CN102079374A - 一种水下机器人用自回油式浮力调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人浮力调节设备，具体地说是一种水下机器人用自回油式浮力调节装置，包括内皮囊、直流电机、电磁阀、柱塞泵、艉部端盖及外皮囊，艉部端盖与水下机器人筒体密封连接，外皮囊安装在艉部端盖的外侧；内皮囊、直流电机、电磁阀及柱塞泵分别安装在抽真空处理的水下机器人筒体内，由直接电机驱动的柱塞泵的一端通过管路与内皮囊相连接，另一端通过管路与外皮囊相连接，在该管路上安装有单向阀，在柱塞泵连接内皮囊的管路及单向阀连接外皮囊的管路之间并联连接有电磁阀。本发明由直流电机驱动柱塞泵工作，实现排油，通过开启电磁阀实现自动回油，进而调节水下机器人的浮力，结构简单，安全可靠。

Description

一种水下机器人用自回油式浮力调节装置

技术领域

本发明涉及水下机器人浮力调节设备，具体地说是一种水下机器人用自回油式浮力调节装置。

背景技术

水下机器人作为一种水下测量、作业平台，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源勘探、救援打捞等应用领域。通常水下机器人在作业过程中要保持稳定的浮力状态，如中性状态，以保证正常稳定的工作状态。然而，受海水密度变化的影响，水下机器人的浮力状态会发生不同程度的波动，从而影响水下机器人的整体性能。通过专用的水下机器人浮力调节装置，根据水下机器人作业海域的海水密度情况，自动调节水下机器人的排水体积或载休重量实现调整水下机器人系统浮力，达到期望的浮力状态。因此研究模块化、结构紧凑、稳定可靠的水下机器人用浮力调节装置，对提高水下机器人整体性能具有重要作用。目前现有水下机器人控制升沉的方法主要有三种，第一种是通过改变自身的浮力来进行调节，通过高压气体来控制水下机器人的排水量，例如潜艇，这种方法的系统结构复杂，适用于大型的水下机器人；第二种是通过推进器的推力的改变来实现水下机器人的升沉运动，例如传统的AUV(完全功能模块化的水下自治机器人)和ROV(水下遥控运载器)，这种方法使得水下机器人的运动更加灵活，但需要消耗较多的能源；第三种方法是通过降低自身的重量(抛弃一定数量的重物)来实现水下机器人的上浮运动，例如AUV和水下滑翔机中使用此种方法来保证水下机器人在出现异常情况下能浮出水面，但这种方法只能单向控制水下机器人的上浮运动，而且采用此方法所能提供的正浮力是固定的，对于需要实时改变浮力状态的水下机器人则不适用。

发明内容

为了解决水下机器人由于浮力状态不稳定导致整体性能受影响的的问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、工作可靠、高效率的水下机器人用自回油式浮力调节装置；该浮力调节装置通过调节水下机器人的排水体积，进而实现对水下机器人浮力状态的调节。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括内皮囊、直流电机、电磁阀、柱塞泵、艉部端盖及外皮囊，所述艉部端盖与水下机器人筒体密封连接，外皮囊安装在艉部端盖的外侧；所述内皮囊、直流电机、电磁阀及柱塞泵分别安装在抽真空处理的水下机器人筒体内，由直接电机驱动的柱塞泵的一端通过管路与内皮囊相连接，另一端通过管路与外皮囊相连接，在该管路上安装有单向阀，在柱塞泵连接内皮囊的管路及单向阀连接外皮囊的管路之间并联连接有电磁阀。

