CN104670441A - 一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋机器人的动力与推进技术领域，具体地说是一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆。包括基座、一级变幅机构、一级臂架单元、二级变幅机构及二级臂架单元，其中基座连接于海洋机器人上，一级臂架单元的两端分别与二级臂架单元的一端和基座转动连接，二级臂架单元的另一端为自由端，一级臂架单元和二级臂架单元分别与一级变幅机构和二级变幅机构连接、并通过一级变幅机构和二级变幅机构的驱动折叠或展开，一级臂架单元和二级臂架单元上均设有进气通道和排气通道，为海洋机器人提供新鲜空气和排出废气。本发明在内燃机工作时，为其建立进排气通道；在不需要内燃机工作时，解除进排气通道，将其收回到海洋机器人导流罩内部，降低航行阻力。

Description

一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆

技术领域

本发明属于海洋机器人的动力与推进技术领域，具体地说是一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆。

背景技术

海洋机器人，特别是大型海洋机器人，为了实现长期连续航行，必须采用多种动力与推进方式相互组合，在当前的技术发展水平下，以内燃机为主要原动力，可以有效提高海洋机器人的航速和续航能力。采用内燃机作为动力，必须要持续地为其燃烧过程提供必要的空气供给。与传统的水面船舶相比，海洋机器人的甲板空间非常小，几乎可以忽略，而且海洋机器人一般采用全封闭式耐压壳体结构，内燃机被完全封闭在耐压壳体内部，无法与水面以上的外界大气环境建立开放式的通气途径。

目前，半潜式船舶，包括潜水器、潜水艇在使用内燃机时，主要采用通气管的方式，将外界空气与内燃机机舱建立管路联系，海洋机器人为无人系统，一方面不像潜水艇等有人平台那样，可借助人的照料或操控，实现通气管道的升降架设和状态监控。当海洋机器人从半潜航行方式转为水面或水下航行时，具有一定高度的通气管会成为水下航行的累赘，带来较大的航行阻力，极大地影响水下的航行操纵性能。现有的潜水艇用进、排气通道不适用于海洋机器人的使用要求，因此如何设计有效的进排气装置成为制约大型海洋机器人发展的主要问题之一。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，包括基座、一级变幅机构、一级臂架单元、二级变幅机构及二级臂架单元，其中基座连接于海洋机器人上，所述一级臂架单元的两端分别与二级臂架单元的一端和基座转动连接，所述二级臂架单元的另一端为自由端，所述一级臂架单元和二级臂架单元分别与一级变幅机构和二级变幅机构连接、并通过一级变幅机构和二级变幅机构的驱动折叠或展开，所述一级臂架单元和二级臂架单元上均设有进气通道和排气通道，所述进气通道和排气通道分别为海洋机器人提供新鲜空气和排出废气。

所述一级臂架单元和二级臂架单元均为门架式结构，所述门架式结构两侧框架分别内置有进气通道和排气通道，所述一级臂架单元的两侧与二级臂架单元的两侧分别通过转动关节连接、并将上下相对应的通道连通，所述一级臂架单元的下端两侧分别通过转动关节与基座连接。所述一级臂架单元和二级臂架单元两侧框架的横截面外形均为机翼形状。

所述一级臂架单元的两侧分别连接有一级变幅机构，所述二级臂架单元的两侧分别连接有二级变幅机构。所述一级变幅机构包括一级臂架连杆I、一级变幅机构液压油缸及一级臂架连杆II，其中一级臂架连杆I的一端铰接于海洋机器人上，另一端与一级臂架连杆II的一端铰接，所述一级臂架连杆II的另一端与一级臂架单元铰接，所述一级变幅机构液压油缸的缸体铰接于海洋机器人上、并输出端与一级臂架连杆II铰接，通过一级变幅机构液压油缸的伸缩带动一级臂架单元的展开或折叠。所述一级臂架单元通过一级变幅机构的驱动在0-95度的角度范围内变幅动作。

所述二级变幅机构包括二级臂架连杆I、二级臂架连杆II及二级变幅机构液压油缸，其中二级变幅机构液压油缸的缸体铰接于一级臂架单元上、并输出端与二级臂架连杆II铰接，所述二级臂架连杆II的两端分别与二级臂架连杆I的一端和一级臂架单元铰接，所述二级臂架连杆I的另一端与二级臂架单元铰接。所述二级臂架单元通过二级变幅机构的驱动在0-180度的角度范围内变幅动作。

