深海爬游机器人概念及关键技术分析

深海机器人是深海工程领域的重要装备。对比分析目前已研制的深海机器人的特点,以深海复杂海底大范围移动和精确稳定探测作业为应用目标,提出一种既可在深海游动又可在海底爬行的新型爬游机器人概念,并对爬游机器人方案、技术指标和主要特点进行介绍。在分析其使用环境和运行特点的基础上,提出不同于传统水下机器人的爬游机器人特有的关键技术问题,包括运动姿态调节、多肢多关节协同抗扰流、低能耗运动规划、运动关节高压密封以及总体集成与优化等。最后,介绍这些关键技术问题的研究进展。     

深海爬游机器人概念及关键技术分析

  目的  针对可潜浮式沉积物捕获器（FST）的时变姿态会影响采样效率的问题,对全采样流程内FST的质心偏移规律及姿态角变化进行定量分析与评估。  方法  设计一种包含采样模块及浮力调节模块的FST,然后利用SolidWorks软件进行建模,建立坐标系;通过Matlab软件完成静力学分析,模拟得到全流程内各时刻FST质心相对于坐标原点的偏移量;基于力矩平衡公式,推导因质心偏移造成的机体姿态变化;运用平面射影定理,定量分析姿态变化对有效采集面积的影响。  结果  结果显示,质心偏移被限制在以载体坐标系原点为圆心、半径为$ 8 \\times {10^{ - 3}}\\;{\\text{m}} $的圆内,质心坐标域为${x_{\\text{g}}} \\in ( - 6 \\times {10^{ - 3}}\\;{\\text{m}}, 3 \\times {10^{ - 3}}\\;{\\text{m}})$,${y_{\\text{g}}} \\in ( - 1 \\times {10^{ - 3}}\\;{\\text{m}}, $ 7 \\times {10^{ - 3}}\\;{\\text{m}})$;姿态角变化域为俯仰角$ \\theta \\in ( - 1.5^\\circ , 16.6^\\circ ) $,横滚角$\\phi \\in ( - {2.6^ \\circ }, {16.8^ \\circ })$;当$ \\theta = 14.7^\\circ , \\phi {\\text{ = 13}}^\\circ $时,有效采集面积缩减为捕获装置面积的94.27%,为最小值,当其他条件相同时,捕获相同质量的沉降颗粒所需时间比100%实采面积所需捕获时间多0.0578倍。  结论  研究工作可为FST的稳性分析和浮力调节系统设计提供有益的参考。     

深海爬游机器人概念及关键技术分析

  目的  深海爬游机器人是一种新构型潜航器,其多腿位姿会改变周围流场与自身重心的分布。  方法  针对深海爬游机器人左右对称、前后近似对称、上下不对称的特点,建立深海潜航器的操纵性垂直面运动方程,得到相应的稳定性判据和临界速度。采用混合网格计算深海爬游机器人纯升沉和纯俯仰运动的水动力系数,并与试验值进行对比,然后结合判据,判定纵向展开位姿、横向展开位姿和着底位姿这3种位姿下深海爬游机器人的静稳定性和动稳定性,分析运动稳定性的主要影响因素。  结果  结果表明,深海爬游机器人的3种位姿均处于静不稳定和条件动稳定状态,设计航速低于临界速度,能满足直线稳定性的要求;静稳定性主要受与垂向力有关的位置导数的影响,其中横向展开位姿的最好,落地位姿的最差;动稳定性的优劣主要受与垂向力有关的位置导数、初稳心高和结构布局的影响,其中落底位姿的最好,横向展开位姿的最差。  结论  深海爬游机器人多腿位姿的水动力和稳定性规律能较好地指导控制设计并使之安全运行。     

基于多天线的船体总段相对位姿测量方法

应用GPS载波相位测量技术,测量安装在船体总段上的GPS天线阵列的相对位置,根据多基线矢量的空间关系,得到船体移动段和基准段之间的相对位姿参数,依照船体总段姿态调整控制模型,实现船体总段自动合拢.     

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳稳定性的影响

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性是否有影响是个非常值得关注的问题.文章对深海耐压环肋圆柱壳结构的焊接残余变形和残余应力进行了分析,并进行了相关试验数据验证.由于耐压结构壳体和肋骨的焊接残余应力相对偏小,然后着重研究残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性和极限承载能力的影响.结果表明:焊接残余变形对耐压舱段结构的稳定性和极限承载能力影响不大;叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少;计算结果更偏于工程实际.     

