浅谈影响工业机器人应用船舶制造业的因素

摘要：随着国家经济建设的不断加快，工业机器人应用的行业也变得更加广阔。工业机器人在船舶制造业应用却一直没有突破。该文阐述了影响工业机器人应用船舶制造业的因素，国外在工业机器人应用船舶制造业的前沿探索，提出可能突破的方向。

关键词：工业机器人  船舶  制造业

通过工业机器人应用船舶制造业工件尺寸相对机器人较大、工件规格较多、机器和人混合作业的3个方面进行分析以及论述。以此来寻找工业机器人应用船舶制造业的办法。

1 影响工业机器人应用船舶制造业的因素

1.1 工件尺寸相对机器人较大

现有工业机器人应用案例，大部分工件相对机器人尺寸较小，或者通过机器人增加简单机构可以解决工作空间不足的问题。然而，针对于船舶制造业，工件外形尺寸相对机器人较大，机器人即使增加简单机构也难以解决机器人工作空间不足的问题。

1.2 工件规格较多

由于船舶产品的复杂性和制造规模，使其难以实现批量化生产。船舶制造成本高，投资回收期长、风险大，且制造厂需要满足船东的多样化需求，这种多品种、单件小批量的生产模式给标准化工作带来了极大的困难，使设计工作量大，制造周期长成了船舶制造业的顽疾。一艘常规船舶是由数以万计的零部件构成,其内部配有各种设备、管系、仪器以及动力与生活设施等,以满足航行、停泊、生产和生活等需要。所以导致工件规格较多。现有工业机器人应用案例，大部分工件一致性较好，或者通过机器人简单编程可以适应工件的个性差异。然而，针对于船舶制造业，工件一致性差，机器人现有的控制系统难以全面适应。

1.3 机器和人混合作业

传统的造船模式采用功能型组织结构，即按共同的生产活动调集资源。工程师和生产人员按功能组织起来。施工现场非常混乱，设备安装、设备调试、焊接工作、管线连接等混合同步作业。船舶工件较大较重，所以施工设备和人员必须围绕工件开展工作，施工设备和人员不可避免的混合作业。而且施工现场的环境时时刻刻都在改变，使得机器人难以在这样的环境开展工作。现有工业机器人应用案例，大部分机器人工作空间与人工作空间采用必要的安全措施进行隔离。然而，针对于船舶制造业，工件过重且过大，一般是工件一次吊装到位，设备围绕工件展开工作，以此不可避免的产生机器和人混合作业的问题。

2 国外在工业机器人应用船舶制造业的探索

2.1 工件尺寸相对机器人较大的探索

鉴于工件相对机器人尺寸较大导致机器人工作空间不足的问题，很多单位和学者对其展开了研究。张永达[1] 通过对国内外大型船厂的调研，总结得出韩国Pukyong国立大学的KamBO等人研制的复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人，上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接移动机器人。实现了大型舰船甲板的高效自动化焊接，保证焊接质量的同时拓延了机器人的工作空间，初步解决了工件相对于机器人尺寸较大的问题。对于延伸工业机器人工作空间有很多种方式，例如三星重工采用爬行式机器人自动焊接油轮侧壁。目前工业机器人应用的案例中，一般只需要简单增加直线运行的伺服滑台或者增加简单的变位机构。然而船舶行业的工件，大部分为异型大尺寸规格件。所以机器人无轨移动关键技术，才能适应工件尺寸相对机器人较大的需求。

2.2 工件规格较多的探索

鉴于工件规格较多机器人难以处理的问题，大宇造船厂联合韩国釜山国立大学采用离线编程、虚拟技术将焊接机器人应用于船舶制造业。机器人不可能类似于人那样智能的适应所有规格的工件，为了让机器人能类似于人的大脑一样思考问题，必须引入虚拟技术。而对于虚拟技术赵春霞 [2] 通过对国内外的调研，总结得出虚拟现实技术在机器人领域的应用，主要集中在以下方面：①遥操作机器人系统；②现代制造技术中机器人作业单元的虚拟仿真和编程平台；③移动智能机器人的路径规划仿真和编程平台；④以机器人为核心的设备培训平台。对于以上的第②项和第③项，对于工件规格较多与机器和人混合作业的难题，虚拟技术将会逐步取得突破。其具体论述如下；虚拟仿真平台也成为自主移动机器人的一种研究工具。B.Kirsch等人在1993年提出了虚拟机器人的概念。他们开发的系统，由真实机器人、机器人控制器、虚拟机器人、虚拟环境及可视化器构成。机器人控制器既可控制真实机器人，又可控制虚拟机器人。该系统用于研究机器人路径学习过程中的监控和操作以及虚拟环境中可视化数据显示，为操作者提供更自然的机器人行为监控界面。最近几年，随着建模技术和计算机图形学特别是虚拟现实技术的发展，对虚拟制造技术的研究方兴未艾。在计算机生成的虚拟企业环境模型中，对产品从概念形成设计、制造、装配、储运乃至广告和销售的全过程，进行三维可视化拟实仿真，从而对产品的性能、制造成本和产品的可制造性作出有效的评估及预测，更加有效、经济和灵活地组织制造生产，以达到产品开发周期和成本的最小化、产品质量的最优化和生产效率的最高化。虚拟制造的发展也带动了虚拟现实技术在各类工业技术中的应用研究，尤其在机器人领域，制造业的整体变化趋势，也对机器人的工作方式产生着重大影响。综上所述，只有虚拟技术、工业机器人、船舶制造三者相结合，才能让工业机器人有会思考的大脑和探知环境的感官。

2.3 机器和人混合作业的探索

鉴于机器和人混合作业的问题，美国将造船机器人纳入“再投资技术项目”研究计划，目标是：①开发造船用全机器人焊接系统；②开发模块组装机器人，可按任务要求组装成功能不同的机器人，具有先进的传感和适应能力，可在杂乱的环境中工作；③开发具有用户友好接口的系统，可被不了解机器人和自动化的造船工人所接受；④开发以开放式结构个人计算机操作为基础的模块式网络系统；⑤开发可与船厂各种系统相连接的自动离线编程系统。其关键技术为碰撞保护、机器人自适应技术、机器人传感器、模块化等等。

3 结语

通过前面的分析，机器人工作空间不足、船舶业工件一致性不高、机器和人混合作业是影响工业机器人应用船舶制造业的因素；所以，可以通过让机器人增加附属机构，进行行走以期延伸机器人工作空间，让机器人有传感器的眼睛，会思考的机器人大脑，来处理一致性各异的工件和适应机器和人混合作业的环境。

参考文献

[1] 张永达.船舶高效焊接工艺及存在的问题[J].造船技术,2009,5:32-35.

[2] 赵春霞.虚拟现实的发展及在机器人系统中的应用与研究[J].机器人,1999(9):395-399.