CN115230872A - 一种水下机器人自进式锚泊设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人自进式锚泊设备及方法。该设备由下、中、上共三段组成，下段和中段通过嵌套连接，中段和上段通过螺纹连接。下段包括受力感应器、钻进钎头、钻进钎头帽和复位弹簧；中段包括外壳Ⅰ、外壳Ⅱ、控制总成、电机、电池、防水层、螺栓和旋转冲击机构；上段包括尾盖和自放缆绳。旋转冲击机构由滚动轴承、凸轮、锥齿轮、连接键、限位卡环、螺钉和齿轮轴组成。本发明采用旋转冲击机构驱动钻进钎头产生连续冲击力，实现该锚泊设备自主钻入海底泥线内，水下机器人在海底悬停作业过程中，可以自主锚泊悬停和解锚航行。本发明无需配备过多的辅助设备，钻进锚泊过程中可靠性高，且具有整体体积小、重量轻、结构简单、便携的特点。

Description

一种水下机器人自进式锚泊设备及方法

技术领域

本发明涉及海洋设备领域，特别是海洋工业中用于水下机器人的自动锚泊设备及方法。

背景技术

在现代海洋开发活动中，水下机器人已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古等各项工作。根据水下机器人的需求分为观察探测型和作业型两种。观察探测型配备有水下电视和照相设备，针对水下特定目标进行定期观察和检查；作业型可根据不同的要求，还配备前视声呐、侧扫声呐、海底绘图、海底剖面等设备和各种机械手等，进行简单的水下作业。然而水下环境复杂多变，具有不可预测性，因此作业型水下机器人在某些水下作业时需要一种可靠的海底锚泊设备来解决其在海底悬停作业时的锚泊问题。

当前没有应用于作业型水下机器人的海底锚泊设备，而且我们对其在功能、结构上具有如下要求，主要包括：

(1)海底锚泊设备需要实现在开始或停止工作时均能其自主自动控制，具有低能耗自主钻进海底泥层实现稳定锚定的功能；

(2)海底锚泊设备需要采用简单的机械结构、重量轻、体积小，以便于水下机器人携带配备；

(3)海底锚泊设备需要实现锚泊绳缆随着自主钻进过程中自动布放，可靠适应不同的钻进深度。

为了有效解决水下机器人在海底需要悬停锚泊的问题，亟需发明一种水下机器人自进式锚泊设备及方法，以实现海底锚泊设备本体结构简单、重量轻、体积小，便于水下机器人携带，在使用过程中能够自动启停、可适应不同深度的钻进需求，从而在海底简单、高效、安全、稳定地进行锚泊，以便于水下机器人在海底开展悬停作业。

发明内容

为了满足上述要求，本发明提供了一种水下机器人自进式锚泊设备及方法，本发明设置有受力感应器，当水下机器人在实际工况下需要悬停作业时，由水下机器人自带的机械手垂直扶植锚泊设备进行锚泊作业，受力感应器能够将接触海底的信号和深度信号传输给控制总成，进而自动控制锚泊设备开启或关闭工作，实现了锚泊设备的自主自动控制；本发明设置有旋转冲击机构，通过旋转冲击机构将电机的旋转运动转换为钻进钎头的往复直线运动，在重力和钻进钎头往复运动的作用下，实现锚泊设备的前进，不同于采用液压驱动的方式，不需要配备辅助液压机和冗长的液压管道，实现了锚泊设备的结构简单、重量轻、体积小，便于水下机器人携带配备；本发明设置有自放缆绳，自放缆绳中设有涡卷弹簧，能够根据整个锚泊设备前进或后退的距离自动收放相应长度的缆绳，实现了缆绳在锚泊设备钻进的过程中自动布放的功能。

