CN112065303A - 一种钻台机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻台机器人，包括行走装置，行走装置上活动连接有机械臂，机械臂活动连接有末端执行器。本发明机器人具有钻台面管柱单根扶持、管柱立根排放、提升短接抓取、管柱对扣、管柱公母端旋扣的功能，且自动化程度高、作业精度高。

Description

一种钻台机器人

技术领域

本发明属于石油钻井装备技术领域，具体涉及一种钻台机器人。

背景技术

自动化钻机是石油钻井装备发展的方向，更是改善现场作业环境、提高钻井作业效率、减轻劳动力强度、提升装备自动化水平的有效措施，而自动化钻机的主要组成分布之一就是管柱自动化处理系统，具有单一设备多个功能、安全性好、自动化水平高的管柱自动化处理设备越来越受到用户的青睐。

钻机管柱处理的大量任务位于钻台面，常规钻井作业过程钻台面的管柱处理工作包括管柱单根扶持、管柱立根排放、提升短接抓取、管柱对扣、管柱公母端旋扣等，目前这些管柱处理工作主要靠钻井工人拖、拉、扛、拽、抱来完成，可以看出这些工作劳动强度大、作业风险高、任务繁重，需要多名钻工配合完成。现有的钻台面管柱处理设备具有如下不足：1)功能单一，一种设备只能完成管柱作业流程中的一项任务；2)安装受限，多项任务需要安装多个设备来完成，这让本来空间狭小的钻台面更加拥挤，作业风险倍增；3)自动化程度低，现有管柱处理设备基本实现了作业机械化，但是由于自动化水平的不足还需要人工参与操作；4)作业精度差，据不完全统计，现有管柱处理设备基本以连杆机构配套液压控制系统为主，在实际作业过程中末端执行机构误差基本上在30mm以上，过大的误差造成了作业过程的不确定性，大多数时候需要人工干预。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻台机器人，具有钻台面管柱单根扶持、管柱立根排放、提升短接抓取、管柱对扣、管柱公母端旋扣的功能，且自动化程度高、作业精度高。

本发明所采用的技术方案是，一种钻台机器人，包括行走装置，行走装置上活动连接有机械臂，机械臂活动连接有末端执行器。

本发明的特点还在于，

机械臂包括主臂，主臂的一端活动连接有回转座，回转座与主臂之间连接有第II回转轴驱动装置，回转座通过第I回转轴驱动装置与行走装置连接，主臂的另一端与副臂的一端活动连接，主臂与副臂之间连接有第III回转轴驱动装置，副臂的另一端与末端执行器活动连接，副臂与末端执行器之前连接有第IV回转轴驱动装置。

末端执行器包括安装架体，安装架体通过法兰与副臂活动连接，安装架体上靠近法兰的一端对称的设置有连接销轴I和连接销轴II，连接销轴I的上端通过键连接方式设置有左齿轮，连接销轴II的上端通过键连接方式设置有右齿轮，左齿轮与右齿轮啮合，连接销轴I通过键连接有左驱动连杆，连接销轴II通过键连接有右驱动连杆，安装架体上设置有回转驱动装置，回转驱动装置输出端的小齿轮与左齿轮啮合，左驱动连杆与左钳爪的末端铰接，右驱动连杆与右钳爪的末端铰接，安装架体远离法兰的一端的中部设置有连接销轴III，连接销轴III分别与左连杆、右连杆的一端铰接，左连杆的另一端与左钳爪的中部铰接，右连杆的另一端与右钳爪的中部铰接。

安装架体远离法兰的一端对称的铰接有左旋扣滚轮和右旋扣滚轮，左旋扣滚轮与右旋扣滚轮的壁面形成V型，左旋扣滚轮的顶端连接有左旋扣马达，右旋扣滚轮的顶端连接有右旋扣马达。

左旋扣滚轮和右旋扣滚轮的壁面设置有凹槽或花纹。

左钳爪的前端铰接有左滚轮，右钳爪的前端铰接有右滚轮。

行走装置包括设置于立根盒中间的轨道，轨道内设置有行走滑车，行走滑车与第I回转轴驱动装置连接，行走滑车的底部设置有行走驱动装置。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明一种钻台机器人，实现了钻台面管柱单根扶持、管柱立根排放、提升短接抓取、管柱对扣、管柱公母端旋扣等作业功能的一体化集成，减少了钻台面配套设备的数量，降低了各设备作业干涉的风险，压缩了设备投入的成本；

