關于智能鉆井鉆頭打撈機器人的研究與設計

鄒冰倩

重慶電子工程職業學院 智能制造與汽車學院 重慶 401331

1 緒論

在大型建筑工程的初始階段，打樁是非常關鍵的任務。但是在實際工作中，由于地質、機械和施工等原因造成鉆頭、鉆桿掉落的情況時有發生。在鉆頭掉落后，樁基的位置由于建筑設計、承重等工程原因不能進行隨意改變，因而鉆頭掉落后如不打撈，造成的損失不只包含鉆頭本身的價值，還會使整個工程規劃推倒重來，即使重來，打撈所需的金額也十分昂貴，且非常危險。因此，在實際施工過程中只有想盡一切辦法將鉆頭打撈出來，才能最大程度的減少損失[1]。

鉆頭打撈方法根據事故的情況而不同。有時候需要找專業人員（常常被人們稱作“水鬼”）下潛進樁洞，將鋼絲繩穿過鉆頭并固定，然后將鉆頭打撈出來。由于樁洞內部充滿了泥漿，使打撈人員的視覺和聽覺完全受阻，只能依靠觸覺進行摸索和打撈，因此在樁洞內的活動也需要消耗巨大的體力，使打撈作業異常艱難。除此之外，樁孔四周的土質非常不穩定，打撈不當容易造成塌方。而一旦樁孔出現塌方，打撈人員的生命將會受到嚴重威脅。因此，為了降低打撈風險，本文對智能鉆井鉆頭打撈機器人進行研究和設計來代替“水鬼”這一高危職業[2]。

2 現狀分析

目前，市面上人工打撈鉆頭的設備一般分為裝載了呼吸裝置的頭盔和幫助下沉的配重，輔助的打撈工具包括可退式卡瓦打撈筒、打撈公錐、異形接頭、套銑管、安全接頭、反循環強磁打撈器等，在人工潛水員進行鉆頭打撈時起到凈化井底、清除水泥砂石等輔助作用。但是，采用當前人工打撈的方式仍然存在著效率低，時間久，風險高，稍不注意打撈人員的生命就會受到威脅等嚴重問題，所以本文對最適合該環境的抓取機器——智能鉆井鉆頭打撈機器人進行研究與設計。

3 智能鉆井鉆頭打撈機器人設計

經過多地的實地考察，結合工業潛水員的作業經驗以及目前存在的問題，提出了鉆井鉆頭打撈的智能機器人的研究與設計內容。智能鉆井鉆頭打撈機器人可以替代人工完成一系列的鉆頭打撈工作，可以更精確、更低成本的打撈鉆頭，實現高效率作業。

智能鉆井鉆頭打撈機器人主要分為傳送系統、水平移動系統、夾取系統、聲吶檢測系統、控制系統5個部分[3]。

（1）傳送系統。傳送機構是由高強度材料制成的履帶結構，采用兩個防水電機驅動，在高強度履帶上焊接方形固定夾。當機器與鉆頭對接成功后，履帶移動到圓弧位置，夾子打開，從而使抓取機構脫離載體。在履帶圓弧處裝有限位開關使機器知曉夾子移動到位，同時內壁裝有接觸開關，檢測夾子是否已經順利滑落。

（2）水平移動系統。水平移動裝置是由4個防水電機鉸接在同一平面，電機同時與頂桿連接，可以實現在水平面內圍繞中心的全方位移動。在檢測物體后，給控制器信號，再由控制器給推動裝置信號，使機器與鉆頭凸臺進行對接。

（3）夾取系統。夾取系統由結構框架、活動框架和鋼纜構成，結構框架上設有導軌，起到固定活動框架的作用。活動框架由4根可移動的活塞構成。鋼纜與套在光軸上面的法蘭軸承進行三角形連接，從而構成完整的抓取機構。當夾取機構落到方形凸臺下方時，鋼纜給予拉力，通過機構將拉力轉換為壓力，將凸臺下端夾緊，實現抓取動作。

（4）聲吶檢測系統。檢測裝置由聲吶和金屬檢測組成，當聲波傳到物體表面時，根據不同物體之間的折回率的不同，生成對應圖像；金屬檢測作為聲波檢測的輔助裝置，進行點陣成像；將金屬的電位成像數據與聲波檢測數據進行對比，當相似度達到預設值后，進行圖像對比，匹配到相應情況后再執行相應的移動或打撈動作[4]。

（5）控制系統。控制裝置分為水下控制和旋挖機控制。當需要調整機器上下位置時，水下控制部分給旋挖機信號，拉緊繩索，實現機器上下移動。所有結構均采用鋁合金密封艙，使機器的極限工作深度能達到水下300米，機器中的所有連接均采用水下專用連接頭，實現線路之間的無縫連接。

（6）工作方式。在打撈時，將旋挖機護繩與機器的鋼絲繩連接，通過鋼絲繩實現機器的垂直下落。當下降到一定位置時，聲吶裝置的檢測裝置會檢測到物體并反饋成像，操作人員給水平移動裝置移動指令，使裝置位于掉落鉆頭的正上方。導軌向下運動帶動活動框架到達指定位置，上方給予鋼繩拉力，通過鋼繩和三角形結構將拉力轉換為對鉆頭的壓力，從而實現抓取動作。抓取結束后，通過護繩將機器和鉆頭拉至地面。

4 智能鉆井鉆頭打撈機器人特點

（1）在機器結構上，采用鏤空設計，減少機器在樁洞內下降時的阻礙，使其盡可能保持直線平穩下降。

（2）在控制系統中，采用聲吶檢測和金屬檢測雙檢測聯合作用，大大降低機器判斷失誤的概率，同時防止機器碰壁、損壞，并實現對突發情況的緊急處理功能。

（3）執行機構上，抓取機構是全機械結構，能有效完成抓取動作[5]。

5 結束語

智能鉆井鉆頭打撈機器人結構完善，能實現自動化控制，縮短打撈時間，避免了人工打撈的高風險性，具有非常重大的實用價值，同時在自動化控制過程中，操作便捷，可靠性高，風險率小，并且順應國家戰略，未來擁有巨大的發展前景。