本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：本发明涉及一种水下机器人自进式锚泊设备及方法，该设备由下、中、上共三段组成，下段和中段嵌套连接，中段和上段通过螺纹连接；下段包括受力感应器、钻进钎头、复位弹簧和钻进钎头帽，其中受力感应器安装在钻进钎头的前端，钻进钎头后端套在外壳Ⅰ的内部，钻进钎头帽与钻进钎头后端通过螺纹连接并将复位弹簧安装在钻进钎头帽与钻进钎头的限位台阶之间；中段包括外壳Ⅰ、外壳Ⅱ、螺栓、控制总成、电机、电池、防水层和旋转冲击机构，其中控制总成、电池、电机、防水层和旋转冲击机构均安装在外壳Ⅱ内，电机安装在外壳Ⅱ内并通过周向均布的四个螺栓固定，防水层粘贴在电机表面，外壳Ⅰ和外壳Ⅱ通过螺纹连接；旋转冲击机构包括凸轮、齿轮轴、锥齿轮Ⅰ、连接键、锥齿轮Ⅱ、限位卡环、螺钉和滚动轴承，其中锥齿轮Ⅱ安装在电机轴上并通过连接键周向定位和限位卡环轴向定位，两个凸轮和两个锥齿轮Ⅰ对称安装在齿轮轴上并通过连接键周向定位和限位卡环轴向定位，滚动轴承通过过渡配合安装在齿轮轴上，锥齿轮Ⅰ与锥齿轮Ⅱ相互啮合，每个限位卡环上装有三个螺钉定位在轴上；上段包括尾盖和自放缆绳，其中尾盖和外壳Ⅱ通过螺纹连接，自放缆绳包含缆绳和涡卷弹簧，涡卷弹簧安装在外壳Ⅱ的固定环上，缆绳的一端与涡卷弹簧连接并将一定长度的缆绳缠绕收集在涡卷弹簧上，缆绳的另一端系在水下机器人上。

所述的受力感应器具有接触和深度感应功能，能将接触和深度感应信号传递给控制总成。

所述的钻进钎头设有安装受力感应器的空腔、限制钻进钎头最大位移的限位台阶和用于连接钻进钎头帽的外螺纹Ⅰ。

所述的外壳Ⅰ设有限制钻进钎头最大位移的限位台阶、用于连接外壳Ⅱ的内螺纹Ⅰ。

所述的外壳Ⅱ设有用于连接外壳Ⅰ的外螺纹Ⅱ、连接尾盖的外螺纹Ⅲ、安装滚动轴承的槽孔、安装螺栓的螺纹孔、安装涡卷弹簧的固定环、辅助机械手定位的对称销轴和限位台阶。

所述的控制总成能够接收受力感应器发出的信号并根据信号类型控制电机的启停。

所述的电池为电机和控制总成供能。

所述自放缆绳由缆绳和涡卷弹簧组成，其能够根据整个锚泊设备前进或后退的距离自动收放相应长度的缆绳。

所述的锥齿轮Ⅰ、滚动轴承、凸轮和齿轮轴的数量均为两个，限位卡环的数量为三个。

所述方法是：

S1：通过水下机器人的自带机械手夹持着外壳Ⅱ将锚泊设备整体垂直投放至海底，缓慢地让锚泊设备与海底面接触；

S2：受力感应器与地面接触后，将触底信号传递给控制总成；

S3：控制总成接收来自受力感应器的触底信号后启动电机转动，通过电机轴带动锥齿轮和凸轮做旋转运动，如图9(a)所示；

S4：凸轮做旋转运动，凸轮升程的过程将钻进钎头往下挤压海底泥沙，此过程钻进钎头前进一定距离，如图9(b)所示；

S5：凸轮继续做旋转运动，凸轮回程的过程中，在复位弹簧和重力的作用下，使得设备的中段和上段向下前进同样的距离，如图9(c)所示，此时锚泊设备完成一个周期的前进，然后从步骤S4开始下一个周期的前进，如图9(d)所示，直到前进到能够可靠锚泊的深度；

S6：到达指定深度时，受力感应器感知设定深度后，将深度信号传递给控制总成；

S7：控制总成接收来自受力感应器的深度信号后控制电机关闭，至此整个锚泊设备的锚泊过程完成；

S8：锚泊工作完成后，整个锚泊设备如需回收，只需水下机器人游离到垂直于洞口上方并提供一定拉力就能将整个锚泊设备回收，若回收困难，可使用机械手将缆绳剪断，使锚泊设备与水下机器人分离。

本发明具有的有益效果是

1.将锚泊设备下放至海底时，受力感应器触底后发出接触信号并传递给控制总成使电机启动，锚泊设备前进至指定深度后受力感应器发出深度信号并传递给控制总成使电机关闭，实现锚泊设备的自主自动控制；

