一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人及其海上作业方法

1.本发明属于海洋平台系泊系统检测技术领域，具体涉及一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人。


背景技术：

2.对于海上浮式平台来说，其海上保持稳定作业主要依赖系泊系统。目前，我国南海海域的半潜式生产和钻井平台、采用悬链浮筒式单点系泊的原油外输终端、海上漂浮式风电平台等都采用锚泊式系泊系统进行海上定位。对于浮式生产平台，由于其长期在位作业，海生物附着会加大结构受力，削弱平台荷载能力，海生物分泌物会加快结构腐蚀。由于锚链结构受交变载荷影响，也会产生疲劳问题。此外，意外的撞击也会导致锚链结构受损。一旦系泊系统发生安全事故，将导致巨大的经济损失，并可能引起严重的海洋环境污染。因此，海上浮式平台系泊系统的定期表面海生物清理和结构检测是平台运维中非常重要的一环。根据作业区安全保障要求以及船级社强制要求，还要定期进行检测，包括外观检查、厚度测量、电位检测以及无损探伤等工作。
3.目前，系泊系统的水下结构检测主要由潜水员完成，但潜水作业仍存在以下问题：
4.(1)作业风险高。潜水作业本身就属于高风险作业，海流、内波等海洋环境的影响会给水下作业带来很大安全隐患，再叠加上其携带水下作业工具、脐带缆以及高压水管，使得潜水操作难度极高；
5.(2)作业能力限制。一方面，由于人力原因，潜水员所能携带的设备重量是有上限的。另一方面，在通常情况下，空气潜水作业最大深度为50米，超过50米水深时，则要采用饱和潜水作业，而饱和潜水作业成本高、有效作业时间有限，并且受到水压影响，潜水员最大下潜深度有一定限制。随着海上浮式平台逐渐向深海建设，水下潜水作业可操作空间占比将越来越小；
6.(3)作业环境窗口受限，施工周期长，作业效率低。潜水作业窗口受到海洋环境条件、温度、涡流、能见度等诸多方面影响，作业窗口有限且不连续。空气潜水每天可作业时间最多约8小时，若到了饱和潜水深度可作业时间将大幅减小。由于单个浮式平台系泊链数量较多，长度可达到10km，因此检测工作量大，需耗费大量时间。
7.考虑到潜水作业的高风险、低效率等缺陷，在深水区会使用作业级水下遥控机器人(rov)进行检测作业。rov依靠动力设备以浮游状态进行水下作业，广泛应用于海洋资源开发，具有水下结构和设施安装、维修、清理、检测等多种功能。但rov操作费用高，另外由于rov处于悬停状态下作业，对于漂浮式的锚链，检测难度极高，且精度和可靠性得不到保障。因此，具有成本优势的系泊系统检测工具将会成为显著影响运营成本的核心技术之一，系泊系统高水平检测技术能力和保障海洋工程装备安全对于保障全球海洋资源安全和海洋环境安全具有重要意义。
8.为了解决人工潜水作业和rov水下作业的局限性，目前国内外针对系泊链水下检
测提出了一种基于爬链技术的新型检测机器人，同时制造了一定数量的工程样机并进行了水下试验，虽然取得了一定进展，但现阶段系泊链检测机器人仍存在以下缺陷：
9.(1)现有水下锚链检测机器人成本高，结构过于复杂，且多数检测机器人总体重量太大，操作繁琐；
10.(2)国内外提出的锚链检测机器人总体研发水平较低，技术不成熟，大多停留在理论分析和设计阶段，具有商业价值的样机非常少；
11.(3)现有水下机器人适应性较差，尚未考虑到不同级别系泊链之间的尺寸差异；
12.(4)现有浮游式水下机器人难以满足检测作业所要求的作业稳定性；
13.(5)现有爬行式机器人爬链能力不足，对系泊链的要求很高，相邻链节不能发生弯曲、扭转。
14.因此，本技术提出了一种应用于海上浮式油气平台、海上漂浮式风电平台、浮式生产储卸油装置等浮式海洋平台系泊系统的新型智能检测机器人。


技术实现要素：

15.本发明的目的是提供一种设备搭载能力强、作业稳定性好，且系统维护方便的新型爬链机器人，以解决背景技术中指出的诸多问题。
16.本技术是通过以下技术方案实现的：
