CN109159828B - 水下管道连接机器人 - Google Patents

Abstract

一种水下管道连接机器人。主要解决现有水下管道连接机器人的连接系统复杂、工具繁多的问题。其特征在于：机器人采用三角履带车框架式结构，三角履带能够适应海底复杂的地形环境；两侧装有液压驱动的机械爪实现对管道的夹取，利用双轴油缸升降机构使得两根管道能到达同一水平高度，并且双轴油缸结构更加稳定能够防止在水下发生旋转的情况，采用滑轨滑块机构和液压缸的配合使用使管道左右移动进行位置调整；令两根待连接管道端面对齐，机器人中间布置卡箍连接件将对齐的两根管道锁紧，实现管道连接功能。该机器人能够完成水下行走、管道夹取、管道对准及管道连接各项工作内容，整体采用液压的驱动方式，不仅机器功率大，而且稳定性能更高。

Description

水下管道连接机器人

技术领域：

本发明涉及一种水下管道连接机器人。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，对能源尤其是石油资源的需求不断增长，在陆地油气资源日益减少的情况下，开发海洋油气已成为我国能源安全的重要保障。深海油气管道在深水油气的储运及集输方面都发挥了十分重要的作用。由于海洋环境多变性的限制，深海管道铺设对进程及工程质量都有很高的要求，以达到缩短海上施工周期，减少工程开发成本的目标。深海油气管道主要有焊接和机械连接两种方式，目前水下焊接方法中较为常用的几种方法分为干式焊接、局部干式焊接和湿式焊接等，深海油气管道法兰机械连接方法主要有卡爪式连接、卡钳(箍)式连接和螺栓法兰式连接。水下管道连接机器人能够完成水下管道的自动化连接，它能够代替人工潜入深海底部完成管道的夹持、运移和连接等一系列的操作，它可以有效的提高海上油田开发工作的进度，降低工作人员的劳动强度，缩短作业周期节约开发成本，提升我国海洋石油装备的水平。目前我国水下管道连接作业及研究仍处于起步阶段，水下管道通常是在陆上焊接连接好后再利用船托运下方至海底的或者是利用铺管船在船上将管道连接好之后再下入水中，这两种方法工作繁杂，费时费力，远远不能满足现代自动化水平的标准。现有水下管道连接系统大多需要水下辅助机器人的配合工作才能完成作业，在对管道的抓取、对中和连接等工作过程中往往不能满足高精度的要求，且管道的连接过程中不具有连贯性，影响连接的效率和工作进程。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提出一种水下管道连接机器人结构，其设计思路受三角履带轮的影响，本机器人采用三角履带车为基础结合一系列的管道连接装置的设计方式。三角履带轮适应于海底复杂的地形环境，四个三角履带轮结构分别驱动，使机器人整体灵活稳定。机器两端分布管道夹取装置，双缸液压爪的开合实现管道的夹取，优点是便于控制夹紧力的大小，防止夹紧力过小管道脱落或夹紧力过大管道受损等情况的发生。利用双轴油缸座使夹爪上下伸缩实现管道的上下移动令两根管道处于同一水平高度，车体上的滑轨滑块与四组液压缸的配合使用使夹爪水平移动便于待连接管道水平移动使两管道的端面对齐，机器中间夹持着呈开放状态的卡箍，待连接管道轴对齐之后，卡箍在夹具的操控下抱合在管道连接处，底部卡扣锁紧实现连接。本发明是根据管道作业所需设计的，未见在报道中有水下管道连接的实例，该机器结构简单为水下管道连接机器研究提供了许多新思路。

本发明的技术方案是：该种水下管道连接机器人，具有车体1，其独特之处在于：车体1上中间开有长方形槽，作为供管道夹取结构3左右移动的空间，车体上两边布置有两条滑轨和四组液压缸15，所述滑轨与管道夹取装置的机座滑块相配合从而带动管爪水平移动使待连接的两根管道的端面接触，实现管道的轴对齐的要求。

