CN106586837B - 一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法，所述系统包括关节吊机本体和抓杆控制设备，所述抓杆控制设备的输出端与关节吊机本体连接；所述的关节吊机本体包括主体回转（1）、主臂（2）、辅臂（3）和夹持器（4）；所述主臂（2）的一端铰接在主体回转（1）上，主臂（2）的另一端与辅臂（3）的前端铰接；所述辅臂（3）的末端设置有能够沿辅臂（3）中心轴转动的夹持器（4）；所述的抓杆控制设备包括工业摄像机和上位控制机，上位控制机用于根据工业摄像机拍摄得到的图像实现钻杆抓放控制。本发明提供了一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法，定位精度高，定位时间短，降低了对吊机操作者的能力要求，提高了操作效率。

Description

一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法

技术领域

本发明涉及一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法。

背景技术

关节吊机是海洋钻井平台，海洋钻井船，半潜式钻井平台常用的钻杆移运装备；目前关节吊机常用的钻杆移运方法有经验法和辅助定位法。

经验法是关节吊机操作者依赖自身的操作能力，根据长时间的操作经验实现钻杆堆藏区钻杆的抓取和方式，钻杆猫道的抓取和放置，该方法可以自由灵活选择某根钻杆进行抓取，某个区域进行钻杆放置区域进行放置；但是抓取钻杆和放置钻杆耗时长，且容易因钻杆对准错误，抓取错误碰坏吊机夹钳和钻杆猫道。

辅助定位法是通过关节吊机各运转轴，旋转机构加装液缸位移传感器，编码器，准确测量机构的相对位置；设备运行前，预设各动作机构目标位置，关节吊机各机构运动到目标位置后自动停止，最终实现关节吊机准确放置钻杆到钻杆猫道卡槽，准确从钻杆猫道卡槽抓取钻杆；相比于经验法，辅助定位法抓取钻杆和放置钻杆对准钻杆更加准确，用时更少，对操作者的技能要求更低，因操作对准错误造成关节吊机夹钳和钻杆猫道的损坏事故更少，操作效率大大提高；但是该方法只能实现对钻杆猫道卡槽，钻杆猫道钻杆对藏区的辅助定位操作，无法有效实现对钻杆堆藏区钻杆的定位操作，操作者从钻杆堆藏区抓取钻杆和放置钻杆仍然需要依靠操作经验。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种关节吊机自动抓放钻杆系统及方法，定位精度高，定位时间短，降低了对吊机操作者的能力要求，提高了操作效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种关节吊机自动抓放钻杆系统，包括关节吊机本体和抓杆控制设备，所述抓杆控制设备的输出端与关节吊机本体连接；

所述的关节吊机本体包括主体回转、主臂、辅臂和夹持器；所述主臂的一端铰接在主体回转上，主臂的另一端与辅臂的前端铰接；所述辅臂的末端设置有能够沿辅臂中心轴转动的夹持器；

所述的抓杆控制设备包括工业摄像机和上位控制机；所述的工业摄像机设置于主臂的正下方，其照射方向与主体回转、主臂、辅臂处于同一平面内，用于采集钻杆堆藏区内的实时图像；所述上位控制机用于控制主体回转开始转动，同时根据工业摄像机拍摄的实时图像锁定目标钻杆，分析出关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置，使主体回转、主臂、辅臂所在平面缓慢接近目标钻杆，在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆。

所述的关节吊机本体还包括将军柱，所述回转主体安装于将军柱上且能够沿将军柱的中心轴转动。

所述的抓杆控制设备还包括吊机参数监控装置，所述吊机参数监控装置包括安装于主体回转上的第一编码器、安装于主臂上的第一倾角传感器、安装于辅臂上的第二倾角传感器、安装于夹持器上的第二编码器；所述第一编码器、第二编码器、第一倾角传感器和第二倾角传感器的输出端均与上位控制机连接；

所述第一编码器用于实时监测主体回转相对于初始位置回转角度；所述于第二编码器用于实时监测夹持器相对于初始位置回转角度；所述第一倾角传感器用于实时监测主臂与主体回转中心轴之间的相对角度；所述第二倾角传感器用于实时监测辅臂与主臂间的相对角度。

所述的上位控制机包括：

转动控制模块，用于控制主体回转转动；

图像分析模块，用于在主体回转的转动过程中，对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

调整模块，用于锁定目标钻杆，调整主体回转的转动速度，使主体回转、主臂、辅臂所在平面缓慢接近目标钻杆；

判断模块，用于实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆：当目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线重合时，认为当前姿态能够成功抓取到钻杆；

抓取控制模块，用于在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆，自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

