智能机器人“出海” 水下维修不再难

在智能水下维修机器人的研发过程中，团队利用结构光增强焊缝特征，使摄像头快速发现缺陷，离线焊缝跟踪后即可进行焊接作业。

由于操作相对繁琐，团队花了近一年时间进行湿焊。通过不断的试错推演，团队最终克服了水下焊接修复的困难，实现了水深小于5米的稳定焊接作业。

七月的黄海之滨，水面波涛汹涌，一排排高100米的白色风扇在风中摇摆。水下暗流涌动，巨大的风扇桩直接插入海底，一个黄色的方形机器人吸附在风扇桩上，完成又一次水下检查作业。

记者7月初从南通大学获悉，南通大学电气工程学院成功研发出集目标识别、表面清洗、无损检测、湿焊于一体的智能水下维修机器人，为未来海洋企业的维修工作提供了新的方向。

没有人在乎月薪20万的工作

茫茫大海上，每天都有许多船只来回航行。在水面上，这些船乘风破浪，气势磅礴；水面之下，各种隐患潜伏在暗处：船体焊接裂纹、海水侵蚀破损……这些小问题往往意味着无尽的烦恼。

出现这些问题该怎么办？最直接的办法就是把船拉进码头维修。然而，这种方法显然不适合船舶在航行中遇到的紧急修理问题。因此，人们想到在水下修理船只。1802年，一位名叫汉弗莱的学者发现电弧可以在水下连续燃烧，这使得水下焊接成为可能。

经过多年的发展，水下焊接已经形成了三种主要方式：干法、湿法和局部干法。其中，湿法焊接是三者中应用最广泛的技术，但其缺点是水具有导电性，安全性差。

目前，水下焊接的实现仍依赖于现阶段的人力。焊接本身就是一项艰苦的工作，水下焊接就更不用说了，很难说。工人经常需要专业的潜水训练。下水前，覆盖电极电焊工、潜水头盔、潜水服、铅带、空气压缩机、氧气瓶、对讲机等。必须全部装备齐全。在水下，他们不仅面临着高水压、高水温的挑战，如果水质脏乱，还会变得“盲目”。

2019年12月，作为南通大学的一名学生，闫春凯在跟随指导员考察南通开沙岛的海洋及近海企业时，了解到水下手工焊接的不便。“业内能下水维修的专业人士非常少。根据中国船级社今年公布的数据，我国持有无损检测水下焊接证书的人员不超过150人，导致船舶维修行业人力资源严重短缺。即使你月薪20万，能做、愿意做的人也很少。”春凯感慨地说。

面对行业的严峻现实和企业的需求，颜春凯在老师的指导下组建了学生科研团队，提出解决方案，设计开发了一款可以代替人类下水维修的机器人。

许多创新有助于水下独立维护

考虑到这一点，团队成员首先调查了市场上的水下维护机器人。他们发现，能够集成检测和焊接技术的水下维修设备是我国行业内的重要研究方向，具有一定的技术难度和广阔的市场前景。

从2020年2月开始，团队一头扎进水下自主维修机器人的研发。

机器人水下作业的第一步是目标识别。该系统根据图像原理，基于先验机制，将潜艇线和目标结构依次划分，实现粗略定位。

“我们到江苏海运龙源风电有限公司(以下简称龙源)实地考察，发现海底的水浑浊，直接影响了水下能见度。”春凯说。针对这一问题，团队在原有视觉识别的基础上，利用声纳对声音信号进行增强，并在机器上增加了辅助光源和偏光镜，还对后期图像进行了增强。

由于长时间浸泡，海洋生物会附着在风电桩基和船底板上表面，识别目标后需要用高压水射流清洗表面，然后进行无损检测。起初，团队试图使用单一的超声波技术进行探伤，但效果并不好。后来，他们将超声波和目视检查相结合，有效地提高了检查精度。

维修后，需要焊接。在实际操作中，水下能见度很低，因此水下焊接往往严重依赖经验。工人一手握焊条，一手握焊工，独立控制焊接角度和强度。如果他们不小心，手套会被烧掉。

在智能水下维修机器人的研发过程中，团队利用结构光增强焊缝特征，使摄像头快速发现缺陷，离线焊缝跟踪后即可进行焊接作业。

“因为操作相对繁琐，我们花了将近一年的时间在湿法焊接上。”春凯说。通过不断的试错推演，团队最终克服了水下焊接修复的困难，实现了水深小于5米的稳定焊接作业。

有望在更多场景中使用

今年5月，“挑战杯”在江苏省举办了一系列全国大学生科技学术竞赛。“智能水下维修机器人”从706个项目中脱颖而出，获得江苏省特别奖，入围全国大赛。由于第一代设备在运行过程中稳定性较差，团队成员听取了专家的建议，对第一代设备进行了改进和升级，主要针对海上风电桩基的维护。

“机器人在水下工作时，水流影响很大。最初，我们设计了两个臂，通过磁吸附将机器人固定在风力发电堆上。通过实验发现，稳定性有待提高。因此，在机器人的下部位置增加了一只手臂，并设计了三只手臂可以前后伸缩。三角形结构使机器人更加稳定。”南通大学讲师、教师杨辉说。

与第一代相比，改进后的第二代机器人有很多改进，那么在实际维修工作中走出实验室时，能否给海上企业带来惊喜呢？

杨辉告诉记者，智能水下维修机器人研制成功后，他们立即与企业合作，对机器人的性能进行了测试。

在龙源视察时，杨辉了解维修人员并不具备水下维修资质，因此无法对水下部分进行定期检修，只能被动地等风电桩出现问题后，把风电机组关停再进行维修。与龙源携手后，团队的智能水下检修机器人帮助龙源进行海上风电桩基础的水下巡检，发现了多处轻度腐蚀。

今年上半年，团队又与大连中远海运海事工程技术有限公司南通分公司合作，对万吨级船舶进行检修，大大提高了检修作业效率，在船侧板的检修中发挥了重要作用。

“海洋工程产业已涉及油气、风电等多个领域，对人类社会经济生活的影响日益广泛和深入，将人工智能成功运用于船舶行业能够有力推动海工装备产业的高质量发展。目前设备服务对象主要针对船体和海上风电桩，未来有望延伸至核电站塔架等多种场景中。”杨慧说。