水下不伤害原有设备的检测机器人结构设计docx

  本科毕业设计 题目名称：水下不伤害原有设备的检测机器人结构设计 题目类型： 机械系统模块设计类 学生姓名： 专 业： 机械工程 学 院： 机械工程学院 年 级： 指导教师： 2022 年 03 月 10 日 一、选题背景、研究意义及文献概要 1.1选题背景 从20世纪后半期开始,世界人口和经济迅速膨胀,人们对能源的需求量也飞速增加。随着开采大陆架海域的石油与天然气,以及海详资源开发和空间利用规模逐步扩大,水下资源勘探与开发项目也随之快速地发展。由于水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限,而水下机器人能够代替人在深水进行观察、摄像、信息采集、打拱和施工作业,因此在海洋资源开发中得到普遍的应用。目前,水下机器人应用范畴主要归结于水下勘探、能源产业、安全搜救、水下考古、人工养殖等方面。水下机器人在军事的应用也受到各国的重视,该技术已成为衡量各国科研实力的标准之一。与此同时,水下机器人技术在民用方面己经得到普遍的应用,其中在渔业和水产养殖业使用较广。 目前 , 世界海上石油天然气钻井与生产平台及与其配套的海洋钢结构已有近万座 , 其作业水深也日益由近海向深海挺进。这些海上工程结构主要是采用焊接方式连接 , 在海洋的恶劣工况下 ( 如波浪、风暴潮与海流等疲劳负荷的影响、船舶碰撞、直升机起落与海啸的冲击) ,接头焊缝处最容易造成疲劳破坏、脆性断裂、应力腐蚀开裂等现象。特别是海洋工程结构在安装与维修时需进行大量水下焊接 ( 湿法、局部干法、干法) ,其性能更难保证。利用水下无损害地进行检测技术 (UWNDT) 直接对水下焊接结构 ( 主要是水下焊缝 ) 进行质量检查 , 可发现结构表面或内部存在的各种缺陷或隐患 , 提供分析隐患和清除缺陷的依据 , 从而确保水下焊接结构的可靠性和使用安全性。但是，高压环境可能会导致呼吸速率增加和呼吸肌疲劳。水下视力会受到水和空气折射率差的负面影响。对于专业潜水员，建议最大潜水深度100m 。石油工业、海洋勘探、军事和核电设备都有水下进行仔细的检测的项目。环境保护职能机构容 许潜水深度不超过39.6m 。在潜水业中，高死亡率多与压差（ΔP）有关。 1.2研究意义 水下超声波检验测试 ( UWU T) 不同于陆上的 NDT , 它有更多的特别的条件,水下检验人员除掌握各种水下检验技术外 , 还必须熟练掌握相应的潜水技术及应变能力。水下检验测试过程中会出现各种陆地上所未遇到的问题 , 其中有直接影响的主要有以下问题 。 水对光的吸收、反射和折射比空气中强得多。因此, 光在水中传播时减弱得很快。在海底淤泥和夹带泥沙的海域中进行仔细的检测时, 水中能见度就更差了。为了改善能见度 , 一定要采用多灯具照明或其他水下人员配合照明等方法。随着水深增加 , 光照降低 , 视野减少 , 人体受压增加 , 潜水员可能会感到寒冷且出现昏晕。因此水深限制了上班时间 , 水温限制了工作的季节。波浪、潮汐及涌浪将导致潜水员及潜水设备的不稳定 , 影响水下检测工作的实施和检验测试质量。如果波浪过大将无法对飞溅区进行仔细的检测 , 浪涌则使录像画面晃动 , 并会破坏磁痕。水下清理是焊接结构 UWNDT 的重要准备工作。特别对于水下服役时间长的焊接结构 , 有几率存在繁密的海生物和海底沉积物等覆盖物 , 其清理可能非常难 , 必然增加潜水员上班时间。潜水装置及设备不仅限制了 UWNDT 人员的活动 , 同时还增加了水下安装和定位等工作量 , 缩短了水下实际在做的工作时间 , 降低了 UWNDT 人员的工作效率。另外 , 重要的设备还必须有较高的水密性和耐水压性 , 如果防水失败 , 则必定影响检测的灵敏度和精度 , 甚至失效。对于采用 ROV 的 UWNDT 来说 , 水下焊缝的找寻与跟踪问题由于机器人在认知识别和灵活性等方面与人还有一定差距 , 因此 , 焊缝的准确检测较困难。 水下机器人在越来越多的领域中得到广泛的应用。