一种适用于水下遥控作业机器人的海底电缆布放装置的制作方法

本发明属于水下工程装备领域，具体涉及一种适用于水下遥控作业机器人的海底电缆布放装置。

背景技术：

当前，国际上主要通过3种平台对海洋进行观测：一是使用科学考察船走航观测；二是采用海洋卫星遥感观测；三是建立海底科学观测网络原位实时观测。海底观测网是将观测仪器安放到海底或利用水下移动观测平台运载，通过有线网络或者移动平台向各个观测点供应能量、收集信息，从而实现海洋海底地下、海底地面、海水水体的全部、全天候、长时间、连续自动观测，包括海洋物理、海洋化学、海洋(微)生物、海洋地质的观测。

目前我国大力建设的东海海底观测网和南海海底观测网主体架构即是缆系海底观测网。要完成海底观测节点即接驳盒的光电复合缆连接，就需要一种高效可靠的线缆布放装置进行海底布缆作业。通常进行海底光电复合缆布放采用喷射式挖沟犁和挖沟机完成，我国已有负责此类施工的企业。挖沟犁和挖沟机作业需要通过中大型母船配合挖沟犁和挖沟机实现边铺边埋，这种工程作业方式适合于长距离大缆径的海底跨洋电缆布设作业。而海底科学观测网的节点连接线缆具有路径短，分布路径多的特点。

采用挖沟犁铺缆方案进行海底科学观测网接驳盒之间铺缆存在的突出问题是：

1、挖沟犁需要和海面母船配合作业，挖沟犁自身不带走行动力源，需要母船拖曳才能行走。而且挖沟犁体型巨大，需要配合大型母船及收放系统，此方案主要用于跨洋长距离光缆铺设，作业路径越长效率优势越明显。对于海底科学观测网各接驳盒之间的光缆铺设，需要经常切换作业路径，由于母船及挖沟犁组成的系统庞大，布设路径不能精确控制。

2、由于需要母船通过钢丝缆牵引挖沟犁前进，导致挖沟犁不能离海面太远。挖沟犁的作业深度最多为2000米海深，通常为500米至1000米。这也是导致挖沟犁不能精确控制航迹的原因。这从而导致挖沟犁铺缆方案不适应于更高水深的铺缆作业。

采用挖沟机铺缆的方案进行海底科学观测网光电复合缆铺设相对优于使用挖沟犁。但是还是存在以下问题：

1、挖沟机采用履带行走的方式而不是挖沟犁采用的拖曳式方式，虽然不需要母船提供拖曳力，不需要钢索拖曳行走，但是同样需要母船提供电力能源支持。挖沟机接受母船提供的电能，由挖沟机自带的深海液压站和液压马达驱动履带主动行走。但是挖沟机本身体型庞大，同样需要大型支持母船和收放系统，系统复杂性比挖沟犁更加复杂，出海作业成本相当巨大。

2、挖沟机通常用于海底电力电缆和通信光缆的铺设，此类海缆直径较大，挖沟机在铺设海缆时不能精确插拔水下连接器，而对于海底科学观测网的光电复合缆敷设，需要水下机器人辅助布放科学节点接驳盒，插拔接驳盒上的线缆连接器。并且按照规划路径精确敷设海底光电复合缆。此类要求挖沟机不能满足。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提出一种适用于水下遥控作业机器人的海底电缆布放装置。本发明提出的海底电缆布放装置主要用于海底科学观测网的主、次接驳盒节点之间和接驳盒与科学仪器之间光电复合缆的插拔连接和布放作业，也可以用于水下生产设备和水下工厂所用海底电缆电线的连接和敷设。

本发明采用的技术方案如下

一、一种适用于水下遥控作业机器人的海底电缆布放装置

海底电缆布放装置包括主体框架、储缆筒、排缆机构、张紧滑轮、电力推进系统、水下变压器和电动七功能机械手臂；

储缆筒位于主体框架内且两端固定于主体框架两侧，储缆筒上均匀缠绕有电缆；主体框架两侧固定有平行于储缆筒布置的横轴，张紧滑轮通过滚动轴承固定于横轴上，张紧滑轮驱动电机与张紧滑轮相连；横轴和储缆筒之间设置有排缆机构，排缆机构包括往复丝杆、滑动轴和套装于滑动轴上的滑块，往复丝杆、滑动轴两端均固定于主体框架两侧且平行于储缆筒布置，滑块一端滑动设置于往复丝杆上，另一端开有圆孔；缠绕于储缆筒上的电缆穿过滑块另一端的圆孔后绕至张紧滑轮的轮槽上；储缆筒和往复丝杆的同一端分别连接有储缆筒齿轮和丝杆齿轮，储缆筒齿轮和丝杆齿轮通过传动链条连接，储缆筒与储缆筒驱动电机相连；