其中：在艉部端盖的内侧、水下机器人筒体内通过多根艉部拉杆连接有固定板，内皮囊端盖通过内皮囊套筒与固定板相连，所述内皮囊的开口端安装在内皮囊端盖上、通过内皮囊套筒压紧固定，内皮囊的另一端设有对其运动导向的内皮囊活塞；内皮囊端盖的表面周向设有O型圈槽，内皮囊的开口端沿径向向内延伸，该延伸部容置于所述O型圈槽内，内皮囊套筒位于内皮囊的外面、压紧内皮囊，内皮囊套筒的两端分别与内皮囊端盖及固定板相连接；所述内皮囊活塞固接于内皮囊的底部、与内皮囊连动，内皮囊活塞的开口向外延伸并抵接于内皮囊套筒的内壁；内皮囊端盖上分别开有第一油口及排气口，第一油口上安装有第一可调向弯头，排气口上设有排气阀；固定板上安装有直流电机，直流电机的输出轴通过联轴器与柱塞泵相连接；内皮囊活塞上设有直线电位计；所述电磁阀通过电磁阀固定板安装在固定板上；所述外皮囊通过外皮囊固定件固接于艉部端盖上，艉部端盖上开有第二油口，该第二油口的一端与外皮囊相通，另一端设有第二直通管接头；所述外皮囊的开口处沿径向向内延伸，延伸部镶嵌在艉部端盖上开设的O型密封圈槽内，外皮囊固定件在外皮囊开口处的外部将外皮囊压紧于艉部端盖；所述柱塞泵上分别设有第四、五可调向弯头，单向阀的两端分别设有第三、六可调向弯头，电磁阀上分别设有第一直通管接头及第二可调向弯头，其中柱塞泵上的第四可调向弯头通过管路与位于水下机器人筒体内、第一可调向弯头上方的三通管接头I的第一个接头连接，三通管接头I的第三个接头通过管路与内皮囊端盖上的第一可调向弯头连接，柱塞泵上的第五可调向弯头通过管路与单向阀一端的第六可调向弯头连接，单向阀另一端的第三可调向弯头通过管路与位于水下机器人筒体内、柱塞泵上方的三通管接头II的第一个接头连接，三通管接头II的第三个接头通过管路与外皮囊连接；三通管接头I的第二个接头通过管路与电磁阀上的第一直通管接头连接，电磁阀上的第二可调向弯头通过管路与三通管接头II的第二个接头连接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明由直流电机驱动柱塞泵工作，实现排油，通过开启电磁阀实现自动回油，进而调节水下机器人的浮力，结构简单，安全可靠。

2.本发明采用微型高压柱塞泵，能够提供很高的工作压力，满足了水下机器人深水作业的要求。

3.应用本发明的水下机器人载体内为负压，开关电磁阀就可让外皮囊内的液压油自动回到内皮囊，节省了能源。

4.本发明通过直线电位计可实时地读取内皮囊液压油的容量，可方便控制调节量。

5.本发明浮力调节能力大，通过调整内、外皮囊容积，即可灵活调整最大浮力调节量。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为图2的俯视图；

