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1、武汉理工大学硕士学位论文水平井牵引机器人机械系统研究姓名：许德宇申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：刘明尧20100501摘要石油是工业和经济发展的重要基础能源，随着石油开采技术的发展，水平井已成为高效开采油气的重要技术支撑。然而，在石油开采中，对水平油井的检测却十分困难。在垂直井和小斜度井，井下工具可依靠重力由缆绳下放到工作位置，在这种情况下，向下的推进力等于重力减去井下流体对其浮力。然而在大斜度井和水平井情况要复杂得多，在水平井必须依靠外加向前的推力才能前进，提供推力的机械，被称为水平井牵引机器人，传统的牵引机器人大致可以分为轮式和蠕动式两类。本文针对内径为11 4 3 m
2、 m 至1 9 3 6 8 r a m 的井眼研究并提出了一种轮式水平井牵引机器人，它的机体为细长管状，依靠驱动轮前进，可在套管和裸井中使用。牵引机器人的越障机构包括行走驱动单元和柔性支撑单元等组成部分，确保机器人能够越过井管中遇到的障碍物，适应井径的变化，将井下工具及测井仪器运送到水平井指定位置。本文的具体研究内容及主要工作可以概括为以下几个方面：首先，通过大量查阅和整理水平井牵引机器人相关文献和资料，深入细致地分析各种水平井牵引机器人及管道机器人在管道内的运动原理和特点，分析水平井环境对机器人运动方式的特殊要求，通过对各种类型的运动方式对比分析，确定适应井下环境的最优运动方式，并以此为基础
3、，提出了一种水平井牵引机器人机械系统。然后，针对所提出的牵引机器人机械系统的运动力学的有关问题进行了详细的分析研究，包括机器人的管内空间运动方程、管内运动阻力、径向调节运动、越障能力。最后，在P r o E 环境下建立水平井牵引机器人三维模型。通过A D A M S 虚拟样机软件对越障机构进行运动学及动力学仿真试验，验证了其越障能力。虽然本文基本实现了研究目标，但整个水平井牵引机器入系统距离实用化还有很长的路要走。在本文的最后总结了整个论文的工作和研究成果，并提出了对未来研究工作的展望。关键词：水平井牵引机器人，运动学，动力学，计算机仿真A b s t r a c tO i li saf u
4、n d a m e n t a le n e r g yt h a ts u s t a i n st h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n de c o n o m y W i t ht h ed e v e l o po fo i le x p l o i t a t i o nt e c h n o l o g y,t h eh o r i z o n t a lo i lw e l l sd e v e l o pg r a d u a l l ya sa ni m p o r t a n tw a yt or a i s eo i
5、 lp r o d u c t i o n H o w e v e r,t h e l o g g i n go f h o r i z o n t a lo i lw e l li sv e r yd i f f i c u l t I nv e r t i c a lw e l l s，a n di nt h o s e w e l l sh a v i n go n l yaf e wd e g r e e so fd e v i a t i o n，t h ea x i a lt h r u s tn e c e s s a r yt oc o n v e yl o g g i n g
6、t o o l s，i ss u p p l i e db yg r a v i t y I nt h e s es i t u a t i o n s，t h ed o w n w a r dt h r u s ta p p l i e dt ot h es t r i n gi se q u a lt ot h ew e i g h to ft h es t r i n g，m i n u sa n yb u o y a n c yf o r c ed u et of l u i dd o w n h o l e T h es i t u a t i o ni sm o r ec o m
