一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统
技术领域
本发明涉及水下滑翔机技术领域,具体涉及一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统。
背景技术
水下滑翔机(以下简称“滑翔机”)是一种新型的水下机器人,其具有能源消耗小、效率高、续航力大、制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点,满足了长时间、大范围海洋探索的需要。
滑翔机工作完成后没有动力,只能漂浮在海面上。对于近海低海况的情况,现阶段均采用渔船打捞。对于远海且风浪较大情况则很难实现有效打捞。
现阶段针对滑翔机的布放和回收的研究较少,特别是在复杂海况条件下对滑翔机回收过程的研究和工程应用更少。
现阶段针对滑翔机的布放主要采用人工与吊机结合的方式:人员将吊机缆绳固定在滑翔机首尾两端,吊机吊起滑翔机布放至海中,人员通过撑杆将缆绳与滑翔机脱开完成布放;另外还有人工与滑轨结合的方式:人员将滑翔机抬至滑轨上,松开滑翔机,滑翔机沿滑轨轨道滑落至海中完成布放。
现阶段针对滑翔机的回收主要采用人工与网结合的方式:通过小渔船到达滑翔机附近,船上人员利用钩子和网将滑翔机捞到渔船上,渔船再回到母船附近,通过渔网等工具将滑翔机吊装到母船上。
如上所述,现有的滑翔机布放回收方式一般为人工方式,对作业环境要求很高,同时需要多人作业才可完成,对于远海且风浪较大的情况下,则很难实现有效的布放回收。
发明内容
本发明提供了一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统,目的在于可在复杂作业环境下,通过无线遥控方式,只需少量作业人员的情况下完成滑翔机的布放回收。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统,所述的系统依靠母船在水面作业,包括用以在水面航行并寻找滑翔机目标的机器人、设于机器人底端并用以将滑翔机抱紧的抱紧装置、设于母船上用以起吊机器人的起重机、用以连接机器人及起重机挂钩的对接装置、设于母船上用以遥控机器人的遥控监视装置、设于母船上用以为机器人和遥控监视装置提供电源和通信信号的辅助装置。
优选的,所述的母船上设有用以搭载机器人及滑翔机的托架,所述的起重机焊接于母船的甲板上,所述的辅助装置固定于母船的甲板上,并通过脐带缆分别与遥控监视装置及机器人电性连接。
优选的,所述的遥控监视装置包括地面控制台、遥控器、监视软件及电气系统,并配置为对机器人的航行动作及抱紧装置的抱紧及松开的动作进行控制。
优选的,所述的机器人包括主体框架、垂直水平推进器、浮力材料、弹性导向架、主控舱、第一摄像头及第一照明灯,所述的主体框架整体为U形结构,在U形结构的上端前侧焊接有支撑骨架,浮力材料通过螺栓固定于支撑骨架的上表面,并用于机器人的浮力配平,所述的支撑骨架上端还固定连接有主控舱,所述的主控舱内设有控制器,所述的控制器通过脐带缆与辅助装置连接;所述的U形结构的2个内侧壁上分别固定连接有弹性导向架,所述的弹性导向架由多根弹性杆体固定连接而成,2个弹性导向架之间构成滑翔机的导向空间;所述的主体框架的前端顶部分别设有第一摄像头和第一照明灯,所述的第一摄像头和第一照明灯与控制器电连接;所述的垂直水平推进器包括分别安装于主体框架上的水平推进器和垂直推进器,并用于使机器人完成水面的各种动作,所述的控制器通过导线分别与水平推进器和垂直推进器电连接。
