海洋钢桩水下检测机器人：创新设计化解传统检测难题_刘政鑫.pdf

Robot industry Forum智能论坛在传统水下钢桩检测作业中，绝大部分工作需要由人工完成，受水流等外部因素影响，检测结果与真实值之间容易出现偏差。水下机器人作为一种工作于水下环境的智能设备，环境适应性强，且潜水深度远超人类，因此在海洋开发的过程中，逐渐成为必不可少的重要工具。近年来，基于水下机器人的优良性能开展海上平台钢桩检测作业，成为众多科研机构和企业关注的焦点。海洋钢桩水下检测机器人：创新设计化解传统检测难题在强紫外线、海风、干湿交替等环境因素的共同作用下，海上平台的钢结构腐蚀速度远超常规环境。钢结构的腐蚀会严重降低海上设备的结构强度，造成危险隐患。因此，及时检测并维护海洋设备，成为一项重要工作。哈尔滨工程大学水下机器人技术国家级重点实验室王刚教授团队，成功研制出海洋钢桩水下检测机器人，为保障海上作业安全提供了重要支撑。文/刘政鑫46 机器人产业|ROBOT INDUSTRYDOI:10.19609/10-1324/tp.2023.01.001 2023 年第 1 期 47海洋钢桩水下检测机器人：创新设计化解传统检测难题水下机器人实现复杂需求 在传统的海洋钢桩检测过程中，由于检测方法以及环境因素等，使得检测的难度非常大。航洋导管架和风电塔状等海洋平台多采用钢结构，钢管对接、相贯焊缝质量直接关系到结构安全。海洋暴露在海洋大气中的金属表面有细小盐粒子的沉降。海盐粒子吸收空气中的水分后很容易在金属表面形成液膜，引起腐蚀。在季节或昼夜变化气温达到露点时尤为明显。金属在潮湿海洋大气中的腐蚀与电解质溶液人浸的腐蚀几乎不存在区别。同时，尘埃、微生物在金属表面的沉积，也会增加环境的腐蚀性。所以，海洋大气对金属结构的腐蚀比内陆大气要严重得多。平台在长期受到风、海浪、海流等交变载荷及海水腐蚀等因素的作用下，其钢结构会产生破坏性裂纹，从而降低海洋平台水下结构的材料强度，而如何避免因构件断裂出现的海洋平台运营风险，并且在周期性焊缝检测中可以及时准确地发现潜在的安全隐患，就成了海洋钢桩水下检测机器人的核心需求。针对这些需求，哈尔滨工程大学水下机器人技术国家级重点实验室王刚教授团队进行了多种创新设计，以针对传统检测方式所存在的弊端。传统超声波探伤方式主要存在五方面问题，包括检测对象表明受流场影响、检测人员工作流程复杂、钢桩管径尺寸多样、TKY 型空间结构焊缝检测困难等。王刚教授团队针对传统检测问题，提出实现了以水下机器人为平台的机构设计。为了让机器人作业过程中的运动更稳定，团队根据在不同流速、位置、角度、运动速度下的流场扰动与吸附力之间对应关系，设计了非接触式变磁力吸附装置，使其跟据扰流情况，能够灵活调节吸附力，从而有效地解决了检测过程中机器人的运动不稳的问题；研究开发了人在环中的半刘政鑫 本刊编辑Robot industry Forum智能论坛48 机器人产业|ROBOT INDUSTRY自主检测技术，机器人自主跟踪焊缝，辅助人员操作；设计可重构三段铰接形状，通过改变铰接处两段间的角度，满足了机器人兼容 0.5m 8m 的不同管径检测任务；设计基于空间凸轮机构的高度差补偿设计方案，弥补 90%的高度偏差，解决因检测对象结构尺寸差异形成的超声探头与接触面间接触力大小变化的问题，保证了检测结果的一致性；设计“3+2”机械手构型，完成跟踪、拟合焊缝曲线，保证探头垂直焊缝，保证探头与被检测面贴合，以解决超声探头无法匀速稳定运动及持续垂直被检焊缝的国际难题。海洋新装备突破极限作业水下机器人具备操作简单、实用性强等特点，通过远程端操作，即可实时进行指令动作的执行，其机动性强、可操作性好、人员伤亡风险为零等特点，使得水下机器人可以完成人工操作无法完成的极限作业。传统水下作业过程中，人工操作不仅复杂且人员安全无法得到保障，并且伴随海洋资源的开发程度不断提高，其相关产业的发展也在不断提速，发展提速带来的庞大需求也使得人工操作因其低效能而逐渐转变为由机器人进行工作，因此水下机器人的需求也在不断上涨。水下机器人因其工作特性以及可拓展性强等因素，因此其发展潜力十分巨大，可以应用于渔业养殖、船体检修、观光潜水、海矿探测、海洋监测、生物研究、水下导航、水下救援、管道检测等诸多领域。并且伴随其技术升级以及产业应用的成熟化、产品化，不仅能够大幅降低人工作业风险，提高作业效率，同时还能降低成本。对于海洋产业而言，水下机器人带来的是降本增效的美好未来，并且在多种高新技术的融合发展推动下，水下机器人的综合性能、性价比、生产效率等都在持续提升的过程中。因此，未来的水下机器人不仅能够高质量地完成既定工作任务，同时也能不断促进产业的智能化、无人化、规模化发展。在线阅读（节选）