大型船舶分段涂裝機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展

劉雪梅，楊曉浪，盧軍國，孫開亞

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

目前全球經(jīng)濟(jì)下行壓力增大，全球海運(yùn)貿(mào)易量及世界船舶工業(yè)發(fā)展形勢(shì)嚴(yán)峻。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2019 年世界造船業(yè)新接訂單量6 640 萬載重噸，與2018 年同比下降16.2%，年底手持訂單量18 637 萬載重噸，同比下降10.2%［1］，船舶制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇。為確保我國造船業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，近年來我國造船業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用大規(guī)模自動(dòng)化、智能化裝備和柔性集成制造系統(tǒng)助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。機(jī)器人技術(shù)作為智能制造裝備的典型代表，已被廣泛應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域。

林焰等［2］的研究表明，分段涂裝階段的油漆用量、工時(shí)用量及所用人工在整個(gè)涂裝階段中占比分別為38.7%、56.1%和30.0%，可見分段涂裝在船舶涂裝中占據(jù)重要地位。隨著環(huán)保綠色等理念的推廣，環(huán)境保護(hù)和工人保護(hù)越來越受到社會(huì)各界的關(guān)注。因此，為縮短船舶分段制造周期，提高船舶分段制造質(zhì)量，進(jìn)而更高效、環(huán)保、低耗地制造高質(zhì)量船舶，研究可適用的船舶分段涂裝機(jī)器人是未來的研究熱點(diǎn)。

1 船舶分段涂裝

船舶分段涂裝是指對(duì)船體分段表面進(jìn)行除銹和噴漆處理，其主要目的是除去分段底漆破損導(dǎo)致的重新銹蝕和底漆的再噴涂［3］。船舶分段涂裝有噴砂和噴漆兩階段：分段噴砂是指對(duì)船舶分段表面進(jìn)行除銹除污；分段噴漆是依據(jù)船舶建造質(zhì)量和工藝要求，對(duì)分段表面進(jìn)行涂漆作業(yè)。

船舶涂裝基于船舶建造技術(shù)，是在船舶基體上開展工藝作業(yè)，其發(fā)展與船舶建造技術(shù)的發(fā)展密不可分。分段涂裝的對(duì)象為船舶分段，類型有平面分段、曲面分段、半立體分段、立體分段和大型立體分段。

船舶分段的劃分無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在船舶初始設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員按照實(shí)際生產(chǎn)條件、生產(chǎn)需要、工藝特點(diǎn)等對(duì)船舶進(jìn)行分段劃分［4］。這導(dǎo)致應(yīng)用涂裝機(jī)器人時(shí)，存在船舶分段種類多、幾何形狀差異大的問題［5］；此外，船舶分段涂裝的工作環(huán)境因分段形狀而異，可能在室內(nèi)也可能在室外，作業(yè)時(shí)，分段擺放的角度、位置因分段形狀而異；分段涂裝是船舶涂裝階段中最重要的環(huán)節(jié)，對(duì)表面處理質(zhì)量、涂層質(zhì)量等有較高要求。上述問題對(duì)適用于船舶分段的涂裝機(jī)器人提出挑戰(zhàn)。

2 船舶分段涂裝機(jī)器人的一般要求

為完成涂裝任務(wù)，涂裝機(jī)器人和其他輔助技術(shù)系統(tǒng)均須滿足一定的要求。雖然對(duì)涂裝機(jī)器人的需求和關(guān)注點(diǎn)取決于分段的形狀特征，但適合不同形狀分段的涂裝機(jī)器人也需具有一般的要求。

（1） 適應(yīng)大面積作業(yè)：由于船舶巨型化，相較于汽車，船舶分段在幾何尺寸上屬于大型構(gòu)件。因此涂裝機(jī)器人需適應(yīng)分段的大面積作業(yè)。

（2） 有效載荷：即機(jī)器人的承載能力。涂裝分為噴砂與噴漆，執(zhí)行2個(gè)步驟的執(zhí)行末端及輔助系統(tǒng)所需的機(jī)器人承載不同，需同時(shí)考慮；另外，分段涂裝效率的高低、涂裝作業(yè)面積的大小、機(jī)器人執(zhí)行末端可搭載噴頭的數(shù)量等均取決于機(jī)器人的有效載荷。

（3） 可靠性：機(jī)器人可靠性和安全性要求是前提，其包括穩(wěn)定的硬件、良好的控制器、檢測(cè)和處理危險(xiǎn)情況及從中恢復(fù)的能力。例如，爬壁式機(jī)器人需具有繩索防護(hù)措施。

