摘 要：为积极响应工信部制定的《推进船舶总装建造智能化转型行动计划》，本文针对大型船舶建造在总组以及合拢阶段，需搭建脚手架等高空作业平台，不仅生产效率低、作业危险系数大，关键环节还面临劳动力短缺、用工成本攀升等问题，提出一种基于智能复合机器人的自主生产作业方案。本文针对复合机器人的系统冗余等特征，提出了一种基于协同路径规划、自适应动态规划等控制策略的系统协同控制模型，对复合机器人的关键技术进行研究，试验成果可进一步推广并应用到大型建筑钢结构、石化仓储、桥梁建设等工程领域的自动化、智能化及无人化高空生产与作业。
关键词：复合机器人；移动机器人；机械臂；车臂协同；自主作业；船舶制造
1、引言
放眼全球航运业，当前船队新旧更替、碳达峰绿色转型以及欧洲能源危机等影响拉动了造船需求，导致如LNG运输船、集装箱船以及干散货船等新造船订单大幅提升，2023年上半年我国造船企业新接订单量占世界总量的70%以上，居全球首位。其中：大型船舶更受市场青睐，以干散货船为例，预计从2023年至2024年新船交付的逾70%为载重量超6万吨的大型或超大型船只。
为抓住市场机遇、增强国际竞争力，由工业和信息化部制定的《推进船舶总装建造智能化转型行动计划》引导我国船企积极探索智能制造关键技术，努力提升建造质量与效率。本文针对大型船舶建造在总组以及合拢阶段，需搭建脚手架等高空平台，作业效率低、危险系数大等问题，提出一种复合机器人解决方案即永磁吸附壁面移动机器人搭载多关节灵巧机械臂，实现多工艺、多任务自主作业；最后完成了样机模拟场景验证并取得较为丰硕的成果。
2、智能复合机器人应用与研究现状
本文聚焦一种结合自主移动机器人和多关节灵巧机械臂的复合机器人系统，即车臂复合机器人：由一个移动机器人负责自主导航、定位，再由一个机械臂负责完成各种操作如抓取、焊接、喷涂等，其融合了环境感知、自主决策、协同控制等多种技术，兼具高移动性和操作灵活性，突破由工装固定的流水线生产所带来的局限性，更有效地解决及应对非结构化、复杂多任务环境下生产作业的需求及挑战。
2.1、市场应用现状
目前市场上已出现的车臂复合机器人按底盘形式可大致分为两类：一、轮式加机械臂组合；二、腿足式加机械臂组合。其中：轮式移动底盘又可分为舵轮驱动和麦克纳姆轮驱动，主要在室内且对地面平整度有一定要求的场合下使用；腿足式对非结构化地形的适应性较强，可广泛适用于室外复杂环境。具体见下表分析：
表1 轮式加机械臂的复合机器人
| 国内 /遨博 | 国外/KUKA | 国外/波士顿动力 | 国外/Conbotics |
 |  |  |  |
| 激光SLAM导航AGV+6轴协作机器人 | 麦克纳姆轮AMR+7轴协作机器人 | 全向自主移动机器人+7轴机械臂 | 自主移动机器人+机械臂（臂长可达3.2m） |
| 电力巡检、 档案取放、 机床上下料 | 3C料分拣、 医药转运、 半导体检测 | 仓储物流：搬运/抓取/拆码垛 | 室内建筑:墙壁/天花板喷涂 |
表2 腿足式加机械臂的复合机器人
| 国内 /宇树 | 国内 /云深处 | 国外 /波士顿动力 |
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| 四足移动机器人+6轴机械臂+夹爪 | ||
| 电力巡检、油气平台站点巡检 消防侦察、军事侦察、应急救援 娱乐表演、赛事辅助、物品取放 | ||
2.2、研究现状
上海交通大学赵言正教授等人设计了一种新型六足轮腿式移动机器人，搭载六轴机械臂及末端工具，通过激光雷达实时定位与建图，能适应在结构化钢箱梁内部复杂环境下替代人工完成焊接作业，可进一步推广并应用到船舶制造、路桥建造等工程领域；其创新设计的轮-腿复合移动方式，能在地面平整的情况下，通过足轮滚动实现机器人快速移动到指定位置；当碰到障碍物时，则采用足腿抬升实现机器人越障；实现了基于IMU的位姿计算，有效提高了复合机器人移动精度、避障可靠性及稳定性等。