所述的管道连接机器人还包括三角履带轮结构2、管道夹取结构3和管道连接结构4。

其中，所述三角履带轮结构2包括履带主动轮5、履带内支架6、履带被动轮支架7、履带从动轮8、履带9以及液压马达10。所述履带主动轮5，其形状与齿轮形状一样，中间有孔，通过键连接与液压马达10输出轴相连接；履带主动轮5轮齿与履带9相啮合；所述履带内支架6，其形状为三角形，顶端有孔用于固定履带主动轮5，底端固定履带被动轮支架7；所述履带被动轮支架7，形状为三角形，大小约为履带内支架6的六分之一，顶端与履带内支架6相连接，底端固定履带从动轮8；所述履带从动轮8，布置在履带9内部两侧，一边五个，与履带主动轮5相互配合工作；所述履带9，采用橡胶材料，内侧与履带主动轮5相啮合；所述液压马达10，固定在车体1的四个角处，用来驱动四个三角履带轮结构2。

所述管道夹取结构3包括管爪11、管爪座12、管爪升降油缸座13、机座滑块14和液压缸15；所述管爪11，通过管爪销轴16固定在管爪座12上，两侧有孔用来固定管爪11与管爪座12之间的液压缸15的一端，管爪11的开合实现管道的夹取过程；所述管爪座12，其形状为正方体，内部中空，顶部利用螺纹连接两个管爪升降油缸座13，两侧面顶部有孔连接管爪11与管爪座12之间液压缸的另一端；所述管爪升降油缸座13，利用螺钉17固定在机座滑块14上，左右两边有耳板用来固定液压缸15；所述机座滑块14，布置在管爪升降油缸座13的两侧，与车体1上两边的滑轨配合工作，带动管爪升降油缸座13左右移动；所述液压缸15，有两组布置在管爪11和管爪座12之间，对称布置，有两组布置在车体1上，一端固定在车体1上的液压缸座上，一端固定在管爪升降油缸座13耳板上。

所述管道连接结构4包括卡箍连接件19和四种形状各异的卡箍夹具20；所述卡箍连接件19，其形状为圆环状，内部有截面为等腰梯形的凹槽，顶部有孔通过销轴21将两个卡箍瓣相连接，底端呈卡扣状，中部两边有孔使其固定在卡箍夹具上；所述卡箍夹具，第一夹具22一端固定在车体1上，中部与第二夹具23和第四夹具25相连接，末端有小半球结构用于卡进卡箍连接件中部的孔中，从而固定卡箍连接件一面，第二夹具23有孔与第三夹具24相连接，第三夹具24与第四夹具25的一端相铰接，第四夹具25的另一端固定到卡箍19中部的小孔处。

本发明具有如下有益效果：本发明所提出的水下管道连接机器人结构采用三角履带车的结构为基底，三角履带车适应于地形比较复杂的环境，其优点是使机器整体更加稳定。管道夹取装置采用双轴油缸能够有效地应对水下的冲击防止管爪发生旋转，车体上的滑轨滑块和液压缸的配合使用实现管爪的水平移动。机器的驱动采用液压的驱动方式，液压缸提供的推力较大，能提供足够大的驱动力，使机器能够平稳的运行。

下面进行详细说明：

首先，本种水下管道连接机器人按照水下管道连接工作需要来设计机构，能够完成一系列的水下管道连接工作。本水下管道连接机构在机构型上具有创新性，丰富了水下管道连接机器人的内容，具有较重要的理论意义。机器人整体通过吊放至海底后展开工作，完成水下管道的连接工作。

其次，机器人采用履带而不是轮式结构是为了更好的适应海底复杂的地形环境，承载能力和稳定性能较好。四个三角履带轮由液压马达分别驱动，使得整个机器人在工作过程中更加灵活，保证管道在对接过程中的精确度。同时考虑到避障的因素，车体较高能够避开海底大型的岩石。

然后，管道夹取装置采用双轴油缸，在海底复杂的环境下，双轴油缸更加稳定，防止管爪在升降过程中发生打转的情况。车体上的四组液压缸驱动滑块在滑轨上运动从而实现管爪的左右移动使待连接的两个管道端面接触。

最后，液压系统采用双联齿轮泵供油，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸，确保管爪两侧对称液压缸能够同步伸缩，以保证管爪作业过程中的平稳运行。液压马达是将液压能转化为机械能的装置，可实现连续的旋转运动，此装置使用液压马达驱动，易获得较大的力矩，传递过程比较平稳，能够防止过载事故的发生。

