一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置。


背景技术：

2.陆地资源日益枯竭，占全球71％面积的海洋蕴藏着丰富资源，深海资源的开采往往需要大型海上钻井平台和深海探测等关键设备。随着世界各国海洋开发技术的极力发展，无人深海机器人因具有定深和定向能力而作为深海探测、水文测量、光缆巡检和军事侦探方面的重要工具。
3.目前，高海况下船舶产生六自由度的晃动，船舶升沉运动对深海机器人索缆系统的影响最为显著。为了能够补偿船舶升沉运动所带来的深海机器人和索缆之间的上下振动，有必要在船舶上设计一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置，能实现深海机器人升沉运动补偿，从而减少深海机器人和索缆之间的上下振动。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置，包括控制器及其连接的索缆缩放控制回路；
6.所述控制器，用于根据用户输入信息或设备检测信息，产生控制指令并输出；
7.所述索缆缩放控制回路包括自动油泵、第一三位四通电液伺服阀、第一液控单向顺序阀和柱塞马达；其中，
8.所述自动油泵，用于由驱动电机实现液压油输出；
9.所述第一三位四通电液伺服阀连接所述自动油泵，且其上的阀芯控制端与所述控制器相连，阀芯左路油腔经所述第一液控单向顺序阀连接所述柱塞马达上的一油路入口，阀芯右路油腔连接所述柱塞马达上的另一油路入口，用于根据所述控制器下发的相应控制指令，在控制阀芯左右的左右位置和开口大小时，能导通所述自动油泵给所述柱塞马达供油并控制油量大小，实现所述柱塞马达正反转动方向及转速大小控制；或在控制阀芯置于中位能停止所述自动油泵向所述柱塞马达供油，实现所述柱塞马达停转；
10.所述第一液控单向顺序阀，用于调节左路油量流速，以优化所述柱塞马达转速，以及反向回收液压油；
11.所述柱塞马达的输出端通过所述索缆连接所述深海机器人，用于根据转动方向及转速大小，调整所述深海机器人上下位置，实现深海机器人升沉运动补偿。
12.其中，还包括：与所述控制器相连的深海机器人位置微调回路；
13.所述深海机器人位置微调回路包括第二三位四通电液伺服阀、第二液控单向顺序阀、伺服液压缸和超声波传感器；其中，
14.所述第二三位四通电液伺服阀连接所述自动油泵，且其上的阀芯控制端与所述控制器相连，阀芯左路油腔经所述第二液控单向顺序阀连接所述伺服液压缸的下腔，阀芯右
路油腔连接所述伺服液压缸的上腔，用于根据所述控制器下发的相应控制指令，在控制伺服阀阀芯位置及开口大小时，能导通所述自动油泵给所述伺服液压缸供油并控制油量大小，实现所述伺服液压缸输出动力大小及方向控制；或在控制阀芯置于中位时，能停止所述自动油泵向所述伺服液压缸供油，实现所述伺服液压缸停止输出动力；
15.所述第二液控单向顺序阀，用于调节左路油量流速，以优化所述伺服液压缸输出动力，以及反向回收液压油；
16.所述伺服液压缸的输出端连接所述深海机器人，用于根据输出动力大小及方向，对所述深海机器人上下位置进行微调，实现深海机器人升沉运动补偿；
17.所述超声波传感器设置于所述深海机器人上并与所述控制器相连，用于实时检测深海机器人的位移并发给所述控制器，以使所述控制器对深海机器人进行位置误差判别来更改相应的控制指令。
18.其中，还包括：与所述控制器相连的马达制动回路；
19.所述马达制动回路包括蓄能器、第一二位二通电磁阀、第二二位二通电磁阀、第三二位二通电磁阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、减压阀、限位器和制动油缸；其中，
20.所述蓄能器依次经所述第一二位二通电磁阀、所述第一单向节流阀及所述第二二位二通电磁阀形成为连接所述制动油缸的第一制动支路；
21.所述蓄能器依次经所述减压阀、所述第二单向节流阀及所述第三二位二通电磁阀形成为连接所述制动油缸并与所述第一制动支路互为备份的第二制动支路；
22.所述第一二位二通电磁阀、所述第二二位二通电磁阀及所述第三二位二通电磁阀均与所述控制器相连，均用于根据所述控制器下发的相应控制指令，开启或关断，实现导通或截止所述第一制动支路或/及所述第二制动支路；
