機(jī)器人助推修船工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

馮彥科 李赳華 丘莉雅/深圳市行知行機(jī)器人技術(shù)有限公司

隨著國(guó)內(nèi)外之間的交流和貿(mào)易越來越頻繁，海運(yùn)作為一種重要運(yùn)輸手段，在國(guó)內(nèi)外貿(mào)易中發(fā)揮巨大作用。在航運(yùn)過程中，惡劣的水上環(huán)境會(huì)導(dǎo)致船舶外板的腐蝕生銹，附著的海洋生物會(huì)降低船舶航速，增加油耗。因此，船舶除銹清洗已經(jīng)成為修船行業(yè)的一項(xiàng)重要業(yè)務(wù)。

然而，近年來，傳統(tǒng)修船企業(yè)面臨著環(huán)保壓力逐漸加大，人工成本不斷增加，工人老齡化等一系列難題，由科技進(jìn)步推動(dòng)修船行業(yè)深度變革的現(xiàn)實(shí)需求日益迫切。由于機(jī)器人受場(chǎng)地、工況影響較小，同時(shí)自動(dòng)化程度高，方便操作等特點(diǎn)，在修船行業(yè)的應(yīng)用具有巨大的潛力。本文將論述機(jī)器人在船舶外板除銹、貨艙除銹、水下清洗海蠣子等方面具體應(yīng)用，旨在促進(jìn)修船行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

船舶外板除銹清洗機(jī)器人

常規(guī)的船舶外板除銹清洗是在干船塢或浮船塢內(nèi)進(jìn)行，主要是去除船舶表面腐蝕破壞的油漆涂層，為后續(xù)噴涂做準(zhǔn)備。目前，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索，國(guó)內(nèi)幾家頭部的修造船企業(yè)主要采用高壓水射流清洗技術(shù)。一般清洗海蠣子時(shí)，水壓為100—150兆帕（Mpa），而除銹時(shí)水壓為250—300兆帕。由于除銹作業(yè)效率對(duì)高壓泵水壓和流量的要求較高，因此，水射流技術(shù)正向著高壓力和大流量發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)幾家主流的超高壓泵額定流量普遍大于40升/分，最大壓力可達(dá)300兆帕，提高作業(yè)效率創(chuàng)造了前提條件。由于人工手持高壓水槍作業(yè)時(shí)，需要站在高空車或是腳手架上，巨大的反沖力時(shí)刻威脅著工人的生命安全，限制了其在修船行業(yè)的大量應(yīng)用。作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用機(jī)器人成套設(shè)備配合超高壓水泵作業(yè)可有效解決上述問題。

圖1.壁龍W-02輪式除銹機(jī)器人

目前市場(chǎng)上大部分使用的機(jī)器人包括磁吸附式爬壁機(jī)器人和遙控式履帶車兩類。

磁吸附式爬壁機(jī)器人是采用永磁吸附的方式提供機(jī)器人的吸附力，可有效避免電磁吸附與真空吸附易受斷電或破真空瞬間失去吸附力的諸多弊端，更加安全可靠。同時(shí)，由于集裝箱、散貨船等船舶的船頭、船尾、側(cè)邊有大量的曲面結(jié)構(gòu)，因此不僅要求機(jī)器人在豎直平面能夠保證安全作業(yè)，對(duì)機(jī)器人適應(yīng)曲面的能力也同樣提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的幾家爬壁機(jī)器人產(chǎn)品包括深圳市行知行機(jī)器人技術(shù)有限公司壁龍W-02輪式除銹機(jī)器人、北京史河科技RPP-MW-SRR外板除銹機(jī)器人、北京德高潔CR4D除銹機(jī)器人等。以壁龍W-02輪式除銹機(jī)器人為例，如圖1所示，該機(jī)器人可適用于船頭、船尾、側(cè)部弧面、豎直大平面、船底等95%以上區(qū)域的除銹清洗作業(yè)，除銹效率30—50平方米/小時(shí)，整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可快速拆裝，大幅提高設(shè)備的維護(hù)效率。此外，該機(jī)器人還采用了獨(dú)特的鉸接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了其曲面自適應(yīng)能力。機(jī)器人與污水回收處理裝置配合使用，即除即干，可防止壁面返銹，與傳統(tǒng)人工噴砂除銹相比，效率提高4—6倍，每平方米清洗成本降低40%。目前，該公司已經(jīng)與中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司、中國(guó)遠(yuǎn)洋海運(yùn)集團(tuán)有限公司、招商局集團(tuán)有限公司以及多家頭部民營(yíng)船企展開合作。