综上所述，本发明提出的一种水下管道连接机器人结构，能够完成一系列的水下管道连接的工作，在实际生产过程中大多是在岸上或船上将管道连接完成后再下入到水中，未见在水下完成管道铺设的实例，为该领域的研究人员提供了许多新的思路。以三角履带车为基底，更好的适应海底的复杂地形环境，双液压缸驱动管爪更好的控制管爪的夹紧力，滑块在滑轨上与液压缸的配合使用使机器更加灵活。本发明能够完成水下管道自动连接的工作任务，减少人工的工作强度，提高了工作效率，有效的避免了油气田开发过程中存在的安全隐患。

附图说明：

图1是本种水下管道连接机器人结构图。

图2是本种水下管道连接机器人三角履带轮结构图。

图3是本种水下管道连接机器人管道夹取装置图。

图4是本种水下管道连接机器人管道连接装置结构图。

图5是本种水下管道连接机器人夹取管道后的结构图。

图中1-车体，2-三角履带轮结构，3-管道夹取结构，4-管道连接结构，5-履带主动轮，6-履带内支架，7-履带被动轮支架，8-履带从动轮，9-履带，10-液压马达，11-管爪，12-管爪座，13-管爪升降油缸座，14-机座滑块，15-液压缸，16-管爪销轴，17-螺钉，19-卡箍连接件，20-卡箍夹具，21-销轴，22-第一夹具，23-第二夹具，24-第三夹具，25-第四夹具。

具体实施方式：

本种水下管道连接机器人结构，具有车体，车体上中间开有长方形槽，供管道夹取装置左右移动的空间，车体上两边布置着两条滑轨和四组液压缸，滑轨与管道夹取装置的滑块相配合从而带动管爪水平移动使待连接的两根管道的端面接触实现管道的轴对齐的要求。所述的管道连接机器人结构还包括三角履带轮结构、管道夹取结构和管道连接结构；

其中，所述三角履带轮结构包括履带主动轮、履带内支架、履带被动轮支架、履带从动轮、履带、液压马达。所述履带主动轮，其形状与齿轮形状一样，非标准件，中间有孔通过键连接与液压马达输出轴相连接，轮齿与履带相啮合。所述履带内支架，其形状为三角形，顶端有孔固定履带主动轮，底端固定履带被动轮支架用来固定履带从动轮。所述履带被动轮支架，其形状也为三角形，大小为内支架的六分之一左右，顶端与内支架相连接，底端固定履带从动轮。所述履带从动轮，分别布置在履带内部两侧，一边五个，与主动轮相互配合工作。所述履带，采用橡胶的材料，内侧与履带主动轮相啮合。所述液压马达，分别固定在车体的四个角处，用来驱动四个三角履带轮。

所述管道夹取装置包括管爪、管爪座、管爪升降油缸座、机座滑块和液压缸。所述管爪，通过管爪销轴固定在管爪座上，两侧有孔用来固定管爪与管爪座之间的液压缸的一端，管爪的开合实现管道的夹取过程。所述管爪座，其形状为正方体，内部中空，顶部利用螺纹连接两个管爪升降油缸轴，两侧面顶部有孔连接管爪与管爪座之间液压缸的另一端。所述管爪升降油缸座，利用螺钉固定在机座滑块上，左右两边有耳板用来固定液压缸。所述机座滑块，布置在升降油缸座的两侧，与车体上两边的滑轨配合工作，带动油缸座左右移动。所述液压缸，有两组布置在管爪和管爪座之间，对称布置，有两组布置在车体上，一端固定在车体上的液压缸座上，一端固定在油缸座耳板上。

