一种自主遥控水下机器人的起吊结构

摘要

本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种自主遥控水下机器人的起吊结构。该起吊结构包括起吊钩组件、隔离板和起吊框架组件，其中起吊钩组件设置于起吊框架组件的顶部，且起吊钩组件与起吊框架组件之间通过隔离板进行隔离，起吊钩组件具有两种起吊形式，起吊框架组件具有一种起吊形式；起吊框架组件用于与自主遥控水下机器人的框架固定连接。本发明结构简单、容易实现、比强度大及防腐性好，适用于大重量自主遥控水下机器人的多工况起吊形式。

权利要求

1.一种自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，包括起吊钩组件(1)、隔离板(2)和起吊框架组件(3)，其中起吊钩组件(1)设置于起吊框架组件(3)的顶部，且起吊钩组件(1)与起吊框架组件(3)之间通过隔离板(2)进行隔离，起吊钩组件(1)具有两种起吊形式，起吊框架组件(3)具有一种起吊形式；起吊框架组件(3)用于与自主遥控水下机器人的框架固定连接；

所述起吊框架组件(3)包括起吊框架及设置于起吊框架顶部的挂钩柱(201)，所述起吊钩组件(1)设置于起吊框架的顶部中间位置；两个挂钩柱(201)平行设置于所述起吊钩组件(1)的两侧；

挂钩柱(201)用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的锁钩适配，实现自主遥控水下机器人起吊后的刚性固定，防止摇摆。

2.根据权利要求1所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊框架包括两个底座(203)及设置于两个底座(203)之间且相互平行的两个壁板(202)，壁板(202)的底部两端分别与两个底座(203)连接；所述挂钩柱(201)和所述起吊钩组件(1)均连接在两个壁板(202)之间。

3.根据权利要求2所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述壁板(202)的内侧为镂空结构，且具有圆弧顶部，所述壁板(202)的底部与所述底座(203)之间连接有加强肋(204)。

4.根据权利要求3所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊框架组件(3)的各部件的材质均采用铝合金6061‑T6，且表面经过硬质阳极氧化处理。

5.根据权利要求1所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊钩组件(1)包括由下至上依次连接的起吊块(103)、起吊钩(102)及起吊环(101)，其中起吊块(103)与所述起吊框架组件(3)连接；

起吊环(101)用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的释放器适配，实现自主遥控水下机器人的脱钩释放；

起吊钩(102)用于在自主遥控水下机器人回收时与缆绳挂钩。

6.根据权利要求5所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊钩(102)的开口处设有保险卡，保险卡防止缆绳脱出。

7.根据权利要求5所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊钩组件(1)中的各部件的材质均为碳钢，各部件依次焊接，且外部喷涂氟碳漆。

8.根据权利要求1所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述隔离板(2)的材质为聚醚醚酮，所述隔离板(2)防止所述起吊钩组件(1)与所述起吊框架组件(3)直接接触发生电化学腐蚀。

9.根据权利要求1所述的自主遥控水下机器人的起吊结构，其特征在于，所述起吊结构的整体构型根据拓扑优化结果设计。

说明书

一种自主遥控水下机器人的起吊结构

技术领域

[0001] 本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种自主遥控水下机器人的起吊结构。

背景技术

[0002] 自主遥控水下机器人(ARV)，由于存在光纤管理系统，其布放回收方法与传统的水下机器人不同。传统的ROV通过中继器起吊布放，并与中继器一同回收，AUV无过渡设备，直接通过缆绳布放和回收。ARV存在特有的光纤管理系统，可以通过适配的A型架将ARV本体与光纤补偿器一同布放，ARV本体与光纤补偿器分别回收；或者通过压坠器将ARV本体布放，压坠器本体作为光纤管理系统，作业完成后，ARV本体与压坠器分别回收。适配的A型架或压坠器在起吊前可以通过锁钩将ARV本体锁住，将A型架或压坠器与ARV本体固定为一体，防止起吊和外摆过程ARV本体随船过度摇摆；回收时，ARV本体的起吊钩适应传统的挂绳方式，挂钩后，在止荡绳配合下，起吊回收。因自主遥控水下机器人存在光纤管理系统，其布放与回收方式与传统的水下机器人不同，传统的起吊结构无法适用于自主遥控水下机器人的布放与回收，也无法与自主遥控水下机器人的压坠器相匹配，且传统的起吊结构主要依据经验确定主体构型，其比强度较小。

发明内容

[0003] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种自主遥控水下机器人的起吊结构，该起吊结构满足了ARV系统特定的布放回收要求，整体构型来源于拓扑优化结果，比强度大，将不同材料通过塑料隔离，并对特定零件做防腐处理，提高了整体防腐蚀性能。

[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0005] 本发明提供一种自主遥控水下机器人的起吊结构，包括起吊钩组件、隔离板和起吊框架组件，其中起吊钩组件设置于起吊框架组件的顶部，且起吊钩组件与起吊框架组件之间通过隔离板进行隔离，起吊钩组件具有两种起吊形式，起吊框架组件具有一种起吊形式；起吊框架组件用于与自主遥控水下机器人的框架固定连接。