遙控式履帶車主要包括德國(guó)哈莫爾曼的Dockboy和Dockmate，如圖2所示。這兩款設(shè)備全部采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行無級(jí)變速，通過自身液壓升降桿伸縮來控制除銹頭對(duì)不同高度的清洗區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，但對(duì)工人操作履帶車的技能要求較高。目前，Dockboy機(jī)械臂最大伸縮高度為6米，主要應(yīng)用在船底大平面及船舶側(cè)邊較低區(qū)域，除銹效率30—50平方米/小時(shí)。Dockmate機(jī)械臂最大伸縮高度為27米，因其配備大功率泵組，更大尺寸的“雙十字”除銹頭，除銹效率可達(dá)70—80平方米/小時(shí)，在所有機(jī)器人中單臺(tái)作業(yè)效率最高。但其在修船廠的應(yīng)用局限在船舶外板的施工，且這兩款設(shè)備需要進(jìn)口，價(jià)格昂貴，售后維護(hù)周期長(zhǎng)，一般清洗商或是中小型船廠無法承擔(dān)，因此限制了其在國(guó)內(nèi)大批量使用，目前僅在部分頭部大型修船企業(yè)使用。

船舶貨艙除銹清洗機(jī)器人

目前，散貨船已經(jīng)成為我國(guó)貨物海運(yùn)的重要組成部分，散貨船的運(yùn)輸效率很大程度上取決于貨艙整備和載貨量，其中貨艙整備中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是貨艙清洗，目的是確保每次卸貨后貨艙整潔，為下一次裝載做準(zhǔn)備。特別是糧食等干凈貨物，對(duì)貨艙表面清潔度要求更高。此外，由于長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣的水上環(huán)境，貨艙表面會(huì)大面積腐蝕掉漆，這些銹蝕同樣會(huì)對(duì)貨艙內(nèi)的貨物造成污染，因此需要對(duì)貨艙內(nèi)壁進(jìn)行定期除漆防腐。

目前，國(guó)內(nèi)船舶貨艙清洗還一直是傳統(tǒng)的人工作業(yè)，主要操作方式是工人手持高壓水槍站在腳手架或是高空車上作業(yè)。這種方式危險(xiǎn)系數(shù)大，且多數(shù)船廠為了保證清洗效果，使用大量化學(xué)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)一個(gè)船廠每年用于貨艙清洗的化學(xué)品可達(dá)30萬噸，不僅損害工人的健康，大量化學(xué)品釋放到大海還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

為了改善上述情況，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)開始研究用于貨艙清洗的爬壁機(jī)器人。貨艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)器人在貨艙行走需要克服行走穩(wěn)定性，同時(shí)，大部分肋板之間距離較為狹窄，需要機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活。通過對(duì)不同類型貨艙內(nèi)壁關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)研，機(jī)器人在貨艙內(nèi)不同傾斜壁面之間過渡需要克服至少80°過渡角。因此，面對(duì)狹窄的肋板間距，機(jī)器人的寬度需要保持在800毫米以內(nèi)為最優(yōu)，以便能夠清洗到貨艙內(nèi)大部分區(qū)域。

目前，國(guó)外最為典型的是丹麥VertiDrive公司，研制出了專用的貨艙清洗機(jī)器人M8，如圖4所示，它是一款磁吸附式爬壁機(jī)器人，尺寸為1200毫米×640毫米×640 毫米，清洗寬度為1200毫米，采用了模塊化設(shè)計(jì)，其中清洗機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆裝便捷簡(jiǎn)單，它的特點(diǎn)是可以越過60°斜角的壁面，而且緊湊的結(jié)構(gòu)使它能夠行走在貨艙的兩個(gè)肋骨之間。但是該機(jī)器人無法有效去除表面油漆，水射流的壓力達(dá)不到除銹清潔的標(biāo)準(zhǔn)，且產(chǎn)生的污水無法及時(shí)回收。

圖2. 遙控式履帶車

圖3.貨艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4.Vertidrive M8 貨艙清洗機(jī)器人

圖5.壁龍CW-01貨艙輪式機(jī)器人

圖6.HullWiper公司ROV水下機(jī)器人

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段針對(duì)船舶艙內(nèi)清洗爬壁機(jī)器人僅一款，是深圳市行知行機(jī)器人技術(shù)有限公司的壁龍CW-01貨艙輪式機(jī)器人，如圖5所示。該款機(jī)器人同樣是一款磁吸附式爬壁機(jī)器人，尺寸1200毫米×520毫米×460 毫米，清洗寬度300毫米，采用“超高壓水+清洗盤”的除銹清洗方案，除銹時(shí)水壓250—280兆帕，兼具清洗和回收雙重功能。為了適應(yīng)貨艙過渡面行走的需要，設(shè)計(jì)了一種前置三輪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)壁面夾角100°的過渡。經(jīng)過實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了在超高壓水射流作用下，機(jī)器人過渡的穩(wěn)定性。但是，該機(jī)器人主要適用于貨艙底面、側(cè)面和頂面的清洗。未來需要研究多種類型的清洗機(jī)構(gòu)，機(jī)器人本體可以切換不同的清洗工具，利用機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)多壁面、高效率的清洗。

