智能機(jī)器人技術(shù)

1、鉆完井智能機(jī)器人技術(shù),王國榮,2020/10/7,2,目 錄,1、技術(shù)背景 2、關(guān)鍵問題及難點(diǎn) 3、應(yīng)用前景,3,1 技術(shù)背景,4,智能機(jī)器人技術(shù)在鉆完井工程領(lǐng)域的研究發(fā)展迅猛，依據(jù)作業(yè)環(huán)境可分為：,地面機(jī)器人技術(shù) 井下機(jī)器人技術(shù),地面機(jī)器人系統(tǒng),鉆井機(jī)器人,1.1 地面機(jī)器人技術(shù),5,以Robotic Drilling Systems AS公司的智能鉆井系統(tǒng)（RDS）為例，地面機(jī)器人主要分為：,智能排管機(jī)器人,鉆井平臺(tái)機(jī)器人,機(jī)器人鉆工,起升機(jī)器人,鉆井平臺(tái)機(jī)器人 智能排管機(jī)器人 起升機(jī)器人 機(jī)器人鉆工,1.2 井下機(jī)器人技術(shù),6,井下牽引機(jī)器人Aker Solution-PowerTrac

2、,井下機(jī)器人技術(shù)一般是指在井下或管道中爬行并攜帶作業(yè)裝置完成相關(guān)作業(yè)的機(jī)器人，主要分為兩類：井下牽引機(jī)器人和管道檢測機(jī)器人。,管道檢測機(jī)器人Pipetel-Explorer,目 錄,1、技術(shù)背景 2、關(guān)鍵問題及難點(diǎn) 3、應(yīng)用前景,7,2 關(guān)鍵問題及難點(diǎn),8,與常規(guī)機(jī)器人技術(shù)一樣，作為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)、傳感器、自動(dòng)控制、人機(jī)交互、仿生學(xué)等多個(gè)學(xué)科。因此，機(jī)器人領(lǐng)域中需要研究的問題非常多，而其中感知、定位和控制是機(jī)器人技術(shù)的三個(gè)重要問題。,大驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)研制 極限環(huán)境適應(yīng)性 多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù) 能源供給問題 ,同時(shí)，又因油氣行業(yè)的特殊性，鉆完井智能機(jī)器人面臨著更多的問題

3、，如：,2.1 地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),9,要詳細(xì)描述鉆完井機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵問題，先對(duì)鉆完井機(jī)器人技術(shù)的原理進(jìn)行闡述。,（一）地面機(jī)器人技術(shù)技術(shù)原理,地面機(jī)器人技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相似，通過感知系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將指令傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使多自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成作業(yè)任務(wù)。涉及機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人的雙向交互。 其顯著技術(shù)特征為具備多自由度機(jī)械臂。,2.1 地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),10,（二）地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),（1）環(huán)境感知系統(tǒng),環(huán)境感知系統(tǒng)是機(jī)器人的眼睛，其在結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境中相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，而在室外實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的多樣性、隨機(jī)性、復(fù)雜

4、性以及天氣、光照變化的影響，環(huán)境感知的任務(wù)更復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求更高。其面臨的主要技術(shù)任務(wù)：,多傳感器信息融合 環(huán)境建模,多傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂夾雞蛋夾鉆桿呢？,環(huán)境建模,2.1 地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),11,（二）地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),（2）多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù),鉆井平臺(tái)上的作業(yè)機(jī)器人總是在協(xié)同工作，如起升系統(tǒng)、排管系統(tǒng)和機(jī)器人鉆工協(xié)同完成鉆桿的上卸扣作業(yè)，機(jī)器人需要像人一樣學(xué)會(huì)彼此合作。同時(shí)，為滿足油氣行業(yè)的高安全性需求，需將鉆完井機(jī)器人定義為同步協(xié)作機(jī)器人，涉及到的問題有：,多機(jī)器人系統(tǒng)不同層次的協(xié)調(diào)協(xié)作,體系結(jié)構(gòu)建模 機(jī)器人間通信 合作決策 協(xié)調(diào)控制,混合式體系結(jié)構(gòu),2.1

5、地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),12,（二）地面機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),（3）控制算法,機(jī)械臂具備多個(gè)自由度，作業(yè)時(shí)首先規(guī)劃機(jī)械臂的軌跡，再通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角。理論情況下，按上述計(jì)算得到的關(guān)節(jié)角能夠保證機(jī)械臂軌跡跟蹤，但實(shí)際環(huán)境中存在很多擾動(dòng)，需要對(duì)關(guān)節(jié)角進(jìn)行反饋校正，保證穩(wěn)定性，這又涉及到穩(wěn)定控制算法。,一種基于視覺的機(jī)械臂空間目標(biāo)抓取算法研究,2.2 井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),13,（一）井下機(jī)器人技術(shù)原理,井下機(jī)器人技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人差異性大，其作業(yè)目的不再聚焦在物體的抓取和移動(dòng)上。 井下機(jī)器人通常由行走裝置和作業(yè)裝置組成，通過行走裝置在井下或管道內(nèi)行走，抵達(dá)作業(yè)地點(diǎn)

