CN114770593A - 用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂和破冰船 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂和破冰船。本用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂包括依次设置的底座、第一关节、大臂、第二关节、中臂、第三关节、小臂和第四关节，第四关节上安装有破冰刀，破冰刀采用圆柱形结构，大臂相对于底座可转动，中臂相对于大臂可俯仰摆动，小臂相对于中臂可俯仰摆动，大臂、中臂和小臂均通过液压油驱动。本发明提出的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，解决了连续式破冰与冲撞式破冰对船体结构有损失、破冰效率低、破冰能耗大、破冰范围较为固定的问题。

Description

用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂和破冰船
技术领域
本发明涉及破冰船结构领域，尤其涉及一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂和破冰船。
背景技术
极地地区在交通运输、资源开发、科学研究等领域都有着重要地位，各海洋大国也在进行对破冰船结构设计、破冰方式的进一步开发。
目前，传统的破冰船的破冰方法主要有：①顶推法，依靠破冰船前进时所具有的冲力，以及螺旋桨的推进力、自身坚硬的外壳和上翘的船首将冰层劈开撞碎，适用于破较薄的冰层；②首压法，即利用船体重力和压载水的调节，使破冰船冲上冰层将冰压碎；③冲撞法(徒步破冰法)，多用于冰层较厚的情况下，利用破冰船船头部位吃水浅的特征，加大马力冲到冰面上，船体依靠自身的重量进行一次破冰，然后破冰船倒退一段距离，再次开足马力冲上前面的冰层进行二次破冰。但是，以上几种破冰方法都需要螺旋桨巨大的推力和较高的发动机负荷，大大增加船舶能耗。
同时，对于大多以柴油机为动力的破冰船，极地港口相对较少，燃料补给较为困难，对于破冰船的航行以及正常工作带来困难。同时，通过船身直接接触冰层进行破冰对船体结构强度提出了十分高的要求，易使船身产生疲劳和损伤，且螺旋桨可能因击打船头撞击产生的碎冰而发生机械损伤。传统破冰船的破冰范围也因船舶结构及破冰装置的设计较为固定，无法灵活调整破冰范围。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂和破冰船，旨在解决连续式破冰与冲撞式破冰对船体结构有损失、破冰效率低、破冰能耗大、破冰范围较为固定的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，包括依次设置的底座、第一关节、大臂、第二关节、中臂、第三关节、小臂和第四关节，第四关节上安装有破冰刀，破冰刀采用圆柱形结构，大臂相对于底座可转动，中臂相对于大臂可俯仰摆动，小臂相对于中臂可俯仰摆动，大臂、中臂和小臂均通过液压油驱动。
优选地，所述大臂、中臂和小臂内部设有用于容纳液压油的中空通道。
优选地，所述第一关节、第二关节和第三关节上均设置有液压马达，底座内部设置有液压油泵，液压油泵与所有的液压马达为并联关系。
优选地，所述第一关节、第二关节和第三关节上安装有与液压马达连接的液压管路，液压管路表面设有保温层。
优选地，所述破冰刀的端面上安装有压力传感器以感知是否与冰面发生接触，从而实现稳定精准定位。
优选地，所述大臂、中臂和小臂均采用悬停技术实现机械臂末端稳定，大臂、中臂和小臂采用末端运动规划正逆解算法。
优选地，所述破冰刀相对于第四关节可转动。
本发明进一步提出一种破冰船，包括上述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，还包括控制系统，该控制系统包括用于控制大臂、中臂和小臂转动的液压控制子系统、用于控制船舶航速的航行控制子系统、以及用于调节船舶吃水深度的位姿调节子系统，用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的底座固定于船首甲板处，通过用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂各关节之间的俯仰摆动实现破除不同宽度冰层的目的。
