升降系统水下用图传设计

 

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引言

水下图传升降系统主要由剪叉式升降机构,搭配图传系统组成,以完成水下监控画面的实时传输。作为系统中的关键,包括剪叉式升降平台以及图传系统。剪叉式升降机构不仅广泛应用于仓库、机场、车站、码头和工厂等地的货物起升、装卸及搬运作业,而且适用于各类工程的高空维护与装修,因此从过去引进技术的合资生产到现在自主品牌的国产化发展迅速。而图传系统,在无人机等领域应用比较成熟,在水下机器人上尚处于起步阶段,为了满足低成本要求,以及实时的进行画面传输,为此,自行设计搭建了图传系统。

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剪叉式升降机构设计

1.1 剪叉机构组成及原理

剪叉式结构具有结构紧凑、承载量大、驱动装置通过性强和操控性好的特点,由于工作于水下,传统的液压驱动方式不能满足要求,因此,自主开展了丝杠传动式的剪叉升降机构设计。剪叉机构主要从低起升到高起升,主要由底座(仿生机器人基座)、支撑杆、长横杆、短横杆、丝杠、图传平台等组成,长横杆和短横杆与支撑杆之间形成铰接,支撑杆长度均相等,这种多个平行四边形伸缩架,可获得较大的伸缩形成,当丝杠运动使得丝杠螺母前后移动时,带动长横杆在底座导槽内滑动和支撑杆运动,使得图传平台在铅垂方向升降。

1.2 运动分析

剪叉机构由两根中间用枢轴连接,可在平面内相互转动的剪杆组成,没根剪杆又可以认为由两端一端铰接和一端固接的梁单元连接而成。剪杆作为机构折叠变化的对象,铰点约束剪杆的变化,折叠过程即剪杆围绕铰点旋转,最后达到指定位置,从而完成一个折叠过程。

以单片剪叉式升降台为例进行设计研究,如图1所示,分析滑块B水平速度VB与升降平台CD在垂直速度v之间的关系。该运动平面运动,采用速度瞬心法进行求解。

图 1剪叉式升降台原理图

因为D点速度垂直向上,B点速度水平向左,所以剪杆BD运动瞬心为C点,零其瞬时角速度为w,则D、B点的速度为:

由上述两式可得:

由几何关系可得:

将式(1-4)代入(1-3)可得:

式中,K为速度放大系数。

由式(1-5)可以得出,当B点的运动速度确定,即v

B

为已知时,某一时刻t对应的L

AB

确定,则t时刻平台的升降速度v确定。因此,调整v

B

可使升降机构具备良好的运动性能。

1.3 机构设计

剪叉机构主要是承载叉架和图传平台并做升降运动,由于工作于水下,有一定的浮力,受载荷小,经过估算,升降平台承受的载荷是10kg。

我们所设计的剪叉升降机构由直驱式电机进行驱动,通过丝杠传动为升降机构提供横向驱动,一对单片剪叉结构俯视图和前视图如图2所示。

图 2单片剪叉结构俯视图和前视图

小型丝杠与AB水平方向平行,轴BB

通过丝杠螺母沿AB水平方向运动。AB作为机构折叠变化的对象,铰点0约束剪杆的变化,折叠过程即剪杆围绕铰点旋转,最后达到指定位置,从而完成一个折叠过程,如图3所示。

图 3机构折叠过程

设定设计条件,一对单片剪叉每条连杆长度L=400mm,B处为可沿前后方向移动的滑块,平台处于最低点时连杆AB与水平面夹角为15°,最大横向滑动距离为195mm。如图所示

L=360,D=350,则单个连杆最小高度

S1=400×sin15°=103.5                                  (1-6)

伸缩架移动到横向最大距离时连杆与水平面的夹角

单个连杆最大高度

S2=400×sin60.91=314.6mm                                                  (1-8)

设可升降距离为H=3000mm,则需要连杆个数为n,

S2×n-S1×n=H                                                                  (1-9)

那么

由上述计算可知至少需要2个连杆机构。

1.4 安全与自锁

为保证水中的工作平台不会突然失灵下降,当工作平台收缩到极限位置时,驱动用的电机处于自锁状态,工作平台静止,剪叉式结构就不会降落,工作平台就不会下降。同时,滑动丝杆具有一定的自锁性,即使在停电时,也能保证工作平台不会降落。

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图传系统设计

图传系统搭载于剪叉机构下端,在需要观察水下情况时,通过水下机器人的运动及剪叉机构的升降来完成。图像传输系统采用摄像头、视频转换器、视频发射端、视频接收端等组成,系统通过水下摄像头把水下图像采集以后,通过视频转换器转成HDMI信号转给发射端,发射端通过5G高清信号,发给地面接收端,最终实现实时视频图像无线传输给地面站,完成一次传输过程。

图像传输系统采用5G全高清数字传输,输入最高支持1920×1080P@60fps,输出高达1920×1080P@30fps,使用5G射频技术,发射功率200mW,地面站搭配5dbl全向天线,地面接收设备可以使用安卓、windows电脑做为地面站显示设备,有效传输距离1km。

图 4图传系统组成部件

下图为某养殖基地采用本文提出的无线图像传输系统获得的海下2米位置海参实时图像截图,图像清晰度1920*1080P,实现了高清无线传输。

图 5海下2米海参实时图像

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结论

该系统以剪叉式结构进行升降,以丝杠装置来来进行驱动,所用的系统驱动力为自行设计的水下直浸式一体化永磁电动机,本系统很好的解决了图传平台工作于水下的信号传输难题。该系统结构简单,受力状况良好,无液压装置,成本较低,设计新颖,具有很好的应用前景。