7、p l e xi nh i g h l yd e v i a t e da n dh o r i z o n t a lw e l l s I nh o r i z o n t a lw e l l st h es t r i n gw i l ln o tm o v ef o r w a r df u r t h e rw i t h o u tt h ei n p u to fa d d i t i o n a lf o r w a r da x i a lt h r u s t T h i sp r o p u l s i o nm a c h i n e s，o f t e nr e
8、f e r r e dt oa s W i r e l i n eT r a c t o r”M o s tc o n v e n t i o n a lt r a c t o r sC a nb el o o s e l yg r o u p e di n t ot w og r o u p s，n a m e l y,w h e e l e d-p o w e r e da n dc r a w l e r s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dat y p eo fW h e e l e dW i r e l i n eT r a c t o r，w
9、 h i c hc o n s i s to fat u b u l a rh o u s i n ga n dp o w e r e dw h e e l st h a tp r o j e c tf r o mt h eh o u s i n ga n da r ed e s i g n e dt oe n g a g et h ei n n e rw a l l so ft h ec a s i n go ro p e nh o l e，w h i c ho p e r a t i n gd i a m e t e ri s1 1 4 3 m m-1 9 3 6 8 m m T h eo
10、 v e r-o b s t a c l em e c h a n i s mf o rW h e e l e dW i r e l i n eT r a c t o ri n c l u d ed r i v i n gu n i ta n df l e x i b l es u p p o r t i n gu n i t T h er o b o th a st h ea d a p t a b i l i t yt ot h ec h a n g eo fw e l ld i a m e t e r s，i tc a l lC R O S So b s t a c l e sa n d
11、c o n v e yt h el o g g i n gt o o l st ot h ed e s t i n a t i o n T h em a i nc o n t e n ta n dc o n t r i b u t i o n so ft l l i St h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s：O nt h eb a s i so fc o l l e c t i n ga n dm a s t e r i n gal a r g ea m o u n to fd o c u m e n t sa n dr e f
12、e r e n c e so nW i r e l i n eT r a c t o r,t h ed i f f e r e n c e sa n dc h a r a c t e r so fe x i s t i n gW i r e l i n eT r a c t o ra n di n-p i p er o b o tl o c o m o t i o nm o d e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l C o n s i d e r i n gt h ed e m a n d so fh o r i z o n t a lo i lw e l