渔业养殖，协助渔民对水下环境及鱼群监测如图 1.1 所示；海底取样，海上资源的勘探需要水下机器人下潜到指定区域取样如图 1.2 所示；海上搜救，海洋面积广阔，无法实现地毯式的搜索，需要水下机器人完成海上搜救如图 1.3 所示；海底地形地貌绘制，较深海域需要下潜搭载声呐绘制海底地貌特征如图 1.4，水下机器人还被用于海洋工程、港口建设、海事执法取证、科学考察、海洋牧场、沉船打捞、电站水坝检查、水下管道维护与保养等方面。 图 1.1 渔业养殖 图 1.2 海底取样 图 1.3 海上搜救 图 1.4 海底探测 水下机器人未来可作为无人武器协助作战，以水面舰船或者潜艇基地，在水下完成水下监视，为防止从水下渗透，所以下潜水下机器人需要昼夜进行海上监视及巡逻如图1.5；若是进入陌生海域，水下机器人搭载高清摄像头，侧扫声呐等需要对水下环境、水文信息进行收集如图 1.6。除了以上用途，还广泛被用于海上防务、水雷对抗、目标识别、反潜目标打击、情报收集、数据通信等方面。 图 1.5 水下监视 图 1.6 目标探测及环境数据收集 目前，我国海洋设备及开架式 ROV 水下机器人有了巨大发展，但海底资源勘探和开发核心技术被少数国家垄断，海洋资源的开发关乎国家生存与发展，是未来大国竞争的核心，拥有海洋资源先进的技术，就有使用和开发海洋资源能力，是提高综合国力的技术支撑。ROV 作为一种带缆的潜水器，可通过脐带缆传输控制信号及所需动力，动力强劲，可以支撑搭载复杂的设备及动力需求；其操作、运行、控制需要地面站通过人机交互进行。强大的载体以及稳定可靠的运动控制是完成水下作业的前提和保证。被控对象具有非线性，处于不同的深度，不同速度，模型也会发生变化；工作环境位置有时变性，水中的海流、浪具有不确定，外界干扰力大。因此，水下机器人搭载作业设备，运动控制对完成水下作业任务的有着深远现实的意义。 1.3文献综述 1.3.1 国外水下检测机器人的发展现状 佛罗里达理工学院因为靠近大西洋，在海洋工程方面有很大的优势，研发了多款水下考古机器人。Wood 等开发了水下履带式考古机器人 ROSCo(图1-1 (a))。ROSCo 是一款高性能远程操作水下履带式机器人，能够承担多种水下考古挖掘项目,具备回收海底垃圾和贵重物品的功能；能在深达 90m 的沿海水域中运行并适应不同的水下地形，可以搭载各种传感器。ROSCo 的迭代产品 ROSCoV(如1-1(b))配备机器人抓手且具有 200 磅的提升力，可以通过在水面上人工调整浮力块来改变水下浮力大小。Wood 等还研制了海底回收履带车的三代改型 RG-III(图1-1(c))。RG-III 具有浮力升降系统，通过浮力控制系统可以实时调节气囊大小，从而调整机器人水下浮力进行浮沉。RG-III 既可以采用履带式底盘在海底爬行，又可以通过调节气囊大小及安装的四个推进器来在水下“飞行”，从而越过沉船、飞跃珊瑚礁等敏感区域。 （b） (c) 图 1-1 遥控水下爬行器 日本 JAMSTEC 的 Tomoya 等研发了水下小型履带式机器人 ABISMO 如图1-2（a），多次在马里亚纳海沟进行取样作业。Inoue 等研发小型四摆臂履带式水下爬行机器人如图 1-2（b），通过摆臂可以调整机器人的行走姿态，提高了在软沉积物、斜坡和起伏等复杂地形的运动能力；在平坦地形上可以将履带臂收起来，提高了空间利用率。在浅海中进行实物实验，验证了该四摆臂履带式水下爬行机器人可以在水下不规则的地形中爬行运动。Inoue 等人还使用履带式底盘，采用垂直推进器来模拟改变自身浮心位置，提高海底行走的稳定性并进行了实验验证,实验使用的机器人如图 1-2（c）。 （b） （c） 图 1-2 日本 JAMSTEC 水下履带机器人 日本日立研究所的 Mori 等设计了具备浮游、底板爬行和爬侧壁三种功能的 水下机器人如图 1-3（a）。机器人具备履带底盘，四个垂直推进器和两个水平 推进器，机器人可以在底板爬行，使用浮游功能飞跃障碍物，通过游动和紧贴壁 面爬行提供进入狭窄空间的能力。 (b) （c） （d） 图 1-3 水下检测机器人 巴西南圣保罗联邦大学的 Ferreira 等设计了浮游-爬行式水下机器人如图 1-3（b），进行浮式液化天然气生产储卸装置的检测，机器人使用超声波传感器来检测结构中的裂缝及位置。除了浮游运动，机器人使用垂直推进器施加垂直于 被检测装置的力使机器人紧贴装置表面爬行运动。澳大利亚的 ROV Innovations公司设计了浮游-爬行式的混合动力水下机器人，如图 1-3（c），机器人空气中质量为 135kg，采用聚丙烯框架和不锈钢为主材，在履带式模式下能产生 1000N 的推力，速度能达到 3 即 1.5m/s，而在浮游模式下具备 460N 的推力，速度能达到1m/s。澳大利亚 Nexis 公司研制了一款水下履带式磁性机器人MicroMag 如图1-3（d）。MicroMag 具备强大的磁性底盘，可以在垂直或者水平倒置的黑色金属表面爬行作业，工作水深可达水下 30 米，速度为每分钟 10m，有效载荷达 4.54kg。这类水下机器人不具备清淤功能，在浑浊水域或者底板存在淤积的情况下不能对底板进行图像数据采集。 澳大利亚的 Nautilus 公司致力于研制适用于海洋勘探的水下机器人，采用履带式结构使其能够稳定的在海底作业，携带的工具套装可以切割、收集海底矿石。荷兰的 Seatools 公司提供海底技术服务，为各种海底作业提供解决方案，图1-4（a）、（b）是该公司的水下清洁履带式机器人，代替潜水员在发电机厂冷却水进水口处进行清洁附着的水生植物。采用液压-电动两种驱动方式，功率可达 140kw，可以进入2.5m×2.5m 的尺寸的通道。荷兰公司制造的SBD2如图 1-4（c）是一款远程操作的海底挖泥船，可以用于 150m 的深水疏浚，履带底盘上装有吸水管和水射流的机械手，机械手有两个自由度可以上下前后动，可用于水底碎片清除。 （b） （c） 图 1-4 水下疏浚履带式机器人 1.3.2 国内水下检测机器人的发展现状 上海海洋大学工程学院的孙洪鸣等提出了一种全海深水下着陆机器车来进 行海底大面积考察和定点精细作业如图1-5（a）。采用 CFD 方法进行浮潜运动时的水动力计算，建立起浮潜运动的数学模型，研究运动性能并且优化浮潜时间提高浮潜效率。国网葫芦岛供电公司的Hu等提出了一种用于海底电缆维修的两栖机器人如图 1-5（b），它可以在浮游和爬行两种工作模式下作业，通过浮游功能进行水下电缆的搜寻检测；采用履带式底盘进行水下爬行，并搭载操作工具如机械手和剪板机来打捞和切割电缆，采用高压水射流挖沟来实现海底电缆的埋设。江苏科技大学的常路等提出了一种水下检测与清污机器人的设计方案，采用模块化设计思想，机器人可以在浮游和爬行状态切换从而适应浮游检测和爬壁清污的工作。 图 1-5 双模式机器人三维图 中科院光电所研发了用于核环境水下作业的打捞机器人如图 1-6 所示。作为一款应用于核电站环境的特种机器人，它使用轮式底盘进行底板爬行，通过机械臂可以抓取 1kg 以下的水下异物，采用水下吸泵吸取小体积垃圾，机器人可以在γ 辐射剂量率小于 103rad/h 和深度 22m 的水下环境中作业。 图 1-6 水下打捞机器人 山东未来机器人有限公司生产的水下清淤机器人如图 1-7，主要用于大坝、 循环水池、城市管道、大型管道等的清淤。水下吸泥过滤采矿机器人采用液压驱 动，运行速度为 5～26m/min，具备两自由度机械臂并配备两台大功率水下吸泥 泵，装有 700 线专业浑水摄像机，可全方位观测水下情况，适用于水下采矿，水下清淤、水下勘探等场景。 图 1-7 水下清淤机器人 武汉力薄物探公司也生产了一款水下履带式机器人如图1-8 所示。机器人采用履带式的结构，可以在水下底板爬行，搭载 200 万像素的水下摄像头，通 过水下高压冲沙设备冲开池底泥沙和青苔，使用摄像头观测水下表面。此类机器 人具备清淤检测的能力，但是自身体积大质量高，布放回收困难，作业难度高。 图 1-8 水下检测机器人 1.3.3水下无损检测技术 水下无损检测技术是无损检测技术的一个重要分支，是无损检测技术在海洋工程、船舶工程等特殊领域的应用。