管道連接件安裝作業機器人群體作業技術研究

孫朝陽,李佳奕,盛文利

1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590

2.山東科技大學 文法學院，山東 青島 266590

3. 安利(中國)日用品有限公司廣州經濟技術開發區工廠，廣東 廣州 510730

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管道連接件安裝作業機器人群體作業技術研究

孫朝陽1,李佳奕2,盛文利3

1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590

2.山東科技大學 文法學院，山東 青島 266590

3. 安利(中國)日用品有限公司廣州經濟技術開發區工廠，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機器人。同時為了進一步提高連接件的安裝作業效率，縮短鋪管作業時間，提出了管道連接件安裝作業機器人群體作業技術方案，并從機器人群體的組成、通訊方式、作業流程等方面進行了介紹。借助機器人群體作業技術，可以使得水下作業機器人協同作業，節約生產成本。

關鍵詞：機器人；群體作業；管道連接；水下作業；機器人編隊

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系統與陸地石油生產系統的重要途徑。由于水下環境較為復雜，傳統的人工作業難以滿足深水大口徑管道連接件的安裝作業要求。管道連接件主要有法蘭式、卡壓式和溝槽式3種，目前國內外針對前兩種連接件的安裝機具研究較為成熟，針對溝槽式連接件的安裝機具相對較少[1-3]。為了解決水下大口徑管道溝槽式連接件的安裝作業問題，研制了水下大口徑管道溝槽式連接件安裝作業機器人原理樣機[4]，為了進一步提高作業效率，提出了機器人水下群體作業的方案。

1機器人設計方案

實驗室研制的機器人由控制中心和水下作業主體2部分組成，如圖1所示。控制中心(圖1(a))安放在母船上，用于對水下作業主體進行控制，水下作業主體(圖1(b))攜帶連接件進入水下進行溝槽式連接件的安裝工作[5-6]。

(a) 控制中心

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

水下作業主體為無纜水下自治機器人。為了模型的制作方便，使用氣動系統代替了液壓系統，而且控制中心和水下作業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行預安裝，并將預安裝好的連接件安放到水下作業主體的連接件庫中。水下作業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前期的路徑規劃進行[7]，進行姿態調整，當管道接口位于水下作業主體左右固定裝置之間時控制開合機構閉合，使得水下作業主體固定在待連接管道上，為機械手的工作提供穩定的作業平臺?？刂茩C械手移動，從連接件庫中抓取一個連接件，然后控制機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水下監控設備傳回的圖像進行連接件位置的調整，該功能對水下作業主體視覺控制系統的要求較高[8]，而且由于水下無線圖像傳輸的技術問題，在進行圖像信號傳輸時，水深不宜過深。

抓取了連接件的機械手如圖2所示。

圖2　抓取有連接件的機械手

此時，密封圈推送裝置將預先套裝在管道上的密封圈推送到管道接口位置，然后控制機械臂下降，使得連接件安放到管道接口位置，此時再控制機械手的夾緊裝置，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行預緊。至此，就完成了一個連接件的安裝。

2機器人群體作業技術方案

水下管道連接件的數量較多，與傳統的人工作業相比，使用機器人作業雖然在一定程度上提高了作業效率，但是單機作業效率仍低于多個機器人并行作業效率，而且當一臺水下作業主體發生故障之后，必須立刻使其浮出水面返回母船，因而可靠性較低。

為了進一步提高作業效率，應當使用多個水下作業主體進行并行作業。即多個水下作業主體組成一個相互協調、共同實現管道連接件安裝作業的群體系統。與傳統的單機機器人相比，x個協同作業的機器人作業能力大于一個單機器人系統的x倍，使用群體機器人系統可以大大提高效率[9]。

2.1群體組成

在本機器人群體中，每個機器人的結構相同、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主體進行管道連接件的安裝作業，多臺機器人在作業時不存在作業工序上的先后順序。

