机器人助推修船工业转型升级

冯彦科 李赳华 丘莉雅/深圳市行知行机器人技术有限公司

随着国内外之间的交流和贸易越来越频繁，海运作为一种重要运输手段，在国内外贸易中发挥巨大作用。在航运过程中，恶劣的水上环境会导致船舶外板的腐蚀生锈，附着的海洋生物会降低船舶航速，增加油耗。因此，船舶除锈清洗已经成为修船行业的一项重要业务。

然而，近年来，传统修船企业面临着环保压力逐渐加大，人工成本不断增加，工人老龄化等一系列难题，由科技进步推动修船行业深度变革的现实需求日益迫切。由于机器人受场地、工况影响较小，同时自动化程度高，方便操作等特点，在修船行业的应用具有巨大的潜力。本文将论述机器人在船舶外板除锈、货舱除锈、水下清洗海蛎子等方面具体应用，旨在促进修船行业的转型升级。

船舶外板除锈清洗机器人

常规的船舶外板除锈清洗是在干船坞或浮船坞内进行，主要是去除船舶表面腐蚀破坏的油漆涂层，为后续喷涂做准备。目前，经过长时间的探索，国内几家头部的修造船企业主要采用高压水射流清洗技术。一般清洗海蛎子时，水压为100—150兆帕（Mpa），而除锈时水压为250—300兆帕。由于除锈作业效率对高压泵水压和流量的要求较高，因此，水射流技术正向着高压力和大流量发展。当前，国内几家主流的超高压泵额定流量普遍大于40升/分，最大压力可达300兆帕，提高作业效率创造了前提条件。由于人工手持高压水枪作业时，需要站在高空车或是脚手架上，巨大的反冲力时刻威胁着工人的生命安全，限制了其在修船行业的大量应用。作为执行机构，采用机器人成套设备配合超高压水泵作业可有效解决上述问题。

图1.壁龍W-02轮式除锈机器人

目前市场上大部分使用的机器人包括磁吸附式爬壁机器人和遥控式履带车两类。

磁吸附式爬壁机器人是采用永磁吸附的方式提供机器人的吸附力，可有效避免电磁吸附与真空吸附易受断电或破真空瞬间失去吸附力的诸多弊端，更加安全可靠。同时，由于集装箱、散货船等船舶的船头、船尾、侧边有大量的曲面结构，因此不仅要求机器人在竖直平面能够保证安全作业，对机器人适应曲面的能力也同样提出了更高的要求。目前，国内市场常见的几家爬壁机器人产品包括深圳市行知行机器人技术有限公司壁龍W-02轮式除锈机器人、北京史河科技RPP-MW-SRR外板除锈机器人、北京德高洁CR4D除锈机器人等。以壁龍W-02轮式除锈机器人为例，如图1所示，该机器人可适用于船头、船尾、侧部弧面、竖直大平面、船底等95%以上区域的除锈清洗作业，除锈效率30—50平方米/小时，整机采用模块化设计，可快速拆装，大幅提高设备的维护效率。此外，该机器人还采用了独特的铰接结构设计，增强了其曲面自适应能力。机器人与污水回收处理装置配合使用，即除即干，可防止壁面返锈，与传统人工喷砂除锈相比，效率提高4—6倍，每平方米清洗成本降低40%。目前，该公司已经与中国船舶集团有限公司、中国远洋海运集团有限公司、招商局集团有限公司以及多家头部民营船企展开合作。

遥控式履带车主要包括德国哈莫尔曼的Dockboy和Dockmate，如图2所示。这两款设备全部采用柴油发动机进行无级变速，通过自身液压升降杆伸缩来控制除锈头对不同高度的清洗区域进行作业，但对工人操作履带车的技能要求较高。目前，Dockboy机械臂最大伸缩高度为6米，主要应用在船底大平面及船舶侧边较低区域，除锈效率30—50平方米/小时。Dockmate机械臂最大伸缩高度为27米，因其配备大功率泵组，更大尺寸的“双十字”除锈头，除锈效率可达70—80平方米/小时，在所有机器人中单台作业效率最高。但其在修船厂的应用局限在船舶外板的施工，且这两款设备需要进口，价格昂贵，售后维护周期长，一般清洗商或是中小型船厂无法承担，因此限制了其在国内大批量使用，目前仅在部分头部大型修船企业使用。

船舶货舱除锈清洗机器人

目前，散货船已经成为我国货物海运的重要组成部分，散货船的运输效率很大程度上取决于货舱整备和载货量，其中货舱整备中一个关键环节就是货舱清洗，目的是确保每次卸货后货舱整洁，为下一次装载做准备。特别是粮食等干净货物，对货舱表面清洁度要求更高。此外，由于长时间处于恶劣的水上环境，货舱表面会大面积腐蚀掉漆，这些锈蚀同样会对货舱内的货物造成污染，因此需要对货舱内壁进行定期除漆防腐。

目前，国内船舶货舱清洗还一直是传统的人工作业，主要操作方式是工人手持高压水枪站在脚手架或是高空车上作业。这种方式危险系数大，且多数船厂为了保证清洗效果，使用大量化学品，据统计一个船厂每年用于货舱清洗的化学品可达30万吨，不仅损害工人的健康，大量化学品释放到大海还会造成严重的环境污染。

