CN116118983A - 一种用于水下结构检修的机器人及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下结构检修的机器人，包括陆上控制系统、主舱室、前端、后端、机械臂组件和推进器；主舱室分别与前端、后端相连，前端、后端上均设置推进器，机械臂组件对称设置在主舱室的两侧；主舱室内设置平衡压载、电机、处理器，平衡压载用于维持机器人稳定，平衡压载的两端对称设置电机、处理器；前端、后端上均设置高清摄像头一，前端上还设置声呐、探照灯，高清摄像头一、声呐均用于图像识别。本发明还公开了该机器人的设计方法。本发明能够适用于海底悬崖，海底高温水域等环境极为恶劣的地方，活动范围不受限，转向灵活，能够适应复杂水域；能够实时通讯功能且实时上传至陆上控制台，方便操纵人员观察和下达相应的控制指令。

Description

一种用于水下结构检修的机器人及其设计方法
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体为一种用于水下结构检修的机器人及其设计方法。
背景技术
海洋平台结构物是在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，石油开发的重大基础性设施，具有非常重要的作用。但是因为海洋平台结构物所处的环境十分复杂，不但要承受海风、海浪、潮汐、地震等带来的多重风险，还要面临环境腐蚀、海生物附着、材料老化、构件缺陷、机械损伤等多种复杂情况，诸多不利因素累积起来，极有可能导致海洋平台结构抵抗力衰减。
现有的水下结构物检修大多是由专业潜水员完成，在实际操作中大都水况不明、环境复杂、压力、时间、温差等对潜水员的水下作业带来未知的生命安全威胁。
在部分地区和水域，普通潜水技术无法触及，加上不同的深度和地形，甚至有一些海底悬崖，海底高温水域等环境极为恶劣的地方，普通水下潜航器和潜水员几乎无法进入。这些特殊要求和环境，都让检测工作难度增大，也因此让专门用于检测的水下机器人应运而生，同时可以大大提高工作的效率。
申请号为2021105255859的中国专利公开了一种应用于桥墩检修的水下机器人及其检修方法，由于本身密封性等因素不能长时间用于水下作业，且活动范围单一，仅限于桥墩；需要人员观测桥墩周围水域情况，并作出判断；并且，机器人太过笨重，机器人的转向等方面不够灵活，不适应复杂水域。
总的来说，现有的水下机器人活动范围狭窄，转向不够灵活，无法适应复杂水域。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用于水下结构检修的机器人，本发明的另一目的是一种用于水下结构检修的机器人的设计方法。
技术方案：本发明所述的一种用于水下结构检修的机器人，包括陆上控制系统、主舱室、前端、后端、机械臂组件和推进器；主舱室分别与前端、后端相连，前端、后端上均设置推进器，机械臂组件对称设置在主舱室的两侧；主舱室内设置平衡压载、电机、处理器，平衡压载用于维持机器人稳定，平衡压载的两端对称设置电机、处理器；前端、后端上均设置高清摄像头一，前端上还设置声呐、探照灯，高清摄像头一、声呐均用于图像识别。通过电机提供能源，可使机器人进行水下作业，并且为使陆上的控制台的控制器有稳定的电源。高清摄像头、探照灯、声呐可在ROV前进方向遇到情况第一时间将情况通过画面的形式转递给陆上控制台，从而让操纵人员快速做出反应。
进一步地，陆上控制系统包括陆上控制台和脐带缆，陆上控制台通过脐带缆与主舱室相连，实现实时通讯功能且实时上传至陆上控制台，方便操纵人员观察和下达相应的控制指令。
进一步地，推进器通过电动铰链与固定支架相连，使得螺旋桨转向更加灵活，相应的水下机器人(ROV)在进行水下作业时会进行多自由度运动。ROV共有推进器8个，呈左右对称式分布，每侧的两组对角分别安装四个推进器，呈矩形平均分布在机器人外侧，这种布置形式使得ROV下水时减小横摇及具有较好的稳性。
