1

PODSTAWY ROBOTYKI

JW 14.11.1

Roboty w zastosowaniach

podwodnych

2

Spis treści

1. Historia nurkowania ................................................................................... 3

2. Niebezpieczeństwa czyhające na człowieka schodzącego pod wodę ........ 6

3. Początki robotów podwodnych .................................................................. 7

4. Zastosowanie robotów pod wodą ............................................................... 8

5. Budowa robota podwodnego ...................................................................... 9

6. Przykładowe roboty podwodne wykorzystywane do ciężkich

prac podwodnych ........................................................................................ ..10

7. Roboty wykorzystywane do przeprowadzania inspekcji podwodnych .....12

8. Współczesne koncepcje robotów inspekcyjnych .......................................13

9. Przyszłość robotów podwodnych .............................................................. 16

Bibliografia

3

1. Historia nurkowania

Ludzie nurkowali od wieków. W starożytnej Grecji nurkowie

wykorzystywani byli do celów militarnych jak również do pozyskiwania spod

wody gąbek. Najsłynniejszym z greckich nurków był bez wątpienia Scyllis. W

trakcie morskiej kampanii, Scyllis dostał się w niewolę Persów i został zabrany

na ich okręt wojenny. Uciekł z niewoli wyskakując za burtę okrętu, następnie

poczekał do zmierzchu pod wodę, co umożliwiła mu pusta w środku trzcina,

której użył jako rurki do oddychania.

Chęć nurkowania istniała od zawsze: żeby zdobywać pożywienie,

naprawiać statki, zatapiać je, i żeby po prostu obserwować podwodne życie.

Jednak dopóki człowiek nie odkrył sposobu na oddychanie pod wodą, każda z

wycieczek podwodnych była krótka.

Jak pozostać pod wodą dłużej? Oddychanie przez trzcinę pozwala na

zanurzenie ciała, jednak dość szybko okazało się, że trzcina o długości powyżej

2 stóp (ok. 60cm), nie spisuje się zbyt dobrze. Również pobieranie powietrza z

worka nie było najlepszym pomysłem z powodu dwutlenku węgla.

Szesnasty wiek przyniósł rozwiązanie w postaci dzwonu do nurkowania,

w którym powietrze było dostarczane z powierzchni. Było to pierwsze w miarę

efektywne rozwiązanie pozwalające na pozostanie pod wodą długi okres czasu.

Dzwon utrzymywany był w miejscu kilka stóp od powierzchni wody, jego dół

był otwarty, a górna część zawierała powietrze skompresowane przez ciśnienie

wody. Nurek mógł opuścić dzwon na minutę lub dwie a następnie wrócić na tak

długo jak długo wystarczało powietrza zgromadzonego w górnej części dzwonu.

4

W szesnastym wieku w Anglii i Francji skonstruowano kompletny

kombinezon nurka, wykonany ze skóry. Pozwalały one na zanurzenie nurka do

głębokości około dwudziestu metrów. Powietrze do kombinezonu dostarczane

było z powierzchni za pośrednictwem ręcznych pomp. Wkrótce hełmy zaczęto

wykonywać z metalu, żeby mogły wytrzymać większe ciśnienia. Pozwoliło to

nurkom schodzić coraz głębiej.

Wiek dziewiętnasty przynosi bardzo szybki rozwój nauki i technologii.

Konstrukcja pomp sprężonego powietrza, regulatorów, pozwalają na zanurzanie

człowieka na bardzo długie okresy czasu.

5

Kolejne lata przynoszą coraz większą wiedzę na temat zmian ciśnienia, a

także problemów związanych z chorobą dekompresyjną. W roku 1930 William

Beebe zanurza się na głębokość 1426 stóp (ok. 470 metrów) w kulistym

batyskafie o średnicy około czterech stóp i dziewięciu cali. Batyskaf ten był

połączony z barką znajdującą się na powierzchni za pomocą stalowej liny.

Cztery lata później ten sam człowiek w nowym batyskafie ustanawia nowy

rekord: 3028 stóp. Rekord ten pozostanie niepokonany przez następnych

czternaście lat. Jednak kombinezony do nurkowania w latach trzydziestych, były

bardzo nieporęczne, ciężkie. Wytrzymywały ciśnienie jednej atmosfery.

