遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析.pdf

第2 8 卷第1 期2 0 1 0 年2 月海洋工程 EO C E A NE N G 矾E E m N GV 0 1 2 8N o 1F e b 2 0 1 0文章编号：1(1 0 5 9 8 6 5(2 0 1 0)0 1-0 1 1 7-0 4遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析康守权，张奇峰(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳11 0 0 1 6)摘要：脐带缆收放技术是有缆遥控水下机器人的一项关键技术，该技术直接影响水下机器人载体的收放及作业过程中脐带缆的安全。针对目前水下机器人收放系统中脐带缆收放技术的特点，给出了一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供大牵引力和安全制动功能的紧凑新式脐带缆绞车方案，并对牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力与牵引绞车的牵引力进行了理论分析，给出了二者之间的关系函数。关键词：水下机器人；脐带缆；收放系统；牵引绞车中图分类号：P 7 5 1文献标识码：AR e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e7sc a b l ed e p l o y i n ga n dr e t r a c t i n gw i n c hd e s i g na n dc a b l et r a c t i o na n a l y s e sK A N GS h o u-q u a n，Z H A N GQ i f e n g(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fR o b o t i c s，S h e n y a n gI n s t i t u t e o fA u t o m a t i o n，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，S h e n y a u g1 1 0 0 1 6，C h i n a)A l a s t r a e t：U m b i l i c a lc a b l ed e p l o y i n ga n dr e t r a c t i n gi sak e yt e c h n i q u eo fR e m o t e l yO p e r a t e dV e h i c l e(R O V)w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h ec a b l e ss a f e t yi ne O U l,S eo fv e h i c l e sr e c o v e r ya n dw o r k i n g A i m i n ga tt h ee x i s t e n tc h a r a c t e r i s t i c si nt o d a y 7 su m b i l i c a lc a b l e 蛐y i n sa n d 腭缸孤血唱o fR O V，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o m p a c tu m b i l i c a lc a b l ed e p l o y i n ga n dr e t r a c t i n gw i n c h，w h i c hh a st h ec a p a c i t yo fa u t o n o m o u s 蒯i I l gc a b l ew i t hl o wt e n s i o n，o f f e r i n gp o w e r f u lt l 黜t i o nf o r c ea n ds a f eb r a k i n g A l s o，t h et e n s i o nb e t w e e nt h et r a c t i o na n ds t o r a g ew i n c h，t h et r a 硝o nf o r c ep r o d u c e di nt r a c t i o nw i n c ha n d t w of o r c e s r e l a t i o n s h i pa r|ea n a l y z e d K e yw o r d s：u n d e r w a l e rv e h i c l e；u m b i l i c a lc a b l e；d e p l o y m e n ts y s t e m；t r a c t i o nw i n c h水下机器人1 是一种在水下环境中进行各种作业的特种机器人，尽管这个家族中的种类和型号较多，但都离不开收放系统 2】2 的支持。