2.该锚泊设备的前进方式是纯机械结构驱动，不同于液压驱动，无需配备辅助液压机和冗长的液压管道，整个锚泊设备结构简单、质量轻、体积小，便于水下机器人的携带和释放；

3.海底锚泊设备可以实现锚泊绳缆随着自主钻进过程中自动布放，可根据需要适配不同长度的缆绳以适应不同的钻进深度。

附图说明

图1为本发明的全剖视图；

图2为本发明的三维示意图；

图3为本发明钻进钎头的三维示意图；

图4为本发明外壳Ⅰ的四分之一剖视三维示意图；

图5为本发明旋转冲击机构的三维示意图；

图6为本发明外壳Ⅱ的四分之一剖视三维示意图；

图7为本发明自放缆绳结构示意图；

图8为本发明尾盖的四分之一剖视三维示意图；

图9为本发明前进过程图；

图10为本发明方法流程图。

在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：

图中1-受力感应器；2-钻进钎头，201-空腔，202-限位台阶，203-外螺纹Ⅰ；3-外壳Ⅰ，301-限位台阶，302-限位台阶，303-内螺纹Ⅰ；4-复位弹簧；5-钻进钎头帽；6-旋转冲击机构，6-1-滚动轴承，6-2-凸轮，6-3-锥齿轮Ⅰ，6-4-连接键，6-5-锥齿轮Ⅱ，6-6- 限位卡环，6-7-螺钉，6-8-齿轮轴；7-螺栓；8-外壳Ⅱ，801-外螺纹Ⅱ，802-限位台阶， 803-限位台阶，804-限位台阶，805-外螺纹Ⅲ，806-固定环，807-对称销轴，808-螺纹孔， 809-槽孔；9-尾盖，901-限位台阶，902-内螺纹Ⅱ，903-缆绳孔；10-1缆绳，10-2-涡卷弹簧；11-控制总成；12-电池；13-电机；14-防水层。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

一种水下机器人自进式锚泊设备及方法。该设备由下、中、上共三段组成，下段和中段通过嵌套连接，中段和上段通过螺纹连接；下段包括受力感应器(1)、钻进钎头(2)、复位弹簧(4)和钻进钎头帽(5)，其中受力感应器(1)安装在钻进钎头(2)前端的空腔(201)中，受力感应器(1)能将感知接触和深度信号并将信号传输给控制总成(11)，钻进钎头(2)后端安装在外壳Ⅰ(3)的内部并通过限位台阶(202)限制钻进钎头(2) 的位移，钻进钎头帽(5)与钻进钎头(2)通过螺纹连接并将复位弹簧(4)安装在钻进钎头帽(5)与钻进钎头(2)之间；中段包括外壳Ⅰ(3)、旋转冲击机构(6)、螺栓 (7)、外壳Ⅱ(8)、控制总成(11)、电池(12)、电机(13)和防水层(14)，其中控制总成(11)、电池(12)、电机(13)和旋转冲击机构(6)均安装在外壳Ⅱ(8)内，控制总成(11)能够接收受力感应器(1)所传递的信号并根据信号类型来控制电机的开启与关闭，电机(13)安装在外壳Ⅱ(8)内并通过螺栓(7)定位，外壳Ⅱ(8)内设有螺纹孔(808)用于安装螺栓(7)，防水层(14)粘贴在电机(13)表面，外壳Ⅱ (8)内设有槽孔(809)用于安装旋转冲击机构(6)，外壳Ⅰ(3)和外壳Ⅱ(8)通过螺纹连接并将旋转冲击机构(6)固定在外壳Ⅰ(3)和外壳Ⅱ(8)之间，外壳Ⅱ(8) 上设有对称销轴(807)和限位台阶(803)用于和水下机器人自带的机械手相配合，便于机械手夹持；旋转冲击机构(6)包括凸轮(6-2)、齿轮轴(6-8)、锥齿轮Ⅰ(6-3)、连接键(6-4)、锥齿轮Ⅱ(6-5)、螺钉(6-7)、限位卡环(6-6)和滚动轴承(6-1)，其中锥齿轮Ⅱ(6-5)安装在电机轴上并通过连接键(6-4)周向定位和限位卡环(6-6)轴向定位，凸轮(6-2)和锥齿轮Ⅰ(6-3)安装在齿轮轴(6-8)上并通过连接键(6-4) 周向定位和限位卡环(6-6)轴向定位，齿轮轴(6-8)上安装有滚动轴承(6-1)，滚动轴承(6-1)与齿轮轴(6-8)为过渡配合，锥齿轮Ⅰ(6-3)与锥齿轮Ⅱ(6-5)相互啮合；上段包括尾盖(9)和自放缆绳(10)，其中尾盖(9)通过螺纹连接固定在外壳Ⅱ (8)上，自放缆绳(10)包含缆绳(10-1)和涡卷弹簧(10-2)，涡卷弹簧(10-2)安装在外壳Ⅱ(8)的固定环(806)上，缆绳(10-1)一端系在涡卷弹簧(10-2)上并将一定长度的缆绳(10-1)缠绕收集在涡卷弹簧(10-2)上，缆绳(10-1)的另一端通过缆绳孔(903)系在水下机器人上。

