主动式波浪补偿实验装置.pdf

本发明提供的是一种主动式波浪补偿实验装置，包括波浪模拟平台、绳索卷扬部分、平台位姿检测部分和波浪补偿控制部分，波浪模拟平台包括底座、伺服电动缸、关节轴承和平台等；绳索卷扬部分包括伺服电机、减速器、卷筒部分和吊装部分，在波浪补偿实验时，波浪模拟平台可模拟波浪的运动，平台位姿检测部分用于检测平台运动状态，并把检测的信息反馈到控制部分进行位姿解算和预测平台运动状态，然后控制伺服电机，经绳索卷扬部分传动，实现对吊装的重物做升沉补偿运动，确保重物在运动中的平稳性。本发明结构简单，便与控制，可用于验证不同补偿预测算法等优点。

权利要求书
1.  一种主动式波浪补偿实验装置，其特征在于：包括底座、上平台、用于连接底座与上 平台的第一电缸、第二电缸和第三电缸，所述底座上设置三个具有销轴的支撑件，三个电缸 的一端分别与所述销轴转动连接，三个电缸的另一端分别与三个关节轴承的一端连接，三个 关节轴承的另一端分别与上平台固定连接，上平台上固定安装有电机，电机的输出轴与减速 器的输入端连接，减速器的输出端与卷筒轴连接，卷筒轴上套装卷筒，钢丝绳的一端缠绕在 卷筒上，钢丝绳的另一端跨过滑轮与重物连接，所述滑轮安装在吊架上，吊架固定安装在上 平台上，上平台上还设置有姿态航向传感器，姿态航向传感器、第一电缸、第二电缸和第三 电缸分别与外部控制电路连接。

2.  根据权利要求1所述的一种主动式波浪补偿实验装置，其特征在于：所述的三个具有 销轴的支撑件以等腰三角形布置在底座上。

3.  根据权利要求1或2所述的一种主动式波浪补偿实验装置，其特征在于：所述关节轴 承的一端是螺纹孔、另一端是螺纹杆，螺纹孔的一端与三个电缸上设置的螺杆配合连接，螺 纹杆的一端通过两个螺母与上平台固定连接。

