CN103696711A - 一种钻杆操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻杆操作机器人，包括底座、旋转台、机械臂，所述旋转台位于所述底座上，所述机械臂与所述旋转台铰接，所述机械臂包括前臂和后臂，所述后臂和前臂为箱梁式结构。本发明提供的钻杆操作机器人，采用仿生结构设计，使得结构布局合理，前臂和后臂模拟人体大臂小臂设计，设计成箱梁式的前臂和后臂，增加了前臂和后臂的强度，避免了机器人工作时变形量大；同时将水平连杆和承重连杆设置在所述前臂和后臂内，增加强度的同时提高了机器人外观的美观；主控制器通过比例阀和绝对值编码器控制机器人的定位精度，使得机器人可以精确定位；还设置有图像处理与定位装置，精确识别钻杆所处的位置；为了运行过程中的安全，设置有避撞传感器。

Description

一种钻杆操作机器人

技术领域

本发明属于石油装备技术领域，具体涉及一种钻杆操作机器人。

背景技术

在石油钻井过程中，要进行升降钻杆的工作，吊车将钻杆吊起，需要多名操作人员辅助进行上钻杆、钻杆进小鼠洞、方钻杆进大鼠洞、接钻杆对扣、排立柱、下立柱、完井甩钻杆等工作。

在钻杆操作的过程中，由于钻杆比较长，在吊车吊运时，钻杆的摆动幅度较大，由人工辅助作业安全隐患较大；并且需要多名操作人员辅助，浪费人力，工作效率较低。

发明内容

本发明提供一种钻杆操作机器人，与吊车配合操作钻杆，前臂和后臂的强度大，避免了机器人工作时前臂和后臂的变形。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种钻杆操作机器人，包括底座、旋转台、机械臂，所述旋转台位于所述底座上，所述机械臂与所述旋转台铰接，所述机械臂包括前臂和后臂，所述后臂和前臂为箱梁式结构。

进一步的，所述后臂和前臂都是由前板、后板、左板和右板焊接而成。

进一步的，所述后臂的从下向上逐步变细。

进一步的，所述后臂的下端与所述旋转台铰接，所述后臂的上端与所述前臂的上端通过第一转轴铰接，所述前臂的上端向所述后臂弯曲延伸形成弯曲部；所述钻杆操作机器人还包括承重连杆，所述承重连杆的下端与所述旋转台铰接，所述承重连杆的上端与所述弯曲部的后端铰接。

进一步的，所述钻杆操作机器人还包括水平连杆和抓爪，所述前臂的前端与抓爪连接板末端铰接，所述抓爪铰接板前端固定有抓爪；所述水平连杆包括后水平连杆和前水平连杆，所述后水平连杆的下端与所述旋转台铰接，所述第一转轴上还铰接有水平连杆连接板，所述后水平连杆的上端与所述水平连杆连接板的后端铰接，所述前水平连杆的上端与所述水平连杆连接板的前端铰接，所述前水平连杆的下端与所述抓爪连接板的中部铰接。

为了整体的美观，所述承重连杆和后水平连杆位于所述后臂内，所述前水平连杆位于所述前臂内。

进一步的，所述钻杆操作机器人还包括液压缸，所述液压缸的前端与所述前臂铰接，所述液压缸的后端与所述后臂铰接。

为了进一步增加机械臂的强度，所述后臂和前臂的内部固定设置有若干横向的加强板，在所述加强板上开设有所述水平连杆和承重连杆穿过的通孔。

为了避免所述后水平连杆与所述承重连杆在后臂内干涉，以及提高钻杆操作机器人的承重能力，所述承重连杆设置在所述后臂内的后部，所述后水平连杆位于所述后臂内的前部。

进一步的，所述旋转台的后部固定有后连接板，所述承重连杆的下端与所述后连接板的后部铰接，所述后水平连杆与所述后连接板的前部铰接。

进一步的，在所述旋转台旋转中心的上端固定有第二转轴，所述后臂的下端与所述第二转轴铰接。

进一步的，所述抓爪与抓爪连接板之间通过螺栓固定连接，所述螺栓为最大承受一定剪切载荷的螺栓。

当抓爪受到冲击力时，为了对冲击力进行缓冲保护抓爪，所述抓爪与抓爪连接板之间设置有柔性垫。

进一步的，所述抓爪前端的两个相对的手指内侧为弧形，所述手指内侧固定有弧形的柔性垫。

进一步的，所述抓爪后端固定有抓爪液压缸，抓爪液压缸的输出轴通过连杆与所述手指的后端连接。

进一步的，所述后臂的中下部固定有第三转轴，所述液压缸的后端铰接在第三转轴上；所述前臂的中上部固定有第四转轴，所述液压缸的前端铰接在第四转轴上。

进一步的，在所述后臂的第三转轴处设置有第一凹槽，所述第一凹槽用于容纳所述液压缸的后端；在所述前臂的第四转轴处设置有第二凹槽，所述第二凹槽内用于容纳所述液压缸的前端。

