CN110816754B - 水下机器人的机械臂式布放回收系统及其布放回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下机器人的机械臂式布放回收系统及其布放回收方法，机械臂的一端可拆卸地安装在母船上，卷扬止荡机构的上端通过连接板A铰接于机械臂的另一端；阻尼液压缸的一端安装于机械臂的另一端，阻尼液压缸的另一端与连接板A相连，卷扬止荡机构通过阻尼液压缸实现横摆和纵倾止荡，并在止荡后通过阻尼液压缸限位、锁紧；水下机器人的艏部安装有实现水下机器人在海平面上抛绳的抛绳机构，抛绳机构具有可释放抛出的艏部抛出浮力块，艏部抛出浮力块在释放抛出后带动连接至水下机器人上的抛绳缆绳展开，卷扬止荡机构的下端通过缆绳与抛出的抛绳缆绳连接。本发明可以实现高自动化、少人化操作，在很大程度上解放了人力。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种水下机器人的机械臂式布放回收系统及其布放回收方法。
背景技术
随着国家海洋战略的高度部署，海洋领域各种形式的水下机器人装备结构形式多样化、系统应用实用化、科学探测系列化。各种水下机器人在整个海洋应用领域蓬勃发展的态势下，如何在海洋作业少人化操作要求的前提下，更加高效的将水下机器人安全布放和回收，一直是一个国内外普遍存在的共性难题。
目前，水下机器人的布放和回收主要有四种方式：
第一种是采用浮船坞型和升降平台进行水下布放和对接回收作业，虽然能减小风浪的影响，但是需要专用支持母船，且专用母船造价和使用费用昂贵，不适合国内现状。
第二种是船舯月池回收，能够避免海浪对于布放和回收操作的影响；但是由于月池的尺寸有限，导致可支持收放的水下机器人尺寸仅限于小尺度和外形规则的形式。
第三种是在水面上用母船起吊回收，一般都需要工作人员乘坐机动艇靠近水下机器人完成与回收机构的对接；该作业方式受风浪影响较大，当海况差时容易出现设备损坏和人员伤害的情况；布放流程与回收流程互逆。
第四种是通过遥控命令将完成工作使命的水下机器人的抛绳器抛射出牵引绳，工作人员使用捞绳器将牵引绳回收后，从A型架中导入，并有工作人员逐渐牵引至母船艉部A型架的下方；由母船上工作人员使用长杆挂钩对接，再由多人组成的保障队伍在母船带速行进的工况下，进行止荡回收，该回收方法解决了有人下艇挂钩带来的危险性问题，使用成本较低。但是存在恶劣海况难以实现，通用性不强，多人化操作的问题。
因此，需要一种通用性强、少人化、自动化同时更加经济和可靠的布放回收装置及布放回收方法，使得水下机器人的布放回收实现更加合理。
发明内容
为了解决水下机器人布放回收时存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种水下机器人的机械臂式布放回收系统及其布放回收方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明的机械臂式布放回收系统包括母船、机械臂、卷扬止荡机构、抛绳机构及阻尼液压缸，其中机械臂的一端可拆卸地安装在母船上，所述卷扬止荡机构的上端通过连接板A铰接于机械臂的另一端；所述阻尼液压缸的一端安装于机械臂的另一端，该阻尼液压缸的另一端与所述连接板A相连，所述卷扬止荡机构通过该阻尼液压缸实现横摆和纵倾止荡，并在止荡后通过所述阻尼液压缸限位、锁紧；所述水下机器人的艏部安装有实现水下机器人在海平面上抛绳的抛绳机构，该抛绳机构具有可释放抛出的艏部抛出浮力块，该艏部抛出浮力块在释放抛出后带动连接至水下机器人上的抛绳缆绳展开，所述卷扬止荡机构的下端通过缆绳与抛出的抛绳缆绳连接；
其中：所述卷扬止荡机构包括周向回转调向机构、卷扬机构、捕捉支架及导向缓冲固定架，该周向回转调向机构包括吊环铰接连杆、连接块A、安装架、旋转马达及旋转轴，所述旋转马达通过安装架安装在所述导向缓冲固定架上，输出轴与所述旋转轴的下端相连，该旋转轴的上端与所述连接块A固定连接，所述连接块A上安装有吊环铰接连杆，所述连接板A的一端与机械臂的另一端铰接，该连接块A的另一端与所述吊环铰接连杆相连；所述卷扬机构包括缆绳、卷扬滚筒、动力源、支架A及旋转筒支转轴，该支架A安装在所述导向缓冲固定架上，所述卷扬滚筒通过旋转筒支转轴转动安装在该支架A上，所述动力源安装在支架A上，输出端与卷扬滚筒的一端相连、驱动卷扬滚筒旋转，所述缆绳的一端缠绕在卷扬滚筒上，另一端与所述抛绳机构抛出的抛绳缆绳连接；
所述导向缓冲固定架上安装有油液阻尼隔振器，该油液阻尼隔振器包括油液阻尼控制器及外部固定筒A，所述外部固定筒A安装在导向缓冲固定架上，所述油液阻尼控制器容置于该外部固定筒A中，上端与外部固定筒A的顶部连接，下端与所述捕捉支架相连；
所述导向缓冲固定架上安装有导向缸筒，该导向缸筒包括外部固定支撑套筒、内部固定耐磨套及内部随动缸杆，该外部固定支撑套筒安装于所述导向缓冲固定架上，所述内部固定耐磨套容置于外部固定支撑套筒内、并与该外部固定支撑套筒相连，所述内部随动缸杆可相对升降地容置于内部固定耐磨套内，下端与所述捕捉支架连接；
所述卷扬滚筒的一侧或两侧设有被动缆绳分散滚筒机构，该被动缆绳分散滚筒机构包括被动滚筒及支架B，所述支架B安装在支架A上，所述被动滚筒转动安装于该支架B上，所述卷扬滚筒与被动滚筒之间的间距小于缆绳直径的2倍；
所述导向缓冲固定架上安装有缆绳压紧机构，该缆绳压紧机构包括扭转弹簧、扭簧支撑杆、连接块B及缆绳压紧板，所述扭簧支撑杆通过连接块B安装在导向缓冲固定架上，所述缆绳压紧板的一端转动连接于扭簧支撑杆上，另一端为自由端，所述扭转弹簧套设在扭簧支撑杆上，两端分别与所述导向缓冲固定架及缆绳压紧板相抵接，该缆绳压紧板的自由端通过所述扭转弹簧的弹力抵接于缆绳上；
所述缆绳由导向缓冲固定架的底部穿出、与所述抛绳机构抛出的抛绳缆绳连接，在所述缆绳的外侧设有安装在导向缓冲固定架上的缆绳限位板；所述捕捉支架上安装有一级缓冲隔振垫，所述导向缓冲固定架下表面安装有二级缓冲隔振垫；
