0引言

随着科技的不断发展和人类社会的不断进步，人们对原油资源的依赖越来越高，目前石油开采方法主要为陆地钻井平台和海洋钻井平台，陆地钻井平台开采技术已经趋于成熟，但是陆地上的油气资源远远不能满足我们的生产生活，近些年来人们把注意力转移到对海上石油资源的探索^[1]。但是对于我国来说海洋钻井平台原油开采技术还不是很成熟。导管架是桩基固定式海上平台的重要支撑，它是由打入海底的庄主来支撑整个平台，能承受浪，风等外力作用。目前导管架平台是世界上使用最多技术相对成熟的支撑平台，随着技术发展它主要安装在水下几十米到三四百米的深度，面对着十分复杂的环境，如海水的侵蚀，海生物的附着，结构的老化等等^[2]。如果这些问题得不到解决，他们产生的外在的破坏慢慢累积，使导管架的表面产生严重损伤，海洋平台承载能力大幅下降，其使用寿命和安全系数明显下降。

由此看来，定期清理导管架表面上附着的海生物等生物是目前的迫切之急，目前主要依靠由潜水员携带喷枪工具进入海中作业，打磨除去钢管表面的海洋生物和铁锈或者用人工携带高压喷水水设备潜入海中进行清洗，因为机器人在0-300米深的海中作业，危险性高，废人力物力，清洗成本高，效率低^[3]。海洋平台导管架清洗机器人的研究具有重要的意义，所以该机器人的研究工作已经开始受到科研院所及部分高校的重视。

1海洋平台导管架清洗机器人研究现状及分析

海洋平台导管架清洗机器人工作环境比较恶劣，按其作业方式可分为人工携带机器人、远程遥控机器人和自动清洗机器人。其中自动清洗机器人自动化程度高，作业效率高，作业成本低等优点，代表了未来海洋平台导管架清洗机器人的发展方向。

1.1清洗机器人运动方式

导管架清洗机器人在作业时，需要克服导管架上海生物及海水流动对机器人运动的阻碍，为提高机器人在运行过程中具有很强的稳定性和可靠性，目前清洗机器人的运动机构对实现导管架海生物的清洁，根据清洗机器人的行走方式不同分为轮式驱动式、吸附攀爬式、仿生式等。

（1）吸附攀爬式机器人

由于海洋平台导管架的直径不同，为了使机器人能够完成导管架表面的清洁工作，必须将其吸附在导管架表面，并能承受海下的气流波动和压力等外界因素。结合国内外科研机构对海下机器人吸附方式的研究，主要有磁吸附、负压吸附、推力吸附，黏附材料吸附。

张建新等人^[4]设计了一种8自由度的可吸附于导管架钢管的攀爬机器人，其中6自由度电磁铁吸附机构可实现对于海洋导管架的空间攀爬，具有2自由度的高压喷枪驱动机构可以完成导管架一定范围的清洗，控制策略采用大功率关节分时单步驱动和小功率关节多轴联动相结合的方法，能大大降低机器人的最大功率。这种清洗机器人灵活性较高，虽然可以很好的适应导管架结构的复杂性与工作环境的特殊性，但自由度过多，系统存在的机械共振点越多，运动轨迹越复杂，精度控制越困难，容易导致关节自锁。

（2）轮式驱动式机器人

轮式驱动只要包括多轮式和履带式，其中多轮式清洗机器人爬行灵活性较强，履带式清洗机器人的履带与导管架的接触面积大，具有越障能力强，运行稳定的特点。

岳春梅等人^[5]设计实现了一种海洋导管架四轮磁吸附式水下清洗机器人，该机器人采用永磁驱动、四轮攀爬式及双旋转刷的设计方案，其中吸附方式采用传统的磁轮与磁体阵列组合的形式，提高了磁吸附的稳定性；在清刷装置的刷头连杆部位设计了往复结构，能够有效避免机器人因清刷作业时颠簸而失效的情况。不足之处，该机器人的清洗效率较低，只适用于导管架上直径较小的水平支撑梁和斜支撑梁的清洗作业，不适合导管架的主支撑架的清洗。

