船体清洗机器人的开发现状与展望
发布时间：2019-11-07 01:44
【摘要】：从船坞内作业和水下作业这两个方面对目前国内外所有船体清洗机器人的开发现状进行系统全面的介绍,包括超高压爬壁除锈机器人和水下船体清洗机器人,突出水下船体清洗机器人的发展优势。将现有的水下船体清洗机器人按磁吸附、真空负压吸附、推力吸附、复合吸附等吸附类型进行分类,具体针对各类吸附移动对其结构功能设计的优缺点进行分析比对。最后,总结吸附性和灵活性难统一、船体复杂壁面难适应和废水废渣难回收等技术难点,针对存在的问题提出推力磁轮复合吸附和水射流清洗技术相结合的创新设计建议,并对多功能化、高智能化、自主性强的多机器人编队协同作业的船体水下清洗发展进行展望。
【图文】：
船体清洗机器人的开发现状与展望—63—段将传统船体清洗工具和遥控载运机器人相结合[5]，避免了人工作业的费时费力，安全性高。为了响应“十三·五”计划和工业4.0的机器人发展趋势，积极探索航运4.0的新发展，本文对现有的船体清洗机器人技术从吸附和移动机构、清洗效果、回收系统、外型结构设计等方面进行介绍，对研发更加节能高效、适用范围广、自动化程度高的船体清洗机器人提出一些自己的想法。图1船体生物附着及其污损机国际海事组织（IMO）制定的MARPOL公约附件V（防止船舶垃圾污染规定）中，将船体擦洗时产生的残渣定义为船舶垃圾，因而船舶清洗的区域和清洗作业的方式都将被限制。目前，在许多欧洲港口，潜水员擦洗船舶已经被禁止[6]。因此，应将更为节能环保的清洗技术与机器人相结合，开发船舶清洗机器人并应用。船舶清洗机器人一般由吸附或移动机构、驱动控制机构和清洗作业机构组成，分别实现吸附、移动和清洗3个功能[7]。一般来讲，按吸附方式可分为磁吸附、真空吸附和推力吸附3类；按移动方式可分为车轮式、履带式和步行式3类；按清洗方式可分为接触类和射流类；按工作环境分为坞内清洗除锈机器人和水下船体清洗机器人。1超高压爬壁除锈机器人常规的船舶清洗是在船舶坞修时进行的。因此，船体坞内清洗除了去掉表面的部分海洋污损附着生物，还包括被破坏的防污涂层和锈蚀的基底，为后续修造上漆工艺做好准备。目前主要的清洗技术是高压水射流清洗。清洗和除锈的区别在于工作压力的不同，一般清洗时为70MPa，而除锈时达220MPa。所以，坞内清洗大部分时候是除锈[8]。由于除锈的要求高，目前水射流技术正由高压向着超高压大功率发展。但是人工持枪作业时水射流的反冲力（不能超过人体自身质
L/min，作用力为28.3kgf（1kgf≈9.8N）、56.7kgf和23.8kgf，清洗速度为17.9m2/h、38.25m2/h和46.8m2/h，每8h用水量10.9t、21.8t和7.8t。Flow公司的“水猫”机器人采用真空吸附，泵组压力达280MPa，流量为24.6L/min。两者清洗宽幅均达到350mm，但Flow产品更为轻巧[10]。德国KAMAT公司[11]开发了一种履带式除锈爬壁机器人WCRSRR，采用双履带机构，永磁真空吸附相结合，工作压力可达300MPa，流量40L/min，清洗宽度为250mm。此外，美国加州理工学院于2001年初设计了简单爬壁除锈机器人Ultrastrip（图2a)）[12]，该机器人采用磁轮设计，，能够实现一边作业，一边定量地实时反馈残留涂层厚度数据，从而控制机器人移动速度。该技术对传感器的灵敏性、可靠性和适用性要求非常高，可从磁尝超声波、涡流和导电针组着手优化传感技术。超声波振荡方式也被用来加速涂层的松动，提高剥落速度。美国航空航天局和加州理工学院喷气推进实验室（NASA-JPL）研制了用于搭载船舶除锈清洗器的永磁轮式爬壁机器（图2b)）M2000。随后，NASA-JPL实验室联合卡耐基-梅隆大学机器人研究所研制了M3500清洗机器人（图2c)）[13]。对比这两种M系列机器人发现，均存在本体质量大、难以适用在如螺旋桨等不规则的壁面。但是M3500凭借永磁真空混合吸附，配合铰链连接的关节式磁轮移动机构，更加轻巧灵活，且能适应一般的曲型壁面，除锈宽度达380mm，优势明显。图2各类清洗机器人在国内，浙江大学最先对高压水对船舶壁面除锈的机理进行了研究[14-15]，该校薛胜雄[16]和大连海事大学王祖温教授[11,17]先后设计了一种超高压纯水射流船舶除锈爬壁机器人，前者采用轮式真空吸附（图3a)），功率160kW，泵压为250MPa，流量30L/mi
