本發(fā)明涉及一種用于對(duì)海底管道進(jìn)行焊接的水下作業(yè)機(jī)械。

背景技術(shù)：

隨著海洋工程、深海采礦等技術(shù)的發(fā)展,人類對(duì)海洋的探索已逐漸由淺海轉(zhuǎn)向深海。在大深度和危險(xiǎn)區(qū)域，有纜遙控水下運(yùn)載器（ROV）發(fā)揮了更大的優(yōu)勢(shì)。隨著中國(guó)海洋石油工業(yè)高速高效的發(fā)展,新開發(fā)的海上油氣田逐年增多,海洋石油總公司鋪設(shè)的海底管道總長(zhǎng)度目前已超過(guò)4000km，最早鋪設(shè)的海底管道已運(yùn)行近20年。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,海底管道損壞事故逐年增多。很有必要設(shè)計(jì)一個(gè)能在海底進(jìn)行焊接管道作業(yè)的海底管道焊接機(jī)器人，以彌補(bǔ)我國(guó)在深海焊接維修技術(shù)的缺口。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明專利提出了一種海底管道焊接用水下機(jī)器人，這是一種由ROV載體攜帶焊接工具的集成設(shè)備。該設(shè)備能夠在水下進(jìn)行焊接損壞海底管道的作業(yè)，使用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)位姿調(diào)整，以擴(kuò)大焊接機(jī)器人工作范圍并完成復(fù)雜管道焊接維修。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：該種海底管道焊接用水下機(jī)器人，包括機(jī)體，以及為機(jī)體提供動(dòng)力和控制命令的液壓和電控系統(tǒng)，其特征在于：

所述機(jī)體由ROV本體、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、支撐框架和抓管機(jī)構(gòu)四部分組成；

其中，所述ROV本體為整個(gè)系統(tǒng)的載體，主要由載體框架、ROV底板、浮力模塊、4個(gè)水平推進(jìn)器、4個(gè)垂直推進(jìn)器、照明攝像系統(tǒng)、一個(gè)5自由度機(jī)械手和一個(gè)7自由度機(jī)械手組成；其中，載體框架既是主要承重裝置，也是主要搭載裝置；ROV底板用螺栓連接在載體框架下方，它用螺栓連接來(lái)固定回轉(zhuǎn)支承外圈；浮力模塊通過(guò)螺栓連接安裝在載體框架的上方，為整套裝置提供向上的浮力；8個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)整套裝置在水下6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；照明攝像系統(tǒng)安裝在載體框架的前上方；5自由度機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)定位功能和一些輔助功能，7自由度機(jī)械手負(fù)責(zé)精細(xì)的操作工作；

所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括動(dòng)平臺(tái)、球鉸鏈、液壓缸、虎克鉸鏈和靜平臺(tái)；其中，動(dòng)平臺(tái)通過(guò)螺栓與回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈連接，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈與小齒輪嚙合，小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；球鉸鏈由球鉸座、球鉸蓋、球頭、球頭桿組成，球鉸座一側(cè)與動(dòng)平臺(tái)通過(guò)螺栓連接，另一側(cè)與球鉸蓋通過(guò)沉頭螺釘連接；球頭嵌入到球鉸座中，通過(guò)球鉸蓋與球鉸座的連接使其球心位置固定，球鉸只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能移動(dòng)；球頭桿通過(guò)螺紋與液壓缸連接，球頭桿帶有外螺紋，液壓缸伸縮桿帶有內(nèi)螺紋；虎克鉸鏈由固定鉸座、鉸鏈端蓋、十字軸、活動(dòng)鉸、軸套以及連接軸連接后組成；其中活動(dòng)鉸一端為法蘭盤，目的是為了將虎克鉸鏈與液壓缸一端用螺栓連接，活動(dòng)鉸上開有兩個(gè)孔，為了通過(guò)兩個(gè)連接軸和軸上的軸套；一個(gè)虎克鉸鏈中有兩個(gè)鉸鏈端蓋，通過(guò)螺栓連接在活動(dòng)鉸上；每一組虎克副中的四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都是相互正交的；十字軸通過(guò)階梯孔把4個(gè)連接軸聯(lián)系在一起，每個(gè)連接軸上都帶有2個(gè)軸套；固定鉸座的吊耳上開有兩個(gè)孔，為了通過(guò)兩個(gè)連接軸和軸上的軸套，另外兩個(gè)鉸鏈端蓋通過(guò)螺栓連接在固定鉸座上；固定鉸座的法蘭盤一側(cè)用螺栓固定在靜平臺(tái)上；

