自治式潛水器下水回收系統的製作方法

2023-05-03 20:38:51 1

專利名稱：自治式潛水器下水回收系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於水下機器人技術領域。
目前，水下機器人已由無人有纜發展到無人無纜，潛深大都在1千米或數千米乃至更深，在如此深的海域，海況往往非常惡劣，很難用小艇或蛙人在海面脫鉤和掛鈎完成下水回收工作，為此自治式潛水器(無人無纜水下機器人)的下水回收得到世界各國的觀注，尋求自治式潛水器的下水回收方法及其下水回收系統。
一般水下機器人海上作業系統應包括支持母船，下水回收系統和自治式潛水器本身，只有當其中任何一個組成部分都很完善時，整個作業系統才能正常工作，因此，應從實際應用，經濟效益和安全操作等方面對整個系統加以全面考慮，其中，支持母船不僅要有一定的甲板空間並能夠把自治式潛水器運載到海上作業地點，具備足夠的起吊能力，更重要的是支持母船本身在作業海況下的穩定性，當支持母船在作業海況下產生縱搖，橫搖和升沉時，母船的響應程度決定了這些動載荷對自治式潛水器下水和回收影響的大小。為了使母船同自治式潛水器很好配合，應該依據自治式潛水器的尺度，重量，作業深度，作業海況等選用不同尺度和船型的支持母船。
在比較惡劣海況下，作業通常要選用相當大的支持母船(或專用母船)，並有專為自治式潛水器下水和回收的船體設計，能保證有一定精度的定位和定向能力(拋錨或動力定位)，在作業海況下不應有大幅度的縱搖，橫搖和升沉，但這種大型母船造價和使用費用相當昂貴，首先，對於任何下水回收系統，海況是一個主要因素，尤其在4級以上海況，由於風速、海浪的影響，母船會產生很大的縱搖，橫搖和升沉。除對自治式潛水器在水面到甲板間吊放過程中會產生難以預料的運動，帶來不安全因素外，對自治式潛水器在回收過程中同收放器的對接造成極大的困難。
為解決自治式潛水器的回收，本發明的目的提供一種自治式潛水器下水回收系統，採用大於1/2波長的水深處用收放器收放自治式潛水器的方式及裝置構成下水回收系統，有效的解決了自治式潛水器的回收問題。
本發明設計方案是這樣實現的該潛水器的下水回收系統由支持母船打撈救生船、電纜絞車的中繼器及組成，如

圖1所示)，支持母船上裝有吊機通過鋼絲繩與中繼器聯接，同時支持母船上設有電纜絞車通過電纜與中繼器聯接，中繼器通過中性系纜與收放器聯接，水中運行有自治式潛水器(無人無纜水下機器人)，其詳細結構是電纜絞車為使收放器在水下運行、施放和回收無纜水下機器人，水面甲板應有電纜同中繼器連接，並通過中繼器與收放器之間的系纜向收放器供電和實現信息傳輸，電纜絞車其結構由驅動裝置、布纜器、電纜捲筒等構成，(如圖6、圖7所示)。絞車支架一側裝有液壓馬達經減速機與電纜捲筒聯接，由於電纜捲筒及卷繞其上的電纜有較大的轉動慣量，為保證絞車卷繞和施放電纜時工作平穩、轉速均勻、無級調速、絞車採用液壓驅動，油源提供壓力油驅動油馬達，經1∶36行星減速機構減速後驅動電纜捲筒轉動，手動換向閥控制油馬達迴轉方向，使捲筒正、反轉動，完成電纜的卷繞或施放，減速器高速端裝有液壓制動器產生一制動力矩，當電纜拉力大於安全拉力時，制動器打滑以防止電纜被拉斷布纜器；小型齒輪油馬達驅動鏈輪，經1∶2.21減速後使兩個平行絲槓實現同步轉動，操作人員操動手動換向閥相應電纜捲筒的轉動，布纜架做左右水平移動，使電纜依次均勻平整地卷繞在捲筒上；電纜捲筒，電纜直徑d＝28mm，施放最大長度100M，捲筒直徑D＝560mm，長L＝560mm，D/d＝180，電纜有足夠的彎曲半徑，可防止電纜卷繞疲勞折斷，電纜可卷繞3層，捲筒最大轉速為15rpm，使收放電纜速度最大為30m/min，以便相應中繼器的吊放速度收放電纜。