应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构

摘要

本发明公开了一种应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构，属于机器人领域。其包括管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构，所述管道紧缩机构包括紧缩件和紧缩转动杆，所述紧缩件上设有锁紧装置，所述紧缩件与紧缩转动杆之间设有第一转动轴；所述移动连杆机构包括第一移动连杆和第二移动连杆，所述第一移动连杆与紧缩转动杆之间设有第二转动轴，所述第一移动连杆和第二移动连杆之间设有第三转动轴；所述旋转机构包括内、外旋转轨道和管道固定件，所述管道固定件上设有夹紧装置，所述内、外旋转轨道上分别设置有内、外轨道旋转体。本发明可以代替人工携带清理设备下潜进行水下清理，节约人工成本，且能高效地完成清理、检测等维护工作。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是指一种应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构。

背景技术

随着海洋资源的广泛利用，世界上海洋平台的数量不断增加。其中，我国大部分海洋石油井口平台都是由钢质管道、导管架和甲板组成的，井口平台的管道为海洋生物(例如海蛎子、藤壶等)的繁殖、生长提供了一个理想的场所，海洋生物会长期大量吸附在海水全浸区和潮差区的管道上。这些海洋生物不仅增加了海洋石油井口平台的重量载荷、波浪载荷及海流作用力，降低平台的稳定性和抗风暴能力；也加剧了海洋环境对管道外表面的腐蚀，容易产生巨大的安全隐患。为保证管道安全运营，必须定期对管道外表面进行清理维护。

目前，普遍采用的海洋石油井口平台管道外表面海洋生物清理方式为人工水下清理，该方式存在如下弊端：存在人身安全隐患，随时可能会有危险发生；受天气及海洋状况的影响较大，天气及海况稍有变化，便无法开展清理工作，使得该方式在应用时具有较大局限性。为降低人工劳动强度，提高安全性，各种适用于不同工况的管道机器人不断被报道。如授权公告号为CN100358682C的发明专利公开了一种热交换器受热面管道检测机器人，该机器人是一种适用于对多排管道组成的热交换器受热面管道进行检测的工业机器人；授权公告号为CN2747088Y的实用新型专利公开了一种单电机单驱动直进轮式小型管道机器人移动机构，该移动机构是一种适用于小直径管道内部的机器人移动机构；授权公告号为CN2487515Y实用新型公开了一种履带式管道机器人，该机器人适用于管道内部检测维修。上述各机器人只能在管道内部爬行，或者只能在多排管道组成的热交换器受热面管道上爬行，不能在具有弯管道的外表面按灵活爬行，同时不能适用于不同直径的管道，适用范围小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构，其结构紧凑、操作简便、运动灵活、适用范围广，可以代替人工携带清理设备下潜进行水下清理，节约人工成本，且能高效地完成清理、检测等维护工作。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构，包括管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构，其中：

所述管道紧缩机构包括紧缩件和设置在所述紧缩件外侧的紧缩转动杆，所述紧缩件上设置有可调整尺寸的锁紧装置，所述紧缩件与紧缩转动杆之间设置有用于驱动所述紧缩件转动第一转动轴；

所述移动连杆机构包括第一移动连杆和第二移动连杆，所述第一移动连杆与紧缩转动杆之间设置有用于驱动所述紧缩转动杆转动的第二转动轴，所述第一移动连杆和第二移动连杆之间设置有第三转动轴，所述第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴上均设置有驱动装置；

所述旋转机构包括旋转基座，所述旋转基座包括内旋转轨道、用于嵌套所述内旋转轨道的外旋转轨道和与所述外旋转轨道固定连接的管道固定件，所述管道固定件上设置有可调整尺寸的夹紧装置，所述内旋转轨道上设置有内轨道旋转体，所述外旋转轨道上设置有外轨道旋转体，所述内轨道旋转体与外轨道旋转体均与所述第二移动连杆连接。