其中：1为第一可调向弯头，2为三通管接头I，3为内皮囊端盖，4为内皮囊套筒，5为直线电位计，6为排气阀，7为内皮囊，8为内皮囊活塞，9为固定板，10为第一直通管接头，11为直流电机，12为电磁阀固定板，13为电磁阀，14为联轴器，15为第二可调向弯头，16为柱塞泵，17为单向阀，18为第三可调向弯头，19为三通管接头II，20为艉部拉杆，21为第四可调向弯头，22为第五可调向弯头，23为第二直通管接头，24为艉部端盖，25为外皮囊固定件，26为外皮囊，27为第一油口，28为排气口，29为第二油口，30为第六可调向弯头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图2、图3所示，本发明包括内皮囊端盖3、内皮囊套筒4、直线电位计5、内皮囊7、内皮囊活塞8、固定板9、直流电机11、电磁阀固定板12、电磁阀13、联轴器14、柱塞泵16、单向阀17、艉部拉杆20、艉部端盖24、外皮囊固定件25及外皮囊26，所述艉部端盖24(即为水下机器人的艉部端盖)与水下机器人筒体密封连接，外皮囊26上设有外皮囊固定件25，该外皮囊固定件25通过螺钉固接在艉部端盖24的外侧，外皮囊26的开口处沿径向向内延伸，外皮囊26直接套装在艉部端盖24上，外皮囊固定件25在外皮囊26开口处的外部，外皮囊开口处的延伸部镶嵌在艉部端盖24开设的O型密封圈槽内，然后通过外皮囊固定件25压紧外皮囊26，使得外皮囊26和艉部端盖24紧密接触，这样就能达到密封的效果。艉部端盖24上开有第二油口29，该第二油口29的一端与外皮囊26相通，另一端设有第二直通管接头23。所述内皮囊端盖3、内皮囊套筒4、直线电位计5、内皮囊7、内皮囊活塞8、固定板9、直流电机11、电磁阀固定板12、电磁阀13、联轴器14、柱塞泵16、单向阀17及艉部拉杆20均安装在水下机器人筒体内，水下机器人筒体内做抽真空处理。在艉部端盖24的内侧、水下机器人筒体内通过多根艉部拉杆20(本实施例为四根)连接有固定板9，内皮囊套筒4的一端通过螺钉固接在固定板9上，另一端通过螺钉与内皮囊端盖3固接；内皮囊套筒4为中空圆柱，两端均开口、并沿径向向外延伸，形成用于与内皮囊端盖3及固定板9通过螺钉连接的延伸部。内皮囊端盖3为圆盘形，其圆周表面设有O型圈槽，圆筒状的内皮囊7一端开口，该开口端沿径向向内延伸，该延伸部容置于所述O型圈槽内，内皮囊套筒4位于内皮囊7的外面，将内皮囊7压紧固定，从而起到密封作用。内皮囊活塞8的底部与内皮囊7的底部粘合在一起、与内皮囊7连动，内皮囊活塞8的顶部开口，该开口端向外延伸并抵接于内皮囊套筒4的内壁，内皮囊活塞8对内皮囊7的运动起着导向作用；在内皮囊活塞8上安装有直线电位计5，可以实时地读取内皮囊活塞8的位置，从而获取到内皮囊7内液压油量的信息。内皮囊端盖3上分别开有第一油口27及排气口28，第一油口27上安装有第一可调向弯头1，排气口28上设有排气阀6。固定板9上安装有直流电机11，直流电机11的输出轴通过联轴器14与柱塞泵16相连接，驱动柱塞泵16工作。柱塞泵16的一端通过管路与内皮囊5相连接，另一端通过管路与外皮囊26相连接，在与外皮囊26连接的管路上安装有单向阀17，在柱塞泵16连接内皮囊7的管路及单向阀17连接外皮囊26的管路之间并联连接有电磁阀13。电磁阀13通过电磁阀固定板12安装在固定板9上，电磁阀为常闭式二位二通电磁阀。

柱塞泵16上分别设有第四、五可调向弯头21、22，单向阀17的两端分别设有第三、六可调向弯头18、30，电磁阀13上分别设有第一直通管接头10及第二可调向弯头15，其中柱塞泵16上的第四可调向弯头21通过管路与位于水下机器人筒体内、第一可调向弯头1上方的三通管接头I2的第一个接头a连接，三通管接头I2的第三个接头c通过管路与内皮囊端盖3上的第一可调向弯头1连接，柱塞泵16上的第五可调向弯头22通过管路与单向阀17一端的第六可调向弯头30连接，单向阀17另一端的第三可调向弯头18通过管路与位于水下机器人筒体内、柱塞泵16上方的三通管接头II19的第一个接头d连接，三通管接头II19的第三个接头f通过管路与外皮囊26连接；三通管接头I 2的第二个接头b通过管路与电磁阀13上的第一直通管接头10连接，电磁阀13上的第二可调向弯头15通过管路与三通管接头II19的第二个接头e连接。

本发明的三通管接头I 2、三通管接头II19及单向阀17分别连接于液压管路中，各可调向弯头的接头方向可调节，便于与液压管路的连接。

本发明的直流电机为市购产品，购置于瑞士MAXON公司、型号为RE40；直线电位计为市购产品，购置于德国NOVOTECHNIC公司、型号为T75；柱塞泵为市购产品，购置于瑞典BIERI HYDRAULIK公司、型号为AKP103-0.1。

本发明的工作原理为：

如图1所示，为使浮力调节装置高效可靠地运行，水下机器人筒体内部不得有气体，因此，要对水下机器人筒体内部做抽真空处理，使得筒体内部的绝对压力为0.6～0.7bar。

