一种改进的自主表面操控系统，专为在海洋制造环境下于水面上使用聚氨酯泡沫进行增材制造而设计

《Ocean Engineering》：An enhanced autonomous surface manipulator system for additive manufacturing of polyurethane foam on water surfaces in oceanic manufacturing scenarios

　　陶力|欧阳文龙|王一河|徐同庆|蔡毅
广州大学，机电工程学院，广州，510006，中国

**摘要**
在水面上部署用于增材制造（AM）任务的机器人可以提高任务的安全性和自动化程度。自主水面操控系统（ASMS），由一个操控器和一个无人水面航行器（USV）组成，具有执行这些任务的潜力。然而，传统的ASMS存在配置稳定性较差等局限性。因此，本研究开发了一种改进型的ASMS，用于在水面上使用聚氨酯泡沫进行AM任务。首先，通过重新设计操控器的结构并使用碳纤维制造其臂部，减少了操控器与USV之间的动态耦合。其次，利用牛顿-欧拉方程为传统ASMS和改进型ASMS建立了动态模型，动态分析结果表明，改进型ASMS在打印过程中对USV施加的滚转和俯仰扭矩减小，从而表现出更优异的配置稳定性。第三，在一个数字孪生驱动的硬件在环（HIL）仿真平台上研究了打印参数与聚氨酯泡沫打印质量之间的关系，并确定了最佳打印参数。最后，使用ASMS的物理原型完成了两项AM任务：分别为为无人驾驶飞机（UAV）打印浮动平台和水面上打印道路。实验结果验证了改进型ASMS更适合AM任务。

**引言**
制造业正在多个维度上快速发展（Zhong等人，2017；Imad等人，2022），其中一个显著趋势是将制造活动从陆地扩展到海洋环境（Phillips等人，2020；Vogt等人，2018），这对海洋经济具有重大意义。在海上进行制造任务消除了在岸上工厂和海上制造基地之间运输组件的需要，从而显著提高了任务效率。增材制造（AM），也称为3D打印，是一种能够快速原型制作的技术，已广泛应用于海洋制造任务（Phillips等人，2020；Radcliffe等人，2023；Shi等人，2023；Wang等人，2021；Korniejenko等人，2024）。目前，AM在海洋中的应用主要分为两类：第一类是在大型船舶上安装AM设备，以便在长途航行期间执行AM过程（Phillips等人，2020；Radcliffe等人，2023；Shi等人，2023）。例如，Phillips等人（2020）在船上安装了一台立体光刻打印机，并设计了一个被动万向节平台来减轻船体振动对打印质量的不利影响。这种方法允许船员在长途航行期间快速制造紧急备用零件，解决了海上组件供应延迟的问题。然而，这种船载AM解决方案仅适用于具有足够承载能力和安装空间的大型船舶，不适用于小型海上作业。第二类是将AM设备放置在水中，以实现海洋结构和设备的现场维修（Wang等人，2021；Korniejenko等人，2024）。Wang等人（2021）采用了水下激光金属沉积技术进行海洋设备的现场维修，与传统陆地维修方法相比，有效减少了海上设施的停机时间。然而，水下AM面临许多挑战，包括高水压、能见度差以及海水对设备和打印组件的腐蚀，因此可用的AM方法和打印材料受到限制。值得注意的是，现有的研究都忽略了一个关键场景：在水面上进行AM。在水面上进行AM任务具有重要的实际价值，例如可以维修在水面上运行的海洋设备，并在紧急情况下快速制造救生用品。该领域的有限研究清楚地表明了深入探索的迫切需求，这也是本研究的核心动机。

**适用于水面的AM技术的挑战**
AM技术应用于水面的主要挑战在于制造材料和适应性设备（Korniejenko等人，2024）。对于制造材料，它们必须具备快速固化、低密度、耐水性和环保性等特性，以适应水面环境。聚氨酯（PU）泡沫具备所有这些特性（David等人，2010；Skleni?ková等人，2022），因此是适用于水面上AM任务的理想材料。尽管有许多研究探索了PU泡沫在AM中的应用（Zhang等人，2022；Burns等人，2019；Fujisawa等人，2015；Lachmayer等人，2022；Paquet等人，2022；Dams等人，2024；Barnett和Gosselin，2015），但对这些工作的关键分析显示，它们仅限于陆地或空中场景，没有尝试将PU泡沫AM技术应用于水面。例如，Barnett和Gosselin（2015）开发了一种基于缆绳悬挂机器人的大型3D打印机，并使用PU泡沫打印了一座2.16米高的雕像，打印精度约为1厘米。这项工作证明了使用PU泡沫进行大规模AM的可行性，但仅限于固定陆地环境，没有考虑动态水面条件。Burns等人（2019）和Fujisawa等人（2015）将PU泡沫打印设备集成到移动车辆中，使车辆能够通过在现场打印泡沫来穿越某些障碍物。然而，他们的车载系统是为陆地环境设计的，无法适应水面的打印要求。Zhang等人（2022）在无人驾驶飞机（UAV）上安装了PU泡沫打印设备，以实现空中增材制造，但基于UAV的系统受到载重限制，不适合在水面上进行大规模AM任务。值得注意的是，Fujisawa等人（2015）明确指出，使用PU泡沫的一个最有趣的应用是在水面上建造道路，这间接验证了PU泡沫在水面上进行AM的实际潜力，但后续研究没有继续这一方向。因此，需要在海洋制造中使用PU泡沫，以弥合现有AM技术与水面应用场景之间的差距。

