水下機器人靜水壓力試驗研究

吳福森

（國家特種機器人產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，福建泉州 362021）

0 引言

隨著人們對海洋領(lǐng)域的日益關(guān)注以及海洋技術(shù)的發(fā)展，水下機器人將在海洋水下探測、作業(yè)、援救中發(fā)揮越來越大的作用。而水下機器人測試技術(shù)作為水下機器人性能的保障，也必然成為水下機器人設(shè)計、試驗、改造中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)[1]。完善的測試體系、科學的測試方法、良好的測試條件是保證水下機器人出廠、正常進行水下工作的前提[2]。

輕型有纜水下機器人是帶有線纜的用于海洋水下環(huán)境觀察與作業(yè)，水下部分起吊（空氣）質(zhì)量不大于1 t的水下機器人；或用于江河湖泊的，額定工作水深不小于100 m的觀測型水下機器人；或用于江湖湖泊的，額定工作水深不小于300 m的作業(yè)型水下機器人[3]。

靜水壓力是指水下機器人的空艙、浮力材料，應(yīng)能載標稱的壓力條件下不產(chǎn)生殘余變形，試驗結(jié)束后應(yīng)能正常工作[4]。靜水壓力試驗是指將水下機器人的空艙、浮力材料靜水壓力，按照GB/T 32065.15規(guī)定的方法進行試驗；充油電路按照GB/T32065.15進行帶電試驗，電路工作應(yīng)正常[5]。

目前在對于輕型有纜水下機器人的靜水壓力試驗還沒有成熟的設(shè)備，直接在江河湖海里試驗，對被測機器人和試驗人員都有很大的危險性[6]。國內(nèi)外有研究機構(gòu)采用壓力實驗艙進行測試，但由于升降壓控制系統(tǒng)不夠靈敏，導(dǎo)致試驗準確度不能滿足要求[7]。由于實驗艙體的密封性要求很高，帶纜的機器人不能實現(xiàn)線纜的穿艙試驗，不能滿足標準要求的機器人帶電試驗[8]。

本文研究水下機器人的靜水壓力試驗方法和測試標準，設(shè)計一套應(yīng)用于水下機器人靜水壓力測試試驗平臺，能夠滿足靜水壓力的測試要求；同時對水下機器人的放置結(jié)構(gòu)進行改進，方便機器人的投入和取出。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本文的試驗設(shè)備采用的是一種用于輕型有纜水下機器人靜水壓力試驗的裝置，該裝置由水下機器人深水模擬實驗艙、艙內(nèi)照明和攝像采集系統(tǒng)、自動加卸壓系統(tǒng)、機器人裝卸裝置四大部分組成。

1.1 水下機器人深水模擬實驗艙

如圖1所示，水下機器人深水模擬實驗艙采用Q345材料制作，艙內(nèi)壁涂鍍層為高密度抗腐蝕漆，最高模擬水壓可以達到6.5 MPa，相當于水深650 m，實驗艙內(nèi)部深度4 m，直徑1.5 m，最大可以容納3.5 m×1.2 m×1.2 m（長×寬×高）的測試樣品，采用液壓傳動開關(guān)艙蓋，并加裝一圈密封緊固圈，在實驗過程中保證艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，保障加減壓過程安全。

圖1 水下機器人深水模擬試驗艙

如圖2所示，實驗設(shè)備采用水密電纜雙母頭穿艙連接技術(shù)，實現(xiàn)輕型有纜水下機器人帶電實驗，相比其他實驗的測試方式，可穿艙帶電測試，可遠側(cè)監(jiān)測機器人測試情況，升降壓控制系統(tǒng)更穩(wěn)定，實驗環(huán)境更安全。

圖2 水密線穿艙

1.2 艙內(nèi)照明和攝像采集系統(tǒng)

水下攝像和照明系統(tǒng)是集成了水下攝像機、水下照明燈、分線盒、顯示器、硬盤錄像機、LED恒流源、開關(guān)電源、觸控鼠標以及其他附件的一體化監(jiān)控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包含視頻采集顯示和水下照明控制兩部分，主要任務(wù)通過遠程調(diào)光，提高水下攝像機的成像質(zhì)量，完成水下攝像機視頻采集顯示。艙內(nèi)照明和攝像系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 艙內(nèi)照明和攝像系統(tǒng)

水下攝像機通過視頻線（4路網(wǎng)線、4路同軸）連接至視頻輸入接口，將視頻信號接入系統(tǒng)。最多可同時從4個方向觀察試驗樣本，能夠全方位實時監(jiān)控實驗樣本的狀態(tài)變化。