近年来，作为水下机器人收放系统关键技术之一的脐带缆收放技术发展非常迅速，水下机器人载体在水中航行或作业期间，脐带缆绞车要随时进行脐带缆的收放，既要保证载体不会被收放系统拖拉而影响作业，收放系统也不能放出过长的脐带缆导致与载体缠绕的情况发生，此时脐带缆处于低张力状态；而水下机器人吊放回收时脐带缆处于最大张力状态，如果采用当前常用的单滚筒绞车(牵引和缠绕同用一滚筒)，由于脐带缆处于最大张力状态时，除实现自动排缆具有较大的难度外，缠绕在滚筒上内部几层的脐带缆较松，而最外层很紧，势必造成脐带缆勒人内层，使得昂贵的脐带缆遭到挤压受损，轻者影响脐带缆正常回收(俗称“乱扣”)，重者致使设备瘫痪，尤其是要求脐带缆频繁收放和大牵引力收放水下机器人载体时问题更显得突出。针对有缆水下机器人收放技术的上述特点，为了满足作业要求，设计一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供较大牵引力和安全制动功能的新式脐带缆绞车方案，这种新型的脐带缆绞车具有过载保护和响应迅速的安全制动系统，完全满足作业要求。收稿E l 期：2 0 0 9-0 4-1 7作者简介：康守权(1 9 5 0-)，男，辽宁沈阳人，研究员，从事水下机器人总体技术研究。E-m a i l：h q s i a m万方数据1 1 8海洋工程第2 8 卷l 脐带缆收放绞车结构设计水下机器人脐带缆绞车是一个复杂的系统，从实际需求出发，本文设计的水下机器人脐带缆绞车在结构上由牵引绞车、储藏绞车、自动排缆器三部分组成，各部分均由液压驱动。并可通过控制单元进行自主收放脐带缆或遥控操作收放脐带缆，为了使脐带缆绞车结构紧凑并便于与总体布置，采用一体化设计，使各部分有机的结合在一起，其结构原理如图l 所示。1 1 牵引绞车在脐带缆绞车中，牵引绞车是牵引拖动脐带缆的主要装置。为了实现大牵引力收放水下机器人载体，图1 脐带缆绞车组成原理示意并使得牵引绞车与储藏绞车之间的脐带缆呈小张力状F i g 1S c h e m a t i c 岫o fu m h i l i c a ic a b l ew i n c hc o m p o s i t i o n态，脐带缆绞车的牵引绞车采用双牵引轮同步同向转动的方式，结构示意如图2 所示。每个牵引轮由轴向液压马达通过行星减速机驱动，并在各自的液压马达和行星减速机间装有常闭式安全保险闸。为了提高牵引绞车与脐带缆的摩擦力，使其具有足够的牵引力，采用了增大脐带缆与牵引轮包角的办法；为了增加脐带缆与牵引轮的摩擦系数，在两个牵引轮外径表面开有多个环形槽。1 2 储藏绞车储藏绞车用于缠绕储藏脐带缆，由框架和卷筒组成，卷筒由低速大扭矩液压马达驱动，配有卡钳式圆盘制动闸和导电滑环等。收放脐带缆时，卡钳式圆盘制动闸松脱，低速大扭矩液压马达经链传动驱动卷筒转动，由排缆器自动排缆，以较低的张力收回或放出脐带缆，动力电、信号通过导电滑环进行传输。储藏绞车在任何条件下的停车由卡钳式圆盘制动闸制动卷筒实现，防止牵引绞车、排缆器和储藏卷筒之间的脐带缆松驰。由于储藏卷筒不直接承受脐带缆的最大牵引力，制动力主要是为了克服储藏卷筒转动惯性力矩。1 3 自动排缆器自动排缆器主要部件为脐带缆导向轮、导向光杠、传动丝杠、丝杠配套螺母等，丝杠由液压马达驱动，排缆器具有自动换向功能，根据控制单元的指令，排缆器与储藏卷筒之间精密协调运动，以保证将脐带缆一圈挨一圈、一层叠一层整齐地缠绕在储藏卷筒上。导向轮在储藏绞车和牵引绞车之间对脐带缆起到导向作用(见图3)。图2 牵引绞车示意图3 自动排缆器原理F i g 2S c h e m a t i cd i 伽o ft r a c t i o nw i n c hF i g 3S c h e m a t i cd i a g r a mo fa u t o n o m o t mc o i l i n gc a b l ed e v i c e脐带缆在储藏卷筒上沿螺旋线缠绕，当储藏绞车收放脐带缆时，脐带缆沿卷筒轴线螺旋运动，自动排缆信号采集装置(在脐带缆与卷筒切点附近)安装在导向轮上，由脐带缆带动实现信号采集动作，并将信号送给控制单元，控制单元收到信号后，控制伺服阀，液压马达经丝杠螺母驱动导向轮沿导向光杠在整个排缆范围内作排缆运动。当脐带缆缠绕或放出到达卷筒一端时，导向轮也同时运动到行程端点，此时自动排缆换向装置发出换向信号到控制单元，控制单元控制伺服阀换向，液压马达反转达到换向目的，导向轮摆动驱动缸用万方数据第1 期康守权，等：遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析1 1 9于实现导向轮的摆动，以保证储缆绞车缠绕不同层数脐带缆时脐带缆与缠绕层相切。脐带缆收放绞车各部分驱动、传动，牵引绞车、储藏绞车和排缆器工作关系如图4 所示。