一种海底管线检测用水下机器人的制作方法

本发明涉及一种应用于水下作业领域中能够对海底管线进行全方位检测的作业机械。

背景技术：

随着我国海洋油气开发特别是深水油气勘探开发的日益活跃，作为油田开发生产重要组成部分的海底管线也越来越多。对海底管线的检测变得尤为重要。海底管线巡检ROV大多采用浮游式有缆水下机器人（ROV），虽然相关技术已较为成熟，但是浮游式ROV通过推进器进行水下航行从而进行海底管线的检测，易受洋流，海底复杂环境的影响，检测过程中想要确保检测装置的检测质量，必须要对ROV的速度和位姿进行精确的控制，这就使得对ROV的控制变得极为复杂，而且在对靠近海底的管线进行检测时，推进器的运行可能会将海底的杂质漂浮起来影响检测。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种海底管线检测用水下机器人，该种水下机器人采用在管道上行走的方式解决了洋流对其测量稳定性的影响同时减少了因传统ROV推进器运行时对周围环境的破坏等问题。

本发明的技术方案是：该种海底管线检测用水下机器人，包括机体以及为机体提供动力和控制命令的液压系统和电气系统，其特征在于：

所述机体主要由ROV本体、管道夹持行走装置、检测装置三部分组成；

其中，所述ROV本体包括载体框架、浮力模块、4个垂直螺旋推进器和4个水平螺旋推进器、耐压仓、云台、液压油箱、一个5自由度的左舷机械手以及一个7自由度的右舷机械手；其中，载体框架为ROV本体内的各组件提供安装位置，浮力模块安装在载体框架的顶部，耐压仓安装在载体框架的底层的右后部位，液压油箱安装在载体框架底层的左后部位，5自由度左舷机械手作为定位型机械手安装在载体框架左前方， 7自由度右舷机械手作为作业型机械手安装在载体框架右前方；

所述管道夹持行走装置包括基座、第一液压缸、夹持臂、第二液压缸、第一销轴、第二销轴、第一行走装置、第三液压缸以及第二行走装置；其中，基座上具有4个开孔的耳板、第二液压缸安装座、第一夹持臂安装架以及第一导向块；第一液压缸由活塞杆和液压缸筒组成，第二液压缸包括带有法兰盘的液压缸筒和带有法兰盘的活塞杆；第一液压缸后端盖与基座上的耳板通过第一销轴连接，第二液压缸的液压缸筒前端盖法兰盘通过螺栓安装在第二液压缸安装座上，第三液压缸与第二液压缸完全相同；夹持臂主要由第一夹持臂和第二夹持臂连接组成；其中，第一夹持臂具有吊耳、基座连接孔、一个导向柱和四根连接杆；第一液压缸活塞杆头部与第一夹持臂上的吊耳通过第一销轴连接；第一夹持臂（31）通过第二销轴（17）连接到第一夹持臂安装架（24）上；第二夹持臂包括导向筒、具有四根连接杆的安装架、第三液压缸安装座和第二导向块；第一夹持臂的导向柱插入第二夹持臂的导向筒，同时通过螺栓将第一夹持臂的四根连接杆与第二夹持臂四根连接杆的安装架连接；第一夹持臂可以在第二夹持臂中相对滑动，需要改变第一夹持臂有效长度适应管径变化时，可以使第一夹持臂在第二夹持臂中滑动到特定位置再用螺栓通过第二夹持臂上加工的安装孔固定，从而实现了第一夹持臂的有效长度的改变，达到适应管径变化的要求；

第一行走装置主要由第一内凹轮、第一内凹轮安装座以及第一导向槽连接后组成；第二行走装置主要由液压马达、第二内凹轮、第二内凹轮安装座以及第二导向槽连接后组成；其中，第一行走装置的第一内凹轮安装座与第二液压缸活塞杆前端法兰盘通过螺栓连接，第一行走装置的第一导向槽与基座上的第一导向块配合起到导向作用，防止液压缸产生转动；第三液压缸的液压缸筒前端盖法兰盘通过螺栓安装在第三液压缸安装座上；第二行走装置的第二内凹轮安装座与第三液压缸活塞杆前端法兰盘通过螺栓连接，第二行走装置的第二导向槽与第二内凹轮安装座上的第二导向块配合；液压马达通过螺栓与第二行走装置的第二内凹轮安装座固连，液压马达轴与第二内凹轮直接相连；ROV本体在管线上行走是通过液压马达提供动力驱动第二内凹轮转动并与管线接触产生摩擦力向前行进；夹持臂采用左右对称的结构，夹持行走装置通过夹持臂、第一行走装置和第二行走装置对管线进行夹持，夹持行走装置采用成对布置的方式；