支撐框架與并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的靜平臺(tái)焊接在一起；

所述支撐框架采用結(jié)構(gòu)件，支撐框架整體是對(duì)稱分布，兩側(cè)框架中分別通過(guò)螺栓固定兩個(gè)浮力模塊，用來(lái)給整套裝置提供向上的浮力；支撐框架中間空隙用來(lái)布置抓管機(jī)構(gòu)；

抓管機(jī)構(gòu)由抓管基體和回收裝置組成；其中，抓管基體包括爪臺(tái)、連桿、小底爪和液壓缸；抓管基體中的連桿組成了平行四邊形機(jī)構(gòu)，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩平行四邊形的底端通過(guò)銷軸相連的部分稱為小底爪；小底爪與平行四邊形的短邊相連并在運(yùn)動(dòng)時(shí)跟隨平行四邊形機(jī)構(gòu)隨動(dòng)；兩側(cè)液壓缸通過(guò)控制其伸長(zhǎng)和回縮進(jìn)而改變平行四邊形形狀和小底爪的形態(tài)以達(dá)到抓緊不同直徑的海底管道的要求；兩側(cè)機(jī)構(gòu)的同步性通過(guò)液壓回路控制兩液壓缸的的同步性來(lái)實(shí)現(xiàn)，抓管的預(yù)緊力通過(guò)控制液壓缸內(nèi)液壓油的壓力來(lái)調(diào)節(jié)；連桿通過(guò)銷軸與爪臺(tái)底部連接；回收裝置的作用主要是為了回收抓管基體，回收裝置由回轉(zhuǎn)支座、回轉(zhuǎn)軸和回收液壓缸連接后組成；回轉(zhuǎn)支座通過(guò)螺栓固定在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的靜平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)軸連接回轉(zhuǎn)支座和爪臺(tái)，回收液壓缸的兩側(cè)連接爪臺(tái)突出的連接件上，回收液壓缸的收縮帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)抓管基體的回收。

本發(fā)明具有如下有益效果：

首先，本種焊接用水下機(jī)器人以ROV為載體是非常有利的，因?yàn)槟壳癛OV技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)還是控制上。而且ROV有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)動(dòng)靈活，水下工作時(shí)間長(zhǎng)，減少了回收機(jī)器人的次數(shù)，相當(dāng)于增加了工作效率。其次，設(shè)計(jì)了焊接操作時(shí)位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)。為了減少水下抓緊管道的次數(shù)，提高水下管道維修的效率，在水下機(jī)器人本體與固定管爪間增加了位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)以擴(kuò)大焊接機(jī)器人工作范圍并完成復(fù)雜管道焊接維修。另外，考慮到水下焊接機(jī)器人在水下工作時(shí)處于漂浮狀態(tài)，而在地面非工作時(shí)間時(shí)管道焊接機(jī)器人應(yīng)在地面由支撐系統(tǒng)支撐起來(lái)，所以設(shè)計(jì)了支撐框架。最后，為了保護(hù)抓取手爪，設(shè)計(jì)了回收裝置，回收裝置由回轉(zhuǎn)支座，回轉(zhuǎn)軸和回收液壓缸組成?；剞D(zhuǎn)支座通過(guò)螺栓固定在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的靜平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)軸連接回轉(zhuǎn)支座和爪臺(tái)，回收液壓缸的兩側(cè)連接爪臺(tái)突出的連接件上，回收液壓缸的收縮帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)抓管基體的回收。在它不工作時(shí)可以回收抓管基體。本發(fā)明中，液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)齒輪泵供油，把等量的油分別輸入兩個(gè)尺寸相同的液壓缸，確保需要同步作業(yè)的兩個(gè)液壓缸動(dòng)作同步，使作業(yè)更加平穩(wěn)，加強(qiáng)支撐強(qiáng)度。

