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1、20160328智能机器人技术Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab for Oil&Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab for Oil&Gas EquipmentsModern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments1.2 井下机器人
2、技术井下井下井下井下牵牵牵牵引机器人引机器人引机器人引机器人Aker Solution-PowerTracAker Solution-PowerTrac 井下机器人技术一般是指在井下或管道中爬行并携带作业装置完成相关作业的机器人，主要分为两类：井下牵引机器人和管道检测机器人。管道管道管道管道检测检测检测检测机器人机器人机器人机器人Pipetel-ExplorerPipetel-Explorer6Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments目 录1、技术背景2、关键问题及难点3、应用前景7Modern Design and Sim
3、ulation Lab for Oil&Gas Equipments2 关键问题及难点 与常规机器人技术一样，作为一门多学科交叉的技术，涉及到与常规机器人技术一样，作为一门多学科交叉的技术，涉及到机械设计、计算机、传感器、自动控制、人机交互、仿生学等多个机械设计、计算机、传感器、自动控制、人机交互、仿生学等多个学科。因此，机器人领域中需要研究的问题非常多，而其中学科。因此，机器人领域中需要研究的问题非常多，而其中感知感知、定位定位和和控制控制是机器人技术的三个重要问题。是机器人技术的三个重要问题。大驱动力系统研制极限环境适应性多机器人协同控制技术能源供给问题 同时，又因油气行业的特殊性，钻完井
4、智能机器人面临着更多同时，又因油气行业的特殊性，钻完井智能机器人面临着更多的问题，如：的问题，如：8Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.1 地面机器人技术关键问题及难点 要详细描述钻完井机器人技术的关键问题，先对钻完井机器人要详细描述钻完井机器人技术的关键问题，先对钻完井机器人技术的原理进行阐述。技术的原理进行阐述。（一）地面机器人技术技术原理（一）地面机器人技术技术原理 地面机器人技术与工业机器人地面机器人技术与工业机器人相似，通过相似，通过感知系统感知系统采集数据，通采集数据，通过过控制系统控制系统对数据进行分析
5、处理，对数据进行分析处理，并将指令传给并将指令传给驱动系统驱动系统，使，使多自由多自由度机械结构度机械结构运转，完成作业任务。运转，完成作业任务。涉及机器人与环境、机器人与人的涉及机器人与环境、机器人与人的双向交互双向交互。其显著技术特征为具备其显著技术特征为具备多自由多自由度机械臂度机械臂。9Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.1 地面机器人技术关键问题及难点（二）地面机器人技术关键问题及难点（二）地面机器人技术关键问题及难点（1 1）环境感知系统）环境感知系统 环境感知系统是机器人的眼睛，其在环境感知系统是机器人
6、的眼睛，其在结构化的室内环境结构化的室内环境中相关中相关技术相对成熟，而在技术相对成熟，而在室外实际应用室外实际应用中，由于中，由于环境环境的多样性、随机性、的多样性、随机性、复杂性以及复杂性以及天气天气、光照光照变化的影响，环境感知的任务更复杂，实时变化的影响，环境感知的任务更复杂，实时性要求更高。其面临的主要技术任务：性要求更高。其面临的主要技术任务：多传感器信息融合环境建模多传感器技术实现机械臂夹鸡蛋夹钻杆呢？环境建模10Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.1 地面机器人技术关键问题及难点（二）地面机器人技术关
7、键问题及难点（二）地面机器人技术关键问题及难点（2 2）多机器人协同控制技术）多机器人协同控制技术 钻井平台上的作业机器人总是在钻井平台上的作业机器人总是在协同工作协同工作，如起升系统、排管，如起升系统、排管系统和机器人钻工协同完成钻杆的上卸扣作业，机器人需要像人一系统和机器人钻工协同完成钻杆的上卸扣作业，机器人需要像人一样学会彼此合作。同时，为满足油气行业的样学会彼此合作。同时，为满足油气行业的高安全性需求高安全性需求，需将钻，需将钻完井机器人定义为完井机器人定义为同步协作机器人同步协作机器人，涉及到的问题有：，涉及到的问题有：多机器人系统不同层次的协调协作体系结构建模机器人间通信合作决策协