收放器由框架、浮力收放臂、U型吊放架、液壓系統、收放臂油缸、U形架油缸、電子控制艙等組成，並加掛雲臺、水下攝像機、水下燈、深度傳感器、磁羅盤、回收到位指示器等設備，在布置上結構簡單、工藝合理、實用可靠性及外形美觀的原則。(如圖2、圖3、圖4所示)。
收放器的底座為框架，其中框架是收放器的主體部分(如圖8所示)，主要由外部框架和內部框架組成，內框架為無纜水下機器人在放出前及回收後的「座位」、起定位作用，外部框架與內框架焊成一體，兩側焊有浮力收放臂和支架端裝有U形吊放架支架及它們的油缸支座、收放器所攜帶儀器設備大部分分布置在外框架內浮力收放臂，框架上部左右對稱地布置兩個浮力收放臂，浮力收放臂由外面收放臂框架、中間為浮力塊、可調浮力塊、木質填充料、木質夾頭及防撞緩衝帶組成，(如圖9所示)，浮力收放臂起到定位作用，它保證水下機器人在收放器中穩定定位，同時收放臂的浮力塊提供給整個收放器足夠的浮力。
浮力收放臂框架由LD2鋁合金50×50×5方型管材焊接而成，每一個收放臂中間布置一塊可調浮力塊，可調浮力塊兩側布置浮力塊，浮力塊與可調浮力塊的外形尺寸完全相同，即減輕了收放臂的重量，又可保證提供足夠的浮力，而且外觀整齊諧調，同時，當浮力不足時可調浮力塊內可填裝小塊的浮力材料以保證整個系統具有足夠的浮力，木質夾頭在回收過程中起抱緊「水下機器人」的作用，浮力收放臂在油缸驅動下，繞支架轉動，打開或閉合，放開或夾住「水下機器人」。
U形吊放架，是裝置在收放器的兩端頭處，由前後兩件基本相同的U形架組成，其端部設置搭接機構，吊放時兩U形架收起，並自動搭接鎖死，其上的起吊點由中繼器鎖栓鎖住後，方可將收放器放入水中，回收時開啟搭接機構，兩U形架由油缸驅動向收放器兩端翻轉置平，浮力收放臂開啟，形成回收狀態，(其結構如圖10所示)，收放器上設有縱向推進器，縱向推進器在框架後部，左右對稱布置，橫向推進器於框架前後對稱布置，收放器上同時設有液壓系統浮力收放臂與框架之間左右對稱布置兩個油缸以驅動收放臂，前後U形架與框架之間對稱布置四個油缸以驅動U形吊放架，油源電機、補償器、瀘油器及閥箱在框架底部，依次由後向前布置，電子控制艙布置在框架底部中前處，攝相機、水下燈及雲臺布置在框架前部，磁羅盤布置在框架前部，深度傳感器布置在框架中間，中繼器的結構特徵中繼器主要由框架、系纜收放裝置、吊放鎖栓裝置等組成，(如圖12所示)，呈開式框架結構，為防止海水中雜物侵入中繼器內部，影響各機構正常工作，框架內、外分設兩層防護金屬網板，中繼器框架主要由內部框架和外部框架組成，框架的尺寸(直徑、高)主要由系纜的總長及吊放載荷決定，在滿足排纜要求及結構強度要求的前提下，應採用儘量小的結構尺寸，內部框架主要用來安裝、固定系纜收放裝置及吊放鎖栓裝置，因此，它也是吊放載荷的直接承力部件，為減小中繼器尺寸、減輕重內部框架的環形槽鋼梁外圓尺寸與外部框架相同，通過螺栓相連接，為增加槽鋼翼板的抗彎模數，在開口端沿圓周方向均勻地加12塊加強筋板，環形槽鋼開口向外，目的是安裝方便，框架為焊接結構。
