CN117514983B - 一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构及其控制方法，涉及油气田开发技术领域，支撑机构中每组支撑连杆组件由独立的液压缸及液压阀控制，每组支撑连杆组件周向接触到的井壁不规则时，支撑机构接触效果不理想会导致牵引力减小，此时伸缩机构中的位移传感器检测到活塞位移较小，信息反馈至地面控制系统，再通过调节不同撑连杆组件对应的支撑缸进液大小直至伸缩机构的位移传感器检测到有效牵引距离，实现在各种复杂井筒下机器人支撑机构有效支撑及辅助牵引作用。本发明能够实现在复杂工况下，支撑机构能够适应井筒变化，使得机器人在套管变形的情况下管壁保持良好的接触情况，以协助机器人整体结构协同工作实现工作效率最大化。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，具体涉及一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构及其控制方法。
背景技术
井下牵引器即井下爬行器，也叫井下爬行机构、井下拖拉机、井下牵引机器人、井下水力加压器、井下钻头推进器等，是一种能在井底提供牵引力的一种井下工具。目前的牵引机器人主要包括轮式牵引机器人、螺旋式牵引机器人、液压式牵引机器人。但是轮式牵引机器人与井壁/管壁之间的接触及支撑作用是驱动轮实现的，驱动轮支撑井壁/管壁时的运动副为高副，接触类型为点接触，在驱动轮支撑井壁/管壁时还需要完成滚动达到牵引管串的作用，此时由于接触效果不佳，极易出现牵引力不足或者打滑现象，使得支撑效果和牵引效果都不理想；轮式牵引机器人驱动轮对井壁/管壁进行支撑时，驱动轮在周向内分布于机器人机身两侧，处于同一平面工作，当机器人在运动过程中由于打滑及接触面过小容易在周向产生翻转。现有的井下牵引器具体还存在以下技术缺陷：牵引机器人支撑机构可适应井壁微小粗糙凸起，但支撑连杆组件统一的张合，不能良好适应井筒变形情况，只能在截面为标准圆的井筒进行良好的支撑；支撑机构支撑连杆组件与井壁/管壁接触效果不佳，则机器人支撑机构与井壁接触固定部分作业短节时达不到所需摩擦力，则当机器人支撑机构难以高效地协助牵引短节牵引管串，且能承受的牵引力较小，限制了机器人牵引力的进一步提升，难以满足大牵引力的施工作业条件；驱动轮作为支撑井壁的直接部件，结构复杂、尺寸精密，使得加工、装配及后续维修工作存在一定难度，且精密部件的加工及耗材的更换使得作业成本大大增加。
中国专利公开号为CN107477306B的发明公开了一种连续油管牵引机器人的电液控制系统。其公开的控制系统没有提供该电液控制系统配套的详细、具体机器人的执行结构特征及相关运动状态说明；该机器人电液控制方法及系统中未在电磁阀及执行部件（液压缸）中间设置液压锁，而是在液压泵及电磁阀中的油路间设置单向阀，只能控制液体流向，不能实现对执行元件进行锁闭，从而无法使得执行元件在任意位置停止；该技术中支撑连杆组件中未布有高精度微型传感器，不能直接实时检测支撑连杆组件受力情况，从而无法直接判断机器人的支撑效果；该技术中涉及到的机器人支撑机构也存在支撑机构无法适应井筒变形、单个支撑连杆组件不可单独控制等问题。
发明内容
本发明提供了一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，旨在解决现有技术中存在的技术问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构，包括左作业短节、控制短节、液压短节和右作业短节，所述左作业短节和右作业短节关于控制短节轴对称且两者结构功能相同，控制短节的两端与分别与左作业短节和右作业短节连接，所述左作业短节包括中心主体、支撑机构、伸缩机构、液压短节，所述支撑机构包括支撑缸组件及支撑连杆组件，所述支撑缸组件包括支撑缸端盖、支撑缸缸体、两个及以上活塞及活塞杆、支撑缸隔板，所述支撑缸缸体内包括与活塞及活塞杆数量一致且行程、容积相等的支撑液压腔，所述支撑连杆组件的组数与活塞及活塞杆数量一致。
进一步的，所述支撑缸隔板安装在支撑缸缸体内部的凹槽中，凹槽中布有密封橡胶，支撑缸隔板将支撑缸缸体分割成了若干行程和容积相等的支撑液压腔；所述支撑缸缸体端面配合安装活塞及活塞杆，每个所述支撑液压腔内安装活塞及活塞杆；所述支撑缸端盖螺纹配合在支撑缸缸体端面并与支撑缸隔板接触，限制支撑缸隔板的位置。
进一步的，所述支撑连杆组件圆周均匀设置在机器人上，每组所述支撑连杆组件包括短连杆底座、长连杆底座、第一连杆、支撑块、第二连杆、第三连杆、支撑面、拉杆，所述短连杆底座与活塞及活塞杆伸出支撑缸缸体的部分螺纹连接，短连杆底座与第一连杆铰链接，第一连杆又分别与支撑块及第三连杆铰接，支撑块另一端与第二连杆铰接，第二连杆与长连杆底座右端铰接，第三连杆与长连杆底座左端铰接，长连杆底座与伸缩机构固接在一起，拉杆两端用螺纹分别固定在支撑缸缸体及伸缩机构上；所述支撑块中安装有微型压力传感器。
进一步的，所述中心主体环空中布有多个油道，中心主体贯穿支撑机构、伸缩机构、控制短节、液压短节，且中心主体与支撑机构装配，中心主体与支撑机构无相对滑动及转动；伸缩机构内部有位移传感器；控制短节中布有控制电路及电线、微型电机、液压油缸、控制伸缩机构的2个O型中位机能、三位四通电磁阀及多个单向阀组成的液压锁；液压短节内布满支撑机构所需要的多个O型中位机能、三位四通电磁阀及由多个单向阀组成的液压锁、1个微型液压泵、1个油滤及1个溢流阀。
