CN110758671A - 一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台及测试方法。该平台包括水池、架设于水池上的主体支架，主体支架上设置有仪器放置平台、拉压传感器、转轴和第一连杆机构，第一连杆机构的一端与转轴可转动地连接，另一端与设置于仪器放置平台上的拉压传感器相连，第一连杆机构上设置有可通过伸缩而改变长度的第二连杆机构，第二连杆机构的下端连接有推进器，推进器位于水池中。本发明通过调整转轴至推进器与拉压传感器距离的比值，使推进器作用于拉压传感器上的力改变，保证其在唯一固定的传感器量测范围内；本发明可有效提高水下机器人推进器推力的测量精度。

Description

一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及一种推进器性能测试平台及测试方法，特别涉及一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台及测试方法。

背景技术

有缆水下机器人(ROV)渐渐被广泛应用于对码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检修和废物清除等。为验证有缆水下机器人的性能和稳定性，需对有缆水下机器人进行相应的性能测试和分析，以验证其是否满足预期设计要求。推进器是有缆水下机器人的动力源，决定了有缆水下机器人的活动能力。因此，要提高有缆水下机器人的可靠性和工作性能及可靠性，对有缆水下机器人推进器性能测试与分析开展研究至关重要。

申请号为201710532408.7的发明专利使用杠杆原理传递推进器的推力，但杠杆倾斜时，杠杆在两端推或拉的过程中会上下偏斜一定的距离，可能造成受力方向的改变，从而存在测量结果不准确的问题。专利号为201721425608.4的专利亦通过等臂杠杆的传递原理测力，但未提及不同功率推进器测试的通用性问题。专利号为201910256884.X的专利通过弹簧的变形对水下机器人推进器推力进行测量，但推进器沿直线导轨移动时产生的摩擦力会对测试结果产生影响。除上述问题外，此三项专利所公开的测试方案仅能测试推力，未提及推进器其它性能参数的测试方法。

综上所述，目前还没有能较准确地对有缆水下机器人推进器推力进行测量，且能针对不同功率推进器具有通用性的综合性能测试平台。

发明内容

有缆水下机器人推进器综合性能测试主要包括推力、转速和功率等。已有发明专利大多仅能进行推力测试且精度不足。本发明的技术方案可在保证推力测试的精确性的同时，实现平台多用化，在测试不同规格推进器的推力的同时还能测试其转速和功率。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，包括水池、架设于水池上的主体支架，所述主体支架上设置有仪器放置平台、拉压传感器、转轴和第一连杆机构，所述第一连杆机构的一端与转轴可转动地连接，另一端与设置于仪器放置平台上的拉压传感器相连，所述第一连杆机构上设置有可通过伸缩而改变长度的第二连杆机构，所述第二连杆机构的下端连接有推进器，所述推进器位于水池中。

更进一步的，所述第一连杆机构为直角三角杆，所述直角三角杆的直角端与转轴可转动地连接，一锐角端与设置于仪器放置平台上的拉压传感器相连。

更进一步的，所述第二连杆机构包括第二连杆、步进电机，所述第二连杆设置于第一连杆机构上，所述第二连杆上设置有齿条，所述步进电机通过齿轮与第二连杆的齿条配合，使第二连杆可相对于第一连杆机构上下运动，所述第二连杆的下端连接有推进器。

更进一步的，所述第二连杆包括外部伸缩杆和内部伸缩杆，所述外部伸缩杆上设置有齿条，所述步进电机通过齿轮与外部伸缩杆的齿条配合，使外部伸缩杆可相对于第一连杆机构上下运动，所述外部伸缩杆的内部设置有内部伸缩杆，所述内部伸缩杆的下端连接有推进器，所述外部伸缩杆和内部伸缩杆上均设置有插销孔，通过不同插销孔的对应，可调节内部伸缩杆相对于外部伸缩杆的伸出长度。