为了改善上述情况，国内外研究机构或企业开始研究用于货舱清洗的爬壁机器人。货舱内部结构如图3所示，机器人在货舱行走需要克服行走稳定性，同时，大部分肋板之间距离较为狭窄，需要机器人结构紧凑，运动灵活。通过对不同类型货舱内壁关键参数的调研，机器人在货舱内不同倾斜壁面之间过渡需要克服至少80°过渡角。因此，面对狭窄的肋板间距，机器人的宽度需要保持在800毫米以内为最优，以便能够清洗到货舱内大部分区域。

目前，国外最为典型的是丹麦VertiDrive公司，研制出了专用的货舱清洗机器人M8，如图4所示，它是一款磁吸附式爬壁机器人，尺寸为1200毫米×640毫米×640 毫米，清洗宽度为1200毫米，采用了模块化设计，其中清洗机构和驱动机构拆装便捷简单，它的特点是可以越过60°斜角的壁面，而且紧凑的结构使它能够行走在货舱的两个肋骨之间。但是该机器人无法有效去除表面油漆，水射流的压力达不到除锈清洁的标准，且产生的污水无法及时回收。

图2. 遥控式履带车

图3.货舱内部结构

图4.Vertidrive M8 货舱清洗机器人

图5.壁龍CW-01货舱轮式机器人

图6.HullWiper公司ROV水下机器人

国内现阶段针对船舶舱内清洗爬壁机器人仅一款，是深圳市行知行机器人技术有限公司的壁龍CW-01货舱轮式机器人，如图5所示。该款机器人同样是一款磁吸附式爬壁机器人，尺寸1200毫米×520毫米×460 毫米，清洗宽度300毫米，采用“超高压水+清洗盘”的除锈清洗方案，除锈时水压250—280兆帕，兼具清洗和回收双重功能。为了适应货舱过渡面行走的需要，设计了一种前置三轮机构，可实现壁面夹角100°的过渡。经过实地测试，验证了在超高压水射流作用下，机器人过渡的稳定性。但是，该机器人主要适用于货舱底面、侧面和顶面的清洗。未来需要研究多种类型的清洗机构，机器人本体可以切换不同的清洗工具，利用机器人协同作业，实现舱内多壁面、高效率的清洗。

水下清洗机器人

船舶在海上航行期间，水线以下的船体表面会生长大量的海洋生物，它们不仅增加了船体的重量，而且增大了与海水的摩擦阻力，导致船舶的航速明显降低、耗油量增加。据统计，由于海洋生物造成船体的平均粗糙度每增加10微米（μm），就会导致燃料消耗增加0.3%—1%左右，当船舶速度下降10%时，为了弥补这些阻力导致的速度下降，船舶要多耗费出40%的燃料。因此，需要对船体外板的海洋生物定期清理。

目前常见的两种方式，一种是进船坞内清洗，第二种是水下清洗。由于船舶进坞维修的周期较长，因此，对于要求比较严格的船舶，需要定期由潜水员下水进行水下清洗。但是，水下清洗对潜水员的体能和心理都是极大的考验，且人工清洗受作业时间和天气的限制。为了减轻潜水员水下清洗劳动强度并且提高作业效率，国内外已开始应用自动化程度高、控制方便、效率高的水下清洗机器人。

近年来，国外对水下清洗机器人的应用取得了许多成果。较为知名的HullWiper公司ROV水下机器人，如图6所示，该机器人使用可调节的海水射流作为清洁介质，以最大限度地降低涂层损坏的风险，每小时能清洁2000平方米的水下船体附着物，且该方式不会对船体防污漆造成损害。在大多数天气条件下，可以白天或晚上进行货物处理作业时清洁。该公司目前已经在卡塔尔、韩国、南非、新加坡、澳大利亚等国家开展业务，为全球超过1400艘船提供了船体清洁服务。

国内水下机器人的研究起步较晚，但是也取得了不少成果。飞马滨（青岛）智能水下清洗机器人，如图7所示，该机器人采用先进的多智能体控制、水下定位、浑水视觉、负压吸附、全局传感技术，实现在不同场景下完成不同对象表面附着物的水下安全检测和全面的清洗工作，清洗效率高达2800平米/小时。

2020年，上海遨拓深水装备技术开发有限公司与西湖大学联合研制了“多功能水下船舶清洗机器人”，如图8所示。该机器人搭载多种传感器设备，实时进行水下清扫情况观测；搭载图像声呐，实现浑水条件下水下观察和检测工作，并实现导航避障；可运用于船舶、大坝、堤岸、闸门、海洋牧场等多个场景。除此之外，生产厂家包括有河北兴舟科技有限公司、昆明海威机电技术研究所等。

图7.飞马滨（青岛）智能水下清洗机器人

图8.多功能水下船舶清洗机器人

未来展望

经过多年的发展，当前船舶外板除锈清洗机器人市场迎来爆发期，已经在舟山、上海、青岛、广东等多家大型修造船厂得到应用。但是也面临着一些问题，例如，当前修船行业的机器人自动化程度仍然不高，主要的机器人操作控制仍是由人工完成，因此，机器人要向智能化和自动化发展，能自主规划路径，实现避障，声学、光学的精确定位。同时，面向修船行业特殊领域如打磨、焊接等，研发相应的特种机器人，解放人工，降低劳动强度，助力修船工业转型升级。考虑传统修船行业的人工成本以及国家生态环保政策的不断深入推进，特种机器人研发设计与应用将是未来的发展重点，有着巨大的潜力和市场。