随着现代近海工程的发展，海洋平台、海底管线等海上结构物的大量建造的需要，水下无损检测技术已突显出它不可替代的重要性，而随着水下无损技术水平的提高，该技术的经济性也越发显著。 目前，水下无损检测在海洋工程领域已得到广泛的应用，并取得较好的成果。在船舶领域，由于船体水下部分结构的复杂性以及维修体制的限制，水下无损检测技术一直没有得到很好的实践，仍主要采用潜水员目视观察的方法。随着视情维修、涂料技术、电子技术、信号处理技术以及水下潜器技术的发展，水下无损检测技术在船舶领域必将得到越来越广泛的应用。 无损检测技术主要包括红外检测、视觉检测、声发射检测、磁力线检测等。水下设备设施的检测是在涉水环境进行的，对检测技术有特殊要求，促使了水下磁粉检测、超声波检测及水下射线检测等技术的发展。但上述检测技术存在检测时间长、可靠性低等缺点。随着信息技术和成像技术的发展，交流电磁场检测技术、进水构件检测技术以及水下成像检测技术等更有效的水下无损检测技术及设备不断涌现出来，并成功应用于水下结构的检测。 交流电磁场检测技术是基于电磁的一种新型技术。该技术在实施过程中通常由检测探头、水下检测模块、水上模块、计算机、打印机以及通讯电缆等主要部分组成。在进行水下检测作业时，需要先将水下检测模块置于水中，然后利用潜水员或遥控潜水器( ROV) 将检测探头放在被检部位进行检测，检测人员可通过计算机查看检测效果，并可及时打印检测结果。交流电磁检测主要有如下特点: （1）采用非接触形式进行检测，对被测物体表面的覆盖物不敏感；（2）可对缺陷同时完成定性和定量分析，节约时间，精度有保障；（3） 基础理论研究成熟，检测前不需要对设备进行标定校准；（4）通过检测探头的专业设计，可确保检测信号的稳定性高，并对被检测物之间的距离不敏感。 电场特征检测技术可用来检测工件各种形式的腐蚀，同时对工件的裂纹及其扩展进行高效检测。该检测技术通过将探针或电极在被测工件表面排布成阵列，然后检测通过被测工件的电场的波动情况，将测得的电压值与最初设定值比较，从而获得被测工件裂纹等表面缺陷。电场特征检测技术的主要特点：（1）检测精度高，重复性好；（2）检测结构复杂的工件优势明显，检测时间短，相比一般的水下检测用时仅为其5%左右；（3）可对被测工件进行远程检测，同时可不去除表面涂层直接检测。 在水下能见度低，尤其是水质浑浊的情况下，潜水员一般难以实施有效的水下目视检测，因此水下成像技术如水下声波成像、微光主动成像技术以及激光主动成像技术作为重要的水下无损检测得到重视，并且取得了较快发展。水下声波成像技术主要采用兆赫级声波，由于波长较长，散射较弱。因此，声学检测受水下浑浊度的影响小，可在较大范围内迅速寻找目标。同时结合先进的稀疏阵列技术、数字化技术等可产生高清晰度的三维图像，解决了水下成像技术难题。 ROV 水下机器人是一种在水下环境中长时间作业的高科技装备，当潜水员无法承担的高强度水下作业、潜水员不能到达的深度和危险条件下更能体ROV水下机器人的优势。ROV水下机器人作为水下作业平台，按照使用功能及要求不同，设计成为可重组的开放式框架结构、计算机控制模块、电力或液压动力驱动模块4个部分构成，在驱动功率和有效载荷允许情况下，可实现覆盖全部水下作业任务。针对不同的水下任务要求，在ROV 水下机器人上搭载不同的传感器设备、作业工具和取样设备，即可准确、高效地完成各种水下调查、水下干预作业、勘探、检测与取样等作业任务。 1.3.4水下无损检测机器人应用与分析 水下机器人也称作无人水下潜水器，它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。无人潜水器，适合长时间、大范围和大深度的水下作业。按与水面支持系统间的联系方式，分成有缆水下机器人（或称为遥控水下机器人，ROV）和无缆水下机器人( AUV) 2 种。 ROV 系统由水下潜器、控制台、线缆、水下摄像、短基线定位系统和多波束图像声纳等组成。