船體清洗機(jī)器人的開發(fā)現(xiàn)狀與展望
發(fā)布時間：2019-11-07 01:44
【摘要】：從船塢內(nèi)作業(yè)和水下作業(yè)這兩個方面對目前國內(nèi)外所有船體清洗機(jī)器人的開發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)全面的介紹,包括超高壓爬壁除銹機(jī)器人和水下船體清洗機(jī)器人,突出水下船體清洗機(jī)器人的發(fā)展優(yōu)勢。將現(xiàn)有的水下船體清洗機(jī)器人按磁吸附、真空負(fù)壓吸附、推力吸附、復(fù)合吸附等吸附類型進(jìn)行分類,具體針對各類吸附移動對其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比對。最后,總結(jié)吸附性和靈活性難統(tǒng)一、船體復(fù)雜壁面難適應(yīng)和廢水廢渣難回收等技術(shù)難點(diǎn),針對存在的問題提出推力磁輪復(fù)合吸附和水射流清洗技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計建議,并對多功能化、高智能化、自主性強(qiáng)的多機(jī)器人編隊協(xié)同作業(yè)的船體水下清洗發(fā)展進(jìn)行展望。
【圖文】：
船體清洗機(jī)器人的開發(fā)現(xiàn)狀與展望—63—段將傳統(tǒng)船體清洗工具和遙控載運(yùn)機(jī)器人相結(jié)合[5]，避免了人工作業(yè)的費(fèi)時費(fèi)力，安全性高。為了響應(yīng)“十三·五”計劃和工業(yè)4.0的機(jī)器人發(fā)展趨勢，積極探索航運(yùn)4.0的新發(fā)展，本文對現(xiàn)有的船體清洗機(jī)器人技術(shù)從吸附和移動機(jī)構(gòu)、清洗效果、回收系統(tǒng)、外型結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行介紹，對研發(fā)更加節(jié)能高效、適用范圍廣、自動化程度高的船體清洗機(jī)器人提出一些自己的想法。圖1船體生物附著及其污損機(jī)國際海事組織（IMO）制定的MARPOL公約附件V（防止船舶垃圾污染規(guī)定）中，將船體擦洗時產(chǎn)生的殘渣定義為船舶垃圾，因而船舶清洗的區(qū)域和清洗作業(yè)的方式都將被限制。目前，在許多歐洲港口，潛水員擦洗船舶已經(jīng)被禁止[6]。因此，應(yīng)將更為節(jié)能環(huán)保的清洗技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合，開發(fā)船舶清洗機(jī)器人并應(yīng)用。船舶清洗機(jī)器人一般由吸附或移動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動控制機(jī)構(gòu)和清洗作業(yè)機(jī)構(gòu)組成，分別實(shí)現(xiàn)吸附、移動和清洗3個功能[7]。一般來講，按吸附方式可分為磁吸附、真空吸附和推力吸附3類；按移動方式可分為車輪式、履帶式和步行式3類；按清洗方式可分為接觸類和射流類；按工作環(huán)境分為塢內(nèi)清洗除銹機(jī)器人和水下船體清洗機(jī)器人。1超高壓爬壁除銹機(jī)器人常規(guī)的船舶清洗是在船舶塢修時進(jìn)行的。因此，船體塢內(nèi)清洗除了去掉表面的部分海洋污損附著生物，還包括被破壞的防污涂層和銹蝕的基底，為后續(xù)修造上漆工藝做好準(zhǔn)備。目前主要的清洗技術(shù)是高壓水射流清洗。清洗和除銹的區(qū)別在于工作壓力的不同，一般清洗時為70MPa，而除銹時達(dá)220MPa。所以，塢內(nèi)清洗大部分時候是除銹[8]。由于除銹的要求高，目前水射流技術(shù)正由高壓向著超高壓大功率發(fā)展。但是人工持槍作業(yè)時水射流的反沖力（不能超過人體自身質(zhì)