说明书主动式波浪补偿实验装置
技术领域
本发明涉及一种波浪补偿实验装置，特别是涉及一种能够实现具有预测功能的主动式波 浪补偿实验装置。
背景技术
随着海洋资源的开发利用，船用起重机是海洋开发利用中非常重要的一种工程设备。与 陆地的起重环境不同，由于波浪的影响，船体产生颠簸，吊装的重物会随着船体的运动而起 伏不定，吊装绳索的拉力也在随着改变。对于深海采矿装置、深水勘探装置、水下机器人等， 需要升沉补偿系统以尽可能地保证水下装置的运行不受到由于波浪而导致船体运动的影响。 一种具有波浪补偿功能的船用起重机可以保证吊装过程的平稳性和安全性。
主动式波浪补偿(Active Heave Compensation)需要实时检测船用起重机所在甲板平台的 运动状态，并对未来时间节拍的平台运动趋势进行预测，根据平台当前运动状态及未来运动 趋势预测结果做出相应补偿措施，主动式波浪补偿实验装置能为波浪补偿预测算法的研究和 调试提供实验环境。
波浪补偿实验装置采用3-RPS三自由度空间并联机构组成的平台来模拟由于波浪而造成 的甲板平台的升降、横摇和纵摇运动，采用传感器测量平台的运动状态，并进行实时补偿。 目前，用于进行波浪补偿的装置多采用蓄能器和补偿液压缸或比例溢流阀，如2010年“船用 起重机液压缸式主动波浪升降补偿装置研究”的文章中设计的补偿装置采用蓄能器和补偿液 压缸。
此外，涉及波浪补偿装置的专利大多是采用液压系统的工程应用装置，而本发明专利的 波浪补偿实验装置通过调节伺服电机的转速来进行补偿，注重于由于波浪而造成的甲板平台 运动形式的实时检测和位姿解算，并基于当前和未来时间节拍的平台运动趋势进行主动波浪 补偿。专利号201210219968的中国专利“主动升沉波浪补偿控制系统和控制方法”采用了船舶 姿态运动传感器和张力传感器，并且起升卷筒安装在离岸的起重机上，是一种工程应用设备， 与本发明专利的结构不同。专利号200910226788的中国专利“一种用于主动式波浪补偿起重 机的液压驱动研究”由油箱、液压马达、用于重物吊放的起重油路和用于波浪补偿的补偿油路 组成，与本发明专利的原理和结构均不同。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于3-RPS空间并联机构的可以进行主动式波浪补偿实 验、具有升沉、横摇和纵摇三个自由度而提供一种主动式波浪补偿实验装置。
本发明的目的是这样实现的：包括底座、上平台、用于连接底座与上平台的第一电缸、 第二电缸和第三电缸，所述底座上设置三个具有销轴的支撑件，三个电缸的一端分别与所述 销轴转动连接，三个电缸的另一端分别与三个关节轴承的一端连接，三个关节轴承的另一端 分别与上平台固定连接，上平台上固定安装有电机，电机的输出轴与减速器的输入端连接， 减速器的输出端与卷筒轴连接，卷筒轴上套装卷筒，钢丝绳的一端缠绕在卷筒上，钢丝绳的 另一端跨过滑轮与重物连接，所述滑轮安装在吊架上，吊架固定安装在上平台上，上平台上 还设置有姿态航向传感器，姿态航向传感器、第一电缸、第二电缸和第三电缸分别与外部控 制电路连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述的三个具有销轴的支撑件以等腰三角形布置在底座上。
2.所述关节轴承的一端是螺纹孔、另一端是螺纹杆，螺纹孔的一端与三个电缸上设置的 螺杆配合连接，螺纹杆的一端通过两个螺母与上平台固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用3-RPS空间并联机构作为波浪模拟平台， 能够实现升降、横摇和纵摇三个自由度，为主动波浪补偿实验提供真实的环境。2、主动式波 浪补偿对未来时间节拍的平台运动趋势进行预测，根据平台当前运动状态及未来运动趋势预 测结果做出相应补偿措施，主动式波浪补偿实验装置能为波浪补偿预测算法的研究和调试提 供实验环境。3、实验装置采用伺服电机作为驱动力，结构简单，便与控制，可以用于不同波 浪补偿预测算法的实验验证。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的俯视示意图；
图3是本发明的转动副部分的结构示意图；
图4是本发明的球形铰接部分的结构示意图；