其中，所述的抓取控制模块包括：

回转停止单元，用于控制主体回转停止转动；

辅臂调整单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，调整辅臂至该区域对应的工作半径；

夹持器调整单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，调整夹持器回转与目标钻杆平行；

抓取单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，控制主臂下放，使夹持器抓取钻杆；

放置单元，用于控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，包括以下步骤：

S1.上位控制机启动抓取钻杆的命令，并控制主体回转开始转动；

S2.上位控制机对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，判断工业摄像机拍摄范围内是否存在符合钻杆抓取要求的钻杆，若存在则进入步骤S3，若不存在则返回步骤S1继续控制回转主体（1）转动；

S3.上位控制机对图像分析获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

S4.上位控制机锁定目标钻杆，调整主体回转的转动速度，使主体回转、主臂、辅臂所在平面缓慢接近目标钻杆；进一步地，主体回转的转动速度由上位控制机根据第一编码器采集到的数据进行调节；

S5.上位控制机实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆，若确定能够抓取到钻杆，进入步骤S6，若不能够抓取到钻杆，返回步骤S4；

S6.上位控制机控制关节吊机本体抓取目标钻杆。

抓取目标钻杆后，还包括钻杆放置步骤：上位控制机控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

所述步骤S5中，当目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线重合时，认为目标钻杆处于主体回转、主臂、辅臂所在平面内，当前姿态能够成功抓取到钻杆。

所述的步骤S6包括以下子步骤：

S601.控制主体回转停止转动；

S602.上位控制机根据第二倾角传感器采集到的实时数据，精确控制辅臂调整至抓杆区域对应的工作半径；

S603.上位控制机根据第二编码器采集到的实时数据，精确控制调整夹持器回转，与目标钻杆平行；

S604.上位控制机根据第一倾角传感器采集到的实时数据，精确控制主臂下放，使夹持器抓取钻杆。

本发明的有益效果是：（1）本发明通过工业摄像机拍摄到的图像进行分析，来确定关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置，进而使得上位控制机自动控制锁定目标钻杆，调整主体回转的转动速度，使主体回转、主臂、辅臂所在平面缓慢接近目标钻杆，再实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆，若确定能够抓取到钻杆，上位控制机控制关节吊机本体抓取目标钻杆，降低了对操作者的能力要求提高了工作效率。

（2）工业摄像机设置于主臂正下方，其照射方向与主体回转、主臂、辅臂处于同一平面内，主体回转转动时，工业摄像机随之转动，故不论主体回转如何转动，最终夹持器中心点都会落在摄像头画面中的竖直的一条直线上；故只需要在目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线重合时，即可认为目标钻杆处于主体回转、主臂、辅臂所在平面内，当前姿态能够成功抓取到钻杆，上位控制机判断方式简单，实现容易。

（3）在目标钻杆抓取过程中，通过吊机参数监控装置采集到的数据对关节吊机本体的辅臂、夹持器和主臂进行相应控制，提高了钻杆抓取的精确度。

附图说明

图1为关节吊机本体的机构示意图；

图2为抓杆控制设备的原理框图；

图3为本发明的流程图；

图中，1-主体回转，2-主臂，3-辅臂，4-夹持器，5-将军柱。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种关节吊机自动抓放钻杆系统，包括关节吊机本体和抓杆控制设备，所述抓杆控制设备的输出端与关节吊机本体连接；

如图1所示，所述的关节吊机本体包括主体回转1、主臂2、辅臂3和夹持器4；所述主臂2的一端铰接在主体回转1上，主臂2的另一端与辅臂3的前端铰接；所述辅臂3的末端设置有能够沿辅臂3中心轴转动的夹持器4；

如图2所示，所述的抓杆控制设备包括工业摄像机和上位控制机；所述的工业摄像机设置于主臂2的正下方，其照射方向与主体回转1、主臂2、辅臂3处于同一平面内，用于采集钻杆堆藏区内的实时图像；所述上位控制机用于控制主体回转1开始转动，同时根据工业摄像机拍摄的实时图像锁定目标钻杆，分析出关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置，使主体回转1、主臂2、辅臂3所在平面缓慢接近目标钻杆，在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆。

在本申请的实施例中，所述的关节吊机本体还包括将军柱5，所述回转主体1安装于将军柱5上且能够沿将军柱5的中心轴转动。

所述的抓杆控制设备还包括吊机参数监控装置，所述吊机参数监控装置包括安装于主体回转1上的第一编码器、安装于主臂2上的第一倾角传感器、安装于辅臂上的第二倾角传感器3、安装于夹持器4上的第二编码器；所述第一编码器、第二编码器、第一倾角传感器和第二倾角传感器的输出端均与上位控制机连接；