(2)本发明一种钻台机器人，末端执行器的开口大小可以连续不间断调整，处理管柱范围覆盖了钻井过程中钻杆、钻铤、套管等20in以内的管柱，覆盖范围广；

(3)本发明一种钻台机器人，机械臂具有多个自由度，可以驱动末端执行器上下、前后移动，覆盖更大的作业范围，提高了灵活性；

(4)本发明一种钻台机器人，采用回转驱动装置进行驱动，在作业精度、效率、平顺性方面得到了巨大的提高，且占用的钻台空间较小，安全性更高；

(5)本发明一种钻台机器人，能够进行双向行走，为避让立根盒通道其它作业提供了多种选择。

附图说明

图1是本发明一种钻台机器人的结构示意图；

图2是本发明一种钻台机器人的末端执行器剖切结构示意图；

图3是本发明一种钻台机器人的末端执行器完全打开后的示意图；

图4是本发明一种钻台机器人扶持单根和排放立根示意图；

图5是本发明一种钻台机器人抓取提升短接示意图；

图6是本发明一种钻台机器人对扣和旋扣示意图。

图中，1.末端执行器，2.机械臂，3.行走装置；

101.安装架体，102.左钳爪，103.右钳爪，104.左齿轮，105.右齿轮，106.连接销轴I，107.连接销轴II，108.左驱动连杆，109.右驱动连杆，110.左连杆，111.右连杆，112.回转驱动装置，113.连接销轴III，114.左旋扣滚轮，115.右旋扣滚轮，116.左旋扣马达，117.右旋扣马达，118.左滚轮，119.右滚轮；

201.回转座，202.主臂，203.副臂，204.第I回转轴驱动装置，205.第II回转轴驱动装置，206.第III回转轴驱动装置，207.第IV回转轴驱动装置；

301.行走滑车，302.轨道，303.行走驱动装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种钻台机器人，如图1所示，包括行走装置3，行走装置3上活动连接有机械臂2，机械臂2活动连接有末端执行器1。

机械臂2包括主臂202，主臂202的一端与回转座201的双耳板活动连接，回转座201与主臂202之间连接有第II回转轴驱动装置205，实现了主臂202通过第II回转轴驱动装置205绕回转座201连接中心轴旋转，回转座201通过第I回转轴驱动装置204与行走装置3连接，主臂202的另一端双耳板与副臂203的一端活动连接，主臂202与副臂203之间连接有第III回转轴驱动装置206，实现了副臂203通过第III回转轴驱动装置206绕主臂202上端连接中心轴旋转，副臂203的另一端双耳板与末端执行器1活动连接，副臂203与末端执行器1之前连接有第IV回转轴驱动装置207。

第I回转轴驱动装置204、第II回转轴驱动装置205、第III回转轴驱动装置206、第IV回转轴驱动装置207均采用伺服电机驱动。

如图2和图3所示，末端执行器1包括安装架体101，安装架体101的一端通过法兰与副臂203活动连接，安装架体101的另一端设置有上面板和下面板，上面板和下面板上靠近法兰的一端对称的设置有同轴的通孔，通孔内铰接有连接销轴I106和连接销轴II107，连接销轴I106的上端通过键连接方式设置有左齿轮104，连接销轴II107的上端通过键连接方式设置有右齿轮105，左齿轮104与右齿轮105啮合，连接销轴I106通过键连接有左驱动连杆108，连接销轴II107通过键连接有右驱动连杆109，通过左驱动连杆108和右驱动连杆109同步反向转动达到了左钳爪102和右钳爪103的同步开合，安装架体101上面板上设置有回转驱动装置112，回转驱动装置112输出端的小齿轮与左齿轮104啮合，回转驱动装置112输出端小齿轮转动时驱动左齿轮104和右齿轮105同步反向转动，进而带动左驱动连杆108和右驱动连杆同步反向转动，左驱动连杆108与左钳爪102的末端铰接，右驱动连杆109与右钳爪103的末端铰接，安装架体101的上面板与下面板远离法兰的一端的中部设置有同轴的通孔，通孔内铰接有连接销轴III113，连接销轴III113以上下分布方式分别与左连杆110、右连杆111的一端铰接，左连杆110的另一端与左钳爪102的中部铰接，右连杆111的另一端与右钳爪103的中部铰接，左钳爪102的前端铰接有左滚轮118，右钳爪103的前端铰接有右滚轮119，左滚轮118和右滚轮119在直径方向凸出左钳爪和右钳爪前端的径向尺寸，安装架体101远离法兰的一端对称的铰接有左旋扣滚轮114和右旋扣滚轮115，左旋扣滚轮114与右旋扣滚轮115的壁面形成V型，所述左旋扣滚轮114的顶端连接有左旋扣马达116，右旋扣滚轮115的顶端连接有右旋扣马达117，左旋扣马达116和右旋扣马达117输出轴正对插入左旋扣滚轮114和右旋扣滚轮115，且驱动旋扣滚轮转动，左旋扣滚轮114和右旋扣滚轮115的壁面设置有凹槽或花纹，能够起到防滑的作用。

回转驱动装置112可以带动左驱动连杆108和右驱动连杆109转动较大的角度，实现左钳爪102和右钳爪103后端铰接点的大范围运动，如图3所示，通过回转驱动装置112转动使左钳爪102和右钳爪103完全关闭，末端执行器可以抓取2 3/8in的管柱，通过回转驱动装置112转动使左钳爪102和右钳爪103完全打开，末端执行器可以抓取20in的管柱。

行走装置3包括设置于立根盒中间的轨道302，轨道302内设置有行走滑车301，行走滑车301与第I回转轴驱动装置204连接，所述行走滑车301的底部设置有通过齿轮齿条传动的行走驱动装置303。