进一步的，所述紧缩转动杆包括设置在所述紧缩件两侧的内紧缩转动杆和设置在所述内紧缩转动杆外侧的外紧缩转动杆，所述内紧缩转动杆与外紧缩转动杆的一端重合并通过所述第一转动轴与所述紧缩件连接，两内紧缩转动杆的另一端通过所述第二转动轴连接，两外紧缩转动杆的另一端也通过所述第二转动轴连接。

进一步的，所述锁紧装置包括均匀设置在所述紧缩件圆周方向上的若干个凸轮，其中：

所述紧缩件的上、下两端的圆周方向上均匀设置有若干个用于安装所述凸轮的凹槽，所述凹槽内设置有用于安装所述凸轮的凸轮轴，所述凸轮轴处设置有用于驱动所述凸轮转动的凸轮电机。

进一步的，所述内旋转轨道嵌入到所述外旋转轨道内形成圆环结构，其中：

所述内旋转轨道与外旋转轨道上在相同的直径处均设置有导轨，所述内轨道旋转体和外轨道旋转体的下端均设置有与所述导轨配合的滑块；

所述内轨道旋转体与内旋转轨道之间设置有用于驱动所述内轨道旋转体运动的第一齿轮传动机构，所述第一齿轮传动机构包括设置在所述内轨道旋转体上的第一齿轮，所述内旋转轨道的内侧设置有与所述第一齿轮相啮合的内齿；

所述内旋转轨道与外旋转轨道之间设置有用于驱动所述内旋转轨道运动的第二齿轮传动机构，所述第二齿轮传动机构包括设置在所述外旋转轨道上的第二齿轮，所述内旋转轨道的外侧设置有与所述第二齿轮相啮合的外齿。

进一步的，所述夹紧装置包括均匀设置在所述管道固定件圆周方向上的若干个夹紧块，所述夹紧块与管道接触的表面设置为弧形面，所述夹紧装置还包括用于驱动所述夹紧块移动的丝杠和丝杠电机。

进一步的，所述第一齿轮传动机构和第二齿轮传动机构均包括固定座和齿轮驱动电机；所述内轨道旋转体与外轨道旋转体上均固设有连接件，所述连接件上设置有与所述第二移动连杆连接的销轴。

进一步的，所述凸轮轴上设置有测距传感器，所述紧缩件和管道固定件均采用扇形圆筒结构。

另一方面，提供一种上述的海上油田井口平台管道清理机器人，包括单片机和上述的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构。

再一方面，提供上述的海上油田井口平台管道清理机器人的行走方法，包括：

步骤1：管道为直管道时，控制所述管道固定件的夹紧装置夹紧管道，实现所述旋转机构与管道的固定，此时，所述管道紧缩机构与管道处于分离状态，所述移动连杆机构在所述第三转动轴的驱动装置的作用下趋于直线，从而带动所述管道紧缩机构沿管道向上运动；

步骤2：所述管道紧缩机构向上运动到一定位置后，控制所述紧缩件上的夹紧装置夹紧管道，实现所述管道紧缩机构与管道的固定；

步骤3：控制所述管道固定件的夹紧装置脱离管道，解除所述旋转机构对管道的固定，此时，所述移动连杆机构在所述第三转动轴的驱动装置的作用下趋于弯曲，从而带动所述旋转机构沿管道向上运动，当所述旋转机构运动到一定位置后，转至步骤1，继续行走。

再一方面，提供另一种上述的海上油田井口平台管道清理机器人的行走方法，包括：

步骤1：管道为弯管道时，当所述管道紧缩机构运动到管道弯曲处的下方时，控制所述管道固定件的夹紧装置夹紧管道，实现所述旋转机构与管道的固定，此时，所述管道紧缩机构与管道处于分离状态；

步骤2：分别控制所述第二转动轴和第三转动轴的驱动装置，实现管道紧缩机构向斜上方运动，同时控制所述第一转动轴的驱动装置，实现所述紧缩件沿管道弯曲处发生转动，从而带动所述管道紧缩机构沿管道爬行；

步骤3：所述移动连杆机构运动到极限位置时，控制所述紧缩件上的夹紧装置夹紧管道，实现所述管道紧缩机构与管道的固定，然后，控制所述管道固定件的夹紧装置脱离管道，解除所述旋转机构对管道的固定；