国外伊利诺伊大学香槟分校、卡内基梅隆大学的Matthew、Theophile、Mukul等人基于四足移动机器人搭载六轴多关节灵巧机械臂，研究了在家庭、仓储物流环境中智能复合机器人自主导航并执行由人类语言表达的任务，提出一种多模态、终身学习、跨平台部署的“Go to Any Thing(GOAT)”通用导航模型，可以让复合移动机器人在不依赖任何先验模型、在完全未知的环境中导航定位到任何物体并实施精准操作，涉及到的核心技术包括：环境感知、语义理解、实时建图、路径规划等。
图1 基于通用导航模型的四足复合移动机器人
3、大型船舶制造智能化应用现状
大型船舶制造普遍具备小批量、多品种、分段建造及多段并行等特点。分段建造是由小件到大件的生产过程，一般流程越往前，生产智能化水平可越高。以中小组立制造为例，船体零部件尺寸较小，需大量焊接工艺，国内已引入工业机器人智能焊接流水线生产；但在总组及合拢阶段，自动化线及固定工装难以适应大件生产，大量工艺操作仍需依赖人工。
图2 大型船舶分段制造流程工作量占比
图3 大型船舶制造工艺操作工作量占比
表3 大型船舶分段建造流程对应生产智能化水平
| 制造流程 | 中小组立 | 大组立/总组/合拢 | 下水/舾装/试航 |
| 生产智能化程度 | 高 | 中 | 低 |
| 智能化应用举例 | 工业机器人切割、成形、焊接、打磨、除锈、喷涂 | 能适应壁面的特种机器人，如爬行焊接机器人 | 自动化检测与维护，如远程诊断、预测性维护 |
| 现状综述 | 工业机器人应用普及加速，如中小组立智能焊接流水线采用3D视觉引导机器人自主焊接[16]。 | 能适应船体立面、顶面可靠作业的智能装备目前较少，多数厂家仍处于试制、验证阶段[17]。 | 传感器采集数据，实时监控设备运行状态，故障预警并主动预防，国外技术成熟度较高。 |
4、用于船舶智能制造的复合机器人系统方案
4.1、车臂复合机器人系统组成
本文设计的用于大型船舶制造的车臂复合机器人系统，由一个四轮移动机器人（简称“车”）和一个六轴协作机器人（简称“臂”）组成，其中：四轮移动机器人底盘搭载永磁吸附模块，能在垂直壁面上移动，具备磁吸力主动调节与预警功能；行走驱动模块由多个集成无框力矩电机、谐波减速器和编码器于一体的旋转执行器组成；智能感知系统由激光雷达和深度相机组成，能实现自主路径规划、导航与避障等功能；四轮移动机器人与六轴协作机器人结合，能顺利完成各种接触性操作任务如焊接、打磨、除锈、喷涂等。
图4 用于大型船舶制造的车臂复合机器人系统组成框图
4.2、车臂复合机器人控制系统架构
复合机器人具有系统冗余、闭链约束、避障约束等特征，导致运动规划复杂度高、任务实施难度大。本文通过构建系统协同控制模型，引入协同路径规划、任务优先级、自适应动态规划等控制策略，能显著提升系统性能及灵活性。结合工况环境智能感知，实现车臂协同闭环控制与高精度自主作业。
在系统协同控制模型中将车轮驱动与机械臂关节驱动作为控制对象，由多轮、多关节耦合运动构成多轴联动控制系统，采用分层优先级控制策略，实现对移动机器人与机械臂的任务控制权重调整，为后续作业规划提供最佳构型。
1、智能感知：由感知系统获取环境信息如图像、距离等，建图模块负责构建点云、地图，定位模块则负责位姿跟踪和辅助定位，感知系统将该结果输出给下游。
2、路径规划：进入协同路径规划，系统将感知信息融合分析并处理，从而得到全局路径规划，输出全覆盖任务路径、自由空间最优路径、碰撞检测可行域等。
3、任务决策：通过运动求解器完成局部任务决策，输出聚焦于机械臂末端执行器工作任务如焊接、磨抛、喷涂等，结合移动机器人空间定位，规划任务优先级。
4、轨迹生成：将全局路径规划和局部任务决策的结果输入到轨迹生成器，在轨迹约束和复合模型约束下进行优化求解并将结果输出至运动控制器。
5、运动控制：通过运动控制器输出控制指令如驱动力矩、移动速度等，对车臂复合机器人进行协同控制；通过状态反馈机制形成闭环控制。
图5 车臂复合机器人控制系统架构框图
4.3、用于大型船舶制造的复合机器人关键技术
本文设计的车臂复合机器人主要用于大型船舶建造的总组及合拢阶段，须在高空、垂直壁面完成爬行焊接、打磨、喷漆、除锈等多种工艺操作，其关键技术包括：
