CN107790987A - 适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法及设备，其特征在于，利用定位装置，包括激光定位装置和视觉定位装置，将输油管装卸臂与船舶目标法兰进行初定位和精定位，通过驱动控制系统控制输油管装卸臂上设置的水平驱动装置、外臂驱动装置、内臂驱动装装置，驱动外臂运动至液动快速连接器和船舶目标法兰的精准对接；本发明的视觉定位装置安装一组CCD相机实时监测出输油口的位置、视觉定位装置中的处理模块将坐标信号输出至驱动控制系统，从而驱动输油管臂液动快速连接器和目标法兰的精准对接，提高了对接精准度，保证了油液不会泄露，避免环境污染的问题，满足大吨位码头作业的需求，大大提高了经济效益。

Description

适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法及设备

技术领域

本发明涉及船用输油管对接装置，尤其是适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法及设备。

背景技术

随着港口的建设的快速发展和大吨位码头的不断增加，船用装卸臂的使用也随之普及。目前的装卸臂利用液压油缸的驱动，可实现装卸臂的左右旋转，内臂上仰下附，外臂伸展收缩等运动，装卸臂末端结构紧凑，空间位置比较狭小，当装卸臂末端的快速连接装置与船泊法兰对接时还需人工方式操作，不仅存在对接工作量大，工作效率低，如若输油管装卸臂和船舶集管法兰未实现无缝对接，在油液输送的过程中会产生渗漏，不仅造成资源浪费，并且污染码头及水资源环境，不利于经济发展。因此高效率的码头作业是保证港口经济稳步增长的筹码，为了实现码头经济的稳步增长与发展，机械化和智能化取而代之人工操作是非常有必要的。

为了实现码头面上的输油管臂和轮船目标法兰的快速、精准、高效对接，满足大吨位码头对高效率港口作业的需求，本发明配合智能工业技术，利用激光定位装置和视觉定位装置对目标法兰进行双重定位，并通过驱动控制系统控制驱动装置，驱动外臂末端的液动快速连接器和船舶目标法兰精准对接，为了提高对接精准度和灵活度，本发明在装卸臂的三维接头增设两组接头驱动装置，接头驱动装置由摆动油缸和大小传动齿轮构成，该结构能够灵活控制末端的快速连接装置与船舶法兰的自动对接。输油管臂与输油口精准对接，保证了油液正常转运输送的操作，同时避免了油液泄露对港口及码头造成环境污染的问题，保护了环境，提高了码头作业效率和经济效益，值得推广。

发明内容

针对现有的码头作业规模化、机械化的需求，以及输油管装卸臂与轮船集管法兰对接的精准度的高要求，本发明提出适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法及设备，具体技术方案如下：

适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法，其特征在于，利用定位装置将输油管装卸臂与船舶目标法兰进行初定位和精定位，通过控制系统控制驱动装置进行液动快速连接器与目标法兰精准对接，其中具体方法包括如下步骤：

(1)使用激光测距仪，定位输油管装卸臂基座和船舶法兰之间的距离，并将获取的距离数据通过坐标系转换关系变成为输油管装卸臂基座坐标系下的坐标数据；

(2)根据上述步骤中获取的坐标数据，通过输油管装卸臂运动学方程求出各关节角度，进而由控制系统控制驱动装置，驱动输油管装卸臂各关节运动，同时通过各关节处的编码器反馈当前位置，完成输油管装卸臂和船舶目标法兰的初步定位；

(3)装卸臂末端设有的双目视觉系统，在初定位完成后，实时采集船舶法兰的三维坐标信息，通过图像采集、图像预处理、特征提取分割进行获取三维信息，并反馈给驱动控制系统；

(4)驱动控制系统将获取的船舶法兰三维坐标信息通过坐标变换及运动学方程求解获取装卸臂各个关节角度，并根据当前目标法兰的实时监测的信息不断调整，将运动关节角度传输给驱动装置各个执行元件；