13、 l se n v i r o n m e n ta n dt h ee x a c tl o c o m o t i o nm o d e,w h i c hi sm o r es u i t a b l ef o rh o r i z o n t a lo i lw e l l se n v i r o n m e n ti ss e l e c t e dt h r o u g hc o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n,a n dp r o p o s e dt h er e l a t e dn e wl o c o m o t i o
14、 nm e c h a n i s mo fW i r e l i n eT r a c t o r O nt h eb a s i so ft h es e l e c t e dl o c o m o t i o nm o d ea n dt h ep r o p o s e dl o c o m o t i o nm e c h a n i s m，s o m et o p i c so fi n p i p ek i n e t i cc h a r a c t e ro fW i r e l i n eT r a c t o ra r ea n a l y z e da n dd i
15、 s c u s s e dd e e p l y,i n c l u d i n gi t si n p i p em o v i n gr e s i s t a n t，s p a t i a lm o t i o ne q u a t i o n，r a d i a la d j u s t i n g，c a p a b i l i t yo v e ro b s t a c l e-T h e3 一Ds i m u l a t i o nm o d e lo ft h eW i r e l i n eT r a c t o ri sd e s i g n e db yP r o E
16、，T h i sp a p e ru s e sA D A M Ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g yd e a lw i t l lt h ep r o b l e mo fd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dp r o v e di t sf e a s i b i l i t yo fo v e r-o b s t a c l e A l t h o u g ht h em a j o rr e s e a r c hp r o j e c th a sb e e n
17、c o m p l e t e di nt h i st h e s i s，t h e r es t i l le x i s t sm u c hr e s e a r c hw o r k st ob ed o n et om a k et h es y s t e ms u i t a b l ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n A tt h ee n do ft h i st h e s i s，t h ea u t h o rm a k e sas u m m a r yo ft h em a i nr e s e a r c
18、hw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n s，a n dg i v es o m es u g g e s t sf o rf u r t h e rr e s e a r c h K e yw o r d s：W i r e l i n eT r a c t o r；k i n e m a t i c s；d y n a m i c s；c o m p u t e rs i m u l a t i o nI独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发
19、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：许毽主日期：丝!：三学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵
20、守此规定)研究生(签名)：涿葑导师(签名)者弋础日期。弘l o 了fl武汉理工火学硕十学位论文第1 章引言1 1 开展水平井牵引机器人研究的意义石油是工业的血液，是国家重要的战略储备能源。随着石油勘探技术的发展以及对钻井技术的低成本、低污染、精确轨迹、高产量等新技术要求的提高，水平井凭借其优势已成为高效开采石油的重要技术支撑。水平井的地表出口可以避开地表永久障碍物和重要建筑，如飞机跑道、河流、公路铁路和重要设备，也可以避开地下管道和恶劣地质环境等，这使得可以开采的区域更多，开采难度降低。水平井走向与油层一致，暴露在油层的面积更大，可以最大限度提高油层的泄油面积，从而提高采油率。在这个能源紧张的
21、时代，发展水平井及其相关技术具有重大意义。通过增加水平段长度来提高采油率已成为提高油田产量的一个重要途径。水平并技术在2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代得到迅速发展，然而对水平井的检测及井下作业十分困难，这主要是由于传统运送方式无法将测井仪器和井下工具运送到水平段，水平段越长运送越困难。在竖直井和小斜度井，测井仪器可以依靠重力由缆绳下放到工作位置，然而在大斜度井和水平并情况要复杂得多，在垂直段可依靠重力下放，到了水平段必须依靠附加牵引力推动其向前前进。这就需要开发一种专门的牵引设备，这种设备被称为“水平井牵引机器人一：水平井牵引机器人是由管道机器人发展而来，但是工作环境更加恶劣，技术要求更
22、高，空间限制更多。随着水平井牵引机器入在测井、射孔、打捞等井下作业的广泛应用，其作为井下仪器运送工具的优势越来越受到人们的重视。相比于传统的挠性管送进法，钻杆送进法以及泵送刚性挺杆技术，水平井牵引机器人重量轻，尺寸小，更加便于操作，井下定位准确，大大降低了运送的成本，具有良好的发展前景，是目前世界上水平井测井和井下作业最为先进的技术支撑之一。我国大多数油田已经成功开发水平井，水平井的测井以及井下作业还依赖于少数的几家国外石油公司，我国对水平井牵引机器人的研究还处于初级阶段，尚未有成熟的产品应用于生产实际。本课题主要研究并提出一种轮式水平井牵引机器人的机械系统，牵引机器人在前进过程中能够适应井径
23、变化，越过井管中的障碍物，准确将井下工具运送到指定工作位置。利用虚拟样机技术对牵引武汉理工大学硕士学位论文机器人进行运动学和动力学仿真分析，推进国内水平井牵引机器人的研究工作。1 2 水平井牵引机器人机械系统的研究现状1 2 1 国外研究现状分析世界上第一台水平井牵引机器入于1 9 9 4 年问世【l l，国外许多公司研究开发了水平井牵引机器人并成功应用于生产实际。与一般的管道机器人不同，水平井牵引机器人工作环境恶劣，同时需要满足工作距离长、输出力大的要求。石油井管没有9 0。弯管接头，对牵引机器人的弯管通过性要求不高，然而管道直径小，对其径向尺寸限制较高，又要求有较大的功率，所以水平井牵引机
24、器人内部零部件的布置多为线性布置，结构都是细长型。从运动方式上可以将牵引机器人分为轮式和蠕动式。轮式水平井牵引机器人是通过支撑臂将驱动轮压紧在管壁上产生封闭力。在封闭力的作用下，牵引机器人的各驱动轮与管壁之间产生附着力，驱动轮的旋转产生牵引力，驱动机器人在管道内前后运动。其中W E L L T E C 公司、S O N D E X 公司和A k e rK v a e r n e r公司的轮式牵引机器人技术较为成熟。蠕动式水平井牵引机器人是通过两组可张开和收合的支撑臂交替撑到井壁上，一组支撑臂撑在管壁上锁死，另一组在伸缩关节的作用下相向或向背滑动，从而实现牵引机器人的前后运动。其中以S m a
25、r T r a c t 公司和S c h l u m b e r g e r 公司的牵引机器人为典型代表。W E L L T E C 公司是最早开发水平井牵引机器人的厂家之一，1 9 8 7 年开始了对水平井牵引机器人的研发，1 9 9 4 年成功制成了样机，并做了测试，1 9 9 6 年正式投入市场，并成功应用于生产测井和打捞等作业【2】。W E L L T E C 公司的水平井牵引机器入主要由驱动轮单元、控制单元、电动机、液压单元和压力补偿单元五部分组成，如图1 1 所示。其结构为细长型，每个轮子装有独立的液压马达，驱动轮依靠液压力展开并开始旋转，从而产生前进运动，可以多个模块串联产生更大
