用于海上风电运维的作业船的制作方法

本实用新型涉及一种用于海上风电运维的作业船。

背景技术：

随着我国经济的高速发展，对能源的需求日益高涨，因此，寻求可持续的新能源是一项重要的战略任务。在所有的新能源中，风力发电是一种低碳、绿色、环保、可持续性较强的获取能源的方式，而且该方式技术较为成熟，成本较低。目前，风力发电是发展较为迅速的发电产业，由于陆地上可开发的风力资源越来越少，全球风力发电场的建设逐渐由陆地向海洋推进。

由于海洋风能具有资源丰富、沙尘量少，风速较高等优点以及海上进行风力发电不会占用陆地面积，因此海上风力发电的经济效益比陆地风力发电高20％-40％。同时，由于海洋风中沙尘量少，因此在风力发电的过程中对海上风力发电机组的磨损较轻。这能较大程度地提高海上风力发电机组(简称海上风电机组)的使用寿命。可见，海上风力发电场适合大范围地开发建设。

目前，随着海上风力发电场的大规模开发建设，海上风力发电场逐渐向着远海的方向延伸，也就是说，风力发电厂家会在较深的海域(例如深度大于10米)建设海上风电场。很显然，对海上风电场的维护工作逐渐提上日程，但是目前均通过船体来辅助完成海上风电的运行维护。由于海上环境的复杂多变，对于规模日益增大的海上风电场而言，无法满足工作量日益增长的运维工作。

具体地，作业船在海洋上的活动不同于陆地，作业船会随着海浪做不规律的起伏运动致使相对位置发生变化，作业船受风浪影响晃动剧烈，这样人员登陆变得非常困难且具有危险性。因此如何隔离扰动即补偿由波浪引起的起伏，从而保证海洋作业的平稳安全，对人类在海洋范围内的活动具有非常重要的意义。

技术实现要素：

为了解决作业船会随着海浪而导致工作人员无法进入风力发电机组塔筒的问题，本实用新型提供一种用于海上风电运维的作业船，其能够补偿作业船在海面上的摇晃，从而保证工作人员能够从作业船安全地进入到风力发电机组塔筒。

根据本实用新型的第一方面，提供一种用于海上风电运维的作业船，其中，所述用于海上风电运维的作业船包括：船体；多自由度并联机器人，所述多自由度并联机器人包括上平台、下平台以及连接在所述上平台和所述下平台之间的至少三个伺服缸，所述下平台固定在所述船体上；托盘，所述托盘设置在所述上平台上并能够相对于所述上平台在水平方向上枢转；扶梯，所述扶梯的下端设置在所述托盘上；传感器，所述传感器设置在所述多自由度并联机器人上，用于检测所述伺服缸的伸缩运动位移量以及检测所述船体的横摇量、纵摇量和升沉量；以及运动控制器，所述运动控制器从所述传感器接收感测信号，并根据所述船体的横摇量、纵摇量和升沉量控制所述伺服缸的伸缩运动。

根据本实用新型的第二方面，其中，所述托盘通过旋转轴连接到所述上平台并围绕所述旋转轴相对于所述上平台在水平方向上枢转。

根据本实用新型的第三方面，其中，所述多自由度并联机器人的所述至少三个伺服缸中的每一个伺服缸的两端分别通过球铰或者虎克铰连接到所述上平台和所述下平台。

根据本实用新型的第四方面，其中，所述至少三个伺服缸的数量为三个、四个、五个或六个。

根据本实用新型的第五方面，其中，所述传感器包括：多个线位移传感器，所述多个线位移传感器设置在每一个伺服缸上并用于测量对应的伺服缸的伸缩运动位移量；以及至少一个姿态传感器，所述至少一个姿态传感器设置在所述下平台上并用于检测所述船体的横摇量、纵摇量和升沉量，所述运动控制器设置在所述下平台上并连接到所述至少一个姿态传感器。

