船舶甲板智能拋丸機器人設計

何家健

(中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

船舶在海上行駛，受到海水、鹽霧、海生物等影響，在建造與航行階段甲板或多或少會產生銹蝕[1]。為延長船舶的使用壽命需要對甲板進行處理，即對焊縫及局部區域進行除銹、拉毛等施工，主要采用人工砂輪打磨，該方式存在施工效率低、質量不穩定等問題，所產生的粉塵并未回收，直接排至大氣中，對人身和周圍環境造成嚴重傷害[2]。

目前，鋼板除銹方式分為機械除銹、噴砂除銹、高壓水射流除銹和拋丸除銹等4種。機械除銹主要由人工手持打磨機進行除銹，該方式用途廣泛，但缺點明顯：效率低、污染嚴重，因此不符合涂裝綠色發展需求。噴砂除銹借助壓縮空氣動力將鋼砂噴至鋼材表面，利用沖擊力清理表面的鐵銹和氧化皮[3]，該方式的優點是效率高，但缺點是清理成本較高、污染嚴重，長期工作的工人具有患塵肺病的風險。高壓水射流利用超高壓將水加壓至數百個大氣壓，并通過細小孔徑噴射，具有巨大的打擊能量，可將銹斑和鐵皮等剝離[4]，該方式具有清洗速度快、適用各種復雜結構件的優點，但缺點是初始投資成本較高，在處理后易出現閃銹[5]。拋丸除銹利用拋丸機葉輪旋轉產生離心力將丸料以較高的線速度拋向鋼材表面，產生擊打和磨削作用，去除鋼材氧化皮和銹蝕并使表面呈現一定程度的粗糙度，拋丸機往往配備除塵器，無塵、無污染，是一種效率高的環保除銹工藝[6-7]。

雖然目前拋丸工藝技術比較成熟，但均為人工推動設備前進，自動移動式拋丸機器人在國內尚屬于空白，因此設計一款從實際使用需求角度出發的機器人尤為迫切和重要，以減少人工數量及減輕環境危害為目的，實現船舶甲板除銹的手動遙控和自動拋丸作業[8-11]。

1 智能拋丸機器人系統組成

為滿足表面清理的工作要求，機器人采取模塊化設計。智能拋丸機器人系統主要由拋丸分系統、除塵分系統、遙控裝置、越障輔助機構、連接電纜和回收軟件及轉運箱組成。智能拋丸機器人系統布局如圖1所示。甲板配電柜通過控制電纜為除塵分系統供電；分系統之間通過電纜、氣管回收軟管連接，底部放置管線支撐小車；由于甲板上的障礙較多，船廠起重機資源較緊張，因此配備越障輔助機構；安裝反光柱以便激光導航掃描地圖更完整。

圖1 智能拋丸機器人系統布局

2 智能拋丸機器人硬件設計

2.1 拋丸分系統硬件設計

拋丸分系統硬件設計在已有拋丸機基礎上進行改進。增加補料倉和料位不足檢測功能，自動控制補料倉切換閥實現丸料補充；增加進料口丸料閥，控制丸料是否進入拋丸輪；采用行走轉向電機，實現前進、后退、爬坡和轉彎等移動功能；配套車載控制器，實現移動控制、與除塵分系統信息交互、定位數據分析采集(預留軟件接口)、避障控制及提供數字信號輸入(Digital Input，DI)/數字信號輸出(Digital Output，DO)接口經繼電器開關對拋丸作業進行控制；配套抗干擾能力強的工業級無線發送器和接收器，具備遠程遙控功能，同時控制拋丸行走單元和除塵行走單元；配套激光掃描測量系統，預留軟件接口用于實現對拋丸分系統的實時定位功能；配套安全激光掃描儀，實現拋丸分系統避障功能；提供蜂鳴器和報警燈，具備故障檢測和報警功能。改進后的拋丸分系統如圖2所示：舵輪及控制箱固定于拋丸機前部；安全激光掃描儀固定于拋丸機斜對角處；激光掃描器固定于控制箱上方。

圖2 改進后的拋丸分系統

2.2 除塵分系統硬件設計

除塵分系統在除塵機基礎上進行改進。更改原有除塵機布局，減小部分部件尺寸，縮小原有除塵機整機體積，增強除塵分系統對船舶甲板緊湊空間的適應性；更換行走機構，采用行走轉向電機，實現前進、后退、爬坡和轉彎等移動功能；配套車載控制器，實現移動控制、與拋丸分系統信息交互、避障控制及提供DI/DO接口經繼電器開關對除塵作業進行控制；配套抗干擾能力強的工業級接收器，與拋丸分系統共享發送器，具備遠程遙控功能；配套超聲波傳感器，實現除塵分系統避障功能；增加故障檢測和報警功能，提供報警燈。改進后的除塵分系統如圖3所示：除塵箱位于除塵分系統前部上面，底部是儲灰斗；空壓機位于除塵分系統后部上面；控制電柜位于空壓機側面；除塵電機位于除塵分系統后部下面；舵輪位于除塵電機后下方。