所述旋转轴与安装架之间设有对旋转轴进行轴向限位的耐磨铜环及对旋转轴进行径向限位的耐磨铜套A，该旋转轴的下端设有三角形连接型面、与所述旋转马达的输出轴末端相连；所述旋转轴的上端通过锁紧螺母A与连接块A的底部固定连接；
所述连接块A呈“U”型，所述吊环铰接连杆安装于“U”型的开口端，该吊环铰接连杆的一端为吊环，另一端开设有定位锁紧孔；
所述抛绳机构包括艏部抛出浮力块、本体及分别安装在该本体内的抛绳缆绳、固定支架、弹簧顶紧外推支撑机构、连杆锁紧机构和直流电机驱动器，该本体安装在水下机器人的艏部，通过抛绳缆绳与所述艏部抛出浮力块连接，该艏部抛出浮力块朝向本体的一侧设有锁紧固定杆；所述弹簧顶紧外推支撑机构包括外顶推杆、顶紧弹簧及外部固定筒B，该外部固定筒B安装于所述固定支架上，内部容置有顶紧弹簧，所述外顶推杆的一端可相对移动地插设于外部固定筒B内，另一端为自由端，该外顶推杆在艏部抛出浮力块处于锁紧状态被压缩在外部固定筒B中；所述连杆锁紧机构包括释放连杆、拉紧弹簧及释放凸轮，该释放凸轮连接于所述直流电机驱动器的输出端，在释放凸轮的两侧均设有所述释放连杆，每侧的释放连杆的一端铰接于所述固定支架上，另一端为开合端，两侧的所述释放连杆之间通过拉紧弹簧相连；所述锁紧固定杆在艏部抛出浮力块处于锁紧状态由两侧释放连杆另一端插入并卡在该端，所述直流电机驱动器驱动释放凸轮转动，带动两侧所述释放连杆外张，所述艏部抛出浮力块通过顶紧弹簧的弹力被抛出，两侧所述释放连杆通过拉紧弹簧的弹力复位；
所述锁紧固定杆的一端连接于艏部抛出浮力块上，另一端为锥形头，直径小的一端朝向所述本体；两侧所述释放连杆的另一端形成有导入槽，所述锥形头在艏部抛出浮力块处于锁紧状态由导入槽插入，且直径大的一端卡在导入槽内侧端部，锁紧所述艏部抛出浮力块；
所述导入槽的轴向截面呈锥形，直径小的一端朝向内侧；所述锥形头在插入导入槽的过程中将两侧的释放连杆向外推，两侧的所述释放连杆在锥形头插入后通过拉紧弹簧复位，使所述导入槽直径小的一端与锥形头直径大的一端端面卡接；
所述艏部抛出浮力块朝向本体的一侧开设有锁紧限位销孔，所述固定支架上对应安装有锁紧限位销轴，该锁紧限位销轴在所述艏部抛出浮力块处于锁紧状态插入锁紧限位销孔中进行限位固定；
所述外部固定筒B为中空结构，一端固接于所述固定支架上，另一端的内侧设有固定凸台，所述外顶推杆的一端沿轴向开设有导向销孔；所述顶紧弹簧的一端套设在固定凸台上并固定，另一端与所述外顶推杆的一端端部抵接；所述固定凸台在艏部抛出浮力块处于锁紧状态插入导向销孔内；
两侧所述释放连杆对称设置，一端均通过连杆固定丝杆铰接于所述固定支架上，并通过连杆固定螺母固定；两侧所述释放连杆一端之间的间距大于另一端之间的间距；
所述直流电机驱动器通过螺纹型面销轴与释放凸轮相连，该螺纹型面销轴的下部为四方连接型面，上部为圆柱、且制有外螺纹，所述螺纹型面销轴上部的圆柱由释放凸轮穿过，并通过锁紧螺母B将所述释放凸轮夹紧固定；
所述直流电机驱动器包括顶部型面传动限位顶块、螺纹型面销轴、末端密封端盖、轴端密封端盖、驱动器外固定筒及驱动电机，该驱动器外固定筒固接在固定支架上，上下两端分别密封连接有轴端密封端盖和末端密封端盖，所述驱动电机安装在驱动器外固定筒的内部；所述顶部型面传动限位顶块的下端与轴端密封端盖密封转动连接，且与所述驱动电机的输出轴相连，该顶部型面传动限位顶块的上端通过所述螺纹型面销轴与释放凸轮相连；
所述顶部型面传动限位顶块的上端开设有型面连接槽，与所述螺纹型面销轴的下端型面连接；所述轴端密封端盖的上端外边缘沿圆周方向均布有多个上凸螺钉固定台及多个下凹螺钉固定槽，各所述上凸螺钉固定台及下凹螺钉固定槽间隔布置，每个所述上凸螺钉固定台上均开设有螺钉固定孔；
本发明水下机器人的机械臂式布放回收系统的布放回收方法为：
所述水下机器人工作结束后，抛绳机构中的艏部抛出浮力块被释放抛出，带动抛绳缆绳展开，并在抛出后于海面上漂浮；然后，将所述抛绳缆绳捞起，与所述卷扬止荡机构中的缆绳相连，利用该卷扬止荡机构回收缆绳，进而将所述水下机器人回收；再通过所述机械臂将卷扬止荡机构、水下机器人回收至母船上，在回收的过程中，通过所述阻尼液压缸的作用实现横滚和纵倾复合止荡。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明方案设计合理，集成度高，将整个卷扬止荡机构高度集成，大大解放了收放装置对母船甲板的空间占用；同时，本发明是在充分考虑海上布放和回收作业危险性和工作环境复杂性的基础上，结合海上实际操作经验得出的；本发明采用多级缓冲止荡设计，将恶劣海况条件下的摇摆能分级释放，逐步缓冲，进一步提升了收放过程中的稳定性与安全性；本发明的布放回收系统可以实现高自动化、少人化操作，在很大程度上解放了人力，精简了保障队伍的规模。
2.本发明搭载方便，根据支持母船的接口设置，可以结合航次的需求灵活的进行装卸操作；而且，通用的机械臂可以灵活地拆卸其集成式卷扬止荡机构，实现机械臂的通用吊放功能，进一步提高甲板作业装备功能的通用性。
3.本发明收放功能通用性强、适用范围广，可以根据不同外结构型式的潜水灵活更换导引支架进行通用性的回收操作。
4.本发明整个布放或回收操作流程简单可靠、方法便于掌握，十分易于推广应用。
5.本发明的周向回转调向机构的传动连接采用型面连接，传动可靠，安装维护方便快捷。
6.本发明的油液阻尼隔振器隔振能力强、调节范围大，与一级缓冲隔振垫、二级缓冲隔振垫共同形成三级缓冲隔振方案，可以保障布放回收工作即便在高海况条件下，依然可以保证水下机器人的安全布放回收。
7.本发明的捕捉支架，根据不同外形的水下机器人可以做定制设计，在末端的连接接口上设计通用接口，根据收放需求可以灵活更换，实现一套系统配多套支架，实现一机多用的通用收放功能。
