一种海底管道切割机器人的制作方法

本发明涉及一种适用于1000m水深的能够高效、稳定的对尺寸为≤500mm的海底管道进行切割作业的海底管道切割机器人。

背景技术：

海洋中蕴藏着丰富的矿物资源、能源、海洋生物资源，随着陆地油气田开发难度逐渐增大，各国对海洋油气的开发日益增加，而海底管道是海上油气田开发、生产与油气外输的主要生产设施。由于海底管道长期浸泡在海水中，会有诸多情况发生，如异物破坏、海水腐蚀等，将其舍弃是一种比较浪费的做法，因此最佳解决办法是对其进行修复，而首先要做的就是将破坏部分与完好部分进行分离。如果使用人工操作，不仅花费时间长、难度大，还存在安全隐患，因此采用遥控水下机器人（rov）是进行切割、拆卸是最佳选择。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种用于海底管道切割的装置，即海底管道切割机器人。该装置可以快速、精确的对于海底管道进行切割，相较于人工操作作业周期短、工作效率高。

本发明的技术方案是：该种海底管道切割机器人，包括机器人载体以及为所述机器人载体提供动力、控制的电控系统及液压系统，其特征在于：

所述机器人载体包括载体本体、切割装置、推送装置和夹持装置；

其中，载体本体包括起吊装置、声呐固定套、浮力块、框架、照明灯、摄像头云台和顶板；浮力块位于框架和顶板之间，通过螺栓固定；顶板为中空结构，为浮力块提供缝隙，以减小压力对浮力块的影响；载体本体装有3个照明灯，其中一个位于载体本体正前方，固定到框架上，另外两个对称的分布在位于前方的螺旋桨推进器上；摄像头云台由电机驱动，包括云台底座、大臂、小臂、接头和摄像头，其中两个摄像头云台底座对称的固定到框架上，可控制摄像头运动到所需位置进行观察；起吊装置一端与框架连接，另一端穿过浮力块和顶板与母船连接；

推送装置具有6个螺旋桨推进器，6个螺旋桨推进器均位于框架底部两侧，其中4个螺旋桨推进器轴向与本种海底管道切割机器人的竖直方向一致，分别位于框架底层左右两侧的前方、后方；2个螺旋桨推进器轴向与本种海底管道切割机器人的水平一致，位于框架底层左右两侧的最后方；推送装置中的螺旋桨由电机驱动，螺旋桨基座固定到框架上，电机固定到螺旋桨基座上，另一端与螺旋桨通过螺栓固定，使螺旋桨在电机运行时跟随电机转动；

切割装置包括切割板、切割轮、丝杠机构与金刚石绳锯；切割装置通过与推送装置的导杆进行连接，通过丝杠机构使金刚石绳锯处于张紧状态，并由液压马达带动金刚石绳锯转动，切割板沿推送装置的滑道进行往复运动，以实现对管道进行切割；

夹持装置包括第一液压缸、第二液压缸、机械手基座、机械手连杆、机械手夹手与夹手轮；第一液压缸的一端连接推送装置，另一端连接机械手基座；机械手基座两端对称连接机械手连杆，机械手连杆上非与机械手基座的连接端与机械手夹手连接；机械手夹手的中部通过销钉连接到推送装置上，机械手夹手的头部连接夹手轮；

推送装置通过液压装置连接到框架上，推送装置可沿框架上的滑道滑动；切割装置、夹持装置分别连接在推送装置上，放在载体本体上的电控系统及液压系统为切割装置、推送装置和夹持装置提供动力与控制。

