深海机器人30秒变人形,脱离人工控制完成海底油井修复

lead:这种新型水下机器人可以在30秒内变成人形,并且无需人工控制就能完成深海任务。

Zhidong在2月17日报道说,埃文阿克曼,《IEEE Spectrum》的特别编辑,几个月前来到美国国家航空航天局的游泳池训练宇航员,去看一艘由休斯顿机电公司制造的机器人潜艇Aquanaut,它能在水中巧妙地变成人形。

Aquanaut外观为亮橙色,看起来像一艘迷你潜艇。从外部来看,它与其他无人水下机器人没有什么不同,但它内部配备了移动电话数据传感器和推进推进器。

Aquanaut代表一种全新的设计。它的创造者休斯顿机电公司希望Aquanaut能彻底改变水下机器人的技术。

1。水下机器人变形的过程类似于变形金刚变成人类的过程,就像电影《变形金刚》中的场景一样。机器人外壳的顶部升起,两条巨大的手臂从两侧伸出,装有传感器的楔形头部旋转到位。转换在几秒钟内完成。这时,原本平滑的潜艇已经变成了半人形机器人,准备开始工作。

埃文阿克曼走进游泳池,感觉漂浮在失重状态。只有任务控制中心可以通过耳机和他交流。两名宇航员正在离他不远的地方练习太空行走,但他没有精力去参观太空训练过程。他此行的主要目的是参观水下机器人“水之舟”。

传统的无人水下机器人通常分为两种类型:用于长距离测量任务的鱼雷型自由游动水下机器人,以及用于支持船只和水下作业的方形遥控机器。休斯顿机电一体化公司希望将这两种模式结合成一个机器人,这是一个前所未有的大胆尝试。

Aquanaut旨在为海底油气设施提供维护服务,这要求拥有和运营这些设施的公司花费大量资金来检查和维护这些设施。在海底极端的工作环境中,他们所依赖的机器人技术几十年来从未发生过根本性的变化。在

Houston Mechatronics的75名员工中,超过24人曾在美国国家航空航天局工作过,他们擅长在极端环境中创造。尼克拉德福德,休斯顿机电一体化公司的联合创始人和首席技术官,在休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心从事高级机器人项目长达14年。他说:“进入水下比进入太空更难。太空?且桓鲈嫉幕肪常碌亩魇欠浅6摹N椅薹ǘ隙ㄔ谒鹿ぷ鞅仍谔展ぷ髂?10倍还是50倍。”

Aquanaut可以从一艘设计用于远程巡航的柔性潜艇变成一个能够执行复杂操作任务的半人形机器人。以下是机器人更换的过程:

1。Aquanaut以一种简化的潜艇模式前往海底工作场所。

2。一旦机器人到达现场,它的船体顶部就会升起,露出两条巨大的手臂和一个楔形的头部。

3。头部装有立体摄像机、3D传感器和声纳系统,旋转到位。

4。机器人展开它强大的手臂,装备有力传感器和爪夹。

自2014年休斯顿机电一体化公司成立以来,尼克拉德福德和其他联合创始人马特翁德勒和雷格伯克已经筹集了超过2300万美元的风险资本。

2。Aquanaut可以远程控制和修理深海设备

我们所看到和听到的大多数关于近海石油和天然气工业的工作都是在平台上完成的,人们在平台上从海面进行水下钻探。平台是整个过程中最明显的部分,但是海底也有很多复杂的基础设施。

尼克拉德福德说:“把机器人放在偏远的地方,在恶劣的数据环境中做有用的工作,最适合:海上工作解决这个大问题。”

海底的井口被金属部件覆盖,以控制碳氢化合物向地面的流动。这些结构包括管道、阀门、歧管和仪表。有些高达四层,通常被称为“圣诞树”。

为了对井口进行日常维护或改变井的产量,“采油树上”的一些阀门必须旋转。此外,潜水员通常无法在300米以下的深井中作业,唯一的方法是使用机器人潜水器。

几十年来,深水油井作业的既定程序是将遥控水下机器人送到井场。然而,除了发送水下机器人本身,还必须发送一艘载有训练有素人员的大型辅助船作为水下机器人的操作基地。水下机器人很少或没有自主权,需要通过地面人员的操作获得权力和控制。这项工作非常昂贵,每天花费几万到几十万美元。

休斯顿机电一体化公司的计划是减少水下机器人对表面控制的需求。Aquanaut不需要电缆或支撑船。它将以潜艇模式到达深海目的地,在那里它会变成人形,张开双臂工作。Aquanaut的每只手臂都配有一个扭矩传感器,并有八个运动轴,类似于人的手臂。

Aquanaut上的机器人手臂也有一个可以转动水下“圣诞树”的阀门,甚至可以操作机器人在内部有效载荷舱中携带的特殊维护工具。

Aquanaut将执行由操作员监督但不直接控制的任务。任务完成后,机器人会自动返回。尼克拉德福德说,这种方法将使Aquanaut部署更快,操作成本比目前的ROV更低。他估计,成本可能远低于传统企业市场价格的一半。

经过无数次设计迭代,Aquanaut终于诞生了,但它仍需要在更可控的条件下证明自己,才能真正在海底工作,这意味着Aquanaut必须在美国宇航局的游泳池里练习“游泳”。