所述转动关节为中空结构，包括转动关节内套、转动关节外套、转动关节透盖及转动关节轴承，其中转动关节内套与二级臂架单元连接，所述转动关节外套与一级臂架单元连接，所述转动关节内套和转动关节外套之间通过转动关节轴承定位连接，所述转动关节轴承的端部设有与转动关节外套连接的转动关节透盖。

所述桅杆内置于海洋机器人的背部导流罩内，所述二级臂架单元的自由端设有天线翻转机构。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明桅杆整体采用两级折叠方式，在展开状态，桅杆总高度约为6米，在不大于4级海况情况下，可以保证桅杆伸出水面(波峰以上)约1-2米的高度，同时海洋机器人可以潜在海面以下(波谷以下)约3-4米的深度，降低了半潜航行时海面波浪对海洋机器人的干扰和冲击。

2.本发明桅杆折叠后，可以内藏于航行体背部的导流罩内部，且折叠后体积小，可以有效节省海洋机器人的内部空间，同时降低了海洋机器人以纯电动力方式航行时的阻力，而且还不影响其操纵性，提高了海洋机器人的适航能力。

3.本发明桅杆的通气管道内置于臂架单元，臂架单元的外截面线型选用了NACA系列的机翼形状，可以有效降低桅杆在航行方向的迎流阻力，进而降低了流体阻力作用在桅杆整体臂架结构上的载荷，同时也降低了海洋机器人在半潜状态下航行时的推进功耗。

4.本发明桅杆采用门架式左右对称结构，与单杆式结构的通气桅杆相比，提高了横向结构刚度，有利于耐受水面波浪冲击。

5.本发明桅杆的一级变幅机构展开动作到位后，两条连杆处于一条直线上，具备机械自锁的特性，而且桅杆展开后略微后仰5度(与前向呈现95度夹角)，在航行过程中桅杆受到航行阻力载荷，在处于机械自锁点连线位置上的两条连杆之间产生拉力，可以保证机构自锁的稳定性，进而可加强桅杆在半潜航行时对外界载荷冲击的承受能力。

6.本发明进气和排气管路分别布置在左右两侧的臂架内部，将高温废气与低温新鲜空气隔离开，与单杆式结构的通气桅杆相比，进气和排气管路相距较远，避免进入机舱的新鲜空气被同时排出的废气加热。

7.本发明每一级的变幅机构都有一组(左右两个)相同的连杆及液压油缸，两个油缸共同分担系统的工作载荷。

附图说明

图1为本发明的展开状态示意图；

图2为本发明的折叠状态示意图；

图3为本发明与海洋机器人背部导流罩的位置关系示意图之一；

图4为本发明与海洋机器人背部导流罩的位置关系示意图之二；

图5为本发明的通气管道示意图；

图6为本发明折叠状态时通气管道的横截面；

图7为本发明中变幅机构的简图；

图8为本发明中一级变幅机构的结构示意图；

图9为本发明中二级变幅机构的结构示意图；

图10为本发明中转动关节内部结构。

其中：1为基座，2为转动关节，3为一级变幅机构，4为一级臂架单元，5为二级变幅机构，6为二级臂架单元，7为天线翻转机构，8为背部导流罩，9为一级臂架连杆1，10为一级变幅机构液压油缸，11为一级臂架连杆2，12为二级臂架连杆1，13为二级臂架连杆2，14为二级变幅机构液压油缸，15为转动关节内套，16为转动关节外套，17为转动关节透盖，18为转动关节轴承，19为进气口，20为进气通道，21为出气口，22为排气通道，23为海面，24为内燃机舱，25为进气通道截面，26为进气通道截面，M为空气，N为废气。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明包括基座1、一级变幅机构3、一级臂架单元4、二级变幅机构5及二级臂架单元6，其中基座1连接于海洋机器人的背部导流罩8内，基座1是桅杆整体与海洋机器人主航行体相互连接的接口部件，为通气桅杆的折叠动作提供支撑基座。所述一级臂架单元4和二级臂架单元6均为门架式结构，所述门架式结构两侧框架分别内置有进气通道20和排气通道22，所述一级臂架单元4的一端通过转动关节2与基座1转动连接，所述一级臂架单元4的另一端与二级臂架单元6的一端通过转动关节2连接、并将上下相对应的通道连通，所述二级臂架单元6的另一端为自由端，所述二级臂架单元6的自由端设有天线翻转机构7(现有技术)，可以实现天线的自动展开与折叠。所述一级臂架单元4的两侧分别连接有一级变幅机构3，所述二级臂架单元6的两侧分别连接有二级变幅机构5。

