意

升降調(diào)節(jié)機構(gòu)采用驅(qū)控一體電機驅(qū)動梯形螺母副以實現(xiàn)模塊的上下移動。十字形附件安裝部件主要為非金屬支撐部件和萬向輪提供安裝與支撐。萬向輪部件有2個功能：在機器人本體進入罐體和離開罐體時磁鐵與金屬壁面之間的距離加大以減小吸附力，從而保證機器人進入與脫離的可靠性和安全性；在機器人正常工作行走時，其可為機器人本體提供側(cè)向支撐防止傾覆。非金屬支撐部件主要實現(xiàn)機器人本體進入罐體和離開罐體時使磁鐵和金屬壁面之間的距離加大以減小吸附力，從而保證機器人進入和脫離的可靠性與安全性。

3 槽車清洗機器人穩(wěn)定性分析

3.1 傾覆力矩模型

在機器人清洗過程中，尤其是清洗兩端球冠時，需要調(diào)整2個高壓水槍之間的夾角，角度在調(diào)整過程中始終保持對稱，此時會產(chǎn)生一個跟機器人行進方向平行的反向沖擊力，會對機器人形成很大的傾覆力矩。因此，本文采用磁隙式永磁吸附技術(shù)，在機器人底盤安裝永磁吸附模塊。

根據(jù)對清洗機器人作業(yè)流程分析可知，當(dāng)2個高壓水槍之間的夾角為0時，此時與機器人行進方向平行的反向沖擊力最大，即最容易造成機器人的傾覆。因此需要磁吸附裝置提供充足的吸附力，來抵消反向沖擊帶來的傾覆力矩。為了簡化計算同時保證模型盡可能接近實際問題，作以下假設(shè)：

a.4個非接觸磁吸附裝置提供的吸附力相同，并且每個吸附裝置提供均勻力。

b.2個高壓水槍反向沖擊力相同，合力作用線與機器人行進方向平行。

簡化模型如圖9所示。

圖9 簡化模型

由于機器人實際工作時不需要進行轉(zhuǎn)向，而是直接反向移動并將作業(yè)模塊旋轉(zhuǎn)180°工作來達到反向清洗的效果，因此僅需分析一側(cè)清洗時的受力情況。當(dāng)高壓水槍噴水方向如圖9所示時，機器人受到反向沖擊力，容易以圖9中A點為支點傾覆，據(jù)此建立力矩方程，即

H(FC1+FC2)-Gl-(NH3+NH4)L=0

(3)

H為高壓水槍距離地面高度；FC1和FC2分別為2個高壓水槍的反向沖擊力；G為機器人重力；l為重心離較近輪組的水平距離；NH3和NH4分別為前輪側(cè)2個磁吸附裝置的吸附力；L為前后輪之間的水平距離。

根據(jù)之前的假設(shè)，同時結(jié)合式(3)，可以得到

(4)

FC為單個高壓水槍清洗時反向沖擊力；NH為單個磁吸附裝置提供的吸附力。

因此，只要保證在機器人正常工作時，單個磁吸附裝置所能達到的吸附力超過NH，機器人就能夠安全可靠地進行清洗作業(yè)。

3.2 仿真

本方案中采用的磁吸附模塊如圖10所示，其中h1、h2、h4分別為軛鐵、磁鐵與鋼板的厚度；h3為氣隙高度；w1、w2分別為磁鐵寬度；d為磁鐵間隙；L為磁鐵總寬。采用ANSYS Electronics Desktop平臺下的Maxwell對單個磁吸附模塊進行仿真計算。

圖10 磁吸附模塊簡化模型

本方案中采用的參數(shù)如表1所示。

表1 吸附模塊參數(shù) mm

在改變磁鐵厚度與軛鐵厚度時，吸附力變化結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁體厚度與軛鐵厚度對吸附力的影響

由圖11可知:當(dāng)軛鐵厚度相同時，磁吸附力隨著磁鐵厚度增加而增加；當(dāng)磁鐵厚度相同時，增大軛鐵厚度則磁吸附力迅速增加，后來逐漸變慢，并趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)軛鐵厚度達到一定時，磁路中的漏磁已經(jīng)很小，再增加軛鐵厚度不會對吸附力產(chǎn)生多大影響。

同時分析了不同氣隙高度時吸附力的大小，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，隨著氣隙高度的增加，單個磁吸附模塊提供的吸附力逐漸減小。因此在機器人工作過程中可根據(jù)工況調(diào)整氣隙高度從而調(diào)整吸附力的大小，保證具有充足的吸附力來抵消高壓水槍反向沖擊力帶來的傾覆力矩，同時在完成作業(yè)后增加氣隙高度，使機器人能夠方便地從壁面脫離。

圖12 氣隙高度與磁吸附力關(guān)系

3.3 穩(wěn)定性分析

本方案中采用第三方高壓水槍噴頭，管徑為1.12 mm，流量為11 L/min，最高壓力為20 MPa，根據(jù)式(5)可得水流速度為186 m/s，同時根據(jù)動量定理，即式(6)計算高壓水槍清洗時反向沖擊力[10]。

Q=πr2v

(5)

FCt=mv=ρQtv

(6)

Q為流量；r為噴頭半徑；v為噴水速度；t為時間；m為水的質(zhì)量；ρ為水的密度。

因此可以得到

FC=ρQv

(7)

將以上數(shù)據(jù)代入式(7)計算，可以得到反向沖擊力為34 N。本方案中前后輪組之間距離可調(diào)，范圍為200～300 mm，機器人重力G=1 100 N，H=1 800 mm，針對不同輪組之間距離以及重心離較近輪組距離分別做計算，得到所需要的吸附力，結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，所需吸附力隨著重心離較近輪組距離的增加而減小，隨不同輪組之間的距離的增加而減小，極限狀態(tài)下L=0.20 m，l=0.05 m，得到單個磁吸附裝置需要提供的吸附力NH=169 N，因此，有

圖13 吸附力計算

Nr=k·NH

(8)

k為安全系數(shù)，一般取3；Nr為單個磁吸附裝置實際至少需要提供的吸附力。

若要保證機器人能夠在任意工況下穩(wěn)定運行，單個磁吸附裝置至少需要提供508 N的吸附力。根據(jù)之前的仿真計算，采用2塊40 mm×40 mm×15 mm與2塊80 mm×40 mm×15 mm的永磁鐵，當(dāng)磁鐵間隙為10 mm、軛鐵厚度為9 mm、氣隙高度為10 mm時，單個磁吸附裝置能夠提供693 N的吸附力，保證機器人能夠在20 MPa水壓、3倍安全系數(shù)下穩(wěn)定地進行清洗作業(yè)，同時可以靈活地調(diào)整氣隙高度來調(diào)整吸附力，適用于多種工況。

4 結(jié)束語

提出了一種用于槽車清洗作業(yè)的磁隙式槽車清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。針對機器人在清洗過程中由于高壓水槍反向沖擊力帶來的傾覆力矩，采用磁吸附方案，并優(yōu)化磁吸附機構(gòu)參數(shù)設(shè)計實現(xiàn)運動穩(wěn)定。通過建立傾覆力矩模型、仿真計算分析，得到當(dāng)采用2塊40 mm×40 mm×15 mm與2塊80 mm×40 mm×15 mm的永磁鐵，磁鐵間隙為10 mm，軛鐵厚度為9 mm，氣隙高度為10 mm時，單個磁吸附裝置能夠提供693 N的吸附力，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人在20 MPa水壓、3倍安全系數(shù)下穩(wěn)定地進行清洗作業(yè)，保證了磁吸附方案的安全性與可靠性。