优选的,所述的抱紧装置为机械手结构,所述的机械手结构的顶端与支撑骨架的下端固定连接,且机械手结构与导向空间的末端相对,当滑翔机经由导向空间进入机械手结构的工作范围时,所述的机械手结构对滑翔机进行抓取。
优选的,所述的抱紧装置包括导向杆、夹紧臂、传动机构、连接架、第二摄像头及第二照明灯,所述的连接架包括底板及设于底板顶端两侧的连接耳,所述的夹紧臂包括设于底板两侧的第一夹紧臂和第二夹紧臂,所述的连接耳的底端与底板的顶端中部固定连接,且连接耳的2个自由端顶部分别设有连接孔,所述的连接架与支撑骨架的底端固定连接;所述的底板位于连接耳前后侧的顶端分别设有1组平行板,所述的传动机构包括设于每组平行板内一侧的主动齿轮、设于每组平行板内另一侧的从动齿轮、主动轴、从动轴及水下电机,所述的主动齿轮与从动齿轮啮合连接,2个主动齿轮通过贯穿对应的平行板的主动轴固定连接,所述的主动轴的一端贯穿出对应的平行板外侧,并与水下电机的输出轴固定连接,所述的水下电机通过安装座与连接架固定连接,2个从动齿轮通过贯穿对应的平行板的从动轴固定连接;第一夹紧臂和第二夹紧臂的顶端分别与主动轴及从动轴固定连接,并在水下电机的带动下张开或闭合;所述的底板的前后端分别设有用以导向滑翔机的导向杆,所述的第二摄像头及第二照明灯安装在相应基座上,并通过螺栓固定于主体框架内侧,并用于为抱紧装置提供照明及视频信息采集,所述的第二照明灯、第二摄像头、水下电机分别通过导线与控制器电性连接。
优选的,所述的导向杆为倒置的V形结构,2个导向杆的顶端之间通过连接杆固定连接,所述的连接杆与底板的下表面焊接。
优选的,所述的对接装置包括公头、母头、偏心承载块、弹簧、吊环及封口块,所述的连接耳贯穿支撑骨架,并延伸至主体框架的上方,所述的公头为由2个半蘑菇头形固定件通过螺栓连接而成的一个完整的蘑菇头形结构,在公头的轴线处设有贯穿上下端面的通孔,所述的通孔内贯穿有脐带缆,所述的公头底端两侧设有转轴孔,所述的转轴孔通过过盈配合连接有销轴,两侧的销轴分别与2个连接孔固定连接,所述的母头用于与公头对接,同时用于固定偏心承载快、弹簧、吊环及封口块,所述的母头为筒状结构,筒状结构的顶端设有吊环、筒状结构的两侧对称设有贯通内表面的限位安装槽,所述的限位安装槽内铰接有偏心承载块,所述的偏心承载块用于吊装时母头与公头承载连接,偏心承载块为L型结构,没有弹簧拉紧时偏心承载块始终处于打开状态,所述的弹簧用于拉紧偏心承载块,所述的偏心承载块的尾端上部设有弹簧连接环,所述的弹簧连接环与弹簧的底端连接,弹簧的顶端与同侧的母头侧壁顶部连接,所述的吊环通过吊链与起重机的吊钩连接,所述的母头侧壁上沿纵向设有贯通上下端面的安装槽,所述的安装槽内设有封口块,所述的封口块用于母头侧边开口的封装,保证脐带缆不从母头侧边开口处滑出。
优选的,所述的辅助装置包括绞车、电源转换箱、及脐带缆,所述的绞车用于脐带缆的收放,所述的电源转换箱通过螺栓固定于绞车的侧面,并用于机器人的供电转换及信号传输,所述的脐带缆缠绕在绞车上,用于对机器人实时供电及实时信号传输,所述的电源转换箱与遥控监视装置通过脐带缆电性连接。
优选的,所述的起重机的挂钩上还连接有张紧轮,所述的脐带缆穿过张紧轮与机器人连接;所述的张紧轮能够在脐带缆的拖动下转动轮轴朝向,并将脐带缆张紧。
本发明一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统的有益效果:
1、本系统能够在操作人员数量不大于2人的情况下完成滑翔机的布放及回收;
2、本系统能够在3级海况下完成滑翔机的布放回收,在4级海况下有概率完成滑翔机的布放回收;