若要增加水下机器人的浮力，启动直流电机11，直流电机11驱动柱塞泵16做旋转运动，内皮囊7里的液压油进入柱塞泵16，柱塞泵16排出的高压液压油经过单向阀17排入到外皮囊26内，外皮囊26的体积变大，从而增加了水下机器人的浮力。同时，内皮囊7由于其内部的液压油不断被吸出，内皮囊7将带动内皮囊活塞8向图1中的右侧做直线运动，直线电位计5实时反馈内皮囊活塞8的运动距离，当内皮囊活塞8运动到设定位置时，直流电机11停止工作。常闭式电磁阀13和单向阀17保证了外皮囊26内的液压油不会由于水压而回流到内皮囊7内。若要减小水下机器人的浮力，只需要打开电磁阀13，由于外皮囊26所受的压力比内皮囊7所受的压力大(水下机器人筒体内部的绝对压力为0.6～0.7bar)，因此，外皮囊26内的液压油就会通过电磁阀13回流到内皮囊7内。同理，当内皮囊活塞8运动到设定位置时，关闭电磁阀13。

浮力调节装置的工作原理及润滑油的流向具体为：

当水下机器人要减小整个载体的排水体积时，需要将外皮囊26的液压油吸入到内皮囊7内，如图2、图3中空心箭头的指向所示，开启电磁阀13，由于水下机器人筒体内已经做完抽真空处理，其内部的压力小于外界大气的压力，液压油将会从外皮囊26从第二油口29流向第二直通管接头23，然后通过液压管路流向三通管接头II19的第三个接头f，接着从第二个接头e通过液压管路流向电磁阀13，经过电磁阀13上的第二可调向弯头15流入，由第一直通管接头10流出、通过液压管路流向三通管接头I2的第二个接头b，经过第三个接头c通过液压管路流向第一可调向弯头1，最后经第一油口27流入内皮囊7内。内皮囊7内部的液压油量逐渐增加，推动内皮囊活塞8向右运动，直线电位计5实时地检测内皮囊活塞8的位置；当内皮囊活塞8达到设定位置时，关闭电磁阀13，此时外皮囊26体积缩小，水下机器人载体的浮力将保持一个较小值。

当水下机器人需要增加整个载体的排水体积时，需要将内皮囊7内的液压油排出到外皮囊26内，如图2、图3中实心箭头的指向所示，电磁阀13为不工作的常闭状态，启动直流电机11，驱动柱塞泵16工作，内皮囊7内的液压油经第一油口27被吸出到第一可调向弯头1，然后经过液压管路流向三通管接头I2的第三个接头c，接着由第一个接头a流出、通过液压管路流向柱塞泵16上的第四可调向弯头21，进入到柱塞泵16的吸油口，从柱塞泵16排出的高压液压洞经过第五可调向弯头22，通过液压管路流向单向阀17一端的第六可调向弯头30、进入单向阀17中，接着通过单向阀17经其另一端的第三可调向弯头18流出，然后通过液压管路流入到三通管接头II19的第一个接头d，再由第三个接头f流出，最后通过第二直通管接头23注入到外皮囊26，从而外皮囊26的体积增加，水下机器人的浮力也随着增加。同理，当直线电位计5检测到内皮囊活塞8达到设定位置时，直流电机11停止工作。此时水下机器人载体的浮力将保持一个较大值。

液压油可通过排气口28注入内皮囊7内，随着注油而进入内皮囊7的气体可通过排气阀6排出，具体操作为：将内皮囊7内的液压油按上述操作排入到外皮囊26内，再将外皮囊26倒置，气泡汇集到外皮囊的顶部，打开排气阀6及电磁阀13，挤压外皮囊26，气体便通过管路由排气阀2排出。

本发明通过启动直流电机驱动柱塞泵工作，把液压油从安装在水下机器人筒体内部的内皮囊打到安装在水下机器人外部的外皮囊；通过开启电磁阀，在内外压差的作用下，液压油从外皮囊自动流回到内皮囊；通过改变外皮囊的液压油容积来改变外皮囊的膨胀程度，进而改变水下机器人整体的排水体积，从而达到调整水下机器人浮力状态的目的。本发明可通过改变内、外皮囊的容积来调整最大浮力调节量。

本发明适用于需要实时改变浮力状态，要求能耗低，结构要求简单的微型或小型水下机器人，例如水下滑翔机。

Claims (10)