一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，包括如下步骤：
S1,设置基础数据，所述基础数据包括电磁阀开启时间及电磁阀动作周期、支撑缸组件液压缸启动阈值与最大阈值、电磁阀初始启动时间系数；
S2，判断支撑缸组件中液压缸压力是否达到最大阈值，若未达到最大阈值则进行下一步操作，若达到最大阈值则结束操作；
S3，采集各电磁阀阀前阀后的压差并计算存储支撑缸组件活塞行程与推力数据；
S4，根据活塞行程及推力数据拟合计算活塞行程-推力曲线导数；
S5，判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于C0，若小于则说明支撑连杆组件与井筒壁处于间隙阶段，若大于则说明支撑连杆组件与井筒壁处于接触状态或者起升阶段；
S6，进一步判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于C1，若小于则说明支撑连杆组件与井筒壁处于起升阶段，若大于则说明支撑连杆组件与井筒壁处于接触状态；
S7，根据各组所述支撑连杆组件与井筒壁之间的状态调整液压缸控制周期的时间系数，即使对应的电磁阀打开指定的时间；
S8，计算液压缸的推靠力，并判断是否达到目标推力，若未达到目标推力则返回步骤S2并继续后续步骤直至达到目标推力；若已经达到目标推力则结束控制。
所述S4中拟合计算活塞行程-推力曲线导数的具体方法为：电磁阀的流量计算公式：，式中：/>电磁阀流量；/>电磁阀系数，该系数在电磁阀加工完毕后采用室内实验确定；/>液压系统的工作压力；/>为第i个液压缸的压力；/>液压油密度；/>液压油比重；液压缸在一个控制周期内的位移计算公式：/>，式中：/>为时间系数，取值为k0、k1、k2；/>为控制周期内的电磁阀打开时间；/>为一个控制周期内液压缸活塞的位移；/>为液压缸活塞面积；液压缸推靠力计算公式：/>，式中 />为推靠力，根据上述3个公式，可以得到控制周期活塞行程-推力曲线导数。
所述电磁阀采用一定占空比的PWM信号驱动，测量一个控制周期内的液压缸活塞位置与压力，进一步计算活塞的推靠力，根据斜率判断每个推靠液压缸的状态，根据每个液压缸的状态，设备时间系数k0、k1、k2，即调整PWM的占空比。
所述S5中斜率C0为支撑机构空载工况下，主要的压力损耗在支撑缸组件的液压系统的流动摩阻以及活塞及活塞杆的摩擦力，由于支撑机构没有负载，在该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率较小，记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得斜率C0；所述S6中斜率C1为支撑机构接触硬井壁工况下，活塞行程变化较小，同时油缸压力急剧上升，该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率较大，在实验室中将支撑机构固定，在支撑连杆组件行程范围内安装一个固定的铁板，当支撑连杆组件接触铁板时记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得斜率C1。
基于上述技术方案，可产生如下技术效果：
（1）本发明涉及的井下牵引机器人支撑机构可以适应套管变形带来的井筒截面不规则，进一步保证支撑连杆组件与管壁有效接触，实现支撑管串效果最大化，从而有效辅助在机器人进行管串牵引作业时保持整个机身稳定，使得管串与机器人进行相对运动，辅助实现牵引管串的作用。
（2）本发明涉及到的机器人在单个作业短节中存在两个及以上支撑连杆组件，每个支撑连杆组件由独立的液压缸及液压阀控制。当每个支撑连杆组件在周向接触到的井壁不规则时，支撑机构接触效果不理想会导致牵引力减小，此时伸缩机构中的位移传感器检测到牵引缸活塞位移较小，信息反馈至地面控制系统，再通过调节不同支撑连杆组件对应的支撑缸进液大小直至伸缩机构的位移传感器检测到有效牵引距离，实现在各种复杂井筒下机器人支撑机构有效支撑及辅助牵引作用。
（3）支撑机构内布有微型压力传感器，且每个支撑连杆组件张开角度由对应的液压缸及液压阀单独控制，每个支撑连杆组件张开角度可不相同，能适应贴合不同的井壁，与井壁形成良好的接触，且多个液压缸独立运作的同时，对应的液压阀需要协同工作。多个液压阀协同工作，与执行部件支撑机构形成反馈机制，控制液压阀开口大小及流量等数据，从而控制每个支撑缸进液大小，达到控制活塞及活塞杆的伸出长度，有效控制支撑连杆组件开合角度，从而达到于井壁精确接触的目的，实现机器人支撑机构支撑作用最大化。
本发明涉及的支撑机构还可与井下牵引器、钻井机器人等具有牵引管串运动作用的井下作业工具配合使用，协助各种井下牵引工具高效作业。
附图说明
图1是本发明的控制流程图；
图2是本发明自适应牵引机器人结构示意图；
图3是支撑机构结构示意；
图4是支撑缸组件结构示意图；
图5是支撑缸缸体与支撑杆隔板装配示意图；
图6是支撑连杆组件结构示意图；
