CN213865002U - 基于视觉定位的gis管道自动对接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，涉及管道对接施工领域。传统的GIS管道对接为起重机将管道节吊起，经过人工观察、口头传达的方式进行，工作量大，对接效率低。本实用新型包括与起重机吊臂连接固定的装置安装架、空间多自由度调整的对接机构、使对接机构保持竖直向下的平衡机构、抓取对接管道的夹取机构、用于夹取机构水平向旋转的回转机构、用于采集目标管道与对接管道的相对空间位姿的视觉定位装置和控制装置，平衡机构、对接机构、夹取机构、回转机构、视觉定位装置均连接到控制装置。通过人工和自动控制操作，实现管道精确对接，提升管道对接的作业效率，降低人工操作量，提升操作安全性。

Description

基于视觉定位的GIS管道自动对接装置

技术领域

本实用新型涉及管道对接施工领域，尤其涉及基于视觉定位的GIS管道自动对接装置。

背景技术

传统的GIS管道对接为起重机将管道节吊起，工作人员通过观察，并口头传达给起重机驾驶员实现粗调，再由多名工人合力将管道节推到合适安装的位置进行安装，起重机驾驶员对地面及以下的部分存在视觉盲区，且需要数名工人参与，协作对接，浪费人力，工作人员与驾驶员口头沟通存在信息偏差，对接工作效率低，施工现场情况复杂，对施工人员的安全保障差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，以提升管道对接的作业效率为目的。为此，本实用新型采取以下技术方案。

基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，包括用于与起重机的吊臂前端连接固定的装置安装架、用于空间多自由度调整的对接机构、用于使对接机构保持竖直向下的平衡机构、用于抓取对接管道的夹取机构、用于调整夹取机构位姿的回转机构、用于采集目标管道与对接管道的相对空间位姿的视觉定位装置、用于实现系统控制的控制装置，所述的平衡机构连接于装置安装架的下面，所述的回转机构连接于平衡机构的下面，所述的对接机构设于回转机构的下面，所述的夹取机构设于对接机构的下面，视觉定位装置用于设置在对接管道上，其视觉感应方向为目标管道，所述的平衡机构、对接机构、夹取机构、回转机构、视觉定位装置均连接到控制装置。在控制装置的控制下，该装置可方便地通过夹取机构实现对对接管道的夹取，通过平衡机构实现竖向角度的精确姿态调整、通过回转机构实现水平回转角度的精确姿态调整，通过对接机构实现对夹取机构的精确的局部位姿调整，并通过视觉定位装置使对接管道相对于目标管道进行精确测量定位，通过人工和自动控制操作，有效实现对接管道和目标管道的精确对接，有效的提升了管道对接的作业效率，降低了人工操作量，提升了操作安全性。

作为优选技术手段：所述的平衡机构包括回转机构连接座、设于回转机构连接座上面的承重架和设于承重架上的平衡油缸，所述的承重架的上端与装置安装架之间可转动连接，所述的平衡油缸的伸出端和固定端分别可转动地连接于承重架和装置安装架上，以驱动承重架竖向围绕承重架的上端旋转。该结构有效实现了精确的竖向角度姿态调整。

作为优选技术手段：所述的回转机构包括回转支撑台、电机和减速机，所述的回转支撑台连接固定于平衡机构下面，所述的电机和减速机的组合体连接固定于回转支撑台上，所述的回转支撑台与对接机构的上部可水平转动连接，所述的减速机与对接机构连接传动以驱动对接机构水平旋转。该结构有效实现了精确的水平回转角度姿态调整。

作为优选技术手段：所述的对接机构包括对接机构回转座、夹取机构连接座和多个位姿调节油缸，所述的位姿调节油缸的上端通过球铰结构与对接机构回转座所设的上固定块连接，所述的位姿调节油缸的下端通过球铰结构与夹取机构连接座上所设的下固定块连接。该结构能有效调节多个自由度的位姿，实现对夹取机构在高度向多自由度小尺寸量的精确控制调节。

作为优选技术手段：所述的夹取机构包括固定卡爪组件、活动卡爪组件和驱动油缸，所述的固定卡爪组件的上端连接固定于夹取机构连接座上，所述的活动卡爪组件的上端可转动地连接于夹取机构连接座上，所述的夹取机构连接座的侧面设有驱动油缸连接支架，所述的驱动油缸的伸出端与活动卡爪组件可转动连接，驱动油缸的固定端与驱动油缸连接支架可转动连接。可有效实现对管道的夹取。