进一步地，主舱室包括内舱和外舱，内舱的两侧设置减震器。减震器包括固定架、套筒和弹簧，固定架的一端与内舱相连，另一端与套筒相连，套筒内装有弹簧并与外舱表面固定。减震器使ROV的水下作业更加顺利。
进一步地，机械臂组件包括小臂活动关节、大臂活动关节、机械抓手、伸缩杆件、液压杆件、机械大臂、机械小臂、滑轮组件、高清摄像头二和固定杆；伸缩杆件的一端与固定架相连，另一端通过液压杆件、滑轮组件与机械大臂相连，机械大臂通过大臂活动关节驱动机械小臂，机械小臂通过小臂活动关节驱动机械抓手，高清摄像头二通过固定杆放置于机械抓手的内侧，可以清晰看清结构物内部构造，使得结构物检修工作更加方便、精准、快捷。减震器、机械臂组件的设置，会使ROV在水下更能维持平衡，对于水下多变环境拥有一定的适应性。
进一步地，前端、后端上均设置保护罩，保护这些高精度硬件，避免损失。探照灯用于照亮勘察对象、扩大观察视野。
进一步地，主舱室的长、宽、高之比为0.5～1:0.2～0.5:0.3～0.6。
上述用于水下结构检修的机器人的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，将快速性衡准因子建立为快速性的目标函数f1(X)；
步骤二，根据水下机器人水平面和垂直面运动的性能指标，得到操纵性系统的目标函数f2(X)；
步骤三，获得总目标函数
Figure BDA0004152416000000021
其中，ε1、ε2分别为水下机器人快速性、操纵性的权重，ε1、ε2的数值均大于0，且ε1·ε2＝1；
步骤四，根据约束条件，运用遗传算法和混沌算法进行计算，得到主舱室的参数，其长、宽、高之比为0.5～1:0.2～0.5:0.3～0.6。
进一步地，步骤四中，约束条件包括：机器人的总重量与排水量之和相等，推进器螺旋桨有效推力等于机器人航行的阻力，电机供给推进器螺旋桨的转矩等于推进器螺旋桨所承受的水动力矩，纵倾角不得超过10°，正浮初稳性高要大于0.3米。
工作原理：机械大臂、机械小臂通过声呐识别目标，传到处理器，处理器进一步传输信息到机械臂组件，使得外舱室打开以便收缩于外舱的机械臂向外部展开和进行水下作业，而且由于机械抓手前端配有高清摄像头二，可以清晰看清结构物内部构造。
使用方法：当进入工作状态时，处理器智能识别检修物体形状及维修部位，确认之后通过驱动反馈信号传到电机，电机通过反馈信号传入机械臂组件的同时，外舱门立即打开，通过伸缩杆件将机械臂伸出外部，此时机械大臂带动机械小臂，且它们之间可以串联动作，将机械抓手送至需检修物体处，此时机械抓手开始抓取工作，并且小臂活动关节内侧置有高清摄像头，方便操纵人员下达指令。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、能够适用于海底悬崖，海底高温水域等环境极为恶劣的地方，活动范围不受限，转向灵活，能够适应复杂水域；
2、能够实时通讯功能且实时上传至陆上控制台，方便操纵人员观察和下达相应的控制指令；
3、机械抓手前端配有高清摄像头二，可以清晰看清结构物内部构造，使得结构物检修工作更加方便、精准、快捷；
4、水下机器人前端的两侧布置两枚水下照明灯，以照亮勘察对象、扩大观察视野，高清摄像头、探照灯、声呐可在ROV前进方向遇到情况第一时间将情况通过画面的形式转递给陆上控制台，从而让操纵人员快速做出反应；
5、设置保护罩，能够保护高清摄像头等不受损坏；
6、推进器螺旋桨与固定架之间通过电动铰链进行连接，这样布置使得螺旋桨转向更加灵活，相应的ROV在进行水下作业时会进行多自由度运动。
附图说明
图1是本发明第一种使用状态的结构示意图；
图2是本发明第二种使用状态的结构示意图；
图3是本发明前端3的结构示意图；
图4是本发明后端4的结构示意图；
图5是本发明机械臂组件5的结构示意图；
图6是本发明的A-A面剖视图；
图7是本发明的B-B面剖视图。
具体实施方式
以下各实施例中，螺旋桨均为推进器6的螺旋桨。