3、本系统只需操作人员在母船上进行遥控及控制,极大的减小人员的劳动强度及危险性。
附图说明
图1、本发明系统组成示意图:
图2、本发明机器人示意图:
图3、本发明抱紧装置示意图;
图4、本发明连接架的结构示意图;
图5、本发明对接装置示意图;
图6、本发明对接装置的剖视结构图;
图7、本发明抱紧装置与对接装置的连接图;
图8、本发明辅助装置示意图;
图9、本发明布放工作原理图;
图10、本发明回收工作原理图;
1、机器人;2、抱紧装置;3、对接装置;4、起重机;5、遥控监视装置;6、辅助装置;7、滑翔机;8、母船;9、支撑骨架;10、导向板;
11、主体框架;12、垂直水平推进器;13、浮力材料;14、弹性导向架;15、主控舱;16、第一摄像头;17、第一照明灯;
21、导向杆;22、夹紧臂;22-1、第一夹紧臂;22-2、第二夹紧臂;23、传动机构;23-1、水下电机;23-2、主动轴;23-3、主动齿轮;23-4、从动齿轮;24、连接架;24-1、连接耳;24-2、底板;25、第二摄像头;26、第二照明灯;27、从动轴;28、连接孔;29、连接轴;
31、公头;32、母头;33、偏心承载块;34、弹簧;35、吊环;36、封口块;
61、绞车;62、电源转换箱;63、脐带缆。
具体实施方式
以下所述,是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明,该说明仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”“下”“左”“右”“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,仅是为了描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在最初的实施例中,本发明一种基于机器人作业平台的水下滑翔机布放回收系统,所述的系统依靠母船在水面作业,如图1-10所示,包括用以在水面航行并寻找滑翔机目标的机器人1、设于机器人1底端并用以将滑翔机抱紧的抱紧装置2、设于母船8上并用以起吊机器人的起重机4、用以连接机器人1及起重机挂钩的对接装置3、设于母船上用以遥控机器人的遥控监视装置5、设于母船上用以为机器人和遥控监视装置5提供电源和通信信号的辅助装置6。
本实施例实施时,在回收过程中,通过机器人捕获滑翔机,然后通过起重机将机器人连带滑翔机一起吊装到母船上。布放过程中,通过起重机将机器人连带滑翔机一起吊运到水面,然后机器人放开滑翔机,再将机器人吊运到母船上。上述过程通过遥控监视装置5及起重机的协作完成。
在进一步的实施例中,如图1所示,所述的母船8上设有用以搭载机器人1及滑翔机7的托架(图中未画出),所述的起重机4焊接于母船8的甲板上,所述的辅助装置6固定于母船8的甲板上,并通过脐带缆分别与遥控监视装置5及机器人1电性连接。
本实施例中,遥控监视装置5接受机器人的水下感知信号,并依据该信号调节机器人的水下姿态,直到将滑翔机捕获或布放,此过程无需过多人员参与,可大幅度减少人工,并提高滑翔机的布放与回收效率。
在进一步的实施例中,如图1所示,所述的遥控监视装置5包括地面控制台、遥控器、监视软件及电气系统(图中未全部画出),并配置为对机器人1的航行动作及抱紧装置2的抱紧及松开的动作进行控制。
