孫朝陽,李佳奕,盛文利

1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590

2.山東科技大學(xué) 文法學(xué)院，山東 青島 266590

3. 安利(中國)日用品有限公司廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工廠，廣東 廣州 510730

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管道連接件安裝作業(yè)機(jī)器人群體作業(yè)技術(shù)研究

孫朝陽1,李佳奕2,盛文利3

1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590

2.山東科技大學(xué) 文法學(xué)院，山東 青島 266590

3. 安利(中國)日用品有限公司廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工廠，廣東 廣州 510730

摘要：為了解決水下大口徑油氣管道溝槽式連接件安裝不便的問題，研制了水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業(yè)機(jī)器人。同時為了進(jìn)一步提高連接件的安裝作業(yè)效率，縮短鋪管作業(yè)時間，提出了管道連接件安裝作業(yè)機(jī)器人群體作業(yè)技術(shù)方案，并從機(jī)器人群體的組成、通訊方式、作業(yè)流程等方面進(jìn)行了介紹。借助機(jī)器人群體作業(yè)技術(shù)，可以使得水下作業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；群體作業(yè)；管道連接；水下作業(yè)；機(jī)器人編隊

Research on the group work technology for robots installing

肖林京(1966-)， 男，教授，博士.

海底輸油管道是連接海上石油生產(chǎn)系統(tǒng)與陸地石油生產(chǎn)系統(tǒng)的重要途徑。由于水下環(huán)境較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工作業(yè)難以滿足深水大口徑管道連接件的安裝作業(yè)要求。管道連接件主要有法蘭式、卡壓式和溝槽式3種，目前國內(nèi)外針對前兩種連接件的安裝機(jī)具研究較為成熟，針對溝槽式連接件的安裝機(jī)具相對較少[1-3]。為了解決水下大口徑管道溝槽式連接件的安裝作業(yè)問題，研制了水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業(yè)機(jī)器人原理樣機(jī)[4]，為了進(jìn)一步提高作業(yè)效率，提出了機(jī)器人水下群體作業(yè)的方案。

1機(jī)器人設(shè)計方案

實(shí)驗(yàn)室研制的機(jī)器人由控制中心和水下作業(yè)主體2部分組成，如圖1所示?？刂浦行?圖1(a))安放在母船上，用于對水下作業(yè)主體進(jìn)行控制，水下作業(yè)主體(圖1(b))攜帶連接件進(jìn)入水下進(jìn)行溝槽式連接件的安裝工作[5-6]。

(a) 控制中心

(b) 水下作業(yè)機(jī)器人圖1　水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業(yè)機(jī)器人原理樣機(jī)

水下作業(yè)主體為無纜水下自治機(jī)器人。為了模型的制作方便，使用氣動系統(tǒng)代替了液壓系統(tǒng)，而且控制中心和水下作業(yè)主體之間臨時存在纜索連接，纜索中包含氣動管路和控制線路。

水下作業(yè)主體安裝管道連接件的工作流程如下：

在母船上對連接件進(jìn)行預(yù)安裝，并將預(yù)安裝好的連接件安放到水下作業(yè)主體的連接件庫中。水下作業(yè)主體攜帶連接件入水，找到管道接縫位置后懸停，管道接縫的搜尋主要根據(jù)前期的路徑規(guī)劃進(jìn)行[7]，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，當(dāng)管道接口位于水下作業(yè)主體左右固定裝置之間時控制開合機(jī)構(gòu)閉合，使得水下作業(yè)主體固定在待連接管道上，為機(jī)械手的工作提供穩(wěn)定的作業(yè)平臺?？刂茩C(jī)械手移動，從連接件庫中抓取一個連接件，然后控制機(jī)械手將連接件移動到管道接縫上方，此時需要工作人員根據(jù)水下監(jiān)控設(shè)備傳回的圖像進(jìn)行連接件位置的調(diào)整，該功能對水下作業(yè)主體視覺控制系統(tǒng)的要求較高[8]，而且由于水下無線圖像傳輸?shù)募夹g(shù)問題，在進(jìn)行圖像信號傳輸時，水深不宜過深。