本发明具有如下有益效果：采取上述方案后，采用浮游式水下机器人。相较于爬行式水下机器人，浮游式水下机器人的机构简单，并且在1000m的深水条件可以快速请准的定位到预设地点，可针对多种复杂水下环境进行作业，并且相关技术成熟、控制简单，并且与传统的人工操作相比，安全系数更高；相较于人工作业，水下机器人具有更高的效率以及安全性。水下切割方式有多种，如水下氧火焰切割、水下电弧氧切割、水下等离子弧切割、高压水射流水下切割、水下金刚石绳锯切割等，而本发明采用水下金刚石绳锯切割，其加工本质属于磨削的加工方式，由坚硬锋利的金刚石串珠与具有较高抗断强度与挠度的钢丝绳组合，属于水下冷切割法，具有在一次操作中切割任何金属、非金属、合成物质的优点，并且切口准确、切割速度快、过程清洁，对操作人员及环境均不会产生危害。并且与其他切割方式相比，该种切割方式具有成本低、速度快、对作业环境要求低、对被切管道状态要求低等优势。尽管目前已有应用金刚石绳锯在水下进行切割，但仍需要潜水员辅助作业，在本发明中，则是完全由水下机器人（rov）自主完成切割作业工作。水下金刚石绳锯主要由进给装置、导向装置、驱动装置、张紧装置、锯弓板框架、切割框架锯、夹紧装置等组成，另外，水下金刚石绳锯机还包括浮力系统、压动力源系统、液压系统、维修系统等，其中液压系统安装在机体上，由工作母船提供动力，液压马达针对不同的被切割材料提供不同的转速，防止在切割过程中磨粒的磨损速度过快、产生过高热量损害工件等现象发生。本发明中夹持装置位于推送板之中，由液压缸驱动控制，使装置中机械手的前臂部分收缩，抱住管道，起到固定作用。总体来讲，尤其是在1000m的深水作业时，较其他作业方式具有更大的灵活性以及更低的风险系数。

附图说明：

图1是本发明所述海底管道切割机器人的左视图。

图2是本发明所述海底管道切割机器人的总体结构图。

图3是本发明所述海底管道切割机器人主视图。

图4是本发明所述海底管道切割机器人下视图。

图5是本发明所述海底管道切割机器人工作状态示意图。

图6是本发明所述海底管道切割机器人的安装部分部件的框架结构示意图。

图7是本发明所述海底管道切割机器人的浮力块示意图。

图8是本发明所述海底管道切割机器人螺旋桨推进器示意图。

图9是本发明所述海底管道切割机器人螺旋桨推进器内部结构图。

图10是本发明所述海底管道切割机器人摄像头云台示意图。

图11是本发明所述海底管道切割机器人声呐固定套示意图。

图12是本发明所述海底管道切割机器人起吊装置结构示意图。

图13是本发明所述海底管道切割机器人框架结构示意图。

图14是本发明所述海底管道切割机器人顶板示意图。

图15是本发明所述切割装置结构示意图。

图16是本发明所述切割装置主视图。

图17是本发明所述切割装置在金刚石绳锯松弛状态下示意图。

图18是本发明所述切割装置丝杠机构示意图。

图19是本发明所述切割装置切割轮结构示意图。

图20是本发明所述推送装置总体结构示意图。

图21是本发明所述推送装置总体结构主视图。

图22是本发明所述推送装置中推送板结构示意图。

图23是本发明所述推送装置滑轨结构放大图。

图24是本发明所述推送装置液压缸结构示意图。

图25是本发明所述机械手结构示意图。

图26是本发明所述机械手夹持原理示意图。

图27是本发明所述机械手处于夹持状态示意图。

图28是本发明所述机械手处于夹持状态主视图。

图29是本发明所述机械手夹手结构示意图。

图30是本发明所述机械手连杆结构示意图。

图31是本发明所述机械手基座结构示意图。

图32是本发明所述机械手液压缸结构示意图。

图中1-载体本体，2-切割装置，3-推送装置，4-其他装置，5-起吊装置，6-声呐固定套，7-浮力块，8-框架，9-螺旋桨推进器，10-照明灯，11-夹持装置，12-摄像头云台，13-照明灯，14-顶板，15-切割板，16-第一液压缸，17-螺栓，18-电机，19-螺旋桨基座，20-螺旋桨，21-云台底座，22-大臂，23-小臂，24-接头，25-摄像头，26-拉环，27-垫片，28-切割板，29-丝杠机构，30-切割轮，31-切割轮，32-金刚石绳锯，33-第一导杆，34-第二液压缸，35-推送板，36-滑轨，37-机械手，38-第二导杆，39-第一液压筒，40-第一液压杆，41-机械手基座，42-机械手连杆，43-机械手夹手，44-销钉，45-夹手轮，46-管道，47-滑轨，48-第二液压杆，49-第二液压筒。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本种海底管道切割机器人，包括机器人载体以及为载体提供动力、控制的电控系统及液压系统，其独特之处在于：