23.所述限位器设置于所述制动油缸上，用于检测所述制动油缸与所述柱塞马达的脱离情况，包括脱离和压紧；
24.所述制动油缸设置于所述柱塞马达上，用于在所述第一制动支路及所述第二制动支路之中至少有一个导通时，通过所述蓄能器的液压油注入所述制动油缸中并让所述制动油缸运动与所述柱塞马达相脱离，实现对所述柱塞马达解除制动；或在所述第一制动支路及所述第二制动支路均截止导通时，因所述蓄能器的液压油不能注入所述制动油缸中，通过所述制动油缸自身弹簧恢复力以使之与所述柱塞马达相压紧，实现对所述柱塞马达制动。
25.其中，所述马达制动回路还包括压力继电器；其中，
26.所述压力继电器设置于所述第一制动支路上，其一端与所述蓄能器相连，另一端与所述控制器相连，用于感应所述蓄能器的实时压力，并在所述蓄能器的压力低于预设阈值时，根据所述控制器下发的相应控制指令，截止所述第一制动支路；或在所述蓄能器的压力高于所述预设阈值时，根据所述控制器下发的相应控制指令，导通所述第一制动支路。
27.其中，所述马达制动回路还包括第四二位二通电磁阀；其中，
28.所述第四二位二通电磁阀设置于所述自动油泵与所述蓄能器连通的管路上，其与所述控制器相连，用于在所述蓄能器的压力低于预设阈值时，根据所述控制器下发的相应控制指令，开启实现导通所述自动油泵给所述蓄能器补油；或在所述蓄能器的压力高于所述预设阈值时，根据所述控制器下发的相应控制指令，关断实现截止所述自动油泵给所述
蓄能器补油。
29.其中，所述马达制动回路还包括连接所述制动油缸的应急制动支路；
30.所述应急制动支路包括依序连接的手动油泵、单向阀和截止阀；其中，所述应急制动支路，用于在所述蓄能器失效时，导通所述制动油缸并通过手动操作所述手动油泵输出液压油注入所述制动油缸中并让所述制动油缸运动与所述柱塞马达相脱离，实现对所述柱塞马达解除制动；或在所述蓄能器失效时，截止导通所述制动油缸并通过所述制动油缸自身弹簧恢复力以使之与所述柱塞马达相压紧，实现对所述柱塞马达制动。
31.其中，所述第一液控单向顺序阀和所述第二液控单向顺序阀均由锥阀和滑阀组成。
32.其中，所述第一三位四通电液伺服阀和所述第二三位四通电液伺服阀均通过两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，以使阀芯左右腔之中一个开启及开口大小控制，或全部关闭阀芯左右腔。
33.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
34.1、本发明通过控制器控制索缆缩放控制回路中注入柱塞马达的油量方向和大小来调整转动方向及转速大小，从而调整深海机器人上下位置，实现深海机器人升沉运动补偿，减少了深海机器人和索缆之间的上下振动；
35.2、本发明通过控制器控制深海机器人位置微调回路中注入伺服液压缸的油量方向和大小来调整输出给深海机器人的动力大小及方向，从而实现对深海机器人上下位置微调，进一步对深海机器人升沉运动进行补偿，更加有效地减少了深海机器人和索缆之间的上下振动；
36.3、本发明通过控制器控制马达制动回路中第一制动支路、第二制动支路和应急制动支路之相应的一个来实现对索缆缩放控制回路中柱塞马达的控制，用以确保对深海机器人升沉运动补偿量的精确控制，从而提高了控制准确度，同时防止深海机器人与索缆等负载重力带动柱塞马达旋转而下滑。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
38.图1为本发明实施一例提供的深海机器人索缆系统升沉补偿装置的连接结构示意图。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
40.如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种深海机器人索缆系统升沉补偿装置，包括控制器31及其连接的索缆缩放控制回路；
41.控制器31，用于根据用户输入信息或设备检测信息，产生控制指令并输出；