所述检测装置包括检测装置固定座、连接杆、轮子安装座、框架、弹簧以及轮子组成；检测装置固定座通过螺栓与ROV本体的载体框架的底部相连；框架通过连接杆、弹簧、轮子安装座与检测装置固定座连接；轮子安装在轮子安装座上；检测设备和传感器安装在框架上对管线进行检测；夹持管线时轮子在弹簧的作用下被压紧在管线上以确保检测装置与管线保持一定的距离并且不脱离。

本发明具有如下有益效果：采用上述方案后，首先与浮游式检测ROV相比，本发明虽然结构稍微复杂，增加了夹持行走装置，但是它比浮游ROV增加了可以在管线上爬行的功能。它既可以像浮游ROV一样在水中浮游也可以在管线上爬行。在管线上爬行可以使ROV稳定的处于平衡状态，这样就可以避免洋流的冲击对检测结果造成的影响，还可以避免水平推进器运行造成的周围环境变得浑浊，减小周围环境对检测结果的影响，这样就可以使ROV准确的检测管线，提高检测质量。

其次，本发明中的检测装置借助各种传感器和多种检测设备可以对管线进行全方位的检测，提高了检测效率。

另外，在我国水下管线的直径一般在100mm至500mm之间，面对不同直径的管线该发明的夹持行走装置可以通过调整夹持装置的尺寸和调整液压缸的伸出长度来适应不同直径的管线，这样就可以普遍的应用于我国的各个海域管线的检测。

最后行走装置由液压马达和内凹的轮子组成。行走装置是借助轮子与管线接触的摩擦力推动ROV向前行进的。轮子的内凹半径为500mm，它可以与任何小于500mm大于200mm的管线完全的接触，接触面越大摩擦力越大。在行走装置上还装有压力传感器，根据压力的大小实时的调整液压缸的伸出长度。以使轮子与管线紧密的接触，这样行走装置就可以在管线上快速的爬行。

液压系统采用双联齿轮泵供油，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸，确保需要同步作业的两个液压缸动作同步，使夹持更加稳定可靠。