图4 脐带缆收放绞车驱动关系原理F i g 4S c h e m a t i cd i 删o fd r i v i n go fu m b i l i c a lc a b l ed e p l o y m e n tw i n c h2 牵引绞车与脐带缆牵引力关系分析为了保证自动排缆的实现，确保脐带缆在储藏卷筒上缠绕松紧适度且脐带缆不会由外层勒入内层，合理设计牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力Q 至关重要。从脐带缆在储藏绞车上缠绕方面考虑，希望脐带缆张力Q 小些；但同时牵引绞车也要提供足够的牵引力以保证水下机器人载体的收放，此时希望Q 大些。牵引绞车工作时，两个牵引轮同步同向转动，缠绕在两牵引轮环形槽内的脐带缆与环形槽间的摩擦力，即为脐带缆牵引力，用r 表示。下面就牵引绞车收放脐带缆时的摩擦力加以分析计算，进而确定牵引轮外径表面环形槽数和Q 的最佳值。在计算牵引轮与脐带缆之间的摩擦力时为了使问题简化起见，现作如下假定：1)脐带缆是理想的柔性体，在工作中不会伸长，也没有内摩擦存在；2)不考虑脐带缆与牵引轮缠绕部分的重量以及离心力；3)假设牵引轮静止不动，而脐带缆沿着牵引轮槽等速滑动；4)总摩擦力首先从单牵引轮单槽和与其接触部分脐带缆之间的摩擦力开始，然后再进行合成。牵引绞车、脐带缆受力情况如图5(a)所示，设单牵引轮单槽内脐带缆两端所受的张力分别为乃及死，脐带缆与牵引轮之间的摩擦力为F。由摩擦力的关系，脐带缆两端所受的张力不相等，受到张力较小的一边称为松边，其张力用死表示；受到张力较大一边称为紧边，其张力用死表示。于是根据脐带缆的力平衡条件有：如=T l+F(1)现在来求，力的大小，由脐带缆上取出-d,段船，其两端所受的张力分别为r 及r+d r(其中d T 应等于此小段脐带缆上所受的摩擦力d F)，而其受牵引轮的反力为d R，此三力为平衡力系，构成力三角形(如图5(b)所示)。由6 c 边上截取掘=曲=r，则d c=d T=d F；又因d 口为无限小的角，故以近乎垂直于k，因以相当于此小段脐带缆所受的压力d N，由图得：d N=T d c t(2)d F=d T=,u d N=I 址T d a(3)下d T：产d 口(4)丁一P“、r 7其中，为脐带缆与牵引轮之间的摩擦系数。万方数据1 2 0海洋工程第2 8 卷氍d N蘸rdT+d T图5 牵引绞车、脐带缆受力分析5S 缸e s sa n a l y s i so ft r a c t i o nw i n c ha n du m b i l i c a lc a b l e将式(4)两端积分，即弹：，户d 口(5)10由式(5)求得l n(疋r 1)=z a(6)T 2=T l e m(7)式中：口为脐带缆与牵引轮接触部分所对的圆心角，也称之为包角(单位为弧度)。由式(1)可得F=砭一T l=T l(酽一1)(8)式中：，是单牵引轮单槽时能够驱动脐带缆的最大圆周力，也是脐带缆与牵引轮之间的摩擦力。上面所作的分析计算是依据单牵引轮单槽的情况下进行的，由F=孔(e 肛一1)的关系可以看出，脐带缆与牵引轮之间的摩擦力F 的大小与脐带缆松边张力、脐带缆与牵引轮的包角及摩擦系数相关，而与牵引轮的直径无关，但考虑到脐带缆缠绕半径及整个系统的结构尺寸问题，牵引轮的直径不能任意选择。实际上脐带缆是由两个牵引轮驱动的，选定每个牵引轮外径表面各开7,个环形槽：那么脐带缆与两个牵引轮间能来回缠绕n 圈，共至少有2(n 1)次脐带缆与两牵引轮槽相接触，脐带缆与一个牵引轮的一个槽一次接触的包角为口=7 c 弧度，总包角为2(n 一1)兀弧度。于是有F=r l(毋(川h 一1)(9)为使脐带缆在储藏绞盘上缠绕得松紧适度，同时避免自动排缆器结构的过大，并保证牵引绞车具有驱动脐带缆的圆周力F，除了选择牵引轮的槽数外，还要选择储藏绞车与牵引绞车间脐带缆的张力Q。储藏绞车与牵引绞车间脐带缆的张力Q 就是松边的张力r l，即T l-Q。F=Q(毋(“h 一1)(1 0)当收放水下机器人载体时所需脐带缆的牵引力小于F 时，脐带缆绞车能够使脐带缆具有所需牵引力。式(1 0)给出了牵引绞车与脐带缆摩擦力F 与脐带缆另一端张力Q 的关系。Q 的大小可通过控制储藏绞车的驱动马达进行控制，因此，知道了脐带缆一端的张力Q 和所需的摩擦牵引力，就可设计出牵引绞车牵引轮的环形槽的个数。当然，还要考虑各个环节的传动效率，并留出一定的余量。3 结语水下机器人脐带缆收放技术是保证系统安全作业和脐带缆安全的一项关键技术，除了要完成脐带缆的有序安全缠绕(和放出)之外，脐带缆牵引力的设计也非常重要，特别是水下机器人载体作业情况复杂多变以及脐带缆的频繁收放。设计了双牵引轮牵引绞车脐带缆收放绞车，解决了单卷筒绞车由于脐带缆张力变化范围大难以实现自动排缆的问题，并通过对脐带缆张力和牵引力的分析对牵引绞车牵引轮环形槽的设计给出了理论依据，对有缆水下机器人脐带缆收放系统的设计具有一定的指导意义。参考文献：1 蒋新松，封锡盛，王棣棠水下机器人 M 沈阳：辽宁科技出版社，2 0 0 0 2 杨文林，张竺英，张艾群水下机器人主动升沉补偿系统研究 J 海洋工程，2 0 0 7，2 5(3)：6 8 7 2 万方数据