更进一步的，还包括三角形支架，所述第二连杆的下端通过三角形支架与推进器相连。

更进一步的，还包括激光传感器，所述激光传感器设置于水池中；所述第一连杆机构、第二连杆机构、拉压传感器、转轴均设置于水池外部。

本发明还提供一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法，通过可调节力臂的调整来调节推力的有效测试量程，即通过调整转轴至推进器与拉压传感器距离的比值，使推进器作用于拉压传感器上的力改变，保证其在唯一固定的传感器量测范围内，进而对不同规格的推进器进行综合性能测试；可绕转轴旋转部分的重心在转轴偏拉压传感器一侧，在推进器安装前即空载时已经有读数，通过此读数在最终测量结果中有效排除摩擦力等其它因素的影响。

更进一步的，将水池放置在平台内，仅将推进器和激光传感器放置在水中，主体支架固定在地面上。

更进一步的，推进器通过双三角支架结构与第二连杆机构相连，以减小对推进器进行测试时转轴的变形程度。

更进一步的，测算不同规格推进器的力臂长度并进行相应的调整；采用力矩测试出不同规格的推进器的正反转推力；采用激光传感器对推进器进行转速性能测试；功率箱提供想要的电压与电流，实现推进器性能的综合测试；具体步骤包括：

(1)将实验水池布置好，将推进器安装在三角形的连接杆上；在对推进器推力测试前，对推进器的规格进行估算，按照推进器的规格将力臂的长度比调节至合适值；

(2)读出未打开推进器时拉压传感器的数值并记录；

(3)采用功率箱输入推进器的电压和电流，即在已知功率下测试推进器的其他性能；首先在已知条件下让推进器进行正推，两力臂绕轴转动，对拉压传感器产生作用；记录下推进器的正推推力数据，慢慢调整该推进器推力，读出拉压传感器的数值并记录；该值减去推进器未启动时传感器的读数，再除以L1+L3与L2的比值即可得到测试推进器的最大的正推推力；

(4)打开激光传感器，进行测速，如发现位置偏移则进行调整；

(5)需要测试其他不同功率的推进器时，重新根据推进器的规格对力臂长度进行调整

本发明的有益效果如下：

本平台通过调整转轴至推进器与拉压传感器距离的比值，使推进器作用于拉压传感器上的力改变，保证其在唯一固定的传感器量测范围内；本发明只将推进器和激光传感器放置在水中，避免了反作用力矩使整个测试平台产生旋转，从而减小了推力测试产生的误差；本发明采用双三角支架结构，大大减小了对功率推进器进行测试时转轴的变形程度，提高了测试精度；本发明方案可有效提高水下机器人推进器推力的测量精度。

附图说明

图1是推进器与传感器力矩平衡示意图(去除支架、水池及弹性软管)

图2是力臂受推进器反作用力矩作用简图

图3是本发明受三角形支架受推进器反作用力矩作用示意图

图4是推进器为开启时重力与拉压传感器压力示意图

图5是推进器综合性能测试平台

图6是齿轮箱结构图(去除上盖及部分螺钉)

图7是推进器反作用力矩

图中：1、仪器放置平台；2、S型拉压传感器；3、三角杆；4、步进电机；5、齿轮箱；6、插销；7、外部伸缩杆；8、功率测试箱；9、内部伸缩杆；10、主体支架；11、水池；12、激光传感器；13、推进器；14、小齿轮；15、大齿轮；16、转轴；17、三角形支架；18、推进器转向；19、反作用力矩方向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台的结构如图5所示，包括水池11、架设于水池11上的主体支架10，所述主体支架10上设置有仪器放置平台1、S型拉压传感器2、转轴16和第一连杆机构。第一连杆机构的一端与转轴16可转动地连接，另一端与设置于仪器放置平台1上的S型拉压传感器2相连。第一连杆机构上设置有可通过伸缩而改变长度的第二连杆机构，所述第二连杆机构的下端连接有推进器13，推进器13位于水池11中。仪器放置平台1上还放置有功率测试箱8。激光传感器12通过弹性软管固定于主体支架10上。

