一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人

本发明涉及海洋油气工程装备与机器人，特别涉及一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人。

背景技术：

1、在深水油气钻井作业中，隔水管系统用于连接海上浮式钻井平台与海底井口，承担隔离外部海水、支撑控制管线以及形成钻井液循环通道等功能。隔水管系统通常由多段隔水管管体通过端部法兰以及螺栓、螺母、垫片等紧固件连接而成，法兰连接质量直接影响隔水管系统的密封可靠性、结构安全性以及后续钻井作业的稳定性。

2、目前，海上钻井平台隔水管法兰装配主要采用起重机吊装与人工现场操作相配合的方式。作业时，吊机将隔水管管体吊运至对接位置，作业人员在平台甲板上完成法兰对中、螺栓孔确认、螺栓与垫片拾取、螺栓穿装、拧紧以及力矩核验等操作。由于隔水管管体及法兰紧固件尺寸大、质量大，人工装配劳动强度高，且存在挤压、碰撞、夹伤和高空坠落等安全风险。同时，海上平台存在波浪引起的晃动、盐雾、弱光、潮湿等复杂环境，进一步增加了装配难度和安全风险。

3、现有工业机器人视觉抓取技术多面向尺寸较小、质量较轻、摆放规则或能够定向供料的零件，且通常应用于陆地工厂中具有稳定光照和刚性基准的工位。隔水管法兰装配所使用的大尺寸螺栓具有长度长、质量大、表面易反光或附着油污等特点，在海上平台弱光、盐雾反光和平台振动条件下，普通二维视觉难以准确获取螺栓的三维位置、轴线姿态和可抓取区域。此外，隔水管法兰螺栓孔通常沿法兰圆周分布，法兰本身可能存在装配偏差、角度偏差和局部遮挡，机械臂难以仅依据预设坐标完成装配，而需要根据视觉识别结果实时修正运动轨迹和末端姿态，以实现螺栓与螺栓孔的对位、导向和扶正。

4、目前，在海上钻井平台隔水管法兰装配领域，尚缺少将机器人本体、立体视觉感知系统以及法兰自动装配流程进行一体化集成的专用装备，现有装配方式难以满足高精度定位、稳定抓取、柔性对位和持续作业的要求。

5、因此，需要一种能够适应海上平台复杂环境、可自主完成隔水管法兰螺栓装配的自动化机器人。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，以解决上述背景技术中提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，包括承载基体机构、执行作业机构、视觉感知机构、紧固件供料机构、夹持机构和控制系统；

3、所述承载基体机构包括固定圆盘底座；

4、所述固定圆盘底座上设有所述执行作业机构，所述执行作业机构的末端设有所述夹持机构，所述执行作业机构的末端还集成设有所述视觉感知机构，所述固定圆盘底座上还固定设有所述紧固件供料机构；

5、所述控制系统包括控制器，所述控制器与所述视觉感知机构、所述执行作业机构、所述夹持机构和所述紧固件供料机构通信连接。

6、优选的，所述执行作业机构包括第一六轴机械臂和第二六轴机械臂，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂对称安装于所述固定圆盘底座上。

7、优选的，所述夹持机构为两指机械手；所述夹持机构设置有夹持力检测元件、夹持到位检测元件和防掉落检测装置中的至少一种。

8、优选的，所述视觉感知机构包括第一深度双目相机和第二深度双目相机，所述第一深度双目相机设置于所述第一六轴机械臂的末端，所述第二深度双目相机设置于所述第二六轴机械臂的末端。

9、优选的，所述紧固件供料机构包括两个紧固件料盒，两个所述紧固件料盒分别设置于所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂在所述固定圆盘底座上的安装位置旁侧，所述紧固件料盒内放置有若干螺栓。

10、优选的，所述固定圆盘底座的中心区域放置有待装配隔水管管件，所述隔水管管件设有法兰，所述法兰上设有若干螺栓孔，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂配置为依靠自身多自由度运动覆盖整圈所述螺栓孔位置。

11、一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配方法，包括以下步骤：

12、s1、通过所述视觉感知机构获取隔水管法兰和法兰螺栓孔的图像信息和深度信息；根据所述螺栓孔的图像信息和深度信息，识别所述法兰的中心位置和姿态、所述螺栓孔的位置以及所述螺栓孔轴线方向，并将识别结果转换至机器人基坐标系或统一装配坐标系；

13、s2、通过所述视觉感知机构获取螺栓的三维空间信息，并结合预存螺栓模型确定所述螺栓的轴线方向、重心位置和可夹持区域；

14、s3、通过所述视觉感知机构获取所述螺栓周围物体的三维位置信息，规划所述夹持机构的接近方向、夹持位置、夹持深度和退出路径；

15、s4、控制所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂协同完成取料、抓取、姿态调整、螺栓孔对位、预装和拧紧，并对所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂进行避碰控制；