8.本发明设置了被动缆绳分散滚筒机构，保证了在卷扬过程中，被动的将收放缆绳并排缠绕。
9.本发明设置了缆绳压紧机构，机构在进行恒张力卷扬时，保证缆绳始终处于压紧状态，不会因为往复收放动作使得缆绳发生缠绕。
10.本发明的连杆锁紧机构结构简单，释放可靠，仅靠一级凸轮连杆快速传动释放，高效快捷，方便实用。
附图说明
图1为本发明机械臂式布放回收系统的整体结构示意图；
图2为本发明卷扬止荡机构的立体结构示意图之一；
图3为本发明卷扬止荡机构的立体结构示意图之二；
图4为本发明卷扬止荡机构中周向回转调向机构处的立体剖视图；
图5为本发明卷扬止荡机构中卷扬机构的立体结构示意图之一；
图6为本发明卷扬止荡机构中卷扬机构的立体结构示意图之二；
图7为本发明卷扬止荡机构中导向缸筒的立体剖视图；
图8为本发明卷扬止荡机构中油液阻尼隔振器的立体剖视图；
图9为本发明抛绳机构的立体结构示意图；
图10为本发明抛绳机构中弹簧顶紧外推支撑机构的立体结构剖视图；
图11为本发明抛绳机构中连杆锁紧机构的结构俯视图；
图12为本发明抛绳机构中直流电机驱动器的结构剖视图；
图13为图12中螺纹型面销轴的立体结构示意图；
图14为本发明抛绳机构中直流电机驱动器的立体结构示意图；
其中：1为母船，2为机械臂，3为卷扬止荡机构；
301为周向回转调向机构，30101为吊环铰接连接杆，30102为连接块A，30103为固定板A，30104为支撑板A，30105为固定板B，30106为固定板C，30107为旋转马达，30108为输出轴末端，30109为三角形连接型面，30110为耐磨铜套A，30111为旋转轴，30112为锁紧螺母A，30113为定位锁紧孔，30114为耐磨铜环，30115为螺钉A；
302为卷扬机构，30201为缆绳，30202为缆绳限位板，30203为卷扬滚筒，30204为连接法兰A，30205为卷扬减速器，30206为卷扬马达，30207为支架A，30208为螺钉C，30209为旋转筒支转轴，30210为耐磨铜套B；
303为油液阻尼隔振器，30301为油液阻尼控制器，30302为锁紧块，30303为外部固定筒A，30304为外螺纹连接头A，30305为外螺纹连接头B；
304为导向缸筒，30401为外部固定支撑套筒，30402为内部固定耐磨套，30403为端部法兰压紧板，30404为内部随动缸杆，30405为内部锁紧螺纹，30406为螺钉E，30407为连接法兰B；
305为被动缆绳分散滚筒机构，30501为被动滚筒，30502为支架B，30503为螺钉D；
306为缆绳压紧机构，30601为扭转弹簧，30602为扭簧支撑杆，30603为连接块B，30604为缆绳压紧板，30605为螺钉B；
307为捕捉支架，308为一级缓冲隔振垫，309为二级缓冲隔振垫，310为导向缓冲固定架；
4为水下机器人，5为抛绳机构；
501为艏部抛出浮力块，50101为锁紧固定杆，50102为锥形头，50103为锁紧限位销孔，50104为吊环螺钉，50105为锁紧限位销轴；
502为本体，503为抛绳缆绳，504为固定支架；
505为弹簧顶紧外推支撑机构，50501为外顶推杆，50502为凸台，50503为顶紧弹簧，50504为外部固定筒B，50505为固定凸台，50506为螺钉F，50507为导向销孔；
506为连杆锁紧机构，50601为释放连杆，50602为拉紧弹簧，50603为释放凸轮，50604为螺钉G，50605为连杆固定丝杆，50606为连杆固定螺母；
507为直流电机驱动器，50701为顶部型面传动限位顶块，50702为螺钉H，50703为导向带，50704为O型密封圈，50705为静密封圈A，50706为锁紧螺母B，50707为螺纹型面销轴，507071为四方连接型面，507072为圆柱，50708为末端密封端盖，50709为轴端密封端盖，50710为螺纹副，50711为螺钉I，50712为驱动器外固定筒，50713为驱动电机，50714为静密封圈B，50715为螺钉J，50716为导入槽，50717为螺钉固定孔，50718为型面连接槽，50719为上凸螺钉固定台，50720为下凹螺钉固定槽；
6为连接板A，7为阻尼液压缸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示，本发明机械臂式布放回收系统包括母船1、机械臂2、卷扬止荡机构3、抛绳机构5、连接板A6及阻尼液压缸7，其中机械臂2的一端可拆卸地安装在母船1，可以根据支持母船1所提供的安装接口和航次需求进行灵活的安装和拆卸，以保障该航次对水下机器人4的收放操作，同时也可以对其他装备进行吊放操作；卷扬止荡机构3的上端通过连接板A6铰接于机械臂2的另一端；阻尼液压缸7的缸体安装于机械臂2的另一端，该阻尼液压缸7的活塞杆与连接板A6相连，卷扬止荡机构3通过阻尼液压缸7实现横摆和纵倾复合止荡，并在止荡后通过阻尼液压缸7限位、锁紧。水下机器人4的艏部安装有抛绳机构5，用于实现水下机器人4在海平面上的快速抛绳功能，该抛绳机构5具有可释放抛出的艏部抛出浮力块501，艏部抛出浮力块501在释放抛出后带动连接至水下机器人4上的抛绳缆绳503展开，卷扬止荡机构3的下端通过缆绳30201与抛出的抛绳缆绳503连接。
如图2、图3所示，卷扬止荡机构3包括周向回转调向机构301、卷扬机构302、油液阻尼隔振器303、导向缸筒304、被动缆绳分散滚筒机构305、缆绳压紧机构306、捕捉支架307、一级缓冲隔振垫308、二级缓冲隔振垫309及导向缓冲固定架310，其中卷扬机构302位于导向缓冲固定架310中，在卷扬机构302的左右两侧均设有安装在导向缓冲固定架310上的油液阻尼隔振器303及导向缸筒304；卷扬机构302的前侧和/或后侧设有使缆绳30201分散并排缠绕的被动缆绳分散滚筒机构305，卷扬机构302的上方设有压紧缆绳的缆绳压紧机构306。捕捉支架307位于导向缓冲固定架310的下方，卷扬机构302中的油液阻尼隔振器303及导向缸筒304分别与捕捉支架307相连，捕捉支架307呈弧状，与水下机器人4接触的一侧设有一级缓冲隔振垫308，导向缓冲固定架310下表面安装有二级缓冲隔振垫309。本发明的导向缓冲固定架310可根据不同外形的水下机器人4定制设计，在末端的连接接口上设计通用接口，根据收放需求可以灵活更换。