如图7、图8所示，所述一级变幅机构3包括一级臂架连杆I9、一级变幅机构液压油缸10及一级臂架连杆II11，其中一级臂架连杆I9的一端铰接于海洋机器人的背部导流罩8内，另一端与一级臂架连杆II11的一端铰接，所述一级臂架连杆II11的另一端与一级臂架单元4铰接，所述一级变幅机构液压油缸10的缸体铰接于海洋机器人的背部导流罩8内、并输出端与一级臂架连杆II11铰接，通过一级变幅机构液压油缸10的伸缩带动一级臂架单元4的展开或折叠。所述一级臂架单元4通过一级变幅机构3的驱动在0-95度的角度范围内变幅动作，可将一级臂架单元4和二级臂架单元6从内置折叠水平放置状态转为竖立状态。一级臂架单元4在95度展开状态时，一级臂架连杆I9与一级臂架连杆II11处于一条直线上，桅杆向前航行时产生的阻力，在两个连杆之间引起拉力，可以保持机械自锁状态，即使桅杆受到向前的瞬间冲击，在一级变幅机构液压油缸10的支撑和位置锁定下，一级变幅机构3仍能保持稳定姿态，保证桅杆的支撑稳定性。

如图7、图9所示，所述二级变幅机构5包括二级臂架连杆I12、二级臂架连杆II13及二级变幅机构液压油缸14，其中二级变幅机构液压油缸14的缸体铰接于一级臂架单元4上、并输出端与二级臂架连杆II13铰接，所述二级臂架连杆II13的两端分别与二级臂架连杆I12的一端和一级臂架单元4铰接，二级臂架连杆II13上的三个铰接点不在同一个直线上。所述二级臂架连杆I12的另一端与二级臂架单元6铰接。所述二级臂架单元6通过二级变幅机构5的驱动在0-180度的角度范围内变幅动作，可将二级臂架单元6绕一级臂架单元4转动180度，从折叠状态转为直线展开状态，延伸桅杆的整体高度，有效地将二级臂架单元6顶端的进排气口伸出水面以上。二级变幅机构5在180度展开状态时，二级变幅机构5通过二级变幅机构液压油缸14保持位置姿态。

如图5所示，表示了桅杆进气通道20和排气通道22的布置情况，桅杆臂架左侧的一级臂架单元4内部管道、转动关节2和二级臂架单元6内部管道共同组成了进气通道20，进气通道20与内燃机舱连通，新鲜空气从海面以上的大气环境被抽吸到进气通道20内，沿着进气通道20进入内燃机舱。桅杆臂架右侧的通气管道为排气通道22，排气通道22与内燃机的排气管道连通，将内燃机燃烧产生的高温废气排出到大气环境中。桅杆展开后，海洋机器人以半潜方式航行，海洋机器人的主体处于水面以下约3-5米，桅杆两级展开后的高度约为6米，海面处于一级臂架单元4与二级臂架单元6的交接处，二级臂架单元6基本上全部处于海面以上，保证进气通道路和排气通道22的对外出口处不发生海水倒灌现象。

如图6所示，桅杆折叠状态时，通气管道的横截面形状，在进气通道20一侧的管道尖角处布置了桅杆的电缆和液压油管，保证线缆处于管道内部，避免因相对转动造成电缆纠缠和损伤。进气通道20和排气通道22的外截面的形状经过流体动力学设计和优化，最终选用NACA系列机翼形状，保证桅杆在展开后随海洋机器人向前航行时，阻力控制在较低的水平。液压管路和电缆是桅杆的附属结构，主要用于一、二级变幅机构的油缸驱动和一、二级臂架单元自身位置检测数据的通讯。