[0006] 所述起吊框架组件包括起吊框架及设置于起吊框架顶部的挂钩柱，所述起吊钩组件设置于起吊框架的顶部中间位置；两个挂钩柱平行设置于所述起吊钩组件的两侧；

[0007] 挂钩柱用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的锁钩适配，实现自主遥控水下机器人起吊后的刚性固定，防止摇摆。

[0008] 所述起吊框架包括两个底座及设置于两个底座之间且相互平行的两个壁板，壁板的底部两端分别与两个底座连接；所述挂钩柱和所述起吊钩组件均连接在两个壁板之间。

[0009] 所述壁板的内侧为镂空结构，且具有圆弧顶部，所述壁板的底部与所述底座之间连接有加强肋。

[0010] 所述起吊框架组件的各部件的材质均采用铝合金6061‑T6，且表面经过硬质阳极氧化处理。

[0011] 所述起吊钩组件包括由下至上依次连接的起吊块、起吊钩及起吊环，其中起吊块与所述起吊框架组件连接；

[0012] 起吊环用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的释放器适配，实现自主遥控水下机器人的脱钩释放；

[0013] 起吊钩用于在自主遥控水下机器人回收时与缆绳挂钩。

[0014] 所述起吊钩的开口处设有保险卡，保险卡防止缆绳脱出。

[0015] 所述起吊钩组件中的各部件的材质均为碳钢，各部件依次焊接，且外部喷涂氟碳漆。

[0016] 所述隔离板的材质为聚醚醚酮，所述隔离板防止所述起吊钩组件与所述起吊框架组件直接接触发生电化学腐蚀。

[0017] 所述起吊结构的整体构型根据拓扑优化结果设计。

[0018] 本发明的优点与积极效果为：

[0019] 1.本发明比强度大：本发明构型基于拓扑优化结果确定，材料分布科学，比强度大，满足力学性能的前提下，实现了轻量化。

[0020] 2.本发明防腐性能好：本发明对不同材质的金属做了隔离处理，防止发生电化学腐蚀，对碳钢零件喷涂氟碳漆，对铝合金零件做硬质阳极氧化处理。

[0021] 3.本发明结构简单、容易实现：本发明零件数量少，结构简单，无复杂构型，容易实现。

[0022] 4.本发明适用于多工况起吊形式：本发明起吊钩具备两种起吊形式，配合挂钩柱，共具备三种起吊形式，适用于多种工况下的起吊形式。

附图说明

[0023] 图1为本发明一种自主遥控水下机器人的起吊结构的示意图；

[0024] 图2为本发明中起吊钩组件的结构示意图；

[0025] 图3为本发明中起吊框架组件的结构示意图；

[0026] 图4为本发明拓扑优化设置图；

[0027] 图5为本发明拓扑优化结果示意图；

[0028] 图中：1为起吊钩组件，2为隔离板，3为起吊框架组件，101为起吊环，102为起吊钩，103为起吊块，201为挂钩柱，202为壁板，203为底座，204为加强肋。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

[0030] 如图1所示，本发明提供的一种自主遥控水下机器人的起吊结构，包括起吊钩组件1、隔离板2和起吊框架组件3，其中起吊钩组件1设置于起吊框架组件3的顶部，且起吊钩组件1与起吊框架组件3之间通过隔离板2进行隔离，起吊钩组件1具有两种起吊形式，起吊框架组件3具有一种起吊形式；起吊框架组件3用于与自主遥控水下机器人的框架固定连接，起吊结构共具备三种起吊形式，整体结构适应多种起吊工况。

[0031] 如图3所示，本发明的实施例中，起吊框架组件3包括起吊框架及设置于起吊框架顶部的挂钩柱201，起吊钩组件1设置于起吊框架的顶部中间位置；两个挂钩柱201平行设置于起吊钩组件1的两侧；挂钩柱201用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的锁钩适配，实现自主遥控水下机器人起吊后的刚性固定，防止摇摆。

[0032] 本发明的实施例中，起吊框架包括两个底座203及设置于两个底座203之间且相互平行的两个壁板202，壁板202的底部两端分别与两个底座203连接；挂钩柱201和起吊钩组件1均连接在两个壁板202之间。

[0033] 进一步地，壁板202的内侧为镂空结构，且具有圆弧顶部，壁板202的底部与底座203之间连接有加强肋204。具体地，起吊框架组件3的各部件的材质均采用铝合金6061‑T6，焊接为一体，且表面经过硬质阳极氧化处理，提高防腐性能。

[0034] 如图2示，本发明的实施例中，起吊钩组件1包括由下至上依次连接的起吊块103、起吊钩102及起吊环101，其中起吊块103与起吊框架组件3连接；起吊环101用于与自主遥控水下机器人配套压坠器上的释放器适配，实现自主遥控水下机器人的脱钩释放；起吊钩102用于在自主遥控水下机器人回收时与缆绳挂钩。