**打印平台的设计**
为了在水面上使用PU泡沫进行AM任务，开发适当的打印平台至关重要。自主水面操控系统（ASMS）是一种新型的海洋机器人系统（Li和Cai，2024a，2024b），由操控器、无人水面航行器（USV）、传感器和执行器组成，如图1所示，非常适合这项任务。操控器具有高灵活性和运动精度，已在AM中得到广泛应用（Urhal等人，2019；Shen等人，2019；Insero等人，2023）。通过为操控器配备PU泡沫挤出设备和打印喷嘴，并同步控制操控器的运动和挤出设备的操作状态，可以按预定义的方式沉积PU泡沫，制造出各种形状和功能的组件。另一方面，USV具有高移动性和强大的自主能力（Bai等人，2022；Li等人，2023a；Ghazali等人，2024），使ASMS能够快速到达目标位置执行PU泡沫打印任务。此外，通过协调操控器和USV的运动，可以打印出超出操控器单个工作空间范围的组件，从而实现大规模制造。

**现有研究的局限性**
然而，以往的研究主要集中在ASMS的动态建模（Li和Cai，2024a，2025a；Er等人，2023）和运动控制（Li和Cai，2025a，2025b；From等人，2011；Pan等人，2021）上，对使用ASMS进行PU泡沫打印的方法论缺乏深入探索。Er等人（2023）为安装在USV上的操控器建立了动态模型，并提出了运动控制算法，使操控器能够跟踪预定义的轨迹。虽然这项工作为ASMS运动控制奠定了基础，但研究的ASMS仅为六自由度（6-DOF）系统，无法反映打印过程中的各向异性运动。Li和Cai（2025a）提出了ASMS中操控器的自适应视觉伺服控制策略，有效提高了抓取成功率。然而，他们的研究重点是抓取而非打印，因此提出的策略不能直接应用于AM任务。显然，这些先前的工作都没有实现在水面上通过AM技术制造PU泡沫组件。此外，值得注意的是，操控器与USV之间的动态耦合会导致USV在操控器操作期间的配置变化（Li和Cai，2024a），这反过来又会改变操控器末端执行器的运动速度，对打印质量产生不利影响。先前的研究（Li和Cai，2024a，2024b）表明，操控器的质量和大小对USV的滚动运动以及ASMS的抗倾覆稳定性有显著影响。具体来说，操控器的质量越小，其质心离基部越近，操控器操作引起的USV配置变化就越小。不幸的是，传统ASMS中使用的操控器是串行结构，其驱动电机安装在每个关节上（如图1所示），导致操控器的质心与基部之间有相当大的距离。如果使用这种传统ASMS进行PU泡沫打印，可以预期操控器在打印过程中的运动会导致USV发生较大的滚动运动，从而影响ASMS的配置稳定性和PU泡沫的打印精度。因此，迫切需要改进ASMS，使其更适合PU泡沫的AM任务。

**结论**
现有的海洋AM研究主要限于船载和水下场景，忽略了在水面上的关键应用。虽然PU泡沫 AM技术在陆地和空中应用已经成熟，但尚未适应水面环境。此外，传统ASMS尽管具有作为水面操作平台的潜力，但在AM优化方面存在不足，并且结构缺陷影响了打印精度。为了解决与制造材料和设备相关的挑战，本研究设计了一种改进型ASMS，用于在水面上进行PU泡沫的AM，并通过研究打印参数对打印质量的影响来确定最佳打印参数。首先，考虑到在PU挤出过程中操控器的末端执行器只需向下指向，因此为ASMS开发了一种三自由度（3-DOF）操控器。与传统六臂操控器相比，所提出的操控器质量更小，工作半径更大，其质心位置更靠近基部。通过为改进型ASMS建立动态模型并进行仿真，验证了与传统ASMS相比，改进型ASMS在打印过程中表现出更高的配置稳定性，从而提高了打印精度。改进型ASMS配置稳定性提高的原因是，所提出的操控器与USV之间的动态耦合较小，且打印过程中操控器对USV施加的滚转和俯仰扭矩减小。此外，还为ASMS设计了专用的PU泡沫挤出设备和打印基底，实现了可控的泡沫挤出和沉积。其次，利用数字孪生驱动的硬件在环（HIL）仿真平台研究了打印参数（包括操控器的运动规划和控制策略）对打印质量的影响，通过选择适当的参数有效提高了打印质量。最后，使用ASMS的物理原型完成了两项PU泡沫打印任务。第一项任务是打印PU泡沫浮动平台。通过比较传统ASMS和改进型ASMS的打印结果，进一步验证了改进型ASMS具有更高的PU泡沫打印质量。第二项任务重点是在水面上快速建造道路，旨在探索基于ASMS的PU泡沫打印在海上救援任务中的潜在应用。