附图说明：

图1是本发明海底管线检测水下机器人总装图。

图2是本发明ROV本体结构图。

图3是本发明ROV本体结构后视图

图4是本发明夹持行走装置总装图。

图5是本发明夹持行走装置基座结构示意图。

图6是本发明第一液压缸结构示意图。

图7是本发明第一液压缸筒结构示意图。

图8是本发明第一液压缸活塞杆结构示意图

图9是本发明第二液压缸结构示意图。

图10是本发明第二液压缸筒结构示意图。

图11是本发明第二液压缸活塞杆结构示意图。

图12是本发明第一销轴结构示意图。

图13是本发明第二销轴结构示意图。

图14是本发明夹持臂行走装置的单臂结构示意图。

图15是本发明夹持臂结构示意图。

图16是本发明第一夹持臂结构示意图。

图17是本发明第二夹持臂结构示意图。

图18是本发明第一行走装置结构示意图。

图19是本发明第一行走装置内凹轮安装座结构示意图。

图20是本发明第一内凹轮结构示意图。

图21是本发明第二行走装置结构示意图。

图22是本发明液压马达结构示意图。

图23是本发明第二行走装置执行部件结构示意图。

图24是本发明第二行走装置内凹轮安装座结构示意图。

图25是本发明第二内凹轮结构示意图。

图26是本发明检测装置总装配结构示意图。

图27是本发明检测装置固定座结构示意图。

图28是本发明检测装置弹簧示意图。

图29是本发明检测装置检测设备安装框架示意图。

图30本发明检测装置轮子架结构示意图。

图31是本发明夹持装置原理结构简图。

图中1-ROV本体，2-管道夹持行走装置，3-检测装置 ，4-载体框架，5-浮力模块，6- 4个垂直螺旋推进器，7- 4个水平螺旋推进器，8-耐压仓，9-云台，10-液压油箱，11- 5自由度的左舷机械手，12- 7自由度的右舷机械手，13-基座，14-第一液压缸，15-第二液压缸，16-第一销轴，17-第二销轴，18-夹持臂,19-第一行走装置，20-第三液压缸，21-第二行走装置，22-耳板，23-第二液压缸安装座，24-第一夹持臂安装架，25-第一导向块，26-液压缸筒27-活塞杆，28-带有法兰盘的液压缸筒，29-带有法兰盘的活塞杆，30-第二夹持臂，31-第一夹持臂, 32-吊耳，33-基座连接孔，34-导向柱，35-四根连接杆，36-导向筒，37-四根连接杆的安装架，38-第三液压缸安装座，39-第二导向块，40-第一内凹轮，41-第一内凹轮安装座，42-第一导向槽，43-液压马达，44-第二内凹轮，45-第二内凹轮安装座，46-第二导向槽，47-检测装置固定座，48-连接杆，49-轮子安装座，50-框架，51-弹簧，52-轮子。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种海底管线检测用水下机器人，包括机体以及为机体提供动力和控制命令的液压系统和电气系统，其独特之处在于：

所述机体主要由ROV本体1、管道夹持行走装置2、检测装置3三部分组成。

其中，所述ROV本体1如图2所示，主要由载体框架4、浮力模块5、4个垂直螺旋推进器6和4个水平螺旋推进器7、耐压仓8、云台9、液压油箱10、一个5自由度的左舷机械手11、一个7自由度的右舷机械手12组成。其中，载体框架主要是为ROV本体的其他组成部分提供安装位置；浮力模块安装在载体框架的顶部，可以为ROV提供正浮力；耐压仓安装在载体框架的底层的右后部位，可以为一些设备提供耐压保护；云台安装在ROV头部；液压油箱安装在载体框架底层的左后部位；5自由度左舷机械手安装在载体框架左前方，作为定位型机械手,并可兼顾部分作业任务；7自由度右舷机械手安装在载体框架（4）右前方，作为作业型机械手,可以安装清洗刷清除管线上的杂物或安装其他维修工具用于维修管线。

所述管道夹持行走装置2如图4所示，主要由基座13、第一液压缸14、夹持臂18、第二液压缸15、第一销轴16、第二销轴17、第一行走装置19、第三液压缸20、第二行走装置21等组成。其中，基座13结构如图5所示，包括4个开孔的耳板22，第二液压缸安装座23，第一夹持臂安装架24、第一导向块25。第一液压缸14如图6所示，由活塞杆27、液压缸筒26组成。第二液压缸15如图9所示，主要由带有法兰盘的液压缸筒28和带有法兰盘的活塞杆29组成。第一销轴16如图12所示。第二销轴17如图13所示。

