基于HRC單元組成重構(gòu)的修造船智能人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)

摘""要：為解決修造船領(lǐng)域缺少的人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，彌補(bǔ)3D-CAD模型應(yīng)用方面的缺失，提出一種基于HRC單元重構(gòu)的智能人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，以解決修造船領(lǐng)域技術(shù)革新過(guò)程中遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)船舶的維護(hù)、修理和改裝領(lǐng)域技術(shù)革新遇到的困難進(jìn)行探究，并基于人為因素提出以用戶(hù)為中心的智能人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)使用問(wèn)題解決方案，方案中設(shè)有一個(gè)高負(fù)載的協(xié)同機(jī)械手，可提高焊接工作的便利性和構(gòu)件定位精度，通過(guò)設(shè)計(jì)多層安全交互檢測(cè)模塊確保工人的操作安全。由實(shí)例檢驗(yàn)可知，所提系統(tǒng)幫助非專(zhuān)業(yè)工人在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)全部操作，并且可以在有限的空間內(nèi)保障工人的人身安全。

關(guān)鍵詞：HRC""修造船行業(yè)""人機(jī)協(xié)同""系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：F272"""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The"Intelligent"Man-Machine"Cooperative"System"for"Ship"Repairing"and"Building"Based"on"the"Reconstruction"of"HRC"Unit"Composition

XU"Fei

（Yantai"Salvage"Company，"Ministry"of"Transport"of"the"People’snbsp;Republic"of"China，"Yantai，"Shandong"Province，"264000"China）

Abstract："In"order"to"solve"the"lack"of"the"man-machine"cooperative"system"in"the"field"of"ship"repairing"and"building，"and"make"up"for"the"lack"of"3D-CAD"model"application，"an"intelligent"man-machine"cooperative"system"based"on"HRC"cell"reconfiguration"is"proposed"tonbsp;solve"the"technical"challenges"encountered"in"the"process"of"technical"innovation"in"the"field"of"ship"repairing"and"building."This"paper"explores"the"difficulties"encountered"in"technical"innovation"in"the"field"of"ship’s"maintenance，"repair"and"modification，"and"proposes"a"user-centered"solution"for"the"use"of"the"intelligent"man-machine"cooperative"system"based"on"human"factors."There"is"a"high-load"cooperative"manipulator"in"the"solution，"which"can"improve"the"convenience"of"welding"work"and"the"accuracy"of"component"positioning，"and"ensure"the"operation"safety"of"workers"by"designing"multi-layer"safe"interactive"detection"modules."It"can"be"seen"from"the"case"test"that"the"proposed"system"helps"non-professional"workers"adapt"to"all"operations"in"a"short"time，"and"can"guarantee"the"personal"safety"of"workers"in"a"limited"space.

Key"Words："HRC;"Ship"repairing"and"building"industry;"Man-machine"cooperation;"System"design

近年來(lái)，制造業(yè)相關(guān)技術(shù)的研究已從傳統(tǒng)人工或機(jī)械方法向更加靈活的人機(jī)協(xié)作（HRC）技術(shù)方向發(fā)展，并且允許操作員與各種載荷類(lèi)機(jī)器協(xié)同工作。已有研究證明，HRC系統(tǒng)可以提高焊接、研磨、拋光、裝配和揀選等生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和生產(chǎn)周期。但是，將此類(lèi)解決方案應(yīng)用于造船和船舶維護(hù)、修理和改裝（SMRC）等行業(yè)仍存在些技術(shù)層面的應(yīng)用困難，例如缺乏3D-CAD模型、必須執(zhí)行的各種人機(jī)交互過(guò)程設(shè)計(jì)、不同零件的不同操作設(shè)計(jì)、空間限制以及不可預(yù)測(cè)的外部條件影響等。受到工業(yè)4.0帶來(lái)的影響，一些生產(chǎn)技術(shù)不僅可以改善操作員的工作環(huán)境，而且還可以支持工人在危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行工作。

在國(guó)外的相關(guān)研究中，文獻(xiàn)[1]中提出一種基于QT的通信協(xié)議人機(jī)交互系統(tǒng)，以此技術(shù)解決人與工業(yè)機(jī)器人之間交互的各類(lèi)通信問(wèn)題，經(jīng)驗(yàn)證，該方法具有較高的實(shí)用性。在國(guó)內(nèi)的研究中，對(duì)人機(jī)交互下手部協(xié)同控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用Kinect傳感器實(shí)現(xiàn)手部與機(jī)械臂間的關(guān)系映射，并提出一種基于位置增量的移動(dòng)平均軌跡平滑算法，以解決人機(jī)交互過(guò)程中由抖動(dòng)產(chǎn)生的誤差。