水下变压器安装于主体框架底部，水下变压器主要由环形壳体和位于壳体内的环形变压器组成，环形壳体中间空腔的内侧面开有上下两圈使环形壳体内外相通的环形缺口，中间空腔内侧面嵌装有橡胶皮碗，位于上部的环形缺口被橡胶皮碗外侧面所封堵，橡胶皮碗底面水平置于上下两圈环形缺口之间；环形壳体底部安装有使中间空腔底部密封的底板，底板上安装有电机控制器；环形壳体外侧面底部开有一通孔；

电力推进系统包括三个电力推进器，三个电力推进器安装于主体框架顶部，其中两个电力推进器位于主体框架后部两侧，第三个电力推进器位于主体框架前部；环形壳体通过油管分别连接至三个电力推进器的壳体内；油管通过通孔与环形壳体相连，通孔还用于引出与电力推进器相连的导线；

主体框架在靠近张紧滑轮的一侧安装有电动七功能机械手臂；照明与摄像系统包括三组视觉辅助模块，每组视觉辅助模块主要由一个摄像头和一个水下灯组成，三组视觉辅助模块均布于主体框架顶部区域，且其中两组视觉辅助模块安装于张紧滑轮两侧。

海底电缆布放装置搭载于水下遥控作业机器人rov底部，控制集装箱通过脐带缆为水下遥控作业机器人提供电能和传输控制信号，脐带缆绞车上的脐带缆经a字型吊架将水下遥控作业机器人下放至水深0-4500米区域内工作，控制集装箱、脐带缆绞车和a字型吊架均位于母船上。

还包括水下耐压电子控制箱，海底电缆布放装置水下遥控作业机器人提供电能并传输控制信号，水下遥控作业机器人的电源接口经水下变压器与水下耐压电子控制箱相连，水下遥控作业机器人的通信接口连接至水下耐压电子控制箱，电动七功能机械手臂、电机控制器、张紧滑轮驱动电机、储缆筒驱动电机、照明与摄像系统均与水下耐压电子控制箱相连。

水下耐压电子控制箱采用较厚的金属壳体以承受海水压力。

三个电力推进器通过电机控制器由水下变压器提供电能。

通过三个电力推进器实现海底电缆布放装置三自由度的姿态调整，水下耐压电子控制箱通过电机控制器控制三个电力推进器工作。

张紧滑轮主要由相互紧贴的主动轮和从动轮组成，主动轮与张紧滑轮驱动电机相连，电缆依次经主动轮轮槽后从主动轮和从动轮贴合处的轮槽中间穿出，从动轮轮槽两侧通过与主动轮轮槽两侧相互贴合以压紧轮槽中间的电缆。电缆在主动轮带动下进行收放时，从动轮在两轮之间的电缆摩擦力作用下，随着主动轮相对转动。

所述橡胶皮碗底面采用金属片制备。

橡胶皮碗在海水压力作用下从上部的环形缺口被压入环形壳体内，环形壳体内的油在压力作用下从通孔流出后经油管流入三个电力推进器的壳体内，使水下变压器的压力传导至电力推进器的壳体内部，从而实现压力补偿。

二、采用上述海底电缆布放装置的操作方法

包括以下步骤：

步骤1)将海底电缆布放装置安装至水下遥控作业机器人底部，电缆一端的接头经滑块从张紧滑轮引出后由电动七功能机械手臂握住，海底电缆布放装置停止放缆并保持张紧滑轮和储缆筒之间的线缆处于张紧状态；

