大型船舶分段涂裝機器人的應用和發展

劉雪梅，楊曉浪，盧軍國，孫開亞

（1.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

目前全球經濟下行壓力增大，全球海運貿易量及世界船舶工業發展形勢嚴峻。統計數據表明，2019 年世界造船業新接訂單量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］，船舶制造企業競爭進一步加劇。為確保我國造船業在競爭中占據主導地位，近年來我國造船業的發展趨勢是應用大規模自動化、智能化裝備和柔性集成制造系統助力產業轉型升級。機器人技術作為智能制造裝備的典型代表，已被廣泛應用于船舶制造領域。

林焰等［2］的研究表明，分段涂裝階段的油漆用量、工時用量及所用人工在整個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重要地位。隨著環保綠色等理念的推廣，環境保護和工人保護越來越受到社會各界的關注。因此，為縮短船舶分段制造周期，提高船舶分段制造質量，進而更高效、環保、低耗地制造高質量船舶，研究可適用的船舶分段涂裝機器人是未來的研究熱點。

1 船舶分段涂裝

船舶分段涂裝是指對船體分段表面進行除銹和噴漆處理，其主要目的是除去分段底漆破損導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：分段噴砂是指對船舶分段表面進行除銹除污；分段噴漆是依據船舶建造質量和工藝要求，對分段表面進行涂漆作業。

船舶涂裝基于船舶建造技術，是在船舶基體上開展工藝作業，其發展與船舶建造技術的發展密不可分。分段涂裝的對象為船舶分段，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一標準，在船舶初始設計階段，設計人員按照實際生產條件、生產需要、工藝特點等對船舶進行分段劃分［4］。這導致應用涂裝機器人時，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境因分段形狀而異，可能在室內也可能在室外，作業時，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節，對表面處理質量、涂層質量等有較高要求。上述問題對適用于船舶分段的涂裝機器人提出挑戰。

2 船舶分段涂裝機器人的一般要求

為完成涂裝任務，涂裝機器人和其他輔助技術系統均須滿足一定的要求。雖然對涂裝機器人的需求和關注點取決于分段的形狀特征，但適合不同形狀分段的涂裝機器人也需具有一般的要求。

（1） 適應大面積作業：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件。因此涂裝機器人需適應分段的大面積作業。

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

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

（4） 靈活性：機器人須有一定的靈活性，隨時調整以適應不同的待涂裝表面形式，機器人可靈活、便捷地調整位置，盡可能快地適應不同分段的場地變換。

（5） 環保性：應用機器人可提高作業效率、節省成本，使人遠離有害的作業環境。此外，考慮對周圍環境的影響，機器人需具有一定的有害顆粒及漆霧回收處理功能，防止環境污染。

基于具體的船舶分段涂裝任務，機器人設計人員須決定哪些要求應被滿足，并選擇合適的機器人類型和輔助支持設備。

3 船舶分段涂裝機器人

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

船舶分段的多樣性，導致所需的機器人無法統一。目前，用于船舶涂裝的機器人主要有爬壁式、軌道式和移動機械臂式3 種涂裝執行機構的搭載形式。功能上，通過更換執行機構，在除銹與噴涂作業之間切換。爬壁、軌道或移動機械臂搭載形式的選用及相應的支撐系統則根據實際分段形式選擇。按照搭載形式的分類，對國內外可適用船舶分段涂裝的機器人在結構機理、作業效率、綠色環保等方面進行介紹。

3.1 爬壁式機器人

爬壁機器人是指附著于物體表面進行作業的機器人形式，常用的附壁方式有磁性、負壓、機械力等，這也是目前研究最多的一種機器人形式，被廣泛應用于大型建筑外墻、大型儲罐、橋梁、船舶、飛機等領域，進行表面處理及檢查等作業［7-11］。

