无滑环自绕式脐带电缆收放装置

摘要

本发明涉及一种水下环境中作业的无滑环自绕式脐带电缆收放装置。它主要由固定绕缆盘、主驱动装置、静底盘、制动盘、制动带、支撑轮、回转盘、张力控制轮、压紧臂、电缆驱动轮、电缆驱动齿轮箱、支撑板、行星齿轮、缠绕臂、中心双联齿轮、中心锥齿轮、电缆导向管、轴承套和小齿轮等组成，其核心传动部分是行星传动机构：以中心双联齿轮上部小齿轮作为小太阳轮，回转盘作为星架，电缆驱动轮和行星齿轮构成双联行星轮，脐带电缆作为大太阳轮，构成行星传动机构，其中脐带电缆和电缆驱动轮采用摩擦传动方式。本发明，适用于轻型水下机器人脐带电缆的收放，解决了无滑环结构形式的收放装置的技术难题，加强了水下机器人的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人技术，特别是一种水下环境中作业的无滑环自绕式脐带电缆收放装置，适用于轻型水下机器人脐带电缆的收放。

背景技术

水下机器人是一种在水下环境中作业的特种机器人，作为水下机器人家族中主要分枝的有缆遥控水下机器人，在其水下作业期间，要求随时随地、极其频繁地收放脐带电缆，以保证水下机器人高效、安全地作业，所以在水下机器人技术中将脐带电缆的收放技术列为关键。目前，对于轻型水下机器人来说，普遍采用必须配置有导电滑环或光电滑环的电动(液动)电缆绞车完成脐带电缆的收放，众所周知，导电滑环，尤其是光电滑环均属多故障部件，又是如同咽喉的关重件，它的可靠与否直接影响水下机器人的可靠性。

发明内容

为了克服现有脐带电缆收放技术对水下机器人的可靠性的不良影响，针对轻型水下机器人脐带电缆直径小、收放线拉力较小的特点，本发明的目的是提供一种无滑环自绕式脐带电缆收放装置。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：主要由固定绕缆盘、主驱动装置、静底盘、制动盘、制动带、支撑轮、回转盘、张力控制轮、压紧臂、电缆驱动轮、电缆驱动齿轮箱、支撑板、行星齿轮、缠绕臂、中心双联齿轮、中心锥齿轮、电缆导向管、轴承套和小齿轮等组成，具体为：

所述固定绕缆盘位于整机底部，静底盘固联在固定绕缆盘上部；

所述制动盘与静底盘同轴安装固定，内部为空腔结构，其内容置小齿轮和中心双联齿轮；

所述回转盘与制动盘同轴安装，回转盘下部凸起的空心轴之内孔与轴承套外径过渡配合；

所述中心锥齿轮下半部的空心轴作为回转盘的回转轴，其外径与轴承套内孔动配合，并固定在静底盘上；

所述中心双联齿轮，以动配合的形式安装在回转盘下部凸起的空心轴上，并与制动盘同轴线；

所述行星齿轮，与电缆驱动齿轮箱的输入轴联接，并与中心双联齿轮的上部小齿轮相啮合；

所述小齿轮与主驱动装置上的输出轴联接，并与中心双联齿轮的下部大齿轮相啮合；

所述制动带安装在制动盘外圆上，在制动带上装有两个棘爪；棘轮为圆环形薄带式，棘齿朝下固定在回转盘外圆上，棘轮和制动带上的两个棘爪组成棘轮机构；

所述至少三个支撑轮按等分角度安装在回转盘上的接近外缘处，回转盘回转时支撑轮在制动盘上表面滚动；

所述张力控制轮、压紧臂和电缆驱动轮均通过它们各自的销轴安装在回转盘上方的两块支撑板上，电缆驱动齿轮箱和缠绕臂也固定在支撑板上，而支撑板垂直固定在回转盘上方；张力控制轮与电缆驱动轮将脐带电缆夹于它们两者之间；上方的压紧臂上装有两个压紧轮，其补偿弹簧的一端与压紧臂相连，另一端挂在支撑板上；电缆驱动齿轮箱的输出轴也是电缆驱动轮的销轴；

所述缠绕臂上半部为导向管，下半部是导向轮，导向轮轴由两块平行板支撑，这两块平行板与导向管固定在一起；

所述脐带电缆由固定绕缆盘底部中心进入电缆导向管，穿过中心锥齿轮中心孔，继续向上通过张力控制轮与电缆驱动轮所夹空间，然后缠绕在电缆驱动轮上并送至缠绕臂的导向管，经过缠绕臂的导向轮后，被缠绕在固定绕缆盘的外径上；