作为本发明的一种优选结构，所述第一连杆机构为直角三角形结构的三角杆3，该三角杆3的直角端与转轴16可转动地连接，其中一个锐角的一端与设置于仪器放置平台1上的S型拉压传感器2相连。

为了实现力臂可通过伸缩而改变长度，本发明第二连杆机构可具体包括第二连杆、步进电机4，第二连杆设置于第一连杆机构上，第二连杆上设置有齿条，步进电机4通过齿轮(可优选为如图6所示的大齿轮15加小齿轮14的结构，大齿轮15和小齿轮14设置于齿轮箱5中)与第二连杆的齿条配合，使第二连杆可相对于第一连杆机构上下运动，所述第二连杆的下端连接有推进器13。

为了实现力臂长度的粗调，所述第二连杆可包括外部伸缩杆7和内部伸缩杆9。外部伸缩杆7上设置有齿条，步进电机4通过齿轮(可优选为如图6所示的大齿轮15加小齿轮14的结构)与外部伸缩杆7的齿条配合，使外部伸缩杆7可相对于第一连杆机构上下运动。外部伸缩杆7的内部设置有内部伸缩杆9，内部伸缩杆9的下端连接有推进器13。外部伸缩杆7和内部伸缩杆9上均设置有插销孔，通过不同插销孔的对应，利用插销6，可调节内部伸缩杆9相对于外部伸缩杆7的伸出长度。

为了提高测量精度，减小误差，内部伸缩杆9的下端可以通过三角形支架17与推进器13相连。

以下对本发明的测量原理及效果进一步说明。

一、本发明提出通过可调节力臂调整而调节推力的有效测试量程，进而对不同规格的推进器进行综合性能测试的方法。常规的测量平台，一般会固定压力传感器，测量为了常见的有缆水下机器人推进器的推进力，如天津昊野科技有限公司的T400推进器(向前推力为10.5kg)，此时采用T318B拉压传感器(量程为5-50kg)即可。

但测量平台应保证精度的同时具有通用性。目前有缆水下机器人的推进器类型较多，推力范围从一两千克至上百千克不等。传感器的精度与量程不可兼得，使用一种拉压传感器很难在保证测试精度的同时满足所有推进器的测试要求。故本平台通过调整转轴至推进器与拉压传感器距离的比值，使推进器作用于拉压传感器上的力改变，保证其在唯一固定的传感器量测范围内。

一般的测试***亦可通过更换不同规格的拉压传感器来实现对推力差距较大的传感器进行测试，但不同拉压传感器的尺寸存在一定差异，测试***的结构设计难度将大幅增加。频繁更换传感器亦将大大加速***零件的磨损，导致测试***的精度下降，大大缩短测试***的使用寿命。

本测试平台一侧的伸缩滑竿上打有多个可与圆柱插销进行配合的孔，其距离推进器安装支架的尺寸适用于市面上常见规格的推进器，将其***对应的孔内固定即可完成用户对力臂的粗调。若用户需要进行精确调节，则可通过控制步进电机驱动齿轮及齿条对L₃的长度进行调整。另一侧的杆上则标有刻度，能帮助用户进行精确调整。

推进器产生的推力与支架对三角杆的压力对于转轴产生的力矩平衡，如图1所示。即：

(L₁+L₃)×F₁＝L₂×F₂

L₁：转轴至推进器安装位置的距离

L₂：转轴至拉压传感器的距离

L₃：推进器中心至推进器安装位置的距离

F₁：推进器推力

F₂：支架对三角杆的压力

测试***使用T318B拉压传感器(量程为5-50kg)，需要测试Tecnadyne公司的Model 150推进器(前进推力为2.1kg)时，可调节L1+L3：L2＝3:1。拉压传感器受到的推力约为推进器正常推力的三倍，即6.3kg左右，在传感器的量程之内。将传感器的读数除去3:1后即可得到推进器的实际推力数值。