如图10所示，所述转动关节2包括转动关节内套15、转动关节外套16、转动关节透盖17及转动关节轴承18，其中转动关节内套15与二级臂架单元6连接，所述转动关节外套16与一级臂架单元4连接，所述转动关节内套15和转动关节外套16之间通过转动关节轴承18定位连接，所述转动关节轴承18的端部设有与转动关节外套16连接的转动关节透盖17。转动关节外套16可以绕转动关节内套15实现360度整周转动。转动关节2的内部为中空结构，实现气体的流通。

如图3所示，本发明在半潜状态航行时，依次展开一级和二级结构，建立一定高度的通气管道，桅杆展开后与水平面呈现95度夹角，略微后仰。背部导流罩8重新关闭，海洋机器人在半潜航行继续保持封闭的流线外形，桅杆通过一级变幅机构3的一级臂架连杆I9和一级臂架连杆II11实现机械自锁支撑。进气通道20将在水面以上的大气环境与水面以下航行的海洋机器人密闭的内燃机舱之间建立空气通道，为半潜状态航行的海洋机器人提供新鲜空气，并通过排气通道22排出废气。

如图4所示，本发明在不使用时可以分两级折叠、并内置于海洋机器人的导流罩8内部，有效降低了水下航行阻力，提高了海洋机器人的水下适航性。

本发明的操作步骤如下：

桅杆展开动作流程：

1.海洋机器人需要开启内燃机工作前，首先作好桅杆展开动作的各项准备程序。依靠电动力航行至水面附近，检查液压动力站的状态，向背部导流罩8上的开门机构发出开门指令，打开背部导流罩8的左右舱门和中间舱门。

2.桅杆系统的上级控制器接收到展开动作指令后，控制一级变幅机构液压油缸10动作，通过连杆机构，带动一级臂架单元4绕与基座1连接的转动关节2转动，桅杆整体从水平放置状态，开始向竖立状态转换。待油缸行程检测传感器检测到动作到位信号后，反馈给控制器，控制器控制一级变幅机构液压油缸10停止动作，并实现液压锁紧阀的锁紧，保持一级臂架单元4的位置姿态，一级臂架单元4到位后与展开前的角度变化为95度。

3.一级臂架单元4到位后，二级变幅机构液压油缸14开始动作，通过连杆机构，带动二级臂架单元6绕一级臂架单元4和二级臂架单元6之间的转动关节2转动，转动角度从0度-180度。二级臂架单元6从与一级臂架单元4重叠的状态向伸展状态转换，待油缸行程检测传感器检测到动作到位信号后，反馈给控制器，控制器控制二级变幅机构液压油缸14停止动作，并实现液压锁紧阀的锁紧，保持二级臂架单元6的位置姿态，二级臂架单元6展开到位后，与一级臂架单元4之间的夹角为180度。

4.一级臂架单元4和二级臂架单元6均展开到位后，关闭背部导流罩8的左、右舱门及中间舱门，打开桅杆进、排气通道通向内燃机舱的管道截止阀，排除桅杆内部存蓄的海水，机舱与外界大气环境的通道建立，内燃机可以开始工作。桅杆在航行过程中受到水流阻力，产生的载荷作用在桅杆臂架及连杆上，一级臂架单元4的一级变幅机构3的连杆展开后形成机械自锁状态，可以保证桅杆在航行状态下的稳定性。

桅杆折叠动作流程：

1.海洋机器人的控制系统检查桅杆相关的各设备状态，状态检查就绪后，关闭内燃机，关闭桅杆通向内燃机舱内的管道截止阀。

2.打开海洋机器人放置桅杆的背部导流罩8，背部导流罩8打开到位后，液压控制器驱动桅杆二级变幅机构液压油缸14，二级变幅机构5由展开状态向折叠状态转换，二级臂架单元6相对一级臂架单元4转动180度后，锁紧液压锁，二级臂架单元6与一级臂架单元4保持相对稳定。

3.二级臂架单元6收回到位后，一级变幅机构液压油缸10驱动一级臂架单元4折叠动作，一级变幅机构3由机械自锁支撑状态向折叠状态转换，此时一级臂架单元4与二级臂架单元6同时向水平方向转动，待转动到水平状态后，位置检测传感器检测到位信号，停止一级变幅机构液压油缸10动作，关闭导流罩门。