42.索缆缩放控制回路包括自动油泵1、第一三位四通电液伺服阀2、第一液控单向顺序阀4和柱塞马达12；其中，
43.自动油泵1，用于由驱动电机实现液压油输出；
44.第一三位四通电液伺服阀2连接自动油泵1，且其上的阀芯控制端与所述控制器1)相连，阀芯左路油腔经所述第一液控单向顺序阀4连接柱塞马达12上的一油路入口，阀芯右路油腔连接柱塞马达12上的另一油路入口，用于根据控制器31下发的相应控制指令，在控制阀芯的左右位置和开口大小时，能导通自动油泵1给柱塞马达12供油并控制油量大小，实现柱塞马达12正反转动方向及转速大小控制；或在控制阀芯置于中位时，能停止自动油泵1向所述柱塞马达12供油，实现柱塞马达12停转；
45.第一液控单向顺序阀4，用于调节左路油量流速，以优化柱塞马达12转速，以及反向回收液压油；
46.柱塞马达12的输出端通过索缆7连接深海机器人10，用于根据转动方向及转速大小，调整深海机器人10上下位置，实现深海机器人10升沉运动补偿，减少了深海机器人10和索缆7之间的上下振动。
47.应当说明的是，索缆缩放控制回路采用柱塞马达12带动深海机器人10升降，并采用第一三位四通电液伺服阀2的阀芯位置实现深海机器人10的变速和换向；其中，第一三位四通电液伺服阀2通过两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，以使阀芯左右腔之中一个开启及开口大小控制，或控制阀芯置于中位来实现关闭阀芯左右腔，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向。即，改变第一三位四通电液伺服阀2的开口大小和方向，即可调整柱塞马达12的活塞运动速度和使得活塞缸伸缩。
48.第一液控单向顺序阀4用以限制深海机器人10超速下降，该第一液控单向顺序阀4由锥阀和滑阀组成，使得具有单向阀和顺序阀的功能。一旦正向通过第一液控单向顺序阀4或反向时遥控口作用下，给锥阀一个压力打开滑阀，滑阀随着开启压力大小控制流量，控制深海机器人10位置的平稳性。
49.例如，当第一三位四通电液伺服阀2处于左位(即阀芯左腔开启)时，自动油泵1的液压油经第一液控单向顺序阀4进入柱塞马达12上的左侧油路入口，驱动活塞伸出运动，通过拉伸索缆7使得深海机器人10位置向下降；当第一三位四通电液伺服阀2处于右位(即阀芯右腔开启)时，自动油泵1的液压油直接进入柱塞马达12上的右侧油路入口，驱动活塞缩回运动，通过回缩索缆7使得深海机器人10位置向上升，同时还遥控口打开第一液控单向顺序阀4，使得柱塞马达12上的左侧液压油回到第一液控单向顺序阀4所携带的油箱中进行回收。
50.在本发明实施例中，该深海机器人索缆系统升沉补偿装置还包括：与控制器31相连的深海机器人位置微调回路；
51.深海机器人位置微调回路包括第二三位四通电液伺服阀3、第二液控单向顺序阀5、伺服液压缸8和超声波传感器9；其中，
52.第二三位四通电液伺服阀3连接自动油泵1，且其上的阀芯控制端与控制器31相连，阀芯左路油腔经第二液控单向顺序阀5连接伺服液压缸8的下腔，阀芯右路油腔连接伺服液压缸8的上腔，用于根据控制器31下发的相应控制指令，在控制阀芯的左右位置和开口大小时，能导通自动油泵1给伺服液压缸8供油并控制油量大小，实现伺服液压缸8输出动力
大小及方向控制；或在控制伺服阀阀芯置于中位时，能停止自动油泵1向伺服液压缸8供油，实现伺服液压缸8停止输出动力；
53.第二液控单向顺序阀5，用于调节左路油量流速，以优化伺服液压缸8输出动力，以及反向回收液压油；
54.伺服液压缸8的输出端连接深海机器人10，用于根据输出动力大小及方向，对所述深海机器人上下位置进行微调，实现深海机器人升沉运动补偿，进一步有效地减少了深海机器人和索缆之间的上下振动；
55.超声波传感器9设置于深海机器人10上并与控制器31相连，用于实时检测深海机器人10的位移并发给控制器31，以使控制器31对深海机器人进行位置误差判别来更改相应的控制指令，即超声波传感器9实时反馈的深海机器人10的位移，可形成为控制指令来改变第二三位四通电液伺服阀3的两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动。