二、本发明提出将实验水池放置在平台内，只将推进器和激光传感器放置在水中。推进器的桨叶在水中旋转的同时会对整个测试平台产生与其旋转方向相反的反作用力矩(如图7所示)。当整个机构被放置在水中，不固定在地面上时，反作用力矩将会使整个测试平台产生旋转，使推力测试产生误差。故本专利只将推进器和激光传感器放置在实验水池中，整体支架固定在地上。支架上的地脚螺钉能产生足够平衡反作用力矩的力矩，使测试平台固定。

三、本发明采用双三角支架结构，大大减小了对功率推进器进行测试时转轴的变形程度，提高了测试精度。

传统的推力测试平台(如申请号为201710532408.7的发明专利)使用单杆连接推进器与拉压传感器，当推进器功率较大时易因转轴与连接杆挠度过大而影响测试精度。以申请号为201710532408.7的发明专利为例，其构件“4-力臂”受推进器反作用力矩作用的情况可简化为图2。

其中A点为构件4于转轴上的安装点，B点为推进器于构件上的安装点，M为推进器对构件的反作用力矩。x为构件上某点距离转轴的长度。故其挠曲线方程为：

其中EI为该梁的抗弯截面刚度。若该梁的截面为圆形，则：

将其代入可得：

由此可知。当推进器的反作用力矩较大或梁的抗弯截面刚度不足时其易产生较大变形而影响测试平台的精度。

而本专利所采用的三角形支架结构则可将扭矩转换为对二伸缩杆的正压力与正拉力如图3所示，二者的大小为：

则每根杆的变形程度为：

将其与前者进行比较：

一般情况下，L>>d，故在安装推进器的位置(x与L约为同一量级)本发明方案的变形程度远小于原有方案。从而更好地保证了测试平台的精度。

四、本发明方案可有效提高水下机器人推进器推力的测量精度。本发明中可绕转轴旋转部分的重心在转轴偏拉压传感器一侧，在推进器安装前即空载时便已经有了读数，通过此读数在最终测量结果中有效排除摩擦力等其它因素的影响，进一步提高测量精度。具体分析过程：设其重力为P，距转轴的距离为L₄，拉压传感器为平衡此力对支架产生的压力为F₃，如图4所示。

二力对于转轴产生的力矩平衡，可得：

F₃·L₂＝P·L₄

F₃＝L₂·P/L₄

若机构旋转时产生的摩擦力为f，则空载时拉压传感器的测得的力为L₂·P/L₄-f。

当推进器开启时，传感器的读数为F₁+L₂·P/L₄-f，故将二值相减即可得到推进器推力(F₁)的准确数值。而其它专利的方案不能有效获取到摩擦力等读数，即很难在最终结果中排除掉摩擦力的影响。

本发明一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法为：测算不同规格推进器的力臂长度并进行相应的调整；采用力矩测试出不同规格的推进器的正反转推力；采用激光传感器对推进器进行转速性能测试；功率箱提供想要的电压与电流，实现一平台推进器性能的综合测试，具体步骤为：

步骤一、将实验水池布置好，将推进器安装在三角形的连接杆上。在对推进器推力测试前，对推进器的规格(半径、电机最大功率)进行估算，按照推进器的规格将力臂的长度比调节至合适值。

步骤二、读出未打开推进器时压传感器的数值并记录。

步骤三、采用功率箱输入推进器的电压和电流，即在已知功率下测试推进器的其他性能。首先在已知条件下让推进器进行正推，两力臂绕轴转动，对拉压传感器产生作用。记录下推进器的正推推力数据，慢慢调整该推进器推力，读出拉压传感器的数值并记录。该值减去推进器未启动时传感器的读数，再除以L1+L3与L2的比值即可得到测试推进器的最大的正推推力。

