韓子延, 王 晶, 王 躍

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

當(dāng)前，拋丸機(jī)廣泛用于船舶、機(jī)場(chǎng)、橋梁和公路等場(chǎng)所進(jìn)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(xiàn)有拋丸機(jī)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(fēng)險(xiǎn)[1-6]。隨著人力成本和環(huán)保要求的提高，拋丸機(jī)器人系統(tǒng)成為機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向[7-8]。

拋丸作業(yè)工作原理：利用兩個(gè)拋丸電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)拋丸輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力，將定向的丸料沿葉片的長(zhǎng)度方向不斷加速運(yùn)動(dòng)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(qiáng)化的作用；彈丸與灰塵、雜質(zhì)一起經(jīng)反彈室至儲(chǔ)料箱上方[9-11]；通過(guò)儲(chǔ)料箱上方的沙塵分離器將丸料與灰塵分離，丸料進(jìn)入儲(chǔ)料斗繼續(xù)循環(huán)使用，灰塵則通過(guò)回收軟管進(jìn)入除塵裝置。

拋丸機(jī)器人系統(tǒng)功能：可實(shí)現(xiàn)拋丸和除塵作業(yè)的自動(dòng)化；可控制拋丸作業(yè)的移動(dòng)方向和速度，達(dá)到不同等級(jí)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(dǎo)引控制，可自動(dòng)檢測(cè)車體周圍的障礙物；通過(guò)輔助機(jī)構(gòu)可越過(guò)一定高度障礙物。

從拋丸工藝和實(shí)際使用需求出發(fā)，以減少人工數(shù)量和環(huán)境危害為目的，融合電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、安全保護(hù)技術(shù)、遠(yuǎn)程遙控技術(shù)、無(wú)線定位技術(shù)和拋丸工藝，設(shè)計(jì)拋丸裝置集成、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)軟硬件等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)一種可手動(dòng)遙控或自動(dòng)作業(yè)的船舶甲板拋丸機(jī)器人系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)組成

為減少研制周期，拋丸機(jī)器人系統(tǒng)集成現(xiàn)有拋丸裝置以實(shí)現(xiàn)鋼板表面或路面清理、多種磨料適應(yīng)、丸料與灰塵分離和廢料收集等功能。拋丸機(jī)器人系統(tǒng)由進(jìn)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(shè)備越障的越障輔助機(jī)構(gòu)組成，拋丸分系統(tǒng)和除塵分系統(tǒng)之間通過(guò)回收軟管與電纜連接。

1.1 拋丸分系統(tǒng)

配置防護(hù)罩的激光導(dǎo)航掃描儀將實(shí)時(shí)掃描的點(diǎn)云圖傳輸至控制器進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)的定位和導(dǎo)航功能；動(dòng)力箱用于分系統(tǒng)的動(dòng)力分配和監(jiān)控；控制箱用于分系統(tǒng)的行走電機(jī)、拋丸電機(jī)、傳感器、開(kāi)關(guān)和指示燈等部件狀態(tài)的接收和控制；舉升機(jī)構(gòu)1用于抬起前方拋丸口和處于失電狀態(tài)的人工移動(dòng)分系統(tǒng)；舵輪帶動(dòng)分系統(tǒng)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎；防撞傳感器監(jiān)視前方障礙物距離；料位檢測(cè)傳感器用于提示儲(chǔ)料箱內(nèi)的磨料料位；拋丸電機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)拋丸輪將磨料加速拋出；丸料閥用于控制丸料進(jìn)入拋丸輪；舉升機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拋丸分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 除塵分系統(tǒng)

除塵箱內(nèi)的除塵濾筒過(guò)濾帶有灰塵的空氣；廢料箱收集廢料；空氣壓縮機(jī)及其儲(chǔ)氣罐生成壓縮空氣，用于沖掉除塵濾筒上的灰塵；動(dòng)力箱用于分系統(tǒng)的動(dòng)力分配和監(jiān)控；控制箱用于分系統(tǒng)的行走電機(jī)、除塵電機(jī)、傳感器、開(kāi)關(guān)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(jī)提供用于形成除塵所需負(fù)壓的動(dòng)力；舵輪帶動(dòng)分系統(tǒng)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎；防傾倒輪用于防止轉(zhuǎn)彎半徑較小且速度較快時(shí)的分系統(tǒng)傾覆。除塵分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 除塵分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)