所述管道连接结构包括卡箍连接件和四种形状各异的卡箍夹具。所述卡箍连接件，其形状为圆环状，内部有截面为等腰梯形的凹槽，顶部有孔通过销轴将两个卡箍瓣相连接，底端呈卡扣状，中部两边有孔使其固定在卡箍夹具上。所述卡箍夹具，第一夹具一端固定在车体上，中部与第二夹具和第四夹具相连接，末端有小半球结构将卡进卡箍连接件中部的孔中从而固定卡箍连接件一面，第二夹具有孔与第三夹具相连接，第三夹具与第四夹具的一端相铰接，第四夹具的另一端固定到卡箍连接件中部的小孔处。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本种水下管道连接机器人结构，具有车体1，车体1上中间开有长方形槽，供管道夹取结构3左右移动的空间，车体1上两边布置着两条滑轨和四组液压缸15，滑轨与管道夹取结构3的机座滑块14相配合从而带动管爪11水平移动使待连接的两根管道的端面接触实现管道的轴对齐的要求。所述的管道连接机器人结构还包括三角履带轮结构2、管道夹取结构3和管道连接结构4；下面对这些单元的构成及工作原理进行说明。

三角履带轮结构2，如图2结合图1。所述三角履带轮结构2包括履带主动轮5、履带内支架6、履带被动轮支架7、履带从动轮8、履带9、液压马达10。所述履带主动轮5，其形状与齿轮形状一样，非标准件，中间有孔通过键连接与液压马达10输出轴相连接，轮齿与履带9相啮合。所述履带内支架6，其形状为三角形，顶端有孔固定履带主动轮5，底端固定履带被动轮支架7用来固定履带从动轮8。所述履带被动轮支架7，其形状也为三角形，大小为内支架6的六分之一左右，顶端与内支架6相连接，底端固定履带从动轮8。所述履带从动轮8，分别布置在履带9内部两侧，一边五个，与主动轮5相互配合工作。所述履带9，采用橡胶的材料，内侧与履带主动轮5相啮合。所述液压马达10，分别固定在车体1的四个角处，用来驱动四个三角履带轮结构2。

管道夹取结构3，如图3所示。所述管道夹取结构3包括管爪11、管爪座12、管爪升降油缸座13、机座滑块14和液压缸15。所述管爪11，通过管爪销轴16固定在管爪座12上，两侧有孔用来固定管爪11与管爪座12之间的液压缸15的一端，管爪11的开合实现管道的夹取过程。所述管爪座12，其形状为正方体，内部中空，顶部利用螺纹连接两个管爪升降油缸座13，两侧面顶部有孔连接管爪11与管爪座12之间液压缸15的另一端。所述管爪升降油缸座13，利用螺钉17固定在机座滑块14上，左右两边有耳板用来固定液压缸15。所述机座滑块14，布置在升降油缸座13的两侧，与车体1上两边的滑轨配合工作，带动油缸座左右移动。所述液压缸15，有两组布置在管爪11和管爪座12之间，对称布置，有两组布置在车体上，一端固定在车体1上的液压缸座上，一端固定在油缸座13耳板上。

管道连接结构4，如图4所示。所述管道连接结构4包括卡箍连接件19和四种形状各异的卡箍夹具20。所述卡箍连接件19，其形状为圆环状，内部有截面为等腰梯形的凹槽，顶部有孔通过销轴21将两个卡箍瓣相连接，底端呈卡扣状，中部两边有孔使其固定在卡箍夹具20上。所述卡箍夹具20，第一夹具22一端固定在车体1上，中部与第二夹具23和第四夹具25相连接，末端有小半球结构将卡进卡箍连接件19中部的孔中从而固定卡箍连接件19一面，第二夹具23有孔与第三夹具24相连接，第三夹具24与第四夹具25的一端相铰接，第四夹具25的另一端固定到卡箍连接件19中部的小孔处。

下面介绍本种管道连接机器人结构的工作过程。参见图1、图5，水下管道机器人由母船运送到指定海面位置再将其吊放到海底，液压马达10驱动四组三角履带轮2带动整个车体1运动到第一根待连接管道的正上方，管道夹取结构3开始工作，管爪11向下伸抓取第一根管道然后将其提升到一定的高度，机器人整体向另一根待连接的管道移动，移动到第二根待连接的管道的正上方，另一端的管道夹取结构3开始工作，管爪11夹取管道并提升到与第一根待连接管道相同的高度，此时，车体上的四组液压缸15伸缩带动机座滑块14在滑轨上滑动，使得夹紧管道的两个管爪11左右移动令待连接的两根管道的端面接触，管道实现轴对齐之后，管道连接结构4开始工作，卡箍夹具20使得卡箍连接件19抱合在管道端面连接处并锁紧实现两管道连接。

