CN107089300B - 一种水下可控电动螺旋吸附装置 - Google Patents

Abstract

一种水下可控电动螺旋吸附装置，包括金属缸体，金属缸体由上缸体、下缸体组成，金属缸体的上下两端分别设置有上活塞、下活塞，上缸体、下缸体之间设置有中置固定板，下缸体的底端设置有高模量承压橡胶，高模量承压橡胶外侧设置有柔性多唇边密封环，步进电机固定于中置固定板下表面的中部，步进电机下方对应的下活塞中央部位设置有滑块，步进电机的输出端连接的滚珠自锁丝杠的末端适配定位在滑块的中央螺纹孔中。

Description

一种水下可控电动螺旋吸附装置

技术领域

本发明涉及水下负压吸附领域，特别涉及针对遥控潜水器水下作业时稳固生根定位问题而研发的一种水下可控电动螺旋吸附装置。

背景技术

目前遥控潜水器等小型水下作业平台水下定位生根的方法主要有：定位机械臂夹持，动力定位，电磁吸附，涡轮负压吸附，液压抽真空吸附等。但上述几种定位生根方法都有一定的缺点或者使用环境限制，在液压动力源需求、吸附力大小和稳定性、吸附生根表面材质和平整度等各方面都有特殊的要求。

定位机械手夹持定位生根方法是在水下作业平台上单独设置一个定位机械臂，当接近作业目标时，通过夹持目标附近的固定物体实现作业平台的定位。目前沈阳自动化所研制并配发防救部队使用的YQ2A型1000m作业遥控潜水器就是釆用此种定位方法，其五功能开关机械手为定位机械手。采用机械手夹持生根的方法优点在于操作简单。缺点：无法使用两个机械手配合实现精细作业，需另外设置机械手，增加了费用；单点生根存在应力集中，需要寻找强力的夹持点防止生根失败；同时单点在流的作用下容易出现晃动影响作业。

近年来，有许多学者对遥控潜水器的水下动力定位进行了研究。上海交通大学范士波在其博士论文《深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究》中指出，遥控潜水器的动力定位由于系统本身的高度非线性和耦合性，同时外部海流、海浪的干扰，使得实现水下的动力定位极为复杂。水下动力定位是指在波浪、海流等环境中，利用自身的传感器系统、控制系统和推进器系统使得潜水器保持一定的姿态悬停在海洋空间的某一位置或者沿着预定的轨迹运动。水下动力定位生根的主要优点是:自动化程度高；缺点：不能实现真正意义上与目标相对位置的固定，只是在设定位置附近扰动；同时定位的精度受到传感器精度、物理环境参数设定和推进器响应速度的影响。

华中科技大学江航等研究者在[船用吸附蠕动攀爬式机器人的设计与实现]文章中对使用电磁铁吸附于船体表面的遥控潜水器进行了研究，指出电磁吸附是采用电磁铁的形式实现水下作业平台的与铁磁性固定生根表面的吸附与脱离，主要优点是：吸附力大脱离可控,控制方法简单易于实现。但同时也存在明显的缺点:维持吸附力需要持续耗能,电磁铁本身重量很重，同时生根固定表面必须为铁磁性物体。随着防腐蚀、无磁性及其它功能的需求，海洋结构物将会使用大量非金属、无磁性或者是金属表面包覆非金属材料，这使电磁吸附使用的机会越来越小。

彭晋民等研究者在[负压爬壁机器人吸附系统研究]中对应用于陆上的爬壁机器人进行了研究，其负压产生的驱动部件为离心风机，当应用于水下时，风机演变为排水涡轮，两者工作原理相同，如SeaBotix公司的Vortex Generator轮式遥控潜水器水下吸附时的驱动部件采用的就是排水涡轮。涡轮负压吸附的优点在于控制简单，由于持续工作排水允许泄漏，对吸附面形状和材料适应性强，易于实现。缺点：吸附力受到涡轮排水能力的限制，生根力较小且不稳定；生根定位时需要持续转动排水提供吸附力，增加了整体的电力负荷；噪音大，体积大，吸附效率低，难以实现针对非平面吸附面的有效吸附。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种水下可控电动螺旋吸附装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种水下可控电动螺旋吸附装置包括金属缸体，金属缸体由上缸体8、下缸体10组成，金属缸体的上下两端分别设置有上活塞1、下活塞7，上缸体8、下缸体10之间设置有中置固定板9，下缸体10的底端设置有高模量承压橡胶11，高模量承压橡胶11外侧设置有柔性多唇边密封环12，步进电机4固定于中置固定板9下表面的中部，步进电机4下方对应的下活塞7中央部位设置有滑块6，步进电机4的输出端连接的滚珠自锁丝杠5的末端适配定位在滑块6的中央螺纹孔中。

