本科毕业设计 题目名称：水下无损检测机器人结构设计 题目类型： 机械系统设计类 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、研究意义及文献综述 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急剧增加。随着开采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不断扩大,水下资源勘探与开发项目也随之迅速发展。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广泛的应用。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,该技术已经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广泛的应用,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，高压环境可能引起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 水下检测 ( UWU T) 不同于陆上的 NDT , 它有更多的特殊要求,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。水下检测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检测时, 水中能见度就更差了。为了改善能见度 , 必须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 , 受压增加 , 潜水员可能会感到寒冷且出现昏晕。因此水深限制了工作时间 , 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测质量。如果波浪过大将无法对飞溅区进行检测 , 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 , 可能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 , 必然增加潜水员工作时间。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
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