2021 年 第 50 卷第 1 期 第 15 页2021,50(1)15-22
石油矿场机械
OIL FIELD EQUIPMENT
文章编号：1001 -3482(2021)01 -00015-08
岳春梅，刘书海，姜明明
(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京102249)
彩印业务摘要：海洋平台的导管架受工作环境限制而长期处于水下，表面极易被大量海生物附着，给安全生
产带来巨大威胁，因此及时清洗导管架十分必要。总结了水下清洗机器人的研究现状，提出了一种 永磁驱动的、四轮攀爬式双旋转刷水下清洗作业机器人的设计方案。对该机器人的吸附方式、清洗 装置、驱动方式以及机器人车体等进行了理论分析与结构设计。吸附方式采用传统的磁轮与磁体
阵列组合的形式，提高了磁吸附的稳定性；在清刷装置的刷头连杆部位设计了往复结构，能够有效
避免机器人因清刷作业时颠簸而失效的情况。基于以上设计，完成了虚拟样机的制作。研究结果 为后续物理样机的研制提供了理论基础。
关键词：海洋平台；导管架；清洗；机器人；永磁吸附
中图分类号:TE952 文献标识码:A doi ：10. 3969/j. issn. 1001 -3482. 2021. 01. 003
Design of Four-wheel Magnetic Adsorption Underwater
Cleaning Robot for Offshore Platform Jacket
YUE Chunmei , LIU Shuhai ,IANG Mingming
(.College of Mechanical and Transportation Engineering , China University of Petoleum 犅eijing 102249 ?China)
氟塑料离心泵结构图
Abstract : The jacket of the offshore platform is under water for a long time due to the limitation of the working environment , and the surface is easily attached by a large number of sea creatures ,
which poses a huge threat to safe production . Therefore , it is necessary to clean the jacket in time. The research status of underwater cleaning robot was summarized. A design scheme of a permanent magnet driven , four-wheel climbing dual-rotating brush underwater cleaning robot
was proposed. Theoretical analysis and structural design of the robots adsorption method , clean ing device , driving method and robot car body were carried out For the adsorption method , the traditional combination of magnetic wheel and magnet array was used to improve the stability of
magnetic adsorption ； the reciprocating structure was designed in the brush head connecting rod of
