CN112045707B - 变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，包括抓取结构和控制结构。利用遥控潜水机器人搭载该机械爪，可以安全、方便、经济地实现海底电缆的打捞。本发明利用弹簧变形系数改变的原理，当执行板的限位板挡住弹簧变系数挡板时，三段弹簧件总体呈现拉力，两个夹爪件闭合；当触发板被触动导致执行板脱离弹簧变系数挡板时，三段弹簧总体呈现推力，两个夹爪件张开；通过此原理，实现对电缆的抓取和释放。本发明通过纯机械的方式实现了抓取和释放的控制，无需电力，简单可靠。本发明便于以海底电缆为代表的水下打捞工作的进行，为海缆打捞维护提供更便捷的解决方案。

Description

变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪

技术领域

本发明涉及海底提缆领域，具体涉及变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪。

背景技术

海底电缆铺设后常年在海底运行，但复杂且恶劣的海底环境会对海底电缆造成破坏。其中较为严重的一种破坏即海流冲刷，电缆底部的泥沙被逐渐冲走，使电缆出现悬空段，仅靠海底礁石作为支撑点。随着海流的继续冲击，电缆悬空段会摇晃窜动，此时礁石支撑点会对电缆的外皮造成严重的损伤。在海底电缆的运行维护过程中，发现这些损伤点并对其进行修复是重要的一个环节，需要将电缆打捞到母船上进行修复。目前较为普遍的一种打捞方法为蛙人打捞，但蛙人打捞危险系数大、成本高。随着工作任务数量增大和难度加重，蛙人方案的弊端逐渐显露了出来。

现有的一种机器人打捞方式为，机器人利用机械臂抱住目标物，船载起重机将机器人拉上来。这种起重机-机器人-目标物的方式打捞沉重的海底电缆时，机器人作为中间连接点，承受巨大的拉伸载荷，容易造成机器人的损坏。

发明内容

针对现有的海底电缆打捞过程存在的问题，本发明提供了一种变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪。

本发明采用以下的技术方案：

变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，包括抓取结构和控制结构，所述抓取结构包括相互交叉铰接的第一夹爪件和第二夹爪件，第一夹爪件和第二夹爪件均包括下部的夹爪和上部的夹爪座；

所述控制结构包括触发组件、执行组件和动作组件，动作组件连接在两个夹爪座之间，执行组件连接在动作组件的中间，触发组件连接在执行组件的下部，通过触发组件带动执行组件上移，从而带动动作组件动作，动作组件带动第一夹爪件和第二夹爪件张开。

优选地，夹爪和夹爪座为一体式结构，所述夹爪包括主杆体，主杆体的底部为爪钩，主杆体为J形，所述爪钩的一侧设置有缺口，另一侧为向上弯曲的钩头；两个爪钩相对设置，一个爪钩的缺口与另一个爪钩的钩头相对；

所述夹爪座包括连接板和座体，连接板的下部与主体杆的上部固定连接，连接板的上部与座体固定连接；两个夹爪座的座体相对设置；

两个连接板通过主轴铰接在一起，从而使得第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接。

优选地，所述动作组件包括中间壳体、第一导向伸缩筒和第二导向伸缩筒，所述中间壳体包括方壳，方壳的左侧设置有第一连接筒，方壳的右侧设置有第二连接筒，方壳、第一连接筒和第二连接筒相通；第一导向伸缩筒的右侧固定在第一连接筒内，第一导向伸缩筒的左端铰接在第二夹爪件的夹爪座的内上部；第二导向伸缩筒的左侧固定在第二连接筒内，第二导向伸缩筒的右端铰接在第一夹爪件的夹爪座的内上部，在第一导向伸缩筒、第二导向伸缩筒和中间壳体内设置有三段弹簧件。

优选地，所述三段弹簧件包括中间弹簧、左弹簧、右弹簧、左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板，左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板将中间弹簧夹住，左弹簧的一端固定连接在第一导向伸缩筒的内左端，另一端固定在左弹簧变系数挡板上；右弹簧的一端固定连接在第二导向伸缩筒的内右端，另一端固定在右弹簧变系数挡板上；

左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板位于中间壳体内，并能在中间壳体内滑动。

优选地，左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板均包括圆形的挡片，挡片上连接有连接板，连接板上连接有固定板；

在方壳、第一连接筒和第二连接筒上均开有横向的滑动槽，方壳、第一连接筒和第二连接筒上的滑动槽连为一体，连接板置于滑动槽内，固定板置于中间壳体外。

优选地，所述执行组件包括执行板，执行板的左右两侧均设置有L形的限位板，所述限位板能将固定板挡住限位；执行板的前后侧的下部均设置有一个导向杆，导向杆穿过方壳，并能在方壳内上下滑动，导向杆的下端与触发组件相连接。