17.一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人，由若干模块连接而成，所述模块包括框架机构、夹紧机构、移动机构、检测机构、连接部件、动力及控制机构以及其他部分，所述框架机构为一个八棱柱的外形结构，所述框架机构由四种主框架、两种连接框架通过连接部件连接而成，所述四种主框架分别为主框架一、主框架二、主框架三、主框架四，所述的每种主框架均由两个不同的单元框架通过连接部件连接而成，两个单元框架分别为单元框架一和单元框架二，其中单元框架二的两侧均开有插口，插口上安装有夹紧机构，移动轮通过夹紧机构安装在该单元框架的内侧，处在相对位置的两个移动轮为一个移动单元，其中一个移动轮与夹紧机构的压紧端连接，另一个移动轮与调节端连接，每个移动轮两侧的夹紧机构为同一端。所述移动机构包括驱动电机和移动轮，所述驱动电机为无框电机，安装在移动轮内部，无框电机和移动轮整体固定在滑块上，并随滑块在滑槽内移动，所述框架机构外侧固定有浮力材料，所述框架机构顶部设有四个起吊接头，所述单元框架一、单元框架二内侧均设有横梁，横梁上固定有检测机构，所述检测机构包含水下灯、水下摄像机、厚度测量仪、检测探头，所述控制机构集成在控制箱内，所述动力机构安装在动力舱内，动力舱与控制箱相对独立布置，整个机器人的电源由电池提供。
18.进一步，所述主框架一包括基础单元框架一、基础单元框架二，所述主框架二包括对立单元框架一、对立单元框架二，所述主框架三包括扭转单元框架一、扭转单元框架二，所述主框架四包括扭转对立单元框架一、扭转对立单元框架二，所有的单元框架一和单元框架二均为h形结构，所述单元框架二的底端两个脚的侧面分别开有u形槽，与单元框架一的顶端两支脚相配合，所述单元框架二顶端两脚靠近顶点处均开有两个插口，插口上固定有滑槽，另外所述的主框架一和主框架二的顶部端点处分别延伸有实心球体，底部端点延伸有半球形薄壁。
19.进一步，位于最上方的实心球体设计成起吊接头，和吊钩相连接，在所有单元框架
二的u形槽内每间隔40mm均开有一个安装孔，共计四个，所有单元框架一与u形槽配合的一端仅开有一个孔，两个单元框架通过安装孔利用连接部件连接成一个主框架。
20.进一步，所述主框架四个端点处留有螺纹孔，连接框架两端同样留有螺纹孔，两者通过螺栓连接，其中主框架三的四个端点中，以竖直轴线为分界线，将其中一侧的两个端点的螺纹孔改为螺柱，螺柱底部为光柱，不设有螺纹，扭转连接框架一端套在光柱处，螺柱顶部用螺纹帽拧紧防止松脱，另一端与其他主框架的螺纹孔连接，开闭框架时，利用主框架三螺柱处光柱部分和扭转连接框架相互旋转完成。
21.进一步，所述夹紧机构可使移动轮紧贴系泊链表面，并具有一定的调节能力，机构分为压紧端和调节端，压紧端确保移动轮能够夹紧系泊链，调节端负责调节压紧力的大小，压紧端包括滑槽、内螺母滑块、滚珠丝杠、端盖、旋钮，调节端包括滑槽、实心滑块、弹簧、弹簧丝杠、端盖、旋钮，滑槽固定在单元框架二的插口上，其主体为一个长方体，内部是圆形导轨，导轨从初始端面沿着滑槽长度方向延展，但未贯穿整个滑槽，滑块可在导轨上移动，在侧面留有缝隙，滑块上的细长轴从缝隙延伸而出并与移动轮连接，在压紧端，滚珠丝杠一端与内螺母滑块配合，另一端沿着导轨伸出滑槽，在滑槽的初始端面固定有端盖，端盖开有孔，孔的内径略大于滚珠丝杠直径，压紧端端盖孔的内壁没有螺纹，丝杠从孔内伸出并与旋钮连接，通过旋钮调节丝杠，将丝杠的旋转运动转化为滑块的直线运动，所述调节端中的滑块改为实心滑块，滑块紧邻弹簧，弹簧的另一端装有丝杠，此处的端盖内孔有螺纹，通过旋转丝杠，利用端盖内孔与丝杠的螺旋运动，使弹簧丝杠前进或后退，从而压缩或释放弹簧，以此调节压紧力。
22.进一步，所述移动轮的横截面为一工字形结构，由两个圆形轮通过空心轴连接形成，整体为对称结构，移动轮外圈为软性材质，目的是为了在压紧时增大与系泊链的接触面，移动轮与无框电机的转子固连，电机定子固连在滑块的细长轴上。
