船舶爬壁機器人吸附技術及其應用研究探討

韓力春，閆曉玲，汪 洋

(海軍工程大學 電氣學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

船用爬壁機器人是應用于船舶清洗等領域的一種智能機器人，集驅動機構、移動機構和吸附機構為一體。船用爬壁機器人與陸地機器人的不同之處在于其具有吸附功能，這也造就了其是移動機構與吸附機構強耦合[1-3]的機器體。其中，吸附技術作為爬壁機器人的關鍵技術，近幾年得到了快速發展并應用于各種爬壁機器人之上[4,5]。

目前，吸附技術主要有負壓吸附、真空吸附、螺旋槳吸附、永磁吸附、膠吸附、柔性電子附著、仿蝸牛的濕吸附、仿壁虎足的干吸附、類攀巖抓持和類蜘蛛的絨毛吸附等[6]，并將后4種吸附方式統稱為仿生吸附。仿生吸附技術和膠吸附技術吸附力很小，無法用于船舶作業領域，但隨著新型高分子材料的發明和發現，這類吸附技術具有很大的發展前景。

目前應用于工程船舶爬壁機器人身上的吸附技術主要有負壓吸附技術、螺旋槳吸附和永磁吸附技術，這類吸附技術可產生較大的吸附力，能夠支撐起機器人的清洗、除銹等需要強吸附力的作業任務。但存在著吸附機構與移動機構強耦合、吸附力難以調節、越障能力弱等問題，為此本文主要對這幾種吸附技術及其應用進行探討。

1 負壓吸附技術及其應用

負壓吸附的工作原理[7]是通過真空泵、噴氣管、文丘里管等設備產生負壓，以此使爬壁機器人吸附于物體表面。典型負壓系統爆炸圖[8]如圖1所示，高速電機、葉輪連接件和離心葉輪構成離心風扇，通過高速旋轉將密封裝置中的氣體抽出，使密封吸附腔中的氣壓小于大氣壓；在壓力差的作用下，周圍空氣從密封裙進入，輸送給本體腔，根據節流原理[9]，本體腔內的氣流靜壓下降，然后再次通過離心風扇使低壓氣流動能增加，最終，動能伴隨此氣流被甩出本體腔外。

圖1 典型負壓吸附系統爆炸圖

日本大阪府立大學的西亮[10]研制出了世界上第一臺負壓吸附爬壁機器人，広瀬茂等[11]研制出了步足式負壓吸附機器人。初代負壓技術雖存在密封性差、負壓不足等問題，但開啟了學術界對負壓技術[12,13]的深度探索。

針對吸附力弱的問題，美國NASA-JPL采用永磁與負壓混合吸附方案，研制出圖2所示的M200機器人[14]，但越障能力沒有明顯提升。

圖2 M200機器人

哈工大研制出了圖3所示的離心風扇式負壓機器人[15]，其采用離心風扇作為負壓裝置，提高了機器人對船舶壁面的適應能力。但也帶來了摩擦力變大的問題，進而阻礙了機器人運動，并加劇了密封圈機構損耗。

圖3 離心風扇式負壓機器人

2 螺旋槳吸附技術及其應用

螺旋槳吸附[16,17]又名旋翼吸附、推力吸附、正壓吸附。一方面，兩個風機中的螺旋槳將前方的空氣抽向機器人后方，根據牛頓第三定律，后方的空氣會產生反作用力，即推力；另一方面，螺旋槳中每一個葉片的前、后兩面的曲率不同，根據伯努利原理，空氣流過時會導致葉片的前葉面壓力小于后葉面，產生向前拉動螺旋槳的壓力差，同時機器人腔體的壓力大于前葉面的壓力。上述兩方面的合力使機器人吸附于壁面，典型的正壓吸附爬壁機器人如圖4所示，此機器人名為ROPE RIDE，由韓國首爾大學研制[18]，在載荷為20 kg時移動速度達到0.25 m/s[19]，但正壓吸附技術存在通病，即強大轉速的風機會帶來噪聲污染。

圖4 ROPE RIDE正壓吸附機器人

3 永磁吸附技術及其應用

永磁吸附技術較晚于負壓吸附技術，但是負載能力強，可分為履帶式和輪式兩大類[20]，其具體吸附類別和特征又可分為如下4種：

(1) 履帶和永磁塊組合。永磁塊安裝于機身底部用于吸附，履帶用于行走，如圖5(a)所示。

(2) 履帶和永磁體組合。永磁體等間距安裝于履帶之上，伴隨履帶同速轉動，履帶與永磁體合為一體，兼具行走和吸附功能，如圖5(b)所示。

(3) 車輪和永磁塊組合。個體較大的永磁塊安裝于機身底部用于吸附，車輪用于行走和轉向,如圖5(c)所示。

(4) 永磁輪。車輪本身由永磁鐵制作而具有吸附力，但永磁輪與壁面的接觸面小，吸附力不足，往往在機身底部配有永磁塊,如圖5(d)所示。

3.1 履帶式機器人

針對圖5(a)的吸附方式，美國 Flow公司研制了如圖6(a)所示的Hydro-Cat機器人[21]，其可工作在255 MPa壓力下，除銹效率可達80 m2/h，負載能力強，但越障能力差。法國南特中央科學實驗室的Olivier Kermorgant針對船舶焊接作業，通過加入直線焊接控制算法設計了如圖6(b)所示的自主焊接爬壁機器人[22]，其采用圖5(b)的吸附方式，但負載有限。