如图2～4所示，周向回转调向机构301包括吊环铰接连杆30101、连接块A30102、安装架、旋转马达30107、耐磨铜套A30110、旋转轴30111、锁紧螺母A30112及耐磨铜环30114，其中导向缓冲固定架310的上部设有固定板C30106，安装架固定在固定板C30106的上表面中间位置，包括固定板A30103、支撑板A30104及固定板B30105，支撑板A30104为两块、平行设置，固定板A30103的左右两端分别通过螺钉A30115固接于两块支撑板A30104的顶部，在固定板A30103的下方、位于两块支撑板A30104之间，通过螺钉固接有与固定板A30103平行的固定板B30105。固定板B30105中间开孔，旋转马达30107固接于固定板B30105的下表面，输出轴末端30108由固定板B30105上的开孔穿过，并通过旋转轴30111与连接块A30102转动连接。旋转轴30111中部外侧与固定板A30103之间设有对旋转轴30111进行径向限位的耐磨铜套A30110，旋转轴30111通过耐磨铜套A30110隔离，并与固定板A30103构成转动副连接，旋转轴30111与耐磨铜套A30110之间为间隙配合；旋转轴30111的下端(大端)内侧设有三角形连接型面30109，旋转马达30107的输出轴末端30108外侧设有三角形连接型面，旋转马达30107与旋转轴30111通过型面连接传递扭矩，旋转轴30111的上端通过锁紧螺母A30112与连接块A30102的底部固定连接。连接块A30102呈“U”型，该“U”型的开口端安装有吊环铰接连杆30101，吊环铰接连杆30101的一端为吊环，另一端开设有定位锁紧孔30113，连接板A6的一端与机械臂2的另一端铰接，该连接板A6的另一端与吊环铰接连杆30101相连。在固定板A30103的上下两侧均设有套在旋转轴30111上、对旋转轴30111进行轴向限位的耐磨铜环30114，旋转轴30111与耐磨铜环30114之间为间隙配合；位于上方的耐磨铜环30114通过锁紧螺母A30112与固定板A30103固定，位于下方的耐磨铜环30114通过旋转轴30111的大端与固定板A30103固定；同时，上下两个耐磨铜环30114也对耐磨铜套A30110进行轴向限位。
如图2、图3及图5、图6所示，卷扬机构302包括缆绳30201、缆绳限位板30202、卷扬滚筒30203、连接法兰A30204、动力源、支架A30207、旋转筒支转轴30209及耐磨铜套B30210，支架A30207固定在导向缓冲固定架310的底面，卷扬滚筒30203通过旋转筒支转轴30209转动安装在支架A30207上，动力源安装在支架A30207上，输出端与卷扬滚筒30203的一端相连、驱动卷扬滚筒30203旋转，缆绳30201的一端缠绕在卷扬滚筒30203上，另一端为自由端，与抛绳机构5抛出的抛绳缆绳503相连接。本实施例的动力源包括通过螺钉固定连接的卷扬减速器30205及卷扬马达30206，该卷扬减速器30205与卷扬马达30206一起通过螺钉固定到支架A30207上。卷扬滚筒30203内部左侧设有连接法兰A30204，该连接法兰A30204通过螺钉与卷扬减速器30205的法兰盘固接；法兰连接较普通的轴键连接更加可靠、便捷、利于维护。卷扬滚筒30203的右侧通过螺钉C30208固接到旋转筒支转轴30209的左侧法兰上，旋转筒支转轴30209通过耐磨铜套B30210与支架A30207建立转动副连接。缆绳30201由导向缓冲固定架310底部开设的孔中穿出、与抛绳机构5抛出的抛绳缆绳503相连，在缆绳30201的外侧(即远离卷扬滚筒30203的一侧)设有安装在导向缓冲固定架310上的缆绳限位板30202，使缆绳30201内收。
卷扬滚筒30203的一侧或两侧设有被动缆绳分散滚筒机构305，该被动缆绳分散滚筒机构305包括被动滚筒30501及支架B30502，支架B30502通过螺钉D30503安装在支架A30207或导向缓冲固定架310上，被动滚筒30501转动安装于该支架B30502上，卷扬滚筒30203与被动滚筒30501之间的间距小于缆绳30201直径的2倍。本实施例是在卷扬滚筒30203的前侧设置一个被动缆绳分散滚筒机构305，缆绳30201缠绕在卷扬滚筒30203的过程中，被动缆绳分散滚筒机构305中的被动滚筒30501与缆绳30201接触，使每一层的缆绳30201均并排缠绕。本发明的缆绳30201为凯夫拉缆绳。
卷扬滚筒30203的上方设有安装在导向缓冲固定架310的缆绳压紧机构306，该缆绳压紧机构306包括扭转弹簧30601、扭簧支撑杆30602、连接块B30603及缆绳压紧板30604，扭簧支撑杆30602的两端分别设有连接块B30603，两端的连接块B30603分别通过螺钉B30605固接在导向缓冲固定架310上，缆绳压紧板30604的一端转动连接于扭簧支撑杆30602上，另一端为自由端，扭转弹簧30601套设在扭簧支撑杆30602上，两端分别与导向缓冲固定架310及缆绳压紧板30604相抵接，该缆绳压紧板30604的自由端通过扭转弹簧30601的弹力向下张紧，将缆绳30201压紧。