图7是自适应牵引机器人支撑机构作用下在理想状态井筒中工作示意图；
图8是自适应牵引机器人支撑机构作用下适应井筒变形工作示意图；
图9是自适应牵引机器人支撑机构作用下适应适应不规则井筒表面工作示意图；
图10是自适应牵引机器人状态a、状态a，或状态b，的液压原理图；
图11是自适应牵引机器人状态b的液压原理图；
图12是自适应牵引机器人状态c的液压原理图；
图13是自适应牵引机器人状态c，的液压原理图；
图14是自适应牵引机器人状态d的液压原理图；
图15是自适应牵引机器人状态d，的液压原理图；
图16是自适应牵引机器人状态e的液压原理图；
图17是自适应牵引机器人液压系统结构图。
图中：1-中心主体，2-支撑机构，3-伸缩机构，4-控制短节，5-液压短节，21-支撑缸组件，22-支撑连杆组件，211-支撑缸端盖，212-支撑缸缸体，213-活塞及活塞杆，214-支撑缸隔板，221-短连杆底座，222-长连杆底座，223-第一连杆，224-支撑块，225-第二连杆，226-第三连杆，227-支撑面，228-拉杆。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图6示，一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构，包括左作业短节、控制短节4、液压短节5和右作业短节，所述左作业短节和右作业短节关于控制短节4轴对称且两者结构功能相同，控制短节4的两端与分别与左作业短节和右作业短节连接，所述左作业短节包括中心主体1、支撑机构2、伸缩机构3、液压短节5，所述支撑机构2包括支撑缸组件21及支撑连杆组件22，所述支撑缸组件21包括支撑缸端盖211、支撑缸缸体212、两个及以上活塞及活塞杆213、支撑缸隔板214，所述支撑缸缸体212内包括与活塞及活塞杆213数量一致且行程、容积相等的支撑液压腔，所述支撑连杆组件22的组数与活塞及活塞杆213数量一致。
所述支撑缸隔板214安装在支撑缸缸体212内部的凹槽中，凹槽中布有密封橡胶，支撑缸隔板214将支撑缸缸体212分割成了若干行程和容积相等的支撑液压腔；所述支撑缸缸体212端面配合安装活塞及活塞杆213，每个所述支撑液压腔内安装活塞及活塞杆213；所述支撑缸端盖211螺纹配合在支撑缸缸体212端面并与支撑缸隔板214接触，限制支撑缸隔板214的位置。
所述支撑连杆组件22圆周均匀设置在机器人上，每组所述支撑连杆组件22包括短连杆底座221、长连杆底座222、第一连杆223、支撑块224、第二连杆225、第三连杆226、支撑面227、拉杆228，所述短连杆底座221与活塞及活塞杆213伸出支撑缸缸体212的部分螺纹连接，短连杆底座221与第一连杆223铰链接，第一连杆223又分别与支撑块224及第三连杆226铰接，支撑块224另一端与第二连杆225铰接，第二连杆225与长连杆底座222右端铰接，第三连杆226与长连杆底座222左端铰接，长连杆底座222与伸缩机构3固接在一起，拉杆228两端用螺纹分别固定在支撑缸缸体212及伸缩机构3上；所述支撑块224中安装有微型压力传感器。
所述中心主体1环空中布有多个油道，中心主体1贯穿支撑机构2、伸缩机构3、控制短节4、液压短节5，且中心主体1与支撑机构2装配，中心主体1与支撑机构2无相对滑动及转动；伸缩机构3内部有位移传感器；控制短节4中布有控制电路及电线、微型电机、液压油缸、控制伸缩机构3的2个O型中位机能、三位四通电磁阀及多个单向阀组成的液压锁；液压短节5内布满支撑机构2所需要的多个O型中位机能、三位四通电磁阀及由多个单向阀组成的液压锁、1个微型液压泵、1个油滤及1个溢流阀。
一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，包括如下步骤：
S1,设置基础数据，所述基础数据包括电磁阀开启时间及电磁阀动作周期、支撑缸组件21液压缸启动阈值与最大阈值、电磁阀初始启动时间系数；
S2，判断支撑缸组件21中液压缸压力是否达到最大阈值，若未达到最大阈值则进行下一步操作，若达到最大阈值则结束操作；
S3，采集各电磁阀阀前阀后的压差并计算存储支撑缸组件21活塞行程与推力数据；
S4，根据活塞行程及推力数据拟合计算活塞行程-推力曲线导数；
S5，判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于C0，若小于则说明支撑连杆组件22与井筒壁处于间隙阶段，若大于则说明支撑连杆组件22与井筒壁处于接触状态或者起升阶段；
S6，进一步判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于C1，若小于则说明支撑连杆组件22与井筒壁处于起升阶段，若大于则说明支撑连杆组件22与井筒壁处于接触状态；
S7，根据各组所述支撑连杆组件22与井筒壁之间的状态调整液压缸控制周期的时间系数，即使对应的电磁阀打开指定的时间；
S8，计算液压缸的推靠力，并判断是否达到目标推力，若未达到目标推力则返回步骤S2并继续后续步骤直至达到目标推力；若已经达到目标推力则结束控制。