根据本实用新型的第六方面，其中，所述扶梯为伸缩式扶梯。

根据本实用新型的第七方面，其中，在所述扶梯上设置有力量检测装置，当所述力量检测装置的检测结果超过设定阈值时，所述力量检测装置发出警报。

根据本实用新型的第八方面，其中，所述多自由度并联机器人通过电动方式或液压方式被驱动。

根据本实用新型的第九方面，其中，所述至少三个伺服缸包括六个伺服缸，所述六个伺服缸的上端分别通过球铰或者虎克铰连接到所述上平台的不同的六个铰接支点，所述六个伺服缸的下端分别通过球铰连接到所述下平台的不同的六个铰接支点。

根据本实用新型的第十方面，其中，所述至少三个伺服缸包括六个伺服缸，所述六个伺服缸的上端两个为一组通过三个球铰连接到所述上平台的三个铰接支点，所述六个伺服缸的下端两个为一组通过三个球铰连接到所述下平台的三个铰接支点，且连接到同一个球铰的两个伺服缸的另一端连接到不同的球铰。

根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，当作业人员在海上风电系统进行维护时，作业船上搭载的托盘、多自由度并联机器人、扶梯彼此协作，能够尽最大可能地保证作业人员由作业船进入塔筒的安全，确保扶梯的稳定性，也能够让作业人员以最快的速度进入塔筒，从而提高工作效率。

此外，根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，由于托盘能够相对于上平台在水平方向上枢转，因此即使船员驾驶作业船不够平稳导致扶梯的上端相对于风力发电机组塔筒的塔筒门槛存在偏差，作业人员也可通过托盘的枢转运动对扶梯的头部的方位进行调整，使得扶梯的上端能够枢转到门槛的正面。

此外，根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，由于扶梯为伸缩式扶梯，因此其能够用于搭载在位于不同高度的塔筒门槛。

此外，根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，由于扶梯搭载有力量检测装置，因此当作业船摇晃过大时，扶梯与门槛的搭接所承受的力量会过大，当力量检测装置所检测到的力量超过预定阈值后，会发出报警，通知作业人员尽快撤离，从而保证作业安全。

此外，根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，由于多自由度并联机器人可以采用并联六轴机器人，其能够通过六个自由度对于船体的横摇、纵摇和升沉迅速做出反应，从而保证扶梯搭接的稳定性。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本实用新型的上述和/或其它目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本实用新型的实施例的作业船与风力发电机组塔筒完成搭接的状态的示意图；

图2示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人的第一实施例；

图3示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人的第二实施例；以及

图4示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人的第三实施例。

附图标记说明

100：作业船；10：船体；11：多自由度并联机器人；12：托盘；13：扶梯；200：风力发电机组塔筒；20：塔筒门槛；111：上平台；112：伺服缸；113：下平台；114：球铰；115：线位移传感器；116：姿态传感器；117：运动控制器；21：多自由度并联机器人；211：上平台；212：伺服缸；213：下平台；214：球铰；31：多自由度并联机器人；311：上平台；312伺服缸；313：下平台；314：球铰；41：多自由度并联机器人；411：上平台；412伺服缸；413：下平台；414：球铰。

具体实施方式

现在将详细描述本实用新型的示例性实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号指示相同的部分。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本实用新型。

图1是示出根据本实用新型的实施例的作业船与风力发电机组塔筒完成搭接的状态的示意图。

如图1所示，根据本实用新型的实施例的作业船100包括：船体10；多自由度并联机器人11，该多自由度并联机器人11包括上平台111、下平台113以及连接在上平台111和下平台113之间的至少三个伺服缸112，下平台113固定在船体10上；托盘12，该托盘12设置在上平台111上，由上平台111支撑，并能够相对于上平台111在水平方向上枢转，以及扶梯13，该扶梯13的下端放置在托盘12上。扶梯13的上端可搭载在风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20上。

在本实用新型的实施例中，多自由度并联机器人11的多个伺服缸112能够根据船体10的晃动而伸缩，补偿作业船100在海面上的横摇、纵摇和升沉，使得上平台111尽可能保持在一定位置范围内。通过多自由度并联机器人11补偿海面波浪对于作业船100造成的晃动，使得扶梯13能够相对于水平面保持一定范围内的稳定性，从而保证作业人员能够安全从作业船100进入风力发电机组塔筒200或从风力发电机组塔筒200回到作业船100上。