如图1～2，用于水下结构检修的机器人包括陆上控制系统1、主舱室2、前端3、后端4、机械臂组件5和推进器6。推进器6通过2×2×2的立体式结构分布，两两对角，平均分布在机器人主舱室2的外侧。主舱室2分别与前端3、后端4相连，前端3、后端4上均设置推进器6，机械臂组件5对称设置在主舱室2的两侧。主舱室2的长、宽、高之比为0.5～1:0.2～0.5:0.3～0.6。
如图3～4，陆上控制系统1包括陆上控制台101和脐带缆102，机器人与陆上控制台101通过脐带缆102实现实时通讯功能且实时上传至陆上控制台101，方便操纵人员观察和下达相应的控制指令。前端3上有保护罩16、高清摄像头一10、探照灯12、声呐11。高清摄像头一10、探照灯12在前端3横轴中心线上水平布置，其中探照灯12在高清摄像头一10两侧布置。机器人前端3的保护罩16可保护这些高精度硬件，避免损失，同时摄像机安装在机器人前端3的保护罩16内的可以水平、垂直180°转动的云台上，高清摄像头一10成像的图像虽然清晰，但由于光在水中的穿透能力有限，可识别的距离较近，故ROV更侧重于研究声呐11图像识别目标技术。因水下环境黑暗，同时在水下机器人前端3的两侧布置两枚水下探照灯12，以照亮勘察对象、扩大观察视野。高清摄像头一10、探照灯12、声呐11可在ROV前进方向遇到情况第一时间将情况通过画面的形式转递给陆上控制台101，从而让操纵人员快速做出反应。后端4上有保护罩16、高清摄像头一10。高清摄像头一10在后端4横轴中心线上水平布置。
如图5，机械臂组件5包括小臂活动关节501、大臂活动关节502、机械抓手503、伸缩杆件504、液压杆件505、机械大臂506、机械小臂507、高清摄像头二509、固定杆510。伸缩杆件504一端连接固定座1501，另一端与液压杆505链接并于机械大臂506相连接，机械大臂506通过大臂活动关节502驱动机械小臂507，机械小臂507通过小臂活动关节501驱动机械抓手503，高清摄像头二509通过L型固定杆510放置于机械抓手503内侧。机械大臂506、机械小臂507可通过声呐11识别目标，传到处理器9，处理器进一步传输信息到机械臂组件5，使得外舱室202打开以，收缩于外舱202的机机械大臂506、机械小臂507向外部展开和进行水下作业，而且由于机械抓手503前端配有高清摄像头二509，可以清晰看清结构物内部构造，使得结构物检修工作更加方便、精准、快捷。
如图6～7，主舱室2包括内舱201和外舱202，内舱202的四周呈立体式布置有连接杆17，用于固定内舱结构，可以更好地维持ROV进行水下作业时内舱内部各部件的稳定性，在机器人工作期间避免脱落。推进器6与固定支架14之间通过电动铰链13进行连接。这种布置形式使得ROV下水时减小横摇及具有较好的稳性，螺旋桨转向更加灵活，相应的ROV在进行水下作业时会进行多自由度运动。内舱201内设置平衡压载7、电机8、处理器9，平衡压载7用于维持机器人稳定，平衡压载内置有压载水，平衡压载7的两端对称设置电机8、处理器9。处理器9、平衡压载7沿ROV横轴线的平衡压载7上方布置。通过电机8提供能源，可使ROV进行水下作业，并且为使陆上控制台101内部控制器有稳定的电源，陆上控制台101内备有电机，电机输出的电压通过稳压模块输出的电压可以为控制板、显示屏等供电，与此同时为保证陆上控制台101与ROV水下本体间的数据通信，电机8还能额外给机械臂组件5，进行供能，使其正常高效运作，另一方面也会给声呐11、高清摄像头一10、探照灯12等辅助ROV精确定位设备提供动力，处理器9可与陆上控制系统通过脐带缆102实现实时通讯功能。
外舱202上有减震器15和机械臂组件5。减震器15和机械臂组件5分别对称布置在机器人主舱室2的两侧。合理的布置方式会使ROV在水下更能维持平衡，对于水下多变环境拥有一定的适应性。减震器15包括固定架1501、套筒1502和弹簧1503。固定架1501分别镶嵌在内舱201两侧，套筒1502内装有弹簧1503，另布置弹簧1503一端与套筒1502相连，另一端呈空间分布，与外舱202壁面固定。当遇到复杂流况时，套筒1502内的弹簧1503(减震器15)的安装会使ROV的水下作业更加顺利。