在上述文獻(xiàn)研究中，缺少對(duì)修造船行業(yè)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的研究。基于此，文章論述內(nèi)容旨在介紹造船、船舶維護(hù)、修理和改裝在裝配操作方面面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出一個(gè)以用戶(hù)為中心的新人機(jī)協(xié)同操作解決方案。該解決方案包括一個(gè)可重新配置參數(shù)的智能人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)（Human"Robot"Collaboration，HRC）單元，及其在修造船領(lǐng)域應(yīng)用的高負(fù)載協(xié)同機(jī)械手，能夠在操作員執(zhí)行焊接任務(wù)的同時(shí)執(zhí)行大型零件的提升與定位任務(wù)，同時(shí)因所提系統(tǒng)設(shè)有多層安全系統(tǒng)，可允許施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立監(jiān)控場(chǎng)，以此保障人機(jī)協(xié)同工作時(shí)操作人員與設(shè)備的安全。

1 介紹

現(xiàn)階段擁有高技術(shù)成熟度評(píng)級(jí)（TEL）HRC的工業(yè)應(yīng)用仍然較少[2]，多數(shù)HRC應(yīng)用都需要在受控環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)和測(cè)試。文章認(rèn)為該現(xiàn)狀出現(xiàn)的原因在于不同產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量與操作方式要求的不同，導(dǎo)致HRC的應(yīng)用需要以完美環(huán)境為契機(jī)進(jìn)行研究。針對(duì)TEL判斷標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為需要重點(diǎn)關(guān)注人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)下的安全標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)速度，保障在固定區(qū)域內(nèi)操作人員、機(jī)器以及人機(jī)協(xié)同操作的工作速度存在約束限制。另外，此技術(shù)在該行業(yè)整合緩慢的主要原因受現(xiàn)階段HRC安全分析方法的影響，因該方法更側(cè)重于對(duì)機(jī)器行為的智能化分析，而缺少將操作人員視為活動(dòng)主體的主要因素，因此會(huì)造成上述情況的發(fā)生。

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，人的因素對(duì)修造船技術(shù)物理層面的影響具有重要作用，因此文章所提系統(tǒng)設(shè)計(jì)將定義出HRC的4個(gè)基本安全原則：（1）當(dāng)操作者進(jìn)入?yún)f(xié)作區(qū)域時(shí)，機(jī)器人停止；（2）防止接觸；（3）操作者主動(dòng)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；（4）接觸力有限。

如果要將HRC應(yīng)用于有人為因素參與的行業(yè)當(dāng)中時(shí)，則應(yīng)當(dāng)考慮一些具有復(fù)雜性且繁瑣生產(chǎn)操作的行業(yè)，例如修造船業(yè)。在造船業(yè)中，船舶事故的直接影響因素多為人為因素，這說(shuō)明人為因素對(duì)事故的影響比重較大，因此重視人為安全因素至關(guān)重要[3]。船舶制造是一種傳統(tǒng)的機(jī)械制造工藝，由于其部件龐大且復(fù)雜，需要足夠的工作空間和設(shè)備資源輔助工人進(jìn)行組裝，同時(shí)因這些組件屬于高度不可定制的零部件，所以大多數(shù)需要定制生產(chǎn)規(guī)格以明確構(gòu)件生產(chǎn)和后期組裝方案。通常情況下修造船過(guò)程包括5個(gè)階段，分別為鋼材加工、組件、基礎(chǔ)件組裝、船體安裝和試運(yùn)行。

