本发明涉及钻探设备，更具体的说是涉及一种用于智能化钻探系统的机械手。
背景技术：
1、全过程自动化、信息化及智能化是钻探系统发展的方向，在钻探施工过程中，钻杆接卸及存储逐渐由人工现场操作转变为远程遥控来实现自动化。该过程通过机械手机构将钻管存储库中不同层位钻杆、岩心管等抓取并送至指定位置，在绳索取芯过程中辅助岩心管的投放和回收，在钻进结束后将提出的钻杆送至钻管库中指定位置。
2、目前，无论是海底钻探系统还是陆域的智能化钻探系统，用于钻管接卸和存储的机械手机构在实际应用中均存在下列问题：
3、(1)机械手各个机构的位置控制均采用的是位置闭环控制，通过位置传感器检测实际位置，利用与输入控制信号的差值进一步控制，直至反馈信号与输入信号一致。该控制方式受环境温度、传感器精度、控制器及操作者水平等诸多因素的影响。尤其在海底钻探系统中，钻管接卸和存储在钻探系统中为重复性动作，重复的位置控制难免会有累计误差，误差过大后会导致机械手接卸钻管可靠性变差。
4、(2)机械手伸出抓取钻管往往通过位移传感器检测机械手的伸出位移来判断是否到达钻管的理论位置。该操作是建立在钻管存储位置及机械手回转位置均满足理论设计的情况。实际操作中，由于钻管重复性存储，实际位置会发生变化以及机械手回转难免有角度误差，因此单纯通过检测机械臂为位移来判断钻管的位置不可靠。
5、(3)机械手的各个机构低速稳定性差，各个机构的执行元件在低速时会出现爬行等现象，会对位置的控制精度产生影响。
6、因此，研究出一种位置控制可靠性高，同时具备钻杆姿态识别和低速稳定性好的用于智能化钻探系统的机械手是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种位置控制可靠性高，同时具备钻杆姿态识别和低速稳定性好的用于智能化钻探系统的机械手。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种用于智能化钻探系统的机械手，包括：
4、外框架，所述外框架的底部设置有弹性伸缩件；
5、机械臂，所述机械臂置于所述外框架的内部，且与所述外框架滑动连接；
6、驱动机构，所述驱动机构设置于所述外框架的顶部，且带动所述外框架转动；
7、下支撑组件，所述下支撑组件转动连接于所述外框架的底部；所述下支撑组件包括：支撑架、定位盘、轴承座以及定位油缸；所述轴承座底部与所述支撑架连接，同时轴承座与所述外框架的底部转动连接；所述定位盘套设于所述轴承座的外部；所述定位油缸与所述支撑架连接，且所述定位油缸的伸缩端与所述定位盘连接；所述定位盘的表面设置有定位孔，所述定位孔与所述弹性伸缩件的位置对应，且对所述弹性伸缩件定位。
8、采用上述技术方案的有益效果是，本发明中通过定位油缸将定位盘向上移动，并压缩弹性伸缩件，然后再转动外框架，使弹性伸缩件落入到定位孔内，进行机械定位；本发明在机械臂回转控制中除采用位置闭环来保证位置精度外，增加机械定位，使机械臂的位置控制的精度高，且可靠性高。
9、优选的，所述外框架包括：上安装座、侧安装板、下安装座以及监控器；所述上安装座设置于所述侧安装板的顶部，所述下安装座置于所述侧安装板的底部；所述机械臂置于两个平行布置的所述侧安装板之间；所述监控器与所述侧安装板连接。监控器可以辅助监测机械臂的动作执行情况。
10、优选的，所述侧安装板上开设有滑槽，所述机械臂与所述滑槽对应的位置设置有滑块，所述滑块置于所述滑槽内。滑槽的设置可以保证机械臂的上下移动过程更加稳定。
11、优选的，所述弹性伸缩件设置于所述下安装座上，所述弹性伸缩件包括：缸筒、第一弹簧以及第一弹簧杆；所述缸筒固定于所述下安装座的顶部，所述缸筒的内部呈中空状，底部设有开口；所述第一弹簧置于所述缸筒的内腔中；所述第一弹簧杆的顶部滑动限位于所述缸筒内，且与所述第一弹簧的底部相抵接，所述第一弹簧杆底部贯穿所述下安装座，且位于所述下安装座的下方。
12、优选的，所述支撑架上设置有升降油缸，所述升降油缸的伸缩端穿过所述轴承座、下安装座与所述机械臂连接，并带动所述机械臂上下移动。
13、优选的，所述机械臂包括：固定臂、一级伸缩臂、二级伸缩臂以及多级油缸；所述一级伸缩臂滑动连接于所述固定臂的内部，所述二级伸缩臂滑动连接于所述一级伸缩臂的内部；所述多级油缸的固定端与所述固定臂连接，伸缩端与所述二级伸缩臂连接。
14、优选的，所述固定臂上设有拉线位移传感器。拉线位移传感器可以实时监测和反馈机械臂的位移。
15、优选的，所述二级伸缩臂上设置有钻管姿态识别器，所述钻管姿态识别器包括：测块、第二弹簧、第二弹簧杆、位移传感器以及壳体；所述壳体的内腔分为测量腔和密封腔；所述测量腔位于所述壳体靠近所述测块的一端；所述第二弹簧杆的一端与所述测块连接，另一端伸入到所述测量腔内与所述位移传感器连接，所述位移传感器的另一端伸入到所述密封腔内；所述第二弹簧设置于所述第二弹簧杆的外部。位移传感器可以实时监测钻管与机械臂卡爪中心的相对位置，第二弹簧可以对测块的移动起到复位作用。
16、优选的，所述驱动机构的顶部设置有上支撑组件，所述驱动机构包括：驱动马达、角度传感器、大减速比传动组件、驱动轴以及轴承支撑结构；所述驱动轴的底部与所述上安装座连接，顶部与所述轴承支撑结构转动连接；所述上支撑组件、驱动马达以及角度传感器均与所述轴承支撑结构连接；所述大减速比传动组件连接于所述驱动马达与所述驱动轴之间。驱动马达通过大减速比传动组件减速后驱动驱动轴回转，回转位置角度由角度传感器实时监测和反馈。