本發(fā)明提供了一種以ROV本體、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、支撐框架、抓管機(jī)構(gòu)四部分組成的攜帶焊接工具的集成設(shè)備，它能夠有效的解決目前水下焊接所面臨的問(wèn)題，比如定位精度差、工作效率低以及操作范圍小等，順利的完成海底管道焊接任務(wù)，該發(fā)明可以到達(dá)人類無(wú)法到達(dá)的極端海洋環(huán)境下工作，大大拓展了人類對(duì)海洋的研究范圍。突破了人類的生理極限和水下干法焊接方式構(gòu)造壓力容器倉(cāng)耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，也非常不靈活的限制，為深水水下焊接設(shè)備的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明海底管道焊接水下機(jī)器人總裝圖。

圖2是本發(fā)明ROV本體總體結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明ROV本體主視圖。

圖4是本發(fā)明ROV本體后視圖。

圖5是本發(fā)明ROV本體下視圖。

圖6是本發(fā)明回轉(zhuǎn)支承傳動(dòng)連接示意圖。

圖7是本發(fā)明回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)圖。

圖8是本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的動(dòng)平臺(tái)示意圖。

圖10是本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的球鉸鏈裝配圖。

圖11是本發(fā)明球鉸鏈中的球鉸座示意圖。

圖12是本發(fā)明球鉸鏈中的球鉸蓋示意圖。

圖13是本發(fā)明球鉸鏈中的球頭和球頭桿結(jié)構(gòu)圖。

圖14是本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的虎克鉸鏈裝配圖。

圖15是本發(fā)明虎克鉸鏈中的固定鉸座示意圖。

圖16是本發(fā)明虎克鉸鏈中的活動(dòng)鉸示意圖。

圖17是本發(fā)明虎克鉸鏈中的十字軸示意圖。

圖18是本發(fā)明虎克鉸鏈中的連接軸示意圖。

圖19是本發(fā)明虎克鉸鏈中的軸套示意圖。

圖20是本發(fā)明并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的靜平臺(tái)示意圖。

圖21是本發(fā)明支撐框架示意圖。

圖22是本發(fā)明支撐框架主視圖。

圖23是本發(fā)明支撐框架左視圖。

圖24是本發(fā)明支撐框架俯視圖。

圖25是本發(fā)明抓管機(jī)構(gòu)裝配圖。

圖26是本發(fā)明抓管機(jī)構(gòu)中的回收裝置示意圖。

圖27是本發(fā)明抓管機(jī)構(gòu)中的抓管基體示意圖。

圖28是本發(fā)明抓管基體中的爪臺(tái)示意圖。

圖29是本發(fā)明抓管基體中的連桿示意圖。

圖30是本發(fā)明抓管基體中的小底爪示意圖。

圖31是本發(fā)明回收裝置中的回轉(zhuǎn)支座示意圖。

圖32是本發(fā)明回收裝置中的回轉(zhuǎn)軸示意圖。

圖中1-ROV本體，2-并聯(lián)機(jī)構(gòu)，3-支撐框架，4-抓管機(jī)構(gòu)，5-載體框架，6-水平推進(jìn)器，7-浮力模塊，8-垂直推進(jìn)器，9-照明攝像系統(tǒng)，10-7自由度機(jī)械手，11-5自由度機(jī)械手，12-ROV底板，13-動(dòng)平臺(tái)，14-球鉸鏈，15-液壓缸，16-虎克鉸鏈，17-靜平臺(tái)，18-球鉸座，19- 球鉸蓋，20-球頭，21-球頭桿， 22-固定鉸座，23-鉸鏈端蓋,24-十字軸，25-活動(dòng)鉸，26-軸套，27-連接軸，28-活動(dòng)鉸法蘭盤，29-固定鉸座吊耳，30-固定鉸座法蘭盤，31-回轉(zhuǎn)支承，32-小齒輪，33-兩側(cè)框架，34-抓管基體，35-回收裝置，36-爪臺(tái)，37-連桿，38-小底爪，39-液壓缸，40-銷軸，41-回轉(zhuǎn)支座，42-回轉(zhuǎn)軸，43-回收液壓缸，44-爪臺(tái)突出連接件。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1至圖32所示，一種海底管道焊接用水下機(jī)器人，包括機(jī)體，以及為機(jī)體提供動(dòng)力和控制命令的液壓和電控系統(tǒng)，液壓和電控系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，不在此贅述。本發(fā)明的對(duì)現(xiàn)有技術(shù)作出改進(jìn)之處在于：所述機(jī)體由ROV本體1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)2、支撐框架3、抓管機(jī)構(gòu)4四部分組成；