因HRC對(duì)定制構(gòu)件的要求較高，需要保障每艘船的制造和維修都滿(mǎn)足對(duì)功能和客戶(hù)的特定需求。在上述階段中，所需處理的零件種類(lèi)繁多，且受到零件的形狀、重量以及尺寸差異的影響，該行業(yè)的生產(chǎn)維修技術(shù)與其他組裝環(huán)節(jié)相比不存在較高的重復(fù)性，通過(guò)3D-CAD模型和VR/AR等技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法與新方法間的過(guò)渡[4]。除存在定制需求之外，修造船工作還會(huì)受到建筑空間和外部條件的影響，即無(wú)法通過(guò)完全自動(dòng)化的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)船體的組裝，多數(shù)任務(wù)皆需要在有限的空間內(nèi)通過(guò)人工與機(jī)械的方式完成。同時(shí)，因外部環(huán)境條件屬于不可預(yù)測(cè)因素，在該因素影響下修造船工藝存在連接不穩(wěn)定或危險(xiǎn)點(diǎn)遺漏等情況，所以在對(duì)昂貴設(shè)備以及智能系統(tǒng)的組裝設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其耐用性和抵抗力方面的設(shè)計(jì)。

由于完全自動(dòng)化的解決方案是相對(duì)低效的方法，但融合人的因素將有可能提高其解決問(wèn)題的能力。由此在提高修造船工作效率的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)提高工人在修造船工作中的主體地位，不會(huì)因技術(shù)變革而出現(xiàn)大面積裁員的情況。從該角度出發(fā)認(rèn)為，該技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)偏向于加強(qiáng)工作效率，降低人工修、裝的勞動(dòng)量和難度。

2 方法

2.1 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

文章所提出方法旨在通過(guò)人機(jī)交互的方式改善工作條件，同時(shí)將自動(dòng)化技術(shù)引入修造船行業(yè)的過(guò)程當(dāng)中，以此解決修造船時(shí)遇到的技術(shù)問(wèn)題和人員問(wèn)題。基于人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出一種新的零件組裝焊接方案。由上述設(shè)計(jì)需求分析可知，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化工作站并不能完全解決現(xiàn)階段修造船技術(shù)改革遇到的問(wèn)題，因該方法會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件定制能力受到限制，所以設(shè)計(jì)解決方案的目的應(yīng)當(dāng)以提高作業(yè)者能力，解決人機(jī)協(xié)同在當(dāng)前行業(yè)中安全互動(dòng)問(wèn)題為主。在該方向上，新技術(shù)開(kāi)發(fā)的目的是為非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)設(shè)計(jì)工具組合，通過(guò)降低工人手工勞動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)原有工藝的轉(zhuǎn)型優(yōu)化。

基于此，所提系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具有可重構(gòu)性和靈活性，以便適應(yīng)不同特點(diǎn)和需求的采購(gòu)方進(jìn)行使用，因此該系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)將采用圖1所示體系結(jié)構(gòu)。上述概述并沒(méi)有對(duì)每個(gè)任務(wù)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，但不代表一組定義數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于多個(gè)工具模塊，每個(gè)模塊都將在系統(tǒng)中扮演特定角色，并占據(jù)技術(shù)體系的不同位面，并且這些模塊相互獨(dú)立，根據(jù)請(qǐng)求命令通過(guò)I/O數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。

為定義需要執(zhí)行每個(gè)任務(wù)所需的工具，每個(gè)工具均需要涉及一組功能模塊，以便為操作員提供更高水平的服務(wù)以及不同級(jí)別的工作協(xié)助。

2.2 人類(lèi)機(jī)器人交互

考慮到HRC系統(tǒng)反饋和信任的重要性，設(shè)計(jì)一套高效的HRC系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何為作業(yè)者提供自由且靈活的工具集。為此，需要定義一個(gè)負(fù)責(zé)人機(jī)交互的模塊（Human"Robot"Interaction"Module，HRIM）。由HRIM負(fù)責(zé)操作員和機(jī)器人之間所有共享任務(wù)的可視化和遠(yuǎn)程工作監(jiān)控，并支持HRIM在離線(xiàn)和在線(xiàn)狀態(tài)下對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行編程[5]。此外，該功能還應(yīng)當(dāng)支持手動(dòng)引導(dǎo)，允許外設(shè)控制機(jī)器的手動(dòng)操作模式，并在引導(dǎo)過(guò)程中顯示可用的視覺(jué)反饋，例如通過(guò)AR/VR模擬。安全性是HRC應(yīng)用的一個(gè)重要方面，使用HRIM可將應(yīng)用程序協(xié)作區(qū)域定義的安全區(qū)域進(jìn)行顯示，并跟蹤用戶(hù)實(shí)時(shí)位置，將其與所定義區(qū)域位置進(jìn)行比較，提前告知用戶(hù)當(dāng)前操作是否侵犯其工作區(qū)域，最后系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)可結(jié)合當(dāng)前設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況展示未來(lái)機(jī)器人的軌跡，以此增加操作人員的安全感，了解機(jī)器人下一個(gè)動(dòng)作的走向。