基于双目视觉的船用爬壁监测机器人

针对船舶因受海水腐蚀而导致船舶使用寿命短、航行性能下降等问题,研发了一种基于双目视觉的船用爬壁监测机器人。首先设计了机器人爬行机构、电控模块、视觉模块、图像处理和传输模块等硬件部分,视觉模块根据不同视角间的物体图像像素匹配关系,运用三角测量原理计算出像素之间的偏移,以此来获取物体三维信息;再对机器人双目视觉系统进行测试和标定,并得到了实物测量物体的坐标值。实验结果证明,船用爬壁机器人能够有效地解决对船体的损伤监测问题,提高了船舶的寿命和安全性,降低了监测成本和时间。     

基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法

水下连接器的对接作业是水下工程作业的重要环节,针对目前依靠摄像机传回视频进行作业过程中存在的操作难度大、依赖操作员经验的问题,设计基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法。该方法首先根据水下连接器的颜色特征确定检测范围,之后在检测范围中以水下连接器为模板进行初步定位,然后根据水下连接器端面的成像特点检测椭圆特征,并进行双目匹配获得相关三维点坐标,最后计算得出水下连接器的位姿。实验表明,该方法位置测量平均误差1.3%,姿态测量平均误差3.5°,可以较好地为水下连接器对接作业提供参考。     

基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法

水下连接器的对接作业是水下工程作业的重要环节,针对目前依靠摄像机传回视频进行作业过程中存在的操作难度大、依赖操作员经验的问题,设计基于双目视觉的水下连接器位姿测量方法。该方法首先根据水下连接器的颜色特征确定检测范围,之后在检测范围中以水下连接器为模板进行初步定位,然后根据水下连接器端面的成像特点检测椭圆特征,并进行双目匹配获得相关三维点坐标,最后计算得出水下连接器的位姿。实验表明,该方法位置测量平均误差1.3%,姿态测量平均误差3.5°,可以较好地为水下连接器对接作业提供参考。     

基于超声原理消应力爬壁机器人的研制

针对当前超声消应力现状,文章将超声消应力技术与爬壁技术、常规移动机器人技术相融合,提出消应力爬壁机器人的概念,基于永磁吸附原理开展消应力爬壁机器人的总体方案设计、力学分析和测试工作,研制成功消应力爬壁机器人原理样机,并以焊接试板为对象进行了示范性应用。应用结果表明,研制的消应力爬壁机器人能够达到预期的应力消除效果,可替代人工完成应力消除作业,有助于提高船舶制造过程中的自动化水平,具有较高的工程应用价值。     

船舶检测过程中爬壁机器人技术的应用

近年来,机器人技术的发展日新月异,不论是在工业领域还是家用智能电器,机器人发挥着越来越重要的作用,船舶工业也不例外。由于大型船舶的结构尺寸大,外船体采用焊接工艺,船体焊缝的缺陷检测是一道重要的检测工序,而传统的人工检测需要进行登高作业,且效率很低,因此,采用爬壁机器人和自动检测技术非常有必要。本文首先介绍磁吸式爬壁机器人的结构和力学原理,在此基础上开发爬壁机器人船舶远程控制系统,并对爬壁机器人的船舶质量检测工具进行了详细介绍,有助于提高现有船舶检测过程的质量和效率。     

机械手位姿方程组的计算机自动生成及求解

对于只含（或简化后只含）R，P，C和H副的串联机械手，已知运动副类型和相应的机械参数等信息，在计算机上用完全有效元素法自动生成其矩阵形式的位姿方程，通过三角变换进一步自动建立由9个以上多项式方程组成的多项式方程组，并采用m≥n的结式消元法求解，本文的特点是完全利用了位姿矩阵方程中的9个有效元素，所得解即为机械手的运动学解，用m≥n的结式消元法消元得到便于求解的三角型组，并用计算机一次完成了方程组的建立和求解。     