(5)输油管装卸臂末端执行命令，不断向目标法兰位置移动并调整，实现输油管装卸臂末端的液动快速连接器和目标法兰的精准对接。

为了实现上述码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法，本发明所采用的技术方案如下：

适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，包括固定于码头面上的基座、立柱，所述基座处设有液压阀箱，所述立柱顶端设有转轴箱，所述转轴箱连接包括外臂和内臂的输油管装卸臂，所述输油管装卸臂外周设有支撑箱、维修平台、钢丝绳机构、驱动装置，所述外臂和内臂连接处、所述立柱和输油管装卸臂连接处均设有可拆卸弯头，所述内臂下部末端和所述转轴箱处设有机械锁紧装置，所述内臂设有用于平衡其重力矩的配重块，其特征在于，所述位于基座处的码头面上设有激光定位装置，所述激光定位装置由云台和激光测距仪组成；所述外臂末端设有三维接头，所述三维接头由接头驱动装置和弯管组成，所述位于三维接头末端连接液动快速连接器，所述位于三维接头的弯管上设有视觉定位装置，所述视觉定位装置包括硬件模块和处理模块，所述硬件模块由相机、采集卡、计算机组成，所述处理模块，由图像预处理模块、特征提取模块、目标识别模块、位置坐标计算模块组成，其中：所述处理模块适于向所述硬件模块的相机发送采集图像信号，并对采集的图像进行预处理、特征提取、目标识别，计算外臂末端位置坐标并输出参数，所述驱动装置根据输出外臂末端位置坐标，驱动外臂运动至液动快速连接器和船舶目标法兰的精准对接。

进一步的，所述接头驱动装置由摆动油缸、大齿轮、小齿轮和编码器构成。

进一步的，所述相机为一组双目CCD相机。

进一步的，所述驱动装置包括水平驱动装置、外臂驱动装置、内臂驱动装装置，所述水平驱动装置、外臂驱动装置、内臂驱动装装置均设有液压油缸，所述液压油缸和所述液压阀箱连接并驱动。

进一步的，所述接头驱动装置设置的摆动油缸和基座处设置的液压阀箱连接并驱动。

进一步的，所述外臂驱动装置上设有外臂驱动编码器，所述内臂驱动装置上设有内臂驱动编码器。

进一步的，所述液动快速连接器设有可调节支腿。

本发明具有的有益效果如下：

本发明的视觉定位装置安装在输油管臂外臂末端，设有的一组CCD双目相机，当输油管臂向船舶目标法兰位置移动过程中，CCD相机会实时监测出输油口的位置，并将视觉系统坐标变换成相对于机械臂末端的坐标，同时视觉定位装置中的处理模块将坐标信号输出至驱动控制系统，从而驱动输油管臂的运动，实现外臂的液动快速连接器和轮船输油口的精准对接。输油管臂与输油口精准对接，保证了油液正常转运输送的操作，同时避免了油液泄露对港口及码头造成环境污染的问题，同时提高了工作效率，满足大吨位码头作业的需求，大大提高了经济效益。

附图说明

图1为左至右依次为三维接头和接头驱动装置的结构示意图。

图2为码头输油管装卸臂对接使用状态示意图。

图3为码头输油管装卸臂主视结构示意图。

图4为码头输油管装卸臂侧视结构示意图和相机结构示意图。

其中，1-基座，2-立柱，3-内臂，4-外臂，5-转轴箱，6-支撑箱，7-三维接头，71-摆动油缸,72-大齿轮，73-小齿轮，74-编码器，8-液动快速连接器，81-可调节支腿，9-可拆卸弯头，10-维修平台，11-钢丝绳机构，12-水平驱动装置，13-外臂驱动装置，14-内臂驱动装置，15-配重块，16-液压油缸，17-激光定位装置，18-相机，19-械锁紧装置，20-液压阀箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了达到本发明的目的，如图1-图4所示，适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法，利用定位装置将输油管装卸臂与船舶目标法兰进行初定位和精定位，通过驱动控制系统控制驱动装置进行液动快速连接器与目标法兰精准对接，其中具体方法包括如下步骤： (1)使用激光测距仪，定位输油管装卸臂基座和船舶法兰之间的距离，并将获取的距离数据通过坐标系转换关系变成为输油管装卸臂基座坐标系下的坐标数据；