其中，所述ROV本體1為整個(gè)系統(tǒng)的載體，如圖2所示，主要由載體框架5，ROV底板12，浮力模塊7，4個(gè)水平推進(jìn)器6，4個(gè)垂直推進(jìn)器8，照明攝像系統(tǒng)9，一個(gè)5自由度機(jī)械手11和一個(gè)7自由度機(jī)械手10組成。其中，載體框架5既是主要承重裝置，也是主要搭載裝置；ROV底板12用螺栓連接在載體框架下方，它用螺栓連接來(lái)固定回轉(zhuǎn)支承30外圈；浮力模塊7通過(guò)螺栓連接安裝在載體框架5的上方，為整套裝置提供向上的浮力；8個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)整套裝置在水下6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；照明攝像系統(tǒng)9安裝在載體框架5的前上方；5自由度機(jī)械手11主要實(shí)現(xiàn)定位功能和一些輔助功能，7自由度機(jī)械手10負(fù)責(zé)精細(xì)的操作工作。

所述并聯(lián)機(jī)構(gòu)2如圖8所示，由動(dòng)平臺(tái)13，球鉸鏈14，液壓缸15，虎克鉸鏈16，靜平臺(tái)17組成。其中動(dòng)平臺(tái)如圖9所示，它是通過(guò)螺栓與回轉(zhuǎn)支承31內(nèi)圈連接，回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈與小齒輪32嚙合，小齒輪32轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承31內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使動(dòng)平臺(tái)13轉(zhuǎn)動(dòng)。球鉸鏈如圖10所示，球鉸鏈由球鉸座18，球鉸蓋19，球頭20，球頭桿21組成，球鉸座18一側(cè)與動(dòng)平臺(tái)13通過(guò)螺栓連接，另一側(cè)與球鉸蓋19通過(guò)沉頭螺釘連接。球頭20嵌入到球鉸座18中，通過(guò)球鉸蓋19與球鉸座18的連接使其球心位置固定，球鉸只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能移動(dòng)。球頭桿21通過(guò)螺紋與液壓缸15連接，球頭桿21帶有外螺紋，液壓缸15伸縮桿帶有內(nèi)螺紋?；⒖算q鏈16由固定鉸座22、鉸鏈端蓋23、十字軸24、活動(dòng)鉸25、軸套26、連接軸27組成。其中活動(dòng)鉸25一端為法蘭盤28，目的是為了將虎克鉸鏈16與液壓缸15一端用螺栓連接?；顒?dòng)鉸25上開有兩個(gè)孔，為了通過(guò)兩個(gè)連接軸27和軸上的軸套26，一個(gè)虎克鉸鏈16中有兩個(gè)鉸鏈端蓋23通過(guò)螺栓連接在活動(dòng)鉸25上。每一組虎克副中的四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸都是相互正交的，虎克副從本質(zhì)上而言就是約束3個(gè)移自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度提供2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。十字軸24通過(guò)階梯孔把4個(gè)連接軸27聯(lián)系在一起，每個(gè)連接軸27上都帶有2個(gè)軸套26。同活動(dòng)鉸25一樣，固定鉸座22的吊耳29上開有兩個(gè)孔，為了通過(guò)兩個(gè)連接軸27和軸上的軸套26，另外兩個(gè)鉸鏈端蓋23通過(guò)螺栓連接在固定鉸座22上。固定鉸座22的法蘭盤30一側(cè)用螺栓固定在靜平臺(tái)17上。