图5是本发明的卷筒部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，本发明包括底座1、上平台5、用于连接底座1与上平台5的第一电缸 3-1、第二电缸3-2和第三电缸3-3，并且底座1、上平台5和三个电缸构成3-RPS空间并联机 构，所述底座1上设置三个具有销轴19的支撑件2，三个电缸的一端分别与所述销轴19转 动连接，三个电缸的另一端分别与三个关节轴承18的一端连接，三个关节轴承18的另一端 分别与上平台5固定连接，上平台5上固定安装有电机7，电机7的输出轴与减速器9的输 入端连接，减速器9的输出端与卷筒轴20连接，卷筒轴20上套装卷筒8，钢丝绳16的一端 缠绕在卷筒8上，钢丝绳16的另一端跨过滑轮13与重物17连接，所述滑轮13安装在吊架 14上，吊架14固定安装在上平台5上，上平台5上还设置有姿态航向传感器6，姿态航向传 感器6、第一电缸3-1、第二电缸3-2和第三电缸3-3分别与外部控制电路连接。所述的三个 具有销轴19的支撑件2以等腰三角形布置在底座1上。所述关节轴承18的一端是螺纹孔、 另一端是螺纹杆，螺纹孔的一端与三个电缸上设置的螺杆配合连接，螺纹杆的一端通过两个 螺母4与上平台5固定连接。
具体的说，本发明主要包括波浪模拟平台、绳索卷扬部分、平台位姿检测部分和波浪补 偿控制部分四部分。
波浪模拟平台主要包括底座1、上平台5、三个电动缸3-1、3-2和3-3、销轴19、支撑件 2、螺母4和关节轴承18。底座1采用铝型材构建成矩形，支撑件2底面有两个通孔，并固 定在底座1上。本发明的转动副结构如图3所示，支撑件2与电动缸的底端通过销轴19的间 隙配合形成铰接转动副，并且在底座1上的安装呈等腰三角形分布。本发明的球形铰接的结 构如图4所示，关节轴承18可做为一个球形铰接，其一端为螺纹孔可与电动缸末端的螺纹杆 固定连接，另一端为螺纹杆，通过两个螺母4与上平台5紧固连接，并起支撑作用。
绳索卷扬部分包括电机7、减速器9、卷筒部分和吊装部分四部分。电机7是交流伺服电 机，减速器9是蜗轮蜗杆减速器，卷筒部分包括卷筒8、卷筒轴20、端盖10、支撑块12、轴 承11和轴承座27等，卷筒部分和吊装部分都通过螺栓固定在上平台5上，组成了波浪补偿 功能的机械传动部分。吊装部分包括吊架14、强力角件15、滑轮13、钢丝绳16和重物17 等，伺服电机7与蜗轮蜗杆减速器9连接，减速器9固定在上平台5上，并对伺服电机7起 支撑作用。卷筒部分的结构如图5所示，卷筒8的两端均布四个螺纹孔，通过螺钉26固定在 端盖10上，端盖10与卷筒轴20之间采用普通平键22联接。卷筒轴20的两端采用轴承11 支撑，支撑块12支撑整个卷筒部分，使卷筒轴20的一端可与减速器9的输出孔连接，螺栓 21穿过轴承座27和支撑块12把卷筒部分固定在上平台5上，吊架14通过螺栓24固定在强 力角件15上，强力角件15通过螺栓23固定在上平台5的边缘，滑轮13通过螺栓25安装在 吊架14的另一端。钢丝绳16的一端固定在端盖10上，并缠绕在卷筒8的表面，经过滑轮 13后，另一端与吊装的重物17相连接。
平台位姿检测系统主要是姿态航向传感器6，安装在上平台5上，实时检测平台5的运 动状态。
本发明的工作过程及原理是：在研究主动波浪补偿实验时，由波浪补偿控制部分驱动波 浪模拟平台的伺服电动缸来模拟波浪运动，上平台5上的姿态航向传感器6检测平台的运动 状态，并把检测到的信息传递至波浪补偿控制部分，波浪补偿控制部分进行平台位置姿态解 算并预测其未来运动状态，然后控制补偿伺服电机7，经绳索卷扬部分的传动对吊装的重物 17做补偿运动，保持重物17在运动中的位置不变，具体的说是经蜗轮蜗杆减速器9减速， 通过轴20带动卷筒部分转动，使缠绕在卷筒8表面的钢丝绳16放开或收起，经过吊架14上 的滑轮13后，保持吊装的重物17在升沉方向的位置基本不变。
本发明的波浪模拟平台采用3-RPS空间并联机构，具有三个分支机构，主体是伺服电动 缸，上下分别为底座和上平台，电动缸底端与底座之间通过铰接形成转动副，并且三个转动 副呈等腰三角形分布。关节轴,18可做为一个球形铰接，其一端为螺纹孔可与电动缸末端的螺 纹杆固定连接，另一端为螺纹杆，通过两个螺母4可对平台紧固连接，并起支撑作用；三个 电动缸的配合可使整个平台实现升沉、横摇和纵摇三个自由度运动。