所述S4中拟合计算活塞行程-推力曲线导数的具体方法为：电磁阀的流量计算公式：，式中：/>电磁阀流量；/>电磁阀系数，该系数在电磁阀加工完毕后采用室内实验确定；/>液压系统的工作压力；/>为第i个液压缸的压力；/>液压油密度；/>液压油比重；液压缸在一个控制周期内的位移计算公式：/>，式中：/>为时间系数，取值为k0、k1、k2；/>为控制周期内的电磁阀打开时间；/>为一个控制周期内液压缸活塞的位移；/>为液压缸活塞面积；液压缸推靠力计算公式：/>，式中 />为推靠力，根据上述3个公式，可以得到控制周期活塞行程-推力曲线导数。
所述电磁阀采用一定占空比的PWM信号驱动，测量一个控制周期内的液压缸活塞位置与压力，进一步计算活塞的推靠力，根据斜率判断每个推靠液压缸的状态，根据每个液压缸的状态，设备时间系数k0、k1、k2，即调整PWM的占空比。
所述S5中斜率C0为支撑机构2空载工况下，主要的压力损耗在支撑缸组件21的液压系统的流动摩阻以及活塞及活塞杆213的摩擦力，由于支撑机构2没有负载，在该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率较小，记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得斜率C0；所述S6中斜率C1为支撑机构2接触硬井壁工况下，活塞行程变化较小，同时油缸压力急剧上升，该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率较大，在实验室中将支撑机构2固定，在支撑连杆组件22行程范围内安装一个固定的铁板，当支撑连杆组件22接触铁板时记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得斜率C1。
在本实施例中活塞及活塞杆213以数量为3个来说明。下面结合附图说明本发明的工作原理：
由于牵引机器人支撑机构2的每个支撑连杆组件22都有对应的支撑缸组件21配合工作，所以每个支撑连杆组件22中连杆展开的夹角大小（即连杆展开的程度）可以根据对应的支撑缸组件21及支撑连杆组件22配合控制，每组连杆展开的程度大小可以相同，也可以不同，支撑臂能更好贴合不同的井壁。
当井筒或者套管横截面无明显变形和损坏、井壁平缓无凸起的理想状态，牵引机器人运动原理如图7：
状态a：机器人静置在井筒非直井段时，牵引机器人支撑机构2处于复位状态。此时左作业短节中左边支撑机构2的左支撑缸的活塞及活塞杆213处于左边支撑缸缸体212左端，左边支撑缸缸体212右端为空，为液压油提供腔体，此时左边
随支撑缸活塞及活塞杆213的左置而收紧，此时整个支撑连杆组件22为收紧状态，左边的伸缩机构3中的左液压缸右置在与中心主体1固结的液压缸活塞处，控制短节4两配合连接在两个作业短节的中心主体1上，无相对滑动及转动，右作业短节结构关于控制短节4对称分布，且功能及工作原理相同。此时机器人支撑机构2复位时，机器人液压控制系统如图10所示：所有缸体的三位四通电磁阀都处于中位机能。
状态b：左作业短节中左边支撑机构2作业。控制短节4中电磁阀同时工作，控制液压油分别沿多个进油口进入到左工作短节的左边支撑缸缸体212的多个腔体中，从而同时推动多个左支撑缸的活塞及活塞杆213向右运动相同的行程；此时两组及以上的支撑连杆组件22在对应连接的左支撑缸的活塞及活塞杆213运动下张开，各组第一连杆223张开程度相同，多个左边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触。此时机牵引机器人左边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人左作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。此时机器人液压控制系统如图11所示：液压泵启动，同时液压短节5中3个三位四通电磁阀左位1YA、3YA、5YA同时得电，液压油经电磁阀P口经A口沿中心主体1油道分别流入对应的支撑缸缸体212中，此时左边支撑缸缸体212左腔充满液压油，使得左支撑缸的活塞及活塞杆213同时向右运动，带动支撑连杆组件22运动直至支撑块224与井壁紧密接触，且支撑缸缸体212液压油沿油道经电磁阀B口进入，从T口流回油缸。
状态c：在左边支撑机构2协助下，机器人进行第一次牵引作业。左边支撑机构2进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经液压油道流入左液压缸缸体左腔，推动左液压缸活塞向右运动，且左边的伸缩机构3右腔的液压油经液压油道流回控制短节4的油缸中；由于左液压缸活塞与中心主体1固接，则左液压缸活塞向右运动的过程同时带动其右侧所有零部件向右运动，完成机器人牵引管串的第一步；与此同时，液压油经油道流入右液压缸缸体右腔，由于左边支撑机构2作用及左液压缸伸缩作用下左作业短节位置固定，且右作业短节无固定支撑，此时本应右液压缸活塞相对右液压缸向左的运动变为右液压缸相对右液压缸活塞向右运动，且带动右工作短节（除右中心主体1）向右运动，为下一次牵引管串做好准备。此时机器人液压控制系统如图12所示：左边支撑连杆组件22张开左边支撑块224与井壁紧密接触后，电磁阀电磁铁左位1YA、3YA、5YA同时失电，电磁阀处于中位机能，在配套的液压锁协助下，支撑连杆组件22达到自锁效果；随后左、右液压缸的三位四通电磁阀左位7YA、右位7，YA得电连通，液压油进入左液压缸左腔和右液压缸右腔，左液压缸活塞相对向右运动，带动固接在上面的零部件包括管串一起向右运动，由于右工作短节没有支撑机构2固定，则右液压缸活塞向左的相对运动将由右工作短节向右相对运动实现。
