大型复杂立面维护机器人智能化作业技术及装备——“中国人机一体化智能系统科技进展”案例展示

  进入21世纪，人机一体化智能系统作为新一代信息技术与先进制造技术深层次地融合的新型生产方式，已然成为新一轮工业革命的核心驱动力。从自动化生产线到智能机器人，从大数据分析到物联网技术，从机器学习到人工智能的运用，人机一体化智能系统正在不断推进传统制造业进入一个更加智能、高效、可持续的制造新时代。

  2017-2023年，中国科协人机一体化智能系统学会联合体（IMAC）连续开展“中国人机一体化智能系统科技进展案例研究”，共遴选出70项“中国智能制造科技进展”案例。成果领域涵盖高档数字控制机床与基础制造装备、工业机器人、汽车、航空航天、新一代信息技术、纺织、轨道交通、船舶及海工装备、能源装备、工程机械、农业机械、纺织、建筑焊接等制造业重点领域；技术领域涉及工业物联网平台、大数据管理系统、人工智能技术在工厂应用、人机一体化智能系统设备、柔性人机一体化智能系统产线、云制造系统、智能工厂、大规模定制平台等。

  近期，我们将展示人机一体化智能系统的科技成果和创新应用，感受智能制造带给制造业的变革与创新。

  近年来，我国石化、船舶、核电、火电等国民经济支柱产业高质量发展呈现井喷态势，其很大程度上依赖于石化及放射物储罐、船舶、锅炉等核心装备的安全运营。定期对上述装备开展除锈、喷漆、检测等立面维护作业已成为保障其安全运营的重要举措，据此催生出年均产值数百亿的立面维护行业。当前全球立面维护行业面临环保压力、人力短缺等多重窘境，作业模式逐步向以“机器人+智能化”为特征的新模式转变，已处于维护作业工艺与装备升级换代的关键时期。研发立面维护作业机器人系统，构建大型立面机器人智能化维护作业体系，实现机器人替人的安全、环保、经济、高效与智能化维护作业，已成为迫切需求。

  面向大型复杂立面维护作业特种机器人国家重大工程应用需求，团队近年来主要开展面向大型立面维护作业特种机器人领域相关关键技术的开发与应用研究。包括特种机器人机构与控制、立面移动机械臂规划与操控方法、机器人视觉、无线传感器网络、多源信息融合等研究方向。2022年，团队承担完成了国家重点研发计划“面向大型立面维护的作业机器人关键技术探讨研究与应用示范”，以及国家自然科学基金项目“机器人宇航员空间站仿人作业理论与方法”、“面向石化危化品泄露巡检的机器人作业方法与关键技术探讨研究”；同年，课题组申请立项国家自然科学基金“类连续体仿尺蠖核电爬壁机器人自由步态规划与全肢柔顺控制研究”及慧眼行动计划“舰船外壁除锈机器人关键技术及应用”；同时，在2019年河北省科技支撑计划项目“面向典型立面维护的爬壁机器人安全高效作业方法与关键技术探讨研究”等省部级计划的支撑下，对大型立面环境下的高负载自适应机动性能、高效智能作业规划及经济环保作业工艺等关键技术进行了深入的研究。

  公司依托河北工业大学特种机器人创新团队，在国家重点研发计划、国家自然科学基金、河北省科技计划等项目的资助下，系统突破了大型复杂立面维护作业特种机器人自主研发与集成应用关键技术，取得了多项技术与应用成果。

  针对复杂变曲率立面机器人高负载高机动性要求，突破了复杂变曲率立面下机器人高可靠吸附技术、移动机构的曲面自适应和越障技术、柔顺驱动与位姿控制等关键技术，研制了适用多种任务载荷的多款高负载曲面自适应爬壁机器人本体，为石化、放射物储罐、船舶、锅炉、风/火/核电等领域的各类立面维护作业提供了高性能机器人移动平台。

  针对大型立面维护作业的高效环保需求，系统开展了高效作业功能模块与智能工艺规划方法的研究，突破了多任务载荷下作业功能模块优化设计与污染物回收等关键技术，针对除锈、喷漆、检测、除海生物及辐射环境下清洗等作业任务，研制了多款即插即用作业模块及污染物回收模块，构建了面向多变表面特征的机器人作业工艺参数数据库，突破了基于表面轮廓识别与作业效果反馈的工艺参数动态调整等关键技术，解决了机器人作业工艺智能规划问题，提高了机器人立面维护作业效率。

  针对大型复杂环境立面维护机器人作业中存在的安全问题，研究了基于立体视觉的立面局部特征三维重建与辨识，建立了机器人作业环境与状态智能感知方法和人-机-环境安全交互机制，突破了基于数字孪生的大型立面安全作业仿真和智能监控等关键技术，为立面作业机器人的智能作业和安全作业提供了保障。

  项目成果现已于国内10余家石化、船舶、核电、快消等行业典型单位做了成套应用及多工况工艺联合开发合作，有效打破了国外高端立面维护检修垄断局面，大幅节约了大型立面安全运维成本，显著延长了船舶、放射性储罐、风电塔筒等大型立面装备安全运营时长。

  此外，项目成果可实现除锈废物(废气、废水、废液等)的无污染回收处理，能够极大减少除锈作业对周边区域大气、土壤、海水等环境的污染，有效维护生态环境的良性循环，实现了人与环境的和谐发展，将产生重大的生态效益，实现立面维护作业机器人替人作业，有效改善了传统作业模式环境污染严、人工依赖性强、作业效率低的局面，形成了清洁、环保、高效的机器人作业模式。

  部分成果产出荣获河北省科学技术进步二等奖、天津市科学技术进步二等奖等；依托项目成果申报多项省部级科技奖励，获批“中央引导地方科技发展资金项目”、“慧眼行动创新成果转化应用项目”“河北省军民融合项目”“河北省自然科学基金重点项目”等项目，所研发立面维护作业机器人已在石化、船舶、风/火电行业应用推广，获央视新闻频道、天津卫视、环球网、经济日报等多家主流媒体公开报道，研究成果助力公司成功获得了天津市科技局以及投资机构等投资。

  原标题：《大型复杂立面维护机器人智能化作业技术及装备——“中国人机一体化智能系统科技进展”案例展示》

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