本发明工作过程如下：

准备阶段：

通过水下机器人的自带机械手夹持着外壳Ⅱ将锚泊设备整体垂直投放至海底，缓慢地让锚泊设备与海底面接触，受力感应器与地面接触后，将触底信号传递给控制总成，控制总成接收来自受力感应器的触底信号后启动电机转动，通过电机轴带动锥齿轮和凸轮做旋转运动，如图9(a)所示；

前进及锚泊阶段：

凸轮做旋转运动，凸轮升程的过程转化为钻进钎头往下挤压泥沙，此过程钻进钎头前进一定距离，如图9(b)所示，凸轮继续做旋转运动，凸轮回程的过程中，在复位弹簧和重力的作用下，使得设备的中段和上段向下前进同样的距离，如图9(c)所示，此时锚泊设备完成一个周期的前进，然后开始下一个周期的前进，如图9(d)所示，直到前进到能够可靠锚泊的深度，到达指定深度时，受力感应器感知设定深度后，将深度信号传递给控制总成，控制总成接收来自受力感应器的深度信号后控制电机关闭，至此整个锚泊设备的锚泊过程完成；

回收阶段：

锚泊工作完成后，整个锚泊设备如需回收，只需水下机器人游离到垂直于洞口上方并提供的一定拉力就能将整个锚泊设备回收，若回收困难，可使用机械手将自放缆绳剪断，使锚泊设备与水下机器人分离。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水下机器人自进式锚泊设备，该设备由下、中、上共三段组成，下段和中段通过嵌套连接，中段和上段通过螺纹连接；下段包括受力感应器(1)、钻进钎头(2)、复位弹簧(4)和钻进钎头帽(5)，其中受力感应器(1)安装在钻进钎头(2)的前端，钻进钎头(2)的后端安装在外壳Ⅰ(3)的内部，钻进钎头帽(5)与钻进钎头(2)的后端通过螺纹连接并将复位弹簧(4)安装在钻进钎头帽(5)与钻进钎头(2)之间；中段包括外壳Ⅰ(3)、旋转冲击机构(6)、螺栓(7)、外壳Ⅱ(8)、控制总成(11)、电池(12)、电机(13)和防水层(14)，其中控制总成(11)、电池(12)、电机(13)和旋转冲击机构(6)均安装在外壳Ⅱ(8)内，电机(13)安装在外壳Ⅱ(8)内并通过螺栓(7)固定，防水层(14)粘贴在电机(13)表面，外壳Ⅰ(3)和外壳Ⅱ(8)通过螺纹连接并将旋转冲击机构(6)安装固定在外壳Ⅰ(3)和外壳Ⅱ(8)之间；旋转冲击机构(6)包括滚动轴承(6-1)、凸轮(6-2)、锥齿轮Ⅰ(6-3)、连接键(6-4)、锥齿轮Ⅱ(6-5)、限位卡环(6-6)、螺钉(6-7)和齿轮轴(6-8)，其中锥齿轮Ⅱ(6-5)安装在电机轴上并通过连接键(6-4)周向定位和限位卡环(6-6)轴向定位，凸轮(6-2)和锥齿轮Ⅰ(6-3)安装在齿轮轴(6-8)上并通过连接键(6-4)周向定位和限位卡环(6-6)轴向定位，滚动轴承(6-1)安装在齿轮轴(6-8)上，锥齿轮Ⅰ(6-3)与锥齿轮Ⅱ(6-5)相互啮合；上段包括尾盖(9)和自放缆绳(10)，其中尾盖(9)通过螺纹连接固定在外壳Ⅱ(8)上，自放缆绳(10)包括缆绳(10-1)和涡卷弹簧(10-2)，涡卷弹簧(10-2)安装在外壳Ⅱ(8)的固定环(806)上，缆绳(10-1)的一端系在涡卷弹簧(10-2)上并将一定长度的缆绳(10-1)缠绕收集在涡卷弹簧(10-2)上，缆绳(10-1)的另一端经过缆绳孔(903)系在水下机器人上。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述受力感应器(1)能够收集触碰信号和深度信号，并将信号传递给控制总成(11)。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述钻进钎头(2)设有用于安装受力感应器(1)的空腔(201)、限位台阶(202)、用于连接钻进钎头帽(5)的外螺纹Ⅰ(203)。