状态d：右作业短节中右边支撑机构2作业。此时控制短节4中电磁阀作业下，液压油进入右支撑缸多个缸体右腔，推动对应的右支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动，多组支撑连杆组件22在同组右支撑缸的活塞及活塞杆213运动下展开，各组第一连杆223张开程度相同，多个右边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触；此时牵引机器人右边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人右作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。除此之外，控制短节4中的电磁阀控制液压油经油道进入左边支撑缸缸体212右腔，此时左支撑缸的活塞及活塞杆213向对左支撑缸向左运动，多个左边支撑连杆组件22在同组左支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动下开始收紧，直至复位。此时机器人液压控制系统如图14所示：伸缩机构3完成第一次牵引管串作业后，三位四通电磁阀左位7YA、右位7，YA失电断开回到中位机能；随后三位四通电磁阀右位2YA、4YA、6YA通电连通，左边支撑机构2右腔进液左腔回油，左支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动带动支撑连杆组件22收回复位；三位四通电磁阀左位1，YA、3，YA、5，YA通电连通，右支撑缸的活塞及活塞杆213运动带动右支撑连杆组件22张开卡紧井壁。
状态e：在右边支撑机构2协助下，机器人进行第二次牵引作业。右撑机构进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经油道流入右液压缸缸体左腔，右液压缸活塞相对右液压缸向右运动，且右液压缸活塞左侧所有零部件随右液压缸活塞一同向右运动，第二次牵引管串。与此同时液压油经液压油道流入左液压缸缸体右腔，由于右边支撑机构2作用及右液压缸伸缩作用下右作业短节位置固定，且左作业短节无固定支撑，此时本应左液压缸活塞相对左液压缸向左的运动变为左液压缸相对左液压缸活塞向右运动，且带动左工作短节（除左中心主体1）。此时机器人液压控制系统如图16所示：右边支撑机构2卡紧井壁后三位四通电磁阀左位1，YA、3，YA、5，YA断电回到中位机能，在液压锁保障下左边支撑机构2自锁，稳定卡紧井壁；随后三位四通电磁阀右位8YA、左位8，YA得电连通，左液压缸活塞相对向左运动，但由于机身无固定，则其相对运动通过左工作短节向右运动完成，右工作短节由右边支撑机构2固定，则右液压缸活塞向右运动带动整体固接的管串向右运动，完成二次牵引。
通过重复b-e动作，可实现在本发明协助牵引机器人循环牵引管串作业。
当井筒或者套管发生变形时，牵引机器人运动原理如图8所示：
状态a，：机器人静置在井筒非直井段时，牵引机器人支撑机构2处于复位状态。此时左作业短节中左边支撑机构2的左支撑缸的活塞及活塞杆213处于左支撑缸左端，左支撑缸右端为空，为液压油提供腔体，此时第一连杆223随支撑缸活塞及活塞杆213的左置而收紧，此时整个支撑连杆组件22为收紧状态，左边的伸缩机构3中的左液压缸右置在与中心主体1固结的液压缸活塞处，控制短节4两配合连接在两个作业短节的中心主体1上，无相对滑动及转动，右作业短节结构关于控制短节4对称分布，且功能及工作原理相同。其液压控制系统也如图10相同，但此时由于井筒截面发生变形，多组支撑臂同时张开相同的角度，存在支撑臂无法与井壁接触的情况，此时通过监测伸缩机构3中的位移传感器数据分析机器人在支撑机构2接触不完全的情况下是否存在有效位移，若正常牵引管串，则此时工作状态与图7情况相同；若在支撑臂接触不完全情况下，液压缸中的位移传感器位移无效，则将采集观测支撑臂中高精度压力传感器数据，根据现场施工要求，划取控制单个第一连杆223运动时已有压力数据的最低压力值，当存在压力的支撑连杆组件22达到最低压力值时，保持已有压力数据的支撑连杆组件22自锁，继续控制压力数据最小组的液压信号，使得该组第一连杆223张开与管壁形成良好接触，且液压缸中的位移传感器存在有效位移为止。
状态b，：左作业短节中左边支撑机构2作业。控制短节4中2两个及以上电磁阀同时工作，控制液压油分别沿多个进油口进入到左工作短节的左边支撑缸缸体212的多个腔体中，从而同时推动多个左支撑缸的活塞及活塞杆213向右运动相同的行程；此时两组及以上左边支撑连杆组件22在对应连接的左支撑缸的活塞及活塞杆213运动下张开，各组左支第一连杆223张开程度相同，多个左边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触。此时机牵引机器人左边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人左作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。其液压控制系统也如图10相同，但此时由于井筒截面发生变形，多组支撑臂同时张开相同的角度，存在支撑臂无法与井壁接触的情况，此时通过监测伸缩机构3中的位移传感器数据分析机器人在支撑机构2接触不完全的情况下是否存在有效位移，若正常牵引管串，则此时工作状态与图7情况相同；若在支撑臂接触不完全情况下，液压缸中的位移传感器位移无效，如图8的状态继续c，及以后运动状态。