在进一步的实施例中,如图2、7所示,所述的机器人1包括主体框架11、垂直水平推进器12、浮力材料13、弹性导向架14、主控舱15、第一摄像头16及第一照明灯17,所述的主体框架整体为U形结构,在U形结构的上端前侧焊接有支撑骨架9,浮力材料13通过螺栓固定于支撑骨架9的上表面,并用于机器人1的浮力配平,所述的支撑骨架9上端还固定连接有主控舱15,所述的主控舱15内设有控制器(图中未画出),所述的控制器通过脐带缆与辅助装置6连接;所述的U形结构的2个内侧壁上分别固定连接有弹性导向架14,所述的弹性导向架14由多根弹性杆体固定连接而成,2个弹性导向架之间构成滑翔机7的导向空间,所述的弹性导向架14用于将滑翔机7导入预设位置,并在导入过程中减小与滑翔机的冲击碰撞;所述的主体框架11的前端顶部分别设有第一摄像头16和第一照明灯17,所述的第一摄像头16和第一照明灯17与控制器电连接;所述的垂直水平推进器包括分别安装于主体框架11上的水平推进器和垂直推进器,并用于使机器人完成水面的各种动作,所述的控制器通过导线分别与水平推进器和垂直推进器电连接。
本实施例中,遥控监视装置5接收控制器传过来的视频信号,从而通过控制器控制机器人在水下的各种动作,从而实现机器人对滑翔机的快速寻找及捕获。如图7所示,滑翔机为类似火箭筒的形状,在滑翔机的后端设有滑翔翼,滑翔机的主体机身进入导向空间后,即可进入抱紧装置的工作范围,从而可通过抱紧装置将滑翔机抱紧。
在进一步的实施例中,如图3、4所示,所述的抱紧装置2为机械手结构,所述的机械手结构的顶端与支撑骨架的下端固定连接,且机械手结构与导向空间的末端相对,当滑翔机经由导向空间进入机械手结构的工作范围时,所述的机械手结构对滑翔机进行抓取。
本实施例中,机械手结构可以为多种形式,并不局限于本发明所公开的结构限制。
在进一步的实施例中,如图3、4所示,所述的抱紧装置2包括导向杆21、夹紧臂22、传动机构23、连接架24、第二摄像头25及第二照明灯26,所述的连接架24包括底板24-2及设于底板顶端两侧的连接耳24-1,所述的夹紧臂22包括设于底板两侧的第一夹紧臂22-1和第二夹紧臂22-2,所述的连接耳的底端与底板的顶端中部固定连接,且连接耳的2个自由端顶部分别设有连接孔28,所述的连接架24与支撑骨架的底端固定连接;所述的底板24-2位于连接耳前后侧的顶端分别设有1组平行板,所述的传动机构23包括设于每组平行板内一侧主动齿轮23-3、设于每组平行板内另一侧的从动齿轮23-4、主动轴23-2、从动轴27及水下电机23-1,所述的主动齿轮与从动齿轮啮合连接,2个主动齿轮23-3通过贯穿对应的平行板的主动轴23-2固定连接,所述的主动轴的一端贯穿出对应的平行板外侧,并与水下电机23-1的输出轴固定连接,所述的水下电机通过安装座与连接架固定连接,2个从动齿轮通过贯穿对应的平行板的从动轴27固定连接;第一夹紧臂22-1和第二夹紧臂22-2的顶端分别与主动轴23-2及从动轴27固定连接,并在水下电机的带动下张开或闭合;所述的底板的前后端分别设有用以导向滑翔机的导向杆21,所述的第二摄像头25及第二照明灯26安装在相应基座上,并通过螺栓固定于主体框架11内侧,并用于为抱紧装置2提供照明及视频信息采集,所述的第二照明灯、第二摄像头、水下电机分别通过导线与控制器电性连接。
本实施例中,遥控监视装置5接收控制器传过来第二摄像头25的视频信号,再通过控制水下电机实现抱紧装置的第一夹紧臂22-1和第二夹紧臂22-2的张开和抱紧,从而实现滑翔机的捕获和布放。
在进一步的实施例中,如图3所示,所述的导向杆21为倒置的V形结构,2个导向杆21的顶端之间通过连接杆(图中未画出)固定连接,所述的连接杆与底板24-2的下表面焊接。
