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        海上油田專用機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制仿真

        2022-10-09 11:18:24
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年13期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械作業(yè)

        石 鵬

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

        0 引言

        近年來,隨著海底石油探明儲(chǔ)量的不斷增加,海上油田進(jìn)入了快速建設(shè)和高速發(fā)展階段。對海上油田的石油開采及其他作業(yè),工業(yè)機(jī)器人更是完成作業(yè)、提升效率的關(guān)鍵。但因?yàn)楹I嫌吞锖完懙赜吞锎嬖谳^大的差異,石油開采及其他作業(yè)的完成也有別于陸地油田,這就使已經(jīng)研發(fā)成功并且使用廣泛的陸地油田工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化機(jī)械臂無法直接應(yīng)用于海上油田。為此,該文針對海上油田的技術(shù)要求,提出一種專用機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證其控制效果。

        1 海上油田專用機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1.1 專用機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需求

        石油開采的過程是原油抽取的過程,隨著原油的不斷抽取,油田儲(chǔ)油區(qū)域會(huì)出現(xiàn)地下中空層。這不僅會(huì)導(dǎo)致塌陷的危險(xiǎn),還會(huì)因?yàn)閴毫Σ蛔銓?dǎo)致后續(xù)原有抽取的困難。因此,石油開采的過程都隨著注水作業(yè),以填充原油抽取后的中空區(qū)域。這一點(diǎn)對海上油田同樣適用。但是受到物力性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的制約,海上油田抽油后中空區(qū)域不能直接用海水填充,仍需用淡水填充。所以,在一定的作業(yè)周期內(nèi)會(huì)有輪渡船承載水罐車到達(dá)油田作業(yè)平臺(tái),提供填充所需的淡水。

        水罐車自身具有特定的車身高度,同時(shí)出水口設(shè)置在罐車上方,需要機(jī)械臂末端對準(zhǔn)上方出水口才能完成抽水作業(yè)。從抽水作業(yè)過程來看,該文的專用機(jī)械臂需要利用液壓傳動(dòng)的方式,在液壓馬達(dá)提供的動(dòng)力下,通過鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)將機(jī)械臂末端送到水罐車出水口上方15 cm左右的位置。這一前期準(zhǔn)備工作之所以保持15 cm的距離,是因?yàn)橐_保機(jī)械臂與水罐車車體不發(fā)生直接碰撞。當(dāng)抽水作業(yè)開始后,機(jī)械臂末端應(yīng)能將抽水導(dǎo)管下放到水罐車頁面下45 cm左右的位置,以確保有效抽水。

        抽水作業(yè)的特定要求也直接影響了專用機(jī)械臂各關(guān)節(jié)、各主要部件的動(dòng)作范圍,這也直接形成了對專用機(jī)械臂參數(shù)設(shè)計(jì)需求,見表1。

        1.2 專用機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)表1給出的海上油田專用機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)功能主要部件和參數(shù)需求,該文給出大致的設(shè)計(jì)簡圖,如圖1所示。

        表1 專業(yè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)參數(shù)需求

        從圖1可以看出,為了滿足設(shè)計(jì)需求,該文給出了底部回轉(zhuǎn)部件、支架、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂等部件,支架、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂4個(gè)部件之間的連接,則通過3個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

        圖1 海上油田專業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)簡圖

        從圖1可以看出,這個(gè)機(jī)械臂中包括3個(gè)臂支、1個(gè)支架和1個(gè)回轉(zhuǎn)部件。執(zhí)行臂和枝干臂之間、枝干臂和主干臂之間、主干臂和支架之間都是通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接,形成了3個(gè)自由度。底部回轉(zhuǎn)部件本身也可以做360度的整周回轉(zhuǎn),這又是一個(gè)自由度。執(zhí)行臂在操作過程中可以自帶一個(gè)自由度用于完成抓取、提拉與抽水等動(dòng)作。這樣疊加在一起,海上油田專用機(jī)械臂一共包括5個(gè)自由度。