状态c，：在左边支撑机构2协助下，机器人进行第一次牵引作业。左边支撑机构2进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经液压油道流入左液压缸缸体左腔，推动左液压缸活塞向右运动，且左边的伸缩机构3右腔的液压油经液压油道流回控制短节4的油缸中；由于左液压缸活塞与中心主体1固接，则左液压缸活塞向右运动的过程同时带动其右侧所有零部件向右运动，完成机器人牵引管串的第一步；与此同时，液压油经油道流入右液压缸缸体右腔，由于左边支撑机构2作用及左液压缸伸缩作用下左作业短节位置固定，且右作业短节无固定支撑，此时本应右液压缸活塞相对右液压缸向左的运动变为右液压缸相对右液压缸活塞向右运动，且带动右工作短节（除右中心主体1）向右运动，为下一次牵引管串做好准备。若在支撑臂接触不完全情况下，液压缸中的位移传感器位移无效，则将采集观测支撑臂中高精度压力传感器数据，根据现场施工要求，划取控制单个第一连杆223运动时已有压力数据的最低压力值，当存在压力的支撑连杆组件22达到最低压力值时，保持已有压力数据的多个支撑连杆组件22自锁，如图13所示：3YA、5YA关电断开，持续开启1YA，使得该组第一连杆223张开与管壁形成良好接触，直至该组支撑块224中压力传感器检测到有效压力信号，且多次划分最小压力值调整不同支撑连杆组件22的张合情况直至液压缸中位移传感器出现有效位移。
状态d，：右作业短节中右边支撑机构2作业。此时控制短节4中电磁阀作业下，液压油进入右支撑缸多个缸体右腔，推动对应的右支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动，多组右边的支撑连杆组件22在同组右支撑缸的活塞及活塞杆213运动下展开，各组第一连杆223张开程度相同，多个右边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触；此时牵引机器人右边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人右作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。除此之外，控制短节4中的电磁阀控制液压油经油道进入左边支撑缸缸体212右腔，此时左支撑缸的活塞及活塞杆213向对左支撑缸向左运动，多个左边支撑连杆组件22在同组左支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动下开始收紧，直至复位。此时机器人液压控制系统如图15所示：系统监测压力传感器压力值达到井壁与支撑块224所需静摩擦力后，电磁阀电磁铁左位1YA失电，电磁阀1YA、5YA、7YA处于中位机能，在配套的液压锁协助下，支撑连杆组件22达到自锁效果；随后左、右液压缸的三位四通电磁阀左位7YA、右位7，YA得电连通，液压油进入左液压缸左腔和右液压缸右腔，左液压缸活塞相对向右运动，带动固接在上面的零部件包括管串一起向右运动，由于右工作短节没有支撑机构2固定，则右液压缸活塞向左的相对运动将由右工作短节向右相对运动实现。
状态e，：在右边支撑机构2协助下，机器人进行第二次牵引作业。右撑机构进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经油道流入右液压缸缸体左腔，右液压缸活塞相对右液压缸向右运动，且右液压缸活塞左侧所有零部件随右液压缸活塞一同向右运动，第二次牵引管串。与此同时液压油经液压油道流入左液压缸缸体右腔，由于右边支撑机构2作用及右液压缸伸缩作用下右作业短节位置固定，且左作业短节无固定支撑，此时本应左液压缸活塞相对左液压缸向左的运动变为左液压缸相对左液压缸活塞向右运动，且带动左工作短节（除左中心主体1）。
通过重复b，-e，动作，可实现在本发明协助牵引机器人循环牵引管串作业。
当井筒或者套管发生变形时，牵引机器人运动原理如图9所示：
状态a，，：机器人静置在井筒非直井段时，牵引机器人支撑机构2处于复位状态。此时左作业短节中左边支撑机构2的左支撑缸的活塞及活塞杆213处于左支撑缸左端，左支撑缸右端为空，为液压油提供腔体，此时第一连杆223随支撑缸活塞及活塞杆213的左置而收紧，此时整个支撑连杆组件22为收紧状态，左边的伸缩机构3中的左液压缸右置在与中心主体1固结的液压缸活塞处，控制短节4两配合连接在两个作业短节的中心主体1上，无相对滑动及转动，右作业短节结构关于控制短节4对称分布，且功能及工作原理相同。
