船舶甲板拋丸機器人系統(tǒng)設計

韓子延, 王 晶, 王 躍

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

當前，拋丸機廣泛用于船舶、機場、橋梁和公路等場所進行除銹除漆、焊縫清理、跑道清理、橋面處理和路面處理等工作?，F有拋丸機操作不方便，需要人工牽引，噪聲大、粉塵重，并存在丸料崩裂傷人的風險[1-6]。隨著人力成本和環(huán)保要求的提高，拋丸機器人系統(tǒng)成為機器人領域的重要研究方向[7-8]。

拋丸作業(yè)工作原理：利用兩個拋丸電機驅動兩個拋丸輪在高速旋轉過程中產生的離心力，將定向的丸料沿葉片的長度方向不斷加速運動直至拋出，拋出的彈丸形成一定的扇形流束，沖擊工作平面，起到清理強化的作用；彈丸與灰塵、雜質一起經反彈室至儲料箱上方[9-11]；通過儲料箱上方的沙塵分離器將丸料與灰塵分離，丸料進入儲料斗繼續(xù)循環(huán)使用，灰塵則通過回收軟管進入除塵裝置。

拋丸機器人系統(tǒng)功能：可實現拋丸和除塵作業(yè)的自動化；可控制拋丸作業(yè)的移動方向和速度，達到不同等級的清理效果；直線行走最大速度不小于50.0 m/min，上下坡能力不小于7°；以遙控方式為主，輔助自主導引控制，可自動檢測車體周圍的障礙物；通過輔助機構可越過一定高度障礙物。

從拋丸工藝和實際使用需求出發(fā)，以減少人工數量和環(huán)境危害為目的，融合電機驅動技術、安全保護技術、遠程遙控技術、無線定位技術和拋丸工藝，設計拋丸裝置集成、移動機構和控制系統(tǒng)軟硬件等內容，實現一種可手動遙控或自動作業(yè)的船舶甲板拋丸機器人系統(tǒng)。

1 結構組成

為減少研制周期，拋丸機器人系統(tǒng)集成現有拋丸裝置以實現鋼板表面或路面清理、多種磨料適應、丸料與灰塵分離和廢料收集等功能。拋丸機器人系統(tǒng)由進行拋丸作業(yè)的拋丸分系統(tǒng)、用于粉塵與丸料回收的除塵分系統(tǒng)和便于設備越障的越障輔助機構組成，拋丸分系統(tǒng)和除塵分系統(tǒng)之間通過回收軟管與電纜連接。

1.1 拋丸分系統(tǒng)

配置防護罩的激光導航掃描儀將實時掃描的點云圖傳輸至控制器進行分析以實現分系統(tǒng)的定位和導航功能；動力箱用于分系統(tǒng)的動力分配和監(jiān)控；控制箱用于分系統(tǒng)的行走電機、拋丸電機、傳感器、開關和指示燈等部件狀態(tài)的接收和控制；舉升機構1用于抬起前方拋丸口和處于失電狀態(tài)的人工移動分系統(tǒng)；舵輪帶動分系統(tǒng)前進、后退和轉彎；防撞傳感器監(jiān)視前方障礙物距離；料位檢測傳感器用于提示儲料箱內的磨料料位；拋丸電機通過皮帶帶動拋丸輪將磨料加速拋出；丸料閥用于控制丸料進入拋丸輪；舉升機構2配置撬棍抬起后方拋丸口，拋丸口配置磁性封條和毛刷以提高拋丸加工密封效果。拋丸分系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 拋丸分系統(tǒng)結構

1.2 除塵分系統(tǒng)

除塵箱內的除塵濾筒過濾帶有灰塵的空氣；廢料箱收集廢料；空氣壓縮機及其儲氣罐生成壓縮空氣，用于沖掉除塵濾筒上的灰塵；動力箱用于分系統(tǒng)的動力分配和監(jiān)控；控制箱用于分系統(tǒng)的行走電機、除塵電機、傳感器、開關和指示燈等部件狀態(tài)的接收和控制；避障傳感器用于分系統(tǒng)的避障；除塵電機提供用于形成除塵所需負壓的動力；舵輪帶動分系統(tǒng)前進、后退和轉彎；防傾倒輪用于防止轉彎半徑較小且速度較快時的分系統(tǒng)傾覆。除塵分系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 除塵分系統(tǒng)結構