所述机器人载体包括载体本体1、切割装置2、推送装置3、夹持装置11。其中，载体本体1包括起吊装置5、声呐固定套6、浮力块7、框架8、照明灯10、摄像头云台12和顶板14。浮力块7由可加工浮力材料制成，位于框架8和顶板14之间，通过螺栓17固定；顶板14为中空结构，为浮力块7提供缝隙，减小压力对浮力块的影响；载体本体1装有3个照明灯10，其中一个位于载体本体正前方，固定到框架8上，另外两个对称的分布在位于前方的螺旋桨推进器9上；摄像头云台12为电动全景云台，可通过购买获得，由电机驱动。包括云台底座21、大臂22、小臂23、接头24和摄像头25，其中两个摄像头云台底座21对称的固定到框架8上，可控制摄像头25运动到所需位置进行观察；起吊装置5一端与框架8连接，另一端穿过浮力块7与顶板14与母船连接，用于对载体的回收；6个螺旋桨推进器9均位于框架8底部两侧，其中4个螺旋桨推进器9轴向与海底管道切割机器人的竖直方向一致，分别位于框架底层左右两侧的前方、后方；2个螺旋桨推进器轴向与海底管道切割机器人的水平一致，位于框架底层左右两侧的最后方；螺旋桨由电机驱动，螺旋桨基座19固定到框架8上，电机18固定到螺旋桨基座19上，另一端与螺旋桨20通过螺栓固定，使其在电机运行时跟随电机转动。

切割装置2、夹持装置11分别连接在推送装置3上，载体本体1为切割装置2、推送装置3、夹持装置11提供动力与控制；推送装置3通过液压装置34连接到框架8上，可沿框架8上的滑道滑动，载体本体1为液压装置34提供动力与控制。

切割装置2包括切割板15、切割轮30、丝杠机构29与金刚石绳锯32，通过与推送装置3的导杆进行连接，通过丝杠机构29使金刚石绳锯32处于张紧状态，并由液压马达带动金刚石绳锯32转动，并且切割板28沿推送装置3的滑道进行往复运动，对管道进行切割。

夹持装置4的原理为机械手，包括液压装置16、机械手基座41、机械手连杆42、机械手夹手43与夹手轮44。

液压装置16一端连接推送装置3，另一端连接机械手基座41，机械手基座41两端对称连接机械手连杆32，机械手连杆32另一端与机械手夹手43连接，机械手夹手43的中部通过销钉44连接到推送装置3上，头部连接夹手轮45，其中夹手轮45选择橡胶材质。

机械手夹手43的初始状态夹角为26°，在需要夹持管道时，通过液压装置16与销钉44的共同作用，使机械手在需要时处于抱紧状态，可对管道进行夹持。

本种水下管道切割机器人的创新点集中在设备本体上，包括海底管道切割机器人框架、一套切割机构、夹持机构、推送装置等部分组成；其中切割机构、夹持机构分别与推送装置连接，推送装置与海底管道切割机器人连接，并由海底管道切割机器人为其提供动力与控制信号。

由于海底管道切割机器人的作业深度为1000m，为便于框架结构装配、内部零件的装卸及维修。

具体实现时，选择拼装式载体框架。顶板部分与载体框架主体用螺栓连接，载体框架外侧连接6个螺旋桨推进器，其中4个推进器轴向与海底管道切割机器人的竖直方向一致，分别位于框架底层左右两侧的前方、后方；2个推进器轴向与海底管道切割机器人的y轴方向一致，位于框架底层左右两侧的最后方；位于正前方的两个螺旋桨分别装有照明灯。

所采用的切割装置主要包括切割板、金刚石绳锯、切割轮与丝杠机构，切割板为金刚石绳锯的载体，其上装有4个为固定切割轮与1个丝杠机构，用于控制金刚石绳锯的张紧，使金刚石绳锯在液压马达得带动下跟随滚轮运动；切割板与推送装置上的导杆连接，可沿推送装置上轨道往复运动，完成对海底管道的切割。

推送装置主要由液压缸与推送板组成，液压缸位于推送装置下方，其一端与载体框架相连，另一端与推送板底面相连。

夹持装置为保证能对不同管径的管道结帖固定，采用机械手原理：基座与助推臂以铰链方式连接，助推臂与夹持臂用销钉连接，夹持臂以用销钉连接在推送板上，并在前端安装橡胶滚子；通过液压缸带动基座华东使两侧机构产生抱紧动作，夹持管道时夹持臂与初始状态夹角为26°，夹持管道尺寸为≤500mm。