[0035] 进一步地，起吊钩102的开口处设有保险卡，保险卡防止缆绳脱出。本实施例中，起吊钩组件1中的起吊块103、起吊钩102及起吊环101等各部件的材质均为碳钢，各部件依次焊接，且外部喷涂氟碳漆。

[0036] 本发明的实施例中，隔离板2的材质为聚醚醚酮，隔离板2防止起吊钩组件1与起吊框架组件3直接接触发生电化学腐蚀。

[0037] 本发明的实施例中，起吊结构的整体构型根据拓扑优化结果设计。如图4‑5所示，为得到比强度大的结构形式，先通过拓扑优化确定其初步构型，其中起吊架下部与ARV框架连接部分、起吊钩局部、挂钩柱作为固定部分，不进行拓扑优化，其余部分进行拓扑优化，得到如图5所示拓扑优化构型。

[0038] 具体地，1)建立有限元模型。基于自主遥控水下机器人起吊架外形包络空间，通过有限元软件建立拓扑优化模型，为了简化有限元模型，自主遥控水下机器人载体由刚体平板代替，刚体平板总质量与自主遥控水下机器人载体总质量一致。

[0039] 2)施加载荷及建立边界条件。如图4所示，实际工装中，起吊架与载体间通过若干螺栓连接，为简化模型，在起吊架对应区域，与平板间建立Tie绑定约束以模拟螺栓连接模式。ARV起吊架的两种工况：第一种工况是起吊钩组件起吊时，起吊钩102或起吊环101受力，为了简化模型，起吊钩102及起吊环101未建立模型，在起吊钩组件1中部，建立了固定约束。第二种工况是起吊架与压坠器锁定，起吊架两侧挂钩柱201固定约束，此时工况一中的固定约束失效。模型共建立两个分析步，分别对应两种工况单独作用下的静力学分析，刚体平板的重力作用作为外载。

[0040] 3)设置拓扑优化参数。两种工况下的固定约束处需保留现有构型，不作为拓扑优化区域。起吊架的体积作为优化过程中的约束条件，使得优化后的构型体积小于等于15％。拓扑优化的目标为综合考虑两种工况下，结构刚度最大化(柔度最小化)。本发明通过线性加权求和两种工况下的目标函数，将加权求和的柔度值作为目标函数，将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行求解。

[0041] 4)运行拓扑优化进程。按照上述有限元模型的设定，运行拓扑优化进程。拓扑优化云图选择密度0.5以上，密度云图如图5所示，此时密度云图比较清晰，材料分布比较连续，此构型即为考虑两种工况下ARV起吊架的刚度最大化构型，此密度云图可以作为ARV起吊架概念设计的依据。

[0042] 在拓扑优化构型基础上，进一步结合加工工艺、机器人适配、挂钩便利性、装配便利性等因素，确定了最终起吊结构的设计构型，如图1所示。起吊结构的材料分布科学，在满足力学性能的前提下，实现了轻量化。

[0043] 本发明的实施例中，起吊钩组件1包括两个起吊接口：起吊环101和起吊钩102。起吊环101与自主遥控水下机器人配套压坠器上的释放器适配，可实现自主遥控水下机器人的脱钩释放。自主遥控水下机器人回收时，通过起吊缆绳与起吊钩102挂钩，起吊钩102上的保险卡可以防止缆绳脱出，挂钩完成后回收缆绳，实现对自主遥控水下机器人的起吊回收。起吊框架组件3的挂钩柱201与自主遥控水下机器人配套压坠器上的锁钩适配，通过压坠器锁钩操作，完成水下机器人与压坠器的刚性固定，防止起吊后自主遥控水下机器人相对压坠器摇摆。起吊钩组件1通过螺钉与起吊框架组件3固定，其中隔离板2材质为聚醚醚酮，位于起吊钩组件1与起吊框架组件3之间，起到隔离作用，防止不同金属间发生电化学腐蚀。起吊框架组件3通过螺钉与自主遥控水下机器人框架固定。

[0044] 本发明的工作原理为：

[0045] 自主遥控水下机器人准备布放入水时，首先将配套压坠器置于自主遥控水下机器人起吊结构上部，压坠器与船舶光电缆固定一体，通过压坠器的释放器锁住起吊钩组件1的起吊环101，再通过压坠器的锁钩锁住起吊框架组件3两侧的挂钩住201，实现了压坠器与ARV的刚性固定，起吊后，二者不会发生相互摇摆。船舶通过A形架将固定一体的压坠器和ARV外摆并释放光电缆，将二者释放至目标水深，压坠器松开锁钩，再通过释放器释放，ARV靠自身重力与压坠器分离，到达目标区域并完成作业。作业完成后，船舶回收光电缆，将压坠器回收至船舶甲板。ARV靠自身浮力上浮，上浮至海面并航行至船舶甲板附近，人员通过缆绳挂在起吊钩组件1的起吊钩102，船舶回收缆绳，实现ARV的起吊与回收。

[0046] 综上所述，本发明给出了一种自主遥控水下机器人的起吊结构，它具有比强度大，防腐性能好，结构简单、容易实现，适用于多工况起吊形式等特点。

[0047] 以上所述仅为本发明的实施方式，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、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。