17、优选的，所述大减速比传动组件包括：第一传动齿轮和第二传动齿轮，所述第一传动齿轮与所述驱动马达的输出端连接，所述第二传动齿轮与所述驱动轴连接；所述第一传动齿轮与所述第二传动齿轮啮合传动。
18、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于智能化钻探系统的机械手，其有益效果为：
19、(1)本发明中除采用位置闭环来保证位置精度外，还增加了机械定位，充分发挥了位置比控制的精度高和机械定位的可靠性好的特点；
20、(2)在检测机械臂位移的同时，设置了钻管姿态识别机构，通过检测钻管与机械臂卡爪中心的相对位置，使机械臂卡爪可靠抓取钻管；同时，上下两个姿态识别机构位移的差值也可以判断出钻管空间的姿态；
21、(3)机械手结构的回转采用大减速比的驱动方式，提高了回转动作的低速稳定性，更易实现位置的精确、可靠控制。
22、(4)采用的多级伸缩臂，完全缩回时，可有效降低机械手的空间体积，为钻管存储提供更多的空间，尤其在海底作业时，可提高钻深。
1.一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述外框架(1)包括：上安装座(12)、侧安装板(13)、下安装座(14)以及监控器(15)；所述上安装座(12)设置于所述侧安装板(13)的顶部，所述下安装座(14)置于所述侧安装板(13)的底部；所述机械臂(2)置于两个平行布置的所述侧安装板(13)之间；所述监控器(15)与所述侧安装板(13)连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述侧安装板(13)上开设有滑槽(16)，所述机械臂(2)与所述滑槽(16)对应的位置设置有滑块(21)，所述滑块(21)置于所述滑槽(16)内。
4.根据权利要求3所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述弹性伸缩件(11)设置于所述下安装座(14)上，所述弹性伸缩件(11)包括：缸筒(111)、第一弹簧(112)以及第一弹簧杆(113)；所述缸筒(111)固定于所述下安装座(14)的顶部，所述缸筒(111)的内部呈中空状，底部设有开口；所述第一弹簧(112)置于所述缸筒(111)的内腔中；所述第一弹簧杆(113)的顶部滑动限位于所述缸筒(111)内，且与所述第一弹簧(112)的底部相抵接，所述第一弹簧杆(113)底部贯穿所述下安装座(14)，且位于所述下安装座(14)的下方。
5.根据权利要求4所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述支撑架(41)上设置有升降油缸(5)，所述升降油缸(5)的伸缩端穿过所述轴承座(43)、下安装座(14)与所述机械臂(2)连接，并带动所述机械臂(2)上下移动。
6.根据权利要求1所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述机械臂(2)包括：固定臂(22)、一级伸缩臂(23)、二级伸缩臂(24)以及多级油缸(25)；所述一级伸缩臂(23)滑动连接于所述固定臂(22)的内部，所述二级伸缩臂(24)滑动连接于所述一级伸缩臂(23)的内部；所述多级油缸(25)的固定端与所述固定臂(22)连接，伸缩端与所述二级伸缩臂(24)连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述固定臂(22)上设有拉线位移传感器(26)。
8.根据权利要求7所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述二级伸缩臂(24)上设置有钻管姿态识别器(27)，所述钻管姿态识别器(27)包括：测块(271)、第二弹簧(272)、第二弹簧杆(273)、位移传感器(274)以及壳体；所述壳体的内腔分为测量腔(275)和密封腔(276)；所述测量腔(275)位于所述壳体靠近所述测块(271)的一端；所述第二弹簧杆(273)的一端与所述测块(271)连接，另一端伸入到所述测量腔(275)内与所述位移传感器(274)连接，所述位移传感器(274)的另一端伸入到所述密封腔(276)内；所述第二弹簧(272)设置于所述第二弹簧杆(273)的外部。
9.根据权利要求2所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述驱动机构(3)的顶部设置有上支撑组件(6)，所述驱动机构(3)包括：驱动马达(31)、角度传感器(32)、大减速比传动组件(33)、驱动轴(34)以及轴承支撑结构(35)；所述驱动轴(34)的底部与所述上安装座(12)连接，顶部与所述轴承支撑结构(35)转动连接；所述上支撑组件(6)、驱动马达(31)以及角度传感器(32)均与所述轴承支撑结构(35)连接；所述大减速比传动组件(33)连接于所述驱动马达(31)与所述驱动轴(34)之间。
10.根据权利要求9所述的一种用于智能化钻探系统的机械手，其特征在于，所述大减速比传动组件(33)包括：第一传动齿轮(331)和第二传动齿轮(332)，所述第一传动齿轮(331)与所述驱动马达(31)的输出端连接，所述第二传动齿轮(332)与所述驱动轴(34)连接；所述第一传动齿轮(331)与所述第二传动齿轮(332)啮合传动。