(2)根据上述步骤中获取的坐标数据，进行输油管装卸臂运动学方程求出各关节角度，驱动控制系统控制驱动装置，驱动输油管装卸臂各关节运动，同时通过各关节处的编码器反馈当前位置，完成输油管装卸臂和船舶目标法兰的初步定位；

(3)装卸臂末端设有的双目视觉系统，在初定位完成后，实时采集船舶法兰的三维坐标信息，通过图像采集、图像预处理、特征提取分割进行获取三维信息，并反馈给驱动控制系统；

(4)驱动控制系统将获取的船舶法兰三维坐标信息通过坐标变换及运动学方程求解获取装卸臂各个关节角度，并根据当前目标法兰的实时监测的信息不断调整，将运动关节角度传输给驱动装置各个执行元件；

(5)输油管装卸臂末端执行命令，不断向目标法兰位置移动并调整，实现输油管装卸臂末端的液动快速连接器和目标法兰的精准对接。

为了实现上述码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法，本发明所采用的技术方案如下：

适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，包括固定于码头面上的基座1、立柱2，所述基座1处设有液压阀箱20，所述立柱2顶端设有转轴箱5，所述转轴箱5连接包括外臂4和内臂3的输油管装卸臂，所述输油管装卸臂外周设有支撑箱6、维修平台10、钢丝绳机构11、驱动装置，所述外臂4和内臂3连接处、所述立柱2和输油管装卸臂连接处均设有可拆卸弯头9，所述内臂3下部末端和所述转轴箱5处设有机械锁紧装置19，所述内臂3设有用于平衡其重力矩的配重块15，所述位于基座1处的码头面上设有激光定位装置17，所述激光定位装置17由云台和激光测距仪组成；所述外臂4末端设有三维接头7，所述三维接头7由接头驱动装置和弯管组成，所述位于三维接头末端连接液动快速连接器8，所述位于三维接头7的弯管上设有视觉定位装置，所述视觉定位装置包括硬件模块和处理模块，所述硬件模块由相机18、云台、采集卡、计算机组成，所述处理模块，由图像预处理模块、特征提取模块、目标识别模块、位置坐标计算模块组成，其中：所述处理模块适于向所述硬件模块的相机发送采集图像信号，并对采集的图像进行预处理、特征提取、目标识别，计算外臂末端位置坐标并输出参数，所述驱动装置根据输出外臂末端位置坐标，驱动外臂运动至液动快速连接器和船舶目标法兰的精准对接。

优选地，所述接头驱动装置由摆动油缸71、大齿轮72、小齿轮73和编码器74构成。

优选地，所述相机18为一组双目CCD相机。

优选地，所述驱动装置包括水平驱动装置12、外臂驱动装置13、内臂驱动装装置14，所述水平驱动装置12、外臂驱动装置13、内臂驱动装装置14均设有液压油缸16，所述液压油缸16和所述液压阀箱20连接并驱动。

优选地，所述接头驱动装置设置的摆动油缸71和基座处设置的液压阀箱20连接并驱动。

优选地，所述外臂驱动装置13上设有外臂驱动编码器41，所述内臂驱动装置14上设有内臂驱动编码器31。

优选地，所述液动快速连接器8设有可调节支腿81。

实施例1：

本发明输油管装卸臂由定位装置进行双重定位、由驱动控制系统控制驱动装置，驱动外臂和内臂运动，实现输油管臂外臂末端的液动快速连接器和轮船集管法兰的精准对接，如图 1所示，适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，包括：输油管装卸臂，基座1，立柱2，内臂3，外臂4，转轴箱5，支撑箱6，三维接头7，摆动油缸71、大齿轮72、小齿轮73，编码器74，液动快速连接器8，可调节支腿81，可拆卸弯头9，维修平台10，钢丝绳机构11，水平驱动装置12、外臂驱动装置13、内臂驱动装置14，配重块15，液压油缸16，激光定位装置17，相机18,机械锁紧装置19，液压阀箱20；