步骤四、打开激光传感器，进行测速(如发现位置偏移则进行调整)。

步骤五、需要测试其他不同功率的推进器时，需要重新根据推进器的规格对力臂长度进行调整。调整时可直接更换与插销相配合的孔，再通过另一侧的刻度进行校验。如需进行精确调节，可使用步进电机对其进行调节至右侧刻度读数满足预定要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：包括水池、架设于水池上的主体支架，所述主体支架上设置有仪器放置平台、拉压传感器、转轴和第一连杆机构，所述第一连杆机构的一端与转轴可转动地连接，另一端与设置于仪器放置平台上的拉压传感器相连，所述第一连杆机构上设置有可通过伸缩而改变长度的第二连杆机构，所述第二连杆机构的下端连接有推进器，所述推进器位于水池中。

2.根据权利要求1所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：所述第一连杆机构为直角三角杆，所述直角三角杆的直角端与转轴可转动地连接，一锐角端与设置于仪器放置平台上的拉压传感器相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：所述第二连杆机构包括第二连杆、步进电机，所述第二连杆设置于第一连杆机构上，所述第二连杆上设置有齿条，所述步进电机通过齿轮与第二连杆的齿条配合，使第二连杆可相对于第一连杆机构上下运动，所述第二连杆的下端连接有推进器。

4.根据权利要求3所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：所述第二连杆包括外部伸缩杆和内部伸缩杆，所述外部伸缩杆上设置有齿条，所述步进电机通过齿轮与外部伸缩杆的齿条配合，使外部伸缩杆可相对于第一连杆机构上下运动，所述外部伸缩杆的内部设置有内部伸缩杆，所述内部伸缩杆的下端连接有推进器，所述外部伸缩杆和内部伸缩杆上均设置有插销孔，通过不同插销孔的对应，可调节内部伸缩杆相对于外部伸缩杆的伸出长度。

5.根据权利要求3所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：还包括三角形支架，所述第二连杆的下端通过三角形支架与推进器相连。

6.根据权利要求1所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台，其特征在于：还包括激光传感器，所述激光传感器设置于水池中；所述主体支架、第一连杆机构、第二连杆机构、拉压传感器、转轴均设置于水池外部。

7.一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法，其特征在于：通过可调节力臂的调整来调节推力的有效测试量程，即通过调整转轴至推进器与拉压传感器距离的比值，使推进器作用于拉压传感器上的力改变，保证其在唯一固定的传感器量测范围内，进而对不同规格的推进器进行综合性能测试；可绕转轴旋转部分的重心在转轴偏拉压传感器一侧，在推进器安装前即空载时已经有读数，通过此读数在最终测量结果中有效排除摩擦力等其它因素的影响。

8.根据权利要求7所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法，其特征在于：将水池放置在平台内，仅将推进器和激光传感器放置在水中，主体支架固定在地面上。

9.根据权利要求7所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法，其特征在于：推进器通过双三角支架结构与第二连杆机构相连，以减小对推进器进行测试时转轴的变形程度。

10.根据权利要求7所述的一种有缆水下机器人推进器综合性能测试方法，其特征在于：测算不同规格推进器的力臂长度并进行相应的调整；采用力矩测试出不同规格的推进器的正反转推力；采用激光传感器对推进器进行转速性能测试；功率箱提供想要的电压与电流，实现推进器性能的综合测试；具体步骤包括：

(1)将实验水池布置好，将推进器安装在三角形的连接杆上；在对推进器推力测试前，对推进器的规格进行估算，按照推进器的规格将力臂的长度比调节至合适值；

(2)读出未打开推进器时拉压传感器的数值并记录；

(3)采用功率箱输入推进器的电压和电流，即在已知功率下测试推进器的其他性能；首先在已知条件下让推进器进行正推，两力臂绕轴转动，对拉压传感器产生作用；记录下推进器的正推推力数据，慢慢调整该推进器推力，读出拉压传感器的数值并记录；该值减去推进器未启动时传感器的读数，再除以L1+L3与L2的比值即可得到测试推进器的最大的正推推力；

(4)打开激光传感器，进行测速，如发现位置偏移则进行调整；

(5)需要测试其他不同功率的推进器时，重新根据推进器的规格对力臂长度进行调整。

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