优选地，所述导向杆上套有拉伸弹簧，拉伸弹簧的上端与执行板的下端固定，拉伸弹簧的下端与中间壳体的上端固定，所述拉伸弹簧一直处于拉伸状态。

优选地，所述触发组件包括触发板，触发板位于第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接处的下方，触发板的前后两侧上均设置有支架，支架能围住主轴，两个支架的上端架设有横板，横板与导向杆的下端固定连接，触发板上移，通过支架带动横板上移，从而通过导向杆带动执行板上移。

优选地，还包括外壳，外壳能将控制结构罩住，外壳的下部设置有主轴安装孔，主轴连接在主轴安装孔内；

所述方壳的前后侧固定在外壳的内壁上；

外壳的顶部设置有吊环。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，利用遥控潜水机器人搭载该机械爪，可以安全、方便、经济地实现海底电缆的打捞。本发明利用弹簧变形系数改变的原理，当执行板的限位板挡住弹簧变系数挡板时，三段弹簧件总体呈现拉力，两个夹爪件闭合；当触发板被触动导致执行板脱离弹簧变系数挡板时，三段弹簧总体呈现推力，两个夹爪件张开；通过此原理，实现对电缆的抓取和释放。本发明通过纯机械的方式实现了抓取和释放的控制，无需电力，简单可靠。本发明便于以海底电缆为代表的水下打捞工作的进行，为海缆打捞维护提供更便捷的解决方案。

附图说明

图1为变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪的示意图。

图2为去掉外壳后的机械爪闭合时的示意图。

图3为图2中的控制结构的放大图。

图4为去掉外壳后的机械爪张开时的示意图。

图5为图4中的控制结构的放大图。

图6为去掉中间壳体的控制结构的示意图。

图7为三段弹簧件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

结合图1至图7，变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，包括抓取结构和控制结构。

抓取结构包括相互交叉铰接的第一夹爪件和第二夹爪件，第一夹爪件和第二夹爪件均包括下部的夹爪和上部的夹爪座。

控制结构包括触发组件、执行组件和动作组件，动作组件连接在两个夹爪座之间，执行组件连接在动作组件的中间，触发组件连接在执行组件的下部，通过触发组件带动执行组件上移，从而带动动作组件动作，动作组件带动第一夹爪件和第二夹爪件张开。

具体的，夹爪和夹爪座为一体式结构。

其中，夹爪包括主杆体1，主杆体的底部为爪钩2，主杆体为J形。

主杆体能在勾住电缆后，对电缆提供可靠的拉力，电缆不会自爪钩处脱出。

具体的，爪钩的一侧设置有缺口3，另一侧为向上弯曲的钩头4。两个爪钩相对设置，一个爪钩的缺口与另一个爪钩的钩头相对。这样在两个爪钩闭合时，相应钩头与缺口对接，从而更能保证两个爪钩闭合严实。

夹爪座包括连接板5和座体6，连接板的下部与主体杆的上部固定连接，连接板的上部与座体固定连接。两个夹爪座的座体相对设置。

具体的，两个连接板通过主轴7铰接在一起，从而使得第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接。

控制结构的作用是用于控制第一夹爪件和第二夹爪件张开。

其中，动作组件包括中间壳体、第一导向伸缩筒8和第二导向伸缩筒9，中间壳体包括方壳10，方壳的左侧设置有第一连接筒11，方壳的右侧设置有第二连接筒12，方壳、第一连接筒和第二连接筒相通。

第一导向伸缩筒的右侧固定在第一连接筒内，第一导向伸缩筒的左端铰接在第二夹爪件的夹爪座的内上部；第二导向伸缩筒的左侧固定在第二连接筒内，第二导向伸缩筒的右端铰接在第一夹爪件的夹爪座的内上部。

第一导向伸缩筒和第二导向伸缩筒能伸缩但不能弯折。

具体的，第一夹爪件的夹爪座的内上部和第二夹爪件的夹爪座的内上部均设置有铰链座13，第一导向伸缩筒的左端和第二导向伸缩筒的右端均设置有连接座14，连接座与铰链座铰接。

第一导向伸缩筒、中间壳体和第二导向伸缩筒相连通。

在第一导向伸缩筒、第二导向伸缩筒及中间壳体内设置有三段弹簧件。

三段弹簧件包括中间弹簧15、左弹簧16、右弹簧17、左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板。