23.进一步，所有的单元框架一和单元框架二均为h形结构，在配合形成主框架时，两个单元框架的横梁不会重合，因此会形成一定的间隙，检测机构依托横梁布置在间隙中；每个模块包含四个间隙空间，每个间隙空间均可布置一套检测装置，检测工具包含水下灯、水下摄像机、厚度测量仪、检测探头，各者的数量并不唯一，可以根据任务择优布置；摄像机与水下灯的配合可以实现系泊链的外观检测，检测探头可以对系泊链进行表层或内部的缺陷检测，而且在未来，随着检测技术的提升，该机器人的检测能力将进一步提高。
24.进一步，所述框架机构外侧装有浮力材料，浮力材料用量需要根据机器人实际重量等因素计算得出，框架机构还固定有一根承重通信光纤缆，既起通信及控制作用，另外可在机器人卡死或其他无法正常工作的情况下将机器人拉回水面。
25.一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人的海上作业方法，包括如下步骤：
26.(1)根据所要检测的系泊链尺寸选择合适的主框架长度，这一步需要用到主框架的伸缩功能，由于系泊链的相邻链节互相垂直，可分为竖直链节和水平链节，每种类型的链节交替排列，所以机器人的移动轮为了适应这种布置方式采用了类似的布置，就其中一种类型的来说，只看竖直或水平的一排链，它的相邻链节之间有一定间隙，这就是移动轮前进时主要的障碍，因此一个模块中有两个移动单元，每个移动单元中的两个轮分别夹在水平链或竖直链的两侧，调节主框架的长度，目的是为了不让两个移动单元同时卡在间隙中；
27.(2)利用吊放设备将机器人移动到水中的系泊链上，使整个框架包围系泊链，然后闭合框架，将压紧端的移动轮与系泊链对齐，并将开闭点进行固定，检测开闭点处弹开装置能否正常工作；
28.(3)在调节端，初始状态时弹簧是处在轻微压缩的状态，因此该处的移动轮处在极限位置并于系泊链贴合，此时在压紧端扭转旋钮，滚珠丝杠旋转，丝杠的旋转会使内螺母滑块产生直线运动，滑块会带动移动轮并与系泊链之间逐渐贴合，最后调节弹簧的弹力，将夹紧力增大到合适的大小，在整个过程中，系泊链尽量保持在机器人框架机构的中心位置；
29.(4)启动电机，机器人沿着系泊链向下移动；
30.(5)检测完成后，电机反转，驱动机器人上移至水面。
31.进一步，所述步骤(1)中系泊链水下检测时，需利用吊放设备进行辅助安装。
32.有益效果：
33.本发明采用模块化设计的思想，整体结构由若干个模块组成，结构简单，便于拆装；水下机器人平台稳定地与锚链固定在一起，这样为探测设备提供了稳定的作业平台，保障了检测的精度和可靠性；单个模块的框架机构具有伸缩的功能，可以改变长度来适应不同链节长度的系泊链；模块之间采用球头和半球面薄壁配合的连接方式，允许相邻模块在轴线上弯曲一定的角度，能够适应真实条件下的系泊链，移动轮内壁与系泊链留有间隙，允许系泊链的链节扭转一定角度；外框架具有开闭的功能，一是便于机器人安装到系泊链上，二是在水下发生意外时，框架能够弹开，从而对其实现回收；采用电池供电与光纤通讯，取消了复杂的脐带缆，另外光纤外加保护层，具有一定的抗拉能力，在发生意外时可以充当回收缆。
34.利用相对简单的机械结构和较低的成本，实现了对海上浮式平台系泊链的水下在位检测，为锚链的监控提供了可参考的检测数据；该机器人使用轮式的爬行方式，运行简单可靠，由于特殊的材质，移动轮可以很好的与系泊链贴合，保证机器人与锚链间相对运动幅度很低，保障了检测作业的可靠性；本发明通过地面的控制台操控，降低了水下检测的危险性，提升了水下作业时间与作业深度；机器人上搭载的检测设备可以提供可视化的检测过程，能够让维护人员清晰的看见系泊链实时的状态，具有良好的应用前景。
附图说明
35.图1是本发明的结构组成及其代号图；
36.图2是本发明中爬行机器人轴测视图；
37.图3是本发明中爬行机器人主视图；
38.图4是本发明中爬行机器人左视图；
39.图5是本发明中爬行机器人俯视图；
40.图6是本发明中顶部框架机构的结构示意图；
41.图7是本发明中非顶部框架机构的结构示意图；
42.图8是本发明中框架伸缩示意图；
43.图9是本发明中夹紧机构压紧端的结构示意图；