优选地，破冰船为双螺旋桨推动，以便于在破冰时实时调节船首方向，底座固定于船首甲板上。
优选地，破冰船船尾采用SSP双吊舱式结构，SSP双吊舱式结构焊接在船尾推进模块上，破冰船两个螺旋桨之间设置有用于提高推进器效率的至少两个鳍。
本发明提出的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，具有以下有效效益：
(1)对于五点弯曲破冰方式提供了用于破冰的机械臂，使得五点弯曲式破冰可以顺利实现，从而减少船舶结构损伤、提高破冰效率、降低破冰能耗且可调节破冰宽度；
(2)通过液压马达进行输出，解决了电动机动力不足的问题；
(3)本机械臂灵活度高，可以实现高精度定位悬停，对精准高效破冰有重要意义；
(4)机械臂通过调节破冰宽度，可为北极航线的发展发挥重大作用。对于北极航线日益增长的货运量的需求，本发明会提高船舶通航速率与安全度、保护船体结构、实现精准快速破冰。
附图说明
图1为本发明用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的结构示意图；
图2为本发明用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的液压控制子系统结构示意图。
图中，1-底座，2-第一关节，3-大臂，4-第二关节，5-中臂，6-第三关节，7-小臂，8-第四关节，9-破冰刀,10-操纵杆，11-电动机，12-自减压阀，13-液压油泵，14-主控制阀，15-泵控制阀组，16-油滤，17-油冷。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提出一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂。
参照图1，本优选实施例中，一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，包括依次设置的底座1、第一关节2、大臂3、第二关节4、中臂5、第三关节6、小臂7和第四关节8，第四关节8上安装有破冰刀9，破冰刀9采用圆柱形结构，大臂3相对于底座1可转动(即回转运动)，中臂5相对于大臂3可俯仰摆动，小臂7相对于中臂5可俯仰摆动，大臂3、中臂5和小臂7均通过液压油驱动。
底座1主要材料为45钢。破冰刀9通过减少接触面积提高对冰层的压力。利用底座1与大臂3之间的回转运动及各臂之间的俯仰摆动实现机械臂的六自由度运动。
大臂3旋转发生在一个平面内，只绕x轴转动。俯仰摆动是机械臂绕关节轴线转动，关节轴线相对于船舶会发生相对运动，机械臂的运动可以分解为绕x轴转动和绕y轴转动两个运动。小臂7和中臂5均可进行两个方向的转动。
本实施例中，大臂3、中臂5和小臂7内部设有用于容纳液压油的中空通道。第一关节2、第二关节4和第三关节6上均设置有液压马达，底座1内部设置有液压油泵，液压油泵与所有的液压马达为并联关系。
进一步地，第一关节2、第二关节4和第三关节6上安装有与液压马达连接的液压管路，液压管路表面设有保温层。机械臂液压系统主要分为底座1的高压油泵与各关节处的液压马达，底座1的控制油泵通过控制各个关节处的高压油路的开闭而实现对各液压马达的控制，主泵为高压油路提供高压油。
参照图2，液压系统位于机械臂内部，可对液压油路进行保护，各高压油路在机械臂内部进行联通，单管油路的一端通过油路切换装置与提供高压油的液压油泵相连，另一端与机械臂的液压马达相连。油路切换装置能够在供油端与泄压端之间进行切换，当油路切换至供油端时，液压油泵为油路提供高压油并驱动液压马达工作；当油路切换至泄压端时，液压马达停止工作，且当供油端无油路连接时，其处于卸荷状态。大臂3内部有高压油路并将第一关节2处的液压马达与液压油泵相连，为保证各处油压，各关节处的液压马达与液压油泵为并联关系。
进一步地，破冰刀9的端面上安装有压力传感器以感知是否与冰面发生接触，从而实现稳定精准定位。
进一步地，破冰刀9相对于第四关节8可转动。该破冰刀9外围为接触部分，刀刃处较窄，通过刀刃提高破冰压力。破冰刀9可拆卸安装于第四关节8上，从而便于根据损坏情况更换破冰刀9。
本实施例中，大臂3、中臂5和小臂7均采用悬停技术实现机械臂末端稳定，大臂3、中臂5和小臂7采用末端运动规划正逆解算法。