由于ROV(水下机器人)在工作时受到不同水流的影响，具有复杂的水动力性能，为了使得目标系统的整体得到最优解，采用综合目标函数形式进行综合优化设计是必不可少的，从ROV的快速性、操纵性和功能系统三个方面性能作为构建单一目标函数的基础，并构建合适的约束条件，选取设计变量建立综合优化数学模型。
(1)快速性目标函数建立
通常来讲判断无人艇快速性的优劣，既要考虑无人艇航行过程中的阻力性能的优劣，也要考虑其推进效率的优劣，而海军系数则包含了这两项内容。因此本文参考海军系数，将快速性衡准因子建立为快速性的目标函数如下：
Figure BDA0004152416000000061
式中：pS—主机功率；Rt——总阻力；V—航速；Δ—排水量；ηH—船身效率；η0—螺旋桨效率；ηs—轴系效率；ηR—相对旋转效率。
①阻力部分
由于还没有精确的公式来计算水下无人艇的阻力，在方案设计阶段只是按试验或经验公式对阻力进行估算。对于本方案的ROV航行深度远远超过了一个艇长，则可以忽略兴波阻力的影响，则总阻力为式中：
Figure BDA0004152416000000062
式中：Rt—总阻力；Rf—摩擦阻力；Rρv—粘压阻力；ρ—海水密度；Cf—摩擦阻力系数；Cf—粗糙度补贴系数；Cρv—粘压阻力系数；S—湿表面积；Vs—设计航速。
②推进部分
按照快速性目标函数，可知其中涉及到三种效率：艇身效率ηH、相对旋转效率ηR和轴系传送效率ηs。其中艇身效率ηH采用泰勒符号的表达公式为：
Figure BDA0004152416000000063
式中：PE—ROV有效功率；PT—螺旋桨推力功率；t—螺旋桨的推力减额分数；ω—螺旋桨的伴流分数。
因此选取快速性衡准因子作为快速性的目标函数如下：
Figure BDA0004152416000000064
(2)操纵性目标函数建立
船舶的操纵性能主要是指船舶在行驶过程中保持或改变运动状态的一种性能。其中水下机器人的操纵性可分为四个方面，航向稳定性、回转性、转艏性、停泊性等。然而这四个方面里面，属航向稳定性和回转性最为重要。
设计变量可选取以下因素：长度L、最大宽度B、最大高度H、垂推中心距首部距离S、航速V、云台转角θ、侧方螺旋桨距中纵剖面距离d1、侧方螺旋桨距中横剖面距离d2，设计变量如下式：
X＝{L，B，H，S，V，V，θ，d1，d2}               (5)
①垂直面运动性能指标
垂直面直线稳定性衡准数指标(Cv)
Figure BDA0004152416000000071
Figure BDA0004152416000000072
式中：m′——质量的无因次值；m——水下机器人的总质量；L——水下机器人的总长度；
Figure BDA0004152416000000073
——水下机器人的排水体积；M′q——纵倾力矩对纵摇角的导数；Z′q——垂向力矩对纵摇角导数。
升速率指标(Rra)
Figure BDA0004152416000000074
②水平面运动性能指标
水平面直线稳定性衡准数指标(CH)
Figure BDA0004152416000000075
式中：N′r——偏航力矩对垂荡角速度的导数；Y′r——横漂力对垂荡角速度的导数；Y′r——横漂力对横荡速度的导数。
水平定常回转运动指数(K′)
Figure BDA0004152416000000076
式中：Y′δv——横漂力对垂直航向角的导数；N′δv——偏航力矩对垂直航向角的导数。
根据上述水下机器人水平面和垂直面运动的性能指标，得到操纵性系统的优化目标函数为：
Figure BDA0004152416000000081
式中βi——对应操纵性能指标的权重系数，0＜βi＜1，
Figure BDA0004152416000000082
采用层次分析法来确定各操纵性能指标的权重，其权重如下表1所示。
表1操纵性性能指标权重
Figure BDA0004152416000000083
因此水下机器人操纵性系统的优化目标函数：