2.3 多層安全系統(tǒng)

操作者與機(jī)器人的安全協(xié)作是HRC成功應(yīng)用在修造船工作的基礎(chǔ)。在該基礎(chǔ)上，必須根據(jù)要求使用合適的組件實(shí)現(xiàn)操作安全。

在此方向上定義工作空間監(jiān)測(cè)解決方案（Workspace"Monitoring"Solutions，WMS）模塊，可以使用安全設(shè)備設(shè)定操作人員的安全位置，以此規(guī)劃出施工空間的安全區(qū)域[6]。

同時(shí)可設(shè)定兩種區(qū)域，即危險(xiǎn)與檢測(cè)區(qū)，當(dāng)檢測(cè)到操作人員時(shí)機(jī)器人會(huì)停止移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超出施工區(qū)自動(dòng)截停的目的。為保障此功能具有高度可靠性，需要將機(jī)器人的速度限制在一個(gè)安全區(qū)間內(nèi)，為此，WMS的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠控制機(jī)器設(shè)備的操作且可以改變其速度，并在控制時(shí)由其他模塊告知當(dāng)前設(shè)備的安全狀態(tài)。為保障所使用的傳感設(shè)備不受外界因素影響，WMS將利用3D傳感器、激光掃描儀和其他經(jīng)過(guò)認(rèn)證的工業(yè)安全設(shè)備跟蹤操作人員和機(jī)器人的位置。

2.4 手導(dǎo)向

手導(dǎo)向技術(shù)在HRC系統(tǒng)中具有重要意義，因該技術(shù)可以直觀地微調(diào)機(jī)器人所在工作空間的位置，所以結(jié)合此設(shè)計(jì)需求可開(kāi)發(fā)出手導(dǎo)向模塊（Manual"Guide"Module，MGM），以完善人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)手導(dǎo)向模塊的末端執(zhí)行器施加力的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)指導(dǎo)的快速教學(xué)。MGM需要與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信，將自動(dòng)模式變?yōu)榫幊棠Ｊ剑鞲衅鲗⒈挥米鱉GM系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)將負(fù)責(zé)接收和監(jiān)測(cè)所施加的力。

2.5 高負(fù)載的機(jī)器人

所有技術(shù)和算法都將應(yīng)用于高負(fù)載機(jī)器設(shè)備上，高負(fù)載機(jī)器人（High"Load"Robot，HLR）將通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的模塊完成多功能的集成和模塊間的通信，即HLR應(yīng)能夠執(zhí)行協(xié)作操作，根據(jù)命令請(qǐng)求執(zhí)行啟動(dòng)、停止、暫停、取消和恢復(fù)等操作，通過(guò)交替速度、力和移動(dòng)限制指示，并將其狀態(tài)從協(xié)作模式更改為正常操作[7]。最后，HLR應(yīng)支持手動(dòng)引導(dǎo)以便與MGM正確溝通。

3 實(shí)例檢驗(yàn)

在修造船行業(yè)中焊接和裝配是極為常見(jiàn)的任務(wù)，通常由兩名操作員負(fù)責(zé)定位零件使其保持靜止，由另一名操作員使用半自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接。

通過(guò)優(yōu)化資源可以解決HRC下修造船廠空間約束問(wèn)題，從而增加上述生產(chǎn)站在修造船行業(yè)中的地位。解決方案包括一個(gè)高負(fù)載機(jī)器人和一個(gè)操作員，該機(jī)器設(shè)備將執(zhí)行重金屬部件的提升和定位等操作，而操作員將固定位置的構(gòu)件進(jìn)行焊接。該設(shè)備將提供以下支持工具：（1）自主定位工具；（2）引導(dǎo)定位工具；（3）自動(dòng)焊接工具；（4）指導(dǎo)焊接工具。

操作員通過(guò)工作難度來(lái)選擇任務(wù)執(zhí)行所需的協(xié)助級(jí)別。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的應(yīng)用效果，將定義一個(gè)空間場(chǎng)景對(duì)上述技術(shù)和模塊進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證可分為如下幾個(gè)步驟。