为实现破冰机械臂进行破冰时冰刀保持稳定且维持较高精度，机械臂采用悬停技术，因此在考虑机械臂运动学和动力学约束条件的前提下，设计六轴机械臂末端运动规划正逆解算法。该算法采用标准的D-H建模方法以及矩阵运算库，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的正运动学进行了分析，并采用机MATLAB中Robotics Toolbox机器人工具箱进行仿真；接着采用代数法推导出逆运动学模型，并进行仿真验证，并采用功率最省作为性能指标，确定了唯一解。具体过程如下。
Figure BDA0003623085160000051
表示沿xn轴方向zn-1轴与zn轴之间的距离；an表示绕xn轴线由zn-1轴到zn轴所旋转的角度；dn表示沿zn轴方向xn-1轴与xn轴之间的距离；θn表示绕zn轴线由xn-1轴到xn轴所旋转的角度。相邻两坐标系之间的关系n-1Tn为：
Figure BDA0003623085160000052
其中，Rot(z,θn)表示对于轴z作转角为θn的旋转变换，Trans(0,0,dn)表示空间中的(0，0，dn)的平移齐次变换，
Figure BDA0003623085160000053
表示空间中的
Figure BDA0003623085160000054
的平移齐次变换，Rot(x,an)表示对于轴x作转角为an的旋转变换。
正运动学分析：
对机械臂建立坐标系后，定义各个关节变量分别是θ1＝0°，θ2＝0°，θ3＝0°，θ4＝0°，θ5＝90°，θ6＝0°，θi为旋转关节i的关节变量。将参考坐标系设在6R机械臂的底座1上，于是可以从底座1开始变换到第一关节2，然后到第二关节4，依次变换，最后到破冰刀9。若把每个变换定义为An，那么6R机器臂的底座1和手之间的总变换为：
RTH＝RT0·0T1·1T2·2T3·3T4·4T5·5TH＝A0·A1·A2·A3·A4·A5·AH。
逆运动学分析：
机器人的期望位姿表达式：
Figure BDA0003623085160000055
其中前三个单位向量n，o，a，分别表示法线、指向和接近向量，这三个向量是相互垂直的姿态向量。p向量为末端破冰刀9坐标系原点相对于底座1坐标系的位置向量。通常p可以根据工作位置直接给出，而n，o，a这三个向量如果直接给出的话有九个变量，比较麻烦，所以一般可以通过RPY(滚动角、俯仰角、偏航角)旋转和欧拉角旋转给出。
6R机器臂的底座1和手之间的总变换为：
RTH＝RT0·0T1·1T2·2T3·3T4·4T5·5TH＝A0·A1·A2·A3·A4·A5·A6·A。
通过上述变化矩阵，可算得各个关节转角的值，根据上面的所求解的关节转角，逆推6R机械臂末端抓持器从初始位姿到下一个路径点位姿各关节旋转角变化量的平方和最小的解。
当机械臂工作时，在需要增大改变任意臂的角度时，对应油路切换装置至供油端，高压油通过油路为液压马达供油，从而驱动液压马达工作，使机械臂减小对应臂的角度；当需要减小臂7的角度时，对应油路切换至泄油端，高压油路中油泻出，进而减小对应臂的角度。
通过机械臂液压系统及悬停技术的配合，可实现机械臂的精准稳定控制，并实现精准高效破冰，破冰更加省力，效率更高。
本用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，将机械臂应用于破冰对保护船体结构、提高破冰效率、降低破冰能耗、灵活调整破冰范围有积极作用。电力传动机械臂受限于电机功率、无法为极地破冰提供足够压力，本机械臂采用液压驱动，可为破冰提供足够的动力。液压驱动相对于电力驱动存在功率大、调速范围大和响应速度快的优点。
本发明提出的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，具有以下有效效益：
(1)对于五点弯曲破冰方式提供了用于破冰的机械臂，使得五点弯曲式破冰可以顺利实现，从而减少船舶结构损伤、提高破冰效率、降低破冰能耗且可调节破冰宽度；
(2)通过液压马达进行输出，解决了电动机动力不足的问题；
(3)本机械臂灵活度高，可以实现高精度定位悬停，对精准高效破冰有重要意义；
(4)机械臂通过调节破冰宽度，可为北极航线的发展发挥重大作用。对于北极航线日益增长的货运量的需求，本发明会提高船舶通航速率与安全度、保护船体结构、实现精准快速破冰。
本发明进一步提出一种破冰船。