外部框架連接內部框架，並與內部框架同時構成系纜排放空間，依據所用系纜長度的變化，排纜空間可調整板升降來調節，外部框架上部與起吊纜連接，下部與內部框架連接，因此也是直接承力部件，為使載荷均勻分布，外部框架為上、下兩個環形槽鋼梁，以四根槽鋼立柱焊接相連；為增加剛度，在上部環形槽鋼梁加一「＋」字撐梁並沿圓周均勻布置四個起吊環以連接吊纜，在下部環形槽鋼梁開口處沿圓周方向均勻地加12塊加強筋，以增加槽鋼翼板的抗彎模數，吊放鎖栓裝置如圖15、16所示，吊放鎖栓裝置主要由氣缸、連杆機構、卡爪、吊放頭(錐狀掛鈎)、到位指示裝置、支架等組成，其連接是上面為氣缸，氣缸下面為連杆機構，連杆機構一端聯接卡爪，另一端通過B軸連接連杆1、2，系纜的端頭為錐狀掛鈎，到位指示裝置由一個常開常閉型磁力開關及磁鐵等組成。當開關與磁鐵間的距離增加到一定程度時，即會給出一個與閉合狀態相反的電信號，並顯示在水面控制臺上。
本發明的優點整體設計方案合理，結構緊湊，運行可靠，該系統結構在沒有專用母船及在4級海況下，水深30～50米回收自治式水下機器人，控制系統靈活，設備投資小，功能全，可作為各種水下潛水器控制使用。
本發明由以下實施例及附圖給出。
圖1為自治式潛水器下水回收系統總體結構圖；圖2為自治式潛水器下水回收系統收放器結構原理圖；圖3為自治式潛水器下水回收系統收放器結構正投影圖；圖4為自治式潛水器下水回收系統收放器合攏結構圖；圖5為自治式潛水器下水回收系統收放器合攏投影圖；圖6為自治式潛水器下水回收系統系纜絞車結構圖；圖7為自治式潛水器下水回收系統系纜絞車投影圖；圖8為自治式潛水器下水回收系統收放器框架結構圖；圖9為自治式潛水器下水回收系統收放器收放臂結構圖；圖10為自治式潛水器下水回收系統收放器U形吊放架結構圖；圖11為自治式潛水器下水回收系統收放器收放臂敝開結構圖；圖12為自治式潛水器下水回收系統中繼器結構圖；圖13為自治式潛水器下水回收系統中繼器驅動機構原理圖；圖14為自治式潛水器下水回收系統中繼器計數裝置原理圖；圖15為自治式潛水器下水回收系統中繼器吊放鎖栓結構圖；圖16為自治式潛水器下水回收系統中繼器吊放鎖栓投影圖。
總體結構由支持母船，水下回收系統組成，其工作過程是下水時，母船吊機將中繼器及同中繼器聯鎖在一起的呈吊放狀態的收放器(水下機器人坐在回收器內)由甲板吊起，移到母船舷外，施放吊纜，將中繼器、收放器、水下機器人施放到器中30～50米水深處(大於1/2波長)，同時電纜絞車相應施放電纜，操作人員開啟中繼器氣動鎖栓並施放系纜，收放器背負無纜水下機器人游離中繼器一定距離後，控制臺控制收放器液壓系統，打開自動搭接機構，前後兩U形架分別向下翻轉置平。隨後浮力收放臂張開，無纜水下機器人遊出，駛向作業場區。