抓取了連接件的機(jī)械手如圖2所示。

圖2　抓取有連接件的機(jī)械手

此時，密封圈推送裝置將預(yù)先套裝在管道上的密封圈推送到管道接口位置，然后控制機(jī)械臂下降，使得連接件安放到管道接口位置，此時再控制機(jī)械手的夾緊裝置，使得連接件的張開端貼合，控制液壓力矩扳手對連接螺栓進(jìn)行預(yù)緊。至此，就完成了一個連接件的安裝。

2機(jī)器人群體作業(yè)技術(shù)方案

水下管道連接件的數(shù)量較多，與傳統(tǒng)的人工作業(yè)相比，使用機(jī)器人作業(yè)雖然在一定程度上提高了作業(yè)效率，但是單機(jī)作業(yè)效率仍低于多個機(jī)器人并行作業(yè)效率，而且當(dāng)一臺水下作業(yè)主體發(fā)生故障之后，必須立刻使其浮出水面返回母船，因而可靠性較低。

為了進(jìn)一步提高作業(yè)效率，應(yīng)當(dāng)使用多個水下作業(yè)主體進(jìn)行并行作業(yè)。即多個水下作業(yè)主體組成一個相互協(xié)調(diào)、共同實(shí)現(xiàn)管道連接件安裝作業(yè)的群體系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的單機(jī)機(jī)器人相比，x個協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人作業(yè)能力大于一個單機(jī)器人系統(tǒng)的x倍，使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大提高效率[9]。

2.1群體組成

在本機(jī)器人群體中，每個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相同、功能相同，并行處理相同的工作[10]，即一個控制中心同時控制多臺水下作業(yè)主體進(jìn)行管道連接件的安裝作業(yè)，多臺機(jī)器人在作業(yè)時不存在作業(yè)工序上的先后順序。

2.2群體通訊方式

因?yàn)樵谶M(jìn)行管道連接件的安裝作業(yè)時每次派出水下作業(yè)主體的數(shù)量不確定，而且水下作業(yè)主體造價昂貴，為了保證良好的通訊質(zhì)量和作業(yè)安全，群體采用集中式通訊方式。該通訊方式系統(tǒng)圖如圖3所示。即控制中心通過總線直接與群體中的每個水下作業(yè)主體進(jìn)行通訊，每個作業(yè)主體將感知到的環(huán)境信息、作業(yè)進(jìn)程等信息實(shí)時上傳到控制中心，控制中心將控制指令實(shí)時發(fā)送給水下作業(yè)主體。這種通訊方式雖然較為冗雜，但是可以大大提高整個通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且避免了高度集中的通訊系統(tǒng)由于局部問題而造成整體失效的問題。

圖3　集中通訊方式

水下作業(yè)主體上帶有水聲換能器，在作業(yè)時，以母船為圓心，距離母船最遠(yuǎn)的作業(yè)點(diǎn)為半徑的水域內(nèi)放置浮力球，浮力球上也安裝有水聲換能器，控制中心與水面的水聲換能器相連接。水下作業(yè)主體和浮力球之間通過水聲換能器進(jìn)行水聲通訊。

2.3控制系統(tǒng)

機(jī)器人群體作業(yè)技術(shù)是建立在高度自動化控制的基礎(chǔ)上的，為了更好地對群體中的機(jī)器人進(jìn)行控制，使用C#編寫了控制軟件[11]，控制界面如圖4所示。

圖4　控制界面

每個水下作業(yè)主體均與控制中心直接進(jìn)行通訊，將所在方位、單個連接件安裝作業(yè)進(jìn)度、機(jī)器人運(yùn)行狀況等信息參數(shù)傳送至機(jī)器人上的通訊模塊，通訊模塊反饋的信息通過總線傳輸，經(jīng)由控制端的通信模塊后進(jìn)入控制中心。在控制面板上選擇某一編號，便可以看到對應(yīng)的機(jī)器人的狀態(tài)信息。

控制中心根據(jù)水下作業(yè)主體的工作進(jìn)度和運(yùn)行狀態(tài)將每個水下作業(yè)主體需要工作的地理信息、位置信息發(fā)送過去。