16、s5、根据视觉识别结果实时修正所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂的运动轨迹和末端姿态，使所述螺栓的轴线与所述螺栓孔的轴线保持一致，并在所述螺栓插入过程中实现对位、导向和扶正。

17、优选的，当所述夹持力检测元件检测到夹持力不足、所述防掉落检测装置检测到所述螺栓滑移、或所述夹持到位检测元件检测到所述螺栓未处于预定夹持位置时，所述控制器控制所述第一六轴机械臂或所述第二六轴机械臂停止输送并重新进行视觉识别和抓取。

18、优选的，所述控制器记录所述螺栓的位置信息和拧紧参数信息；根据所述第一深度双目相机和所述第二深度双目相机采集的图像信息和深度信息，对所述机器人基坐标系或统一装配坐标系进行动态修正，使所述机器人适用于海上钻井平台盐雾、弱光和平台扰动环境。

19、优选的，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂按照预设作业顺序协同作业，当预测到两个机械臂可能发生干涉时，所述控制器调整其中一个机械臂的运动轨迹或暂停等待。

20、因此，本发明提供一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人具有以下有益效果：通过将两台六轴机械臂对称布置于固定圆盘底座，并在机械臂末端集成深度双目相机和夹持机构，使机器人能够覆盖隔水管法兰整圈螺栓孔位，并在同一工位完成取料、抓取、对孔和拧紧作业，减少了法兰装配过程中的人员近距离介入。

21、利用深度双目相机获取法兰、螺栓孔和螺栓的三维信息，结合预存螺栓模型确定螺栓的轴线方向、重心位置和可夹持区域，并据此规划避障抓取路径，有助于提高大尺寸螺栓抓取的稳定性和螺栓孔对位的准确性。

22、通过夹持力检测、夹持到位检测和防掉落检测，能够在夹持异常时及时停止输送并重新识别抓取，降低螺栓滑落、偏转或与周边物体发生干涉的风险。

23、通过双机械臂协同避碰、轨迹实时修正以及装配坐标系动态修正，能够适应海上平台盐雾、弱光和平台扰动环境，并使螺栓位置和拧紧参数便于记录和追溯。

1.一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：包括承载基体机构、执行作业机构、视觉感知机构、紧固件供料机构、夹持机构和控制系统；

2.根据权利要求1所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：所述执行作业机构包括第一六轴机械臂和第二六轴机械臂，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂对称安装于所述固定圆盘底座上。

3.根据权利要求2所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：所述夹持机构为两指机械手；所述夹持机构设置有夹持力检测元件、夹持到位检测元件和防掉落检测装置中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：所述视觉感知机构包括第一深度双目相机和第二深度双目相机，所述第一深度双目相机设置于所述第一六轴机械臂的末端，所述第二深度双目相机设置于所述第二六轴机械臂的末端。

5.根据权利要求4所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：所述紧固件供料机构包括两个紧固件料盒，两个所述紧固件料盒分别设置于所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂在所述固定圆盘底座上的安装位置旁侧，所述紧固件料盒内放置有若干螺栓。

6.根据权利要求5所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：所述固定圆盘底座的中心区域放置有待装配隔水管管件，所述隔水管管件设有法兰，所述法兰上设有若干螺栓孔，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂配置为依靠自身多自由度运动覆盖整圈所述螺栓孔位置。

7.一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配方法，基于权利要求6所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配机器人，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配方法，其特征在于：还包括：当所述夹持力检测元件检测到夹持力不足、所述防掉落检测装置检测到所述螺栓滑移、或所述夹持到位检测元件检测到所述螺栓未处于预定夹持位置时，所述控制器控制所述第一六轴机械臂或所述第二六轴机械臂停止输送并重新进行视觉识别和抓取。

9.根据权利要求7所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配方法，其特征在于：还包括：所述控制器记录所述螺栓的位置信息和拧紧参数信息；根据所述第一深度双目相机和所述第二深度双目相机采集的图像信息和深度信息，对所述机器人基坐标系或统一装配坐标系进行动态修正，使所述机器人适用于海上钻井平台盐雾、弱光和平台扰动环境。

10.根据权利要求7所述的一种海上钻井平台隔水管法兰自动装配方法，其特征在于：在步骤s4中，所述第一六轴机械臂和所述第二六轴机械臂按照预设作业顺序协同作业，当预测到两个机械臂可能发生干涉时，所述控制器调整其中一个机械臂的运动轨迹或暂停等待。