作为优选技术手段：所述的承重架为对称结构，承重架的下端与回转机构连接座之间设有2-4个固定连接部，承重架的上端与装置安装架之间设有2个可转动连接部，所述的平衡油缸的伸出端可转动地连接于承重架一侧中部，通过平衡油缸驱动承重架绕承重架的上端的可转动连接部旋转。连接结构牢固稳定可靠。

作为优选技术手段：所述的位姿调节油缸共6个，所述的上固定块共3个，环绕对接机构回转座中心均布，所述的下固定块各3个，环绕夹取机构连接座的中心均布，且上固定块和下固定块在俯视方向交错布置，使相邻的位姿调节油缸呈V字型排列。通过6个位姿调节油缸，可有效实现6个自由度的位姿小尺寸调节。

作为优选技术手段：所述的回转机构连接座上设有倾角传感器，所述的倾角传感器与控制装置电连接。可有效实现夹取机构与水平面之间的倾角测量和反馈，以通过控制装置实现自动调平。

作为优选技术手段：所述的固定卡爪组件包括2个独立连接固定于夹取机构连接座的相同固定抓手，该2个固定抓手通过连接杆连接一体；所述的活动卡爪组件包括2个独立可转动地连接于夹取机构连接座的相同活动抓手，该2个活动抓手通过连接杆连接一体，所述的驱动油缸的伸出端与连接2个活动抓手的连接杆可转动连接。通过连接杆连接一体的2个固定抓手和连接杆连接一体的2个活动抓手，抓取管道稳定牢固可靠。

作为优选技术手段：所述的回转支撑台连接固定于回转机构连接座下面，所述的对接机构回转座与回转支撑台可转动连接。有效实现平衡机构和回转机构、回转机构和对接机构的连接。

作为优选技术手段：所述的电机采用伺服电机，所述的减速机采用行星减速机。便于实现精确传动控制。

作为优选技术手段：装置安装架与起重机吊臂前端通过螺栓或焊接连接，装置安装架和承重架均为框架结构。连接结构简单牢固，成本低，框架结构牢固可靠，制造成本低。

作为优选技术手段：所述的承重架与装置安装架之间的2个可转动连接部为铰接结构，所述的承重架与回转机构连接座之间的2-4个固定连接部为焊接结构。铰接结构可实现牢固可靠的可旋转功能，焊接连接牢固可靠，成本低，特别适合于不需要拆卸的构件。

作为优选技术手段：所述的活动抓手和固定抓手的抓取面均设有防滑抓齿。通过防护抓齿，可有效降低抓手对管道的夹取接触面积，接触压力和摩擦力更大，能更好地夹紧管道，防止管道脱落。

作为优选技术手段：所述的视觉定位装置包括深度相机和相机固定座，所述的深度相机连接固定于相机固定座上，所述的相机固定座上设有法兰连接孔，所述的深度相机与相机控制器连接，所述的控制装置上设有相机控制器，所述的深度相机与相机控制器之间通过有线或无线连接。通过法兰连接孔连接固定深度相机，通过相机控制器控制深度相机，可有效实现对接管道相对于目标管道的位置测量和数据反馈。

有益效果：通过人工和自动控制操作，可有效实现垂直角度、水平回转角度和多自由度位姿调节，实现对接管道和目标管道的精确对接，有效的提升了管道对接的作业效率，降低了人工操作量，提升了操作安全性，原理简单，方法可靠，操作方便，相比于传统的对接方法，工作量更小，劳动强度更低，安全性更高。

附图说明

图1是本实用新型管道吊装对接示意图。

图2是本实用新型结构示意图。

图3是本实用新型回转机构位置示意图。

图中：1-吊臂；2-装置安装架；3-平衡机构；4-对接机构；5-夹取机构；6-视觉定位装置；7-对接管道；8-目标管道；9-回转机构；10-倾角传感器；301-回转机构连接座；302-承重架；303-平衡油缸；304-固定连接部；305-可转动连接部；401-对接机构回转座；402-夹取机构连接座；403-位姿调节油缸；404-上固定块；405-下固定块；501-固定卡爪组件；502-活动卡爪组件；503-驱动油缸；504-驱动油缸连接支架；901-回转支撑台；902-减速机；903-电机。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