（4） 靈活性：機(jī)器人須有一定的靈活性，隨時(shí)調(diào)整以適應(yīng)不同的待涂裝表面形式，機(jī)器人可靈活、便捷地調(diào)整位置，盡可能快地適應(yīng)不同分段的場(chǎng)地變換。

（5） 環(huán)保性：應(yīng)用機(jī)器人可提高作業(yè)效率、節(jié)省成本，使人遠(yuǎn)離有害的作業(yè)環(huán)境。此外，考慮對(duì)周圍環(huán)境的影響，機(jī)器人需具有一定的有害顆粒及漆霧回收處理功能，防止環(huán)境污染。

基于具體的船舶分段涂裝任務(wù)，機(jī)器人設(shè)計(jì)人員須決定哪些要求應(yīng)被滿足，并選擇合適的機(jī)器人類型和輔助支持設(shè)備。

3 船舶分段涂裝機(jī)器人

目前專門針對(duì)船舶分段的涂裝機(jī)器人較少，本文對(duì)船舶涂裝機(jī)器人及可適用于大型船舶分段涂裝的機(jī)器人進(jìn)行歸納整理，主要有除銹機(jī)器人及噴涂機(jī)器人。林焰等［2］、衣正堯等［6］對(duì)用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機(jī)器人及大型船用塢內(nèi)外板涂裝機(jī)器人展開研究整理，分析、歸納噴涂與除銹機(jī)器人的不同之處。

船舶分段的多樣性，導(dǎo)致所需的機(jī)器人無法統(tǒng)一。目前，用于船舶涂裝的機(jī)器人主要有爬壁式、軌道式和移動(dòng)機(jī)械臂式3 種涂裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的搭載形式。功能上，通過更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在除銹與噴涂作業(yè)之間切換。爬壁、軌道或移動(dòng)機(jī)械臂搭載形式的選用及相應(yīng)的支撐系統(tǒng)則根據(jù)實(shí)際分段形式選擇。按照搭載形式的分類，對(duì)國內(nèi)外可適用船舶分段涂裝的機(jī)器人在結(jié)構(gòu)機(jī)理、作業(yè)效率、綠色環(huán)保等方面進(jìn)行介紹。

3.1 爬壁式機(jī)器人

爬壁機(jī)器人是指附著于物體表面進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人形式，常用的附壁方式有磁性、負(fù)壓、機(jī)械力等，這也是目前研究最多的一種機(jī)器人形式，被廣泛應(yīng)用于大型建筑外墻、大型儲(chǔ)罐、橋梁、船舶、飛機(jī)等領(lǐng)域，進(jìn)行表面處理及檢查等作業(yè)［7-11］。

Kim 等［12］對(duì)爬壁機(jī)器人的附壁原理展開研究，提出一種新的永磁磁阻輪設(shè)計(jì)。Cho 等［13］針對(duì)船舶外板涂裝，提出一種新的自動(dòng)噴漆機(jī)器人，采用基于永磁輪的移動(dòng)及附壁方式，加配有視覺系統(tǒng)，使其更加智能化，具備視覺識(shí)別、自動(dòng)生成噴涂軌跡等功能。其不足之處在于只適用于平面噴涂，對(duì)曲面噴涂操作具有一定局限性，且系統(tǒng)的視覺部分誤差較大。目前，該系列機(jī)器人均未設(shè)置安全防護(hù)措施及漆霧回收裝置，存在污染問題。Wang等［14］、李慧娟等［15］提出基于永磁吸附、履帶行走、鏈傳動(dòng)及交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案，應(yīng)用于船體表面噴漆爬壁機(jī)器人，具有視覺檢測(cè)噴涂質(zhì)量功能，但未制造相應(yīng)的樣機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｈ毡酒稚霞夹g(shù)研究所長期致力于表面處理機(jī)器人的研發(fā)，開發(fā)專門應(yīng)用于表面處理的“V-Robo System”機(jī)器人系統(tǒng)［16-17］。該機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)具體應(yīng)用采用真空吸附、永磁吸附或輪式驅(qū)動(dòng)；搭載除銹設(shè)備時(shí)，如VAL 系列機(jī)器人，機(jī)器人工作系統(tǒng)的組成如圖1 所示。其采用吸氣式的清洗處理方式，高速氣流不僅可用于處理表面，更可有效地抽吸回收從表面去除的材料，防止環(huán)境污染。但在噴漆時(shí)，如VM 系列機(jī)器人，其噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)為滾刷，噴涂效率較低，其中前2代產(chǎn)品為開放式作業(yè)，存在漆霧污染，第3代產(chǎn)品加裝了防護(hù)封閉裝置，以解決污染問題。系統(tǒng)采用滑輪牽引柔性自伸縮鋼絲繩作為安全防墜裝置，可靠性較好。