f2(x)＝0.2665η1+0.3025η2+0.1995η3+0.2315η4            (12)
(3)总目标函数
本文同时考虑了水下机器人的快速性、操纵性，并将其作为子目标函数的形式表示。为了有效避开加权和形式总目标函数依赖的难以归一的问题，从而得到水下机器人的总目标函数为最优解，需将水下机器人的快速性、操纵性两个子系统建立的目标函数子目标函数汇总为一个总目标函数。因此本文采用了幂指数乘积的形式，构造是总目标函数如下式：
Figure BDA0004152416000000084
式中ε1、ε2的数值均大于0，且ε1·ε2＝1，ε1、ε2分别为水下机器人快速性、操纵性的权重，且快速性和操纵性的子目标函数数值都是越大越好。
(4)等式约束条件
水下机器人的约束条件需同时满足流体性能以及功能性的各个约束条件，包括等式约束和不等式约束。
①浮性约束
ROV优化计算后得到的总重量与设计的主艇体的排水量之和一致：
Δ＝Δ1+Δ2                          (14)
②推力与阻力平衡约束
螺旋桨有效推力等于艇体航行的阻力：
Rt＝NKTρN2D(1-t)                     (15)
③转矩平衡约束
主机供给螺旋桨的转矩等于螺旋桨所承受的水动力矩：
Figure BDA0004152416000000091
(5)不等式约束条件
①在指定深度直航时平衡纵倾角约束：能够使ROV能够在指定水深稳定地进行直航运动，且纵倾角不得超过10°。
②螺旋桨要满足空泡要求：
Figure BDA0004152416000000092
③按照船舶的稳性规范，正浮初稳性高要大于0.3米：
Figure BDA0004152416000000093
建立了水下机器人的快速性和操纵性数学模型，通过等式及不等式约束，构建了惩罚函数和适应度函数。分别选取了3个长、宽、高、垂推中心距离首部的距离以及航速，组成243组算例，利用STAR CCM++对水下机器人进行仿真计算，并通过插值法将数据拓展至1575组，构建其阻力库，分别运用遗传算法和混沌算法进行优化计算，最终得出了该水下机器人综合性能最佳的艇型参数。主舱室2的设计主参数(长0.5-1m、宽0.2-0.5m、高0.3-0.6m、设计航速2-4km、设计排水15-20kg)。
当计算耐压壳体时，应确保壳体强度及形状的稳定性。水下无人艇的耐压壳体，其厚度与曲率半径之比很小，可视为薄壳理论来计算强度，以保证壳体中的应力小于规定的许用应力。但水下无人艇的耐压壳体受海水压力的外压作用，属外压容器，它往往不是因强度不足被破坏，而是当外压增大到一定值时，壳体的变形从量变转为质变，其变形的对称性将被破坏，外压力与变形之间的线性关系也不复存在，在外压力作用下失去原来的形状，即被压扁或褶皱。此时，壁内将由受单纯的压应力变为主要是受弯曲应力，壳体丧失其稳定性，从而造成耐压壳体的破坏。因此，在计算受外压的水下无人艇主舱室2(耐压壳)时，可不必用薄壳理论的复杂计算公式去计算强度，而只进行保证壳体稳定性的计算就能满足实用要求。主舱室2长度为380mm，属于短圆筒，因此不能忽略边界条件对临界压力的影响。短圆筒失稳的波形数n＞2，可采用Laime简化公式计算其临界压力。
Figure BDA0004152416000000101
式中：PK--临界压力；D--圆筒平均直径；S--壁厚；E--材料弹性模量；
对于无人艇功能方面，在确定水下各阻力系数和水下无人艇湿表面积后，即可求得艇体的有效功率为：
Pe＝Rt·VS
则主机功率为：
Figure BDA0004152416000000102
式中：Rt——总阻力；Vs——设计航速；η--效率系数。

Claims (10)