甲板拋丸機(jī)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(shí)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(guò)局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)鏈接，各分系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)LAN和控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)鏈接；通過(guò)數(shù)字輸入(Digital Input，DI)/數(shù)字輸出(Digital Output，DO)接口進(jìn)行外部按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)采集和報(bào)警燈控制；通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃功能；通過(guò)輸入/輸出(Input/Output，I/O)接口接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)防碰撞功能，實(shí)現(xiàn)靈活的行走、轉(zhuǎn)向和控制。拋丸機(jī)器人系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 拋丸機(jī)器人系統(tǒng)控制框圖

控制器通過(guò)LAN總線接收來(lái)自本地的人機(jī)交互(Human Machine Interaction，HMI)程序更新或地圖數(shù)據(jù)下載任務(wù)；通過(guò)DI/DO接口進(jìn)行外部按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)采集和報(bào)警燈控制；通過(guò)LAN總線進(jìn)行分系統(tǒng)之間的信息交互。拋丸裝置控制器通過(guò)I/O接口接收來(lái)自避障傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)拋丸分系統(tǒng)的防碰撞功能；通過(guò)CAN總線接收來(lái)自遙控接收器的移動(dòng)指令，對(duì)動(dòng)作邏輯進(jìn)行判斷，將最終的控制指令通過(guò)CAN總線發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，控制拋丸分系統(tǒng)的行走和轉(zhuǎn)向。除塵裝置控制器通過(guò)CAN總線接收來(lái)自超聲雷達(dá)的信息，實(shí)現(xiàn)除塵分系統(tǒng)的防碰撞功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

按系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及其工藝設(shè)計(jì)要求，軟件設(shè)置多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊。各模塊之間按嚴(yán)格定義的接口規(guī)范相互傳遞信息。各模塊相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)風(fēng)格可有效保證在系統(tǒng)器件或工藝要求變動(dòng)時(shí)，對(duì)控制軟件的影響均為局部、集中且單一的。軟件模塊架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件模塊架構(gòu)

驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行與硬件的信息交互。激光導(dǎo)航掃描儀驅(qū)動(dòng)模塊收集激光雷達(dá)采集的距離和角度信息，通過(guò)算法將距離和角度信息解算為位置信息；舵輪驅(qū)動(dòng)模塊為電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)模塊，具有伺服驅(qū)動(dòng)通信、控制指令解析、安全保護(hù)和故障處理等功能；I/O驅(qū)動(dòng)模塊包括CAN、DI/DO和LAN等所有需要使用接口的驅(qū)動(dòng)程序；避障傳感器驅(qū)動(dòng)模塊在檢測(cè)到設(shè)定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙時(shí)觸發(fā)避障事件，根據(jù)預(yù)設(shè)的避障邏輯和避障方式進(jìn)行避障，可采取多種避障方式，例如停車、掉頭、左轉(zhuǎn)前進(jìn)并入原軌跡和右轉(zhuǎn)前進(jìn)并入原軌跡等；HMI驅(qū)動(dòng)模塊提供HMI硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)；遙控器驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行遙控器上的按鍵與顯示狀態(tài)的CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。

中間層進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)移動(dòng)和工藝流程的信息處理與下發(fā)。舵輪運(yùn)動(dòng)指揮模塊根據(jù)接收的運(yùn)行參數(shù)下發(fā)運(yùn)動(dòng)指令，監(jiān)控系統(tǒng)位置反饋信號(hào)，確保系統(tǒng)按既定的位置和速度要求執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令；自動(dòng)導(dǎo)引算法模塊接收位置信息，運(yùn)用導(dǎo)引算法，根據(jù)在地圖中預(yù)設(shè)的軌跡實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航；工藝流程控制模塊根據(jù)接收的工藝設(shè)備運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行各工藝設(shè)備，遵循工藝設(shè)備各組成模塊的運(yùn)行流程和工序?qū)?yīng)各DI/DO接口，控制工藝設(shè)備的運(yùn)行。