4.桅杆折叠并内置于海洋机器人背部导流罩8内部后，海洋机器人可以在水面或潜入水下航行。

本发明主要用于不具备开放式通气条件的海洋机器人，特别是需要兼顾水面和水下两种状态航行能力的混合型海洋机器人。本发明即可以在内燃机工作时，为其建立进、排气通道，又可以在不需要内燃机工作时，解除进、排气通道，将其收回到海洋机器人导流罩内部，降低航行阻力。

Claims (10)

1.一种海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：包括基座(1)、一级变幅机构(3)、一级臂架单元(4)、二级变幅机构(5)及二级臂架单元(6)，其中基座(1)连接于海洋机器人上，所述一级臂架单元(4)的两端分别与二级臂架单元(6)的一端和基座(1)转动连接，所述二级臂架单元(6)的另一端为自由端，所述一级臂架单元(4)和二级臂架单元(6)分别与一级变幅机构(3)和二级变幅机构(5)连接、并通过一级变幅机构(3)和二级变幅机构(5)的驱动折叠或展开，所述一级臂架单元(4)和二级臂架单元(6)上均设有进气通道(20)和排气通道(22)，所述进气通道(20)和排气通道(22)分别为海洋机器人提供新鲜空气和排出废气。

2.按权利要求1所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述一级臂架单元(4)和二级臂架单元(6)均为门架式结构，所述门架式结构两侧框架分别内置有进气通道(20)和排气通道(22)，所述一级臂架单元(4)的两侧与二级臂架单元(6)的两侧分别通过转动关节(2)连接、并将上下相对应的通道连通，所述一级臂架单元(4)的下端两侧分别通过转动关节(2)与基座(1)连接。

3.按权利要求2所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述一级臂架单元(4)和二级臂架单元(6)两侧框架的横截面外形均为机翼形状。

4.按权利要求2所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述一级臂架单元(4)的两侧分别连接有一级变幅机构(3)，所述二级臂架单元(6)的两侧分别连接有二级变幅机构(5)。

5.按权利要求1或4所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述一级变幅机构(3)包括一级臂架连杆I(9)、一级变幅机构液压油缸(10)及一级臂架连杆II(11)，其中一级臂架连杆I(9)的一端铰接于海洋机器人上，另一端与一级臂架连杆II(11)的一端铰接，所述一级臂架连杆II(11)的另一端与一级臂架单元(4)铰接，所述一级变幅机构液压油缸(10)的缸体铰接于海洋机器人上、并输出端与一级臂架连杆II(11)铰接，通过一级变幅机构液压油缸(10)的伸缩带动一级臂架单元(4)的展开或折叠。

6.按权利要求5所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述一级臂架单元(4)通过一级变幅机构(3)的驱动在0-95度的角度范围内变幅动作。

7.按权利要求1或4所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述二级变幅机构(5)包括二级臂架连杆I(12)、二级臂架连杆II(13)及二级变幅机构液压油缸(13)，其中二级变幅机构液压油缸(13)的缸体铰接于一级臂架单元(4)上、并输出端与二级臂架连杆II(13)铰接，所述二级臂架连杆II(13)的两端分别与二级臂架连杆I(12)的一端和一级臂架单元(4)铰接，所述二级臂架连杆I(12)的另一端与二级臂架单元(6)铰接。

8.按权利要求7所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述二级臂架单元(6)通过二级变幅机构(5)的驱动在0-180度的角度范围内变幅动作。

9.按权利要求2所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述转动关节(2)为中空结构，包括转动关节内套(15)、转动关节外套(16)、转动关节透盖(17)及转动关节轴承(18)，其中转动关节内套(15)与二级臂架单元(6)连接，所述转动关节外套(16)与一级臂架单元(4)连接，所述转动关节内套(15)和转动关节外套(16)之间通过转动关节轴承(18)定位连接，所述转动关节轴承(18)的端部设有与转动关节外套(16)连接的转动关节透盖(17)。

10.按权利要求1所述的海洋机器人用两级折叠式通气桅杆，其特征在于：所述桅杆内置于海洋机器人的背部导流罩(8)内，所述二级臂架单元(6)的自由端设有天线翻转机构(7)。