1、自主路径规划：车臂协同运动轨迹规划，融合作业表面形状及表面特征优化，确保焊接、打磨、除锈的连续性和一致性。
2、车臂实时通信：设计并实现移动机器人和机械臂之间的协同通信机制，确保车臂之间实时可靠地交换数据与运动耦合。
3、感知和状态估计：通过多传感器融合、环境感知技术，对复合机器人的车体运动以及机械臂动作进行状态估计，从而实现精准同步控制。
4、工艺参数自调节：对焊接、打磨、喷涂等应用，创建工艺数据库及参数优化算法，实现对不同任务和不同工件，机器人能自适应调节参数配置，提高作业效率与质量。
5、碰撞检测和避障：通过智能感知硬件及算法实现障碍物提前检测、避障和碰撞保护，确保复合机器人作业安全可靠。
6、磁吸附安全监测：采用大磁隙永磁吸附技术，高负载自重比，具备磁吸力实时监测、动态预警及主动调节功能。
5、船舱模拟场景验证
5.1、样机、环境及工作原理
车臂复合机器人试验样机搭载6轴协作机器人，其最大工具负载为18kg，本体自重为35kg，最大作业半径达1.1米，作业工具包括：视觉引导焊接工具1套（含便携式焊接电源），视觉系统则采用3D激光轮廓传感器，图像处理算法、焊缝提取算法等运行在一台工控机上。
实验船舱设有垂直90º立面、150º夹角斜面以及曲率半径为3.5m的曲面。试验样机在立面、斜面以及曲面上完成车臂协同焊接操作，其基本工作原理如下：
1、先由安装于焊枪上的3D激光轮廓传感器采集焊缝的位置、形状及方向等动态特征。
2、然后由视觉系统识别并处理焊缝信息，通过提取并生成基于焊缝的工件坐标系位姿，转换为车臂复合机器人的坐标系位姿。
3、接着由视觉系统引导机械臂末端的焊枪定位到起弧位置，实时调节焊接参数，直至焊接结束。
4、在焊接过程中，激活车臂协同工作模式，焊枪的工具中心点（TCP）始终沿焊接作业方向（焊丝的出丝方向）保持固定不动，四轮移动机器人根据吸附壁面的表面形状，实时调整并移动位姿，以确保焊接作业的连续性和一致性。
5.2、验证难点
1、船舱壁面的作业空间一般较为狭窄，面对不同的工件构型，机器人须采用不同的焊接位姿，同时在垂直方向上移动作业，对焊接参数的控制难度较高。
2、在垂直壁面上实施焊接操作，为确保焊接轨迹精准一致，须克服机器人本体重力导致的移动轨迹偏差干扰，须设计并完善车体重力补偿机制。
3、移动机器人须携带焊接电源等配套装置，会降低机器人的带载能力及移动性能，因此对焊接设备要求较高，须选择便携式、自动化焊接设备。
图6 车臂协同焊接实验
5.3、本应用的推广价值
在试验中车臂复合机器人可以根据不同的工件形态及工艺要求，自主规划运动轨迹、灵活调整焊接姿态及参数，既实现了焊缝实时跟踪，又实现了车臂协同焊接，相比手工以及传统半自动焊接，显著提高焊接效率与质量。验证成果不仅可满足船舶制造的高空焊接作业需求，还可进一步推广并应用到大型建筑钢结构、石化仓储、桥梁建设等工程领域的高空焊接作业场合。
除高空焊接外，该方案具备极强的场景适配性。用户仅需更换末端作业工具，即可快速切换功能，应用于风电场高空运维、化工管道及罐体无损检测、大型钢构定期探伤等刚需场景，实现“一机多用”。
图7 多样化场景适配
6、结论
大型船舶分段建造在总组及合拢阶段，其工作量约占整船建造的23%，其中：焊接、打磨、除锈、喷漆等操作的工作量超过60%；船台合拢后船体高度可达数十米，人工作业须搭建高空平台如脚手架、塔吊及吊篮等，不仅施工效率低、危险系数大，还面临劳动力短缺及用工成本高等问题。本文提出采用智能复合机器人自主完成焊接、打磨、除锈、喷涂等任务，免去脚手架等，能显著提升作业效率和质量，实现降本增效。本文针对复合机器人的系统冗余等特征，提出了一种基于协同路径规划、自适应动态规划等控制策略的系统协同控制模型，然后设计并开发了基于离散化方法的车臂协同控制算法，接着对复合机器人关键技术进行研究，最后在实验船舱完成了车臂复合机器人协同焊接工艺试验，取得了良好效果。本试验成果可进一步推广并应用到建筑钢结构、大型石化仓储、大型管道及桥梁建设等工程领域的自动化、智能化及无人化高空生产与作业。
作者简介：
黄硕存，男，硕士，专注于工业机器人、复合移动机器人领域的技术研究与产品落地，具备丰富的产品管理经验。