顯控層進(jìn)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(duì)操控輸入的響應(yīng)級(jí)別較低；操控按鍵處理模塊解析按鍵信息并下發(fā)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)操控輸入的響應(yīng)級(jí)別較高。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)通過(guò)C#編寫(xiě)，登錄界面由5部分組成：設(shè)計(jì)軟件；參數(shù)配置軟件；導(dǎo)航設(shè)計(jì)軟件；地圖管理軟件；避障傳感器標(biāo)定軟件。主界面顯示自動(dòng)導(dǎo)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(jī)接觸器1、拋丸機(jī)接觸器2、丸料艙和丸料閥的狀態(tài)；設(shè)置導(dǎo)航的啟動(dòng)按鈕、暫停按鈕與取消任務(wù)按鈕。

4 激光導(dǎo)引規(guī)劃工作流程

在完成設(shè)計(jì)軟硬件后需要進(jìn)行激光導(dǎo)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(nèi)的任何位置上拋丸分系統(tǒng)的激光導(dǎo)航掃描儀至少可測(cè)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(kāi)建圖軟件，通過(guò)激光導(dǎo)航掃描儀獲得各反光柱或特征點(diǎn)的位置?；诜垂庵蛱卣鼽c(diǎn)的位置，在工業(yè)便攜式計(jì)算機(jī)上建立導(dǎo)航圖形，設(shè)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)計(jì)拋丸作業(yè)區(qū)域，標(biāo)記危險(xiǎn)禁行區(qū)域，指定工作路線。在對(duì)拋丸作業(yè)進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，控制器根據(jù)拋丸分系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行速度、轉(zhuǎn)向角度和間隔時(shí)間等參數(shù)對(duì)下一位置進(jìn)行估算，依據(jù)計(jì)算得到的新位置確定關(guān)聯(lián)的反光柱或特征點(diǎn)，分析下一步運(yùn)動(dòng)。在遇到預(yù)設(shè)的障礙時(shí)，拋丸分系統(tǒng)會(huì)按預(yù)設(shè)的避障/繞障邏輯行駛。激光導(dǎo)引規(guī)劃工作流程如圖5所示。

圖5 激光導(dǎo)引規(guī)劃工作流程

5 實(shí)船試驗(yàn)

為驗(yàn)證甲板拋丸機(jī)器人系統(tǒng)有效性，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，制造實(shí)物樣機(jī)，分別將S390鋼丸、S330鋼丸和S330鋼丸+G25鋼砂導(dǎo)入丸料艙，并在某船廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)船除銹除漆測(cè)試。

將速度分別調(diào)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(dá)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(shí)除銹等級(jí)為Sa 2.5，完全達(dá)到噴砂除銹清潔等級(jí)(白亮、無(wú)可見(jiàn)銹點(diǎn))；在行走速度為2.0 m/min和2.4 m/min時(shí)除銹等級(jí)為Sa 2，無(wú)明顯可見(jiàn)銹蝕；在行走速度為3.6 m/min和5.0 m/min時(shí)除銹等級(jí)為Sa 1，相當(dāng)于掃砂、拉毛的效果。船舶分段甲板拋丸測(cè)試表如表1所示。除銹等級(jí)對(duì)照?qǐng)D如圖6所示。

表1 船舶分段甲板拋丸測(cè)試表

圖6 除銹等級(jí)對(duì)照?qǐng)D

試驗(yàn)證明，甲板拋丸機(jī)器人系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)拋丸和除塵移動(dòng)作業(yè)的自動(dòng)化，以較高效率實(shí)現(xiàn)船舶甲板表面清洗，并具備一定的自主導(dǎo)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(jié) 語(yǔ)

甲板拋丸機(jī)器人系統(tǒng)便于形成實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)不需要人工牽引，可減少設(shè)備對(duì)操作人員的噪聲和粉塵污染，便于實(shí)現(xiàn)拋丸作業(yè)的自動(dòng)化。根據(jù)不同的施工環(huán)境特點(diǎn)，該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程遙控和導(dǎo)引規(guī)劃兩種操作方式，但導(dǎo)引規(guī)劃采用激光導(dǎo)引，需要進(jìn)行大量外部環(huán)境光噪聲影響測(cè)試，以對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)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(jī)場(chǎng)和高速公路等維護(hù)施工作業(yè)推廣。