由图1所示，该种海底管道切割机器人，由载体本体1、切割装置2、推送装置3、其他装置4构成。海底管道切割机器人从母船下放至海中，通过6个螺旋桨推进器将其移动至预设目的地，通过夹持装置10将管道固定，完成准备工作后，对海底管道进行切割。切割完成后，通过脐带电缆以及螺旋桨推进器，将海底管道切割机器人1回收到母船上。

海底管道切割机器人前部装有照明灯10、摄像头云台12、照明灯13，为设备本体提供照明及观测。由图2、3、4所示，设备本体由浮力块7、框架8、螺旋桨推进器9等部分组成。框架8采用长1223.30mm，宽1004.08mm，高695.00mm。框架主要采用40x40x4的方形管焊接而成，材料选择980钢，该钢强度高、韧性好，是我国生产较好的耐压壳体用钢，具有高强度、高韧性，并且有良好的焊接性，耐海水腐蚀性能。图5所示为海底管道切割机器人处于切割海底管道的形态。起吊装置5一端与框架8相连，另一断穿过浮力块7与顶板14通过脐带电缆与母船连接，控制其释放与回收，并可部分设备进行操控。由图2、6所述，浮力块7固定在框架与顶板中间，所用材料为海洋化工研究院研制的sbm-h038型号浮力材料，工作深度为水下1000m，密度为0.38±0.02（g/cm3），吸水率（24h）为<3%，单轴压缩强度为>15mpa。本发明所用的浮力块由整块浮力材料制成。虽然不便于加工，但是便于浮力块的装配与拆卸。由图6、7所示，顶板14与框架8之间通过螺栓17进行连接，并在两者中间的浮力块预埋刚连接件，使浮力块的装配与拆卸更简单、方便。由图2、8所示，本发明所述设备主要是由6个螺旋桨推进器来控制海底管道切割机器人在水中的运动轨迹，其中4个推进器轴向与海底管道切割机器人的竖直方向一致，分别位于框架底层左右两侧的前方、后方；2个推进器轴向与海底管道切割机器人的正视方向一致，位于框架底层左右两侧的后方。

由图9所示，螺旋桨基座19固定到框架8上，电机18固定到螺旋桨基座19上，定一段与螺旋桨20通过螺栓固定，使其在电机运行时跟随电机转动。图10为摄像头云台12的详细结构，为电动驱动，可以根据需要将其移动至所需位置对对象进行观察。

图11、12、13、14所示，分别为声呐固定器、起吊装置、框架与顶板，其中起吊装置一端与框架连接，另一端穿过浮力块与母船连接。

起吊装置包括拉环26、垫片27，垫片为框架与浮力块之间提供空隙，减小在回收过程中框架对浮力块的压力。

由图15所示，切割机构主要由切割板28，丝杠机构29，切割轮30，切割轮31，金刚石绳锯32组成，图18、19分别对其中的丝杠机构与切割轮详细表现。

由图16、17所示，分别为金刚石绳锯处于张紧状态与放松状态时金刚石绳锯所处位置。

由图20、21所示，为本发明的推送装置示意图，切割板15通过滑块与推送板35连接，并且沿滑道36滑动，液压缸34一端与框架8相连，另一端与推送板35相连，可以控制推送装置沿滑道运动；液压缸34一端与推送板35连接，另一端与机械手相连。

图22、23、24分别为推送板35与液压缸34的细节图，其中图23为放大的滑轨结构图。

由图25、29、30、31、32所示，机械手主要由液压缸16、机械手基座41、机械手连杆42、机械手夹手43、夹手轮45组成。其中液压缸16一端与推送板35连接，另一端与机械手基座41相连；机械手连杆一端与基座41连接，另一端与机械手夹手43连接；机械手夹手43中部通过销钉44与推送板35连接；夹手轮45材质为橡胶，连接到机械手夹手43上。

由图26所示，为机械手的工作原理图；图27、28为机械手处于工作状态时示意图。液压缸16结构包括液压杆48与液压筒49。

下面给出本种海底管道切割机器人的作业过程：

步骤1：海底管道切割机器人通过6个不同方向的螺旋桨推进器移动到目标位置。

步骤2：通过液压缸将推送装置推出海底管道切割机器人内部，并控制机械手，使其抱紧管道。

步骤3：通过驱动装置使金刚石绳锯转动，并通过液压缸带动切割板，使其沿轨道运动，对破损管道进行切割。

步骤4：切割完成后，关闭金刚石绳锯，取下切割后的管道，恢复到原始状态，并同螺旋桨推进器和脐带电缆开始上浮，最终回收到母船上。