在进一步的实施例中,如图5、6所示,所述的对接装置3包括公头31、母头32、偏心承载块33、弹簧34、吊环35及封口块36,所述的连接耳贯穿支撑骨架,并延伸至主体框架的上方,所述的公头为由2个半蘑菇头形固定件通过螺栓连接而成的一个完整的蘑菇头形结构,在公头的轴线处设有贯穿上下端面的通孔,所述的通孔内贯穿有脐带缆,所述的公头底端两侧设有转轴孔,所述的转轴孔通过过盈配合连接有销轴,两侧的销轴分别与2个连接孔固定连接,所述的母头用于与公头对接,同时用于固定偏心承载快、弹簧、吊环及封口块,所述的母头为筒状结构,筒状结构的顶端设有吊环、筒状结构的两侧对称设有贯通内表面的限位安装槽,所述的限位安装槽内铰接有偏心承载块,所述的偏心承载块用于吊装时母头与公头承载连接,偏心承载块为L型结构,没有弹簧拉紧时偏心承载块始终处于打开状态,所述的弹簧用于拉紧偏心承载块,所述的偏心承载块的尾端上部设有弹簧连接环,所述的弹簧连接环与弹簧的底端连接,弹簧的顶端与同侧的母头侧壁顶部连接,所述的吊环通过吊链与起重机的吊钩连接,所述的母头侧壁上沿纵向设有贯通上下端面的安装槽,所述的安装槽内设有封口块,所述的封口块用于母头侧边开口的封装,保证脐带缆不从母头侧边开口处滑出。
回收时,母头32吊环35连接起重机4吊钩,起重机4下放吊钩,母头32沿着脐带缆靠重力下降,下滑至机器人1上公头31处。公头31靠着锥面顶开偏心承载块33,偏心承载块33靠两侧弹簧34快速收回,公头31锥平面承担在偏心承载块33平面处完成对接。
在进一步的实施例中,如图1、8所示,所述的辅助装置6包括绞车61、电源转换箱62、及脐带缆63,所述的绞车61用于脐带缆63的收放(由电驱动的绞车为现有技术,不做赘述),所述的电源转换箱62通过螺栓固定于绞车61的侧面,并用于机器人1的供电转换及信号传输,所述的脐带缆63缠绕在绞车61上,用于对机器人1实时供电及实时信号传输,所述的电源转换箱62与遥控监视装置5通过脐带缆电性连接。
在进一步的实施例中,如图1所示,所述的起重机4的挂钩上还连接有张紧轮(图中未画出),所述的脐带缆穿过张紧轮与机器人1连接,所述的张紧轮能够在脐带缆的拖动下转动轮轴朝向,并将脐带缆张紧。通过此设置可使脐带缆能够满足机器人任何方向的拖拽,张紧轮可选择动滑轮的方式,通过钢丝绳连接在起重机挂钩一侧,或者连接于起重臂上。
本发明的工作原理:
1、布放工作原理:
如图9所示,启动起重机4,吊钩移至机器人1上方,公头31与母头32连接,吊装机器人1至滑翔机7上方,打开夹紧臂22。到达夹紧位置后,关闭夹紧臂22,抱紧滑翔机7。将2个弹簧底端从弹簧连接环上解开,吊装机器人1及滑翔机7整体入水,母头下放,偏心承载块脱离公头的压力,并由于自身重力的作用收缩入限位安装槽内,再向上拉动母头,公头31与母头32脱开。机器人1行驶至滑翔机7释放位置,松开夹紧臂22释放滑翔机7。机器人1行驶至母船8附近,起重机4下放母头32(放下母头之前将弹簧底端与弹簧连接环连接),公头31与母头32连接,起重机4吊起机器人1至托架上,完成滑翔机7布放。
2、回收工作原理:
如图10所示,启动起重机4,吊钩移至机器人1上方,公头31与母头32连接,吊装机器人1入水,公头31与母头32脱开。机器人1行驶至滑翔机7前方,松开夹紧臂22。通过图像系统调整机器人1正对滑翔机7,机器人1快速向滑翔机7对接。滑翔机7进入夹紧位置后,关闭夹紧臂22,抱紧滑翔机7。控制机器人1行驶至母船8附近,起重机4下放母头32,公头31与母头32连接,起重机4吊起机器人与滑翔机的整体至托架上,机器人松开夹紧臂22释放滑翔机7。起重机4吊起机器人1至托架上,起重机4与母头32脱开恢复至非工作状态,完成滑翔机7回收。