在实施例中，扶梯13的下端固定连接在托盘12上，旋转轴121在竖直方向上连接托盘12和上平台111，使得托盘12能够围绕旋转轴121相对于上平台111枢转，从而调整扶梯13的朝向。

当船员驾驶作业船100靠近风力发电机组塔筒200以利用扶梯13与风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20进行搭接时，由于托盘12能够相对于上平台111在水平方向上枢转，因此即使船员驾驶作业船100不够平稳导致扶梯13的上端相对于风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20存在方向偏差，作业人员也可通过托盘12的枢转运动对扶梯13的上端的朝向进行调整，使得扶梯13的上端能够面对枢转到门槛20的正面。

此外，在实施例中，扶梯13为一种伸缩式扶梯，其能够用于搭载在位于不同高度的风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20。在实施例中，在扶梯13上设置有力量检测装置(未图示)，其能够检测扶梯13和塔筒门槛20之间的搭接力。由于海上波浪的晃动的不确定性，因此当作业船100摇晃过大时，扶梯13与风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20的搭接所承受的力量会过大，当力量检测装置所检测到的搭接力超过预定阈值后，会发出报警，通知作业人员尽快撤离，从而保证作业人员的安全。此外，在扶梯13上设置的力量检测装置只要能够检测扶梯13和塔筒门槛20之间的搭接力即可，并不具体限制力量检测装置的设置位置。

在本实用新型的实施例中，多自由度并联机器人11可以为三轴并联机器人、六轴并联机器人等。在下文中，以六轴并联机器人为例描述多自由度并联机器人11的具体构造和作业动作。如上所述，六轴并联机器人包括六个伺服缸112，每一个伺服缸112的两端分别通过球铰114或虎克铰(未示出)连接到上平台111的下表面和下平台113的上表面。在每一个伺服缸112上设置有线位移传感器115，用于测量对应伺服缸的伸缩运动位移量。在实施例中，通过六个伺服缸112的伸缩和摇摆来实时补偿上平台111的横摇动作、纵摇动作和升沉动作。

此外，六轴并联机器人还包括：至少一个姿态传感器116，该姿态传感器116设置在下平台113上，用于检测船体10的横摇量、纵摇量和升沉量；以及运动控制器117，该运动控制器117设置在下平台113上并通过信号线连接到至少一个姿态传感器116。

此外，尽管在本实用新型的实施例中，每一个伺服缸112上的线位移传感器115和至少一个姿态传感器116为彼此独立的传感器，但是根据需要每一个伺服缸112上的线位移传感器115和至少一个姿态传感器116也可集成到单个传感器。根据本实用新型的实施例，当作业船100的船体10随着海上的波浪而摇晃时，设置在下平台113上的姿态传感器116测量船体10由风浪引起的横摇量、纵摇量和升沉量，将测量值传输到运动控制器117。运动控制器117根据自由度运算求出船体10横摇、纵摇和升沉的运动补偿值。如此基于自由度运算得到的运动补偿值可经由数模转换器转换成模拟信号，模拟信号可经由功率放大器传输到伺服阀，接着伺服阀根据需要输出相应的流量和压力，控制对应的伺服缸的伸缩动作，实时补偿上平台7的横摇、纵摇和升沉，从而实现实时补偿作业船100的船体10由风浪引起的横摇、纵摇和升沉。

根据本实用新型的实施例，只要并联机器人能够补偿作业船100的船体10跟随海上的波浪而产生的摇晃，不具体限制并联机器人的伺服缸112的数量。例如，并联机器人的伺服缸112的数量可以为三个、四个、五个、六个或多于六个。

图2示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人21的第一实施例。图3示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人31的第二实施例。图4示意性示出根据本实用新型的实施例的多自由度并联机器人41的第三实施例。图2至图4中所示的多自由度并联机器人21、31和41均为六轴并联机器人。多自由度并联机器人21、31和41的上平台、伺服缸、上平台和球铰与图1中所示的多自由度并联机器人11的上平台、伺服缸、上平台和球铰对应。为了更加清楚描述图2至图4中所示的多自由度并联机器人21、31和41的差异，在图示中省略了线位移传感器、姿态传感器和运动控制器。