水下潜器配有前视/后视彩色摄像头、LED 灯、水平与垂直推进器，最大潜深一般为百米级; 控制台通过线缆可以对水下潜器进行控制，以实现水下机器人的移动、机械手的开关和摄像头角度的控制及调焦，并将水下拍摄的图像经线缆传输到显示屏，并同时存储至电脑中; 短基线定位系统跟踪水下潜器，通过定位得到机器人在水下作业时的相对位置，若系统连接 GPS，则可得到绝对位置；多波束图像声纳发射的声波遇到目标后反射回声纳表面，根据回波可以获得多波束目标声呐图像信号，这样水下机器人系统就能在浑浊或黑暗环境下实现对目标物体的辨识和定位。 ROV 将水下摄像、声纳、定位和机器人水下操作相结合，具有结构紧凑、操作灵活、图像清晰、功能强大等特点，可以对水库大坝等水下结构状况进行直观检查，对了解工程水下结构现状，指导水库工程除险加固设计和大坝日常安全管理具有十分重要的作用。ROV 的最大优点是母船可以为其源源不断地提供资源，能在水下长时间地工作，并且可以安装机械手等作业工具，在水利工程中应用日益广泛。 1.3.5水下无损检测存在的不足与发展趋势 目前，对于岸上无损检测设备，国内外都已经达到较高的技术水平，但是对于水下仪器，国内和国外存在较大的差距，尤其是仪器的稳定性。在水下，检测人员因受到诸多条件和因素的限制不能像在陆地一样自由地活动，尤其是潜水装置、检测设备和配套设备等限制了人员的活动，同时还增加了水下安装、定位等活动的复杂性，另外受水深、水温、能见度、波浪、潮汐、涌浪、海生物与沉积物等的影响，测量工作的可靠性和稳定性都受到很大影响，即使是进口设备，也必须在合适的条件下才能取得较好的结果。 目前的检测设备都需配备专业人员，检测人员都必须是经过专门培训的具备一定资质的人员才能胜任。这给检测任务的完成带来了一定的困难，如果能提高检测设备的自动化程度，使普通潜水员或水下潜器就能自动操作、记录，即使不能实时得出结果，需要送到岸上专业部门和人员进行分析处理，也能较大程度地降低检测任务的实施难度，提高工作效率。 目前的仪器，不同的原理、不同的介质、不同的测量对象就需要选用不同的仪器或不同的探头，最简单的也要进行重新设置参数，如对于涂层测厚，铁基质和铝基质的结构就不能用同样仪器，至少需要更换探头，测量设备的功能太单一，使测量任务复杂化，不仅工作量大，工作效率也很低。如检测船体水下部分的状态，不仅要带涂层测厚仪、钢板测厚仪、水下照相机、摄像机，还要根据船体板材选择合适的探头，调整设备参数。如果是潜水员操作，仪器的切换就相当复杂，一个人甚至都无法完成任务，需要几个人共同协作。 对于水下无损检测，现阶段基本上都采用局部检测，在实际应用中，只能针对怀疑区域或根据经验对关键部位进行局部测量，因此检测不够全面彻底，不仅工作效率低下，而且检测范围有限，尤其对于船舶等大型设备，其庞大的结构导致需要检测的范围广，即便是焊缝一项，就有千千万万个焊缝，在水下如果进行逐一检测，该工作量将是极其巨大甚至不可能完成的，因此检测过程中难免会产生遗漏，进而导致事故的发生。水下无损检测应该向全局化发展，对于厚度测量和探伤，可采用智能材料，只要给材料一个输入，根据材料自身的信号输出，就可以得到材料的整体性能。如对于船体的检测，根据船体钢板的信号输出，就可以判断船体各个部位的损伤情况。 对于水下无损检测，其检测内容基本上就是图像、视频、涂层厚度、钢板厚度、裂纹等，现有的检测设备都是各司其职，从而给检测任务的完成带来诸多不便。因此可以集成各项功能于一体，甚至可以增加自动定位功能，设计自动探头识别和切换装置，将会大大提高检测效率。 由于环境因素的影响，潜水员在水下的工作效率和上班时间都受到很大的限制，随着水下潜器技术的不断成熟，以 ROV 代替潜水员是未来的发展趋势，但是 ROV 用来真正的检测还需要攻克很多的技术难题，如检测设备操作的稳定性和可靠性、水下定位技术等。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 2.1 研究方案 拟开展研究的几个主要

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