步骤2)水下遥控作业机器人搭载海底电缆布放装置沉入海底，水下遥控作业机器人在控制集装箱的控制下携带水下遥控海底电缆布放装置到达接驳盒/科学仪器所在位置处，水下耐压电子控制箱通过操控电动七功能机械手臂将电缆一端的接头插到接驳盒/科学仪器上并锁紧；

步骤3)水下遥控作业机器人搭载海底电缆布放装置移动，移动过程中海底电缆布放装置正常放缆，到达另一端接驳盒所处位置处后，将储缆筒上的余缆全部释放后缠绕在另一端接驳盒绕缆柱上，水下耐压电子控制箱通过操控电动七功能机械手臂将电缆另一端接头插入接驳盒接口并锁紧。

水下耐压电子控制箱通过储缆筒驱动电机和张紧滑轮驱动电机控制海底电缆布放装置放缆：储缆筒在储缆筒驱动电机带动下转动的同时带动储缆筒齿轮转动，丝杆齿轮在储缆筒齿轮的带动下转动的同时带动往复丝杆旋转，滑动轴上的滑块沿往复丝杆来回滑动，从而使储缆筒上的电缆逐渐释放；

海底电缆布放装置正常放缆时，储缆筒转动的线速度小于张紧滑轮的线速度，则储缆筒和张紧滑轮之间的电缆处于张紧状态；

海底电缆布放装置停止放缆时，储缆筒和张紧滑轮转动的线速度均为0，但张紧滑轮驱动电机继续工作，使张紧滑轮保持旋转的加速度，电缆处于张紧状态；

海底电缆布放装置回收电缆时，储缆筒转动的线速度大于张紧滑轮的线速度，则储缆筒和张紧滑轮之间的电缆依然处于张紧状态。

张紧轮驱动电机采用力矩电机，储缆筒驱动电机采用步进电机。

本发明的有益效果：

1、本发明体积小，重量轻，便于安装在rov底部，将背景技术中的海底挖沟犁和挖沟机粗放式布缆方案改成采用rov搭载海底电缆布放装置的精确布缆方案，可以通过rov精确记录电缆水下部分路径，通过海底电缆布放装置记录电缆布放长度。

2、本发明采用电力驱动，减少液压油泄露风险，更好环保。

3、本发明采用线缆张紧技术，解决收放缆过程中线缆松弛问题；通过张紧滑轮驱动用伺服电机旋转圈数反馈布放的缆长信息，通过张紧滑轮驱动用伺服电机力矩控制保持被释放电缆的张紧状态，通过往复丝杠及滑块实现排缆，与张紧滑轮配合可以实现电缆的释放和回收。

4、本发明通过电力推进器进行浮力和姿态动态调节技术方案，增加了装置在水下姿态调整的自由度，以增强整体在水下运动的机动性能。

5、通过自补偿水下变压器对电力推进器的进行压力补偿，不需要额外的压力补偿器。

6、本发明的布放装置不仅可以使用于海底电缆的精确布放，也可以是光缆或者光电复合缆。通过张紧滑轮的主动轮和从动轮之间的间距调节，可以实现不同缆径的线缆收放。

附图说明

图1为整套布缆系统工作示意图

图2为本发明排缆机构示意图

图3为本发明张紧滑轮示意图

图4为本发明自补偿水下变压器示意图

图5为本发明装置总体布局图

图6本发明装置装置整体结构图

图7本发明整体的电气连接关系图

图8为本发明张紧控制技术方案说明图

图9为本发明装置原理框图

图中：主体框架(1)、储缆筒(2)、水下耐压电子控制箱(3)、张紧滑轮(4)、电力推进器(5)、摄像头(6)、水下灯(7)、水下变压器(8)、电动七功能机械手臂(9)、往复丝杆(10)、储缆筒驱动电机(11)、储缆筒齿轮(12)、电缆(13)、传动链条(14)、丝杆齿轮(15)、滑块(16)、滑动轴(17)、液压动力站(18)、环形变压器(19)、电机控制器(20)、橡胶皮碗(21)、环形壳体(22)、通孔(23)、控制集装箱(24)、脐带缆绞车(25)、水下遥控作业机器人(26)、a字型吊架(27)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一、整套布缆系统构成

如图1所示，要完成海底电缆布设，是一项系统性的工程，需要铺缆母船和整套布缆作业系统。整个系统包括控制集装箱24、a字型吊架27、rov脐带缆绞车25、水下遥控作业机器人(rov)26及其配套的海底电缆布放装置。