进一步的，所述底座为箱体，所述钻杆操作机器人的驱动机构和控制机构位于所述底座内。

进一步的，所述底座位于横向移动轨道上，所述横向移动轨道固定在钻井平台的甲板上。

进一步的，所述底座通过锁定结构锁定在横向移动轨道上。

进一步的，所述旋转台和底座之间设置有回转支承，所述回转支承外圈具有齿，液压马达带动小齿轮与所述回转支承外圈的齿啮合。

为了提高旋转台的稳定性，所述旋转台中心具有向下延伸的空腔，所述空腔下部与所述底座之间设置有轴承，所述轴承的内圈与所述空腔固定，所述轴承的外圈与所述底座固定。

进一步的，所述空腔内具有从底座到达所述后臂或者前臂的管路和线束。

为了达到防爆的要求，所述空腔具有封闭的上盖，所述空腔内的管路和线束连接到所述上盖的下端面上，并在所述上盖的上端面设置有与所述下端面相连通的对应插口，所述上盖上部的管路和线束插入所述插口。

为了定位精度，采用比例阀和绝对值编码器控制， 在所述第一转轴处设置第一绝对值编码器，在所述液压缸的驱动机构上设置有第一比例阀。

在所述液压马达上设置有第二比例阀，在所述回转支承上设置有第二绝对值编码器。

为了进一步保证安全，设置运行警示灯，开机运行时具有声光警示功能，在所述旋转台上设置有运行警示灯。

进一步的，在所述底座内还设置有用于识别钻杆所处位置的图像处理与定位装置，所述图像处理和定位装置包括激光传感器、驱动器、驱动电机、以及图像处理软件，在所述底座上设置有所述激光传感器发出和返回的激光通过的开口，所述驱动器和驱动电机驱动激光传感器进行激光扫描，激光传感器将得到的钻杆图像，传输给图像处理软件进行图像处理，从而获得钻杆中心坐标位置。

进一步的，在所述液压缸和抓爪液压缸上设置有位移传感器。

进一步的，在所述前臂和/或后臂上设置有避撞传感器。

本发明提供的钻杆操作机器人，采用仿生结构设计，使得结构布局合理，前臂和后臂模拟人体大臂小臂设计，设计成箱梁式的前臂和后臂，增加了前臂和后臂的强度，避免了机器人工作时变形量大；同时将水平连杆和承重连杆设置在所述前臂和后臂内，增加强度的同时提高了机器人外观的美观；在前臂和后臂内设置有若干横向的加强板，使得前臂和后臂的强度进一步加强；抓爪通过承受一定剪切载荷的螺栓连接，出现抓爪受力过大时，螺栓断裂，避免机器人其他部件受到损坏；主控制器通过比例阀和绝对值编码器控制机器人的定位精度，使得机器人可以精确定位；还设置有图像处理与定位装置，精确识别钻杆所处的位置；为了运行过程中的安全，设置有运行警示灯和避撞传感器。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明所提出的钻杆操作机器人的一个实施例的结构示意图；

图2为图1中抓爪处的放大结构示意图；

图3为图1的剖视结构示意图；

图4为图3中旋转平台处的放大结构示意图；

图5为图1中后臂去除一个侧板后的放大结构示意图；

图6为图1中前臂去除一个侧板后的放大结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参阅图1-6，是本发明所提出的钻杆操作机器人的一个实施例，钻杆操作机器人，包括底座1、旋转台2、机械臂，其中旋转台2位于所述底座1上，机械臂与旋转台2铰接，机械臂包括前臂4和后臂。为了增加钻杆操作机器人的结构强度，将后臂3和前臂4设计为箱梁式结构。

通过将后臂3和前臂4设计为箱梁式结构，增加了后臂3和前臂4的机械强度，提高了钻杆操作机器人的整体强度，有利于钻杆操作机器人的精确定位。

后臂3是由前板、后板、左右侧板焊接而成，形成箱梁式结构，也可以说是筒状结构；并且后臂3从下向上逐步变细。前臂4也是由前板、后板、左右侧板焊接而成，形成箱梁式结构，也可以说是筒状结构，参见图1所示。