如图2至图4示意性示出的，多自由度并联机器人21、31和41均为并联六轴机器人。多自由度并联机器人21、31和41彼此间的主要区别在于伺服缸的连接方式不同。图2中所示的多自由度并联机器人21的六个伺服缸212的上端分别通过球铰214连接到上平台211的不同的六个铰接支点，六个伺服缸212的下端分别通过球铰214连接到下平台213的不同的六个铰接支点；图3中所示的多自由度并联机器人31的六个伺服缸312的上端两个为一组通过三个球铰314连接到上平台311的三个铰接支点，六个伺服缸312的下端同样两个为一组通过三个球铰314连接到下平台313的三个铰接支点，且连接到同一个球铰的两个伺服缸的另一端连接到不同的球铰；图4中的多自由度并联机器人41的六个伺服缸412的上端两个为一组通过三个球铰414连接到上平台411的三个铰接支点，六个伺服缸412的下端通过六个球铰414连接到下平台413上的六个铰接支点。只要多自由度并联机器人的上平台和下平台能够协作从而补偿海面对船体造成的横摇、纵摇和升沉，不具体限制下平台和上平台通过伺服缸和球铰或虎克铰的连接方式。

此外，如图2至图4示意性示出的，单个伺服缸212、312和412可包括伸缩杆和套筒，这六个伺服缸212、312和412可由单个运动控制器驱动，来控制伸缩杆伸出套筒的伸缩运动。随着不同伺服缸212、312和412的伸缩杆的伸出长度的变化以及相应地相对于球铰的摆动角度的变化，伺服缸212、312和412所支撑的下平台213、313和413和上平台211、311、411之间可呈现不同维度的相对运动。

在图1至图4所示的实施例中，并联机器人的伺服缸112的数量为六个，即为并联六轴机器人。并联六轴机器人对于船体10产生的摇晃能够迅速地进行调整，且能够承受较大负荷，这适合应用在波浪补偿领域。

在本实用新型的实施例中，多自由度并联机器人11、21、31和41可通过电动方式或液压方式被驱动。在下文中，将描述根据实施例的作业船100的具体作业流程。

首先，将多自由度并联机器人11和托盘12组装就位，并将组合件放置在作业船100的船体10上的预定位置处；驾驶员将作业船100驾驶到风力发电机组塔筒200附近；将扶梯13的下端固定连接在托盘12上，将扶梯13的上端向风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20抬去；接着，驱动托盘12适当地枢转，从而将扶梯13的上端枢转到门槛20的正面；随后，启动多自由度并联机器人11，其下平台113随着船体10的摇晃而运动，经由如上所述的控制，实时补偿上平台7的横摇、纵摇和升沉，从而实现实时补偿作业船100的船体10由风浪引起的横摇、纵摇和升沉，保持扶梯13的稳定；同时，可使扶梯13伸缩，使扶梯13与风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20进行搭接，在搭接成功之后，作业人员可通过扶梯13进入风力发电机组塔筒200，进行维护作业。

由于扶梯13搭载有力量检测装置(未示出)，因此当作业船100摇晃过大时，扶梯13与风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20的搭接部分所承受的力量会过大，当力量检测装置所检测到的力量超过预定阈值后，会发出报警，通知作业人员尽快撤离，从而保证作业安全。

在作业人员完成作业或作业人员撤离后，解除扶梯13与风力发电机组塔筒200的塔筒门槛20之间的搭接；随后抬起扶梯13，将扶梯13缩回到初始位置并移开，将托盘12枢转到初始位置，解除多自由度并联机器人11和托盘12之间的装配，结束作业。

根据本实用新型的实施例的用于海上风电运维的作业船，当作业人员在海上风电系统进行维护时，作业船上搭载的托盘、多自由度并联机器人、扶梯彼此协作，能够尽最大可能地确保扶梯的稳定性，保证作业人员由作业船进入塔筒的安全性，也能够让作业人员以最快的速度进入塔筒，从而提高工作效率。

本实用新型的以上实施例仅仅是示例性的，而本实用新型并不受限于此。本领域技术人员应该理解：在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行改变，其中，本实用新型的范围在权利要求及其等同物中限定。