海底输油管道是连接海上石油生产系统与陆地石油生产系统的重要途径。由于水下环境较为复杂，传统的人工作业难以满足深水大口径管道连接件的安装作业要求。管道连接件主要有法兰式、卡压式和沟槽式3种，目前国内外针对前两种连接件的安装机具研究较为成熟，针对沟槽式连接件的安装机具相对较少^{[1, 2, 3]}。为了解决水下大口径管道沟槽式连接件的安装作业问题，研制了水下大口径管道沟槽式连接件安装作业机器人原理样机^[4]，为了进一步提高作业效率，提出了机器人水下群体作业的方案。

实验室研制的机器人由控制中心和水下作业主体2部分组成，如图 1所示。控制中心(图 1(a))安放在母船上，用于对水下作业主体进行控制，水下作业主体(图 1(b))携带连接件进入水下进行沟槽式连接件的安装工作^{[5, 6]}。

图 1 水下大口径管道沟槽式连接件安装作业机器人原理样机

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水下作业主体为无缆水下自治机器人。为了模型的制作方便，使用气动系统代替了液压系统，而且控制中心和水下作业主体之间临时存在缆索连接，缆索中包含气动管路和控制线路。

水下作业主体安装管道连接件的工作流程如下：

在母船上对连接件进行预安装，并将预安装好的连接件安放到水下作业主体的连接件库中。水下作业主体携带连接件入水，找到管道接缝位置后悬停，管道接缝的搜寻主要根据前期的路径规划进行^[7]，进行姿态调整，当管道接口位于水下作业主体左右固定装置之间时控制开合机构闭合，使得水下作业主体固定在待连接管道上，为机械手的工作提供稳定的作业平台。控制机械手移动，从连接件库中抓取一个连接件，然后控制机械手将连接件移动到管道接缝上方，此时需要工作人员根据水下监控设备传回的图像进行连接件位置的调整，该功能对水下作业主体视觉控制系统的要求较高^[8]，而且由于水下无线图像传输的技术问题，在进行图像信号传输时，水深不宜过深。

抓取了连接件的机械手如图 2所示。

图 2 抓取有连接件的机械手

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此时，密封圈推送装置将预先套装在管道上的密封圈推送到管道接口位置，然后控制机械臂下降，使得连接件安放到管道接口位置，此时再控制机械手的夹紧装置，使得连接件的张开端贴合，控制液压力矩扳手对连接螺栓进行预紧。至此，就完成了一个连接件的安装。

水下管道连接件的数量较多，与传统的人工作业相比，使用机器人作业虽然在一定程度上提高了作业效率，但是单机作业效率仍低于多个机器人并行作业效率，而且当一台水下作业主体发生故障之后，必须立刻使其浮出水面返回母船，因而可靠性较低。

为了进一步提高作业效率，应当使用多个水下作业主体进行并行作业。即多个水下作业主体组成一个相互协调、共同实现管道连接件安装作业的群体系统。与传统的单机机器人相比，x个协同作业的机器人作业能力大于一个单机器人系统的x倍，使用群体机器人系统可以大大提高效率^[9]。

在本机器人群体中，每个机器人的结构相同、功能相同，并行处理相同的工作^[10]，即一个控制中心同时控制多台水下作业主体进行管道连接件的安装作业，多台机器人在作业时不存在作业工序上的先后顺序。

因为在进行管道连接件的安装作业时每次派出水下作业主体的数量不确定，而且水下作业主体造价昂贵，为了保证良好的通讯质量和作业安全，群体采用集中式通讯方式。该通讯方式系统图如图 3所示。即控制中心通过总线直接与群体中的每个水下作业主体进行通讯，每个作业主体将感知到的环境信息、作业进程等信息实时上传到控制中心，控制中心将控制指令实时发送给水下作业主体。这种通讯方式虽然较为冗杂，但是可以大大提高整个通讯系统的稳定性，而且避免了高度集中的通讯系统由于局部问题而造成整体失效的问题。

图 3 集中通讯方式

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水下作业主体上带有水声换能器，在作业时，以母船为圆心，距离母船最远的作业点为半径的水域内放置浮力球，浮力球上也安装有水声换能器，控制中心与水面的水声换能器相连接。水下作业主体和浮力球之间通过水声换能器进行水声通讯。

机器人群体作业技术是建立在高度自动化控制的基础上的，为了更好地对群体中的机器人进行控制，使用C#编写了控制软件^[11]，控制界面如图 4所示。

图 4 控制界面

图选项

每个水下作业主体均与控制中心直接进行通讯，将所在方位、单个连接件安装作业进度、机器人运行状况等信息参数传送至机器人上的通讯模块，通讯模块反馈的信息通过总线传输，经由控制端的通信模块后进入控制中心。在控制面板上选择某一编号，便可以看到对应的机器人的状态信息。

控制中心根据水下作业主体的工作进度和运行状态将每个水下作业主体需要工作的地理信息、位置信息发送过去。

以某一工作案例对控制流程进行说明：由于各个水下作业主体性能的差别以及在水下作业环境的不同，水下作业主体的作业进度上会存在一定的差别，以一共有4台水下作业主体进行作业为例，假设1号主体已经将所携带的连接件全部安装完毕，当1号主体将作业完成的信息传送到控制中心之后，控制中心发出等待指令，然后读取剩余3台作业主体各自的总安装进度并进行比较，假设2号主体安装进度最慢，控制中心发出指令，指派1号主体支援2号主体的工作，此时，2号主体向控制中心上报自己的位置信息和未完成作业的待连接管道接口位置信息，控制中心将2号主体上传的上述信息发送给1号主体，同时控制中心将授权码发送给1号主体和2号主体，1号主体前往2号主体位置，并将获得的授权码发送至2号主体，2号主体接收后与自己接收到的授权码进行比对，验证成功后2号主体停止作业，并将机械手移动到远离连接件库的位置，控制连接件库侧位摆出，库门打开。同时2号主体向1号主体反馈信息提示通过验证，1号主体接到反馈后控制机械手侧位摆出，并通过姿态调整与2号主体已摆出的连接件库进行对齐，从2号主体的连接件库中抓取连接件，并根据控制中心发来的2号主体未完成的待连接管道接口位置信息进行接口捕捉，进而进行安装作业，信息传送流程如图 5所示。

图 5 信息传送流程示意

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控制中心不断扫描各个作业主体的安装进程，并及时调遣已完成作业的作业主体协助未完成作业的主体或者损坏的主体进行工作，直至完成所有任务。控制中心的这种调度方式是基于任务与能量最佳匹配原则的动态组织控制。

文章介绍了研制的水下大口径管道沟槽式连接件安装作业机器人，并对基于该机器人的群体作业技术进行了介绍。重点介绍了其群体组成、通讯方式，并结合实例对群体作业技术进行了说明。与传统的单机机器人相比，群体机器人作业在作业效率方面有着较大的优势。