**主要工作和创新**
本研究的主要工作和创新可以总结如下：
(1) 为在水面上进行PU泡沫AM任务设计并开发了一种改进型ASMS。与传统的自动船舶移动系统（ASMS）相比，所提出的改进型ASMS通过减少操作臂与水下无人航行器（USV）之间的动态耦合，实现了更高的打印精度，从而解决了传统系统中由于配置不稳定导致的打印质量下降这一核心问题。(2) 对聚氨酯泡沫（PU foam）的打印参数与打印质量之间的关系进行了系统研究，通过优化关键打印参数，显著提高了ASMS的打印精度和质量。(3) 使用ASMS的物理原型在水面上完成了两项PU泡沫打印任务，进一步验证了该改进型ASMS在AM（增材制造）任务中的优越性能和潜力。本文的其余部分安排如下：第2章介绍了传统ASMS原型和PU泡沫挤出设备的物理结构，随后讨论了改进型ASMS原型的设计和开发过程。第3章建立了ASMS的动态模型，并通过仿真验证了其在PU泡沫打印任务中表现出更令人满意的动态特性。第4章利用数字孪生驱动的HIL（硬件在环）仿真平台研究了打印参数与打印质量之间的关系，并确定了最佳打印参数。第5章使用ASMS原型在水面上完成了两项PU泡沫打印任务，以验证其优越性能。第6章总结了本研究的工作内容，并讨论了未来研究的潜在方向。

**ASMS设计与原型制作**

在本节中，首先将简要介绍本研究中使用的PU泡沫的材料特性，然后介绍打印PU泡沫所需的设备，包括挤出设备、传统ASMS原型和改进型ASMS原型。

**ASMS的动态建模**

操作臂的运动会导致USV的配置变化，进而影响打印质量。通过建立ASMS的动态模型，可以预测打印过程中的系统配置变化。此外，ASMS的动态模型有助于优化操作臂的运动规划，从而提高打印质量。ASMS的动态建模方法已在（Li和Cai, 2024a）中提出，并通过实验进行了验证。

**PU泡沫的打印参数确定**

如前一节分析所示，操作臂的运动参数（如运动方向和速度）对USV的配置有显著影响，进而影响PU泡沫的打印质量。此外，打印路径的设计也是影响PU泡沫打印质量的关键因素。因此，本节将确定合适的打印参数，包括使用减压喷嘴、运动方向等。

**使用ASMS原型在水面上执行PU泡沫的AM任务**

在通过DT驱动的HIL仿真确定适当的打印参数后，将利用ASMS的物理原型在真实的水面环境中执行PU泡沫的AM任务。本研究重点关注两个典型任务：为无人机着陆打印浮动平台和在水面上打印道路。

**结论**

本研究开发了一种用于水面上PU泡沫AM任务的改进型ASMS。与传统的ASMS相比，改进型ASMS采用了质量更轻的操作臂，并且其质心位置更靠近USV，从而减少了操作臂与USV之间的动态耦合。设计了一种DT驱动的HIL仿真平台来分析打印参数对PU泡沫打印质量的影响，并确定了合适的打印参数。最后，使用ASMS原型在水面上完成了两项AM任务。

**作者贡献声明**

- 李涛：撰写原始草稿、可视化设计、验证工作、软件开发、资源管理、方法论研究、数据分析、概念化设计。
- 欧阳文龙：撰写与编辑工作、软件开发、方法论研究、数据管理、概念化设计。
- 王一河：撰写与编辑工作、资源管理、方法论研究、数据管理、概念化设计。
- 徐同庆：撰写与编辑工作、软件开发、方法论研究。
- 蔡毅：撰写与编辑工作、监督工作、资源管理、项目统筹、资金申报。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

**致谢**

本研究得到了广州-香港科技大学（GZ）联合资助计划（项目编号2024A03J0680）和广州市科技项目（项目编号2024A04J6464）的支持。