步骤4：控制所述第三转动轴上的驱动装置，使得旋转机构在所述移动连杆机构的作用下发生倾斜，同时控制所述内轨道旋转体和外轨道旋转体，使得所述旋转机构沿管道弯曲处发生旋转，实现所述旋转机构沿弯管道爬行，转至步骤1，如此循环控制，逐步过渡到直管道。

本发明具有以下有益效果：

本发明的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构、清理机器人及其行走方法，包括管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构，其中，管道紧缩机构能够在第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴的驱动装置的作用下发生倾斜和转动，沿弯管道爬行，同时紧缩件上的锁紧装置可以通过调整尺寸的大小实现对不同直径管道的夹紧；移动连杆机构在第三转轴的驱动装置的作用下，能够带动管道紧缩机构和旋转机构在管道上上下自由行走；旋转机构在移动连杆机构、内轨道旋转体和外轨道旋转体的作用下，能够在管道弯曲处发生倾斜和旋转，沿弯管道爬行，同时管道固定件上的夹紧装置可以适应不同直径的管道。本发明结构紧凑，体积小，操作简便，运动灵活，带负载能力强，能够携带不同类型的高压喷枪、检测传感器等，可以适用于不同直径的直管道和弯管道的清洗、检测等维护工作，能够实现替代人工操作方式，高质量、高效率的完成油田管道附着生物清理任务。

附图说明

图1为本发明的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构的结构示意图；

图2为图1所示的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构的管道紧缩机构的结构示意图；

图3为图1所示的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构的旋转机构的结构示意图；

图4为图3所示的旋转机构的内轨道旋转体的结构示意图；

图5为图3所示的旋转机构的外旋转轨道的结构示意图；

图6-图15为本发明的海上油田井口平台管道清理机器人的第二种行走方法的各步骤对应的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构，如图1-5所示，包括管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构，其中：

管道紧缩机构包括紧缩件1和设置在紧缩件1外侧的紧缩转动杆2，紧缩件1上设置有可调整尺寸的锁紧装置，紧缩件1与紧缩转动杆2之间设置有用于驱动紧缩件1转动第一转动轴3；

移动连杆机构4包括第一移动连杆4-1和第二移动连杆4-2，第一移动连杆4-1与紧缩转动杆2之间设置有用于驱动紧缩转动杆2转动的第二转动轴5，第一移动连杆4-1和第二移动连杆4-2之间设置有第三转动轴6，第一转动轴3、第二转动轴5和第三转动轴6上均设置有驱动装置；

旋转机构包括旋转基座，旋转基座包括内旋转轨道6、用于嵌套内旋转轨道6的外旋转轨道7和与外旋转轨道7固定连接的管道固定件8，管道固定件8上设置有可调整尺寸的夹紧装置，内旋转轨道6上设置有内轨道旋转体9，外旋转轨道7上设置有外轨道旋转体10，内轨道旋转体9与外轨道旋转体10均与第二移动连杆4-2连接。

本发明的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构，包括管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构，其中，管道紧缩机构能够在第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴的驱动装置的作用下发生倾斜和转动，沿弯管道爬行，同时紧缩件上的锁紧装置可以通过调整尺寸的大小实现对不同直径管道的夹紧；移动连杆机构在第三转轴的驱动装置的作用下，能够带动管道紧缩机构和旋转机构在管道上上下自由行走；旋转机构在移动连杆机构、内轨道旋转体和外轨道旋转体的作用下，能够在管道弯曲处发生倾斜和旋转，沿弯管道爬行，同时管道固定件上的夹紧装置可以适应不同直径的管道。本发明结构紧凑，体积小，操作简便，运动灵活，带负载能力强，能够携带不同类型的高压喷枪、检测传感器等，可以适用于不同直径的直管道和弯管道的清洗、检测等维护工作，能够实现替代人工操作方式，高质量、高效率的完成油田管道附着生物清理任务。