本发明所提出的一种水下管道连接机器人结构，可应用于Φ300-Φ500mm管道。根据水下管道连接工作的所需而设计出相应的解决机构，具有很大的创新意义，为该领域的研究人员提供了新思路。三角履带轮结构能够很好的适应海底复杂的地形环境，是整个机器人稳定的运动，双液压缸管爪能够严格的控制夹紧力防止管道的脱落或因夹紧力过大而造成管道损坏，管道连接装置结构简单，使用灵活。该水下管道连接机器人具有一定的越障能力和管径适应能力，有很高的实际应用价值。

Claims (1)

1.一种水下管道连接机器人，具有车体（1），其特征在于：

车体（1）上中间开有长方形槽，作为供管道夹取结构（3）左右移动的空间，车体上两边布置有两条滑轨和四组液压缸（15），所述滑轨与管道夹取结构的机座滑块相配合从而带动管爪水平移动使待连接的两根管道的端面接触，实现管道的轴对齐的要求；

所述的管道连接机器人还包括三角履带轮结构（2）、管道夹取结构（3）和管道连接结构（4）；

其中，所述三角履带轮结构（2）包括履带主动轮（5）、履带内支架（6）、履带被动轮支架（7）、履带从动轮（8）、履带（9）以及液压马达（10）；所述履带主动轮（5），其形状与齿轮形状一样，中间有孔，通过键连接与液压马达（10）输出轴相连接；履带主动轮（5）轮齿与履带（9）相啮合；所述履带内支架（6），其形状为三角形，顶端有孔用于固定履带主动轮（5），底端固定履带被动轮支架（7）；所述履带被动轮支架（7），形状为三角形，大小约为履带内支架（6）的六分之一，顶端与履带内支架（6）相连接，底端固定履带从动轮（8）；所述履带从动轮（8），布置在履带（9）内部两侧，一边五个，与履带主动轮（5）相互配合工作；所述履带（9），采用橡胶材料，内侧与履带主动轮（5）相啮合；所述液压马达（10），固定在车体（1）的四个角处，用来驱动四个三角履带轮结构（2）；

所述管道夹取结构（3）包括管爪（11）、管爪座（12）、管爪升降油缸座（13）、机座滑块（14）和液压缸（15）；所述管爪（11），通过管爪销轴（16）固定在管爪座（12）上，两侧有孔用来固定管爪（11）与管爪座（12）之间的液压缸（15）的一端，管爪（11）的开合实现管道的夹取过程；所述管爪座（12），其形状为正方体，内部中空，顶部利用螺纹连接两个管爪升降油缸座（13），两侧面顶部有孔连接管爪（11）与管爪座（12）之间液压缸的另一端；所述管爪升降油缸座（13），利用螺钉（17）固定在机座滑块（14）上，左右两边有耳板用来固定液压缸（15）；所述机座滑块（14），布置在管爪升降油缸座（13）的两侧，与车体（1）上两边的滑轨配合工作，带动油缸座（13）左右移动；所述液压缸（15），有两组布置在管爪（11）和管爪座（12）之间，对称布置，有两组布置在车体（1）上，一端固定在车体（1）上的液压缸座上，一端固定在管爪升降油缸座（13）的耳板上；

所述管道连接结构（4）包括卡箍连接件（19）和四种形状各异的卡箍夹具（20）；所述卡箍连接件（19），其形状为圆环状，内部有截面为等腰梯形的凹槽，顶部有孔通过销轴（21）将两个卡箍瓣相连接，底端呈卡扣状，中部两边有孔使其固定在卡箍夹具上；所述卡箍夹具，包括第一夹具（22）、第二夹具（23）、第三夹具（24）和第四夹具（25），第一夹具（22）一端固定在车体（1）上，中部与第二夹具（23）和第四夹具（25）相连接，末端有小半球结构用于卡进卡箍连接件（19）中部的孔中，从而固定卡箍连接件（19）一面，第二夹具（23）有孔与第三夹具（24）相连接，第三夹具（24）与第四夹具（25）的一端相铰接，第四夹具（25）的另一端固定到卡箍连接件（19）中部的小孔处。

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