进一步地，在上活塞1、下活塞7之间设置有多根防失稳导杆2，优选地，所述防失稳导杆2为两根。

进一步地，所述防失稳导杆2穿过中置固定板9上开设的导杆孔3，防失稳导杆2与导杆孔3之间存在间隙。

进一步地，在金属缸体中上活塞1、下活塞7与中置固定板9之间的空腔中充油。

进一步地，步进电机4为驱动机构，通电后电机旋转带动滚珠自锁丝杠5平移，滚珠自锁丝杠5与滑块6的中央螺纹孔为传力机构，所述传力机构使步进电机的角位移转化为滚珠自锁丝杠5的直线位移，滚珠自锁丝杠5拉动下活塞7直线运动使密闭空腔容积变化，滚珠自锁丝杠5与步进电机4的输出轴通过机械方式固连在一起，接收步进电机4的角位移跟随电机同步旋转，带动滑块6沿轴向运动，通过电机的正转和反转，带动下活塞7上下运动。

进一步地，当下活塞7在丝杠5带动向上移动时，下活塞7下部密封腔室容积增大产生负压，上活塞1所受的外部压力可通过内部所充油液传递至下活塞7，最终通过丝杠5和与电机4固连的中置固定板9传递到缸体上，使整个装置紧紧压在吸附面上，从而实现可靠吸附生根。

进一步地，吸附机构需要脱开时，带动丝杠5的电机反向旋转相应的距离，使内外压平衡，即可实现整个结构的脱离。

进一步地，所述柔性多唇边密封环12的截面呈锯齿形，单个密封线截面呈等腰直角三角形，前一条密封线的直角边与后一条密封线的斜边夹角为45度。

进一步地，还包括控制器，所述控制器与步进电机4连接。

本发明的水下可控电动螺旋吸附装置采用步进电机驱动带有稳定装置的对置活塞，活塞与缸体组成的密封腔室充油以实现水下可靠工作。装置吸附端面处采用两层橡胶，底层柔性橡胶采用多唇边形状实现可靠密封，上层采用承力橡胶，在吸附过程中根据步进电机通过丝杠传动带动活塞的位移和承力橡胶的本构关系，可计算出吸附力的大小，从而实现可控可靠的水下密封。该装置可实现遥控潜水器等水下作业平台稳定、可控、可靠的水下定位生根，结构简单，设计巧妙，实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的水下可控电动螺旋吸附装置的结构示意图；

图2为本发明的水下可控电动螺旋吸附装置的功能流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的水下可控电动螺旋吸附装置包括金属缸体，金属缸体由上缸体8、下缸体10组成，金属缸体的上下两端分别设置有上活塞1、下活塞7，上缸体8、下缸体10之间设置有中置固定板9，下缸体10的底端设置有高模量承压橡胶11，高模量承压橡胶11外侧设置有柔性多唇边密封环12，步进电机4固定于中置固定板9下表面的中部，步进电机4下方对应的下活塞7中央部位设置有滑块6，步进电机4的输出端连接的滚珠自锁丝杠5的末端适配定位在滑块6的中央螺纹孔中。进一步地，在上活塞1、下活塞7之间设置有多根防失稳导杆2，优选地，防失稳导杆2为两根，如图1所示，所述防失稳导杆2穿过中置固定板9上开设的导杆孔3，进一步地，防失稳导杆2与导杆孔3之间存在间隙。进一步地，在金属缸体中上活塞1、下活塞7与中置固定板9之间的空腔中充油。

进一步地，步进电机4为驱动机构，通电后电机旋转带动滚珠自锁丝杠5平移，滚珠自锁丝杠5与滑块6的中央螺纹孔为传力机构，所述传力机构使步进电机的角位移转化为滚珠自锁丝杠5的直线位移，滚珠自锁丝杠5拉动下活塞7直线运动使密闭空腔容积变化。滚珠自锁丝杠5与步进电机4的输出轴通过机械方式固连在一起，接收步进电机4的角位移跟随电机同步旋转，带动滑块6沿轴向运动，通过电机的正转和反转，带动下活塞7上下运动。

上活塞1、下活塞7和金属缸体8组成上部密封腔，下活塞7与高模量承压橡胶11、柔性多唇边密封环12以及被吸附面组成下密封腔，上活塞1、下活塞7和金属缸体均釆用金属材料，金属缸体作为防止弹性体边缘脱离吸附面强力刚性支撑体。当下活塞7在丝杠5带动向上移动时，下活塞7下部密封腔室容积增大产生负压，上活塞1所受的外部压力可通过内部所充油液传递至下活塞7，最终通过丝杠5和与电机4固连的中置固定板9传递到缸体上，使整个装置紧紧压在吸附面上，从而实现可靠吸附生根。

本发明中橡胶作为弹性材料，受压后发生变形压紧端面柔性密封圈，橡胶的压缩变形一方面保证了良好的端面密封，另一方面使橡胶圈压缩变形的力即整个结构的吸附力。

柔性多唇边密封环12主要功能是密封作用，与吸附面压紧保证整个密封腔的边缘密封。

本发明的水下可控电动螺旋吸附装置功能实现流程如附图2所示，不考虑液体负压膨胀的情况，当丝杠5带动下活塞7的位移小于某一临界值(临界值与承力橡胶的尺寸参数相关，可精确计算)，下活塞7的位移量即橡胶圈的变形量。可以通过步进电机4—丝杠5控制下活塞7运动距离从而控制橡胶变形量，通过橡胶本构关系，计算吸附力。当位移大于临界值时，吸附力为一定值，与吸附结构界面尺寸、饱和蒸汽压力和外界压力相关。