44.图10是本发明中夹紧机构调节端的结构示意图；
45.图11是本发明中模块连接处的爆炸示意图；
46.图12是本发明中框架机构扭转处的爆炸示意图。
47.附图标记说明：1.框架机构；11.主框架一；12.主框架二；13.主框架三；14.主框架四；111.基础单元框架一；112.基础单元框架二；121.对立单元框架一；122.对立单元框架二；131.扭转单元框架一；132.扭转单元框架二；141.扭转对立单元框架一；142.扭转对立单元框架二；151.连接框架；152.扭转连接框架；2.夹紧机构；21.内螺母滑块；22.滚珠丝杠；23.旋钮；24.端盖；25.滑槽；26.弹簧；27.弹簧丝杠；28.实心滑块；3.移动机构；31.移动轮；32.驱动电机；4.连接部件；41.连接螺母；42.连接螺栓；43.模块连接件；5.动力及控制；51.动力舱；52.控制箱；6.其他部分；61.浮力材料；62.铆钉；63.弹开装置；64.吊钩；62.螺纹帽。
具体实施方式
48.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
49.参照图2、3、4、5、11所示，一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人，由若干模块通过模块连接件43连接而成。参照图1所示，所述模块包括框架机构1、夹紧机构2、移动机构3、连接部件4、动力及控制机构5、其他部分6，所述框架机构1为一八棱柱的外形结构，所述框架机构由四种主框架、连接框架151、扭转连接框架152通过连接部件4连接组成，所述四种不同的主框架分别为主框架一11、主框架二12、主框架三13、主框架四14，所述主框架均由两个单元框架通过连接部件4连接而成，任一主框架中的单元框架二两侧均开有插口，插口上安装有夹紧机构2，移动轮31通过夹紧机构2安装在该单元框架的内侧，处在相对位置的两个移动轮31为一个移动单元，其中一个移动轮31与夹紧机构的压紧端连接，另一个移动轮与调节端连接，每个移动轮31两侧的夹持机构为同一端，所述驱动电机32为无框电机，安装在移动轮31内部，无框电机32和移动轮31整体固定在滑块上，并随滑块在滑槽25内移动，所述框架1外侧固定有浮力材料61，所述框架机构1顶部设有四个起吊接头，所述单元框架内侧设有横梁，横梁上固定有检测机构，所述检测机构包含水下灯、水下摄像机、厚度测量仪、检测探头，所述控制机构集成在控制箱52内；所述动力机构安装在动力舱51内，动力舱51与控制箱52相对独立布置，整个机器人的电源由电池提供。
50.参照图7所示，所述主框架一11包括基础单元框架一111、基础单元框架二112，所述主框架二12包括对立单元框架一121、对立单元框架二122，所述主框架三包括扭转单元框架一131、扭转单元框架二132，所述主框架四包括扭转对立单元框架一141、扭转对立单元框架二142，所述单元框架一、单元框架二均为一h形结构，所述单元框架二的底端两个脚的侧面分别开有u形槽，与单元框架一的顶端两支脚相配合，所述单元框架二顶端两脚靠近顶点处开有两个插口，插口上固定有滑槽25，另外所述主框架一11和主框架二12的顶部端点处分别延伸有实心球体，底部端点延伸有半球形薄壁。
51.参照图6所示，位于最上方的实心球体设计成起吊接头，和吊钩64相连接。参照图8所示，在所有单元框架二的u形槽内每间隔40mm均开有一个安装孔，共计四个，所有单元框架一中与单元框架二中的u形槽相互配合的一端仅开有一个孔，两个单元框架通过安装孔利用连接部件4中的连接螺母41、连接螺栓42连接。
52.所述主框架四个端点处留有螺纹孔，连接框架151两端同样留有螺纹孔，两者通过连接部件4连接，参照图12所示，其中主框架三的四个端点中，以竖直轴线为分界线，将其中一侧的两个端点的螺纹孔改为螺柱，螺柱底部为光柱，不设有螺纹，扭转连接框架152一端套在光柱处，螺柱顶部用螺纹帽拧紧防止松脱，另一端与其他主框架的螺纹孔连接，开闭框架时，利用主框架三13光柱部分和扭转连接框架152相互旋转完成。