8、调控制混合式体系结构11Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.1 地面机器人技术关键问题及难点（二）地面机器人技术关键问题及难点（二）地面机器人技术关键问题及难点（3 3）控制算法）控制算法 机械臂具备机械臂具备多个自由度多个自由度，作业时首先规划机械臂的轨迹，再通，作业时首先规划机械臂的轨迹，再通过机器人运动学求解各个关节的过机器人运动学求解各个关节的旋转角旋转角。理论情况下，按上述计算。理论情况下，按上述计算得到的关节角能够保证机械臂得到的关节角能够保证机械臂轨迹跟踪轨迹跟踪，但实际环境中存在很多，但实际环境中存在
9、很多扰扰动动，需要对关节角进行，需要对关节角进行反馈校正反馈校正，保证稳定性，这又涉及到，保证稳定性，这又涉及到稳定控稳定控制算法制算法。一种基于视觉的机械臂空间目标抓取算法研究12Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.2 井下机器人技术关键问题及难点（一）井下机器人技术原理（一）井下机器人技术原理 井下机器人技术与工业机器人差异性大，其作业目的不再聚焦井下机器人技术与工业机器人差异性大，其作业目的不再聚焦在物体的抓取和移动上。在物体的抓取和移动上。井下机器人通常由井下机器人通常由行走装置行走装置和和作业装置作业装置组
10、成，通过行走装置在组成，通过行走装置在井下或管道内行走，抵达作业地点后，通过不同的作业装置完成井下或管道内行走，抵达作业地点后，通过不同的作业装置完成检检测、测量、清理、焊接、牵引、钻井测、测量、清理、焊接、牵引、钻井等任务。等任务。检测机器人焊接机器人钻井机器人13Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.2 井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点 井下机器人在行走过程中，必须面临井下机器人在行走过程中，必须面临弯道、障碍、管径变化弯道、障碍、管径变化等等问题，因
11、此精准的运动控制是保障问题，因此精准的运动控制是保障行走能力行走能力的基础。的基础。（1 1）运动控制）运动控制过弯能力越障能力管径适应性速度调节大牵引力管道机器人过弯14Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.2 井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点 井下或管道中通常具备恶劣的工况，一方面井下或管道中通常具备恶劣的工况，一方面高温、高压、高腐高温、高压、高腐蚀性蚀性对机器人对机器人硬件设施硬件设施提出严峻考验，另一方面复杂的地理环境往提出严峻考验，另一方面复杂
12、的地理环境往往往要求机器人具备较小的体积参数要求机器人具备较小的体积参数，矛盾的，矛盾的设计要求设计要求和和实际工况实际工况使使得井下机器人的研制困难重重。得井下机器人的研制困难重重。（2 2）极限环境适应性）极限环境适应性 随着随着钻井进尺钻井进尺和和管道长度管道长度的增加，对机器人的的增加，对机器人的作业时间和里程作业时间和里程提出更高的要求，意味着传统的提出更高的要求，意味着传统的拖缆式供能拖缆式供能方式不再使用。同时更方式不再使用。同时更多作业装置的使用要求能源供给系统需具备多作业装置的使用要求能源供给系统需具备大功率、大容量大功率、大容量的特性。的特性。（3 3）能源供给）能源供给1
13、5Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.2 井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点 井下作业往往意味着高风险高成本，若下井或进入管道的机器井下作业往往意味着高风险高成本，若下井或进入管道的机器人在作业时发生人在作业时发生故障或卡堵故障或卡堵将造成巨大损失，因此井下机器人的可将造成巨大损失，因此井下机器人的可靠性要求高，一方面体现在靠性要求高，一方面体现在低故障率低故障率，另一方面体现为井下机器人，另一方面体现为井下机器人需具备需具备自救能力自救能力。（4 4）高
14、可靠性要求）高可靠性要求一种防卡堵井下牵引器结构正向自锁、反向解锁16Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments2.2 井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点（二）井下机器人技术关键问题及难点 由于油气井深度和地层干扰等原因，由于油气井深度和地层干扰等原因，GPSGPS等应用广泛的定位技术不能等应用广泛的定位技术不能适配在井下作业和管道检测中。目前在井深测量通常通过适配在井下作业和管道检测中。目前在井深测量通常通过读取钻杆长度读取钻杆长度实实现，管道检测里程通常采用现，管道检测里程通常采用里程轮里程轮记