3案例說明

以某一工作案例對控制流程進(jìn)行說明：由于各個水下作業(yè)主體性能的差別以及在水下作業(yè)環(huán)境的不同，水下作業(yè)主體的作業(yè)進(jìn)度上會存在一定的差別，以一共有4臺水下作業(yè)主體進(jìn)行作業(yè)為例，假設(shè)1號主體已經(jīng)將所攜帶的連接件全部安裝完畢，當(dāng)1號主體將作業(yè)完成的信息傳送到控制中心之后，控制中心發(fā)出等待指令，然后讀取剩余3臺作業(yè)主體各自的總安裝進(jìn)度并進(jìn)行比較，假設(shè)2號主體安裝進(jìn)度最慢，控制中心發(fā)出指令，指派1號主體支援2號主體的工作，此時，2號主體向控制中心上報自己的位置信息和未完成作業(yè)的待連接管道接口位置信息，控制中心將2號主體上傳的上述信息發(fā)送給1號主體，同時控制中心將授權(quán)碼發(fā)送給1號主體和2號主體，1號主體前往2號主體位置，并將獲得的授權(quán)碼發(fā)送至2號主體，2號主體接收后與自己接收到的授權(quán)碼進(jìn)行比對，驗(yàn)證成功后2號主體停止作業(yè)，并將機(jī)械手移動到遠(yuǎn)離連接件庫的位置，控制連接件庫側(cè)位擺出，庫門打開。同時2號主體向1號主體反饋信息提示通過驗(yàn)證，1號主體接到反饋后控制機(jī)械手側(cè)位擺出，并通過姿態(tài)調(diào)整與2號主體已擺出的連接件庫進(jìn)行對齊，從2號主體的連接件庫中抓取連接件，并根據(jù)控制中心發(fā)來的2號主體未完成的待連接管道接口位置信息進(jìn)行接口捕捉，進(jìn)而進(jìn)行安裝作業(yè)，信息傳送流程如圖5所示。

圖5　信息傳送流程示意

控制中心不斷掃描各個作業(yè)主體的安裝進(jìn)程，并及時調(diào)遣已完成作業(yè)的作業(yè)主體協(xié)助未完成作業(yè)的主體或者損壞的主體進(jìn)行工作，直至完成所有任務(wù)?？刂浦行牡倪@種調(diào)度方式是基于任務(wù)與能量最佳匹配原則的動態(tài)組織控制。

4結(jié)束語

文章介紹了研制的水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業(yè)機(jī)器人，并對基于該機(jī)器人的群體作業(yè)技術(shù)進(jìn)行了介紹。重點(diǎn)介紹了其群體組成、通訊方式，并結(jié)合實(shí)例對群體作業(yè)技術(shù)進(jìn)行了說明。與傳統(tǒng)的單機(jī)機(jī)器人相比，群體機(jī)器人作業(yè)在作業(yè)效率方面有著較大的優(yōu)勢。

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網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20151206.1019.018.html

adapting piece of pipelines

SUN Zhaoyang1, LI Jiayi2, SHENG Wenli3

1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

2. College of Humanities and Law, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

3. Factory of Amway (China) Co. Ltd., GETDD, Guangzhou 510730, China

Abstract：In order to solve the inconvenience of installing groove-type adapting piece of underwater big caliber oil and gas pipelines, a robot was developed to install the groove-type adapting piece of underwater big caliber pipelines. In order to further improve the efficiency of installing adapting pieces, and shorten the time of laying pipelines, this paper proposed a plan of robot group work technology for installing adapting piece of pipelines, and introduced the composition, communication way, operation procedure and other aspects of the robot group. By using the group work technology of robot, the underwater operating robots can work collaboratively, and the cost can be reduced.

Keywords：robot; group work; pipeline connection; underwater operation; robot formation

通信作者：孫朝陽，E-mail：qhzzszy@126.com.

作者簡介：孫朝陽(1993-)， 男，碩士研究生；

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(201410424092)；山東省青少年教育科學(xué)規(guī)劃課題大學(xué)生學(xué)術(shù)課題(15BSH089)；山東科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新扶持資金資助項目(CX201401)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目(201510424080).

收稿日期：2015-04-13.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-06.

中圖分類號：TP242.3；TD407

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-032-04