1.一种水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：包括内皮囊(7)、直流电机(11)、电磁阀(13)、柱塞泵(16)、艉部端盖(24)及外皮囊(26)，所述艉部端盖(24)与水下机器人筒体密封连接，外皮囊(26)安装在艉部端盖(24)的外侧；所述内皮囊(7)、直流电机(11)、电磁阀(13)及柱塞泵(16)分别安装在抽真空处理的水下机器人筒体内，由直接电机(11)驱动的柱塞泵(16)的一端通过管路与内皮囊(5)相连接，另一端通过管路与外皮囊(26)相连接，在该管路上安装有单向阀(17)，在柱塞泵(16)连接内皮囊(7)的管路及单向阀(17)连接外皮囊(26)的管路之间并联连接有电磁阀(13)。

2.按权利要求1所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：在艉部端盖(24)的内侧、水下机器人筒体内通过多根艉部拉杆(20)连接有固定板(9)，内皮囊端盖(3)通过内皮囊套筒(4)与固定板(9)相连，所述内皮囊(7)的开口端安装在内皮囊端盖(3)上、通过内皮囊套筒(4)压紧固定，内皮囊(7)的另一端设有对其运动导向的内皮囊活塞(8)。

3.按权利要求2所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述内皮囊端盖(3)的表面周向设有O型圈槽，内皮囊(7)的开口端沿径向向内延伸，该延伸部容置于所述O型圈槽内，内皮囊套筒(4)位于内皮囊(7)的外面、压紧内皮囊(7)，内皮囊套筒(4)的两端分别与内皮囊端盖(3)及固定板(9)相连接；所述内皮囊活塞(8)固接于内皮囊(7)的底部、与内皮囊(7)连动，内皮囊活塞(8)的开口向外延伸并抵接于内皮囊套筒(4)的内壁。

4.按权利要求2所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述内皮囊端盖(3)上分别开有第一油口(27)及排气口(28)，第一油口(27)上安装有第一可调向弯头(1)，排气口(28)上设有排气阀(6)。

5.按权利要求2所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述固定板(9)上安装有直流电机(11)，直流电机(11)的输出轴通过联轴器(14)与柱塞泵(16)相连接。

6.按权利要求2所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述内皮囊活塞(8)上设有直线电位计(5)。

7.按权利要求1或2所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述电磁阀(13)通过电磁阀固定板(12)安装在固定板(9)上。

8.按权利要求1所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述外皮囊(26)通过外皮囊固定件(25)固接于艉部端盖(24)上，艉部端盖(24)上开有第二油口(29)，该第二油口(29)的一端与外皮囊(26)相通，另一端设有第二直通管接头(23)。

9.按权利要求1所述的水下机器人用双向排油式浮力调节装置，其特征在于：所述外皮囊(26)的开口处沿径向向内延伸，延伸部镶嵌在艉部端盖(24)上开设的O型密封圈槽内，外皮囊固定件(25)在外皮囊(26)开口处的外部将外皮囊(26)压紧于艉部端盖(24)。

10.按权利要求1所述的水下机器人用自回油式浮力调节装置，其特征在于：所述柱塞泵(16)上分别设有第四、五可调向弯头(21、22)，单向阀(17)的两端分别设有第三、六可调向弯头(18、30)，电磁阀(13)上分别设有第一直通管接头(10)及第二可调向弯头(15)，其中柱塞泵(16)上的第四可调向弯头(21)通过管路与位于水下机器人筒体内、第一可调向弯头(1)上方的三通管接头I(2)的第一个接头(a)连接，三通管接头I(2)的第三个接头(c)通过管路与内皮囊端盖(3)上的第一可调向弯头(1)连接，柱塞泵(16)上的第五可调向弯头(22)通过管路与单向阀(17)一端的第六可调向弯头(30)连接，单向阀(17)另一端的第三可调向弯头(18)通过管路与位于水下机器人筒体内、柱塞泵(16)上方的三通管接头II(19)的第一个接头(d)连接，三通管接头II(19)的第三个接头(f)通过管路与外皮囊(26)连接；三通管接头I(2)的第二个接头(b)通过管路与电磁阀(13)上的第一直通管接头(10)连接，电磁阀(13)上的第二可调向弯头(15)通过管路与三通管接头II(19)的第二个接头(e)连接。

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