圖5 4類永磁吸附原理

圖6 履帶式爬壁機器人

3.2 輪式機器人

輪式機器人相對于履帶式機器人其越障能力較差，但靈活性高。針對圖5(c)的吸附方式，國外VertiDrive公司[23]研制了M系列爬壁機器人，均采用輪式移動，以皮帶作為傳動裝置，最新的M8機器人如圖7(a)所示，可在極端天氣下以及船舶運行過程中進行清潔工作。針對圖5(d)所示的吸附方式，國內的洛陽圣瑞公司研制了圖7(b)所示機器人，其用永磁鐵制作而成的車輪(永磁輪)來提高越障能力，最大移動速度達0.25 m/s，可承受150 kg負載，能夠在280 MPa的水壓沖擊力下進行除銹作業，最優除銹效率達到30 m2/h，適用于大型船舶維護工作。

圖7 輪式爬壁機器人

4 吸附力可調技術及其應用

上述介紹的爬壁機器人均為吸附力不可調型，若想吸附力可調，有兩種方案可選：一是采用永磁吸附并通過改變間距的方案來達到吸附力可調的目的；二是采用電磁吸附，通過調節電流大小來改變電磁鐵所產生的吸附力大小。

4.1 永磁間距調節技術

永磁間距調節技術屬于機械調節，典型的磁力調節機構如圖8所示。將Halbach永磁陣列安裝于車身底部，與滾珠絲桿裝置相連接，通過其伸縮拉動永磁陣列，從而調節永磁鐵與船舶壁面之間的間距實現吸附力可調。

圖8 磁力調節機構

基于上述吸附力調節原理，江蘇科技大學的陳錦[24]研制了圖9所示的機器人，在其兩側鏈條履帶上鑲嵌一周永磁鐵，實現永磁吸附。將Halbach永磁陣列安裝于車身底部并對其進行排布設計，實現吸附力的機械調節并得到最優吸附力。

圖9 永磁可調間距式機器人

4.2 電磁調節技術

電磁調節技術的主要依據是電磁力與電流的關系，通過改變電流大小即可調節吸附力大小。

電磁力與電流的關系如下：

FE=(IN)22μ0SR2m.

(1)

其中：FE為電磁力；N為線圈匝數；I為流經電磁鐵電流；μ0為真空的磁導率；Rm為電磁鐵磁阻；S為磁極面積。

南京林業大學的洪曉瑋和陳勇[25]研制出了圖10所示的電磁吸附爬壁機器人，通過與壁面接觸的電磁鐵產生吸附力吸附于壁面之上。

圖10 電磁吸附爬壁機器人

5 吸附技術評估

針對船舶領域，評估各種吸附技術性能的關鍵性指標主要有吸附性能、越障能力、移動機構與吸附機構的耦合程度。吸附性能決定機器人載荷能力，越障能力可以反映其對壁面的適應程度，耦合程度可以決定其能耗大小。應用于船舶領域的吸附技術主要性能指標評估如表1所示。

從表1中可以看出：永磁吸附技術的吸附性能最強，但這也導致了其移動阻力大，進而使得耦合程度升高，增加了能耗；負壓吸附性較強，能夠產生足夠的吸附力使機器人吸附于傾斜的船舶壁面，但是受船舶壁面平整度的影響，其越障能力最弱，不適合存在明顯凹凸不平壁面的船舶；螺旋槳吸附技術對船舶壁面的要求不高，具有一定的越障能力，但是存在明顯的不足，即噪聲污染；吸附力可調技術包括了電磁調節和永磁間距調節兩方面，其性能較為優越，能夠通過改變吸附力的大小使機器人適應不同的壁面和作業強度要求，但是電磁鐵長時間通電存在發熱現象，這需要在未來材料和吸附技術的發展過程中進行改進，而且調節永磁鐵與壁面的間距時難以保證間距恒定，根據磁力特性可知，間距減小會導致磁力迅速下降，即吸附力迅速下降，難以保證安全性。

表1 吸附技術指標評估

此外，仿生吸附和靜電吸附在近幾年被應用于爬壁機器人，其越障能力和耦合程度基本符合爬壁機器人技術要求，能耗小，但相對于表1中所述的吸附技術其吸附性能非常弱，還難以完成作業任務。

6 結論

應用于船舶爬壁機器人之上的吸附技術在吸附能力、越障能力等方面正在逐步提高，但依然存在著耦合程度較高、壁面適應性程度低和吸附力調節技術不完善等瓶頸問題，在實際工程上的應用距離普適性還有一段距離。

在未來，船舶爬壁機器人吸附技術的發展方向應該為吸附性能高、越障能力強、低耗能。隨著新型高分子材料的發明和發現，以及各研究機構的深入研究，吸附技術必能有新的突破，各類吸附技術相融合，打破現有瓶頸，使低耦合、強吸附力、低能耗等有機地融為一體。隨著材料科學、傳感器技術以及新能源技術的發展，未來的吸附技術將會使爬壁機器人不受壁面的約束并具有智能調節能力。