2.2群體通訊方式

因為在進行管道連接件的安裝作業時每次派出水下作業主體的數量不確定，而且水下作業主體造價昂貴，為了保證良好的通訊質量和作業安全，群體采用集中式通訊方式。該通訊方式系統圖如圖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主體進行通訊，每個作業主體將感知到的環境信息、作業進程等信息實時上傳到控制中心，控制中心將控制指令實時發送給水下作業主體。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的穩定性，而且避免了高度集中的通訊系統由于局部問題而造成整體失效的問題。

圖3　集中通訊方式

水下作業主體上帶有水聲換能器，在作業時，以母船為圓心，距離母船最遠的作業點為半徑的水域內放置浮力球，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。水下作業主體和浮力球之間通過水聲換能器進行水聲通訊。

2.3控制系統

機器人群體作業技術是建立在高度自動化控制的基礎上的，為了更好地對群體中的機器人進行控制，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

每個水下作業主體均與控制中心直接進行通訊，將所在方位、單個連接件安裝作業進度、機器人運行狀況等信息參數傳送至機器人上的通訊模塊，通訊模塊反饋的信息通過總線傳輸，經由控制端的通信模塊后進入控制中心。在控制面板上選擇某一編號，便可以看到對應的機器人的狀態信息。

控制中心根據水下作業主體的工作進度和運行狀態將每個水下作業主體需要工作的地理信息、位置信息發送過去。

3案例說明

以某一工作案例對控制流程進行說明：由于各個水下作業主體性能的差別以及在水下作業環境的不同，水下作業主體的作業進度上會存在一定的差別，以一共有4臺水下作業主體進行作業為例，假設1號主體已經將所攜帶的連接件全部安裝完畢，當1號主體將作業完成的信息傳送到控制中心之后，控制中心發出等待指令，然后讀取剩余3臺作業主體各自的總安裝進度并進行比較，假設2號主體安裝進度最慢，控制中心發出指令，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送給1號主體，同時控制中心將授權碼發送給1號主體和2號主體，1號主體前往2號主體位置，并將獲得的授權碼發送至2號主體，2號主體接收后與自己接收到的授權碼進行比對，驗證成功后2號主體停止作業，并將機械手移動到遠離連接件庫的位置，控制連接件庫側位擺出，庫門打開。同時2號主體向1號主體反饋信息提示通過驗證，1號主體接到反饋后控制機械手側位擺出，并通過姿態調整與2號主體已擺出的連接件庫進行對齊，從2號主體的連接件庫中抓取連接件，并根據控制中心發來的2號主體未完成的待連接管道接口位置信息進行接口捕捉，進而進行安裝作業，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主體的安裝進程，并及時調遣已完成作業的作業主體協助未完成作業的主體或者損壞的主體進行工作，直至完成所有任務?？刂浦行牡倪@種調度方式是基于任務與能量最佳匹配原則的動態組織控制。

4結束語

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機器人，并對基于該機器人的群體作業技術進行了介紹。重點介紹了其群體組成、通訊方式，并結合實例對群體作業技術進行了說明。與傳統的單機機器人相比，群體機器人作業在作業效率方面有著較大的優勢。

參考文獻:

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[5]孫朝陽, 盛文利, 齊輝, 等. 水下溝槽式管道連接件安裝作業機器人設計[J]. 機械設計與制造, 2015(5): 127-129, 133.

[6]孫朝陽, 李佳奕, 盛文利, 等. 深水復雜環境下大口徑管道溝槽式連接器安裝作業機器人[P] 中國: 201410394908. 2015-02-11.

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[9]戴瑜, 劉少軍. 深海采礦機器人研究: 現狀與發展[J]. 機器人, 2013, 35(3): 363-375.

[10]張海英, 劉祚時, 林桂娟. 群體機器人研究的現狀和發展[J]. 電子技術應用, 2004(1): 1-3.

[11]孫朝陽, 李佳奕. 管道連接件安裝機器人液壓系統管路精簡設計[J]. 液壓與氣動, 2015(10): 36-39.

網絡出版地址：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：國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目(201410424092)；山東省青少年教育科學規劃課題大學生學術課題(15BSH089)；山東科技大學大學生創業創新扶持資金資助項目(CX201401)；國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目(201510424080).

收稿日期：2015-04-13.網絡出版日期：2015-12-06.

中圖分類號：TP242.3；TD407

文獻標志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-032-04