53.参照图9、10所示，所述夹紧机构2可使移动轮紧贴系泊链表面，并具有一定的调节能力，机构分为压紧端和调节端，压紧端确保移动轮能够夹紧系泊链，调节端负责调节压紧力的大小，压紧端包括内螺母滑块21、滚珠丝杠22、旋钮23、端盖24、滑槽25，调节端包括旋钮23、端盖24、滑槽25、弹簧26、弹簧丝杠27、实心滑块28，滑槽25固定在单元框架二的插口上，其主体为一个长方体，内部是圆形导轨，导轨从初始端面沿着滑槽长度方向延展，但未贯穿整个滑槽25，滑块可在导轨上移动，在侧面留有缝隙，滑块上的细长轴从缝隙延伸而出并与移动轮31连接，在压紧端，滚珠丝杠22一端与内螺母滑块21配合，另一端沿着导轨伸出滑槽25，在滑槽25的初始端面固定有端盖24，端盖24开有孔，孔的内径略大于滚珠丝杠22直径，压紧端端盖孔的内壁没有螺纹，滚珠丝杠22从孔内伸出并与旋钮23连接，通过旋钮23调节丝杠22，将丝杠22的旋转运动转化为滑块的直线运动，所述调节端中的滑块改为实心滑块28，滑块紧邻弹簧26，弹簧26的另一端装有弹簧丝杠27，此处的端盖24内孔有螺纹，通过旋转丝杠27，利用端盖24内孔与丝杠27的螺旋运动，使弹簧丝杠27前进或后退，从而压缩或释放弹簧26，以此调节压紧力。
54.所述移动轮31的横截面为一工字形结构，由两个圆形轮通过空心轴连接形成，整体为对称结构，移动轮外圈为软性材质，目的是为了在压紧时增大与系泊链的接触面，移动轮与驱动电机32的转子固连，电机定子固连在滑块的细长轴上。
55.参照图8所示，所有的单元框架一和单元框架二在配合形成主框架时，两个单元框架的横梁不会重合，因此会形成一定的间隙，检测机构依托横梁布置在间隙中；每个模块包含四个间隙空间，每个间隙空间均可布置一套检测装置，检测工具包含水下灯、水下摄像机、厚度测量仪、检测探头，各者的数量并不唯一，可以根据任务择优布置；摄像机与照明灯的配合可以实现系泊链的外观检测，检测探头可以对系泊链进行表层或内部的缺陷检测，而且在未来，随着检测技术的提升，该机器人的检测能力将进一步提高。
56.所述框架机构1外侧装有浮力材料61，浮力材料61用量需要根据机器人实际重量等因素计算得出，框架61外还固定有一根承重通信光纤缆，既起通信及控制作用，另外可在机器人卡死或其他无法正常工作的情况下将机器人拉回水面。
57.一种用于海上浮式平台系泊链检测的爬链机器人的海上作业方法，包括如下步骤：
58.(1)根据所要检测的系泊链尺寸选择合适的主框架长度，这一步需要用到主框架的伸缩功能，由于系泊链的相邻链节互相垂直，可分为竖直链节和水平链节，每种类型的链节交替排列，所以机器人的移动轮31为了适应这种布置方式采用了类似的布置，就其中一种类型的来说，只看竖直或水平的一排链，它的相邻链节之间有一定间隙，这就是移动轮31前进时主要的障碍，因此一个模块中有两个移动单元，每个移动单元中的两个轮分别夹在水平链或竖直链的两侧，调节主框架的长度，目的是为了不让两个移动单元同时卡在间隙中；
59.(2)利用吊放设备将机器人移动到水中的系泊链上，使整个框架1包围系泊链，然后闭合框架1，将压紧端的移动轮31与系泊链对齐，并将开闭点进行固定，检测弹开装置63能否正常工作；
60.(3)在调节端，初始状态时弹簧是处在轻微压缩的状态，因此该处的移动轮31处在极限位置并于系泊链贴合，此时在压紧端扭转旋钮23，滚珠丝杠22旋转，丝杠22的旋转会使内螺母滑块21产生直线运动，滑块21会带动移动轮31并与系泊链之间逐渐贴合，最后调节弹簧26的弹力，将夹紧力增大到合适的大小，在整个过程中，系泊链尽量保持在机器人框架机构1的中心位置；
61.(4)启动电机32，机器人沿着系泊链向下移动；
62.(5)检测完成后，电机32反转，驱动机器人上移至水面。
63.所述步骤(1)中系泊链水下检测时，需利用吊放设备进行辅助安装。
64.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。