左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板将中间弹簧夹住。

左弹簧的一端固定连接在第一导向伸缩筒的内左端，另一端固定在左弹簧变系数挡板上。

右弹簧的一端固定连接在第二导向伸缩筒的内右端，另一端固定在右弹簧变系数挡板上。

左弹簧变系数挡板、右弹簧变系数挡板和中间弹簧位于中间壳体内，左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板能在中间壳体内移动。中间弹簧的伸缩也在中间壳体内进行。

左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板均包括圆形的挡片18，挡片上连接有连接板19，连接板上连接有固定板20。

在方壳、第一连接筒和第二连接筒上均开有横向的滑动槽21，方壳、第一连接筒和第二连接筒上的滑动槽连为一体，连接板置于滑动槽内，固定板置于中间壳体外。

执行组件包括执行板22，执行板的左右两侧均设置有L形的限位板23，限位板能将固定板挡住限位。

执行板的前后侧的下部均设置有一个导向杆24，导向杆穿过中间壳体，并能在中间壳体内上下滑动，导向杆的下端与触发组件相连接。

导向杆上套有拉伸弹簧25，拉伸弹簧的上端与执行板的下端固定，拉伸弹簧的下端与中间壳体的上端固定，拉伸弹簧一直处于拉伸状态。

触发组件包括触发板26，触发板位于第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接处的下方，触发板的前后两侧上均设置有支架27，支架能围住主轴，两个支架的上端架设有横板28，横板与导向杆的下端固定连接，触发板上移，通过支架带动横板上移，从而通过导向杆带动执行板上移。

具体的，还包括外壳29，外壳能将控制结构罩住，外壳的下部设置有主轴安装孔，主轴连接在主轴安装孔内。

方壳的前后侧固定在外壳的内壁上。外壳能将支架等限位住。

外壳的顶部设置有吊环30，吊环上能穿接钢索，钢索的另一端固定在船载起重机上。

整个机械爪大部分时间是处于闭合状态，此时的中间弹簧一直被左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板限位，处于极限压缩状态，由于弹簧变系数挡板的限制，压缩状态的中间弹簧无法对外表现推力。当然，根据胡克定律，中间弹簧的长度也不会改变。而左弹簧和右弹簧处于拉伸状态，通过拉住分别第一导向伸缩筒和第二导向伸缩筒，从而对夹爪座施加拉力，保证两个夹爪闭合。当然，左弹簧和右弹簧的提供的拉力并不是太大，这就意味着，电缆能自下而上的“挤入”到两个夹爪闭合的空间中。

此外，主杆体的长度要足够，要保证电缆在进入两个夹爪闭合的空间的过程中，不触动到触发板。而且，拉伸弹簧的作用是保证在常态下，一直对执行板有拉力，使得轻微的触动触发板，并不会轻易导致夹爪张开。

若想实现夹爪的张开，需要对触发板提供足够的向上力，将触发板向上抬起足够距离，触发板上移，通过支架带动横板上移，从而通过导向杆带动执行板上移，执行板上移后，使得限位板脱离对左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板的阻挡，这样中间弹簧不再被限制，继而向两端伸张，表现推力，推动左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板在滑动槽内移动，对于三段弹簧整体来说，弹力系数改变，中间弹簧的推力延伸到左弹簧和右弹簧，从而将左弹簧和右弹簧由之前的拉力状态，变为推力状态，从而带动第一导向伸缩筒和第二伸缩筒向外延伸，推动夹爪座，从而将夹爪张开。在这个过程中，左弹簧和右弹簧对外表现推力时，由于第一导向伸缩筒和第二伸缩筒的限制，使得左弹簧和右弹簧能够充分的将推力表现出。

本发明提供的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪的大致工作过程为：

变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪搭载在遥控潜水机器人上，可以与遥控潜水机器人电磁连接，从而保证遥控潜水机器人能自由捕获或释放该机械爪。

打捞电缆：

母船到达电缆附近海面，在母船上将船载起重机的钢索与吊环相连，遥控潜水机器人与该机械爪电磁连接后，遥控潜水机器人带着该机械爪下潜到电缆处，遥控潜水机器人带动夹爪闭合处放置在电缆的上方，继续向下移动，使得电缆自闭合处“挤入”到两个夹爪闭合的空间中，在这个过程中，遥控潜水机器人为操作人员提供视野，避免电缆碰触到触发板，电缆进入夹爪闭合的空间后，遥控潜水机器人与该机械爪脱离，遥控潜水机器人返回母船待命，船载起重机拉起钢索打捞电缆；