本优选实施例中，一种破冰船，包括用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，还包括控制系统，用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的具体结构参照上述实施例，在此不再赘述。控制系统包括用于控制大臂3、中臂5和小臂7转动的液压控制子系统、用于控制船舶航速的航行控制子系统、以及用于调节船舶吃水深度的位姿调节子系统，用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的底座1固定于船首甲板处，通过用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂各关节之间的俯仰摆动实现破除不同宽度冰层的目的。
位姿调节子系统主要以压载水泵为输出端，调节船舶各压载水舱的水量，在保持船身稳定的同时，调节船的吃水深度，从而使破冰刃在冰层下方顶住冰层。
液压控制子系统主要以液压马达和液压油泵为输出端，为机械臂提供动力。
航行控制子系统主要以推进电机为输出端，控制螺旋桨，调节船舶航速。
进一步地，破冰船为双螺旋桨推动，以便于在破冰时实时调节船首方向，底座1固定于船首甲板上。冰船加入模糊自适应算法实时检测并调节破冰工况。
进一步地，破冰船船尾采用SSP(SISHIP eSiPOD)双吊舱式结构，SSP双吊舱式结构焊接在船尾推进模块上，两个螺旋桨之间设置有用于提高推进器效率的至少两个鳍。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，包括依次设置的底座、第一关节、大臂、第二关节、中臂、第三关节、小臂和第四关节，第四关节上安装有破冰刀，破冰刀采用圆柱形结构，大臂相对于底座可转动，中臂相对于大臂可俯仰摆动，小臂相对于中臂可俯仰摆动，大臂、中臂和小臂均通过液压油驱动。
2.如权利要求1所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述大臂、中臂和小臂内部设有用于容纳液压油的中空通道。
3.如权利要求1所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述第一关节、第二关节和第三关节上均设置有液压马达，底座内部设置有液压油泵，液压油泵与所有的液压马达为并联关系。
4.如权利要求3所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述第一关节、第二关节和第三关节上安装有与液压马达连接的液压管路，液压管路表面设有保温层。
5.如权利要求1所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述破冰刀的端面上安装有压力传感器以感知是否与冰面发生接触，从而实现稳定精准定位。
6.如权利要求1所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述大臂、中臂和小臂均采用悬停技术实现机械臂末端稳定，大臂、中臂和小臂采用末端运动规划正逆解算法。
7.如权利要求1所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，其特征在于，所述破冰刀相对于第四关节可转动。
8.一种破冰船，包括如权利要求1至7中任意一项所述的用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂，还包括控制系统，该控制系统包括用于控制大臂、中臂和小臂转动的液压控制子系统、用于控制船舶航速的航行控制子系统、以及用于调节船舶吃水深度的位姿调节子系统，用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂的底座固定于船首甲板处，通过用于极地破冰的液压驱动六自由度机械臂各关节之间的俯仰摆动实现破除不同宽度冰层的目的。
9.如权利要求8所述的破冰船，其特征在于，破冰船为双螺旋桨推动，以便于在破冰时实时调节船首方向，底座固定于船首甲板上。
10.如权利要求8所述的破冰船，其特征在于，破冰船船尾采用SSP双吊舱式结构，SSP双吊舱式结构焊接在船尾推进模块上，破冰船两个螺旋桨之间设置有用于提高推进器效率的至少两个鳍。
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