圖1 船體除銹機(jī)器人組成［16］Fig.1 Composition of abrasives blast robot for shipbuilding［16］

Xu 等［18］提出一種用于船體噴涂和預(yù)處理的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人采用磁吸附方式，輪式行走，可根據(jù)需要切換相關(guān)工藝設(shè)備，進(jìn)行噴涂或除銹；具有離線編程功能，結(jié)合定位功能，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂軌跡自動(dòng)規(guī)劃及噴涂作業(yè)的自動(dòng)進(jìn)行，進(jìn)而減少人工操作的工作量，保證噴涂效果的穩(wěn)定和涂膜厚度的均勻，但未考慮環(huán)境污染問題。Yang 等［19］設(shè)計(jì)了一種表面涂漆爬壁機(jī)器人，采用磁吸附方式，履帶式移動(dòng)，比傳統(tǒng)機(jī)器人更智能，視覺傳感技術(shù)的引入使機(jī)器人具有自動(dòng)尋徑及檢測(cè)功能，但未考慮安全防護(hù)及漆霧回收裝置。上海外高橋造船有限公司聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)與新松機(jī)器人項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)一款用于船舶噴涂的磁吸附式智能爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人安裝有4 個(gè)末端噴槍，其同時(shí)工作可有效擴(kuò)大噴涂覆蓋面，提高噴涂效率。該系統(tǒng)也配備視覺檢測(cè)功能，能夠辨別噴涂作業(yè)邊界線，減少涂料的浪費(fèi)，但未設(shè)置漆霧回收裝置，存在污染問題［5，20］。林焰等［21］在船舶外板噴涂機(jī)器人方面開展大量的研究，提出一種基于爬壁機(jī)器人搭載的拖涂式往復(fù)滑臺(tái)噴涂模擬系統(tǒng)方案，采用輪式移動(dòng)和磁吸附方式，除可完成基本的噴涂作業(yè)外，還具有基于視覺的軌跡規(guī)劃及自動(dòng)控制功能，可徹底解放人工作業(yè)的實(shí)時(shí)跟機(jī)狀態(tài)，同時(shí)具有漆霧回收、安全防墜等安全環(huán)保措施設(shè)計(jì)。

研究發(fā)現(xiàn)，在船舶涂裝中，爬壁機(jī)器人附壁幾乎均為磁吸附式，這是船舶材料的屬性決定的最簡(jiǎn)單有效的方式。由于船舶表面不存在臺(tái)階或障礙物，因此采用輪式或履帶式運(yùn)動(dòng)最為有利，可連續(xù)運(yùn)動(dòng)、速度快、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。由于爬壁機(jī)器人的有效載荷有限，一般搭載噴頭數(shù)量單一，涂裝效率相對(duì)受限，加裝污染物回收及安全防護(hù)裝置困難。不同學(xué)者對(duì)爬壁機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式、附壁原理、一般要求等指標(biāo)要求的對(duì)比見表1。

表1 不同爬壁機(jī)器人的對(duì)比Tab.1 Comparison of different wall-climbing robots

3.2 軌道式機(jī)器人

軌道式機(jī)器人是指利用框架、懸臂等高空作業(yè)設(shè)備在導(dǎo)軌上搭載涂裝設(shè)備進(jìn)行涂裝作業(yè)的機(jī)器人形式。其中，奧地利Palfinger海工在船舶涂裝領(lǐng)域研發(fā)的船體處理載體（hull treatment carrier，HTC）系統(tǒng)［2，22］是其典型代表。該系統(tǒng)使用基于軌道布置的非接觸式附壁的軌道框架機(jī)器人，如圖2 所示。HTC 采用除銹噴涂一體化布置，在框架上2 種機(jī)構(gòu)可以互換，通過工藝系統(tǒng)設(shè)置，HTC 同時(shí)對(duì)船體進(jìn)行噴砂和涂層處理，最大限度地提高時(shí)間效率并降低成本。最新的人機(jī)界面與多個(gè)攝像機(jī)視圖相結(jié)合，允許操作員篩選特定區(qū)域，操作員選擇需處理的斑點(diǎn)，或?qū)⑾到y(tǒng)設(shè)置為全區(qū)域噴砂或噴涂。機(jī)器人采用框架式，可搭載更多噴槍、更大功率的噴涂設(shè)備，提高噴涂效率。采用軌道式承載，需在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)軌道，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，軌道設(shè)備鋪設(shè)需根據(jù)實(shí)際調(diào)整，操作復(fù)雜，且其保養(yǎng)與維護(hù)較為困難，成本較高。目前該機(jī)器人仍需人機(jī)交互控制，智能化程度較低，無漆霧回收裝置，存在污染問題。