15、录实现。记录实现。（5 5）自主定位）自主定位 近年来，近年来，一种在确定一种在确定自身位置自身位置的同时的同时构造环境模型构造环境模型的方法，被用来解的方法，被用来解决机器人定位问题。是否具备决机器人定位问题。是否具备同步建模与定位同步建模与定位的能力被许多人认为是机器的能力被许多人认为是机器人能否人能否实现自主实现自主的关键前提条件。的关键前提条件。基于SLAM技术的自主定位与导航基于SLAM技术的自主定位与导航17Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments3 应用前景 随着世界范围内随着世界范围内油气管道里程数油气管道里
16、程数的上升，可预见未来的上升，可预见未来管道检测管道检测的重要性。以美国为例，据统计从的重要性。以美国为例，据统计从19941994年到年到20132013年，发生重大事年，发生重大事故故941941起，导致起，导致363363人死亡、人死亡、13921392人受伤和人受伤和8 8亿美元的财产损失。亿美元的财产损失。目前，国外对管道检测机器人的研究较为领先，拥有众多成熟目前，国外对管道检测机器人的研究较为领先，拥有众多成熟产品，时刻为企业带来巨大的经济效益。产品，时刻为企业带来巨大的经济效益。DiakontDiakont管道管道管道管道检测检测检测检测机器人机器人机器人机器人RosenRose
17、n管道管道管道管道检测检测检测检测机器人机器人机器人机器人KTNKTN清管机器人清管机器人清管机器人清管机器人管道管道管道管道检测检测检测检测作作作作业业业业18Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments 油气井的油气井的钻井深度和水平段长度钻井深度和水平段长度的增加，井下工具的增加，井下工具下入困难下入困难的问题日益的问题日益突出，井下牵引器的运用将有效突出，井下牵引器的运用将有效节约作业成本。节约作业成本。3 应用前景Welltec-Well TractorWelltec-Well TractorAker Solution
18、-PowerTracAker Solution-PowerTracSmart Completions-Smar TractSmart Completions-Smar TractOmega-CatapultOmega-Catapult19Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments3 应用前景 地面机器人技地面机器人技地面机器人技地面机器人技术术术术的运用解放了平台作的运用解放了平台作的运用解放了平台作的运用解放了平台作业业业业工人，增加了作工人，增加了作工人，增加了作工人，增加了作业业业业安全安全安全安全性和效率，国内外相关研
19、究目前正在性和效率，国内外相关研究目前正在性和效率，国内外相关研究目前正在性和效率，国内外相关研究目前正在进进进进行中。以行中。以行中。以行中。以Robotic Drilling Robotic Drilling System ASSystem AS公司公司公司公司为为为为代表代表代表代表对对对对地面地面地面地面钻钻钻钻井机器人系井机器人系井机器人系井机器人系统统统统展开了深入研究，同展开了深入研究，同展开了深入研究，同展开了深入研究，同时时时时以以以以Badger ExplorerBadger Explorer公司公司公司公司为为为为代表代表代表代表对对对对井下探井下探井下探井下探测测测测井
20、井井井钻钻钻钻井机器人系井机器人系井机器人系井机器人系统统统统展开了展开了展开了展开了深入研究，两公司将深入研究，两公司将深入研究，两公司将深入研究，两公司将陆续陆续陆续陆续推出成熟推出成熟推出成熟推出成熟产产产产品。品。品。品。RDS钻井平台机器人作业现场Budger探测井钻井机器人作业现场20Modern Design and Simulation Lab for Oil&Gas Equipments请各位专家提出宝贵意见建议请各位专家提出宝贵意见建议!刘清友教授刘清友教授 13880551889 13880551889 王国荣教授王国荣教授 13981938089 13981938089 21此此课件下件下载可自行可自行编辑修改，修改，仅供参考！供参考！感感谢您的支持，我您的支持，我们努力做得更好！努力做得更好！谢谢!