船用面壁机器人

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爬壁 机器人又称为壁面移动机器人，因为垂直壁面作业超 出人的极限，因此在国外又称为极限作业机器人。目 前爬壁机器人广泛应用于高空作业，如船舶行业、大型 石化罐体探伤或喷漆、高空建筑物清洁、反恐侦查爬壁 机器人等行业。船舶行业的爬壁机器人主要用于船体 底部附着物的清洗、船体无损检测、船体表面除锈除漆 等作业。以下从作业应用的不同方面来介绍国内外船 舶行业机器人。

       1，国内外船用机器人研究进展

          1.1  船体底部清洗维护壁面作业机器人

         船舶在长期运行中会在船底附着各种海洋生物，这些物体会增加船体的行进阻力，同时还会给其他海 域带来污染等问题，因此需要及时地清除船底的附着 物，这需要机器人能勘测出附着海洋生物或腐蚀的部 位，然后进行局部的清洗，因此机器人需要携带各种检测传感器，同时机器人要有携带清洗机构的能力; 船底 的形状以 形为主，表面是由平面和大型弧面组成，因此机器人要有能在弧形表面爬行的能力; 由于船底 清洗要求机器人潜入水下，机器人的结构要能防水; 对这一特殊的工作环境，各国的公司和研究机构设计了不同的结构形式的机器人来满足船底清洗的要求。 如波兰的航运公司设了一款用于船舶底部壁面清洗的爬壁机器人，该机器人利用超声波传感器对漆层厚度进行检测，然后利用水射流船底对相 应部位进行清洗，机器人采用轮式行走机构，真空吸附方式，可适应水路两种环境。日本的九州大学也开发了一种船舶底部壁面机器人，该机器人利用视觉传感器对表面质量进行勘测，利用推进器在水中移动，当发现需要清洗的部位时，人工远程操作方式控制机器人吸附在船舶表面利用刷子进行清洗，该机器人也采用轮式行走机构。

     英国的 Fugr 公司开发了一种在水下进行船体底部表面的检查和维护的多功能机器人 所示。该机器人通过各种传感器观察钢板表面、焊缝检查和 漆层检查，并根据检查结果进 行有效的清洗和维护。 清洗时利用高压水射流和选择刷结合的方式。采用磁 履带吸附方式。其行走控制通过ROV机械手进行控制。

  国内团队也较早地开始研制水下清洗机器人。哈 尔滨工业大学研制了一种用于水下船体表面附着海生 物清除的爬壁机器人 所示。该机器人具有良好的吸附机能和行走机能，能够可靠地吸附在船体 表面上并且可在船体表面上通过遥控自由 动。爬壁机器人具有一定的抗倾覆能力、负载能力和越障能力。

   哈尔滨工程大学则于 2007 年开始研究水下船体 壁面清洗机器人。郭黎滨团队研究的水下船体表面机 器人主要通过永磁吸附的方式吸附于船体表面，清洗 刷安装在机器人本体上 所示。该校的陈凯云也研制了一种水下船体壁面清洗机器人。该清刷机 器人由吸附 刷机构和控制箱等组成，采用推力器和磁吸附的复合式吸附方式吸附于船 体表面 。通过小车上的动力源为机器人提供移动 和清洗作业的动力，卷扬装置为机器人提供作业的安 全保障。

   从船底清洗维护机器人可以看出，国内的机器人 相对落后，在结构上主要采用磁履带式，清洗方式主要 采用清洗刷，很少携带传感器 对表面质量进行检测。 从控制角度分析，国内外机器人的自动化程度都不高， 大部分通过人工进行判断和操作。

  1.2  无损检测机器人

     船用机器人的另一个分支为无损检测机器人，这 一类机器人主要对船体整体空间的焊缝和表面质量进 行检测。机器人需要能攀爬各种形状的壁面。巴西的 军事工学院团队设计了一种可用于船体表面的无损检 测机器人 所示。该机器人采用履带式行走机构，履带上安装永磁体使机器人吸附于船体表明，利 用视觉和涡流进行无损检测。英国的伦敦南岸大学设 计了一种用于焊缝质量检测的机器人 所示。该机器人可用于大型船舶壁面焊缝质量检测。可与该 校设计的焊缝机器人配合使用。机器人采用轮式行走 机构，永磁体安装在机器人本体上，使机器人可以可靠 地吸附在船体表面，并适应各种表面的爬行。

   德国的 DFKI 公司研发了两种用于船舶检测的机 器人-轻型机器人和 MAＲC 机器人 〔9，10〕 ，如图 所示，两种机器人通过永磁体吸附于船体，由人远程操作检 测造好的船体是否有破损、裂纹、腐蚀的情况。轻型机 器人体积很小，只有 38 28cm 15cm，重 670 采用轮式结构。而MAＲC 由于比较重，采用的是履带 式结构。