水下清洗機(jī)器人

船舶在海上航行期間，水線以下的船體表面會(huì)生長(zhǎng)大量的海洋生物，它們不僅增加了船體的重量，而且增大了與海水的摩擦阻力，導(dǎo)致船舶的航速明顯降低、耗油量增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于海洋生物造成船體的平均粗糙度每增加10微米（μm），就會(huì)導(dǎo)致燃料消耗增加0.3%—1%左右，當(dāng)船舶速度下降10%時(shí)，為了彌補(bǔ)這些阻力導(dǎo)致的速度下降，船舶要多耗費(fèi)出40%的燃料。因此，需要對(duì)船體外板的海洋生物定期清理。

目前常見的兩種方式，一種是進(jìn)船塢內(nèi)清洗，第二種是水下清洗。由于船舶進(jìn)塢維修的周期較長(zhǎng)，因此，對(duì)于要求比較嚴(yán)格的船舶，需要定期由潛水員下水進(jìn)行水下清洗。但是，水下清洗對(duì)潛水員的體能和心理都是極大的考驗(yàn)，且人工清洗受作業(yè)時(shí)間和天氣的限制。為了減輕潛水員水下清洗勞動(dòng)強(qiáng)度并且提高作業(yè)效率，國(guó)內(nèi)外已開始應(yīng)用自動(dòng)化程度高、控制方便、效率高的水下清洗機(jī)器人。

近年來，國(guó)外對(duì)水下清洗機(jī)器人的應(yīng)用取得了許多成果。較為知名的HullWiper公司ROV水下機(jī)器人，如圖6所示，該機(jī)器人使用可調(diào)節(jié)的海水射流作為清潔介質(zhì)，以最大限度地降低涂層損壞的風(fēng)險(xiǎn)，每小時(shí)能清潔2000平方米的水下船體附著物，且該方式不會(huì)對(duì)船體防污漆造成損害。在大多數(shù)天氣條件下，可以白天或晚上進(jìn)行貨物處理作業(yè)時(shí)清潔。該公司目前已經(jīng)在卡塔爾、韓國(guó)、南非、新加坡、澳大利亞等國(guó)家開展業(yè)務(wù)，為全球超過1400艘船提供了船體清潔服務(wù)。

國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人的研究起步較晚，但是也取得了不少成果。飛馬濱（青島）智能水下清洗機(jī)器人，如圖7所示，該機(jī)器人采用先進(jìn)的多智能體控制、水下定位、渾水視覺、負(fù)壓吸附、全局傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景下完成不同對(duì)象表面附著物的水下安全檢測(cè)和全面的清洗工作，清洗效率高達(dá)2800平米/小時(shí)。

2020年，上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司與西湖大學(xué)聯(lián)合研制了“多功能水下船舶清洗機(jī)器人”，如圖8所示。該機(jī)器人搭載多種傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)進(jìn)行水下清掃情況觀測(cè)；搭載圖像聲吶，實(shí)現(xiàn)渾水條件下水下觀察和檢測(cè)工作，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航避障；可運(yùn)用于船舶、大壩、堤岸、閘門、海洋牧場(chǎng)等多個(gè)場(chǎng)景。除此之外，生產(chǎn)廠家包括有河北興舟科技有限公司、昆明海威機(jī)電技術(shù)研究所等。

圖7.飛馬濱（青島）智能水下清洗機(jī)器人

圖8.多功能水下船舶清洗機(jī)器人

未來展望

經(jīng)過多年的發(fā)展，當(dāng)前船舶外板除銹清洗機(jī)器人市場(chǎng)迎來爆發(fā)期，已經(jīng)在舟山、上海、青島、廣東等多家大型修造船廠得到應(yīng)用。但是也面臨著一些問題，例如，當(dāng)前修船行業(yè)的機(jī)器人自動(dòng)化程度仍然不高，主要的機(jī)器人操作控制仍是由人工完成，因此，機(jī)器人要向智能化和自動(dòng)化發(fā)展，能自主規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)避障，聲學(xué)、光學(xué)的精確定位。同時(shí)，面向修船行業(yè)特殊領(lǐng)域如打磨、焊接等，研發(fā)相應(yīng)的特種機(jī)器人，解放人工，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，助力修船工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。考慮傳統(tǒng)修船行業(yè)的人工成本以及國(guó)家生態(tài)環(huán)保政策的不斷深入推進(jìn)，特種機(jī)器人研發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用將是未來的發(fā)展重點(diǎn)，有著巨大的潛力和市場(chǎng)。