所述支撐框架3如圖21所示，它與并聯(lián)機(jī)構(gòu)2中的靜平臺(tái)17焊接在一起。本發(fā)明中底部支撐框架3采用結(jié)構(gòu)件。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件購(gòu)買方便而且已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格比較便宜以及結(jié)構(gòu)件構(gòu)建底部支撐框架更為輕便。支撐框架3整體是對(duì)稱分布，兩側(cè)框架33中分別通過(guò)螺栓固定兩個(gè)浮力模塊，用來(lái)給整套裝置提供向上的浮力。支撐框架中間空隙用來(lái)布置抓管機(jī)構(gòu)4。

所述抓管機(jī)構(gòu)4如圖25所示，整套裝置中共有兩個(gè)抓管機(jī)構(gòu)。抓管機(jī)構(gòu)由抓管基體34和回收裝置35組成。其中，抓管基體由爪臺(tái)36，連桿37，小底爪38和液壓缸39構(gòu)成。抓管基體基本原理為平行四邊形機(jī)構(gòu)。連桿組成了平行四邊形機(jī)構(gòu)，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩平行四邊形的底端通過(guò)銷軸相連的部分稱為小底爪。小底爪與平行四邊形的短邊相連并在運(yùn)動(dòng)時(shí)跟隨平行四邊形機(jī)構(gòu)隨動(dòng)。兩側(cè)液壓缸通過(guò)控制其伸長(zhǎng)和回縮進(jìn)而改變平行四邊形形狀和小底爪的形態(tài)以達(dá)到抓緊不同直徑的海底管道的要求。兩側(cè)機(jī)構(gòu)的同步性通過(guò)液壓回路控制兩液壓缸的的同步性來(lái)實(shí)現(xiàn)，抓管的預(yù)緊力通過(guò)控制液壓缸內(nèi)液壓油的壓力來(lái)調(diào)節(jié)。連桿通過(guò)銷軸40與爪臺(tái)36底部連接?；厥昭b置35的作用主要是為了回收抓管基體34。回收裝置35由回轉(zhuǎn)支座41，回轉(zhuǎn)軸42和回收液壓缸43組成。回轉(zhuǎn)支座（41）通過(guò)螺栓固定在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的靜平臺(tái)17上，回轉(zhuǎn)軸42連接回轉(zhuǎn)支座41和爪臺(tái)36，回收液壓缸43的兩側(cè)連接爪臺(tái)突出的連接件44上，回收液壓缸43的收縮帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸42的回轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)抓管基體34的回收。

下面給出利用本裝置作業(yè)過(guò)程：

步驟1：ROV通過(guò)垂直推進(jìn)器和水平推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)到所要作業(yè)的位置上方，此時(shí)抓管機(jī)構(gòu)處于回收狀態(tài)；

步驟2：伸出回收液壓缸，液壓缸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，使抓管基體處于工作狀態(tài)；

步驟3：驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使并聯(lián)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)抓管機(jī)構(gòu)的方位，使得抓管基體軸向能大體與管道的軸向相吻合，然后控制并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的6個(gè)液壓缸的伸縮，對(duì)抓管基體位姿進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié)使之能準(zhǔn)確抓住管道。

步驟4：驅(qū)動(dòng)抓管基體的兩側(cè)液壓缸抓緊海底管道，利用5自由度機(jī)械手對(duì)待焊接的表面進(jìn)行清理和打磨等工作，以便進(jìn)行焊接作業(yè)；

步驟5：利用7自由度機(jī)械手?jǐn)y帶焊槍進(jìn)行焊接；

步驟6：焊接結(jié)束后，關(guān)閉焊接電源，收回機(jī)械手，松開抓管基體，利用回收裝置回收抓管基體。

到此，一個(gè)工作回合結(jié)束。如果繼續(xù)焊接其他管道，則重復(fù)該焊接步驟，若是任務(wù)結(jié)束，ROV可以利用自身推進(jìn)器和浮力模塊上浮，回收整套海底管道焊接水下機(jī)器人。