圖3 改進后的除塵分系統

2.3 越障輔助機構設計

在越障時可使用船廠起重機，但在一般情況下協調起重機資源比較麻煩，只能考慮在大區域不便利轉運的情況下才使用船廠起重機。普通越障依賴越障輔助機構，用于輔助智能拋丸機器人系統越過不能通過行走繞過的障礙區域。拋丸分系統和除塵分系統本身需要配備包裝箱，可通過包裝箱的改進性設計實現兼顧越障功能。在遇到道路障礙(障礙物高度小于200 mm)時，可將轉運箱體移動至障礙物上方，將腳輪鎖緊，打開箱門，一端放置地面，接通電源遙控控制設備從箱體中移動出來。

拋丸分系統和除塵分系統均保留吊裝孔，可通過吊裝方式越過障礙，因此越障輔助機構設計為一個可拆卸組裝的小型龍門架，在龍門架上配備電動葫蘆實現設備的吊裝功能，底部配備重型剎車萬向腳輪實現移動功能。小型龍門架如圖4所示。

圖4 小型龍門架

3 智能拋丸機器人軟件設計

智能拋丸機器人軟件設計如圖5所示。

圖5 智能拋丸機器人軟件設計

智能拋丸機器人軟件主要包括拋丸分系統控制器軟件和除塵分系統控制軟件。2種控制器程序均可通過固定在除塵分系統上的工業平板完成編輯和編譯，并通過以太網下載至對應的控制器內。拋丸分系統與除塵分系統在行走功能上類似，均具有直線前進、后退、轉彎功能，拋丸分系統還具有一鍵掉頭功能。上述幾種功能均與控制舵輪的速度、轉向與轉角角度有關，為保證程序的模塊化設計，將舵輪控制設計為通用模塊，通過不同的輸入指令(直線行駛、轉彎、一鍵掉頭)實現不同的行走功能。上電自檢與系統狀態采集模塊基本實現原理相同，所采集的信號也基本一致，因此將上述2種模塊進行統一設計。通用型模塊分別為系統上電自檢模塊、實時狀態采集模塊、拋丸除塵設備使能模塊、舵輪控制模塊、拋丸功能模塊、除塵功能模塊及加料功能模塊；建立5個專用型模塊，分別為直線行駛模塊、轉彎模塊、一鍵掉頭模塊、遙控拋丸模塊及自主導引模塊。

4 智能拋丸機器人操作方式

4.1 手動遙控方式

手動遙控操作流程如圖6所示。

圖6 手動遙控操作流程

排除機器人故障并進行場地清理，人工通過升降機構將拋丸機構與待加工甲板調整至合適距離。在遙控器上通過操作模式切換模塊切換為遙控拋丸。通過顯示模塊設置作業參數，選擇一鍵啟動，依次啟動除塵電機、第一拋丸電機、第二拋丸電機和進料口丸料閥。在遙控器上通過拋丸或除塵選擇模塊選擇拋丸作業，遙控拋丸裝置開始拋丸作業。如果拋丸裝置行走期間遇到障礙，通過一鍵停止模塊關閉進料口丸料閥并停止第一拋丸電機和第二拋丸電機，通過手柄遙控拋丸裝置繞開障礙物行走。如果顯示模塊提示儲料箱料位不足，通過補料倉切換閥啟動/停止打開補料倉切換閥進行補料，補料完成關閉補料倉切換閥。如果除塵裝置與拋丸裝置之間的距離超過中間軟管規定的工作范圍，在遙控器上選擇除塵作業，遙控除塵裝置移動至合適位置，選擇拋丸作業。

4.2 導引規劃方式

導引規劃操作流程如圖7所示。排除機器人故障并進行場地清理，進行拋丸裝置行走速度校準。通過手柄遙控拋丸裝置在工作區域行走，通過激光導航掃描模塊獲取周圍位置信息，在顯示模塊上進行現場地圖創建、行走路徑規劃和作業參數設置。人工通過升降機構將拋丸機構與待加工甲板調整至合適距離，在遙控器上通過操作模式切換模塊將操作模式切換為自動導航拋丸。人工輔助整理軟管，拋丸裝置自動按照預定行走路徑執行拋丸作業。

圖7 自主導引操作流程

5 實船甲板測試

準備S390鋼丸、S280鋼丸、S280鋼丸+G25鋼砂和鋼絲切丸1.0進行測試，分別將丸料導入箱內進行實船甲板測試。測試數據如表1所示。

6 結 語

經現場測試驗證，所設計的智能拋丸機器人可完成船舶甲板的除銹與清理，具備效率高、污染輕、操作簡便的特點，可用于船舶修造、橋梁施工等領域大范圍涂裝前的預處理，如主甲板、貨艙底、合龍焊縫的除銹除漆等。