第一液压缸14后端盖与基座13上的耳板22通过第一销轴16连接。第二液压缸15的液压缸筒28前端盖法兰盘通过螺栓安装在第二液压缸安装座23上。第三液压缸20与第二液压缸15完全相同。夹持臂18如图15所示，主要由第一夹持臂31和第二夹持臂30连接组成。其中，第一夹持臂31如图16所示，主要包括吊耳32、基座连接孔33、一个导向柱34、四根连接杆35。第一液压缸14活塞杆头部与第一夹持臂31上的吊耳32通过第一销轴16连接。第一夹持臂（31）通过第二销轴（17）连接到第一夹持臂安装架（24）上。第二夹持臂30如图17所示，主要包括导向筒36、四根连接杆的安装架37、第三液压缸安装座38、第二导向块39。第一夹持臂31的导向柱34插入第二夹持臂30的导向筒36，同时通过螺栓将第一夹持臂31的四根连接杆35与第二夹持臂30四根连接杆的安装架37连接。第一夹持臂31可以在第二夹持臂30中相对滑动，当需要改变第一夹持臂31有效长度适应管径变化时，可以使第一夹持臂31在第二夹持臂30中滑动到特定位置再用螺栓通过第二夹持臂30上加工的安装孔固定，从而实现了第一夹持臂31的有效长度的改变，达到适应管径变化的要求。第一行走装置19如图18所示，主要由第一内凹轮40、第一内凹轮安装座41、第一导向槽42组成。第二行走装置20如图21所示，主要由液压马达43、第二内凹轮44、第二内凹轮安装座45、第二导向槽46组成。第一行走装置19的第一内凹轮安装座41与第二液压缸15活塞杆前端法兰盘通过螺栓连接，第一行走装置19的第一导向槽42与基座13上的第一导向块25配合起到导向作用，防止液压缸产生转动。第三液压缸20的液压缸筒前端盖法兰盘通过螺栓安装在第三液压缸安装座38上。第二行走装置20的第二内凹轮安装座45与第三液压缸20活塞杆前端法兰盘通过螺栓连接，第二行走装置20的第二导向槽46与第二内凹轮安装座45上的第二导向块39配合。液压马达43通过螺栓与第二行走装置20的第二内凹轮安装座45固连，液压马达43轴与第二内凹轮44直接相连。ROV在管线上行走是通过液压马达提供动力驱动第二内凹轮转动并与管线接触产生摩擦力向前行进。其夹持原理如图31所示, 由于夹持臂18结构左右对称所以只画出了一个夹持臂的结构简图，其中基座和夹持臂的厚度都初步定为100mm，圆O₁为直径为500mm的海底管线（圆O₂为直径为400mm的海底管线，圆O₃为直径为300mm的海底管线。），其中基座和夹持臂到管线表面的距离都是85mm，即GH=BA₁=85mm。第二行走装置安装于GH和BA₁的位置，夹持行走装置通过夹持臂、第一行走装置和第二行走装置对管线进行夹持，第二行走装置与水平面的夹角为10°即BO₁与x轴的夹角为10°。夹持臂通过第二销轴与基座相连于F点。DE与HA₁平行，由图可知当改变DE的有效长度后夹持臂便能够适应管线的变化了。为了保持ROV在管线上行走的稳定性，夹持行走装置采用成对布置的方式。

所述检测装置3如图26所示，主要由检测装置固定座47、连接杆48、轮子安装座49、框架50、弹簧51、轮子52组成。检测装置固定座47通过螺栓与ROV本体1的载体框架的底部相连。框架50通过连接杆、弹簧、轮子安装座与检测装置固定座连接。轮子安装在轮子安装座上。检测设备和传感器安装在框架上对管线进行检测。夹持管线时轮子在弹簧的作用下被压紧在管线上，这样就确保了检测装置与管线保持一定的距离并且不脱离，从而保证检测设备对管线检测的质量。

下面给出本装置作业的过程：

步骤1：夹持过程，首先要了解水下管线的直径，在我国水下的管线一般在200mm至500mm之间，所以本装置的夹持臂B上开有间隔为77mm的四个孔，夹持臂B在夹持臂A中的滑动来适应管线直径。在ROV下水之前了解到自己需要检测的管线的直径，预先调整好夹持臂B在夹持臂A中的位置。接着液压缸A的活塞杆伸出，夹持臂往里靠拢，同时液压缸B活塞杆伸出夹紧管线，液压缸B上装有压力传感器，可以调整液压缸B的伸出量。使内凹轮子紧紧的与管线接触。

步骤2：清理管线上的杂物，在机械手上安装清洗刷，清除管线上的淤泥、水生物等为检测提供方便。

步骤3：行走过程,行走装置通过液压马达提供动力驱动内凹轮转动并与管线接触产生摩擦力向前行进。

步骤4：检测过程,通过安装在其上的各种传感器和多种检测设备对管线进行检测的。该装置边行走边粗略的检测，一旦发现故障就停下来然后对管线进行仔细的检测。然后将检测结果通过传感器传给水上控制室，水上控制室再发出控制指令控制机械手装夹适当的修复工具对管线进行修复。

若任务结束后，液压缸收缩内凹轮与管线脱离，此时推进器开始启动，回收整套水下机器人。