如图2、图3及图8所示，卷扬机构302的左右两侧均设有安装在导向缓冲固定架310上的油液阻尼隔振器303，该油液阻尼隔振器303包括油液阻尼控制器30301、锁紧块30302及外部固定筒A30303，油液阻尼隔振器303整体通过外部固定筒A30303的外侧法兰固定在导向缓冲固定架310上，油液阻尼控制器30301容置于该外部固定筒A30303中，上端设有外螺纹连接头A30304，用于与锁紧块30302螺纹连接，并且将外部固定筒A30303夹紧固定在油液阻尼控制器30301与锁紧块30302之间；油液阻尼控制器30301的下端设有外螺纹连接头B30305，用于与连接板B311相连，捕捉支架307安装在该连接板B311的下表面。本发明的油液阻尼控制器30301为市购产品，购置于德国博圣科技有限公司，型号为HBY-14/40。
如图2、图3及图7所示，卷扬机构302的左右两侧均设有安装在导向缓冲固定架310上的导向缸筒304，该导向缸筒304包括外部固定支撑套筒30401、内部固定耐磨套30402、端部法兰压紧板30403、内部随动缸杆30404及连接法兰B30407，外部固定支撑套筒30401的下端设有连接法兰B30407，该连接法兰B30407固定在导向缓冲固定架310上；内部固定耐磨套30402容置于外部固定支撑套筒30401内，上端通过螺钉E30406与端部法兰压紧板30403固接，并将端部法兰压紧板30403和内部固定耐磨套30402一起压紧固定到外部固定支撑套筒30401的上端。内部随动缸杆30404可相对升降地容置于内部固定耐磨套30402内，用于实现随动导向功能，内部随动缸杆30404的下端设有内部锁紧螺纹30405，用于将内部随动缸杆30404与连接板B311连接。
如图9所示，抛绳机构5包括艏部抛出浮力块501、本体502及分别安装在该本体502内的抛绳缆绳503、固定支架504、弹簧顶紧外推支撑机构505、连杆锁紧机构506和直流电机驱动器507，其中本体502安装在水下机器人4的艏部，通过抛绳缆绳503与艏部抛出浮力块501连接，艏部抛出浮力块501在锁紧状态通过连杆锁紧机构506锁紧。
如图9、图10所示，艏部抛出浮力块501整体呈锥台状，直径小的一端端面为圆弧过渡，以减小在水中的阻力；艏部抛出浮力块501朝向本体502的一侧表面上设有锁紧固定杆50101，锁紧固定杆50101的一端通过环氧树脂粘结剂(如502胶)粘接于艏部抛出浮力块501上，另一端为锥形头50102，直径小的一端朝向本体502，用于与连杆锁紧机构506锁紧连接。艏部抛出浮力块501朝向本体502的一侧表面中部沿轴向开设有锁紧限位销孔50103。固定支架504上对应安装有锁紧限位销轴50105，该锁紧限位销轴50105在艏部抛出浮力块501处于锁紧状态插入锁紧限位销孔50103中进行限位固定。艏部抛出浮力块501朝向本体502的一侧表面下部设有吊环螺钉50104，该吊环螺钉50104的一端通过环氧树脂粘结剂粘接在艏部抛出浮力块501上，另一端呈环状、用于与抛绳缆绳503系紧连接。
弹簧顶紧外推支撑机构505包括外顶推杆50501、顶紧弹簧50503及外部固定筒B50504，该外部固定筒B50504为中空结构，一端通过螺钉F50506固接于固定支架504上，另一端的内侧设有圆柱状的固定凸台50505；外顶推杆50501的一端可相对移动地插设于外部固定筒B50504内，另一端为自由端，外顶推杆50501的一端设有环状的凸台50502。外顶推杆50501的内部容置有顶紧弹簧50503，该顶紧弹簧50503的一端套设在固定凸台50505上并固定，另一端与外顶推杆50501一端的凸台50502端部抵接。顶紧弹簧50503向左侧顶紧凸台50502，使外顶推杆50501受到持续向左的推力；当外顶推杆50501向左推到极限位置时，凸台50502顶紧限位到固定支架504上。外顶推杆50501的一端沿轴向开设有导向销孔50507，该导向销孔50507的轴向中心线与固定凸台50505的轴向中心线共线；当外顶推杆50501被艏部抛出浮力块501推到与固定支架504齐平时，固定凸台50505插入到导向销孔50507内部，此时，艏部抛出浮力块501朝向本体502一侧平面与本体502左侧平面贴紧，锥形头50102与连杆锁紧机构506锁紧固定，顶紧弹簧50503处于最大受压状态。
如图9、图11所示，连杆锁紧机构506包括释放连杆50601、拉紧弹簧50602、释放凸轮50603、连杆固定丝杆50605及连杆固定螺母50606，该释放凸轮50603连接于直流电机驱动器507的输出端，在释放凸轮50603的两侧对称设有释放连杆50601，每侧的释放连杆50601的一端均通过连杆固定丝杆50605铰接于固定支架504上，并通过连杆固定螺母50606固定，每侧的释放连杆50601的另一端为开合端；两侧释放连杆50601一端之间的间距大于另一端之间的间距。两侧的释放连杆50601之间通过拉紧弹簧50602相连。两侧释放连杆50601的另一端形成有导入槽50716，导入槽50716的轴向截面呈锥形，直径小的一端朝向内侧；锥形头50102在艏部抛出浮力块501处于锁紧状态由导入槽50716插入，在插入导入槽50716的过程中将两侧的释放连杆50601向外推，两侧的释放连杆50601在锥形头50102插入后通过拉紧弹簧50602复位，使所述导入槽50716直径小的一端与锥形头50102直径大的一端端面卡接，锁紧艏部抛出浮力块501。