美国国家航空航天局的中性浮力实验室(NBL)可以容纳2350万升水,最大深度为12米,足以容纳国际空间站的大多数全尺寸模型。2019年3月下旬,休斯顿机电一体化公司部分接管了NBL,以测试Aquanaut。

水下10米,埃文阿克曼带着两个氮气罐在水中跟踪机器人。到目前为止,Aquanaut已经成功测试了8天。唯一的问题是手臂有通讯故障。但是休斯顿机电公司并不担心。他们知道要让Aquanaut达到真正的工作标准,还有很多工作要做。

3。Aquanaut在应用中面临三大挑战。

据海底技术的先驱查克理查兹说,过去几年的低油价削减了利润,导致石油公司之间的竞争加剧和新技术的采用。查克理查兹的休斯顿公司,加州理查兹联合公司,为包括休斯顿机电公司在内的数十家海底公司提供设备。

Aquanaut相对于传统水下机器人的主要优势在于其不受限制的操作。休斯顿机电一体化公司要实现其功能必须解决几个关键问题。

首先,让机器人在没有大型支撑船的情况下到达海上施工现场。水下机器人可以在水下模式下行驶200多公里,到达目的地后会自动切换到水下机器人模式。隐藏在船体内部的额外推进器可以使它更具机动性。

机器人变形的过程是另一个重大挑战,也是休斯顿机电一体化公司争论的焦点。Aquanaut的总工程师Sandeep Yayathi认为,建造Aquanaut的好处远远超过其复杂性带来的困难。最后,他们决定冲破重重困难,完成阿奎特的设计。

为了让Aquanaut能够如此大幅度地改变它的形状,机器人配备了四个定制的线性驱动器来分离机器人的上部和下部。额外的马达也是高度定制的,安装在防水外壳中,驱动手臂和头部。就功率而言,Aquanaut使用的锂离子电池类似于电动汽车中使用的锂离子电池。从潜艇到机器人的完全转换只需要30秒。

也许这些挑战没有设计Aquanaut的控制系统重要。传统的水下机器人有多个实时摄像机用于视频传输,操作员可以实时操纵这些机器人。

Aquanaut的唯一通信方法是通过声学调制调节器。虽然这种成熟的技术在水下有几十公里的范围,但它有高延迟和低带宽的缺点,最快的传输速度只有每秒几千字节。休斯顿机电一体化公司计划依靠小型无人驾驶水面舰艇作为机器人和通信卫星之间的中继站,来控制任何地方的Aquanaut。

休斯顿机电一体化公司计划对Aquanaut进行高级监督和控制,将大多数低级决策委托给机器人的机载计算机。这些计算机运行机器人操作系统(ROS),这是一个受欢迎的研究和商业机器人软件平台。机器人使用头部的传感器组件,包括立体摄像机、结构光传感器和声纳系统,来构建周围环境的详细3D渲染图。Aquanaut将高度压缩的子零件传输给操作员,使其与现有的结构模型相匹配。

然后,操作员给出一个简单的命令,例如“在这些坐标下顺时针旋转阀门90度”机器人将自主决定如何抓住阀门以及旋转时施加多大的力,并在完成任务后发回确认信息。操作员仍在指挥机器人的运动,但不需要手动操作机器人或传输高带宽实时视频。

4。Aquanaut将拥有一个3000米深海

休斯顿机电一体化系统的扩大版本,其长期计划是将Aquanaut的功能作为一项服务出售,使用分布在北海或加利福尼亚海岸的一个小型机器人舰队。石油和天然气公司只需要简单地请求完成指定的任务,休斯顿机电一体化公司将安排最近的机器人来处理它。

尼克拉德福德说:“操作一个传统的水下机器人大约需要七个人。我们认为我们可以反向操作七艘潜艇。”休斯顿大学机械工程教授兼国际海底工程研究主任马修弗兰克说,问题的风险可能更高,因为低带宽连接和运营商只能在一个周期内间歇运行。他说:“Aquanaut具有很强的不确定性,我担心运营过程中会出现故障,可能会带来严重的财务和环境后果。尽管这项技术令人兴奋,但他们需要证明它能够工作。”

当前版本的Aquanaut主要是一个演示和测试平台,设计用于相对较浅的水域,最大操作深度为300米。虽然这个版本可以在世界上许多地方进行商业运作,但休斯顿机电一体化公司已经在设计一个可以行驶数百公里并达到3000米深度的放大版本,它可以服务于墨西哥湾等地区。

结论:水下机器人将完成更多的非商业工作

商业操作不是休斯顿机电公司对Aquanaut的唯一探索。2018年底,美国国防部高级研究计划署宣布了一个名为“钓鱼者”的项目,旨在“开发一种能够导航和物理操纵潜艇物体的潜艇自治系统。”美国国防部高级研究计划署在其声明中附上了一张流线型双臂机器人潜艇的图片。这个概念对休斯顿机电一体化公司来说是一个好机会。

Aquanaut为下一次NBL测试做好了准备。它的首次公开水域演示可能会在8月罗德岛的一次海军技术演习中进行。尼克拉德福德说,他的兴趣是从事大胆创新的工作,这将被证明是完成水下工作的更好、更具成本效益的方法。

原件:电气和电子工程师学会频谱

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