2 控制系統(tǒng)

甲板拋丸機器人系統(tǒng)自主完成工作需要一套完善的控制系統(tǒng)，使信息可及時順暢地流通，使其各功能模塊合理使用?？刂破鞣譃閽佂柩b置控制器和除塵裝置控制器，各分系統(tǒng)以各自的控制器為核心，控制器之間通過局域網(Local Area Network，LAN)鏈接，各分系統(tǒng)內部通過LAN和控制器局域網(Controller Area Network，CAN)鏈接；通過數字輸入(Digital Input，DI)/數字輸出(Digital Output，DO)接口進行外部按鈕開關信號采集和報警燈控制；通過數據分析處理實現定位和路徑規(guī)劃功能；通過輸入/輸出(Input/Output，I/O)接口接收信號，實現防碰撞功能，實現靈活的行走、轉向和控制。拋丸機器人系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 拋丸機器人系統(tǒng)控制框圖

控制器通過LAN總線接收來自本地的人機交互(Human Machine Interaction，HMI)程序更新或地圖數據下載任務；通過DI/DO接口進行外部按鈕開關信號采集和報警燈控制；通過LAN總線進行分系統(tǒng)之間的信息交互。拋丸裝置控制器通過I/O接口接收來自避障傳感器的信號，實現拋丸分系統(tǒng)的防碰撞功能；通過CAN總線接收來自遙控接收器的移動指令，對動作邏輯進行判斷，將最終的控制指令通過CAN總線發(fā)送至電機驅動器以驅動伺服電機運動，控制拋丸分系統(tǒng)的行走和轉向。除塵裝置控制器通過CAN總線接收來自超聲雷達的信息，實現除塵分系統(tǒng)的防碰撞功能。

3 軟件設計

按系統(tǒng)硬件結構及其工藝設計要求，軟件設置多個相對獨立的任務模塊。各模塊之間按嚴格定義的接口規(guī)范相互傳遞信息。各模塊相對獨立的設計風格可有效保證在系統(tǒng)器件或工藝要求變動時，對控制軟件的影響均為局部、集中且單一的。軟件模塊架構如圖4所示。

圖4 軟件模塊架構

驅動層進行與硬件的信息交互。激光導航掃描儀驅動模塊收集激光雷達采集的距離和角度信息，通過算法將距離和角度信息解算為位置信息；舵輪驅動模塊為電機運動控制的驅動模塊，具有伺服驅動通信、控制指令解析、安全保護和故障處理等功能；I/O驅動模塊包括CAN、DI/DO和LAN等所有需要使用接口的驅動程序；避障傳感器驅動模塊在檢測到設定區(qū)域內出現障礙時觸發(fā)避障事件，根據預設的避障邏輯和避障方式進行避障，可采取多種避障方式，例如停車、掉頭、左轉前進并入原軌跡和右轉前進并入原軌跡等；HMI驅動模塊提供HMI硬件設備的驅動；遙控器驅動模塊進行遙控器上的按鍵與顯示狀態(tài)的CAN通信協(xié)議轉換。

中間層進行機器人系統(tǒng)移動和工藝流程的信息處理與下發(fā)。舵輪運動指揮模塊根據接收的運行參數下發(fā)運動指令，監(jiān)控系統(tǒng)位置反饋信號，確保系統(tǒng)按既定的位置和速度要求執(zhí)行相應的運動指令；自動導引算法模塊接收位置信息，運用導引算法，根據在地圖中預設的軌跡實現定位和導航；工藝流程控制模塊根據接收的工藝設備運行參數運行各工藝設備，遵循工藝設備各組成模塊的運行流程和工序對應各DI/DO接口，控制工藝設備的運行。