56.应当说明的是，采用第二三位四通电液伺服阀3的阀芯位置实现深海机器人10的微型变速和换向；其中，第二三位四通电液伺服阀3通过两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，以使阀芯左右腔之中一个开启及开口大小控制，或全部关闭阀芯左右腔，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向。即，改变第二三位四通电液伺服阀3的开口大小和方向，即可调整伺服液压缸8的活塞运动速度和使得活塞缸伸缩。
57.第二液控单向顺序阀5用以限制深海机器人10微弱下降，该第二液控单向顺序阀5由锥阀和滑阀组成，使得具有单向阀和顺序阀的功能。一旦正向通过第二液控单向顺序阀5或反向时遥控口作用下，给锥阀一个压力打开滑阀，滑阀随着开启压力大小控制流量，控制深海机器人10上下位置的微调。此时，因液压伺服缸8收缩时液压力与负载力方向一致，为了防止液压伺服缸8在重力作用下自行收缩，在伺服液压缸8的下腔回油腔安装了第二液控单向顺序阀5，提高了收缩运动的可靠性。
58.例如，当第二三位四通电液伺服阀3处于左位(即阀芯左腔开启)时，自动油泵1的液压油经第二液控单向顺序阀5进入伺服液压缸8的下腔，驱动活塞伸出运动，使得深海机器人10位置向上微调；当第二三位四通电液伺服阀3处于右位(即阀芯右腔开启)时，自动油泵1的液压油直接进入伺服液压缸8的上腔，驱动活塞缩回运动，使得深海机器人10位置向下微调，同时还遥控口打开第二液控单向顺序阀5，使得伺服液压缸8的下腔液压油回到第二液控单向顺序阀5所携带的油箱中进行回收。
59.在本发明实施例中，该深海机器人索缆系统升沉补偿装置还包括：与控制器31相连的马达制动回路；
60.马达制动回路包括蓄能器14、第一二位二通电磁阀16、第二二位二通电磁阀17、第三二位二通电磁阀18、第一单向节流阀19、第二单向节流阀20、减压阀21、限位器29和制动油缸11；其中，
61.蓄能器14依次经第一二位二通电磁阀16、第一单向节流阀19及第二二位二通电磁阀17形成为连接制动油缸11的第一制动支路；
62.蓄能器14依次经减压阀21、第二单向节流阀20及第三二位二通电磁阀18形成为连接制动油缸11并与第一制动支路互为备份的第二制动支路；
63.第一二位二通电磁阀16、第二二位二通电磁阀17及第三二位二通电磁阀18均与控制器31相连，均用于根据控制器31下发的相应控制指令，开启或关断，实现导通或截止第一
制动支路或/及第二制动支路；
64.限位器29设置于制动油缸11上，用于检测制动油缸11与柱塞马达12的脱离情况，包括脱离和压紧；
65.制动油缸11设置于柱塞马达12上，用于在第一制动支路及第二制动支路之中至少有一个导通时，通过蓄能器14的液压油注入制动油缸11中并让制动油缸11运动与柱塞马达12相脱离，实现对柱塞马达12解除制动；或在第一制动支路及第二制动支路均截止导通时，因蓄能器14的液压油不能注入制动油缸11中，通过制动油缸11自身弹簧恢复力以使之与柱塞马达12相压紧，实现对柱塞马达12制动。
66.应当说明的是，第一单向节流阀19和第二单向节流阀20(调整适当开度)，用于调节制动油缸11对柱塞马达12制动开启和制动速度，防止开启或制动过快损坏机构。
67.在本发明实施例中，该深海机器人索缆系统升沉补偿装置通过设置三个二位二通电磁阀(16、17和18)，用以应对大容积制动液压缸工作的情况，通过第一制动支路和第二制动支路互为备份来实现，从而对柱塞马达12的控制来确保对深海机器人10升沉运动补偿量的精确控制，提高了控制准确度。
68.例如，工作时，第一二位二通电磁阀16及第二二位二通电磁阀17通电开启和第一单向节流阀19正常开启，蓄能器14中的液压油经过第一制动支路流进制动油缸11；或/及工作时，第三二位二通电磁阀18通电开启、减压阀21和第二单向节流阀20正常开启，蓄能器14中的液压油经过第二制动支路流进制动油缸11。此时，因蓄能器14的液压油注入到制动油缸11中并让制动油缸11运动与柱塞马达12相脱离，实现对柱塞马达12解除制动。在一个例子中，第一二位二通电磁阀16关断，使得第一制动支路截止蓄能器14的液压油注入制动油缸11中，但第二制动支路中蓄能器14通过减压阀21继续维持补充液压油到制动油缸11，可以确保制动油缸11迅速地打开，应急工况时保证系统的安全。