L/min，作用力為28.3kgf（1kgf≈9.8N）、56.7kgf和23.8kgf，清洗速度為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“水貓”機(jī)器人采用真空吸附，泵組壓力達(dá)280MPa，流量為24.6L/min。兩者清洗寬幅均達(dá)到350mm，但Flow產(chǎn)品更為輕巧[10]。德國KAMAT公司[11]開發(fā)了一種履帶式除銹爬壁機(jī)器人WCRSRR，采用雙履帶機(jī)構(gòu)，永磁真空吸附相結(jié)合，工作壓力可達(dá)300MPa，流量40L/min，清洗寬度為250mm。此外，美國加州理工學(xué)院于2001年初設(shè)計了簡單爬壁除銹機(jī)器人Ultrastrip（圖2a)）[12]，該機(jī)器人采用磁輪設(shè)計，，能夠?qū)崿F(xiàn)一邊作業(yè)，一邊定量地實(shí)時反饋殘留涂層厚度數(shù)據(jù)，從而控制機(jī)器人移動速度。該技術(shù)對傳感器的靈敏性、可靠性和適用性要求非常高，可從磁嘗超聲波、渦流和導(dǎo)電針組著手優(yōu)化傳感技術(shù)。超聲波振蕩方式也被用來加速涂層的松動，提高剝落速度。美國航空航天局和加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗室（NASA-JPL）研制了用于搭載船舶除銹清洗器的永磁輪式爬壁機(jī)器（圖2b)）M2000。隨后，NASA-JPL實(shí)驗室聯(lián)合卡耐基-梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制了M3500清洗機(jī)器人（圖2c)）[13]。對比這兩種M系列機(jī)器人發(fā)現(xiàn)，均存在本體質(zhì)量大、難以適用在如螺旋槳等不規(guī)則的壁面。但是M3500憑借永磁真空混合吸附，配合鉸鏈連接的關(guān)節(jié)式磁輪移動機(jī)構(gòu)，更加輕巧靈活，且能適應(yīng)一般的曲型壁面，除銹寬度達(dá)380mm，優(yōu)勢明顯。圖2各類清洗機(jī)器人在國內(nèi)，浙江大學(xué)最先對高壓水對船舶壁面除銹的機(jī)理進(jìn)行了研究[14-15]，該校薛勝雄[16]和大連海事大學(xué)王祖溫教授[11,17]先后設(shè)計了一種超高壓純水射流船舶除銹爬壁機(jī)器人，前者采用輪式真空吸附（圖3a)），功率160kW，泵壓為250MPa，流量30L/mi
本文編號：2557039
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船體清洗機(jī)器人的開發(fā)現(xiàn)狀與展望—63—段將傳統(tǒng)船體清洗工具和遙控載運(yùn)機(jī)器人相結(jié)合[5]，避免了人工作業(yè)的費(fèi)時費(fèi)力，安全性高。為了響應(yīng)“十三·五”計劃和工業(yè)4.0的機(jī)器人發(fā)展趨勢，積極探索航運(yùn)4.0的新發(fā)展，本文對現(xiàn)有的船體清洗機(jī)器人技術(shù)從吸附和移動機(jī)構(gòu)、清洗效果、回收系統(tǒng)、外型結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行介紹，對研發(fā)更加節(jié)能高效、適用范圍廣、自動化程度高的船體清洗機(jī)器人提出一些自己的想法。圖1船體生物附著及其污損機(jī)國際海事組織（IMO）制定的MARPOL公約附件V（防止船舶垃圾污染規(guī)定）中，將船體擦洗時產(chǎn)生的殘渣定義為船舶垃圾，因而船舶清洗的區(qū)域和清洗作業(yè)的方式都將被限制。目前，在許多歐洲港口，潛水員擦洗船舶已經(jīng)被禁止[6]。因此，應(yīng)將更為節(jié)能環(huán)保的清洗技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合，開發(fā)船舶清洗機(jī)器人并應(yīng)用。