顯控層進行HMI的信息處理。觸摸顯示處理模塊解析觸控信息和顯示拋丸狀態(tài)信息，對操控輸入的響應級別較低；操控按鍵處理模塊解析按鍵信息并下發(fā)運行參數，對操控輸入的響應級別較高。

上位機軟件系統(tǒng)通過C#編寫，登錄界面由5部分組成：設計軟件；參數配置軟件；導航設計軟件；地圖管理軟件；避障傳感器標定軟件。主界面顯示自動導航、拋丸遙控和除塵遙控的狀態(tài)；顯示拋丸舵輪與除塵舵輪的速度；監(jiān)控除塵接觸器、空壓接觸器、拋丸機接觸器1、拋丸機接觸器2、丸料艙和丸料閥的狀態(tài)；設置導航的啟動按鈕、暫停按鈕與取消任務按鈕。

4 激光導引規(guī)劃工作流程

在完成設計軟硬件后需要進行激光導引規(guī)劃。在拋丸作業(yè)前，在作業(yè)區(qū)域布置足夠的反光柱，確保在作業(yè)區(qū)域內的任何位置上拋丸分系統(tǒng)的激光導航掃描儀至少可測得4條光束。遙控拋丸分系統(tǒng)沿作業(yè)區(qū)域行走一圈，并打開建圖軟件，通過激光導航掃描儀獲得各反光柱或特征點的位置。基于反光柱或特征點的位置，在工業(yè)便攜式計算機上建立導航圖形，設定運動參數，設計拋丸作業(yè)區(qū)域，標記危險禁行區(qū)域，指定工作路線。在對拋丸作業(yè)進行導航時，控制器根據拋丸分系統(tǒng)當前的運行速度、轉向角度和間隔時間等參數對下一位置進行估算，依據計算得到的新位置確定關聯的反光柱或特征點，分析下一步運動。在遇到預設的障礙時，拋丸分系統(tǒng)會按預設的避障/繞障邏輯行駛。激光導引規(guī)劃工作流程如圖5所示。

圖5 激光導引規(guī)劃工作流程

5 實船試驗

為驗證甲板拋丸機器人系統(tǒng)有效性，根據系統(tǒng)設計方案，制造實物樣機，分別將S390鋼丸、S330鋼丸和S330鋼丸+G25鋼砂導入丸料艙，并在某船廠現場進行實船除銹除漆測試。

將速度分別調節(jié)為1.2 m/min、2.0 m/min、2.4 m/min、3.6 m/min、5.0 m/min 和6.0 m/min，以達到不同的清理效果。以S390鋼丸為例，在行走速度為1.2 m/min時除銹等級為Sa 2.5，完全達到噴砂除銹清潔等級(白亮、無可見銹點)；在行走速度為2.0 m/min和2.4 m/min時除銹等級為Sa 2，無明顯可見銹蝕；在行走速度為3.6 m/min和5.0 m/min時除銹等級為Sa 1，相當于掃砂、拉毛的效果。船舶分段甲板拋丸測試表如表1所示。除銹等級對照圖如圖6所示。

表1 船舶分段甲板拋丸測試表

圖6 除銹等級對照圖

試驗證明，甲板拋丸機器人系統(tǒng)可實現拋丸和除塵移動作業(yè)的自動化，以較高效率實現船舶甲板表面清洗，并具備一定的自主導引拋丸作業(yè)功能。焊縫拋丸效果較為理想，如圖7所示。

圖7 焊縫拋丸效果

6 結 語

甲板拋丸機器人系統(tǒng)便于形成實際應用。經試驗驗證，該系統(tǒng)不需要人工牽引，可減少設備對操作人員的噪聲和粉塵污染，便于實現拋丸作業(yè)的自動化。根據不同的施工環(huán)境特點，該系統(tǒng)具備遠程遙控和導引規(guī)劃兩種操作方式，但導引規(guī)劃采用激光導引，需要進行大量外部環(huán)境光噪聲影響測試，以對穩(wěn)定性進行驗證。該系統(tǒng)可用于大型船舶貨艙底部和甲板焊縫區(qū)域的除銹除漆，并可向橋梁、機場和高速公路等維護施工作業(yè)推廣。