“好设计”金奖！点赞哈工程“海洋钢桩水下检测机器人”
日前，2022中国创新设计活动周暨中国“好设计”颁奖大会在无锡举办，哈尔滨工程大学“海洋钢桩水下检测机器人”荣获金奖。本届中国“好设计”我省荣获三项金奖，这也是我省首次获得中国“好设计”金奖。
“海洋钢桩水下检测机器人”项目由哈尔滨工程大学水下机器人技术国家级重点实验室完成，王刚副教授为成果的第一完成人，研究团队包含了学校船舶与海洋工程、机械工程学科的教师和学生。
该项目曾得到央视新闻、光明日报等20余家主流媒体的关注报道。
中国“好设计”奖是由中国工程院指导，中国创新设计产业战略联盟主办，中国机械工程学会承办，以中国工程院为依托，汇聚国内众多设计典范的产品、系统、工艺与流程等典型案例，打造的创新设计领域国内权威设计大奖。
据了解，本届中国“好设计”奖由单位自主申报、省市推荐、区域专家评审推荐、全国初评、院士专家评审等层层选拔，在871个创新设计项目中产生金奖10项、银奖20项、创意奖40项、提名奖10项。
中国“好设计”奖评选活动至今成功举办六届，评选出了一大批中国好设计，也推出一大批中国好企业，树立一大批中国好品牌。
海洋导管架和风电塔桩等海洋平台多采用钢结构，钢管对接、相贯焊缝质量直接关系到结构安全。而其长期受到风（台风）、波浪、海流等交变载荷及海水腐蚀等因素作用，结构物会形成破坏性裂纹，严重降低了海洋平台水下结构的强度，因此为了避免构件断裂，影响海洋平台的运营安全，需要进行周期性的焊缝检测，提前发现潜在的安全隐患。
针对上述需求，团队设计了海洋钢桩水下检测机器人，在设计方面大胆创新，针对传统检测方式存在的弊端，在多方面展开创新设计：
1
设计变磁力吸附装置，让机器人运动更稳定
机器人在被检测对象表面运动过程中不可避免地会受到流场扰动影响，为了让机器人作业过程中运动更稳定，团队通过流体动力学仿真软件精确计算了在不同流速、位置、角度、运动速度下的流场扰动与吸附力之间对应关系，设计了非接触式变磁力吸附装置，能够跟据扰流情况灵活调节吸附力，从而有效地平衡了吸附力与机器人运动之间的关系，使得检测过程中机器人的运动更加平稳高效。
2
人在环中，让设备更易用
为了把检测人员从复杂的操作中解放出来，团队研究开发了人在环中的半自主检测技术，机器人可以自主跟踪焊缝，在检测到疑似缺陷时操作人员可以专注于对检测效果影响最大的运动轴，其他的运动轴则由机器人自动解算，极大地简化了操作人员的操作。
3
设计三段式结构，适配不同钢桩尺寸
海洋结构物管径最小是0.5m，而最大的可达8m左右，面对管径差距如此悬殊的海洋结构物钢桩，如何兼容各种形式的海洋结构物的管径也是一大难题。团队成员巧妙将机器人的结构设计成可重构的三段铰接形状，通过改变铰接处两段间的角度，满足了机器人兼容不同管径的检测任务。
4
设计空间凸轮机构补偿高度偏差，让检测结果更准确
机器人检测时需要将超声传感器贴合到被检测物表面，由于检测对象结构尺寸差异，导致传统方法影响了超声探头与接触面间的接触力大小，对检测结果的一致性造成影响。研究人员提出了基于空间凸轮机构的高度差补偿设计方案，弥补90%的高度偏差，从而保证探头与被检测管面的接触力保持在一定范围内，进而保证了检测结果的一致性。
5
设计了“3+2”的机械手构型，解决TKY型空间结构焊缝检测难题
空间结构焊缝为两个钢管相交形成的空间相贯焊缝，一般分为T型、K型、Y型三种表现形式，其结构形式复杂，将其进行平面展开后为一条曲率连续变化的曲线，按照国际、国内检测规范，检测时不但要保证超声探头匀速稳定运动，而且要保证超声探头垂直被检焊缝才能得到精确有效的检测信号，上述要求导致目前该种焊缝的水下检测仍是国际难题。
该设计成果为机器人设计了3+2的机械手检测机构，其中“3”是指机器人具有三个主动自由度，用来跟踪、拟合焊缝曲线并保证探头垂直焊缝；“2”是指探头的两个被动自由度，用来补偿因为调整探头垂直于焊缝而带来的探头姿态的变化，保证探头与被检测面的贴合。主、被动自由度的综合设计，解决了针对TKY型结构焊缝的检测难题。
该成果已在渤海锦州油气田完成了海上导管架模拟体测试，预设20处缺陷全部检出，在中广核如东海上风力发电场完成实际检测任务。检测结果表明，该成果大幅度降低了检测成本，解决了潜水员水下检测作业时间窗口期短和安全隐患问题。
团队介绍：
哈尔滨工程大学水下机器人技术国家级重点实验室，成立于2002年，奠基人为中国工程院院士徐玉如教授。实验室以水下机器人、水面无人海洋装备等海洋无人系统为研究对象，先后获得国家科学技术奖4项，省部级科学技术奖30余项，是国家级科技创新团队。实验室依托的船舶与海洋工程学科，是国家"双一流"建设学科，教育部评估A+学科，是我国船海领域的科学研究和人才培养基地。以实验室成立国内第一个“海洋机器人”专业，负责该专业本硕博贯通高层次人才培养，是全国教育系统先进集体。
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哈尔滨工程大学
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撰文 | 朱虹
信息来源 | 船舶工程学院
排版 | 柳力豪 朴立坤
责编 | 霍萍
审核 | 吕冬诗 金声