其中，后臂3的下端与旋转台2铰接，后臂3的上端与前臂3的上端通过第一转轴8铰接，并且前臂4的上端向后臂3弯曲延伸形成弯曲部41；钻杆操作机器人还包括承重连杆61，承重连杆61的下端与旋转台2铰接，承重连杆61的上端与弯曲部41的后端铰接。这样使得后臂3和前臂4的连接处结构进一步加强，并且使得外观的美观。

钻杆操作机器人还包括水平连杆和抓爪5，前臂4的前端与抓爪连接板9末端铰接，抓爪铰接板9前端固定有抓爪5；水平连杆包括后水平连杆62和前水平连杆63，其中后水平连杆62的下端与旋转台铰接，第一转轴8上还铰接有水平连杆连接板81，后水平连杆62的上端与水平连杆连接板81的后端铰接，前水平连杆63的上端与水平连杆连接板81的前端铰接，前水平连杆63的下端与抓爪连接板9的中部铰接。

通过旋转台2相对于底座1旋转，使抓爪5转动方向；通过液压缸7的伸缩，使得抓爪5前后运动；通过前水平连杆63和后水平连杆62，使得抓爪5保持水平。

为了钻杆操作机器人整体的简洁、美观，设计承重连杆61和后水平连杆62位于后臂3内，前水平连杆63位于前臂4内，参见图3所示。

钻杆操作机器人还包括液压缸7，液压缸7的前端与前臂4铰接，液压缸7的后端与后臂3铰接。

为了进一步增加后臂3和前臂4的强度，参见图5和图6所示，在后臂3和前臂4的内部设置有若干横向的加强板10。由于水平连杆和承重连杆61还位于后臂3和前臂4内部，所以在加强板10上开设有水平连杆和承重连杆61穿过的通孔101；由于水平连杆和承重连杆61具有相对于后臂3和前臂4的运动，因而通孔101的尺寸应该比水平连杆和承重连杆61的截面尺寸大；从而，使得承重连杆61、后水平连杆62和前水平连杆63可以在通孔101运动。

参见图1和图3所示，后水平连杆62与承重连杆61都设置在后臂3内，为了避免后水平连杆62与承重连杆61在后臂内干涉，以及提高钻杆操作机器人的承重能力，将承重连杆61设置在后臂3内的后部，后水平连杆62位于后臂3内的前部；将承重连杆61设置在后部，使得承重连杆61相对于第一转轴8的力臂较长，提高钻杆操作机器人的承重能力。在旋转台2的后部固定有后连接板21，承重连杆61的下端与后连接板21的后部铰接，后水平连杆62与后连接板21的前部铰接。

在旋转台2的旋转中心的上端固定有第二转轴23，第二转轴23固定在旋转台两侧的中连接板22上，后臂3的下端与第二转轴23铰接；这样钻杆操作机器人工作时，后臂3下端的力通过第二转轴23传递到旋转台2的中心部，尤其是在旋转台2旋转时，使得旋转台2的受力稳固。

参见图1和图2所示，钻杆操作机器人工作时，需要抓爪推动钻杆完成一些列动作，当出现极端情况，抓爪5受力过大时，可能会损伤前臂4和后臂3，甚至造成事故；因而将抓爪5与抓爪连接板9之间通过螺栓固定连接，其中螺栓采用最大承受一定剪切载荷的螺栓。

在抓爪5工作时，钻杆对抓爪5有时具有冲击力，所以在抓爪5与抓爪连接板9之间设置有柔性垫91，降低外力对抓爪的冲击，起到一定的缓冲保护的作用。

此外，抓爪5前端具有两个手指51，手指50的内侧为弧形，便于握住钻杆，由于抓爪5是水平方向，钻杆在被推动过程中，有时处于倾斜状态，此时手指51不能握紧钻杆，因而在手指51的内侧固定有弧形的柔性垫52，这样可以使得手指51握紧钻杆，并且可以对手指51受到的力进行缓冲。

抓爪5的动作是通过固定在抓爪5后端的抓爪液压缸53动作，抓爪液压缸53受主控制器控制，抓爪液压缸53的输出轴通过连杆与手指51的后端连接，控制手指51的开合动作。为了精确控制手指51的动作，在抓爪液压缸53上安装有位移传感器。通过位移传感器给主控制器反馈抓爪液压缸53的输出轴的位移情况。