所述第一编码器用于实时监测主体回转1相对于初始位置回转角度；所述于第二编码器用于实时监测夹持器4相对于初始位置回转角度；所述第一倾角传感器用于实时监测主臂2与主体回转1中心轴之间的相对角度；所述第二倾角传感器用于实时监测辅臂与主臂间的相对角度。

在本申请的实施例中，所述的上位控制机包括：

转动控制模块，用于控制主体回转1转动；

图像分析模块，用于在主体回转1的转动过程中，对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

调整模块，用于锁定目标钻杆，调整主体回转1的转动速度，使主体回转1、主臂2、辅臂3所在平面缓慢接近目标钻杆；

判断模块，用于实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆：具体地，工业摄像机设置于主臂正下方，其照射方向与主体回转、主臂、辅臂处于同一平面内，主体回转转动时，工业摄像机随之转动，故不论主体回转如何转动，最终夹持器中心点都会落在摄像头画面中的竖直的一条直线上；该直线在图像中的位置是固定不变的，主体回转动作过程中，只需要精确判断出该直线上有一根符合抓取条件的目标钻杆即可；故只需要在目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线（夹持器中心所在直线）重合时，即可认为目标钻杆处于主体回转、主臂、辅臂所在平面内，当前姿态能够成功抓取到钻杆。

抓取控制模块，用于在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆，自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。所述的抓取控制模块包括：回转停止单元，用于控制主体回转1停止转动；辅臂调整单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，调整辅臂3至该区域对应的工作半径；夹持器调整单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，调整夹持器4回转与目标钻杆平行；抓取单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，控制主臂2下放，使夹持器4抓取钻杆；放置单元，用于控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

如图3所示，所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，包括以下步骤：

S1.上位控制机启动抓取钻杆的命令，并控制主体回转1开始转动；

S2.上位控制机对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，判断工业摄像机拍摄范围内是否存在符合钻杆抓取要求的钻杆（其中，符合抓取条件的钻杆在图像中表现为比其他不符合抓取条件的钻杆长且宽），若存在则进入步骤S3，若不存在则返回步骤S1继续控制回转主体1转动；

S3.上位控制机对图像分析获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

S4.上位控制机锁定目标钻杆（若符合要求的钻杆不止一根，我们选取主体回转转动方向上的第一根符合要求的钻杆作为目标钻杆），调整主体回转1的转动速度，使主体回转1、主臂2、辅臂3所在平面缓慢接近目标钻杆；

S5.上位控制机实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆：具体地，工业摄像机设置于主臂正下方，其照射方向与主体回转、主臂、辅臂处于同一平面内，主体回转转动时，工业摄像机随之转动，故不论主体回转如何转动，最终夹持器中心点都会落在摄像头画面中的竖直的一条直线上；该直线在图像中的位置是固定不变的，主体回转动作过程中，只需要精确判断出该直线上有一根符合抓取条件的目标钻杆即可；故只需要在目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线（夹持器中心所在直线）重合时，即可认为目标钻杆处于主体回转、主臂、辅臂所在平面内，当前姿态能够成功抓取到钻杆；若确定能够抓取到钻杆，进入步骤S6，若不能够抓取到钻杆，返回步骤S4；

S6.上位控制机控制关节吊机本体抓取目标钻杆：

S601.控制主体回转1停止转动；

S602.上位控制机根据第二倾角传感器采集到的实时数据，精确控制辅臂3调整至抓杆区域对应的工作半径；

S603.上位控制机根据第二编码器采集到的实时数据，精确控制调整夹持器4回转，与目标钻杆平行；

S604.上位控制机根据第一倾角传感器采集到的实时数据，精确控制主臂2下放，使夹持器4抓取钻杆。

抓取目标钻杆后，还包括钻杆放置步骤：上位控制机控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

本发明通过工业摄像机拍摄到的图像进行分析，来确定关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置，进而使得上位控制机自动控制锁定目标钻杆，调整主体回转的转动速度，使主体回转、主臂、辅臂所在平面缓慢接近目标钻杆，再实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆，若确定能够抓取到钻杆，上位控制机控制关节吊机本体抓取目标钻杆，降低了对操作者的能力要求提高了工作效率；只需要在目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线（夹持器中心所在直线）重合时，即可认为当前姿态能够成功抓取到钻杆，上位控制机判断方式简单，实现容易；在目标钻杆抓取过程中，通过吊机参数监控装置采集到的数据对关节吊机本体的辅臂、夹持器和主臂进行相应控制，提高了钻杆抓取的精确度。

Claims (8)