维修后返回电缆：

船载起重机通过钢索下放电缆，这个过程中，电缆重力向下，钢索通过机械爪拉力向上，电缆不会触动触发板，电缆触底到海床后，机械手继续下放，靠自身重力接触电缆，电缆触动触发板，触发板上移，通过支架带动横板上移，从而通过导向杆带动执行板上移，执行板上移后，使得限位板脱离对左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板的阻挡，这样中间弹簧不再被限制，继而向两端伸张，表现推力，对于三段弹簧整体来说，弹力系数改变，中间弹簧的推力延伸到左弹簧和右弹簧，从而将左弹簧和右弹簧由之前的拉力状态，变为推力状态，从而带动第一导向伸缩筒和第二伸缩筒向外延伸，推动夹爪座，从而将夹爪张开，机械爪与电缆成功分离，船载起重机回收机械爪，在这个机械爪脱离电缆的过程中，可通过遥控潜水机器人对脱离过程进行监视，以便保证脱离过程成功。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，包括抓取结构和控制结构，所述抓取结构包括相互交叉铰接的第一夹爪件和第二夹爪件，第一夹爪件和第二夹爪件均包括下部的夹爪和上部的夹爪座；

所述控制结构包括触发组件、执行组件和动作组件，动作组件连接在两个夹爪座之间，执行组件连接在动作组件的中间，触发组件连接在执行组件的下部，通过触发组件带动执行组件上移，从而带动动作组件动作，动作组件带动第一夹爪件和第二夹爪件张开；

所述动作组件包括中间壳体、第一导向伸缩筒和第二导向伸缩筒，所述中间壳体包括方壳，方壳的左侧设置有第一连接筒，方壳的右侧设置有第二连接筒，方壳、第一连接筒和第二连接筒相通；第一导向伸缩筒的右侧固定在第一连接筒内，第一导向伸缩筒的左端铰接在第二夹爪件的夹爪座的内上部；第二导向伸缩筒的左侧固定在第二连接筒内，第二导向伸缩筒的右端铰接在第一夹爪件的夹爪座的内上部，在第一导向伸缩筒、第二导向伸缩筒和中间壳体内设置有三段弹簧件；

所述三段弹簧件包括中间弹簧、左弹簧、右弹簧、左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板，左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板将中间弹簧夹住，左弹簧的一端固定连接在第一导向伸缩筒的内左端，另一端固定在左弹簧变系数挡板上；右弹簧的一端固定连接在第二导向伸缩筒的内右端，另一端固定在右弹簧变系数挡板上；

左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板位于中间壳体内，并能在中间壳体内滑动。

2.根据权利要求1所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，夹爪和夹爪座为一体式结构，所述夹爪包括主杆体，主杆体的底部为爪钩，主杆体为J形，所述爪钩的一侧设置有缺口，另一侧为向上弯曲的钩头；两个爪钩相对设置，一个爪钩的缺口与另一个爪钩的钩头相对；

所述夹爪座包括连接板和座体，连接板的下部与主体杆的上部固定连接，连接板的上部与座体固定连接；两个夹爪座的座体相对设置；

两个连接板通过主轴铰接在一起，从而使得第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接。

3.根据权利要求1所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，左弹簧变系数挡板和右弹簧变系数挡板均包括圆形的挡片，挡片上连接有连接板，连接板上连接有固定板；

在方壳、第一连接筒和第二连接筒上均开有横向的滑动槽，方壳、第一连接筒和第二连接筒上的滑动槽连为一体，连接板置于滑动槽内，固定板置于中间壳体外。

4.根据权利要求3所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，所述执行组件包括执行板，执行板的左右两侧均设置有L形的限位板，所述限位板能将固定板挡住限位；执行板的前后侧的下部均设置有一个导向杆，导向杆穿过方壳，并能在方壳内上下滑动，导向杆的下端与触发组件相连接。

5.根据权利要求4所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，所述导向杆上套有拉伸弹簧，拉伸弹簧的上端与执行板的下端固定，拉伸弹簧的下端与中间壳体的上端固定，所述拉伸弹簧一直处于拉伸状态。

6.根据权利要求3所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，所述触发组件包括触发板，触发板位于第一夹爪件和第二夹爪件交叉铰接处的下方，触发板的前后两侧上均设置有支架，支架能围住主轴，两个支架的上端架设有横板，横板与导向杆的下端固定连接，触发板上移，通过支架带动横板上移，从而通过导向杆带动执行板上移。

7.根据权利要求3所述的变胡克系数弹簧式海底提缆机械爪，其特征在于，还包括外壳，外壳能将控制结构罩住，外壳的下部设置有主轴安装孔，主轴连接在主轴安装孔内；

所述方壳的前后侧固定在外壳的内壁上；

外壳的顶部设置有吊环。

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