當無纜水下機器人完成作業需回收時，此時收放器同中繼器基本處於同一水深，收放器順流定深定向，將中繼器施放出的系攬拉直。無纜水下機器人拋載上浮後，利用聲納引導進入電視搜索區，待找到串有白色浮力球的系纜後，無纜水下機器人自動跟蹤沿系纜找到收放器，再識別收放器上的兩個自色圓環靠攝象機引導無纜水下機器人由上方坐入收放器內，操縱控制臺控制收放器液壓系統將浮力臂收回，U形架上翻，並互相搭接，中繼器回收系纜，氣動鎖栓鎖住收放器，吊機和電纜絞車同時收纜，將中繼器、收放器和無纜水下機器人一起提升到母船甲板上。
潛水平臺式下水回收系統，通過中繼器將收放器置於作業海況1/2波長水深以下，收放器不會直接受到惡劣水麵條件的影響，母船的升沉、橫搖、縱搖運動能夠導致中繼器的垂向運動，但中繼器同收放器之間由近100米的中性系纜相連，因此，母船造成的激擾對收放器的影響很小。收放器本身裝有2臺2馬力的推進器使其做前進、後退、轉向運行，2臺1馬力推進器做升降運動，通過壓力傳感器、磁羅盤做一定精度的定深和定向控制，有可能使收放器在一定水深保持比較穩定位姿，以便於與無纜水下機器入對接。
下面為系統收放裝置工作原理系纜收放裝置主要由驅動機構、計數裝置及自動布纜機構組成。驅動機構則包括驅動電機、一級蝸輪杆減速器和驅動輪，從動輪等，如圖船所示；計數裝置則由裝於從動輪上的一塊磁鐵與一磁力開前組成，如圖14所示。
收纜時，電機正轉，通過速比為1∶30的單級蝸輪蝸杆減速器將動力傳遞給驅動輪，從動輪在彈簧壓力的作用下，與驅動輪一起夾緊系纜，產生摩擦力F摩，同時，為增加收纜拉力，將驅動輪製成齒形輪，在彈簧壓力的作用下，通過輪齒帶動系纜浮力球，向上提拉系纜，由於系纜浮力球的張緊作用，使系纜具有一定的剛性，在其通過系纜導向蓋並在頂部偏轉蓋的作用下，使系纜偏轉，沿頂部的橢球蓋向下彎繞，從而可以自動地將系纜均勻地、有序地布排在由內、外框架構成的環形布纜區間，從動輪在F摩的作用下隨系纜的運動而轉動，每轉動一圈，計數開關記下一數，每一個數則表系纜收回或放出0.61米。
收纜時，收放器應配合系纜收放裝置向上運動，以減小系纜收放阻力。
放纜時，電機反轉，情況與上述相反，除靠F摩和輪齒對系纜浮力球的帶動，收放器也要開動推進器下降從而對系纜產生一定的拉力，將系纜拉出。
收放器工作原理收放器回收時，系纜收放裝置收纜，固定於系纜上的錐狀掛鈎進入其導向筒並向上撞擊撥杆，帶動磁力開關頭脫離磁鐵上移，同時給出電信號，意味著收放器已回收到位，這時打開氣動系統，驅動兩側對稱的氣缸，推動連杆帶動卡爪以A點為基軸向上翻轉，當卡爪鎖面達到水平位置後，即鎖死錐狀掛鈎，連杆1、2成一條水平直線，並與軸B、C的連軸線重合，構成二力杆結構，錐狀掛鈎作用在鎖面的垂直力，可由作用於固定轉軸A的垂力及固定轉軸B的水平力共同承擔，從而達到自鎖，由於對氣缸活塞杆無作用力，因此只要避免氣缸的誤操作，這種鎖栓結構是安全、保險的。
收放器施放時，操作氣缸，回拉活塞杆，使卡爪繞A軸向上翻轉，脫離錐狀掛鈎，這時系纜收放裝置放纜，收放器開動推進器下降，即可游離中繼器。
該結構的鎖栓裝置，無論活塞杆的推出拉入都沒有很大的外界阻力，僅僅是克服運動件自身的重力矩及轉軸的摩擦力矩，因此系統壓力要求不高，同時，由於鎖緊位置時活塞杆不受任何方向的外力，因此對系統的保壓性能沒有特殊的要求。