以中心双联齿轮上部小齿轮作为小太阳轮，回转盘作为星架，电缆驱动轮和行星齿轮构成双联行星轮，脐带电缆作为大太阳轮，构成行星传动机构，其中脐带电缆和电缆驱动轮采用摩擦传动方式接触；行星齿轮与电缆驱动齿轮箱输入轴键联，电缆驱动齿轮箱的输出轴也是电缆驱动轮的销轴，电缆驱动齿轮箱是一级速比为1的锥齿轮箱，以电缆驱动轮和行星齿轮为双联行星轮，其中电缆驱动轮的基准直径比行星齿轮的分度圆直径大1倍；张力控制轮是非转轮，其销轴在两块支撑板上的支撑孔为长孔，使得张力控制轮和电缆驱动轮的中心距可调；压紧臂在其补偿弹簧作用下，通过它的两个压紧轮将脐带电缆压在电缆驱动轮的电缆槽内；所述制动带为圆环形并一处开口结构；所述支撑轮由轮架、滚轮和滚轮轴组成，轮架按等分角度安装在回转盘上的接近外缘处，滚轮可绕滚轮轴转动，当回转盘回转时支撑轮在制动盘上表面滚动；主驱动装置安装在静底盘上，包括驱动电机和主减速机，所述驱动电机的主轴通过主减速机与小齿轮键联；中心锥齿轮固定在静底盘上，其下半部的空心轴作为回转盘的回转轴，其上部的锥齿轮驱动来自回转盘一起回转的排缆器；整体为立式结构，当配置外框架后也可成为悬吊式。

本发明具有如下优点：

本发明成功地解决了无滑环结构形式的收放装置的技术难题，避免了导电滑环，尤其是光电滑环均属多故障部件的使用，大大加强了水下机器人的可靠性，无故障时间连续达到480小时以上，并且延长了使用寿命，可连续服役高达15年。采用本发明使得轻型水下机器人脐带电缆的收放技术实现了无滑环化的跨越性进步。

附图说明

图1为本发明装置结构简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，结构特点是没有导电滑环或光电滑环，整体为立式结构，当配置外框架后也可成为悬吊式；主要由固定绕缆盘1、主驱动装置2、静底盘3、制动盘4、制动带5、支撑轮7、回转盘8、张力控制轮9、压紧臂10、电缆驱动轮11、电缆驱动齿轮箱12、支撑板13、行星齿轮14、缠绕臂15、中心双联齿轮16、中心锥齿轮17、电缆导向管18、轴承套22和小齿轮23组成，其中：

固定绕缆盘1即作为装置的固定机座又作为脐带电缆的储藏空间，位于整机底部；静底盘3固联在固定绕缆盘1上部。制动盘4用螺钉固定在静底盘3的上部，内部为空腔结构，为小齿轮23和中心双联齿轮16提供安装和运动空间。回转盘8安装在制动盘4上部，回转盘8下部凸起的空心轴之内孔与轴承套22外径过渡配合。中心锥齿轮17用螺钉固定在静底盘3，其下半部的空心轴作为回转盘8的回转轴，其外径与轴承套22内孔动配合，以便回转盘8连同轴承套22绕中心锥齿轮17回转。中心双联齿轮16，以动配合的形式安装在回转盘8下部凸起的空心轴上，以保证装置工作时回转盘8和中心双联齿轮16的非同步回转。固定绕缆盘1、静底盘3、制动盘4、回转盘8与制动盘、中心双联齿轮16和中心锥齿轮17均为同轴安装。行星齿轮14与电缆驱动齿轮箱12的输入轴键联结，并与中心双联齿轮16的上部小齿轮相啮合，小齿轮23与主驱动装置2上的输出轴键联结，并与中心双联齿轮16的下部大齿轮相啮合。制动带5安装在制动盘4外圆上，其结构为圆环形并一处开口，开口处装有调节螺栓，调节开口的大小即可调整制动盘4和制动带5间的摩擦力，从而保证在放缆时对脐带电缆19张力的控制，在制动带5上装有两个棘爪(图中未示)；棘轮6为圆环形薄带式，棘齿朝下用螺钉固定在回转盘8外圆上，棘轮6和制动带5上的两个棘爪组成棘轮机构；收缆时，棘爪与棘轮处脱开状态，回转盘8正向(俯视顺时针)回转，制动带5保持静止，放缆时，棘爪与棘轮处联结状态，回转盘8反向回转，并带动制动带5同步回转，控制制动盘4与制动带5间的摩擦即可达到控制脐带电缆19张力的目的。四个支撑轮7由轮架、滚轮和滚轮轴组成，轮架按等分角度用螺钉安装在回转盘8上的接近外缘处，滚轮可绕滚轮轴转动，当回转盘8回转时支撑轮7在制动盘4上表面滚动，起平面轴承作用。两块支撑板13用螺钉垂直固定在是回转盘8上，形成一个稳定的框架，为张力控制轮9、压紧臂10、电缆驱动轮11电缆驱动齿轮箱12和缠绕臂15等提供支撑结构。张力控制轮9与电缆驱动轮11将脐带电缆19夹于它们两者之间，电缆驱动轮11靠摩擦力驱动脐带电缆19，上方的压紧臂10上装有两个压紧轮提供正压力，张力控制轮9控制脐带电缆19的张力，张力控制轮9是非转轮，其销轴在两块支撑板13上的支撑孔为长孔，使得张力控制轮9和电缆驱动轮11的中心距可调，改变该中心距的大小即可改变脐带电缆19的张力。电缆驱动齿轮箱12的输出轴也是电缆驱动轮11的销轴，直接驱动电缆驱动轮11回转。缠绕臂15上半部为导向管，下半部是导向轮，导向轮轴由两块平行板支撑，这两块平行板用螺钉与导向管固定在一起，缠绕臂15随回转盘8同步回转，其作用是执行导向和缠绕。脐带电缆19由固定绕缆盘1底部中心进入电缆导向管18，穿过中心锥齿轮17中心孔，继续向上通过张力控制轮9与电缆驱动轮11所夹空间，然后缠绕在电缆驱动轮11上并送至缠绕臂15的导向管，经过缠绕臂15的导向轮后，被缠绕在固定绕缆盘1的外径上。