圖2 Palfinger海工研發(fā)的 HTC系統(tǒng)［22］Fig.2 The HTC system developed by Palfinger Offshore［22］

álvarez［23］和Ortiz 等［24］提出一種船體噴砂機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用帶有懸臂的軌道式升降架，機(jī)器人本體上裝有越障緩沖器和紅外線傳感器，具有自我避障功能。此外，該裝置增設(shè)可靠的視覺系統(tǒng)，用于半自動(dòng)化的噴涂操作。但該裝置采用XYZ三自由度的作業(yè)方式，對(duì)復(fù)雜外表面適應(yīng)性較差。另外，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)噴涂作業(yè)時(shí)，需鋪設(shè)相應(yīng)的軌道，使用和維護(hù)復(fù)雜，成本較高。劉俊杰［5］設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的船舶分段自動(dòng)噴涂系統(tǒng)整體方案。輸送模塊將噴涂機(jī)器人固定在可升降的軌道上，軌道帶動(dòng)噴涂機(jī)器人循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，致使噴涂區(qū)域達(dá)到全面覆蓋。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)船體分段外表面工件的實(shí)時(shí)檢測(cè)、像素測(cè)量以及末端噴槍路徑的自動(dòng)規(guī)劃，滿足對(duì)船體分段外表面工件的自動(dòng)噴涂作業(yè)要求，提高了噴涂機(jī)器人的自動(dòng)化與智能化程度。

軌道式機(jī)器人相較于爬壁式及移動(dòng)機(jī)械臂式在有效載荷上具有巨大優(yōu)勢(shì)，可靠性好。可根據(jù)實(shí)際情況增加噴槍數(shù)量，擴(kuò)大單次噴涂面積，提高效率；也可加裝相應(yīng)的環(huán)保設(shè)備等，適應(yīng)性強(qiáng)；但存在軌道的限制，其在場(chǎng)地環(huán)境下的靈活性相比其他2種較低，成本較高。

3.3 移動(dòng)機(jī)械臂式機(jī)器人

移動(dòng)機(jī)械臂式機(jī)器人，是指利用高架車或移動(dòng)小車的機(jī)械臂搭載涂裝設(shè)備進(jìn)行涂裝作業(yè)的機(jī)器人形式。西班牙Syncroil 公司研發(fā)了一款實(shí)用高架車搭載密閉式噴漆/除銹機(jī)器人［2，25］，如圖3所示。該機(jī)器人由高架車搭載涂裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高架車移動(dòng)，噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿船體表面作業(yè)。同時(shí)開發(fā)基于射頻技術(shù)的人機(jī)無線通信設(shè)備，采取地面遙控作業(yè)，解放高空作業(yè)的工人；搭載設(shè)備采用高架車機(jī)械臂，相比爬壁式機(jī)器人，其有效載荷更高，可搭載更多噴槍及更大口徑的涂裝設(shè)備。采用密閉式回收罩，防止漆霧及顆粒物對(duì)周圍環(huán)境造成污染；在狹小空間里機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)受限，作業(yè)軌跡控制困難；沒有視覺監(jiān)測(cè)裝置，智能化程度較低，人眼控制噴頭與船體表面的距離，易造成漆膜厚度不一、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