参见图1、图3、图5所示，为了钻杆操作机器人的驱动力强，各部件布局合理，液压缸7优选固定在后臂3的中下部和前臂4的中上部。在后臂3的中下部固定有第三转轴31，液压缸7的后端铰接在第三转轴31上；在前臂4的中上部固定有第四转轴42，液压缸7的前端铰接在第四转轴42上。

将第三转轴31设置在后臂3的左右板之间，所以在后臂3的第三转轴31处设置有第一凹槽32，第一凹槽32用于容纳液压缸7的后端；在前臂4的第四转轴42处设置有第二凹槽43，第二凹槽43用于容纳液压缸7的前端。

参见图1和图3所示，为了避免钻杆操作机器人的驱动装置等暴露在外面，既不安全又不美观。将底座1设计为箱体，钻杆操作机器人的驱动机构和控制机构位于底座1内。通过合理选型、合理布局的方法将所有元件整合在底座内部，使整体简洁美观、安全，并且使得整个底座的占地面积较小。

为了进一步保证钻杆操作机器人不使用时，避免占用作业空间妨碍其他工作的进行，底座1设置在横向移动轨道20上，横向移动轨道20固定在钻井平台的甲板上。底座1可以在横向移动轨道20上移动，当钻杆操作机器人不使用时，沿轨道移到边部。底座1通过锁定结构锁定在横向移动轨道20上，锁定结构可以采用卡块等，本实施例中，通过螺栓将底座1可拆卸的固定在横向轨道上。

参见图4所示，为了保证旋转台2相对于底座1的旋转，在旋转台2和底座1之间设置有回转支承30，回转支承30的内圈固定在底座1上，外圈中部固定在上部的旋转台2上。回转支承30外圈具有齿，液压马达40带动小齿轮与回转支承30外圈的齿啮合。为了输出较大的力，本实施例中，液压马达40输出轴连接减速箱401，减速箱401带动小齿轮。

为了提高旋转台2的稳定性，旋转台2的中心具有向下延伸的空腔24，空腔24下部与底座1之间设置有轴承50，轴承50的内圈与空腔24固定，轴承50的外圈与底座1固定。

由于控制机构和驱动机构都位于底座内，在其他部位具有执行机构和信号采集机构，在空腔24内具有从底座1到达后臂3或者前臂4的管路和线束。为了达到防爆的要求，空腔24具有封闭的上盖241，空腔24内的管路和线束连接到上盖241的下端面上，并在上盖241的上端面设置有与其下端面相连通的对应插口，上盖241上部的管路和线束插入插口。

为了达到钻杆操作机器人的精确定位，准确到达目标位置，除了结构设计上强度的保障，还需要在控制上进一步保证。主要采用比例阀和绝对值编码器控制，在液压缸7的驱动机构上设置有第一比例阀，主控制器将需要液压缸7动作的指令下达给第一比例阀，第一比例阀将动作分解，精确控制液压缸7的动作。在第一转轴8处设置第一绝对值编码器81，用于检测前臂4与后臂3之间的相对旋转的角度；第一绝对值编码器81将检测到的信号反馈给主控制器，主控制器将反馈信号与之前下达给比例阀的指令比较，如指令和实际执行之间存在偏差，随时调整指令，以保证精确地执行指令，以达到机械臂整体伸出量的精度要求。为了进一步，保证指令执行的精度高，在液压缸7上还设置有位移传感器72，用来检测液压缸7的输出轴的位移，并将检测信号反馈给主控制器，参见图1所示。

在液压马达40上设置有第二比例阀，在回转支承30上设置有第二绝对值编码器。用于保证旋转台2旋转角度的精确控制。

为了进一步保证钻杆操作机器人准确到达目标位置，精确识别钻杆所处的位置，在底座1内还设置有图像处理与定位装置200，在底座1上设置有激光通过的开口11。图像处理与定位装置200包括激光传感器、驱动器、驱动电机、以及图像处理软件，驱动器和驱动电机驱动激光传感器进行激光扫描，激光传感器将得到的钻杆图像，传输给图像处理软件进行图像处理，从而获得钻杆中心坐标位置。并将数据反馈给主控制器，主控制器发出指令到达目标位置，参见图1和图2所示。

为了进一步保证运行的安全，设置有运行警示灯100，开机运行时具有声光警示功能，运行警示灯100固定在旋转台2上。还在前臂4和后臂3上设置有避撞传感器300；当避撞传感器300检测出附近具有物体时，钻杆操作机器人停止动作。本实施例中，在前臂4和后臂3的左右两个各设置有两个避撞传感器300。