如图1-3所示，基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，包括用于与起重机的吊臂1前端连接固定的装置安装架2、用于空间多自由度调整的对接机构4、用于使对接机构4保持竖直向下的平衡机构3、用于抓取对接管道7的夹取机构5、用于调整夹取机构5位姿的回转机构9、用于采集目标管道8与对接管道7的相对空间位姿的视觉定位装置6、用于实现系统控制的控制装置，平衡机构3连接于装置安装架2的下面，回转机构9连接于平衡机构3的下面，对接机构4设于回转机构9的下面，夹取机构5设于对接机构4的下面，视觉定位装置6用于设置在对接管道7上，其视觉感应方向为目标管道8，平衡机构3、对接机构4、夹取机构5、回转机构9、视觉定位装置6均连接到控制装置。

在控制装置的控制下，该装置可方便地通过夹取机构5实现对对接管道7的夹取，通过平衡机构3实现竖向角度的精确姿态调整、通过回转机构9实现水平回转角度的精确姿态调整，通过对接机构4实现对夹取机构5的精确的局部位姿调整，并通过视觉定位装置6使对接管道7相对于目标管道8进行精确测量定位，通过人工和自动控制操作，有效实现对接管道7和目标管道8的精确对接。

为了实现了精确的竖向角度姿态调整，平衡机构3包括回转机构连接座301、设于回转机构连接座301上面的承重架302和设于承重架302上的平衡油缸303，承重架302的上端与装置安装架2之间可转动连接，平衡油缸303的伸出端和固定端分别可转动地连接于承重架302和装置安装架2上，以驱动承重架302竖向围绕承重架302的上端旋转。该结构有效实现了精确的竖向角度姿态调整。

为了实现了精确的水平回转角度姿态调整，回转机构9包括回转支撑台901、电机903和减速机902，回转支撑台901连接固定于平衡机构3下面，电机903和减速机902的组合体连接固定于回转支撑台901上，回转支撑台901与对接机构4的上部可水平转动连接，减速机902与对接机构4连接传动以驱动对接机构4水平旋转。该结构有效实现了精确的水平回转角度姿态调整。

为了实现多个自由度的位姿，对接机构4包括对接机构回转座401、夹取机构连接座402和多个位姿调节油缸403，位姿调节油缸403的上端通过球铰结构与对接机构回转座401所设的上固定块404连接，位姿调节油缸403的下端通过球铰结构与夹取机构连接座402上所设的下固定块405连接。该结构能有效调节多个自由度的位姿，实现对夹取机构5在高度向多自由度小尺寸量的精确控制调节。

为了实现对管道的夹取，夹取机构5包括固定卡爪组件501、活动卡爪组件502和驱动油缸503，固定卡爪组件501的上端连接固定于夹取机构连接座402上，活动卡爪组件502的上端可转动地连接于夹取机构连接座402上，夹取机构连接座402的侧面设有驱动油缸连接支架504，驱动油缸503的伸出端与活动卡爪组件502可转动连接，驱动油缸503的固定端与驱动油缸连接支架504可转动连接。可有效实现对管道的夹取。

为了实现牢固可靠的连接结构，本实例中，承重架302为对称结构，承重架302的下端与回转机构连接座301之间设有4个固定连接部304，承重架302的上端与装置安装架2之间设有2个可转动连接部305，平衡油缸303的伸出端可转动地连接于承重架302一侧中部，通过平衡油缸303驱动承重架302绕承重架302的上端的可转动连接部305旋转。连接结构牢固稳定可靠。

为了实现夹取机构5与水平面之间的倾角测量和反馈，回转机构连接座301上设有倾角传感器10，倾角传感器10与控制装置电连接。可有效实现夹取机构5与水平面之间的倾角测量和反馈，以通过控制装置实现自动调平。

为了稳定可靠地抓取管道，固定卡爪组件501包括2个独立连接固定于夹取机构连接座402的相同固定抓手，该2个固定抓手通过连接杆连接一体；活动卡爪组件502包括2个独立可转动地连接于夹取机构连接座402的相同活动抓手，该2个活动抓手通过连接杆连接一体，驱动油缸503的伸出端与连接2个活动抓手的连接杆可转动连接。通过连接杆连接一体的2个固定抓手和连接杆连接一体的2个活动抓手，抓取管道稳定牢固可靠。