状态b，，：左作业短节中左边支撑机构2作业。控制短节4中2两个及以上电磁阀同时工作，控制液压油分别沿多个进油口进入到左工作短节的左边支撑缸缸体212的多个腔体中，从而同时推动多个左支撑缸的活塞及活塞杆213向右运动相同的行程；此时两组及以上左边支撑连杆组件22在对应连接的左支撑缸的活塞及活塞杆213运动下张开，各组左支第一连杆223张开程度相同，多个左边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触。此时机牵引机器人左边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人左作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。
状态c，，：在左边支撑机构2协助下，机器人进行第一次牵引作业。左边支撑机构2进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经液压油道流入左液压缸缸体左腔，推动左液压缸活塞向右运动，且左边的伸缩机构3右腔的液压油经液压油道流回控制短节4的油缸中；由于左液压缸活塞与中心主体1固接，则左液压缸活塞向右运动的过程同时带动其右侧所有零部件向右运动，完成机器人牵引管串的第一步；与此同时，液压油经油道流入右液压缸缸体右腔，由于左边支撑机构2作用及左液压缸伸缩作用下左作业短节位置固定，且右作业短节无固定支撑，此时本应右液压缸活塞相对右液压缸向左的运动变为右液压缸相对右液压缸活塞向右运动，且带动右工作短节（除右中心主体1）向右运动，为下一次牵引管串做好准备。
状态d，，：右作业短节中右边支撑机构2作业。此时控制短节4中电磁阀作业下，液压油进入右支撑缸多个缸体右腔，推动对应的右支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动，多组右边支撑连杆组件22在同组右支撑缸的活塞及活塞杆213运动下展开，各组第一连杆223张开程度相同，多个右边支撑块224同时与井壁/套管璧紧密接触；此时牵引机器人右边支撑机构2的支撑作用下可视为抬离井筒/管壁表面，且由于支撑块224与井壁/管壁的紧密接触产生的摩擦力作用下，牵引机器人右作业短节（除中心主体1外）固定在当前位置，相对于井筒位置不变。除此之外，控制短节4中的电磁阀控制液压油经油道进入左边支撑缸缸体212右腔，此时左支撑缸的活塞及活塞杆213向对左支撑缸向左运动，多个左边支撑连杆组件22在同组左支撑缸的活塞及活塞杆213向左运动下开始收紧，直至复位。
状态e，，：在右边支撑机构2协助下，机器人进行第二次牵引作业。右撑机构进行支撑作业下，控制短节4中控制左边和右边的伸缩机构3的电磁阀开始同时工作；液压油经油道流入右液压缸缸体左腔，右液压缸活塞相对右液压缸向右运动，且右液压缸活塞左侧所有零部件随右液压缸活塞一同向右运动，第二次牵引管串。与此同时液压油经液压油道流入左液压缸缸体右腔，由于右边支撑机构2作用及右液压缸伸缩作用下右作业短节位置固定，且左作业短节无固定支撑，此时本应左液压缸活塞相对左液压缸向左的运动变为左液压缸相对左液压缸活塞向右运动，且带动左工作短节（除左中心主体1）。
通过重复b，，-e，，动作，可实现在本发明协助牵引机器人循环牵引管串作业。
本发明能够实现在复杂工况下，支撑机构能够适应井筒变化，使得机器人在套管变形的情况下管壁保持良好的接触情况，以协助机器人整体结构协同工作实现工作效率最大化。提供的机器人支撑机构控制方法原理简单，易实现且容易验证，涉及到的电子元件在市面上容易获得或配套生产，可节约大量的工程成本。采用电液控制系统，响应快，还设置了液压锁，可以实现机构自锁。机器人支撑机构结构简单，组装装配、拆卸及维修方便，可节约大量劳动成本。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的只是范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构，包括左作业短节、控制短节（4）、液压短节（5）和右作业短节，其特征在于，所述左作业短节和右作业短节关于控制短节（4）轴对称且两者结构功能相同，控制短节（4）的两端与分别与左作业短节和右作业短节连接，所述左作业短节包括中心主体（1）、支撑机构（2）、伸缩机构（3）、液压短节（5），所述支撑机构（2）包括支撑缸组件（21）及支撑连杆组件（22），所述支撑缸组件（21）包括支撑缸端盖（211）、支撑缸缸体（212）、两个及以上活塞及活塞杆（213）、支撑缸隔板（214），所述支撑缸缸体（212）内包括与活塞及活塞杆（213）数量一致且行程、容积相等的支撑液压腔，所述支撑连杆组件（22）的组数与活塞及活塞杆（213）数量一致；所述支撑缸隔板（214）安装在支撑缸缸体（212）内部的凹槽中，凹槽中布有密封橡胶，支撑缸隔板（214）将支撑缸缸体（212）分割成了若干行程和容积相等的支撑液压腔；所述支撑缸缸体（212）端面配合安装活塞及活塞杆（213），每个所述支撑液压腔内安装活塞及活塞杆（213）；所述支撑缸端盖（211）螺纹配合在支撑缸缸体（212）端面并与支撑缸隔板（214）接触，限制支撑缸隔板（214）的位置；所述支撑连杆组件（22）圆周均匀设置在机器人上，每组所述支撑连杆组件（22）包括短连杆底座（221）