26、的牵引力，具有很强的越障能力，能够在裸井中作业，在水平段前进距离超过3 0 0 0 米【l】。由于W E L L T E C 公司的水平井牵引机器人的驱动轮与液压马达设计为一个整体，省去了机械传动机构，不仅没有了中间的传动能量损耗，提高了效率，节约了能量，更重要的是使结构更加紧凑，零部件数量更少，从而可以增大每个零部件的尺寸，提高承载能力，可以提供更大的牵引力，进入更细小的管道。2武汉理工大学硕士学位论文图1 1W E L L T E C 公司牵引机器人S O N D E X 公司牵引机器人于1 9 9 8 年在位于澳大利亚北部的万度油田成功应用于测井作业p J。其主要部件有电路部分、电缆张力
27、测量接头、井下磁性定位系统、离合器和驱动电机、驱动轮和支撑臂以及扶正器部分1 4 1，如图1 2 所示a图为机器人的整体外观，b 图为局部放大图。在大斜度的井中，S o n d e x 牵引机器人可通过单芯电缆来运送测井工具和射孔枪等作业工具最大牵引力可达2 6 7 5 N。该设各使用简单、运输方便，适用于各种井径，与地面的稳定通讯可以提供充分的控制功能 5】。S O N D E X 公司牵引机器人结构简单，便于控制，通过弹簧推动滑块，经曲柄滑块机构将驱动轮压靠在管壁上，产生封闭力，再通过机械传动嚣詈带动骊动轮裤转鳜动加器 前讲x=5“a 整体外观武汉理工大学硕士学位论文b 局部放大图图1-2
28、S O N D E X 公司牵引机器人A k e rK v a e r n e r 公司1 9 9 9 年开发出了P o w e r T r a e 牵引机器人，井下结构包括电气电路部分，马达与液压泵部分，驱动部分和压力补偿部分等【6 I，如图1-3 所示。2 0 0 8 年3 月A k e rK v a e m e r 公司在挪威的斯塔万格市西部北海上的S l e i p n e r油田，以“P o w e r T r a eA d v a n c e T M3 1 8X R”牵引机器人为运送工具成功完成测井任务。P o w e r T r a e 系列牵引机器人可以有效节约测井成本，运送各
29、种工具到水平井或太斜度井中，具有良好的兼容性，可以在标准井管和裸井中工作1 7 。P o w e r T r a c 举引机器人设计特点是驱动轮与马达设计为一个整体，从而使结构更加紧凑，而且速度便于调控。1 e m o n i cs m nM o t o ra 帕m晰 s t,a i o n图1-3 A k e r K v a e r n e t 公司的P o w e r T r a c 牵引机器人轮式牵引机器人多为模块化设计，通过增加模块数量提高牵引力，提高越障武汉理工人学硕士学位论文能力。一般模块数在两个以上，在通过不易通过的障碍时，通常采用的方法是收回障碍处的驱动轮，依靠其它模块驱动前进
30、，待通过障碍后，张开先前收回的驱动轮，继续工作。S m a r T r a c!公司牵引机器人可以实现前进后退双向运动，井下结构包括电缆接头电气部分，液压部分，支撑臂和伸缩机构【g】，如图I-4 所示。S m a r T r a c t牵引机器人的突出特点是牵引力大，可以职向运动，而且可以使支撑臂牢牢抓住管壁，停留在某一位置稳定作业。S m a r T m c t 牵引机器人通过两组抓靠臂的张开和收合交替撑到管壁上，一组支撑臂撑在管壁上，在摩擦力的作用下锁死，另一组在伸缩关节的作用下相向或向背滑动，从而实现牵引机器人的前后运动，棒动T 且串前讲图1-4S m a r T m e t 公司牵引机
31、器人S c h l u m b e r g e r 公司的M a x T R A C 牵引机器人主要特点是凸轮卡紧式装置设计如图1-5 所示。凸轮卡紧式装置的主要工作部分是凸轮，凸轮的几何形状为心形。凸轮轴心线与井壁的垂直距离D 随着凸轮的旋转而变化。当凸轮卡紧式装置处于驱动行程时，对井下工具串向右的推力使支撑臂产生一个向左的反作用力，这使凸轮向轴心线到井壁的垂直距离D 增大的方向旋转，凸轮的轮齿锁死在井壁上(左上)，牵引机器人的支撑臂被锁住静止。凸轮的旋转使D 增大，具有固定支撑臂，平衡推力F p 的作用，防止了伸缩机构将井下工具串推向右边时机器人向后的滑动(左中)。在处于复位行程时，牵引力