为了实现平衡机构3、回转机构9和对接机构4的连接，回转支撑台901连接固定于回转机构连接座301下面，对接机构回转座401与回转支撑台901可转动连接。有效实现平衡机构3和回转机构9、回转机构9和对接机构4的连接。

为了降低成本，装置安装架2和承重架302均为框架结构。框架结构牢固可靠，制造成本低。

为了更好地夹紧管道，活动抓手和固定抓手的抓取面均设有防滑抓齿。通过防护抓齿，可有效降低抓手对管道的夹取接触面积，接触压力和摩擦力更大，能更好地夹紧管道，防止管道脱落。

为了实现对接管道7相对于目标管道8的位置测量和数据反馈，视觉定位装置6包括深度相机和相机固定座，深度相机连接固定于相机固定座上，相机固定座上设有法兰连接孔，深度相机与相机控制器连接，控制装置上设有相机控制器，深度相机与相机控制器之间通过有线或无线连接。通过法兰连接孔连接固定深度相机，通过相机控制器控制深度相机，可有效实现对接管道7相对于目标管道8的位置测量和数据反馈。

基于视觉定位的GIS管道自动对接装置的工作方法，其过程包括以下步骤：

1）起重机通过回转和吊臂1俯仰调整到合适位置，通过操作手轮发送信号给控制装置，控制回转机构9转动和夹取油缸做伸缩动作，使夹取机构5夹取对接管道7，然后将视觉定位装置6安装在对接管道7前端的法兰孔上；

2）通过起重机回转和吊臂1俯仰调整对接管道7位置，使对接管道7与目标管道8相距300mm；

3）通过倾角传感器10反馈夹取机构5与水平地面的倾角，控制装置控制平衡机构3，驱动平衡油缸303对对接机构4进行调平，使其在一定误差范围内仅受垂直向下的力并保持静止；

4）切换对接模式为手动对接，通过手轮调整对接管道7与目标管道8的轴线，使两管道的法兰外圆的单侧径向错位尺寸不大于20mm；

5）切换对接模式为自动对接模式，由视觉定位装置6负责获取解算目标管道8与对接管道7的空间姿态和位置，将目标值发送给控制装置，控制装置解算得到油缸的目标位移值，并控制吊臂1和自动对接装置的各油缸动作，将对接管道7精确移动对接到与目标管道8相距20mm位置，拆除视觉定位装置6，由施工人员用螺栓连接对接管道7与目标管道8的相邻法兰；

6）切换到手动对接模式，控制对接管道7在轴线方向缓慢向前运动直至与目标管道8完全对接，同时拧紧螺栓，将螺栓拧紧后松开夹紧机构。

有效实现管道对接，原理简单，方法可靠，操作方便，能有效提升管道对接效率，提升对接操作的安全性，相比于传统的对接方法，工作量更小，劳动强度更低。

本实例中，位姿调节油缸403共6个，上固定块404共3个，环绕对接机构回转座401中心均布，下固定块405各3个，环绕夹取机构连接座402的中心均布，且上固定块404和下固定块405在俯视方向交错布置，使相邻的位姿调节油缸403呈V字型排列。通过6个位姿调节油缸403，可有效实现6个自由度的位姿小尺寸调节。

本实例中，电机903采用伺服电机，减速机902采用行星减速机。便于实现精确传动控制。

本实例中，装置安装架2与起重机吊臂1前端通过螺栓连接，也可以采用焊接代替。连接结构简单牢固，成本低。

本实例中，承重架302与装置安装架2之间的2个可转动连接部305为铰接结构，承重架302与回转机构连接座301之间的4个固定连接部304为焊接结构。铰接结构可实现牢固可靠的可旋转功能，焊接连接牢固可靠，成本低，特别适合于不需要拆卸的构件。

视觉定位装置6采集目标管道8与对接管道7的相对空间位姿包括X偏移、Y偏移、Z偏移、X转角、Y转角和Z转角。

以上图1-3所示的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置是本实用新型的具体实施例，已经体现出本实用新型突出的实质性特点和显著进步，可根据实际的使用需要，在本实用新型的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (9)