、长连杆底座（222）、第一连杆（223）、支撑块（224）、第二连杆（225）、第三连杆（226）、支撑面（227）、拉杆（228），所述短连杆底座（221）与活塞及活塞杆（213）伸出支撑缸缸体（212）的部分螺纹连接，短连杆底座（221）与第一连杆（223）铰链接，第一连杆（223）又分别与支撑块（224）及第三连杆（226）铰接，支撑块（224）另一端与第二连杆（225）铰接，第二连杆（225）与长连杆底座（222）右端铰接，第三连杆（226）与长连杆底座（222）左端铰接，长连杆底座（222）与伸缩机构（3）固接在一起，拉杆（228）两端用螺纹分别固定在支撑缸缸体（212）及伸缩机构（3）上；所述支撑块（224）中安装有微型压力传感器；所述中心主体（1）环空中布有多个油道，中心主体（1）贯穿支撑机构（2）、伸缩机构（3）、控制短节（4）、液压短节（5），且中心主体（1）与支撑机构（2）装配，中心主体（1）与支撑机构（2）无相对滑动及转动；伸缩机构（3）内部有位移传感器；控制短节（4）中布有控制电路及电线、微型电机、液压油缸、控制伸缩机构（3）的2个O型中位机能的三位四通电磁阀及多个单向阀组成的液压锁；液压短节（5）内布满支撑机构（2）所需要的多个O型中位机能的三位四通电磁阀及由多个单向阀组成的液压锁、1个微型液压泵、1个油滤及1个溢流阀。
2.一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，用于控制权利要求1任意一项所述的一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构，其特征在于，包括如下步骤：
S1,设置基础数据，所述基础数据包括电磁阀开启时间及电磁阀动作周期、支撑缸组件（21）液压缸启动阈值与最大阈值、电磁阀初始启动时间系数；
S2，判断支撑缸组件（21）中液压缸压力是否达到最大阈值，若未达到最大阈值则进行下一步操作，若达到最大阈值则结束操作；
S3，采集各电磁阀阀前阀后的压差并计算存储支撑缸组件（21）活塞行程与推力数据；
S4，根据活塞行程及推力数据拟合计算活塞行程-推力曲线导数；
S5，判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于第一斜率值，若小于则说明支撑连杆组件（22）与井筒壁处于间隙阶段，若大于则说明支撑连杆组件（22）与井筒壁处于接触状态或者起升阶段；
S6，进一步判断活塞行程-推力曲线导数斜率是否小于第二斜率值，若小于则说明支撑连杆组件（22）与井筒壁处于起升阶段，若大于则说明支撑连杆组件（22）与井筒壁处于接触状态；
S7，根据各组所述支撑连杆组件（22）与井筒壁之间的状态调整液压缸控制周期的时间系数，即使对应的电磁阀打开指定的时间；
S8，计算液压缸的推靠力，并判断是否达到目标推力，若未达到目标推力则返回步骤S2并继续后续步骤直至达到目标推力；若已经达到目标推力则结束控制。
3.根据权利要求2所述的一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，其特征在于，所述S4中拟合计算活塞行程-推力曲线导数的具体方法为：电磁阀的流量计算公式：，式中：/>电磁阀流量；/>电磁阀系数，该系数在电磁阀加工完毕后采用室内实验确定；/>液压系统的工作压力；/>为第i个液压缸的压力；/>液压油密度；/>液压油比重；液压缸在一个控制周期内的位移计算公式：/>，式中：/>为时间系数，取值为k0、k1、k2；/>为控制周期内的电磁阀打开时间；/>为一个控制周期内液压缸活塞的位移；/>为液压缸活塞面积；液压缸推靠力计算公式：/>，式中 />为推靠力，根据上述3个公式，可以得到控制周期活塞行程-推力曲线导数。
4.根据权利要求2所述的一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，其特征在于，所述电磁阀采用一定占空比的PWM信号驱动，测量一个控制周期内的液压缸活塞位置与压力，进一步计算活塞的推靠力，根据斜率判断每个推靠液压缸的状态，根据每个液压缸的状态，设备时间系数k0、k1、k2，即调整PWM的占空比。
5.根据权利要求2所述的一种复杂井筒自适应牵引机器人支撑机构的控制方法，其特征在于，所述S5中第一斜率值为支撑机构（2）空载工况下，压力损耗在支撑缸组件（21）液压系统的流动摩阻以及活塞及活塞杆（213）的摩擦力，由于支撑机构（2）没有负载，在该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率小，记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得第一斜率值；所述S6中第二斜率值为支撑机构（2）接触硬井壁工况下，活塞行程变化小，同时油缸压力急剧上升，该情况下活塞行程-压力关系曲线斜率大，在实验室中将支撑机构（2）固定，在支撑连杆组件（22）行程范围内安装一个固定的铁板，当支撑连杆组件（22）接触铁板时记录活塞行程-压力数据，绘制曲线，然后采用线性拟合得第二斜率值。
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