69.例如，非工作时，当制动油缸11开启限位器29检测到制动油缸11的活塞与柱塞马达12脱离，并且制动油缸11的活塞与柱塞马达12保持有一定安全距离时，向控制器31发送讯号，第一二位二通电磁阀16、第二二位二通电磁阀17及第三二位二通电磁阀18失电关断，使得蓄能器14的液压油不能注入制动油缸11中，通过制动油缸11自身弹簧恢复力以使之与柱塞马达12相压紧，实现对柱塞马达12制动。
70.可以理解的是，在制动油缸11释放工作(即对柱塞马达12解除制动)时，蓄能器14通过减压阀21将蓄能器14的高压力降至制动油缸11保持打开状态。
71.在本发明实施例中，该深海机器人索缆系统升沉补偿装置还包括压力继电器15和第四二位二通电磁阀13；其中，
72.压力继电器15设置于第一制动支路上，其一端与蓄能器14相连，另一端与控制器31相连，用于感应蓄能器14的实时压力，并在蓄能器14的压力低于预设阈值时，根据控制器31下发的相应控制指令，截止第一制动支路；或在蓄能器14的压力高于预设阈值时，根据控制器31下发的相应控制指令，导通第一制动支路；
73.第四二位二通电磁阀13设置于自动油泵1与蓄能器14连通的管路上，其与控制器31相连，用于在蓄能器14的压力低于预设阈值时，根据控制器31下发的相应控制指令，开启实现导通自动油泵1给蓄能器14补油；或在蓄能器14的压力高于预设阈值时，根据控制器31下发的相应控制指令，关断实现截止自动油泵1给蓄能器14补油。
74.可以理解的是，通过第四二位二通电磁阀13通电开启后，自动油泵1向蓄能器14提供补油，以维持蓄能器14的压力为压力继电器15控制的压力以上。同时，蓄能器14和制动油缸11之间通过减压阀21的隔开，确保自动油泵1和蓄能器14达到充分的应用而不损坏制动油缸11，有利于提高蓄能器14的充气压力、增加储蓄液压油的能力和延长装置的保压时间，避免自动油泵1的驱动电机频繁启动。
75.在本发明实施例中，该深海机器人索缆系统升沉补偿装置为了避免马达制动回路中第一制动支路和第二制动支路同时失效，还设置了手动的应急制动支路。因此，马达制动回路还包括连接制动油缸11的应急制动支路；
76.应急制动支路包括依序连接的手动油泵27、单向阀24和截止阀23；其中，应急制动支路，用于在蓄能器14失效时，导通制动油缸11并通过手动操作手动油泵27输出液压油注入制动油缸11中并让制动油缸11运动与柱塞马达12相脱离，实现对柱塞马达12解除制动；或在蓄能器14失效时，截止导通制动油缸11并通过制动油缸11自身弹簧恢复力以使之与柱塞马达12相压紧，实现对柱塞马达12制动。
77.由此可见，在紧急情况下，通过手动操作手动油泵27、单向阀24和截止阀23(正常工作时关闭)配合来开启制动油缸11的制动功能，此时第一单向节流阀19和第二单向节流阀20完全关闭，截止阀23完全开启。应急情况完成需要恢复到正常工作状态。
78.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
79.1、本发明通过控制器控制索缆缩放控制回路中注入柱塞马达的油量方向和大小来调整转动方向及转速大小，从而调整深海机器人上下位置，实现深海机器人升沉运动补偿，减少了深海机器人和索缆之间的上下振动；
80.2、本发明通过控制器控制深海机器人位置微调回路中注入伺服液压缸的油量方向和大小来调整输出给深海机器人的动力大小及方向，从而实现对深海机器人上下位置微调，进一步对深海机器人升沉运动进行补偿，更加有效地减少了深海机器人和索缆之间的上下振动；
81.3、本发明通过控制器控制马达制动回路中第一制动支路、第二制动支路和应急制动支路之相应的一个来实现对索缆缩放控制回路中柱塞马达的控制，用以确保对深海机器人升沉运动补偿量的精确控制，从而提高了控制准确度。
82.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。