（1）用戶(hù)通過(guò)HRIM對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程工作。

（2）機(jī)器人移動(dòng)到指定拾取待組裝零件的區(qū)域（自主定位工具）。

（3）機(jī)器人用磁性?shī)A鉗拾取零件并自主移動(dòng)到裝配區(qū)附近（自主定位工具）。

（4）操作者進(jìn)入由WMS監(jiān)控的協(xié)同區(qū)域，在AR技術(shù)（HRIM）的輔助下，微調(diào)零件的空間位置（導(dǎo)向工具）。

（5）機(jī)器人按住面板不動(dòng)，操作人員獲得手動(dòng)焊槍。

（6）操作人員用焊槍焊接零件。

（7）操作人員退出協(xié)作區(qū)域。

（8）機(jī)器人在人機(jī)界面的引導(dǎo)下完全焊接部件或選擇記憶動(dòng)作進(jìn)行焊接。

模塊之間將采用機(jī)器操作系統(tǒng)（Robot"Operating"System，ROS）進(jìn)行通信，包括服務(wù)節(jié)點(diǎn)、動(dòng)作客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，它將接收和發(fā)布關(guān)于單元狀態(tài)的有用信息，包括安全、狀態(tài)和進(jìn)度等。

4 討論

所提方法是否具有較高實(shí)用性需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)實(shí)際工作情況設(shè)定關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI），以量化分析比對(duì)本文所提方法與造船業(yè)當(dāng)前使用方法的區(qū)別，KPI如表1所示。

表1中的KPI種類(lèi)可從不同方向解決系統(tǒng)存在有效性過(guò)低的問(wèn)題。在第1節(jié)中明確在工業(yè)環(huán)境中集成HRC的應(yīng)用有限，因?yàn)楣と伺c機(jī)器共存，同時(shí)工人的行為屬于不可預(yù)測(cè)，所以該過(guò)程會(huì)受到產(chǎn)品質(zhì)量和循環(huán)時(shí)間等因素的影響。使用KPI"1可分析擬議方法對(duì)工效學(xué)的影響，將快速上肢評(píng)估工具與人體測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到快速準(zhǔn)確評(píng)估人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)人體工程學(xué)和健康風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的目的。使用高負(fù)載機(jī)器人代替部分人工，以達(dá)到優(yōu)化修造船所需人力和工作流程規(guī)劃的目的。使用高負(fù)載機(jī)器人操縱重型零件，不僅可以?xún)?yōu)化KPI"1，而且還可以降低拆裝過(guò)程中的作業(yè)安全性。因操作員工作所承擔(dān)的重量得到緩解，所以還可以減少生產(chǎn)站所需的操作員數(shù)量。另外，在SMRC行業(yè)中很多零部件屬于高度定制元件，在多數(shù)情況下CAD/3D設(shè)計(jì)軟件不能適用到該系統(tǒng)當(dāng)中，因此對(duì)所提解決方案應(yīng)當(dāng)盡可能減少對(duì)輔助方法的依賴(lài)，通過(guò)快速重新配置站點(diǎn)的方式，使所提方法能夠適應(yīng)不同變量或需求下產(chǎn)生的融合時(shí)間。

5 結(jié)論

該文對(duì)中小型修造船行業(yè)的現(xiàn)狀和轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，并基于這些挑戰(zhàn)提出一種兼具靈活創(chuàng)造和安全高效的HRC工具，能夠適用于多種修造船的工作場(chǎng)所，使操作者和其他交互設(shè)備在船體裝卸過(guò)程中達(dá)到無(wú)縫互動(dòng)與協(xié)作的目的。KPI定義基于上述HRC應(yīng)用分析和手工勞動(dòng)的局限性影響，可用KPI證明擬議解決方案的實(shí)際應(yīng)用效果，因?yàn)槭褂贸掷m(xù)評(píng)估方法可明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)際間的差距，為運(yùn)營(yíng)商和行業(yè)需求提供修造船問(wèn)題的解決方案。

未來(lái)的工作將集中于文中討論技術(shù)的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化以及在Mari4_"YARD項(xiàng)目中定義通用生產(chǎn)站下的集成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)概念驗(yàn)證后，下一步的主要任務(wù)需要完成在造船廠環(huán)境中的部署與測(cè)試，此活動(dòng)將突出整個(gè)系統(tǒng)的性能，明確SMRC中裝配和焊接任務(wù)存在的技術(shù)瓶頸以及修造船工人對(duì)此技術(shù)的接受程度。

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