如图9、图12～14所示，直流电机驱动器507包括顶部型面传动限位顶块50701、导向带50703、O型密封圈50704、静密封圈A50705、锁紧螺母B50706、螺纹型面销轴50707、末端密封端盖50708、轴端密封端盖50709、驱动器外固定筒50712、驱动电机50713及静密封圈B50714，该驱动器外固定筒50712固接在固定支架504上，轴端密封端盖50709通过螺钉H50702固接在驱动器外固定筒50712的上端，末端密封端盖50708通过螺钉J50715固接在驱动器外固定筒50712的下端。驱动电机50713通过螺钉I50711固定在驱动器外固定筒50712的内部法兰上。顶部型面传动限位顶块50701的下端与轴端密封端盖50709密封转动连接，在顶部型面传动限位顶块50701的下端与轴端密封端盖50709之间设有导向带50703，防止顶部型面传动限位顶块50701与轴端密封端盖50709之间直接转动摩擦。驱动电机50713的输出轴与顶部型面传动限位顶块50701的下端通过螺纹副50710固定连接，顶部型面传动限位顶块50701的上端通过螺纹型面销轴50707与释放凸轮50603相连。螺纹型面销轴50707的下部为四方连接型面507071(即方形块)，上部为圆柱507072、且制有外螺纹，螺纹型面销轴50707上部的圆柱由释放凸轮50603穿过，并通过上下设置的一对锁紧螺母B50706将释放凸轮50603锁紧到螺纹型面销轴50707上，使释放凸轮50603能由驱动电机50713直接驱动。顶部型面传动限位顶块50701的上端开设有方形的型面连接槽50718，与螺纹型面销轴50707下端的四方连接型面507071连接。轴端密封端盖50709的上端外边缘沿圆周方向均布有多个上凸螺钉固定台50719及多个下凹螺钉固定槽50720，各上凸螺钉固定台50719及下凹螺钉固定槽50720间隔布置，每个上凸螺钉固定台50719上均开设有螺钉固定孔50717，通过螺钉固定孔50717将直流电机驱动器507固定到固定支架504上。
本发明水下机器人的机械臂式布放回收系统的布放回收方法为：
水下机器人4工作使命结束后，工作人员通过遥控触发水下机器人4艏部的抛绳机构5中的直流电机驱动器507，将艏部抛出浮力块501快速释放抛出、带动抛绳缆绳503展开，并在抛出后于海面上漂浮；然后，再由人工将抛绳缆绳503捞起，与卷扬止荡机构3中的缆绳30201相连，利用卷扬止荡机构3回收缆绳30201，进而将水下机器人4回收；再通过机械臂2将卷扬止荡机构3、水下机器人4回收至母船1上，在回收的过程中，通过阻尼液压缸7的作用实现横滚和纵倾复合止荡，实现对水下机器人4的安全回收。具体为：
抛绳机构5：锁紧固定杆50101在艏部抛出浮力块501处于锁紧状态由两侧释放连杆50601另一端形成的导入槽50716插入并卡紧，锁紧限位销轴50105插入锁紧限位销孔50103内进行限位固定。此时，外顶推杆50501压缩顶紧弹簧50503，被艏部抛出浮力块501推到左端与固定支架504齐平，固定凸台50505插入导向销孔50507内。释放时，由直流电机驱动器507带动释放凸轮50603将两侧的释放连杆50601张开，解除对锥形头50102的限位；此时，被压缩的顶紧弹簧50503将外顶推杆50501向外推出，借助海浪作用将艏部抛出浮力块501抛出。释放后的艏部抛出浮力块501在海浪的作用下漂浮，带动抛绳缆绳503快速展开。两侧的释放连杆50601通过拉紧弹簧50602的弹力复位。
卷扬止荡机构3：在布放回收过程中，旋转马达30107工作，由于旋转轴30111与连接块A30102通过锁紧螺母A30112连接，因连接块A30102又固定在机械臂2的末端，因此旋转马达30107驱动旋转轴30111以下的部分(包括安装架、导向缓冲固定架310、捕捉支架307)与旋转轴30111产生相对转动，实现回转调向。卷扬马达30206及卷扬减速器30205驱动卷扬滚筒30203转动，对缆绳30201进行布放或回收，进而实现水下机器人4相对于捕捉支架307的布放或回收。导向缸筒304可起到导引作用，油液阻尼隔振器303可起到缓冲作用，被动缆绳分散滚筒机构305使缆绳30201每层均并排缠绕，机构在进行恒张力卷扬时，缆绳压紧机构306能够保证缆绳30201始终处于压紧状态，不会因为往复收放动作使得缆绳30201发生缠绕。
Claims (18)
1.一种水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：包括母船(1)、机械臂(2)、卷扬止荡机构(3)、抛绳机构(5)及阻尼液压缸(7)，其中机械臂(2)的一端可拆卸地安装在母船(1)上，所述卷扬止荡机构(3)的上端通过连接板A(6)铰接于机械臂(2)的另一端；所述阻尼液压缸(7)的一端安装于机械臂(2)的另一端，该阻尼液压缸(7)的另一端与所述连接板A(6)相连，所述卷扬止荡机构(3)通过该阻尼液压缸(7)实现横摆和纵倾止荡，并在止荡后通过所述阻尼液压缸(7)限位、锁紧；所述水下机器人(4)的艏部安装有实现水下机器人(4)在海平面上抛绳的抛绳机构(5)，该抛绳机构(5)具有可释放抛出的艏部抛出浮力块(501)，该艏部抛出浮力块(501)在释放抛出后带动连接至水下机器人(4)上的抛绳缆绳(503)展开，所述卷扬止荡机构(3)的下端通过缆绳(30201)与抛出的抛绳缆绳连接；
所述卷扬止荡机构(3)包括周向回转调向机构(301)、卷扬机构(302)、捕捉支架(307)及导向缓冲固定架(310)，该周向回转调向机构(301)包括吊环铰接连杆(30101)、连接块A(30102)、安装架、旋转马达(30107)及旋转轴(30111)，所述旋转马达(30107)通过安装架安装在所述导向缓冲固定架(310)上，输出轴与所述旋转轴(30111)的下端相连，该旋转轴(30111)的上端与所述连接块A(30102)固定连接，所述连接块A(30102)上安装有吊环铰接连杆(30101)，所述连接板A(6)的一端与机械臂(2)的另一端铰接，该连接板A(6)的另一端与所述吊环铰接连杆(30101)相连；所述卷扬机构(302)包括缆绳(30201)、卷扬滚筒(30203)、动力源、支架A(30207)及旋转筒支转轴(30209)，该支架A(30207)安装在所述导向缓冲固定架(310)上，所述卷扬滚筒(30203)通过旋转筒支转轴(30209)转动安装在该支架A(30207)上，所述动力源安装在支架A(30207)上，输出端与卷扬滚筒(30203)的一端相连、驱动卷扬滚筒(30203)旋转，所述缆绳(30201)的一端缠绕在卷扬滚筒(30203)上，另一端与所述抛绳机构(5)抛出的抛绳缆绳(503)连接。