W roku 1960 ustanowiony zostaje rekord w głębokości zanurzenia

człowieka znajdującego się w maszynie. Batyskaf Trieste z dwiema osobami na

pokładzie: Jacque’em Picard’em i Don’em Walsh’em, schodzą na głębokość

10916 metrów, dokonują tego w najgłębszym miejscu na Ziemi – Rowie

Mariańskim. Rekord ten pozostanie niepokonany, chyba, że naukowcy odkryją

jakieś głębsze miejsce. Ciśnienie jakie zanotowano w czasie tego zanurzenia to

16883 PSI czyli 116,41 Mpa.

6

2. Niebezpieczeństwa czyhające na człowieka schodzącego pod wodę

Środowisko podwodne, nie jest środowiskiem przyjaznym człowiekowi.

Bez specjalnej aparatury, może przebywać pod wodą najwyżej kilka minut.

Wyposażenie nurka w odpowiedni kombinezon zdaje się rozwiązywać problem

oddychania, jednak oprócz braku możliwości oddychania, przy potrzebie zejścia

głębiej pojawia się problem ciśnienia, które rośnie bardzo szybko wraz ze

wzrostem głębokości (Każde 10,3 metra to jedna atmosfera więcej ciśnienia

oddziaływującego na zanurzany obiekt. Na głębokości 1000 m pod wodą panuje

ciśnienie 97 atmosfer, czyli siła ok. 983 ton na metr kwadratowy!). Ponadto

dodatkowymi zagrożeniami są temperatura, która maleje wraz ze wzrostem

głębokości, fauna (rekiny, meduzy), choroba dekompresyjna, której doświadcza

człowiek w przypadku zbyt szybkiego wynurzenia. Oczywistym kierunkiem

rozwoju nurkowania, wydaje się wykorzystanie robotów.

7

3. Początki robotów podwodnych

Pierwsze odnotowane i udane wykorzystanie robota miało miejsce w

latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku u wybrzeży Hiszpanii. Robot

CURV został wykorzystany do odnalezienia i odzyskania zaginionej bomby

wodorowej. Ten protoplasta współczesnych robotów wykorzystywanych pod

wodą, był praktycznie tylko ramą z kilkoma silnikami i bardzo prostym

manipulatorem. Wkrótce potem ten sam robot przeprowadził spektakularną

operację ratunkową załogowej łodzi podwodnej uwięzionej na głębokości 485

metrów. Jasnym się okazało, że roboty podwodne na stałe znajdą swoje miejsce

przy pracach pod wodą.

Jednak dopiero lata osiemdziesiąte przyniosły prawdziwy rozwój robotów

podwodnych. Najbardziej znanym współczesnym sukcesem robotów

podwodnych, są zdjęcia wraku Titanica wykonane w roku 2004 przez robota

Hercules. Doskonała jakość obrazów przesłanych przez tego robota na

powierzchnię po raz kolejny potwierdziła użyteczność tego typu urządzeń.

8

4. Zastosowanie robotów pod wodą

Istnieje bardzo wiele zastosowań podwodnych dla robotów. Pierwszym z

przykładowych jest „tele-obecność”, czyli po prostu zadaniem robota jest

zapewnienie operatorowi wrażenia jakby był w miejscu w którym

przeprowadzone mają być dane działania. Zadanie to jest wypełniane przez

robota zwanego „okiem” – jest to proste urządzenie wyposażone w kamery. Na

chwilę obecną jedynym ograniczeniem w tej dziedzinie podwodnych działań,

jest dwuwymiarowość kamer działających pod wodą, jednak prowadzone są

badania nad połączeniem kamer z sonarem co mogłoby zapewnić głębię w

obserwowanym obrazie.

Osobną grupę podwodnych robotów tworzy tak zwana „klasa pracująca”.

Są to roboty które wypełniają takie zadania jak:

- wsparcie przy różnego rodzaju wierceniach

- oczyszczanie z gruzu podwodnych instalacji oraz ich inspekcja

- inspekcja podwodnych rurociągów

- inspekcja i utrzymanie tam i doków

- czyszczenie kadłubów okrętów bez konieczności wyciągania jednostki do

suchego doku

Inne zastosowania to:

- badanie naukowe i archeologia podwodna (odkrycie wraku Titanica)

- operacje antyterrorystyczne

- zastosowania militarne

9

5. Budowa robota podwodnego

Typowy przedstawiciel „klasy pracującej” składa się z ramy w której

osadzone są pompy hydrauliczne, silniki, czujniki oraz cały elektroniczny sprzęt

służący do kontrolowania robota. Wszystkie te elementy rozmieszczane są w

sposób zapewniający optymalny rozkład masy. Dodatkowo w górnych częściach

ramy montowane są dodatkowe elementy poprawiające jeszcze rozkład masy.