优选的，紧缩转动杆2包括设置在紧缩件1两侧的内紧缩转动杆2-1和设置在内紧缩转动杆2-1外侧的外紧缩转动杆2-2，内紧缩转动杆2-1与外紧缩转动杆2-2的一端重合并通过第一转动轴3与紧缩件1连接，两内紧缩转动杆2-1的另一端通过第二转动轴5连接，两外紧缩转动杆2-2的另一端也通过第二转动轴6连接。第一转动轴3上的驱动装置为紧缩件驱动电机，第二转动轴5上的驱动装置为转动杆驱动电机，第三转动轴6上的驱动装置为移动连杆驱动电机；紧缩件1通过第一转动轴3安装在内、外紧缩转动杆上，并可以在紧缩件驱动电机的作用下发生转动，当过弯管道时实现转弯；内、外紧缩转动杆的一端部分重合通过第一转动轴3连接，另一端与相对应的内、外紧缩转动杆通过第二转动轴5连接，移动连杆机构2并通过第二转动轴5与管道紧缩机构相配合，内、外紧缩转动杆能够在转动杆驱动电机的作用下发生转动，调节管道紧缩机构的姿态以实现在弯管道上行走。

进一步的，锁紧装置包括均匀设置在紧缩件1圆周方向上的若干个凸轮1-1，其中：紧缩件1的上、下两端的圆周方向上均匀设置有若干个用于安装凸轮1-1的凹槽1-2，凹槽1-2内设置有用于安装凸轮1-1的凸轮轴，凸轮轴处设置有用于驱动凸轮转动的凸轮电机。具体地，在紧缩件1的上、下端面上均均匀开设有三个安装凸轮1-1的凹槽1-2，凸轮1-1通过凸轮轴安装在紧缩件1上，通过凸轮电机控制凸轮1-1的旋转，实现对不同直径管道的锁紧，凸轮1-1与管道接触的表面设置有为增大摩擦力的防滑面，以防止凸轮1-1与管道之间发生打滑现象，提高安全性。

进一步的，内旋转轨道6嵌入到外旋转轨道7内形成圆环结构，其中：内旋转轨道6与外旋转轨道7上在相同的直径处均设置有导轨6-1、7-1，内轨道旋转体9和外轨道旋转体10的下端均设置有与导轨6-1、7-1配合的滑块9-1；内轨道旋转体9与内旋转轨道6之间设置有用于驱动内轨道旋转体9运动的第一齿轮传动机构，第一齿轮传动机构包括设置在内轨道旋转体9上的第一齿轮9-2，内旋转轨道6的内侧设置有与第一齿轮9-2相啮合的内齿6-2；内旋转轨道6与外旋转轨道7之间设置有用于驱动内旋转轨道6运动的第二齿轮传动机构，第二齿轮传动机构包括设置在外旋转轨道7上的第二齿轮7-2，内旋转轨道6的外侧设置有与第二齿轮7-2相啮合的外齿。内轨道旋转体9上的第一齿轮9-2与内旋转轨道6上的内齿6-2相啮合，使得内轨道旋转体9与内旋转轨道6发生相对运动，可以带动整体机构转动(内轨道旋转体9在内旋转轨道6内转动时，带动移动连杆机构2、管道紧缩机构和外轨道旋转体10转动；内旋转轨道6在第一齿轮传动机构的作用下转动时，带动旋转机构转动)。外旋转轨道7上的第二齿轮7-2与内旋转轨道6上的外齿6-3相啮合时，实现内、外旋转轨道的嵌套和内、外旋转轨道的相互转动。

作为本发明的一种改进，夹紧装置包括均匀设置在管道固定件圆周方向上的若干个夹紧块11，夹紧块11与管道接触的表面设置为弧形面，夹紧装置还包括用于驱动夹紧块移动的丝杠12和丝杠电机。夹紧块11在丝杠电机和丝杠12的作用下，可以改变各夹紧块弧形面之间的直径大小，以实现对不同直径管道的夹紧；弧形上设置有为增大摩擦力的防滑面，以防止夹紧块与管道之间发生打滑现象，提高安全性。