Kim 等［12］對爬壁機器人的附壁原理展開研究，提出一種新的永磁磁阻輪設計。Cho 等［13］針對船舶外板涂裝，提出一種新的自動噴漆機器人，采用基于永磁輪的移動及附壁方式，加配有視覺系統，使其更加智能化，具備視覺識別、自動生成噴涂軌跡等功能。其不足之處在于只適用于平面噴涂，對曲面噴涂操作具有一定局限性，且系統的視覺部分誤差較大。目前，該系列機器人均未設置安全防護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、鏈傳動及交流伺服電機驅動的機器人本體結構方案，應用于船體表面噴漆爬壁機器人，具有視覺檢測噴涂質量功能，但未制造相應的樣機試驗模型。日本浦上技術研究所長期致力于表面處理機器人的研發，開發專門應用于表面處理的“V-Robo System”機器人系統［16-17］。該機器人系統根據具體應用采用真空吸附、永磁吸附或輪式驅動；搭載除銹設備時，如VAL 系列機器人，機器人工作系統的組成如圖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，防止環境污染。但在噴漆時，如VM 系列機器人，其噴涂執行機構為滾刷，噴涂效率較低，其中前2代產品為開放式作業，存在漆霧污染，第3代產品加裝了防護封閉裝置，以解決污染問題。系統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處理的爬壁機器人系統。機器人采用磁吸附方式，輪式行走，可根據需要切換相關工藝設備，進行噴涂或除銹；具有離線編程功能，結合定位功能，可實現機器人噴涂軌跡自動規劃及噴涂作業的自動進行，進而減少人工操作的工作量，保證噴涂效果的穩定和涂膜厚度的均勻，但未考慮環境污染問題。Yang 等［19］設計了一種表面涂漆爬壁機器人，采用磁吸附方式，履帶式移動，比傳統機器人更智能，視覺傳感技術的引入使機器人具有自動尋徑及檢測功能，但未考慮安全防護及漆霧回收裝置。上海外高橋造船有限公司聯合同濟大學與新松機器人項目團隊聯合研發一款用于船舶噴涂的磁吸附式智能爬壁機器人系統。該機器人安裝有4 個末端噴槍，其同時工作可有效擴大噴涂覆蓋面，提高噴涂效率。該系統也配備視覺檢測功能，能夠辨別噴涂作業邊界線，減少涂料的浪費，但未設置漆霧回收裝置，存在污染問題［5，20］。林焰等［21］在船舶外板噴涂機器人方面開展大量的研究，提出一種基于爬壁機器人搭載的拖涂式往復滑臺噴涂模擬系統方案，采用輪式移動和磁吸附方式，除可完成基本的噴涂作業外，還具有基于視覺的軌跡規劃及自動控制功能，可徹底解放人工作業的實時跟機狀態，同時具有漆霧回收、安全防墜等安全環保措施設計。

研究發現，在船舶涂裝中，爬壁機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單有效的方式。由于船舶表面不存在臺階或障礙物，因此采用輪式或履帶式運動最為有利，可連續運動、速度快、機械結構和控制系統簡單。由于爬壁機器人的有效載荷有限，一般搭載噴頭數量單一，涂裝效率相對受限，加裝污染物回收及安全防護裝置困難。不同學者對爬壁機器人在運動方式、附壁原理、一般要求等指標要求的對比見表1。

表1 不同爬壁機器人的對比Tab.1 Comparison of different wall-climbing robots

3.2 軌道式機器人

軌道式機器人是指利用框架、懸臂等高空作業設備在導軌上搭載涂裝設備進行涂裝作業的機器人形式。其中，奧地利Palfinger海工在船舶涂裝領域研發的船體處理載體（hull treatment carrier，HTC）系統［2，22］是其典型代表。該系統使用基于軌道布置的非接觸式附壁的軌道框架機器人，如圖2 所示。HTC 采用除銹噴涂一體化布置，在框架上2 種機構可以互換，通過工藝系統設置，HTC 同時對船體進行噴砂和涂層處理，最大限度地提高時間效率并降低成本。最新的人機界面與多個攝像機視圖相結合，允許操作員篩選特定區域，操作員選擇需處理的斑點，或將系統設置為全區域噴砂或噴涂。機器人采用框架式，可搭載更多噴槍、更大功率的噴涂設備，提高噴涂效率。采用軌道式承載，需在現場鋪設軌道，由于現場環境復雜，軌道設備鋪設需根據實際調整，操作復雜，且其保養與維護較為困難，成本較高。目前該機器人仍需人機交互控制，智能化程度較低，無漆霧回收裝置，存在污染問題。

圖2 Palfinger海工研發的 HTC系統［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器人系統，機器人運動系統采用帶有懸臂的軌道式升降架，機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，該裝置增設可靠的視覺系統，用于半自動化的噴涂操作。但該裝置采用XYZ三自由度的作業方式，對復雜外表面適應性較差。另外，實際現場噴涂作業時，需鋪設相應的軌道，使用和維護復雜，成本較高。劉俊杰［5］設計了一種基于機器視覺的船舶分段自動噴涂系統整體方案。輸送模塊將噴涂機器人固定在可升降的軌道上，軌道帶動噴涂機器人循環往復運動，致使噴涂區域達到全面覆蓋。該系統實現了對船體分段外表面工件的實時檢測、像素測量以及末端噴槍路徑的自動規劃，滿足對船體分段外表面工件的自動噴涂作業要求，提高了噴涂機器人的自動化與智能化程度。