6、后，通過不同的作業(yè)裝置完成檢測、測量、清理、焊接、牽引、鉆井等任務(wù)。,檢測機(jī)器人,焊接機(jī)器人,鉆井機(jī)器人,2.2 井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),14,（二）井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),井下機(jī)器人在行走過程中，必須面臨彎道、障礙、管徑變化等問題，因此精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制是保障行走能力的基礎(chǔ)。,（1）運(yùn)動(dòng)控制,過彎能力 越障能力 管徑適應(yīng)性 速度調(diào)節(jié) 大牽引力,管道機(jī)器人過彎,2.2 井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),15,（二）井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),井下或管道中通常具備惡劣的工況，一方面高溫、高壓、高腐蝕性對(duì)機(jī)器人硬件設(shè)施提出嚴(yán)峻考驗(yàn)，另一方面復(fù)雜的地理環(huán)境往往要求機(jī)器人具備較小的體積參數(shù)，矛盾

7、的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況使得井下機(jī)器人的研制困難重重。,（2）極限環(huán)境適應(yīng)性,隨著鉆井進(jìn)尺和管道長度的增加，對(duì)機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間和里程提出更高的要求，意味著傳統(tǒng)的拖纜式供能方式不再使用。同時(shí)更多作業(yè)裝置的使用要求能源供給系統(tǒng)需具備大功率、大容量的特性。,（3）能源供給,2.2 井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),16,（二）井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),井下作業(yè)往往意味著高風(fēng)險(xiǎn)高成本，若下井或進(jìn)入管道的機(jī)器人在作業(yè)時(shí)發(fā)生故障或卡堵將造成巨大損失，因此井下機(jī)器人的可靠性要求高，一方面體現(xiàn)在低故障率，另一方面體現(xiàn)為井下機(jī)器人需具備自救能力。,（4）高可靠性要求,一種防卡堵井下牽引器結(jié)構(gòu),正向自鎖、反向解鎖,2

8、.2 井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),17,（二）井下機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵問題及難點(diǎn),由于油氣井深度和地層干擾等原因，GPS等應(yīng)用廣泛的定位技術(shù)不能適配在井下作業(yè)和管道檢測中。目前在井深測量通常通過讀取鉆桿長度實(shí)現(xiàn)，管道檢測里程通常采用里程輪記錄實(shí)現(xiàn)。,（5）自主定位,近年來， 一種在確定自身位置的同時(shí)構(gòu)造環(huán)境模型的方法，被用來解決機(jī)器人定位問題。是否具備同步建模與定位的能力被許多人認(rèn)為是機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)自主的關(guān)鍵前提條件。,基于SLAM技術(shù)的自主定位與導(dǎo)航,基于SLAM技術(shù)的 自主定位與導(dǎo)航,3 應(yīng)用前景,18,隨著世界范圍內(nèi)油氣管道里程數(shù)的上升，可預(yù)見未來管道檢測的重要性。以美國為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)從199

9、4年到2013年，發(fā)生重大事故941起，導(dǎo)致363人死亡、1392人受傷和8億美元的財(cái)產(chǎn)損失。 目前，國外對(duì)管道檢測機(jī)器人的研究較為領(lǐng)先，擁有眾多成熟產(chǎn)品，時(shí)刻為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。,Diakont管道檢測機(jī)器人,Rosen管道檢測機(jī)器人,KTN清管機(jī)器人,管道檢測作業(yè),19,油氣井的鉆井深度和水平段長度的增加，井下工具下入困難的問題日益突出，井下牽引器的運(yùn)用將有效節(jié)約作業(yè)成本。,3 應(yīng)用前景,Welltec-Well Tractor,Aker Solution-PowerTrac,Smart Completions-Smar Tract,Omega-Catapult,3 應(yīng)用前景,20,地面機(jī)器人技術(shù)的運(yùn)用解放了平臺(tái)作業(yè)工人，增加了作業(yè)安全性和效率，國內(nèi)外相關(guān)研究目前正在進(jìn)行中。以Robotic Drilling System AS公司為代表對(duì)地面鉆井機(jī)器人系統(tǒng)展開了深入研究，