圖3 高架車搭載密閉式機(jī)器人［25］Fig.3 Overhead vehicle equipped with closed robot ［25］

意大利的Rina Vincenzo［26］公司提出類似設(shè)計(jì)理念和原理的高架車搭載密閉式噴涂機(jī)器人專利。相比Syncroil 公司的產(chǎn)品，Rina Vincenzo 的產(chǎn)品更加智能化，設(shè)置了視覺軌跡和檢測(cè)系統(tǒng)，擺脫了人眼監(jiān)測(cè)及其可能產(chǎn)生的問題。孟子航等［27-28］設(shè)計(jì)了一款面向超大型船體分段外表面噴涂的機(jī)械臂搭載噴涂機(jī)器人系統(tǒng)，其具有重量輕、有效載荷大、噴涂空間大、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。利用全站儀測(cè)量定位系統(tǒng)解決分段外表面相對(duì)定位、移動(dòng)噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)絕對(duì)定位及其控制問題。但是基于液壓展臂式的噴涂機(jī)器人易受液壓展臂剛度的影響，末端噴槍工作時(shí)有抖動(dòng)，易造成涂層厚度均勻性變差，噴涂質(zhì)量不佳等問題。Zheng 等［29］提出一種基于高架車搭載的封閉式噴砂機(jī)構(gòu)的新設(shè)計(jì)，模仿噴槍的手動(dòng)運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了噴槍的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制，并集成3 把噴槍，大幅提高作業(yè)效率。Zhao 等［30］基于船舶涂裝機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種三自由度機(jī)械手，可靈活、高速、高精度地進(jìn)行船舶涂裝作業(yè)。機(jī)械手還可攜帶多達(dá)4 個(gè)噴嘴，工作效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)噴漆機(jī)器人的單噴嘴設(shè)計(jì)。

移動(dòng)機(jī)械臂式機(jī)器人在靈活性上優(yōu)于其他2種搭載方式，在有效載荷的允許下，其比爬壁式可搭載更多噴槍，噴涂效率及單次噴涂面積較大，且可加裝回收處理裝置。但當(dāng)有效載荷增大時(shí)，對(duì)機(jī)械臂的強(qiáng)度、材質(zhì)及動(dòng)力系統(tǒng)要求較高，成本增加。不同搭載形式機(jī)器人的對(duì)比見表2，對(duì)于具體的船舶分段涂裝任務(wù)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)一般要求選擇合適的機(jī)器人類型及結(jié)構(gòu)。上述各涂裝機(jī)器人的研究成果均可為船舶分段自動(dòng)涂裝機(jī)器人的產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

表2 不同搭載形式的機(jī)器人對(duì)比Tab.2 Comparison of robots with different carrying forms

4 船舶分段涂裝機(jī)器人展望

對(duì)船舶分段涂裝和涂裝機(jī)器人，研究人員一直在已有成果的基礎(chǔ)之上不斷改善。下面對(duì)相關(guān)研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)進(jìn)行展望。

（1） 涂裝機(jī)器人更加智能化。由于船舶分段的多樣性，其涂裝也需要多樣化的處理方式，因此，這對(duì)涂裝機(jī)器人提出智能化要求。在惡劣環(huán)境下或在使用對(duì)人體有害材料時(shí)，機(jī)器視覺的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)及必要性，目前已有部分機(jī)器人具備視覺功能。隨著視覺傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人將在路徑識(shí)別、軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測(cè)及自適應(yīng)能力方面得到進(jìn)一步提高，將更加高效、智能地完成越來越復(fù)雜及危險(xiǎn)的工作。

（2） 高效率涂裝。目前，單機(jī)器人搭載多噴頭噴涂技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)際，大幅提高船舶大平面噴涂效率。同時(shí)，多機(jī)器人搭載單噴頭協(xié)同作業(yè)技術(shù)也值得深入研究，機(jī)器人協(xié)同技術(shù)將使多機(jī)器人更加智能地協(xié)調(diào)資源沖突及任務(wù)分配。多Agent 技術(shù)可通過機(jī)器人之間的通信，了解其他機(jī)器人的行動(dòng)及約束，并進(jìn)行更加智能的自主規(guī)劃。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更加便捷，多機(jī)器人之間高效的團(tuán)隊(duì)合作將成為現(xiàn)實(shí)。

5 結(jié)語

船舶分段涂裝是船舶分段建造技術(shù)中的關(guān)鍵一環(huán)，在船舶建造中占據(jù)重要地位。為實(shí)現(xiàn)我國世界造船強(qiáng)國的宏偉目標(biāo)，在船舶行業(yè)加強(qiáng)研發(fā)并推廣使用工業(yè)機(jī)器人勢(shì)在必行。被應(yīng)用于大型船舶分段涂裝機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有爬壁式、軌道式和移動(dòng)機(jī)械臂式，3種搭載形式各有優(yōu)劣，其選用應(yīng)根據(jù)分段劃分的具體情況而定。隨著涂裝工藝、傳感器、測(cè)量、通信等技術(shù)的發(fā)展，涂裝機(jī)器人的功能將更加完善和智能，進(jìn)而提高船舶表面涂裝質(zhì)量，縮短船舶制造周期。