关于智能钻井钻头打捞机器人的研究与设计

邹冰倩

重庆电子工程职业学院 智能制造与汽车学院 重庆 401331

1 绪论

在大型建筑工程的初始阶段，打桩是非常关键的任务。但是在实际工作中，由于地质、机械和施工等原因造成钻头、钻杆掉落的情况时有发生。在钻头掉落后，桩基的位置由于建筑设计、承重等工程原因不能进行随意改变，因而钻头掉落后如不打捞，造成的损失不只包含钻头本身的价值，还会使整个工程规划推倒重来，即使重来，打捞所需的金额也十分昂贵，且非常危险。因此，在实际施工过程中只有想尽一切办法将钻头打捞出来，才能最大程度的减少损失[1]。

钻头打捞方法根据事故的情况而不同。有时候需要找专业人员（常常被人们称作“水鬼”）下潜进桩洞，将钢丝绳穿过钻头并固定，然后将钻头打捞出来。由于桩洞内部充满了泥浆，使打捞人员的视觉和听觉完全受阻，只能依靠触觉进行摸索和打捞，因此在桩洞内的活动也需要消耗巨大的体力，使打捞作业异常艰难。除此之外，桩孔四周的土质非常不稳定，打捞不当容易造成塌方。而一旦桩孔出现塌方，打捞人员的生命将会受到严重威胁。因此，为了降低打捞风险，本文对智能钻井钻头打捞机器人进行研究和设计来代替“水鬼”这一高危职业[2]。

2 现状分析

目前，市面上人工打捞钻头的设备一般分为装载了呼吸装置的头盔和帮助下沉的配重，辅助的打捞工具包括可退式卡瓦打捞筒、打捞公锥、异形接头、套铣管、安全接头、反循环强磁打捞器等，在人工潜水员进行钻头打捞时起到净化井底、清除水泥砂石等辅助作用。但是，采用当前人工打捞的方式仍然存在着效率低，时间久，风险高，稍不注意打捞人员的生命就会受到威胁等严重问题，所以本文对最适合该环境的抓取机器——智能钻井钻头打捞机器人进行研究与设计。

3 智能钻井钻头打捞机器人设计

经过多地的实地考察，结合工业潜水员的作业经验以及目前存在的问题，提出了钻井钻头打捞的智能机器人的研究与设计内容。智能钻井钻头打捞机器人可以替代人工完成一系列的钻头打捞工作，可以更精确、更低成本的打捞钻头，实现高效率作业。

智能钻井钻头打捞机器人主要分为传送系统、水平移动系统、夹取系统、声呐检测系统、控制系统5个部分[3]。

（1）传送系统。传送机构是由高强度材料制成的履带结构，采用两个防水电机驱动，在高强度履带上焊接方形固定夹。当机器与钻头对接成功后，履带移动到圆弧位置，夹子打开，从而使抓取机构脱离载体。在履带圆弧处装有限位开关使机器知晓夹子移动到位，同时内壁装有接触开关，检测夹子是否已经顺利滑落。

（2）水平移动系统。水平移动装置是由4个防水电机铰接在同一平面，电机同时与顶杆连接，可以实现在水平面内围绕中心的全方位移动。在检测物体后，给控制器信号，再由控制器给推动装置信号，使机器与钻头凸台进行对接。

（3）夹取系统。夹取系统由结构框架、活动框架和钢缆构成，结构框架上设有导轨，起到固定活动框架的作用。活动框架由4根可移动的活塞构成。钢缆与套在光轴上面的法兰轴承进行三角形连接，从而构成完整的抓取机构。当夹取机构落到方形凸台下方时，钢缆给予拉力，通过机构将拉力转换为压力，将凸台下端夹紧，实现抓取动作。

（4）声呐检测系统。检测装置由声呐和金属检测组成，当声波传到物体表面时，根据不同物体之间的折回率的不同，生成对应图像；金属检测作为声波检测的辅助装置，进行点阵成像；将金属的电位成像数据与声波检测数据进行对比，当相似度达到预设值后，进行图像对比，匹配到相应情况后再执行相应的移动或打捞动作[4]。

（5）控制系统。控制装置分为水下控制和旋挖机控制。当需要调整机器上下位置时，水下控制部分给旋挖机信号，拉紧绳索，实现机器上下移动。所有结构均采用铝合金密封舱，使机器的极限工作深度能达到水下300米，机器中的所有连接均采用水下专用连接头，实现线路之间的无缝连接。

（6）工作方式。在打捞时，将旋挖机护绳与机器的钢丝绳连接，通过钢丝绳实现机器的垂直下落。当下降到一定位置时，声呐装置的检测装置会检测到物体并反馈成像，操作人员给水平移动装置移动指令，使装置位于掉落钻头的正上方。导轨向下运动带动活动框架到达指定位置，上方给予钢绳拉力，通过钢绳和三角形结构将拉力转换为对钻头的压力，从而实现抓取动作。抓取结束后，通过护绳将机器和钻头拉至地面。

4 智能钻井钻头打捞机器人特点

（1）在机器结构上，采用镂空设计，减少机器在桩洞内下降时的阻碍，使其尽可能保持直线平稳下降。

（2）在控制系统中，采用声呐检测和金属检测双检测联合作用，大大降低机器判断失误的概率，同时防止机器碰壁、损坏，并实现对突发情况的紧急处理功能。

（3）执行机构上，抓取机构是全机械结构，能有效完成抓取动作[5]。

5 结束语

智能钻井钻头打捞机器人结构完善，能实现自动化控制，缩短打捞时间，避免了人工打捞的高风险性，具有非常重大的实用价值，同时在自动化控制过程中，操作便捷，可靠性高，风险率小，并且顺应国家战略，未来拥有巨大的发展前景。