船舶清洗機(jī)器人一般由吸附或移動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動控制機(jī)構(gòu)和清洗作業(yè)機(jī)構(gòu)組成，分別實(shí)現(xiàn)吸附、移動和清洗3個功能[7]。一般來講，按吸附方式可分為磁吸附、真空吸附和推力吸附3類；按移動方式可分為車輪式、履帶式和步行式3類；按清洗方式可分為接觸類和射流類；按工作環(huán)境分為塢內(nèi)清洗除銹機(jī)器人和水下船體清洗機(jī)器人。1超高壓爬壁除銹機(jī)器人常規(guī)的船舶清洗是在船舶塢修時進(jìn)行的。因此，船體塢內(nèi)清洗除了去掉表面的部分海洋污損附著生物，還包括被破壞的防污涂層和銹蝕的基底，為后續(xù)修造上漆工藝做好準(zhǔn)備。目前主要的清洗技術(shù)是高壓水射流清洗。清洗和除銹的區(qū)別在于工作壓力的不同，一般清洗時為70MPa，而除銹時達(dá)220MPa。所以，塢內(nèi)清洗大部分時候是除銹[8]。由于除銹的要求高，目前水射流技術(shù)正由高壓向著超高壓大功率發(fā)展。但是人工持槍作業(yè)時水射流的反沖力（不能超過人體自身質(zhì)
L/min，作用力為28.3kgf（1kgf≈9.8N）、56.7kgf和23.8kgf，清洗速度為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“水貓”機(jī)器人采用真空吸附，泵組壓力達(dá)280MPa，流量為24.6L/min。兩者清洗寬幅均達(dá)到350mm，但Flow產(chǎn)品更為輕巧[10]。德國KAMAT公司[11]開發(fā)了一種履帶式除銹爬壁機(jī)器人WCRSRR，采用雙履帶機(jī)構(gòu)，永磁真空吸附相結(jié)合，工作壓力可達(dá)300MPa，流量40L/min，清洗寬度為250mm。此外，美國加州理工學(xué)院于2001年初設(shè)計了簡單爬壁除銹機(jī)器人Ultrastrip（圖2a)）[12]，該機(jī)器人采用磁輪設(shè)計，，能夠?qū)崿F(xiàn)一邊作業(yè)，一邊定量地實(shí)時反饋殘留涂層厚度數(shù)據(jù)，從而控制機(jī)器人移動速度。該技術(shù)對傳感器的靈敏性、可靠性和適用性要求非常高，可從磁嘗超聲波、渦流和導(dǎo)電針組著手優(yōu)化傳感技術(shù)。超聲波振蕩方式也被用來加速涂層的松動，提高剝落速度。美國航空航天局和加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗室（NASA-JPL）研制了用于搭載船舶除銹清洗器的永磁輪式爬壁機(jī)器（圖2b)）M2000。隨后，NASA-JPL實(shí)驗室聯(lián)合卡耐基-梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制了M3500清洗機(jī)器人（圖2c)）[13]。對比這兩種M系列機(jī)器人發(fā)現(xiàn)，均存在本體質(zhì)量大、難以適用在如螺旋槳等不規(guī)則的壁面。但是M3500憑借永磁真空混合吸附，配合鉸鏈連接的關(guān)節(jié)式磁輪移動機(jī)構(gòu)，更加輕巧靈活，且能適應(yīng)一般的曲型壁面，除銹寬度達(dá)380mm，優(yōu)勢明顯。圖2各類清洗機(jī)器人在國內(nèi)，浙江大學(xué)最先對高壓水對船舶壁面除銹的機(jī)理進(jìn)行了研究[14-15]，該校薛勝雄[16]和大連海事大學(xué)王祖溫教授[11,17]先后設(shè)計了一種超高壓純水射流船舶除銹爬壁機(jī)器人，前者采用輪式真空吸附（圖3a)），功率160kW，泵壓為250MPa，流量30L/mi
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