本发明一种钻台机器人的工作过程为：

如图4所示，末端执行器1上的回转驱动装置112可以带动左驱动连杆108和右驱动连杆109转动较大的角度，实现左钳爪102和右钳爪103靠近法兰一端的铰接点的大范围运动，调整左钳爪102和右钳爪103的开口大小，实现机械臂驱动末端执行器完成2 3/8in～20in范围内钻杆、钻铤、套管的单根扶持和立根排放，作业过程中始终保持左钳爪102和右钳爪103的开口大于所扶持管柱的直径。

如图5所示，末端执行器1上的回转驱动装置112可以带动左驱动连杆108和右驱动连杆109转动，实现左钳爪102和右钳爪103靠近法兰一端的铰接点的运动，使左钳爪102和右钳爪103的开口变小直至左旋扣滚轮114、右旋扣滚轮115、左滚轮118，右滚轮119与管柱外壁接触，并通过回转驱动装置112产生合适的夹持力，实现机械臂2驱动末端执行器1完成提升短接的抓取和移位。

如图6所示，机械臂2驱动末端执行器1将提升短接移送至井口，并完成与井口固定管柱的公母扣对接，末端执行器1上的左旋扣马达116和右旋扣马达117分别驱动左旋扣滚轮114和右旋扣滚轮115同方向主动旋转，带动提升短接进行公母扣旋扣作业，在旋扣过程中左滚轮118和右滚轮119被动旋转，同时机械臂2的位置姿态始终进行调整保证末端执行1竖直向下移动以适应公母扣之间相对高度的减小。

通过上述方式，本发明一种钻台机器人具有自动化程度高、结构紧凑、功能丰富、高效可靠的特点，同时具有钻台面管柱单根扶持、管柱立根排放、提升短接抓取、管柱对扣、管柱公母端旋扣的功能，克服了现有技术中钻台机械手连杆型式机械臂只能保持扶持钳在不变高度作业的不足。

Claims (7)

1.一种钻台机器人，其特征在于，包括行走装置(3)，所述行走装置(3)上活动连接有机械臂(2)，所述机械臂(2)活动连接有末端执行器(1)。

2.根据权利要求1所述一种钻台机器人，其特征在于，所述机械臂(2)包括主臂(202)，所述主臂(202)的一端活动连接有回转座(201)，所述回转座(201)与主臂(202)之间连接有第II回转轴驱动装置(205)，所述回转座(201)通过第I回转轴驱动装置(204)与行走装置(3)连接，所述主臂(202)的另一端与副臂(203)的一端活动连接，所述主臂(202)与副臂(203)之间连接有第III回转轴驱动装置(206)，所述副臂(203)的另一端与末端执行器(1)活动连接，所述副臂(203)与末端执行器(1)之前连接有第IV回转轴驱动装置(207)。

3.根据权利要求2所述一种钻台机器人，其特征在于，所述末端执行器(1)包括安装架体(101)，所述安装架体(101)通过法兰与副臂(203)活动连接，所述安装架体(101)上靠近法兰的一端对称的设置有连接销轴I(106)和连接销轴II(107)，所述连接销轴I(106)的上端通过键连接方式设置有左齿轮(104)，所述连接销轴II(107)的上端通过键连接方式设置有右齿轮(105)，所述左齿轮(104)与右齿轮(105)啮合，所述连接销轴I(106)通过键连接有左驱动连杆(108)，所述连接销轴II(107)通过键连接有右驱动连杆(109)，所述安装架体(101)上设置有回转驱动装置(112)，所述回转驱动装置(112)输出端的小齿轮与左齿轮(104)啮合，所述左驱动连杆(108)与左钳爪(102)的末端铰接，所述右驱动连杆(109)与右钳爪(103)的末端铰接，所述安装架体(101)远离法兰的一端的中部设置有连接销轴III(113)，所述连接销轴III(113)分别与左连杆(110)、右连杆(111)的一端铰接，所述左连杆(110)的另一端与左钳爪(102)的中部铰接，所述右连杆(111)的另一端与右钳爪(103)的中部铰接。

4.根据权利要求3所述一种钻台机器人，其特征在于，所述安装架体(101)远离法兰的一端对称的铰接有左旋扣滚轮(114)和右旋扣滚轮(115)，所述左旋扣滚轮(114)与右旋扣滚轮(115)的壁面形成V型，所述左旋扣滚轮(114)的顶端连接有左旋扣马达(116)，所述右旋扣滚轮(115)的顶端连接有右旋扣马达(117)。

5.根据权利要求4所述一种钻台机器人，其特征在于，所述左旋扣滚轮(114)和右旋扣滚轮(115)的壁面设置有凹槽或花纹。

6.根据权利要求3所述一种钻台机器人，其特征在于，所述左钳爪(102)的前端铰接有左滚轮(118)，所述右钳爪(103)的前端铰接有右滚轮(119)。

7.根据权利要求2所述一种钻台机器人，其特征在于，所述行走装置(3)包括设置于立根盒中间的轨道(302)，所述轨道(302)内设置有行走滑车(301)，所述行走滑车(301)与第I回转轴驱动装置(204)连接，所述行走滑车(301)的底部设置有行走驱动装置(303)。

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