1.3 自動加卸壓系統(tǒng)

試驗艙加卸壓控制系統(tǒng)的組成如圖4所示，包括1部高壓泵、試驗艙、2部電動截止閥，并且實時顯示其運行狀態(tài)。設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

圖4 自動加卸壓系統(tǒng)

表1 設(shè)備主要參數(shù)

如圖5所示，試驗參數(shù)設(shè)置界面的靜壓試驗參數(shù)為一組壓力臺階，每個臺階包括壓力、升降壓速度、終壓保持時間3個參數(shù)，根據(jù)試驗需要可設(shè)置循環(huán)次數(shù)，也可以選中配置文件列表中的任意文件，通過配置文件載入方式進行快速配置試驗參數(shù)

圖5 試驗參數(shù)設(shè)置界面

1.4 機器人裝卸裝置

機器人裝卸裝置由懸臂起重機和吊具組成，如圖6所示，懸臂起重機載重最大值為3 t，旋轉(zhuǎn)范圍180°，懸臂起重機由立柱、回轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置以及電動葫蘆組成，安裝在支撐性混凝土立柱上，電動葫蘆在懸臂工字鋼上做左右直線運行，起吊內(nèi)筒。將內(nèi)筒吊到地上，然后裝上機器人，再起吊放入試驗艙內(nèi)。內(nèi)筒結(jié)構(gòu)為上下2片直徑為1.5 m的圓形鋼板，中間由3條工字鋼連接，底部鋼板上開有數(shù)個圓孔，在內(nèi)筒下試驗艙時可以有效提高內(nèi)筒下降穩(wěn)定性，平衡浮力不均勻帶來的內(nèi)筒下降角度傾斜問題，避免下降過程中內(nèi)筒傾斜導(dǎo)致機器人偏移出監(jiān)控范圍。

圖6 機器人裝卸裝置

2 樣品檢測實驗

2.1 實驗樣品

樣品概況如表2所示。

表2 樣品概況

2.2 實驗條件

標準按照GB/T 36896.1-2018輕型有纜遙控水下機器人第1部分：總則。實施?，F(xiàn)場檢測條件如表3所示。

2.3 實驗過程

將水下機器人安置在機器人裝卸裝置的內(nèi)桶中，并檢驗水下機器人外觀，然后利用懸臂吊起重機起吊內(nèi)桶放入實驗艙內(nèi)，封閉實驗艙，加壓，保壓，卸壓，取出水下機器人，觀察水下機器人狀態(tài)。實驗各個階段的如圖7～9所示。

表3 實驗條件檢測

圖7 測試前水下機器人外觀

圖8 測試中水下機器人外觀

圖9 測試后水下機器人外觀

2.4 實驗參數(shù)

實驗過程壓力值記錄值如表4所示。

2.5 實驗結(jié)論

在實驗壓力3 MPa下，機器人各項功能正常。水下機器人的空艙，浮力材料，在標稱的壓力條件下不產(chǎn)生殘余形變，試驗結(jié)束后能正常工作。

本文研究水下機器人的水下性能檢測方法和測試標準，設(shè)計一套應(yīng)用于水下機器人靜水壓力實驗平臺，并對艙蓋穿艙改進和內(nèi)筒改進。建立可考察特種機器人水下通用性能的水下復(fù)雜環(huán)境模擬平臺，平臺可實現(xiàn)水下650 m級深度及真實水溫環(huán)境模擬，可真實模擬特種機器人水中下潛及上浮速度。平臺檢測功能包括機器人水下作業(yè)性能測試、水下通信可靠性測試、機器人水下密封性能測試等。同時建立特種機器人水下性能檢測方法。

表4 壓力值記錄

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的快速發(fā)展，為水下作業(yè)機器人應(yīng)用帶來了巨大的需求和應(yīng)用，特別是近海海域水資源監(jiān)測以及江河湖泊深水水資源監(jiān)測，本文研究水下機器人的靜水壓力試驗方法和測試標準，并設(shè)計一套靜水壓力測試試驗平臺，平臺檢測功能包括機器人水下作業(yè)性能測試、水下通信可靠性測試、機器人水下密封性能測試等。同時建立特種機器人水下性能檢測方法。對機器人水下性能的測試表明該平臺能夠滿足靜水壓力的測試要求，能夠為水下機器人的放置結(jié)構(gòu)的改進提供可靠數(shù)據(jù)。