装置的传动以齿轮传动为主，主驱动装置2经小齿轮23、中心双联齿轮16、行星齿轮14和电缆驱动齿轮箱12将动力和运动传递给电缆驱动轮11，电缆驱动轮11驱动脐带电缆19作进出运动。

本发明的核心传动部分实际上是行星传动机构。以中心双联齿轮16上部小齿轮作为小太阳轮，回转盘8作为星架，电缆驱动轮11和行星齿轮14构成双联行星轮，脐带电缆19作为大太阳轮，构成行星传动机构，其中脐带电缆19和电缆驱动轮11采用摩擦传动方式。

工作原理说明：

实现脐带电缆收放作业同时要完成两个运动，一是由电缆驱动轮11驱动的电缆进出运动，二是回转盘8驱动的电缆沿装置中心轴线回转缠绕运动。本发明采用了行星传动技术，中心双联齿轮16上部小齿轮作为小太阳轮，回转盘8作为星架，电缆驱动轮11由行星齿轮14驱动，也可认为电缆驱动轮11和行星齿轮14是双联行星轮，尽管经一级速比为1的锥齿轮传动，但只是改变了传动轴线方向，并未改变机构的正负，由于电缆驱动轮11的基准圆直径比行星齿轮14的分度圆直径大1倍，所以在角速度未变的情况下电缆驱动轮11的基准圆的线速度比行星齿轮14的分度圆的线速度大1倍。由于收缆时采用张力控制轮9控制脐带电缆19的张力和放缆时采用制动盘4与制动带5控制脐带电缆19的张力，在电缆驱动轮11与脐带电缆19无滑动的情况下，则可将脐带电缆19看作大太阳轮，只是大太阳轮和行星轮采用了摩擦传动。从整体上说，在缠绕层不变或者说缠绕直径不变的情况下，上述机构可看作是2K-H型、啮合方式为NW的行星传动。当缠绕变层或者说缠绕直径变大的过程中，在回转盘8回转速度不变的情况下，由于被已缠绕在固定绕缆盘1上的脐带电缆的牵引(因为同样缠绕一圈电缆变长)，电缆驱动轮11的转速将增加，机构成为适用于运动合成变速的差动轮系。

为进一步阐述本发明的工作原理，现将装置的作业分成回收和放出两种状态分别进一步说明。

在装置进行脐带电缆19回收作业时，电缆驱动轮11的正向自转驱动脐带电缆19由固定绕缆盘1底部中心进入并经缠绕臂15的导向管和导向轮送至固定绕缆盘1外径上方，同时由回转盘8以及安装其上的缠绕臂15等绕中心轴线一起正向(俯视顺时针)回转，在回转盘8回转一周后，电缆驱动轮11收进的电缆长度等于在固定绕缆盘1上绕缆一圈的电缆长度，张力控制轮9压紧脐带电缆19以产生足够的张力，以保证机构的正常工作。安装在回转盘8上的排缆器(图中未示)经与中心锥齿轮17啮合，回转盘8每回转一周，排缆器上(下)运动一个缆径，将脐带电缆19整齐有序地排列在固定绕缆盘1的外径上。为了保证在电缆驱动轮11收放脐带电缆19时具有足够的摩擦力，压紧臂10的二个压紧轮以适当的压力作用在脐带电缆19上，同时防止在收进时脐带电缆19出槽。

在装置进行脐带电缆放出作业时，电缆驱动轮11的反向自转驱动脐带电缆19放出，同时由回转盘8以及安装其上的缠绕臂15等绕中心轴线一起反向回转，并由棘轮6带动棘爪(图中未示)和与棘爪联为一体的制动带5共同反向回转，将脐带电缆19从固定绕缆盘1上拆绕拉出。为使机构的正常工作，通过调节制动带5与制动盘4间的摩擦力以限制由于惯性的原因造成的转盘8转速的增加，从而保证脐带电缆19具有足够的张力作用在电缆驱动轮11上。在装置的中心轴线下部的电缆导向管18的主要作用是为了防止在脐带电缆19在放出时在装置内部弯曲和堆积。

联锁装置20用于联锁水下机器人，电缆计数装置21用于收放脐带电缆19的计数，排缆器用于排缆，三者不在本发明保护之列，故不详述。