所述基座1用于将输油管装卸臂固定于码头面上，所述输油管装卸臂包括内臂3和外臂 4；所述立柱2为装卸臂的垂直支撑部件，安装在码头上用来支撑装卸臂并提供和现场管线的连接点；所述转轴箱5用来连接立柱2和支撑箱6，回转支承装在立柱2和支撑箱6之间，用来使装卸臂旋转自如；所述支撑箱6强度高而且受风载较小，用来承受内外臂管线重量及其它载荷；所述外臂4末端连接三维接头7，所述三维接头7包括弯头、接头驱动装置结构，所述接头驱动装置由摆动油缸71、大齿轮72、小齿轮73和编码器74组成，可以满足船舶的摇摆、冲击和旋转的要求；所述三维接头7末端连接液动快速连接器8，用于装卸臂与槽船集管法兰非螺栓连接的液压快速联接，所述液动快速连接器8上设有可调节支腿81，所述可调节支腿81是一个永久的、可调节的承载机构，安装在三维接头7上用来将外臂4等重量传递到甲板上，并减少作用在船舶法兰上的来自介质的冲击力；所述内臂3和所述外臂4连接处、所述转轴箱5处均设有可拆卸弯头9，所述可拆卸弯头9以便在不拆卸装卸臂主体的情况下更换密封圈，不用起吊设备，不用延长停工时间并且不用很多的维修费用就可完成维修工作；所述装卸臂上设有维修平台10、钢丝绳机构11、水平驱动装置12、外臂驱动装置 13、内臂驱动装装置14、配重块15，所述维修平台10是为操作者更换上绳轮处的旋转接头密封圈而设立的，设计为两个操作人员可以同时站立来对旋转接头进行维修或对回转支承进行润滑，所述钢丝绳机构11包括上绳轮、下绳轮和钢丝绳，用来把平衡力矩从副配重传递给外臂4，所述水平驱动装置12、外臂驱动装置13、内臂驱动装装置14均设有液压油缸16，用来驱动外臂4、内臂3和转轴箱5，所述配重块15，用来平衡外臂4的重力矩，通过调节螺栓可调整平衡力臂的长度，所述内臂3下部末端和所述转轴箱5处设有机械锁紧装置19，所述机械锁紧装置19通过两个简单的机械插销将整个装卸臂锁紧在垂直状态，插销把装卸臂的内臂和转轴箱安全地锁在立柱2上。

所述位于基座1处的码头面上设有激光定位装置17，所述激光定位装置由二维一体化高速云台和激光测距仪组成，初定位时：

操作二维一体化高速云台带动激光测距仪，将激光定位光斑对准即将接合的目标法兰，将获取的距离数据通过坐标系转换关系变换为装卸臂基坐标系下坐标数据，根据装卸臂运动学方程求出各关节角度，进而驱动关节运动，同时通过各关节处的绝对值编码器反馈当前位置，如关节到位则结束运动，装卸臂完成目标法兰初步定位；

所述液动快速连接器8上设有视觉定位装置，由于对接过程中，泊船会随水面波动而浮动，目标法兰位置也会随之变动，因此安装在装卸臂末端的双目视觉定位装置采集目标法兰的三维坐标信息，通过坐标变换及运动学方程求解获得装卸臂各关节角度值，驱动装卸臂末端向目标位置运动；由于双目CCD相机18的视觉定位装置能够实时进行位置信息采集，因此控制系统能够根据当前目标信息不断调整装卸臂末端的执行位置，从而实现装卸臂与目标法兰的精准对接，具体的，在外信号触发的条件下，相机18进行图像采集，输送至预处理模块进行；预处理模块对相机进行标定后，对采集到的包含目标的物体进行预处理，采用直方图均匀化和锐化相结合的预处理办法，使光照变化对图片的影响降到最小，突出目标物体的特征；特征提取模块和目标识别模块对矫正之后的图片进行提取和分割，使用阈值求取边缘，求取轮廓和图像矩以及中心矩运算，简化图像，区分目标和其他的干扰因素，得到所需要的目标管口；位置坐标计算模块在分理处目标管口之后，使用三角测距原理进行对管口位置坐标算得到目标中心三维坐标，将得到的三维坐标输送给控制系统，控制系统通过实时轮船输油口坐标，进行计算得到输油管臂各关节的关节角，获得液压元件执行的目标码值，给各关节绝对值编码器进行判断，如果各关节到位则结束运行，并反馈执行结束的信号给控制系统，完成自动对接作业。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接方法，其特征在于，利用定位装置将输油管装卸臂与船舶目标法兰进行初定位和精定位，通过驱动控制系统控制驱动装置进行液动快速连接器与目标法兰精准对接，其中具体方法包括如下步骤：