本发明中，第一齿轮传动机构和第二齿轮传动机构均包括固定座7-3、9-3和齿轮驱动电机；内轨道旋转体9与外轨道旋转体10上均固设有连接件13，连接件13上设置有与第二移动连杆4-2连接的销轴4-4。第一齿轮传动机构的固定座9-3固设在内轨道旋转体9上，第二齿轮传动机构的固定座7-3固设在外旋转轨道7上；连接件13通过螺栓分别固定设置在内、外轨道旋转体上，各转动轴与销轴4-4上均设置有锁紧装置。另外，凸轮轴上设置有测距传感器，紧缩件1和管道固定件8均采用扇形圆筒结构。凸轮轴上安装测距传感器，可以实时测量紧缩件1与管道之间的距离，通过凸轮电机控制凸轮1-1的旋转，实现对不同直径管道的锁紧。

另一方面，提供一种上述的海上油田井口平台管道清理机器人，包括单片机和上述的应用于海上油田井口平台管道清理的移动机构。

再一方面，本发明提供两种上述的海上油田井口平台管道清理机器人的行走方法。

第一种行走方法，包括：

步骤1：管道为直管道时，控制管道固定件8的夹紧装置夹紧管道，实现旋转机构与管道的固定，此时，管道紧缩机构与管道处于分离状态，移动连杆机构4在第三转动轴6的驱动装置的作用下趋于直线，从而带动管道紧缩机构沿管道向上运动；

步骤2：管道紧缩机构向上运动到一定位置后，控制紧缩件1上的夹紧装置夹紧管道，实现管道紧缩机构与管道的固定；

步骤3：控制管道固定件8的夹紧装置脱离管道，解除旋转机构对管道的固定，此时，移动连杆机构2在第三转动轴6的驱动装置的作用下趋于弯曲，从而带动旋转机构沿管道向上运动，当旋转机构运动到一定位置后，转至步骤1，继续行走。

第二种行走方法，包括：

步骤1：管道为弯管道时，当管道紧缩机构运动到管道弯曲处的下方时，控制管道固定件8的夹紧装置夹紧管道，实现旋转机构与管道的固定，此时，管道紧缩机构与管道处于分离状态；

步骤2：分别控制第二转动轴5和第三转动轴6的驱动装置，实现管道紧缩机构向斜上方运动，同时控制第一转动轴3的驱动装置，实现紧缩件1沿管道弯曲处发生转动，从而带动管道紧缩机构沿管道爬行；

步骤3：移动连杆机构2运动到极限位置时，控制紧缩件1上的夹紧装置夹紧管道，实现管道紧缩机构与管道的固定，然后，控制管道固定件8的夹紧装置脱离管道，解除旋转机构对管道的固定；

步骤4：控制第三转动轴6上的驱动装置，使得旋转机构在移动连杆机构4的作用下发生倾斜(左侧移动连杆机构的第二移动连杆2-2在左侧移动连杆驱动电机的作用下顺时针转动，同时右侧移动连杆机构的第二移动连杆2-2在右侧移动连杆驱动电机的作用下顺时针转动，从而使旋转机构发生倾斜)，同时控制内轨道旋转体9和外轨道旋转体10，使得旋转机构沿管道弯曲处发生旋转，实现旋转机构沿弯管道爬行，转至步骤1，如此循环控制，逐步过渡到直管道。

综上，本发明优点在于：

1)本发明结构紧凑，体积小，操作简便，运动灵活，带负载能力强，能够携带不同类型的高压喷枪、检测传感器等，可以广泛应用于管道的清洗、检测等维护工作，能够实现替代人工操作方式，高质量、高效率的完成油田管道附着生物清理任务，节约油田管道的清理、维护成本；

2)本发明移动灵活，通过管道紧缩机构、移动连杆机构和旋转机构的相互配合，可以实现在直管道和弯管道上的行走，扩大适用范围；

3)本发明可以适用于不同直径的管道，凸轮在凸轮电机的作用下能够实现对不同直径管道的锁紧；夹紧块在丝杠电机和丝杠的作用下，可以改变各夹紧块弧形面之间的直径大小，实现对不同直径管道的夹紧。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。