本实施例中，避撞传感器300可以采用多普勒、红外、激光及接触式传感器中的一种或者多种，对涉及安全的信息进行采集，并做安全连锁处理。

此外，钻杆操作机器人还具有记忆功能，也就是自学习功能，例如抓爪5在A点，按下遥控器上的记忆键，就将A点位置存储。

下面假定要将钻杆从A处移动到B处，说明机器人钻杆操作机器人的一个动作过程：

1、从主控制器中调出已记忆的A点及B点的位置，启动后，主控制器控制液压马达40转动，通过一系列传动带动旋转台2转动，通过第二绝对值编码器来反馈到达A点角度后停止不动；

2、主控制器再控制液压缸7伸出，通过第一绝对值编码器71确定到达A点位置后停止不动；

3、抓爪液压缸53动作，手指51夹紧处于A点的钻杆；

4、主控制器控制液压缸7回收，前臂4和后臂3靠拢，使整个机械臂收回；

5、主控制器控制液压马达40转动，由第二绝对值编码器控制到达B点角度后停止不动；

6、主控制器控制液压缸7伸出，通过绝对值编码器控制确定到达B点后停止不动；

7、抓爪液压缸53动作，手指51松开，达到精确定位；

8、主控制器再控制液压缸7回收，前臂4和后臂3靠拢，使整个机械臂收回；

9、主控制器再控制液压马达40转动，回到动作原点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1. 一种钻杆操作机器人，包括底座、旋转台、机械臂，所述旋转台位于所述底座上，所述机械臂与所述旋转台铰接，所述机械臂包括前臂和后臂，其特征在于，所述后臂和前臂为箱梁式结构。

2. 根据权利要求1所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述后臂的下端与所述旋转台铰接，所述后臂的上端与所述前臂的上端通过第一转轴铰接，所述前臂的上端向所述后臂弯曲延伸形成弯曲部；所述钻杆操作机器人还包括承重连杆，所述承重连杆的下端与所述旋转台铰接，所述承重连杆的上端与所述弯曲部的后端铰接。

3. 根据权利要求2所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述钻杆操作机器人还包括水平连杆和抓爪，所述前臂的前端与抓爪连接板末端铰接，所述抓爪铰接板前端固定有抓爪；所述水平连杆包括后水平连杆和前水平连杆，所述后水平连杆的下端与所述旋转台铰接，所述第一转轴上还铰接有水平连杆连接板，所述后水平连杆的上端与所述水平连杆连接板的后端铰接，所述前水平连杆的上端与所述水平连杆连接板的前端铰接，所述前水平连杆的下端与所述抓爪连接板的中部铰接；所述承重连杆和后水平连杆位于所述后臂内，所述前水平连杆位于所述前臂内。

4. 根据权利要求3所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述后臂和前臂的内部固定设置有若干横向的加强板，在所述加强板上开设有所述水平连杆和承重连杆穿过的通孔。

5. 根据权利要求3所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述旋转台的后部固定有后连接板， 所述承重连杆的下端与所述后连接板的后部铰接，所述后水平连杆与所述后连接板的前部铰接；所述抓爪与抓爪连接板之间通过螺栓固定连接，所述螺栓为最大承受一定剪切载荷的螺栓。

6. 根据权利要求3至5任一项所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述抓爪与抓爪连接板之间设置有柔性垫；所述抓爪前端的两个相对的手指内侧为弧形，所述手指内侧固定有弧形的柔性垫。

7. 根据权利要求1至5任一项所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述底座位于横向移动轨道上，所述横向移动轨道固定在钻井平台的甲板上。

8. 根据权利要求1至5任一项所述的钻杆操作机器人，其特征在于，所述旋转台中心具有向下延伸的空腔，所述空腔下部与所述底座之间设置有轴承，所述轴承的内圈与所述空腔固定，所述轴承的外圈与所述底座固定。

9. 根据权利要求1至5任一项所述的钻杆操作机器人，其特征在于，在所述底座内还设置有用于识别钻杆所处位置的图像处理与定位装置，所述图像处理和定位装置包括激光传感器、驱动器、驱动电机、以及图像处理软件，在所述底座上设置有激光通过的开口，所述驱动器和驱动电机驱动激光传感器进行激光扫描，所述激光传感器将得到的钻杆图像，传输给图像处理软件进行图像处理，从而获得钻杆中心坐标位置。

10. 根据权利要求1至5任一项所述的钻杆操作机器人，其特征在于，在所述前臂和/或后臂上设置有避撞传感器。

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