浙江大学杨灿军^[6]教授带领的HOME研究团队开发出一种海洋生物清洗机器人，该机器人采用永磁体和履带式结合的移动方案使其在作业过程中可以牢牢吸附于导管壁，清洗装置采用新型设计,使水高速流过空化喷嘴产生大量空化泡,空化泡随射流喷射到被清洗表面,清除表面附着物。海洋试验结果表明，该方式可以完全取代潜水员在水下进行海洋生物清洗工作，这样不仅提高了清洗效率，减小了了功耗。而且还可以用来清洗水池底污垢、清洁船体表面铁锈、桥梁清洗检测等，具有十分广阔的未来应用领域，有望带来深远的的经济效益和社会利益。该机器人在超过100米较深的作业环境并不能完成自动化清洗，清洗速度较低。

1.2清洗机器人清洗方式

机器人清洗装置主要分为两种，高压喷头式和刷头式。高压喷头式需要利用高压泵将水通过水管运送到喷头进行清刷导管壁，该方式清洗效果虽好，若作业水深为较大，所需的水管较长且水下导管架结构复杂，水流波动也会对导管与喷头的连接处产生较大的力，但会使机器人的稳定性下降^[7]。另一种为安装在机器人本体上的水泵直接对水加压，输送到喷头进行清洗，这种方式不需要导管输送水，但受水泵的功率及携带电池容量限制，清洗效果较差。故采用刷头式清洗机构避免了上述缺点，在液压马达或电机的驱动下，刷头在导管架表面做旋转运动^[8]，他们之间会产生离心应力会使表面的海生物等附着物向外散开，为保证有良好的清洁能力又得避免刷头与导管架表面产生的摩擦力过大导致机器人行走不稳定,所以要选择合适的刷头材料，设计合适的刷头速度以及刷头与导管架表面的摩擦力矩。

2海洋平台导管架清洗机器人发展趋势

海洋平台导管架清洗机器人的研究和设计，国内外目前尚未取得较大的进展。近些年来，我国的导管架机器人已经有众多科研人员进行开发，但仍存在结构复杂，效率低，功能单一的问题，针对目前海洋平台导管架清洗机器人的研究状况，该类型机器人的发展存在如下几个趋势：

（1）功能多样性。由于不同海洋平台的导管架的直径不同，并且想要应用其他环境，因此需要该机器人在设计上具有更高的技术性及功能的多样性，来更好的适应不同的应用场景。

（2）较高的自动化作业。当前的海洋平台导管架清洗机器人在使用过程中，人工的参与度还是较高的。在未来的发展中，该类机器人的自动化程度将会越来越高，机器人上会装有多个控制、传感等智能模块，并结合5G技术、大数据及云服务技术，可以自动识别和记录路径，既可以手动控制也可以自动控制机器人完成任务，同时可以将各个场景的数据传输到云端，对数据进行可视化处理。

3结束语

本文综述了国内近些年来有关海洋平台导管架清洗机器人的研究，总结了该类机器人存在的缺点，主要有以下几点：（1）清洗效率较低（2）智能化程度低（3）清洗成本高。因此在未来的研究中结合人工智能等先进技术，使该类机器人应用场景多样化，智能化操作和控制，以提高清洗效率和质量，降低清洗成本。

[参 考 文 献]

[1]戴志豪、王永政、缪军翔：《海洋钻井平台防腐技术的研究》，《管理观察》2017年第32期，第38-39页。

[2]宋永香王志政：《海洋生物及其粘附机理——微生物、小型海藻、巨型海藻、贻贝》，《中国胶粘剂》2002年第04期，第48-52页。

[3]王英飞：《海洋平台导管架海生物清洗机器人研究》： 天津职业技术师范大学, 2015年。

[4]张建新、张兴会、王仲民等：《海洋平台导管架清洗机器人步态研究》，《机械设计与制造》2017年第04期，第250-252页。

[5]岳春梅、刘书海、姜明明：《海洋导管架四轮磁吸附式水下清洗机器人设计》，《石油矿场机械》2021年第01期，第15-22页。

[6]浙大研制出哈姆海生物清洗机器人》，《机器人技术与应用》2017年第5期，第7页。

[7]陈彦臻、胡以怀：《船体表面附着物清洗技术的研究及应用》，《表面技术》2017年第10期，第60-71页。

[8]吕长生：《水下船体表面清刷机器人工程样机的研究》： 哈尔滨工程大学, 2006年。