控制集装箱24内安装有rov的供电和操控系统，通过脐带缆给rov提供电能和控制信号。操控系统具有操控水下rov和显示rov工况数据的功能，给操作手提供rov操作手柄和按钮以及图像显示界面，可观测水下作业视频实况，进行遥控操作。

a字型吊架、脐带缆绞车25属于布放回收系统，主要功能是用于水下rov的收放，把rov从母船甲板布放到海底，完成作业后把rov回收到母船甲板。布放系统提供0-4500米rov作业甲板配套设施。

脐带缆绞车25和a字型吊架27通过液压动力站18提供动力。

水下遥控作业机器人则为被控单元，也是水下搭载平台，工作水深可达4500米，为我国自主化研制装备，功能十分强大。具备离海底高度、距海面深度、移动速度和水下位置等实时监测功能，可以搭载不同水下工具如机械手、声呐、摄像头、采水瓶、吸泥筒等进行水下科考作业。rov是一种可在水下移动、具备视觉和感知系统，通过遥控或者自主的方式操作方式，使用机械手和其他工具去替代人工或者辅助人工去完成水下作业任务。

如图6所示，本发明涉及的海底电缆布放装置主要用来在海底精准布缆，该装置通过rov的底部四个挂载螺栓搭载在水下rov底部，实现整体刚性科考连接，满足rov在水下运动的稳性要求和布放过程重心要求。只有四个连接点，可以简易地拆装，从而提高rov出海作业的效率。通过利用rov自带的航迹控制和记录功能，可以实现精准布缆路由控制和记录，通过张紧滑轮伺服电机反馈旋转圈数，精确测算并记录电缆布放长度。装置搭载电动七功能机械手，可以拾取和插拔电缆连接器。结合rov本身的姿态控制和电缆布放装置自身的电力推进系统进行姿态调节，可以实现海底电缆精确插拔。

二、海底电缆布放装置组成

如图5所示，作业装置主要由以下部件构成：

(1)主体框架1。为减轻设备重量，主体框架1采用6082铝合金槽型结构，保证强度和刚度性能，为了进一步减少重量，在槽型铝合金上再开圆形孔。。

(2)储缆筒及驱动系统。如图2所示，储缆筒2用于储存被布放的电缆13，电缆13一层一层缠绕在储缆筒2上。储缆筒的旋转靠步进电机驱动实现。采用步进电机便于实现转速调节控制和方向控制。

(3)排缆机构。如图2所示，排缆机构包括往复丝杠10、滑动轴17和滑块16。当电缆13从储缆筒2上释放时，要保证电缆不是一种松弛状态，否则整个储缆筒上的排缆就会很松散无规则，在回收电缆时，也要保证电缆的有序紧密排列，需要有排缆机构实现排缆功能。排缆机构采用往复丝杠10旋转带动滑块16沿滑动轴17移动的方式。滑块16沿滑动轴17来回滑动，滑块16滑动的进度与储缆筒2收放缆的步调一致，储缆筒2旋转一周，滑块16移动一根缆的直径的位置。

储缆筒齿轮12和丝杆齿轮15通过传动链条14连接，储缆筒齿轮12带动丝杆齿轮15旋转的同时带动往复丝杠10旋转，通过调节储缆筒齿轮12和丝杆齿轮15齿数比例改变储缆筒旋转和丝杠旋转的步调。保持滑块位置与出线位置同步。

(4)张紧滑轮及伺服驱动系统。保持电缆13与储缆筒2之间的张紧状态靠张紧滑轮4实现，如图3所示，张紧滑轮4包括主动轮和从动轮。主动轮的旋转靠张紧滑轮驱动电机实现。张紧滑轮驱动电机采用力矩控制电机，当正常放缆时，张紧滑轮驱动电机和储缆筒驱动电机同时工作，储缆筒2往外放缆，张紧滑轮4也往外放缆，但是张紧滑轮驱动电机放缆速度较储缆筒放缆速度快，在储缆筒2出来的电缆到张紧滑轮4之间的电缆13保持一种张紧状态。当停止放缆时，储缆筒驱动电机停止工作，张紧滑轮驱动电机检测到张紧滑轮4不能带动电缆下放时，降低旋转力矩，这时储缆筒2到张紧滑轮4之间的电缆受到一个小的张紧力，保持张紧状态。当往储缆筒收揽时，通过水下耐压电子控制箱3调节储缆筒驱动电机反向旋转收缆，张紧滑轮驱动电机以低于储缆筒2收缆线速度旋转，同样保持收缆张力。张紧滑轮驱动电机采用伺服电机，伺服电机可以准确记录电机旋转圈数，这样就可以计算出收放缆的准确长度。从而实现精确布缆。无需增加另外的计数器。