中繼器工作原理中繼器直接由吊放系統的吊纜懸垂於水下大於1/2波長的水深處，在海上作業時，當中繼器施放水下機器人收放器時，先打開弔放鎖栓，由系纜收放裝置放纜，收放器游離中繼器，並通過中性系纜與中繼器保持聯繫，進而實施無纜水下機器人的施放工作；待無纜水下機器人作業完成，收放器回收無纜水下機器人後，一併駛向中繼器，這時系纜收放裝置收纜，中繼器可根據水下控制臺的信號，待收放器到位時，通過吊放鎖栓使收放器與中繼器聯鎖，原地待命，或由吊放系統一併收回。
權利要求
1.一種自治式潛水器下水回收系統，它是由支持母船和中繼器組成，其特徵是該回收系統由支持母船中繼器、水下收放器組成，其聯接是支持母船上裝有吊機，通過鋼絲繩與中繼器聯接，同時支持母船上設有電纜絞車通過電纜與中繼器聯接，中繼器通過中性電纜與收放器聯接。
2.按權利要求1所述之水下回收系統，其特徵是支持母船上的電纜絞車由驅動裝置，布纜器及電纜搭筒構成，其聯接是在絞車支架一側裝有液壓馬達經1∶36行星減速機聯接電纜捲筒，側面裝有手動換向閥，適時與布纜架聯接。
3.按權利要求1所述之水下回收系統，其特徵是收放器由框架，浮力收放臂，U形吊放架，液壓系統，收放臂油缸，U形架油缸，電子控制器等組成，並加掛雲臺，水下攝像機，水下燈，深度傳感器，磁羅盤，回收到位指示器等設備，其中框架是收放器的主體部分，由外框架和內框架組成，內框架為無纜水下機器人在放出前及回收後的定位處，外框架與內框架焊成一體，兩側焊有浮力收放臂，支架端頭裝有U形吊放架支架及油缸支座。
4.按權利要求1、3所述之回收系統，其特徵是框架上左右對稱地布置兩個浮力收放臂，該浮力收放臂由外收放臂框架，中間的浮力塊，可調浮力塊，木質填充料，木質夾頭及防撞緩衝帶組成，浮力收放臂與支架之間由轉軸聯接，並與油缸聯接，可作打開或閉合轉動。
5.按權利要求1、3所述之回收系統，其特徵是收放器上之U形吊放架放置在收放器的兩端，由前後兩件基本相同的U形架組成，其端部設置搭接機構，吊放時兩U形架收起，並自動搭接鎖死，其上的起吊是由中繼器鎖栓鎖住後，方可將收放器放入水中，回收時開放搭接機構，兩U形架由油缸驅動向收放器兩端翻轉量平，浮力收放臂開放，形成回收狀態。
6.按權利要求1、3所述之回收系統，其特徵是收放器框架後部裝有兩縱向推進器，且左右對接布置，框架前後裝有重向推進器，裡前後對稱布置。
7.按權利要求1、3所述之回收系統，其特徵是收放器的浮力收放臂與推架之間左右對稱布置兩個油缸，前後U形架與框架之間對稱布置四個油缸。
全文摘要
本裝置屬於水下機器人控制系統，本系統由支持母船、打撈救生船、中繼器、水下回收系統及水下機器人(自治式水下潛水器)組成，支持母船通過鋼絲繩與中繼順聯接，同時支持母船上設有電纜絞車通過電纜與中繼器聯接，中繼器通過中性系纜與收放器聯接，工作時通過聲納系統和收放器對無纜水下機器人進行控制回收，優點整體設計方案合理，結構緊湊、運行可靠、該系統能夠在4級海況下，水深30-50米回收水下無繩水下機器人。
文檔編號B63C11/52GK1132710SQ9511014
公開日1996年10月9日 申請日期1995年4月5日 優先權日1995年4月5日
發明者王棣棠, 徐鳳安, 康守權, 陳瑞雲, 林楊, 任淑燕, 高雲龍, 劉大路, 於開洋, 張竺英, 唐凱, 陳繼東, 葉奇 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所