缆绳非线性刚度对深海系泊系统的影响

聚酯缆绳因其质轻、无腐蚀而多用于深海系泊系统。聚酯缆绳的材料非线性决定了在实际工程应用中,轴向刚度表现为非线性特性。针对此特性,以动态时域方法分析聚酯缆绳的数值模型,在风、浪、流的环境载荷作用下,考虑FPSO的耦合作用,对比轴向线性刚度与轴向非线性刚度下的船体运动响应和聚酯缆绳的张力。结果表明,非线性刚度更能准确描述船体真实运动及缆绳的张力变化,对以后优化锚泊系统的设计有着重要的意义。     

针对船体变形测量的计算机视觉位姿估计技术

现代大型舰船装载大量的高精度电气设备,比如光电探测设备、武器系统等,而船舶变形和位姿变化会导致船载设备与船体产生运动偏差,降低设备的精度。针对这一问题,结合计算机视觉技术,开发一种针对船体变形和位姿估计的系统。介绍系统的原理和工作步骤,并对该系统的船体变形测量性能进行仿真测试。     

基于视觉的集装箱海上并靠吊装位姿识别

舰船在远海进行并靠补给时受波浪影响两船之间会产生无规律的相对运动,给补给集装箱吊装工作带来了很大挑战,急需一种能够在较高海况下辅助人工的自动化吊装系统。针对这一问题,提出一种基于单目视觉和Ar Uco标志点相结合的集装箱位姿检测方法。首先,介绍了带有视觉系统的并联吊装系统主要组成部分,简要分析了控制流程及方法;然后,根据实际集装箱码放流程,设计了适用的ArUco标志点布放和检测方案,介绍了相机标定、ArUco标志点检测及集装箱位姿估计方法;最后,搭建模拟试验平台测试视觉位姿识别的精度、速度和不同光照条件下的鲁棒性。试验结果表明,在普通PC工控平台上,最低识别速度在15Hz以上,姿态角平均误差为±0.5°,位移量平均误差为±0.4%,可以满足并靠吊装要求。     

基于智能材料的深海执行器及海洋仿生机器人研究综述

在“关心海洋、认识海洋、经略海洋”的战略背景下,智慧海洋工程开始向深海推进。新概念海洋装备逐渐向全海深、多学科、精细化、智能化、小型化和低能耗方向发展。智能材料是一种集感知、驱动和控制为一体的新型功能材料,以此为基础的深海执行器和海洋仿生机器人是近年来海洋科学技术的前沿之一。目前,基于智能材料的深海执行器和海洋仿生机器人的深海工程化应用尚处于起步阶段,仍有很多技术难题需要攻克。本文对现阶段国际上常见的智能驱动材料的结构属性和驱动机理进行了介绍,综述了基于智能材料的深海执行器和海洋仿生机器人的国内外研究现状,指出了实际深海工程化应用所需要解决的关键技术挑战,并对未来的发展趋势进行了概述。     

深海采矿船月池对阻力性能影响的研究

深海采矿船为了减小作业时设备受波浪力的影响而设置了月池,然而月池会影响船舶的航行性能。论文应用RANS方程和VOF处理自由面的数值模拟方法,研究月池对深海采矿船阻力的影响。在拖曳水池中进行了有月池与无月池条件下的模型阻力试验,对数值计算方法进行了验证。然后基于数值方法开展了3种不同形状月池方案下阻力和航行姿态的研究,获得相应的阻力与兴波特性。研究表明,月池会导致采矿船静水阻力增大,模型阻力增加3%～7%,实船阻力增加6%～12%。     

基于红外热成像技术的近岸船舶位姿获取和识别

为实现对港口船舶的实时监测,采用红外热成像技术对视野内所有运动船舶位姿进行实时获取和识别,考虑到海港与内河港水域背景复杂程度的不同,分别采用改进的Otsu阈值分割技术和混合高斯建模技术,对实时采集的红外图像进行前景提取,实现港口水域内所有运动船舶的图像区域提取和准确定位。该方法显著提高监测系统的精度与效率,为船舶靠泊辅助系统的优化提供可行方案。     

深海无人探测外压容器的优化设计及稳定性分析

利用有限元方法系统分析日本钛制万米深海无人探测容器(Shinkai)的外形及材料优化,计算了弹性与塑性情况容器失稳时的临界应力.结果表明容器加强肋的微小变化以及复合材料铺层方式的改变可使由钛-复合材料(CFRP)组成的三明治式压力容器比全钛合金制压力容器的比强度增加22.5%,容器的破坏主要由塑性失稳控制.