Na wyposażeniu robota znajduje się również odpowiednie ramię i manipulator.

Manipulator może występować w różnych odmianach w zależności od zadanie

jakie ma wykonać robot.

10

6. Przykładowe roboty podwodne wykorzystywane do ciężkich prac
podwodnych

CURV III

Pierwotnie maszyna ta przeznaczona była do działań na głębokościach nie

przekraczających ok. 3000 metrów. W roku 1973 została wykorzystana w akcji

ratunkowej batyskafu Pisces III który zatonął u wybrzeży Irlandii. Model ten

próbowano również wykorzystać w akcji odzyskania szczątków promu

Challenger, jednak okazało się, że jego parametry nie są wystarczające do

przeprowadzenia tej akcji (zbyt silne prądy występujące u wybrzeży Florydy

uniemożliwiły działanie tym robotom). To niepowodzenie doprowadziło do

skonstruowania nowego modelu CURV III. Parametry jakimi dysponuje ten

robot:

- Zanurzenie maksymalne wg producenta: 20.000 stóp.
- Największa osiągnięta głębokość: 20.501 stóp.
- Masa: ok. 6.500 kg.
- Moc: 80 KM .
- Telemetria: 60 Mbps + 4 kamery wideo
- Zasilanie: trójfazowe 2800V.

MAGELLAN 725

11

Robot ten jest używany razem z holowanym sonarem. Oba urządzenia

sterowane są z tego samego pulpitu i wykorzystują wspólny kabel do

komunikacji. Magellan wykorzystywany jest do przeprowadzania podwodnych

śledztw ubezpieczeniowych. Udaremnił próbę wyłudzenia ubezpieczenia za

ubezpieczony ładunek znajdujący się na statku, dostarczając dowodów na to, że

statek został zatopiony celowo.

- Zanurzenie maksymalne wg producenta: 23.000 stóp.
- Największa osiągnięta głębokość: 12.000 stóp.
- Masa: Nieznana
- Moc: 25 KM.
- Telemetria: 1 Mbps + 2 kamery wideo.
- Zasilanie: trójfazowe 220V.

12

7. Roboty wykorzystywane do przeprowadzania inspekcji podwodnych

Na całym świecie jest ponad 6000 platform wydobywających gaz i ropę.

Niektóre z tych platform działają już od ponad 20 lat, jednak nowe techniki

wydobycia powodują, że instalacje te muszą działać jeszcze wiele lat, pomimo

że ich projekt nie przewidywał tak długiego okresu działania. Z czasem na

metalowych konstrukcjach pojawiają się pęknięcia będące wynikiem zmęczenia

materiału. Bardzo ważne jest zatem aby wystarczająco wcześnie wykryć te

uszkodzenia i im zapobiegać. Do typowych zadań robotów, które wcześniej

wykonywali nurkowie, należą:

- Oczyszczanie spawów z porostów

- Inspekcja spawów z wykorzystaniem takich technik jak na przykład

Magnetyczna Inspekcja Cząsteczek

- Pomiar prądów podwodnych

- Pomiar grubości ścianek metalowych rur

13

8. Współczesne koncepcje robotów inspekcyjnych

W dziedzinie inspekcji robotów powstały ostatnio dwie koncepcje:

- ARM (Automated Remote Manipulation)

- REMO

ARM

Jest to nowy system do podwodnego czyszczenia i inspekcji spawów. Składa się

on ze specjalnego manipulatora zamontowanego na wysięgniku umieszczonym

na standardowej ramie. Manipulator jest kontrolowany przez unikalny system

oparty na zwykłym komputerze klasy PC. Oprogramowanie zapewnia pełny

trójwymiarowy obraz położenia całego robota, manipulatora oraz miejsca pracy.