(5)照明与摄像系统。由于在深海环境下没有可见光，需要设计水下照明系统，为了便于母船上面的操作手直观地掌握水下布缆情况，装置搭载了高清摄像头。水下灯7和摄像头6搭配使用。前面布局2个摄像头6和水下灯7，观测电动七功能机械手9作业情况，后部布局1个摄像头6和水下灯7，观察储缆筒2工作情况。

(6)电力推进系统。包括3台电力推进器5，采用单相感应电机，结构简单可靠性高，转速通过水下耐压电子控制箱3进行控制。

(7)水下耐压电子控制箱3。水下耐压电子控制箱3是整改装置的控制中心，其主要功能是：1、给水下灯供电；2、将摄像头的视频数据转发给rov，通过脐带缆上传到甲板控制集装箱，在操控系统显示器上显示水下视频图像；3、给储缆筒驱动电机和张紧滑轮驱动电机提供控制信号，控制电机的启停，转速和转矩；4、控制和驱动电动七功能机械手。

(8)自补偿水下变压器8。对于深海工作的容器，要抵抗海水巨大的压力，通常有2种方式，一种是采用耐压容器的方式，如本装置使用的水下耐压电子控制箱3，采用较厚的金属壳体承受海水压力。第二种是外接压力补偿器，通过压力补偿器补偿壳体内部压力。本装置不使用厚的耐压壳和外接压力补偿器，采用系统自补偿水下变压器给电力推进器5进行压力补偿。本装置需要进行压力补偿的部件有水下变压器8和电力推进器5。而电力推进器5的供电需要通过水下变压器8。电力推进器的电机为旋转部件，不能进行自补偿，水下变压器8为静止部件，可以采用自补偿技术方案。原理如下：如图5所示，水下变压器8主要由环形壳体22和位于壳体内的环形变压器19组成，环形壳体22中间空腔的内侧面开有上下两圈使环形壳体22内外相通的环形缺口，中间空腔内侧面嵌装有橡胶皮碗21，位于上部的环形缺口被橡胶皮碗21外侧面所封堵，橡胶皮碗21底面水平置于上下两圈环形缺口之间；环形壳体22底部安装有使中间空腔底部密封的底板，底板上安装有电机控制器20。

水下变压器8与电力推进器5之间的电缆通过油管相连接，即水下变压器8与电力推进器5既有电气连接，水下变压器8壳体与电力推进器5壳体还有油路连接，这样，水下变压器8的压力可以传导到电力推进器5壳体内部，从而实现整改系统压力补偿。

(9)电动七功能机械手臂9。电动机械手臂为市场成熟产品，本装置使用全电驱动，没有液压动力单元和液压马达，降低漏油污染环境的风险。

三、连接关系

电缆布放装置是一个相对独立的设备，与rov之间的连接包括机械锁紧连接和电气连接。机械锁紧连接通过在rov底部连接点和布缆装置顶部紧固连接螺栓进行固定。rov底部提供四个固定点，可以确保整个装置可靠连接。

本电缆布放装置采用全电驱动控制系统，电气连接描述如图7所示。控制主要通过水下耐压电子控制箱3内的以中央处理单元为核心的控制系统实现。水下耐压电子控制箱包括视频转以太网板卡模块、8口以太网交换机、中央处理单元、电源模块、以太网转串口模块，8口以太网交换机与rov的以太网通信接口连接，rov中转发给水面控制集装箱；8口以太网交换机与中央处理单元相连；照明与摄像系统通过视频转以太网板卡模块与8口以太网交换机连接，电动七功能机械手臂9、张紧滑轮驱动电机、储缆筒驱动电机11通过以太网转串口模块与水下耐压电子控制箱3相连。三个电力推进器5通过电机控制器与中央处理单元相连。