本文编号：2557039
【图文】：
船体清洗机器人的开发现状与展望—63—段将传统船体清洗工具和遥控载运机器人相结合[5]，避免了人工作业的费时费力，安全性高。为了响应“十三·五”计划和工业4.0的机器人发展趋势，积极探索航运4.0的新发展，本文对现有的船体清洗机器人技术从吸附和移动机构、清洗效果、回收系统、外型结构设计等方面进行介绍，对研发更加节能高效、适用范围广、自动化程度高的船体清洗机器人提出一些自己的想法。图1船体生物附着及其污损机国际海事组织（IMO）制定的MARPOL公约附件V（防止船舶垃圾污染规定）中，将船体擦洗时产生的残渣定义为船舶垃圾，因而船舶清洗的区域和清洗作业的方式都将被限制。目前，在许多欧洲港口，潜水员擦洗船舶已经被禁止[6]。因此，应将更为节能环保的清洗技术与机器人相结合，开发船舶清洗机器人并应用。船舶清洗机器人一般由吸附或移动机构、驱动控制机构和清洗作业机构组成，分别实现吸附、移动和清洗3个功能[7]。一般来讲，按吸附方式可分为磁吸附、真空吸附和推力吸附3类；按移动方式可分为车轮式、履带式和步行式3类；按清洗方式可分为接触类和射流类；按工作环境分为坞内清洗除锈机器人和水下船体清洗机器人。1超高压爬壁除锈机器人常规的船舶清洗是在船舶坞修时进行的。因此，船体坞内清洗除了去掉表面的部分海洋污损附着生物，还包括被破坏的防污涂层和锈蚀的基底，为后续修造上漆工艺做好准备。目前主要的清洗技术是高压水射流清洗。清洗和除锈的区别在于工作压力的不同，一般清洗时为70MPa，而除锈时达220MPa。所以，坞内清洗大部分时候是除锈[8]。由于除锈的要求高，目前水射流技术正由高压向着超高压大功率发展。但是人工持枪作业时水射流的反冲力（不能超过人体自身质
L/min，作用力为28.3kgf（1kgf≈9.8N）、56.7kgf和23.8kgf，清洗速度为17.9m2/h、38.25m2/h和46.8m2/h，每8h用水量10.9t、21.8t和7.8t。Flow公司的“水猫”机器人采用真空吸附，泵组压力达280MPa，流量为24.6L/min。两者清洗宽幅均达到350mm，但Flow产品更为轻巧[10]。德国KAMAT公司[11]开发了一种履带式除锈爬壁机器人WCRSRR，采用双履带机构，永磁真空吸附相结合，工作压力可达300MPa，流量40L/min，清洗宽度为250mm。此外，美国加州理工学院于2001年初设计了简单爬壁除锈机器人Ultrastrip（图2a)）[12]，该机器人采用磁轮设计，，能够实现一边作业，一边定量地实时反馈残留涂层厚度数据，从而控制机器人移动速度。该技术对传感器的灵敏性、可靠性和适用性要求非常高，可从磁尝超声波、涡流和导电针组着手优化传感技术。超声波振荡方式也被用来加速涂层的松动，提高剥落速度。美国航空航天局和加州理工学院喷气推进实验室（NASA-JPL）研制了用于搭载船舶除锈清洗器的永磁轮式爬壁机器（图2b)）M2000。随后，NASA-JPL实验室联合卡耐基-梅隆大学机器人研究所研制了M3500清洗机器人（图2c)）[13]。对比这两种M系列机器人发现，均存在本体质量大、难以适用在如螺旋桨等不规则的壁面。但是M3500凭借永磁真空混合吸附，配合铰链连接的关节式磁轮移动机构，更加轻巧灵活，且能适应一般的曲型壁面，除锈宽度达380mm，优势明显。图2各类清洗机器人在国内，浙江大学最先对高压水对船舶壁面除锈的机理进行了研究[14-15]，该校薛胜雄[16]和大连海事大学王祖温教授[11,17]先后设计了一种超高压纯水射流船舶除锈爬壁机器人，前者采用轮式真空吸附（图3a)），功率160kW，泵压为250MPa，流量30L/mi
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