Ponadto zapewnia ręczne, pół – automatyczne oraz autonomiczne sterowanie

ramieniem robota z wykrywaniem kolizji. System ARM nowe czujniki i

narzędzia które pozwalają wyeliminować błędy pozycjonowania. Manipulator

systemu ARM jest jak na razie najbardziej zręcznym i zarazem największym

manipulatorem (mowa oczywiście o urządzeniach komercyjnych), ma on zasięg

2,5 m oraz zdolność udźwigu ok. 150 kg. Ramię składa się z sześciu członów

poruszanych hydraulicznie i pozwalających na obrót o 170 stopni wokół

każdego połączenia. W trakcie montażu ramie wyposażane jest w specjalne

znaczniki które w sposób bardzo znaczący ułatwiają kalibrację ramienia. Aby

umożliwić pełne wykorzystanie możliwości dość skomplikowanego

manipulatora jakim jest ARM, generowana jest komputerowa grafika

przedstawiająca robota, manipulator i miejsce pracy. Punkt widzenia może być

dowolnie zmieniany w celu ułatwienia pracy. Ramię może być kontrolowane

przez kilka urządzeń: mysz, joystick lub klawiaturę.

14

REMO

Pojazd ten jest przeznaczony do czyszczenia i inspekcji spawów w

skomplikowanych konstrukcjach stalowych. REMO połączony jest z

„Systemem Zarządzania Smyczą”. Po opuszczeniu do wody REMO oddziela się

od „smyczy” i przyczepia się do miejsca łączenia które ma zbadać.

Przyczepienie się jest realizowane za pomocą specjalnych przyssawek lub

pazurów, w zależności miejsca w którym REMO ma się przyczepić. Po

dokładnym przyczepieniu się, wykonywane jest zdjęcie miejsca pracy, na

podstawie którego budowany jest model trójwymiarowy, który służy do

zaplanowania pracy REMO zanim właściwe działanie się rozpoczyna. Następnie

dokonywany jest wybór odpowiedniego urządzenia, które zostanie

wykorzystane do czyszczenia spawu. Praca jest monitorowana za pomocą

kamer. REMO umożliwia dwa sposoby sprawdzania spawów.

Specyfikacja techniczna:

- Łącznie 7 kamer (min. kamera do dokowania, kolorowa kamera do

zbliżeń, 2 kamery do obserwowania środowiska pracy)

- Komputer Silicon Graphics wykorzystywana do kreowania

trójwymiarowych modeli środowiska pracy i obrazowania położenia

manipulatora

15

- 7-o funkcyjny manipulator zamontowany na obrotowej podstawie o

zakresie obrotu 170 stopni

- Specjalne manipulatory zakończone szczypcami lub przyssawkami

służące do dokowania

- Specjalistyczne narzędzia (min. sprzęt do badania pęknięć w spawach,

sonda do pomiaru grubości ścianek, sonda do mierzenia prądów

podwodnych, wiele innych)

- Szerokość – 218 cm

- Wysokość – 188 cm

- Długość – 346 cm

- Masa – 5.000 kg

- Prędkość maksymalna – 3 węzły

16

9. Przyszłość robotów podwodnych

Przyszłość podwodnych operacji leży w rękach, a raczej chwytakach

robotów. Ogromny rozwój tej dziedziny przemysłu, jaki miał miejsce w ciągu

ostatnich 25 lat, każe nam przypuszczać, że człowiek zostanie prawie całkowicie

zastąpiony przy pracach pod wodą. Pojawiają się pierwsze całkowicie

autonomiczne roboty, które z pełnym powodzeniem realizują powierzone im

zadania. Wojsko również prowadzi badania nad autonomicznym robotem, który

byłby zdolny do wykrywania i niszczenia min. Ogromnym polem do popisu dla

robotów autonomicznych są również pomiary gruntów na dużych

głębokościach, ponieważ koszty związane z przeprowadzeniem badań z

użyciem robotów połączonych ze statkiem za pomocą kabla, są ogromne.

17

Bibliografia

ROV robots:
http://www.rovworld.com/

Odkrycie Titanica:
http://www.nationalgeographic.com/channel/titanic/

Roboty antyterrorystyczne:
http://www.videoray.com/

Przyszłość robotów podwodnych:
http://www.diveweb.com/rovs/features/mayjune2000.01.htm

Podwodne roboty inspekcyjne:
http://www.sut.org.uk/urghome/uirobs.html