1.一种关节吊机自动抓放钻杆系统，其特征在于：包括关节吊机本体和抓杆控制设备，所述抓杆控制设备的输出端与关节吊机本体连接；

所述的关节吊机本体包括回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）和夹持器（4）；所述主臂（2）的一端铰接在回转主体（1）上，主臂（2）的另一端与辅臂（3）的前端铰接；所述辅臂（3）的末端设置有能够沿辅臂（3）中心轴转动的夹持器（4）；

所述的抓杆控制设备包括工业摄像机和上位控制机；所述的工业摄像机设置于主臂（2）的正下方，其照射方向与回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）处于同一平面内，用于采集钻杆堆藏区内的实时图像；所述上位控制机用于控制回转主体（1）开始转动，同时根据工业摄像机拍摄的实时图像锁定目标钻杆，分析出关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置，使回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）所在平面缓慢接近目标钻杆，在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆；

所述的上位控制机包括：

转动控制模块，用于控制回转主体（1）转动；

图像分析模块，用于在回转主体（1）的转动过程中，对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

调整模块，用于锁定目标钻杆，调整回转主体（1）的转动速度，使回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）所在平面缓慢接近目标钻杆；

判断模块，用于实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆：当目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线重合时，认为当前姿态能够成功抓取到钻杆；

抓取控制模块，用于在确定能够抓取到钻杆后，控制关节吊机本体抓取目标钻杆，自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

2.根据权利要求1所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统，其特征在于：所述的关节吊机本体还包括将军柱（5），所述回转主体（1）安装于将军柱（5）上且能够沿将军柱（5）的中心轴转动。

3.根据权利要求1所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统，其特征在于：所述的抓杆控制设备还包括吊机参数监控装置，所述吊机参数监控装置包括安装于回转主体（1）上的第一编码器、安装于主臂（2）上的第一倾角传感器、安装于辅臂上的第二倾角传感器、安装于夹持器（4）上的第二编码器；所述第一编码器、第二编码器、第一倾角传感器和第二倾角传感器的输出端均与上位控制机连接；

所述第一编码器用于实时监测回转主体（1）相对于初始位置回转角度；所述于第二编码器用于实时监测夹持器（4）相对于初始位置回转角度；所述第一倾角传感器用于实时监测主臂（2）与回转主体（1）中心轴之间的相对角度；所述第二倾角传感器用于实时监测辅臂与主臂间的相对角度。

4.根据权利要求1所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统，其特征在于：所述的抓取控制模块包括：

回转停止单元，用于控制回转主体(1)停止转动；

夹持器调整单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，调整夹持器(4)回转与目标钻杆平行；

抓取单元，用于根据吊机参数监控装置采集到的数据，控制主臂(2)下放，使夹持器(4)抓取钻杆；

放置单元，用于控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.上位控制机启动抓取钻杆的命令，并控制回转主体（1）开始转动；

S2.上位控制机对工业摄像机拍摄到的图像进行分析，判断工业摄像机拍摄范围内是否存在符合钻杆抓取要求的钻杆，若存在则进入步骤S3，若不存在则返回步骤S1继续控制回转主体（1）转动；

S3.上位控制机对图像分析获得关节吊机本体与钻杆堆藏区内钻杆的相对位置；

S4.上位控制机锁定目标钻杆，调整回转主体（1）的转动速度，使回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）所在平面缓慢接近目标钻杆；

S5.上位控制机实时判断当前姿态下是否能够成功抓取到钻杆，若确定能够抓取到钻杆，进入步骤S6，若不能够抓取到钻杆，返回步骤S4；

S6.上位控制机控制关节吊机本体抓取目标钻杆。

6.根据权利要求5中任意一项所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，其特征在于：抓取目标钻杆后，还包括钻杆放置步骤：上位控制机控制关节吊机本体自动运行至钻杆猫道并放下钻杆。

7.根据权利要求5中任意一项所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，其特征在于：所述步骤S5中，当目标钻杆与拍摄图像中竖直的一条直线重合时，认为目标钻杆处于回转主体（1）、主臂（2）、辅臂（3）所在平面内，当前姿态能够成功抓取到钻杆。

8.根据权利要求5中任意一项所述的一种关节吊机自动抓放钻杆系统的抓杆方法，其特征在于：所述的步骤S6包括以下子步骤：

S601.控制回转主体(1)停止转动；

S602.上位控制机根据第二倾角传感器采集到的实时数据，精确控制辅臂(3)调整至抓杆区域对应的工作半径；

S603.上位控制机根据第二编码器采集到的实时数据，精确控制调整夹持器(4)回转，与目标钻杆平行；

S604.上位控制机根据第一倾角传感器采集到的实时数据，精确控制主臂(2)下放，使夹持器(4)抓取钻杆。