   对船用无损检测机器人的相关研究较少，且大部 分的设计主要针对垂直壁面，而针对复杂壁面的机器 人结构还无相关研究。机器人的吸附方式以永磁吸附方式为主。

   1.3  船体表面除锈除漆壁面作业机器人

    船舶除锈机器人也是船舶工业机器人的一个重要 的应用分支，该类机器人可对船舶壁面进行除锈除漆， 并且对船舶壁面的二次涂漆。如加州理工学院研制出 永磁吸附自动爬壁除锈机器人如图 10 所示。并在不 同码头累计除掉了 30000平米 的船体锈层 。德国的 KAMAT 公司研制出 WCＲSＲＲ 爬壁机器人 ，如图 11 所示。该机器人采用双履带 构。Hammelmann 公司研制除真空吸附式、电机驱动的轮式爬壁除锈机器人。美国的著名的水 流公司JETECH 研制了可用于垂直壁面除漆的 VL- 吸附式爬壁机器人，该机器人的 水射流压力可达到 275 MPa。

   国内浙江大学首先开展了利用高压水射流进行船 舶壁面除锈机理的研究，研制了一种轮式真空吸附的 中型船舶除锈爬壁机器人。爬壁机 器人机器人最大行进速度为 46 mm s，真空腔直径为330 mm，除锈宽度 300 mm，自重 55 kg，除锈等级可达 Sa2 5。大连海事大学也开展了水射流船舶除锈的相关研究，并研制的第一代船舶壁面除锈机器人。该机器人利用高压水进行除锈。磁铁安 装在履带上，通过电机驱动机器人爬行。

   船用除锈机器人主要的除锈机构采用高压水射流 清洗盘，其行走机构有轮式和履带式两种，吸附方式以 永磁体吸附为主，少数采用真空吸附作为辅助吸附方 式。目前的船用除锈机器人主要针对大型垂直壁面和 大弧度的壁面进行除锈，而这对壁面中小弧度或形状 复杂的地方无法进行除锈，这主要是受到清洗盘需要 与壁面密封进行废水回收的限制。控制方面，以人工 控制为主，其行走和除锈结果都由人工来进行判断，自 动化程度相对较低。

   2，未来的发展趋势

   人们对船舶不同作业要求的追求推动了不同类型 的船用壁面作业机器人技术的进步。通过国内外船用 壁面作业机器人的研究分析，船用机器人的研究技术 热点集中在以下几个方面：

  （1）自适应性结构的研究   目前船用壁面作业机 器人主要是针对大型垂直壁面或者大型弧面壁面作业 环境进行设计，而船体的结构非常复杂，其表面形状也 各种各样，如何开发出能在复杂壁面爬行作业的机器 人是船用壁面作业机器人的一个发展趋势;

   （2）智能化的研究    目前的船用壁面机器人的自 动化程度不高，虽然机器人携带各种传感器对作业情 况进行实时检测，但最主要的决策和控制还是由人来操作。从长远来看，提供机器人的自动化程度是机器人发展的一个主要趋势，船用爬壁机器人应该向着多 传感器数据融合、智能控制、自动壁障等方向发展;

   （3） 多种吸附方式的研究  由于船舶壁面材料为 钢板，从而导致船用机器人的吸附方式大多采用永磁 体直接贴合钢板表面进行吸附，吸附方式单一，且会在 一定程度上影响机器人的灵活性。机器人可以向着以 永磁为主，真空吸附、吸盘吸附、螺旋桨吸附为辅的多 种吸附方式相结合的方式发展，或者向着变永磁吸附 结构方向发展，设计出可随环境调节吸附间隙的永磁 吸附结构取代现有的直接贴合的吸附方式;

   （4） 新能源的研究  目前船用机器人以电作为动 力源，主要采用电缆供电或者随身携带电池供电。前者供电方式会影响到机器人运动灵活性，后者的供电 方式则限制了机器人运行的距离。因此开发出新能源 作为机 人运动的动力是船用机器人的一个发展趋势; 模块化、可重构结构的研究目前船用机器 人由于工作要求的不同，结构格式各样。这样的机器 人只适用于特定的环境下，因此开发出模块化的机器 人，使其通过更换几个模块就可满足不同的应用要求， 这也是机器人的一个发展趋势。

   （5）模块化、可重构结构的研究    目前船用机器人由于工作要求的不同，结构各式各样，这样的机器人只适用于特定环境下，因此开发出模块化的机器人，使其通过更换几个模块就可满足不同的应用要求，这也是机器人的一个发展趋势。

  3  结论

       前，世界经济的格局正发生着重大的变化，我国  的造船和修船行业还有着很大的发展空间。船用壁面 检测、清洗、维护机器人的研究对船舶行业有很大的促 进作用，具有广阔的发展前景。本研究对国内外船用 壁面作业机器人的研究现状进行了总结分析，并对船 用壁面作业机器人的缺点进行总结，对其发展提出一 些建议。可以预见，开发出高效、环保、通用的机器人 是船用壁面机器人未来主要的发展方向。