2.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述导向缓冲固定架(310)上安装有油液阻尼隔振器(303)，该油液阻尼隔振器(303)包括油液阻尼控制器(30301)及外部固定筒A(30303)，所述外部固定筒A(30303)安装在导向缓冲固定架(310)上，所述油液阻尼控制器(30301)容置于该外部固定筒A(30303)中，上端与外部固定筒A(30303)的顶部连接，下端与所述捕捉支架(307)相连。
3.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述导向缓冲固定架(310)上安装有导向缸筒(304)，该导向缸筒(304)包括外部固定支撑套筒(30401)、内部固定耐磨套(30402)及内部随动缸杆(30404)，该外部固定支撑套筒(30401)安装于所述导向缓冲固定架(310)上，所述内部固定耐磨套(30402)容置于外部固定支撑套筒(30401)内、并与该外部固定支撑套筒(30401)相连，所述内部随动缸杆(30404)可相对升降地容置于内部固定耐磨套(30402)内，下端与所述捕捉支架(307)连接。
4.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述卷扬滚筒(30203)的一侧或两侧设有被动缆绳分散滚筒机构(305)，该被动缆绳分散滚筒机构(305)包括被动滚筒(30501)及支架B(30502)，所述支架B(30502)安装在支架A(30207)上，所述被动滚筒(30501)转动安装于该支架B(30502)上，所述卷扬滚筒(30203)与被动滚筒(30501)之间的间距小于缆绳(30201)直径的2倍。
5.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述导向缓冲固定架(310)上安装有缆绳压紧机构(306)，该缆绳压紧机构(306)包括扭转弹簧(30601)、扭簧支撑杆(30602)、连接块B(30603)及缆绳压紧板(30604)，所述扭簧支撑杆(30602)通过连接块B(30603)安装在导向缓冲固定架(310)上，所述缆绳压紧板(30604)的一端转动连接于扭簧支撑杆(30602)上，另一端为自由端，所述扭转弹簧(30601)套设在扭簧支撑杆(30602)上，两端分别与所述导向缓冲固定架(310)及缆绳压紧板(30604)相抵接，该缆绳压紧板(30604)的自由端通过所述扭转弹簧(30601)的弹力抵接于缆绳(30201)上。
6.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述缆绳(30201)由导向缓冲固定架(310)的底部穿出、与所述抛绳机构(5)抛出的抛绳缆绳(503)连接，在所述缆绳(30201)的外侧设有安装在导向缓冲固定架(310)上的缆绳限位板(30202)；所述捕捉支架(307)上安装有一级缓冲隔振垫(308)，所述导向缓冲固定架(310)下表面安装有二级缓冲隔振垫(309)。
7.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述旋转轴(30111)与安装架之间设有对旋转轴(30111)进行轴向限位的耐磨铜环(30114)及对旋转轴(30111)进行径向限位的耐磨铜套A(30110)，该旋转轴(30111)的下端设有三角形连接型面(30109)、与所述旋转马达(30107)的输出轴末端(30108)相连；所述旋转轴(30111)的上端通过锁紧螺母A(30112)与连接块A(30102)的底部固定连接。
8.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述连接块A(30102)呈“U”型，所述吊环铰接连杆(30101)安装于“U”型的开口端，该吊环铰接连杆(30101)的一端为吊环，另一端开设有定位锁紧孔(30113)。
9.根据权利要求1所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述抛绳机构(5)包括艏部抛出浮力块(501)、本体(502)及分别安装在该本体(502)内的抛绳缆绳(503)、固定支架(504)、弹簧顶紧外推支撑机构(505)、连杆锁紧机构(506)和直流电机驱动器(507)，该本体(502)安装在水下机器人(4)的艏部，通过抛绳缆绳(503)与所述艏部抛出浮力块(501)连接，该艏部抛出浮力块(501)朝向本体(502)的一侧设有锁紧固定杆(50101)；所述弹簧顶紧外推支撑机构(505)包括外顶推杆(50501)、顶紧弹簧(50503)及外部固定筒B(50504)，该外部固定筒B(50504)安装于所述固定支架(504)上，内部容置有顶紧弹簧(50503)，所述外顶推杆(50501)的一端可相对移动地插设于外部固定筒B(50504)内，另一端为自由端，该外顶推杆(50501)在艏部抛出浮力块(501)处于锁紧状态被压缩在外部固定筒B(50504)中；所述连杆锁紧机构(506)包括释放连杆(50601)、拉紧弹簧(50602)及释放凸轮(50603)，该释放凸轮(50603)连接于所述直流电机驱动器(507)的输出端，在释放凸轮(50603)的两侧均设有所述释放连杆(50601)，每侧的释放连杆(50601)的一端铰接于所述固定支架(504)上，另一端为开合端，两侧的所述释放连杆(50601)之间通过拉紧弹簧(50602)相连；所述锁紧固定杆(50101)在艏部抛出浮力块(501)处于锁紧状态由两侧释放连杆(50601)另一端插入并卡在该端，所述直流电机驱动器(507)驱动释放凸轮(50603)转动，带动两侧所述释放连杆(50601)外张，所述艏部抛出浮力块(501)通过顶紧弹簧(50503)的弹力被抛出，两侧所述释放连杆(50601)通过拉紧弹簧(50602)的弹力复位。