軌道式機器人相較于爬壁式及移動機械臂式在有效載荷上具有巨大優勢，可靠性好。可根據實際情況增加噴槍數量，擴大單次噴涂面積，提高效率；也可加裝相應的環保設備等，適應性強；但存在軌道的限制，其在場地環境下的靈活性相比其他2種較低，成本較高。

3.3 移動機械臂式機器人

移動機械臂式機器人，是指利用高架車或移動小車的機械臂搭載涂裝設備進行涂裝作業的機器人形式。西班牙Syncroil 公司研發了一款實用高架車搭載密閉式噴漆/除銹機器人［2，25］，如圖3所示。該機器人由高架車搭載涂裝執行機構，高架車移動，噴涂執行機構沿船體表面作業。同時開發基于射頻技術的人機無線通信設備，采取地面遙控作業，解放高空作業的工人；搭載設備采用高架車機械臂，相比爬壁式機器人，其有效載荷更高，可搭載更多噴槍及更大口徑的涂裝設備。采用密閉式回收罩，防止漆霧及顆粒物對周圍環境造成污染；在狹小空間里機械臂運動受限，作業軌跡控制困難；沒有視覺監測裝置，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、質量不穩定等問題。

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

意大利的Rina Vincenzo［26］公司提出類似設計理念和原理的高架車搭載密閉式噴涂機器人專利。相比Syncroil 公司的產品，Rina Vincenzo 的產品更加智能化，設置了視覺軌跡和檢測系統，擺脫了人眼監測及其可能產生的問題。孟子航等［27-28］設計了一款面向超大型船體分段外表面噴涂的機械臂搭載噴涂機器人系統，其具有重量輕、有效載荷大、噴涂空間大、運動靈活等特點。利用全站儀測量定位系統解決分段外表面相對定位、移動噴涂機器人運動絕對定位及其控制問題。但是基于液壓展臂式的噴涂機器人易受液壓展臂剛度的影響，末端噴槍工作時有抖動，易造成涂層厚度均勻性變差，噴涂質量不佳等問題。Zheng 等［29］提出一種基于高架車搭載的封閉式噴砂機構的新設計，模仿噴槍的手動運動，該機構實現了噴槍的自動運動控制，并集成3 把噴槍，大幅提高作業效率。Zhao 等［30］基于船舶涂裝機器人，設計一種三自由度機械手，可靈活、高速、高精度地進行船舶涂裝作業。機械手還可攜帶多達4 個噴嘴，工作效率遠超傳統噴漆機器人的單噴嘴設計。

移動機械臂式機器人在靈活性上優于其他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。但當有效載荷增大時，對機械臂的強度、材質及動力系統要求較高，成本增加。不同搭載形式機器人的對比見表2，對于具體的船舶分段涂裝任務，設計人員可根據一般要求選擇合適的機器人類型及結構。上述各涂裝機器人的研究成果均可為船舶分段自動涂裝機器人的產品研發提供參考。

表2 不同搭載形式的機器人對比Tab.2 Comparison of robots with different carrying forms

4 船舶分段涂裝機器人展望

對船舶分段涂裝和涂裝機器人，研究人員一直在已有成果的基礎之上不斷改善。下面對相關研究熱點和趨勢進行展望。

（1） 涂裝機器人更加智能化。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，這對涂裝機器人提出智能化要求。在惡劣環境下或在使用對人體有害材料時，機器視覺的應用具有明顯優勢及必要性，目前已有部分機器人具備視覺功能。隨著視覺傳感技術的發展，機器人將在路徑識別、軌跡規劃、實時質量檢測及自適應能力方面得到進一步提高，將更加高效、智能地完成越來越復雜及危險的工作。

（2） 高效率涂裝。目前，單機器人搭載多噴頭噴涂技術已應用于實際，大幅提高船舶大平面噴涂效率。同時，多機器人搭載單噴頭協同作業技術也值得深入研究，機器人協同技術將使多機器人更加智能地協調資源沖突及任務分配。多Agent 技術可通過機器人之間的通信，了解其他機器人的行動及約束，并進行更加智能的自主規劃。隨著5G 技術的發展，物聯網技術更加便捷，多機器人之間高效的團隊合作將成為現實。

5 結語

船舶分段涂裝是船舶分段建造技術中的關鍵一環，在船舶建造中占據重要地位。為實現我國世界造船強國的宏偉目標，在船舶行業加強研發并推廣使用工業機器人勢在必行。被應用于大型船舶分段涂裝機器人的結構主要有爬壁式、軌道式和移動機械臂式，3種搭載形式各有優劣，其選用應根據分段劃分的具體情況而定。隨著涂裝工藝、傳感器、測量、通信等技術的發展，涂裝機器人的功能將更加完善和智能，進而提高船舶表面涂裝質量，縮短船舶制造周期。