the cleaning device, which can effectively prevent the robot from bumping during cleaning opera tions. Based o n the above design , the production of virtual prototype was completed .
The re
search results provide a theoretical basis for the subsequent development of physical prototypes. Keywords :marine platform ；jacket ；cleaning ；robot ；permanent magnet adsorption
收 稿 日 期 ：2020-07-03
基金项目：中国石油大学学科建设基金项目“机械与动力工程创新研究平台(石油石化特种机器人)”(2462020XKJS01)
作者简介：岳春梅(1995-)，女，博士研究生，主要研究方向为机器人控制技术，E-mail ： 934531318@qq. com 。
・16・石油矿场机械2021年1月
随着海洋经济时代的到来，海洋平台导管架作为海洋石油开采不可或缺的重要装备之一，其安全性问题逐渐被人们重视［1］。由于长期固定在深水之中，导管架除了被海水侵蚀之外，还易成为各种海洋生物落生长、繁殖的栖居地。例如，藤壶、海藻、贝壳等生物长期附着在导管架表面［］。随着生物的聚集与堆积，不仅会对导管架产生生物腐蚀，还会使导管架的结构特性发生变化，改变其力学
特性，进而影响导管架的寿命，增加海洋平台运行的安全隐患。因此，及时对导管架上的生物和腐蚀产物进行清理显得尤为重要。
目前，海洋平台导管架表面附着物的清除方式主要是人工作业。近年来，从国外引入高压水射流设备，由潜水员携带高压水射流设备进行作业。由于高压水射流冲击力较大，出水压力约为75〜100 MPa⑶，对潜水员的自身安全造成一定的威胁。人工进行水下作业的过程中，受海洋自然地理环境以及天气环境影响较大，清洗过程多变因素较多，劳动强度大，效率低。为提高水下清洗作业的工作效率，研发一套专业的清除设备，代替人工进行水下作业十分必要4。
近年来，攀爬类机器人因具有操作便捷、适应环境能力强、工作稳定可靠等优点，得到了迅速发展，并广泛应用于各行各业，特别是水下钢结构清洗作业领域［56］。在水下清洗爬壁机器人研究方面,Sou-to等［7］提出了一种负压吸附式形态适应机器人Lappa，该机器人利用推进器产生的负压差将自身连接到船体上，清洁过程由旋转刷子完成。由九州工业大学Nassiraei等聞研发的四轮机器人具有更专业的清刷装置，2个刷子反向旋转，清洗作业的同时，还可以为机器人提供驱动力。卡内基梅隆大学Ross等9设计了船体清洁机器人M2000，吸附方式为永磁体阵列吸附，清洗装置为高压水射流。在此基础之上，大连海事大学开发了一种与M2000具有相似操作原理的船体清洁机器人［10］，不同之处在于其驱动机构是链轮。
导管架由不同尺寸的钢管组成，并且具有其特殊的结构。考虑到上述机器人不能适应各种管道类型，清洁效率无法保证，因此，基于对攀爬机器人的实用情况与设计理念，设计了一种针对水下导管架钢管结构清洗作业的磁吸附式攀爬机器人。为了确保机器人能够携带清洗设备在导管架上平稳、可靠地爬行，并完成清洗作业，对机器人进行了详细的分析与设计。
1清洗作业机器人方案研究
1.1设计要求
该机器人在导管架表面作业时，要能完成清刷任务，同时还要保证其运行的稳定性。表1列出了该机器人的设计参数和技术要求。
表1机器人设计方案和技术要求
作业水深/m30〜50
车体长度/mm278
车体宽度/mm278
质量/kg10
最大行驶速度/（m•min_1）65
动力源电机驱动
吸附方式永磁吸附
控制方式有线控制
清刷宽度/mm160
刷子数量/件2
刷子直径/mm080
在满足设计参数的情况下，该机器人期望实现3个功能。
1）吸附功能。
海洋平台导管架的壁面材料（机器人的吸附平面）一般是钢性材料，导磁性能良好。由于导管架表面被海生物附着，其表面呈现凹凸不平的状态，因此要求机器人具有可靠、安全的吸附方式，既能保证移动的灵活性，也能保证工作过程稳定，不会产生掉落的情况。