1.基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：包括用于与起重机的吊臂（1）前端连接固定的装置安装架（2）、用于空间多自由度调整的对接机构（4）、用于使对接机构（4）保持竖直向下的平衡机构（3）、用于抓取对接管道（7）的夹取机构（5）、用于调整夹取机构（5）位姿的回转机构（9）、用于采集目标管道（8）与对接管道（7）的相对空间位姿的视觉定位装置（6）、用于实现系统控制的控制装置，所述的平衡机构（3）连接于装置安装架（2）的下面，所述的回转机构（9）连接于平衡机构（3）的下面，所述的对接机构（4）设于回转机构（9）的下面，所述的夹取机构（5）设于对接机构（4）的下面，视觉定位装置（6）用于设置在对接管道（7）上，其视觉感应方向为目标管道（8），所述的平衡机构（3）、对接机构（4）、夹取机构（5）、回转机构（9）、视觉定位装置（6）均连接到控制装置。

2.根据权利要求1所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的平衡机构（3）包括回转机构连接座（301）、设于回转机构连接座（301）上面的承重架（302）和设于承重架（302）上的平衡油缸（303），所述的承重架（302）的上端与装置安装架（2）之间可转动连接，所述的平衡油缸（303）的伸出端和固定端分别可转动地连接于承重架（302）和装置安装架（2）上，以驱动承重架（302）竖向围绕承重架（302）的上端旋转。

3.根据权利要求1所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的回转机构（9）包括回转支撑台（901）、电机（903）和减速机（902），

所述的回转支撑台（901）连接固定于平衡机构（3）下面，所述的电机（903）和减速机（902）的组合体连接固定于回转支撑台（901）上，所述的回转支撑台（901）与对接机构（4）的上部可水平转动连接，所述的减速机（902）与对接机构（4）连接传动以驱动对接机构（4）水平旋转。

4.根据权利要求1所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的对接机构（4）包括对接机构回转座（401）、夹取机构连接座（402）和多个位姿调节油缸（403），所述的位姿调节油缸（403）的上端通过球铰结构与对接机构回转座（401）所设的上固定块（404）连接，所述的位姿调节油缸（403）的下端通过球铰结构与夹取机构连接座（402）上所设的下固定块（405）连接。

5.根据权利要求4所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的夹取机构（5）包括固定卡爪组件（501）、活动卡爪组件（502）和驱动油缸（503），所述的固定卡爪组件（501）的上端连接固定于夹取机构连接座（402）上，所述的活动卡爪组件（502）的上端可转动地连接于夹取机构连接座（402）上，所述的夹取机构连接座（402）的侧面设有驱动油缸连接支架（504），所述的驱动油缸（503）的伸出端与活动卡爪组件（502）可转动连接，驱动油缸（503）的固定端与驱动油缸连接支架（504）可转动连接。

6.根据权利要求2所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的承重架（302）为对称结构，承重架（302）的下端与回转机构连接座（301）之间设有2-4个固定连接部（304），承重架（302）的上端与装置安装架（2）之间设有2个可转动连接部（305），所述的平衡油缸（303）的伸出端可转动地连接于承重架（302）一侧中部，通过平衡油缸（303）驱动承重架（302）绕承重架（302）的上端的可转动连接部（305）旋转。

7.根据权利要求4所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的位姿调节油缸（403）共6个，所述的上固定块（404）共3个，环绕对接机构回转座（401）中心均布，所述的下固定块（405）各3个，环绕夹取机构连接座（402）的中心均布，且上固定块（404）和下固定块（405）在俯视方向交错布置，使相邻的位姿调节油缸（403）呈V字型排列。

8.根据权利要求2所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的回转机构连接座（301）上设有倾角传感器（10），所述的倾角传感器（10）与控制装置电连接。

9.根据权利要求5所述的基于视觉定位的GIS管道自动对接装置，其特征在于：所述的固定卡爪组件（501）包括2个独立连接固定于夹取机构连接座（402）的相同固定抓手，该2个固定抓手通过连接杆连接一体；所述的活动卡爪组件（502）包括2个独立可转动地连接于夹取机构连接座（402）的相同活动抓手，该2个活动抓手通过连接杆连接一体，所述的驱动油缸（503）的伸出端与连接2个活动抓手的连接杆可转动连接。

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