32、h 使凸轮向轴心线到井壁的垂直距离D 减小的方向旋转，凸轮卡紧式装置解锁，支撑臂沿井壁滑动(左下)。弹簧力F s 使凸轮与井壁始终保持接触，但弹簧力F s 非常小，凸轮并没有锁死顶住井壁，从而确保凸轮与管壁始终有封闭力，凸轮可以根据运动趋势转动p I。武汉理工大学硕士学位论文E 塞热抟甫冀1 枣等篇0 1 目枣毋瘌皇帚7 夕N”5 i。一一图1-5M a x T R A C 牵引机器人的凸轮卡紧式装置设计原理M a x T R A C 牵引机器人的运动方式如图1-6 所示：当后面的驱动装置处于驱动行程时，后支撑臂上的凸轮锁死顶住井壁，后支撑臂保持静止，伸缩机构推动仪器和工具串前进。同时，前面的
33、驱动装置复位。前支撑臂解锁，凸轮旋转使距离D 减小(1 到3)。当后面的驱动装置达到驱动行程极限位置时，前面的驱动装置开始工作，使仪器和井下工具串继续前行(4)。此时前面驱动装置的支撑臂锁死并推动仪器和井下工具串前进。而后面的驱动装簧复位(5 到6)。重复进行该运动过程(7)t 1 0 l o 由此可见这种凸轮卡紧式牵引机器人的运动基本P 是连续的伯是对#辟的萼末转赢亦拇#由毛涟肺田=z 2 一2 一=一一一=!=!；=!：=一i 王=、=二=三t S 塞兰!=三=_ 三；I 芝；二z 芝=二兰二二二；：J图1-6M a x T R A C 牵引机器人运动示意图武议理丁=大学硕士学位论文1 2
34、 2 国内研究现状分析国内对水平井牵引机器人的研究还处于起步阶段，哈尔滨工业太学的唐德威等人研制出了牵引机器人的单节样机，并进行了地面模拟实验，如图1 7 所示，样机最大直径为1 0 5 m m，单节长度为4 5 2 7 m m，地面试验测试结果表明，该机器人最大输出牵引力可以达到1 0 0 0 N 每节，样机采用电机驱动，驱动电机通过联轴器和轴将动力传递给蜗杆再经蜗轮蜗杆副，蜗轮带动齿轮旋转，通过齿轮副的传动，将动力传递到驱动轮I l”。图l-7 水平井牵引机器人样机哈尔滨工业大学刘文剑教授负责的水平井牵引机器人项目于2 0 0 8 年完成，据哈工大报报道该牵引机器人于2 0 0 8 年进行
35、了四次携带测量仪器的现场测井试验，均取得成功，通过了大庆油田有限责任公司组织的专家验收。图1-8 为牵引机器人驱动模块的结构示意图，分为爬行模块和动力模块两部分。动力模块是机器人动力源，其主要功能有两点：首先是对驱动轮张开与收回的控制，其零部件主要包括弹簧I I、套筒、滚珠丝杠螺母副和动作电机等；第二个功能是要控制驱动轮的转速和力矩其主要零部件包括驱动电机、减速器和传动轴等，驱动电机和传动轴布置在套筒内。动力模块是牵引机器人每个模块必须配置的。爬行模块主要由弹簧1、推杆座、推杆、锥齿轮副、链轮、链条、驱动轮组成0 z-1 6 l。武汉理丁大学硕士学位论文E*默#*I，_ _-、-_ _ _ I
36、 _，_-_ _ _ _ _-图1-8 水平井牵引机器人驱动单元结构示意图中国石油大学(华东)的高进伟等人研制出了水平井牵引机器人的样机，如图1-9 所示。动力单元主要由电帆、传动机构等部分组成，支撑单元主要由非线性弹簧、滑块、支撑臂、齿轮副、传动带、带轮、驱动轮和从动轮组成，目前幽|-9 中国五油大学的水半井牵引机器人样机长城钻探测井公司研制开发的水平井牵引机器人于2 0 0 8 年在辽河油田的四口水平井进行了的井下试验。图1 1 0 为牵引机器人结构原理图，它包括地面和井下两部分，地面设备由计算机1 控制器2，供电电源箱3 组成，井下设备由扶正器4、l O 井下电子线路段5，推靠段6、8。
37、牵引段7、9 组成。图1 一l o 长城钻探测井公司水平井牵引机器人原理图壁武汉理工大学硕士学位论文水平井牵引机器人的研究是一项具有广阔前景的领域，对水平井的发展具有重要意义，得到了世界各国石油公司的高度重视。国外石油公司经过二十多年的研究和发展已经在水平井牵引机器人领域取得了大量的研究成果，并投入到生产实际中去，牵引机器人技术在这二十多年间得到了迅猛发展，但从总体技术水平上来看还处于发展阶段。然而我国对水平井牵引机器人的研究起步较晚与国外还有很大差距【2 M 引，除了前面介绍的研究外，国内的大庆石油学院等高校和企业也做了相关研究 2 9-3 3 1，国内成果大多停留在图纸和实验室样机阶段，距