水下变压器从rov获取ac110v电源，内部通过变压、整流和电源实现对系统各电气部件的供电。水下变压器获取的ac110v通过电机控制箱为三个电力推进器供电；水下变压器将ac110v降压为ac68v后输入水下耐压电子控制箱的整流模块后转换为dc48v，dc48v通过电源端子排传输至电源模块、电动七功能机械手臂9、张紧滑轮驱动电机、储缆筒驱动电机11、水下灯7，电源模块将dc48v降压为dc5v为水下耐压电子控制箱供电。

四、水下耐压电子控制箱

如图9所示，水下耐压电子控制箱通过以太网通信接口连接rov，水下耐压电子控制箱3，rov的ac110v电源接口经水下变压器8与水下耐压电子控制箱3相连，电动七功能机械手臂9、张紧滑轮驱动电机、储缆筒驱动电机11、照明与摄像系统均与水下耐压电子控制箱3相连。

水下耐压电子控制箱控制功能分为装置姿态控制、收放缆控制、拾取和插拔电缆接头、视觉辅助功能。

装置姿态控制通过电力推进系统实现。控制系统通过调节三个电力推进器的旋转方向和旋转速度，控制电力推进器提供的推力的方向和大小。三个电力矢量推进器组成的系统产生的合力大小和方向就可以调整布缆装置的姿态，可以实现三自由度姿态调整。电力推进系统提供的姿态调整自由度与rov在垂直升降、横滚、纵倾三个自由度调节方式一致，便于实现整体一致性控制。

拾取和插拔电缆接头通过电动七功能机械手9实现。

视觉辅助通过连接水下灯7和摄像头6，实现对储缆筒2、张紧滑轮4以及电动七功能机械手9的观察。

如图8所示，收放缆控制主要通过对储缆筒驱动电机和张紧滑轮驱动电机的旋转方向和速度实现。

当正常放缆时，储缆筒2逆时针旋转，转速为v1，张紧滑轮4逆时针旋转，主动轮的转速为v2，v2的线速度大于v1的线速度，则储缆筒2和张紧滑轮4之间的电缆处于张紧状态。

当停止放缆时，v1等于0，张紧滑轮驱动电机提供逆时针转矩，由于v1等于0，线速度为0，但是张紧滑轮保持一种逆时针旋转的加速度，速度v2等于0，电缆处于张紧状态。

当回收电缆时，储缆筒2顺时针旋转，转速v1，张紧滑轮4顺时针旋转，转速为v2，v1的线速度大于v2的线速度，储缆筒和张紧滑轮之间的电缆依然处于张紧状态。

五、装置对外接口

作业设备对外主要连接rov，只需要提供电气接口，分别为以太网通信接口和ac110v电源接口。

六、施工方法

1)rov在下水前，先完成rov功能检测，通电检查rov中的各部件是否正常工作。

2)将海底电缆布放装置组安装到rov底部。

3)将电缆13接头从滑块、张紧滑轮4引出，握在电动七功能机械手臂9上。保持张紧滑轮4和储缆筒2之间的线缆处于张紧状态。

4)将rov通过布放系统布放到海底，通过定位信标找到科学仪器或接驳盒海底位置，操作电动七功能机械手臂9将电缆接头插到科学仪器或接驳盒上，锁紧接头。

5)操作rov飞行并释放卷筒电缆。到达另一端接驳盒处时，将余缆全部释放，缠绕在接驳盒绕缆柱上。通过操作电动七功能机械手臂9，将另外一端电缆接头插入接驳盒接口并锁紧。

接驳盒是一种水下电气设备，包括框架、电子箱和科学探测仪器，电子箱内部通常为半真空状态，容纳电子板卡或器件，完成信号转换功能。接驳盒分为主接驳盒和次接驳盒，主接驳盒主要功能是连接岸基电源和通信设备，并将电力和信号转接到次接驳盒。次接驳盒则主要负责连接末端观测设备和主接驳盒。通常主接驳盒和次接驳盒之间以及次接驳盒和仪器之间都是较细的光电复合缆。