为提高吸附的可靠性，所述柔性多唇边密封环12的截面呈锯齿形，如附图1所示，单个密封线截面呈等腰直角三角形，前一条密封线的直角边与后一条密封线的斜边夹角为45度。其提高密封可靠性的基本原理为：一是每条密封线形成单独的密封，其中一条密封线出现泄漏不影响其他密封线的密封效果。二是当整个密封圈承压时，由于结构形状的设计，每条密封线均朝向外侧倾斜，一方面保证了相邻密封线互不影响，不存在压缩后倾倒方向不一致导致影响相邻密封线密封的问题，另一方面在外侧压力大于内侧压力的情况下,能够让每条密封线斜边紧紧贴于被吸附面，增大吸附面积，提高吸附密封可靠性；三是本文选择密封圈材质采用低模量、柔性好的天然橡胶，纵使被吸附面存在凹凸不平的缺陷，也能够实现紧密的贴合，保证良好可靠的密封。

实施例1

吸附装置与被吸附面接触后，附图1中柔性多唇边密封环12能够与被吸附面紧紧贴合，与下活塞7及周向缸体形成密闭区域。然后通过PLC等控制设备对步进电机输入控制信号，步进电机通过与之连接的丝杠5带动活塞7向上运动。

由于水等液体膨胀系数极低，而且橡胶模量较低，此时在外界压力的作用下，密封下活塞7与被密封面之间的腔室容积不发生变化，则下活塞7向上的位移量与橡胶的压缩变形量相等。从而根据橡胶的本构关系，由橡胶模量和压缩应变可计算橡胶承受的压缩力，此压缩力与整个装置的吸附力等价。

本发明的水下可控电动螺旋吸附装置，吸附机构需要脱开时，带动丝杠5的电机反向旋转相应的距离，使内外压平衡，即可实现整个结构的脱离。

本发明的水下可控电动螺旋吸附装置，釆用了内部充油的双缸体双活塞对置布置结构设计，在实现压力传递的同时保证了电机的水下正常工作和结构的耐压。采用步进电机—丝杠驱动活塞运动使橡胶垫压缩变形计算吸附力的方法实现了可控和可靠的水下生根固定，装置设计巧妙，实用性强。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。

Claims (9)

1.一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：包括金属缸体，金属缸体由上缸体、下缸体组成，金属缸体的上下两端分别设置有上活塞、下活塞，上缸体、下缸体之间设置有中置固定板，下缸体的底端设置有高模量承压橡胶，高模量承压橡胶外侧设置有柔性多唇边密封环，步进电机固定于中置固定板下表面的中部，步进电机下方对应的下活塞中央部位设置有滑块，步进电机的输出端连接的滚珠自锁丝杠的末端适配定位在滑块的中央螺纹孔中；步进电机为驱动机构，通电后电机旋转带动滚珠自锁丝杠平移，滚珠自锁丝杠与滑块的中央螺纹孔为传力机构，所述传力机构使步进电机的角位移转化为滚珠自锁丝杠的直线位移，滚珠自锁丝杠拉动下活塞直线运动使密闭空腔容积变化，滚珠自锁丝杠与步进电机的输出轴通过机械方式固连在一起，接收步进电机的角位移跟随电机同步旋转，带动滑块沿轴向运动，通过电机的正转和反转，带动下活塞上下运动。

2.根据权利要求1所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：在上活塞、下活塞之间设置有多根防失稳导杆。

3.根据权利要求2所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：所述防失稳导杆为两根。

4.根据权利要求3所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：所述防失稳导杆穿过中置固定板上开设的导杆孔，防失稳导杆与导杆孔之间存在间隙。

5.根据权利要求1所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：在金属缸体中上活塞、下活塞与中置固定板之间的空腔中充油。

6.根据权利要求1所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：当下活塞在丝杠带动向上移动时，下活塞下部密封腔室容积增大产生负压，上活塞所受的外部压力可通过内部所充油液传递至下活塞，最终通过丝杠和与电机固连的中置固定板传递到缸体上，使整个装置紧紧压在吸附面上，从而实现可靠吸附生根。

7.根据权利要求1或6所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：吸附机构需要脱开时，带动丝杠的电机反向旋转相应的距离，使内外压平衡，即可实现整个机构的脱离。

8.根据权利要求1所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：所述柔性多唇边密封环的截面呈锯齿形，单个密封线截面呈等腰直角三角形，前一条密封线的直角边与后一条密封线的斜边夹角为45度。

9.根据权利要求1所述的一种水下可控电动螺旋吸附装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与步进电机连接。