38、离大规模生产实用还有一定的差距，主要面临以下几个方面问题。(1)井下动力传送：石油勘探与开采行业等领域的快速发展将对水平井牵引机器人提出新的更高挑战。随着水平井技术的迅速发展，将会在更深的地方寻找和开采油气，大港油田的D G 2 H 水平井的水平段长度已经达到4 1 0 0 m 1 3 4 l。这就需要将仪器串运送到更远的距离，要求开发新型电缆，要求有更强大的电源线，提供更大的井下电力，从而允许使用更大功耗的工具和仪器，牵引机器人能够在更大的负载下以更快的速度将仪器和工具串运送到更远的位置。(2)通信问题：电缆与井壁的摩擦大大增加了水平井牵引机器人的负荷，如果采用无缆方式则可以大大减小负载，但
39、是油井管管壁为金属，通常使用的高频无线信号由于电磁屏蔽作用的影响很难穿过管壁。井下动力传送和通信问题都涉及到采用有缆方式还是无缆方式，目前的有效解决方案是减轻电缆的重量，减少电缆的线数同时保证通信质量。(3)机械结构：为了将仪器运送到更远的距离，需要更大的牵引力，这要求牵引机器人的机械结构有足够的强度，良好的可靠性以及高效的传动机构。由于并下工作环境具有高温高压的特点，要求牵引机器人有很好的耐压性，要求电子器件在高温下稳定工作。1 3 本文的主要研究内容为满足水平井开采需要，本文研究并提出了一种轮式驱动水平井牵引机器人机械系统，本文总共分为五章，各章的具体研究内容安排如下：第l 章引言。介绍本
40、文的研究背景和目的，说明了水平井牵引机器人研究的重要意义，通过对大量文献收集整理，深入细致分析了水平井牵引机器人机械系统的国内外研究现状及发展方向，提出了本文主要研究内容。第2 章水平井牵引机器人机械系统设计。分析各种水平井牵引机器人及管9武汉理工大学硕士学位论文道机器人在管道内的运动原理和特点，分析水平井环境对机器人运动方式的特殊要求，通过对各种类型的运动方式对比分析，结合井下环境，确定适应井下环境的最优运动方式，分析讨论水平井牵引机器人机械结构的设计问题。第3 章水平井牵引机器人运动学及动力学分析。针对所设计的牵引机器人机械系统的越障机构和驱动机构，分析机器人的运动学及动力学相关问题。首先
41、，建立机器人在水平井的空间运动方程和力学方程，分析牵引机器人的运动状态和受力状态。然后，考虑到管道通过性的要求，针对机器人的管径适应能力和越障问题，建立了相应越障机构主动调节和被动调节力学模型，对机器人的越障能力进行分析。第4 章水平井牵引机器人计算机仿真。用P r o E 建立牵引机器人的三维模型，并导入到A D A M S 中去建立虚拟样机，进行运动学及动力学仿真，通过A N S Y S 对茵轮齿条机构进行了有限元分析，分析仿真结果，验证方案的可行性，以此为依据对机械结构进行改进。第5 章结论。对本论文的研究成果和创新点进行了总结，对水平井牵引机器人的未来研究工作和发展方向进行了展望。l
42、O武汉理工大学硕士学位论文第2 章水平井牵引机器人机械系统设计水平井牵引机器人工作在水平井下，环境特殊，是管道特种机器人一个新的分支。它的控制主要由地面操作人员来遥控操作，部分操作可以在计算机的自动控制下完成，距离智能化还有很大差距。牵引机器人需要运送装有多种传感器的测井仪器和井下工具进入深度超过千米的水平井，完成对水平井井下环境探测，并进行必要的射孔和打捞等作业。换句话说，水平井牵引机器人实质上是一种移动载体，主要任务是完成对测井仪器和井下工具的运送工作，而不是对环境的识别。这是区别于一般管道机器人的，一般管道机器人往往是单任务的，将对环境识别的检测装置和完成任务的操作装置集成到移动载体上。
43、而水平井牵引机器人是多任务的，有专门的对环境识别的测井仪器，根据每次下井任务的不同所携带的井下工具也不同，因此，水平井牵引机器人不需要集成机器视觉等检测模块，它只需要驱动机构和越障机构组成的机械系统模块，与各种检测模块、控制模块和操作模块有良好的接口，具备较强的管径适应能力和越障能力，这是水平井牵引机器人设计关键，也是判断水平井牵引机器人性能的一个重要指标。2 1 水平井牵引机器人工作环境及总体方案水平井牵引机器人工作环境不同于一般的管道机器入，图2 1 为水平井示意图，井下工作环境恶劣，高温高压，并且要求牵引机器人拖拽距离长，输出力大。然而水平井管道直径小，管径一般为1 1 4 3 m m
44、到1 9 3 6 8 r a m，这大大限制了牵引机器人的外径尺寸，给结构设计带来很大困难。井下油管与普通管道不同，没有9 0。弯管接头，每根油管长约9 米左右，两个油管之间大约偏斜l。，因此为了满足牵引力要求，水平井牵引机器人一般设计为细长结构。在井下每两个油管之间存在接头，不同管径管道之间存在变径，这种复杂环境要求牵引机器人越障能力强，可靠性高，管道通过性好，因此水平井牵引机器人的越障机构成为设计关键部分。水平井牵引机器人机械系统的总体设计综合考虑了机器人的工作效率和使用性能等方面要求，采用了拖缆式设计方案，这是为了满足通信、能源供给的可靠性要求。该方案的优点是：采用拖缆作业方式，牵引机器