1.一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：包括陆上控制系统(1)、主舱室(2)、前端(3)、后端(4)、机械臂组件(5)和推进器(6)；所述主舱室(2)分别与前端(3)、后端(4)相连，所述前端(3)、后端(4)上均设置推进器(6)，所述机械臂组件(5)对称设置在主舱室(2)的两侧；所述主舱室(2)内设置平衡压载(7)、电机(8)、处理器(9)，所述平衡压载(7)用于维持机器人稳定，所述平衡压载(7)的两端对称设置电机(8)、处理器(9)；所述前端(2)、后端(3)上均设置高清摄像头一(10)，所述前端(3)上还设置声呐(11)、探照灯(12)，所述高清摄像头一(10)、声呐(11)均用于图像识别。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述陆上控制系统(1)包括陆上控制台(101)和脐带缆(102)，所述陆上控制台(101)通过脐带缆(102)与主舱室(2)相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述推进器(6)通过电动铰链(13)与固定支架(14)相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述主舱室(2)包括内舱(201)和外舱(202)，所述内舱(201)的两侧设置减震器(15)。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述减震器(15)包括固定架(1501)、套筒(1502)和弹簧(1503)，所述固定架(1501)的一端与内舱(201)相连，另一端与套筒(1502)相连，所述套筒(1502)内装有弹簧(1503)并与外舱(202)表面固定。
6.根据权利要求5所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述机械臂组件(5)包括小臂活动关节(501)、大臂活动关节(502)、机械抓手(503)、伸缩杆件(504)、液压杆件(505)、机械大臂(506)、机械小臂(507)、滑轮组件(508)、高清摄像头二(509)和固定杆(510)；所述伸缩杆件(504)的一端与固定架(1501)相连，另一端通过液压杆件(505)、滑轮组件(508)与机械大臂(506)相连，所述机械大臂(506)通过大臂活动关节(502)驱动机械小臂(507)，所述机械小臂(507)通过小臂活动关节(501)驱动机械抓手(503)，所述高清摄像头二(509)通过固定杆(510)放置于机械抓手(503)的内侧。
7.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述前端(3)、后端(4)上均设置保护罩(16)。
8.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人，其特征在于：所述主舱室(2)的长、宽、高之比为0.5～1:0.2～0.5:0.3～0.6。
9.根据权利要求1～8任一所述的一种用于水下结构检修的机器人的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将快速性衡准因子建立为快速性的目标函数f1(X)；
步骤二，根据水下机器人水平面和垂直面运动的性能指标，得到操纵性系统的目标函数f2(X)；
步骤三，获得总目标函数
Figure FDA0004152415990000021
其中，ε1、ε2分别为水下机器人快速性、操纵性的权重，ε1、ε2的数值均大于0，且ε1·ε2＝1；
步骤四，根据约束条件，运用遗传算法和混沌算法进行计算，得到主舱室(2)的参数，其长、宽、高之比为0.5～1:0.2～0.5:0.3～0.6。
10.根据权利要求1所述的一种用于水下结构检修的机器人的设计方法，其特征在于：所述步骤四中，约束条件包括：机器人的总重量与排水量之和相等，推进器(6)螺旋桨有效推力等于机器人航行的阻力，电机(8)供给推进器(6)螺旋桨的转矩等于推进器(6)螺旋桨所承受的水动力矩，纵倾角不得超过10°，正浮初稳性高要大于0.3米。
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