        考慮服務(wù)于該文關(guān)聯(lián)海上油田水罐車的細(xì)致參數(shù),車體總寬度2.8 m,車體總高度3.6 m,水罐總深度2.2 m,上方出水口距離車體左、右兩側(cè)為1.4 m。再考慮機(jī)械臂作業(yè)時(shí)與車體的安全距離不小于0.5 m,結(jié)合功能要求和作業(yè)空間要求,最終設(shè)計(jì)出的主干臂長度為1.5 m,枝干臂長度為1.4 m,執(zhí)行臂長度為0.5 m。最終設(shè)計(jì)出的海上油田專用機(jī)械臂的三維仿真模型如圖2所示。

        2 海上油田專用機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        根據(jù)圖2可以得到底部回轉(zhuǎn)部件、支架、主干臂、枝干臂以及執(zhí)行臂具體的參數(shù),為了驗(yàn)證其是否可以達(dá)到正常的作用空間要求,對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

        圖2 海上油田專用機(jī)械臂的三維仿真設(shè)計(jì)結(jié)果

        因支架固定于底部回轉(zhuǎn)部件上,因此將二者看成一個(gè)整體,綜合考慮這樣幾個(gè)參數(shù):底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的旋轉(zhuǎn)角度、底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的總體質(zhì)量以及底部回轉(zhuǎn)部件連同支架的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

        對主干臂,考慮這樣幾個(gè)參數(shù):主干臂的旋轉(zhuǎn)角度、主干臂的總體質(zhì)量和主干臂的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對枝干臂,考慮這樣幾個(gè)參數(shù):枝干臂的旋轉(zhuǎn)角度、枝干臂的總體質(zhì)量和枝干臂的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對執(zhí)行臂,考慮這樣幾個(gè)參數(shù):執(zhí)行臂的旋轉(zhuǎn)角度、執(zhí)行臂的總體質(zhì)量和執(zhí)行臂的總體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

        再考慮:底部回轉(zhuǎn)部件回轉(zhuǎn)中心到主干臂回轉(zhuǎn)中心的距離、主干臂質(zhì)心到主干臂回轉(zhuǎn)中心的距離、主干臂質(zhì)心到枝干臂質(zhì)心的距離、執(zhí)行臂回轉(zhuǎn)中心到枝干臂質(zhì)心的距離、執(zhí)行臂回轉(zhuǎn)中心到執(zhí)行臂質(zhì)心的距離以及枝干臂最大的移動(dòng)距離。

        忽略掉機(jī)械臂在整個(gè)作業(yè)時(shí)間窗內(nèi)的能量損失,構(gòu)建整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,聯(lián)合表達(dá)形式如公式(1)、公式(2)和公式(3)所示。

        式中:參數(shù)為Lagranger函數(shù);參數(shù)為專用機(jī)械臂的整體動(dòng)能;參數(shù)為專用機(jī)械臂的整體勢能;參數(shù)θ為第個(gè)關(guān)節(jié)的角位移的大小,其一階微分形式代表了角速度的大小;參數(shù)τ為外加的驅(qū)動(dòng)力矩的大小,即液壓馬達(dá)提供的動(dòng)力。

        進(jìn)一步可以得到專用機(jī)械臂的整體轉(zhuǎn)換矩陣,如公式(4)所示。

        進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析解算可以得到關(guān)鍵矩陣的形式,如公式(5)、公式(6)所示。

        3 海上油田專用機(jī)械臂的控制仿真

        在工業(yè)機(jī)器人控制領(lǐng)域中,Sliding控制算法是一種使用廣泛的算法,其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的非線性控制。為了有效抑制Sliding控制算法抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生,可以用飽和函數(shù)作為原有Sliding控制算法內(nèi)核控制函數(shù)的替代。原有Sliding控制算法中的內(nèi)核函數(shù),是簡單的開關(guān)切換函數(shù),所以體現(xiàn)為控制過程的過于剛性化,而飽和函數(shù)的使用再配套邊界設(shè)定和相應(yīng)處理,可以使控制位置的轉(zhuǎn)換變得相對柔性,進(jìn)而有效削弱控制過程中可能出現(xiàn)的抖動(dòng)現(xiàn)象。