10.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述锁紧固定杆(50101)的一端连接于艏部抛出浮力块(501)上，另一端为锥形头(50102)，直径小的一端朝向所述本体(502)；两侧所述释放连杆(50601)的另一端形成有导入槽(50716)，所述锥形头(50102)在艏部抛出浮力块(501)处于锁紧状态由导入槽(50716)插入，且直径大的一端卡在导入槽(50716)内侧端部，锁紧所述艏部抛出浮力块(501)。
11.根据权利要求10所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述导入槽(50716)的轴向截面呈锥形，直径小的一端朝向内侧；所述锥形头(50102)在插入导入槽(50716)的过程中将两侧的释放连杆(50601)向外推，两侧的所述释放连杆(50601)在锥形头(50102)插入后通过拉紧弹簧(50602)复位，使所述导入槽(50716)直径小的一端与锥形头(50102)直径大的一端端面卡接。
12.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述艏部抛出浮力块(501)朝向本体(502)的一侧开设有锁紧限位销孔(50103)，所述固定支架(504)上对应安装有锁紧限位销轴(50105)，该锁紧限位销轴(50105)在所述艏部抛出浮力块(501)处于锁紧状态插入锁紧限位销孔(50103)中进行限位固定。
13.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述外部固定筒B(50504)为中空结构，一端固接于所述固定支架(504)上，另一端的内侧设有固定凸台(50505)，所述外顶推杆(50501)的一端沿轴向开设有导向销孔(50507)；所述顶紧弹簧(50503)的一端套设在固定凸台(50505)上并固定，另一端与所述外顶推杆(50501)的一端端部抵接；所述固定凸台(50505)在艏部抛出浮力块(501)处于锁紧状态插入导向销孔(50507)内。
14.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：两侧所述释放连杆(50601)对称设置，一端均通过连杆固定丝杆(50605)铰接于所述固定支架(504)上，并通过连杆固定螺母(50606)固定；两侧所述释放连杆(50601)一端之间的间距大于另一端之间的间距。
15.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述直流电机驱动器(507)通过螺纹型面销轴(50707)与释放凸轮(50603)相连，该螺纹型面销轴(50707)的下部为四方连接型面(507071)，上部为圆柱(507072)、且制有外螺纹，所述螺纹型面销轴(50707)上部的圆柱由释放凸轮(50603)穿过，并通过锁紧螺母B(50706)将所述释放凸轮(50603)夹紧固定。
16.根据权利要求9所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述直流电机驱动器(507)包括顶部型面传动限位顶块(50701)、螺纹型面销轴(50707)、末端密封端盖(50708)、轴端密封端盖(50709)、驱动器外固定筒(50712)及驱动电机(50713)，该驱动器外固定筒(50712)固接在固定支架(504)上，上下两端分别密封连接有轴端密封端盖(50709)和末端密封端盖(50708)，所述驱动电机(50713)安装在驱动器外固定筒(50712)的内部；所述顶部型面传动限位顶块(50701)的下端与轴端密封端盖(50709)密封转动连接，且与所述驱动电机(50713)的输出轴相连，该顶部型面传动限位顶块(50701)的上端通过所述螺纹型面销轴(50707)与释放凸轮(50603)相连。
17.根据权利要求16所述水下机器人的机械臂式布放回收系统，其特征在于：所述顶部型面传动限位顶块(50701)的上端开设有型面连接槽(50718)，与所述螺纹型面销轴(50707)的下端型面连接；所述轴端密封端盖(50709)的上端外边缘沿圆周方向均布有多个上凸螺钉固定台(50719)及多个下凹螺钉固定槽(50720)，各所述上凸螺钉固定台(50719)及下凹螺钉固定槽(50720)间隔布置，每个所述上凸螺钉固定台(50719)上均开设有螺钉固定孔(50717)。
18.一种权利要求1至17任一权利要求所述水下机器人的机械臂式布放回收系统的布放回收方法，其特征在于：所述水下机器人(4)工作结束后，抛绳机构(5)中的艏部抛出浮力块(501)被释放抛出，带动抛绳缆绳(503)展开，并在抛出后于海面上漂浮；然后，将所述抛绳缆绳(503)捞起，与所述卷扬止荡机构(3)中的缆绳(30201)相连，利用该卷扬止荡机构(3)回收缆绳(30201)，进而将所述水下机器人(4)回收；再通过所述机械臂(2)将卷扬止荡机构(3)、水下机器人(4)回收至母船(1)上，在回收的过程中，通过所述阻尼液压缸(7)的作用实现横滚和纵倾复合止荡。
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