2）攀爬行走功能。
导管架由立柱、水平支撑梁和斜撑梁等结构组成，其中立柱直径最大，斜撑梁直径最小，水下结构均易被海生物附着，清刷表面具有曲率变化大、障碍 明显等特征，因此要求机器人的行走方式有较强的适应性，且具有一定的越障能力。
第50卷第1期岳春梅，等：海洋导管架四轮磁吸附式水下清洗机器人设计・17・
3）清刷功能。
本研究设计的机器人最终目的是实现水下清刷功能，清刷目标是导管架表面附着的海生物（藤壶、海澡、贝类等）。附着生物具有吸附能力强、种类繁多的特点，因此要求机器人的清刷机构具有足够的水下适应能力与清刷动力，同时还需在作业时尽量实现平稳运转，降低对机器人移动行走的干扰，确保其清刷工作的稳定性。
1.2机械整体结构设计
压力检测装置通过分析国内外各研究机构设计的水下攀爬式清洗机器人的结构及功能，本文在实现所有技术要求的前提下，结合水下清洗作业的工作环境，提出了磁吸附式海洋平台导管架表面清刷机器人样机的结构设计方案。
该机器人的主体机械结构设计分为7个部分：
1）吸附装置。机器人通过该装置吸附在工作平面上，进行清刷作业。
2）机器人框架。承载机器人的各个控制元件。
3）控制箱。控制机器人的位姿、行走等功能。
4）电机箱。机器人的驱动装置。
5）传动机构。使机器人的各个构件运转的机构。
6）密封机构。避免机器人受到海水的腐蚀。
7）清刷机构。实现清除附着在导管架表面的生物和腐蚀产物的机构。
机器人整机由水上部分和水下部分组成，2部分通过防水电缆进行连接，水上部分主要实现对机器人位姿、深度的控制，通过姿态传感器、水压计和编码器等结构控制机器人位置形态。本研究重点为机器人样机的结构设计，控制部分将是下一阶段的研究工作。
2吸附方案设计
导管架多为圆形钢管，且伫立于深海之中。水下清洗工作环境特殊，清洗机器人需要极其可靠的吸附方式。目前，国内爬行机器人常用吸附方式有负压（真空）吸附、推力吸附和磁吸附等。其中，最适合钢管结构的吸附方式为磁吸附。磁吸附方式根据吸附体的不同分为永磁体吸附和电磁体吸附2种形式，最适合水下环境的磁吸附方式为永磁吸附。结合水下作业环境以及钢管结构的特殊性，且四轮机制比二轮或三轮更具稳定性，最终采取四轮磁轮吸附方式。
由于水下工作环境影响因素颇多，磁轮吸附提供的磁力易受外界因素干扰，不能保证绝对的稳定，因此本研究采用组合式磁体吸附的方式。组合式磁体吸附装置包含磁轮与磁体吸附单元2种结构，装置产生的吸附磁力由4个磁轮和2个磁体吸附单元提供。
2.1吸附条件分析
导管架结构组成包括立柱、水平支撑梁和斜撑梁等，各构件的尺寸不同，其直径为500〜1500 mm[11]，当机器人在导管架上爬行和工作时，机器人受到洋流和海浪的影响，其受力方向不断变化，稳定性受到影响。这些因素会导致机器人出现2种类型的故障形式：滑倒和跌落。为了避免这2种故障，磁体吸附组合必须提供足够的吸附力。
为保证机器人水下爬行过程中能够满足极限工况要求，即，可以在直径最小、倾斜程度最大的钢管上稳定爬行，特此选取直径为0450mm、水平倾角为90°的钢管作为研究对象，取校正系数0.875，则被
研究钢管直径确定为039375mm。
对机器人在竖直钢管壁面工作进行静力分析，将机器人及其携带装置看作一个整体，质心为几何结构中心，其受力分析如图1所示。
图1机器人在竖直壁面上作业受力分析示意
其中F为磁铁产生的总的吸附力f为轮子受
•18•石油矿场机械2021年1月
到的摩擦力犖.G分别为机器人受到的壁面支撑力与重力，为车轮半径丄为前后两轮的轮距。
机器人吸附失效有2种形式：①由于吸附装置的吸附力小于其他外力，使机器人与接触表面分离导致其跌落；②吸附力产生的转矩不足以克服机器人其他外部转矩而造成的滑倒现象。为避免机器人从壁面掉落，分别对这2种情形进行分析。
医用呼叫器1)跌落分析。
由受力分析可知，机器人不跌落，首先要满足式
(1)：
f>G(1)
对机器人水平方向做受力分析，有：
F=N⑵设管道壁面的摩擦因数为〃，并取安全系数A 为1.5，则机器人不跌落的力学条件为：
F^X犌(3)其中，摩擦因数“为0.25，设机器人装置总质量约为10kg，取重力加速度为9.8m/s2。则F> 5