(1)使用激光测距仪，定位输油管装卸臂基座和船舶法兰之间的距离，并将获取的距离数据通过坐标系转换关系变成为输油管装卸臂基座坐标系下的坐标数据；

(2)根据上述步骤中获取的坐标数据，通过输油管装卸臂运动学方程求出各关节角度，进而由控制系统控制驱动装置，驱动输油管装卸臂各关节运动，同时通过各关节处的编码器反馈当前位置，完成输油管装卸臂和船舶目标法兰的初步定位；

(3)装卸臂末端设有的视觉定位装置，在初定位完成后，实时采集船舶法兰的三维坐标信息，通过图像采集、图像预处理、特征提取分割进行获取三维信息，并反馈给驱动控制系统；

(4)驱动控制系统将获取的船舶法兰三维坐标信息通过坐标变换及运动学方程求解获取装卸臂各个关节角度，并根据当前目标法兰的实时监测的信息不断调整，将运动关节角度传输给驱动装置各个执行元件；

(5)输油管装卸臂末端执行命令，不断向目标法兰位置移动并调整，实现输油管装卸臂末端的液动快速连接器和目标法兰的精准对接。

2.适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，包括固定于码头面上的基座、立柱，所述基座处设有液压阀箱，所述立柱顶端设有转轴箱，所述转轴箱连接包括外臂和内臂的输油管装卸臂，所述输油管装卸臂外周设有支撑箱、维修平台、钢丝绳机构、驱动装置，所述外臂和内臂连接处、所述立柱和输油管装卸臂连接处均设有可拆卸弯头，所述内臂下部末端和所述转轴箱处设有机械锁紧装置，所述内臂设有用于平衡其重力矩的配重块，其特征在于：

所述位于基座处的码头面上设有激光定位装置，所述激光定位装置由云台和激光测距仪组成；

所述外臂末端设有三维接头，所述三维接头由接头驱动装置和弯管组成，所述位于三维接头末端连接液动快速连接器，所述位于三维接头的弯管上设有视觉定位装置，所述视觉定位装置包括硬件模块和处理模块，所述硬件模块由相机、采集卡、计算机组成，所述处理模块，由图像预处理模块、特征提取模块、目标识别模块、位置坐标计算模块组成，其中：

所述处理模块适于向所述硬件模块的相机发送采集图像信号，并对采集的图像进行预处理、特征提取、目标识别，计算外臂末端位置坐标并输出参数，所述驱动装置根据输出外臂末端位置坐标，驱动外臂运动至液动快速连接器和船舶目标法兰的精准对接。

3.根据权利要求2所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述接头驱动装置由摆动油缸、大齿轮、小齿轮和编码器构成。

4.根据权利要求2所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述相机为一组双目CCD相机。

5.根据权利要求2所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述驱动装置包括水平驱动装置、外臂驱动装置、内臂驱动装装置，所述水平驱动装置、外臂驱动装置、内臂驱动装装置均设有液压油缸，所述液压油缸和所述液压阀箱连接并驱动。

6.根据权利要求3所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述接头驱动装置设置的摆动油缸和基座处设置的液压阀箱连接并驱动。

7.根据权利要求4所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述外臂驱动装置上设有外臂驱动编码器，所述内臂驱动装置上设有内臂驱动编码器。

8.根据权利要求2所述的适用于码头输油管装卸臂与船舶法兰的自动对接设备，其特征在于：所述液动快速连接器设有可调节支腿。