4.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述外壳Ⅰ(3)设有安装复位弹簧(4)的限位台阶(301)、限位台阶(302)、用于连接外壳Ⅱ(8)的内螺纹Ⅰ(303)。

5.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述外壳Ⅱ(8)设有用于连接外壳Ⅰ(3)的外螺纹Ⅱ(801)、限位台阶(802)、限位台阶(803)、限位台阶(804)、用于连接尾盖(9)的外螺纹Ⅲ(805)、用于安装涡卷弹簧(10-2)的固定环(806)、用于辅助机械手定位的对称销轴(807)、周向均布四个螺栓孔(808)、用于安装滚动轴承(6-1)的对称槽孔(809)。

6.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述旋转冲击机构(6)包含两个相同的锥齿轮Ⅰ(6-3)、两个相同的凸轮(6-2)、两个相同的滚动轴承(6-1)、两个相同的齿轮轴(6-8)、三个相同的连接键(6-4)、三个相同的限位卡环(6-6)、九个用在限位卡环(6-6)上的螺钉(6-7)，齿轮轴(6-8)和滚动轴承(6-1)是过渡配合。

7.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述电池(12)能够为电机(13)和控制总成(11)供能。

8.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述自放缆绳(10)包括缆绳(10-1)和涡卷弹簧(10-2)，其能够根据整个锚泊设备前进或后退的距离自动收放相应长度的缆绳(10-1)。

9.根据权利要求1所述的一种水下机器人自进式锚泊设备，其特征在于，所述控制总成(11)与受力感应器(1)相关联，控制总成(11)能够根据受力感应器(1)所反馈的信号来控制电机(13)的开启与关闭。

10.一种基于权利要求9所述的锚泊设备在海底自动锚泊的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过水下机器人的自带机械手夹持着外壳Ⅱ(8)将锚泊设备整体垂直投放至海底，缓慢地让锚泊设备与海底面接触；

S2：受力感应器(1)与地面接触后，将触底信号传递给控制总成(11)；

S3：控制总成(11)接收来自受力感应器(1)的触底信号后控制电机(13)启动，通过电机(13)带动凸轮(6-2)运动；

S4：凸轮(6-2)做旋转运动，凸轮(6-2)升程的过程转化为钻进钎头(2)往下挤压泥沙，此过程钻进钎头(2)前进一定距离；

S5：凸轮(6-2)继续做旋转运动，凸轮(6-2)回程的过程中，在复位弹簧(4)和重力的作用下，使得锚泊设备的中段和上段向下前进同样的距离，此时锚泊设备完成一个周期的前进，然后从步骤S4开始下一个周期的前进，直到前进到能够可靠锚泊的深度；

S6：到达指定深度时，受力感应器(1)感知设定深度后，将深度信号传递给控制总成(11)；

S7：控制总成(11)接收来自受力感应器(1)的深度信号后控制电机(13)关闭，至此整个锚泊设备的锚泊过程完成；

S8：锚泊工作完成后，整个设备如需回收，只需水下机器人提供垂直于洞口的一定拉力就能将整个锚泊设备回收；若回收困难，机械手将缆绳(10-1)剪断，使锚泊设备与水下机器人分离。

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