88N。
2)滑倒分析。
对点A进行力矩的计算，可得机器人不发生倾覆的条件是：
工犕AFa—Na—G狉(4)式中：犕a是电机的驱动转矩；为车长j的一半。
将导管架截面划分为10等分，用直线近似代替曲线的方法，取1/10的弦长b为
b=2rX sin()=2Xy X350X sin(|0)=231.6mm
(5)
取安全系数为1.2，令车身长宽相等，则：
L1=L2=L2b=12X231.6mm=278mm(6) 2.2磁轮设计
图2为永磁轮的磁路模型［12］，充磁方向为轴向，且方向相反。该模型的隔磁材料选用铝，导磁材料选用牌号为Steel-1008的钢材。磁铁材料选择钕铁硼N35。资料显示，N35永磁体在理想状态下可提供4.61N/cm3的磁力［13］。
磁轮结构如图3所示。永磁体宽度、永磁体内径、导磁宽度是影响磁轮吸附磁力的主要因素。在其他参数不变的情况下，磁吸附力随着永磁体宽度的增加而增加，但是在宽度达到22mm以后增加不明显，趋于稳定；保证其他参数不变，改变永磁体内径，随着永磁体内径的变小，磁吸附力逐渐变小，内径10mm时相对稳定；保证其他参数不变，导磁宽度增加，磁吸附力也随之增加，导磁宽度在15mm 以后，磁吸附力变化趋于稳定［12］。
安全传输1—永磁体;2—导磁；3—隔磁；4—轭铁；5—壁面。
图2磁轮的磁路模型
a吸附永磁体b辄铁c导磁
d总体结构
图3清洗机器人磁轮结构示意
考虑到磁轮的宽度不宜太大，所以取永磁体宽度为15mm。综上分析，取磁轮的永磁体外径40 mm，内径10mm，宽度15mm，导磁宽度15mm，轭
第50卷第1期岳春梅，等：海洋导管架四轮磁吸附式水下清洗机器人设计・19・
铁厚度5mm。
环形永磁体的体积为：
V=n(D-d2)h=314X(42-12)X15=17.663cm3
(7)式中:D为永磁体外径d为永磁体内径h为永磁体宽度。
主动永磁轮可提供的吸附力：
F1=4X4.61^0V=
4X4.61X0.9X17.663=292.127N(8)式中M0为漏磁系数，犽0=0.9。
2.3磁体吸附单元设计
磁体吸附单元由2块条形永磁体组成，分别安装在底盘上2个前轮与2个后轮中间位置，如图4所示。
图4磁体吸附单元示意
为了避免磁体阵列接触管道表面，每块磁体尽量保证厚度在20mm以下，充磁方向与车轮轴向同向，且与两侧磁轮相近磁体充磁方向相同。当车轮轮胎面的一部分脱离吸附表面导致粘附力减小时，磁体单元和表面之间的气隙同时减小，磁力增加，由磁体单元产生的磁力自动补偿磁轮损失的吸附力。
理想状态下，磁体吸附单元的磁吸附力为：
犉2=占B2S(9)
2〃0
式中：F2为单个永磁体在理想状态下产生的磁力；“°为真空磁导率，取值〃0=4n X10-7T/(A・m)。B为导磁面的磁感应强度犛为导磁面面积。
根据车底底盘的设计，磁铁规格选取为150mmX50mm X10mm，故F2为326N。考虑到洋流等外界因素对磁力的干扰，且多重因素对磁力的影响不可预估，因此选取安全系数1.5来增加装置的可靠性，则：
F=F1+2F2=944.127N
F>1.5X588N=882N(10)
故满足吸附条件。
3机器人清刷装置设计
3.1刷子的设计与安装
目前最常见的水下清洗装置是高压水射流装置。由于高压水射流装置在工作过程中会产生较大的冲力，降低机器人水下作业底盘吸附的稳定性，考虑到以上因素，清洗设备采用随车身移动的刷子代替高压水射流装置。
如图5所示，为了达到良好的清刷效果，刷子形状设计为杯型，刷盘采用轻质铝合金材料，刷丝采用硬而有弹性的尼龙材料。
图5刷子示意
本文设计的清刷机器人的2个杯刷分别安装在车体2个前轮前端，该机器人的行走区域就是其清扫区域。清刷时，左右刷子的旋向相反，二者的转动转矩相互平衡。采用这种设计，在一定程度上可避免机器人在工作过程中由于刷子旋转产生转矩而引起的同转矩方向相同的自转。2个刷子的结构设计增加了清扫面积，减少了清刷盲区的面积，同时2个刷子的设计起到了良好的支撑作用，保证了车体行走的稳定性
气压顶杆。
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