45、人的能源可以通武汉理工大学硕士学位论文过电缆供给；各种测井数据和摄像头获取的油井内部工况图像信号可以通过信号线实时传输回地面，便于操作者及时了解井下情况；机器人的运动控制、仪器和工具的远程操作可以通过控制线在线控制；相对于无缆方式信号更加稳定，能源供给可靠易于实现，避免了无缆方式因电池能量耗尽导致的有去无回的事故。该方案的不足之处是由于拖缆距离长使负载增加，对牵引力提出了很高的要求。水平井竖直并、弋、丛婴塑g 型塑1 燮图2 1 水平井示意图水平井牵引机器人的机械系统的设计是最为关键部分，直接影响机器人的性能和技术指标，运动方式的选择以及越障机构和驱动机构的设计是核心问题。首先必须要确定牵引机
46、器人运动方式，对各种管道机器人在管道内运动方式方案进行对比分析，选出最适水平井环境的方案。2 2 牵引机器人管道内运动方式的对比与选择水平井是人类自身无法达到的特殊空间，对于能够在管道内运动的特种机器人运动方式研究已经成为机器人领域的一个新的课题。国内外许多学者对牵引机器人的运动方式进行了广泛的探索与研究，很多探索已经研制出了样机，其中一部分已成功用于工业领域。早期的管道机器入是被动式的，依靠其前后两端流动液体的压力差推动，这种设备简单、实用，但是只能单向运动，有去无回，速度及作业区域不可控，在某种程度上很难称其为机器人，由于不适用于1 2武汉理工大学磺士学位论文水平井，这里不做详细讨论。目前
47、的研究主要是针对具有自主行走能力且运动速度方向可控的主动运动方式，主动运动方式的管道机器人包括蛇行式、多足爬行式、螺旋驱动式、履带式、蠕动式和轮式六类机器人。函盎磷w 甲叶；鬲，k。囝罾幽挺3 崎鬯黟翩螨嘲嘲lll图22 蛇形管内移动机器人通过管道变径(1 0 7 r 5 0】l n)蛇行式管内移动机器人是基于蛇的运动机理开发的一种仿生机器人，固2 2为日本冈山大学的蛇形管道机器人I”】，长度1 1 8 7 m x n，适应管径4 0 m m 一2 2 0 m m 速度4 85 m m s 最大牵引力1 92 N。蛇行式对复杂井下环境具有很好的适应能力，但是结构复杂、控制难于实现、速度慢、牵引
48、力小、携带井下工具能力差，无法完成运送#下T 旦的枰冬图2-3 M O R l T Z”多足爬行管内移动机器人多足爬行式管内移动机器人的运动方式是利用仿生学原理，模仿多足昆虫的爬行方式。图2-3 为德国幕尼黑工业大学的“M O R l T Z 多足爬行管道机器人口I，牵引力为1 5 0 N，长O7 5 m，宽0 6 m，高06 m，最大速度为0 i m s。适应管径范武汉理工大学硕士学位论文围0 6 加_ o 7 m。这种运动方式对管道的适应能力很强，即使是复杂崎岖的管道环境也可以顺利通过，但是结构相当复杂，尺寸过于庞大，控制难于实现，牵引力有限，无法达到水平井牵引机器人的设计要求。图2 4
49、为比利时布鲁塞尔自由大学研制的螺旋驱动式管道机器人(3 7 1，有效载荷为5 N，速度为8 0 m m s，适应管径1 6 3 m m 一1 7 3 m m。螺旋驱动式管内移动机器人由平行于管道轴线运动的防偏转轮系、轴线与管道轴线形成夹角的驱动轮系两部分组成，两部分之间由万向节连接，万向节能够传递扭矩。防偏转轮系具有导向作用，保证机器人不会绕管道轴线旋转，而只能沿着管道轴线运动。驱动轮系主体由驱动电机驱动沿轴线旋转，各驱动轮的运动轨迹是一条沿着管壁的螺旋线，机器人的前进速度是螺旋运动速度在管道轴线方向的分量，螺旋角越小得到的驱动力越大。但是在水平井拖缆作业时存在电缆缠绕问题，而且牵引力小，速度
50、慢，适应管径范围小，不适合在水平井中应用。图2-4 螺旋驱动式管内移动机器人履带式牵引机器人是依靠履带和管道内壁的附着力推动机器人运动的。这种运动方式的可以提供很大的牵引力，具有很强的携带测井仪器和井下工具的能力，能够在水平井内泥泞、油污等恶劣的环境下前进，但其结构复杂，径向尺寸大，因此在狭小的水平井内很难得到应用。蠕动式牵引机器人是一种模仿蚯蚓爬行仿生学机器人，S m a r T r a c t 公司和S c h l u m b e r g e r 公司生产的就是蠕动式牵引机器人，已成功投入到石油勘探开采的生产实际中，哈尔滨工业大学的唐德威等人提出了一种蠕动式水平井牵引机器人1 2 9 1，