        為了實(shí)現(xiàn)對海上油田專用機(jī)械臂的穩(wěn)定控制,該文構(gòu)建如下的Sliding控制算法,其理論基礎(chǔ)是在獲取了使用者所需的運(yùn)動(dòng)軌跡或任務(wù)點(diǎn)位信息后,斷續(xù)調(diào)整機(jī)械臂的速度和方向,雖然是斷續(xù)控制,但要求機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)角度始終與運(yùn)動(dòng)學(xué)解算角度保持一致。

        在這里,首先定一個(gè)誤差量用于跟蹤控制,其數(shù)學(xué)形式如公式(7)所示。

        基于這個(gè)誤差量,進(jìn)一步設(shè)計(jì)一個(gè)Sliding函數(shù),其數(shù)學(xué)形式如公式(8)所示。

        進(jìn)一步,可以得到Sliding控制規(guī)律內(nèi)核函數(shù),其數(shù)學(xué)形式如公式(9)所示。

        根據(jù)上面設(shè)計(jì)出的控制算法對海上油田專用機(jī)械臂進(jìn)行控制仿真試驗(yàn),其跟蹤位置曲線和預(yù)期位置曲線的變化情況如圖3所示。圖3中,實(shí)線代表了專用機(jī)械臂末端執(zhí)行臂預(yù)期的位置變化曲線,虛實(shí)線代表了專用機(jī)械臂末端執(zhí)行臂在Sliding控制算法下形成的位置跟蹤曲線??梢郧逦乜闯觯瑱C(jī)械臂末端執(zhí)行臂的位置非常理想地實(shí)現(xiàn)了對預(yù)期位置的跟蹤。

        圖3 Sliding算法下專用機(jī)械臂的位置跟蹤曲線

        進(jìn)一步觀察跟蹤速度曲線和預(yù)期速度曲線的變化情況,如圖4所示。

        圖4中,實(shí)線代表了專用機(jī)械臂末端執(zhí)行臂預(yù)期的速度變化曲線,虛線代表了專用機(jī)械臂末端執(zhí)行臂在Sliding控制算法下形成的速度跟蹤曲線。可以清晰地看出,機(jī)械臂末端執(zhí)行臂的速度非常理想地實(shí)現(xiàn)了對預(yù)期速度的跟蹤。

        圖4 Sliding算法下專用機(jī)械臂的速度跟蹤曲線

        4 結(jié)論

        根據(jù)海上油田作業(yè)的實(shí)際需求,該文展開了一種專用機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制仿真實(shí)驗(yàn)研究工作。首先,根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)了專用機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡圖和三維仿真結(jié)構(gòu)圖。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,采取了底部回轉(zhuǎn)部件、主干臂、枝干臂和執(zhí)行臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式,各個(gè)主要部件之間通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行連接,動(dòng)力控制采用液壓泵提供動(dòng)力、液壓控制線路隨帶機(jī)械臂完成整體控制。其次,進(jìn)行了專用機(jī)械臂的數(shù)學(xué)建模和運(yùn)動(dòng)分析,通過Lagranger函數(shù)構(gòu)建了其整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并完成了關(guān)鍵矩陣的解算。最后,改進(jìn)了Sliding算法用于專用機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制,飽和函數(shù)替代了原有Sliding算法中的切換函數(shù)??刂圃囼?yàn)結(jié)果表明,在Sliding控制算法下,專用機(jī)械臂的速度和位置曲線都實(shí)現(xiàn)了對預(yù)期速度和預(yù)期位置的準(zhǔn)確跟蹤,可以用于海上油田的實(shí)際作業(yè)。

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