CN107902058A - 一种微小型水下机器人浮力调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微小型水下机器人的浮力调节系统，属于水下机器人领域，包括浮力调节部分和浮力调平部分，所述浮力调节部分电机轴与小齿轮相连，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与丝杠相连，丝杠与活塞固连，丝杠螺母连接大限位片和直小电位计，活塞缸底盖用测压管连接过滤器；配平部分丝杠电机的丝杆螺母与小限位片、大电位计和配平铅块相连。本发明的有益效果为：采用这种机械式调节方式可通过齿轮连接丝杆直接带动活塞移动，结构紧凑简单，通过小电位计可对吸水量和排水量进行准确的计量，以达到对浮力调节的精准控制。调平部分通过调平铅块的移动来平衡由吸排水引起的姿态的变化，从而使整体水下机器人姿态不受影响。

Description

一种微小型水下机器人浮力调节系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及微小型水下机器人的浮力调节领域。

背景技术

无人无缆自治水下航行器(AUV)是一种可以依靠自身携带能源作自主航行的水下机器人，是水下机器人发展的主要方向。而水下浮力调节又是AUV发展的一个重点和难点，目前，大部分AUV都没有对水域环境变化进行主动调节的功能，浮力改变以及浮力改变引起的姿态变化是依靠操纵尾舵或螺旋桨推动来克服，这样一方面使得航行器产生了额外的水阻力或螺旋桨功耗从而增加了能耗，另一方减小了AUV控制面的有效控制范围，在一些情况下甚至会导致AUV的不可控。通过对水下机器人浮力调节系统的研究可以很好地避免AUV依靠操纵尾舵或螺旋桨推动而产生额外的水阻力或螺旋桨功耗等问题，并且AUV在海洋资源探索，海洋信息数据采集，军事探索，海洋救援等方面具有极为广泛的应用前景。目前浮力调节方式：1、油囊式浮力调节2、液压系统与柱塞泵式3、温差能式，以上几种调节方式较为复杂，且空间尺寸占用大，不适合微小型水下机器人。

发明内容

本发明提供了一种微小型水下机器人浮力调节系统，采用吸排水方式进行调节，电机通过齿轮、丝杠直接带动活塞进行移动，结构简单紧凑，另外通过直流电位计可对吸水量和排水量进行准确的计量，调平部分直接用丝杆电机带动调平铅块前后移动，并且通过直流电位计对调平量进行准确计量，从而达到在不改变 AUV整体姿态的情况下对浮力调节的精准控制。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种微小型水下机器人浮力调节系统，包括浮力调节部分和浮力调平部分，还包括壳体、电机、大齿轮、小齿轮、丝杠、丝杠螺母、推力轴承、活塞缸、活塞缸套、活塞、活塞套、活塞缸底盖、大限位片、小电位计、测压管、测压管接头、过滤器、调平铅块、丝杆电机、小丝杆螺母、小限位片、大电位计，所述的电机的输出轴末端弧面上设有与小齿轮连接的键，小齿轮中心设有轴孔，轴孔上设有键槽，电机通过键与小齿轮相连，小齿轮与大齿轮通过轮齿啮合，大齿轮中心设有椭圆形轴孔，与丝杠椭圆形的一端相连，丝杠螺母通过螺纹与丝杠相连，丝杠螺母通过螺栓依次穿过大限位片中心孔、卡槽中心孔和活塞的连接杆端头相连，活塞的连接杆为空心结构，丝杠套在活塞的连接杆的空心结构内，小电位计的滑片插在卡槽内与卡槽相连，活塞底盖、活塞缸和活塞缸套通过螺栓依次相连，活塞底盖的端面上设有螺纹通孔，测压管接头通过其端部的螺纹与活塞底盖相连，测压管接头为空心结构，活塞底盖通过测压管接头和测压管与过滤器相连，丝杆电机的输出轴设有与小丝杆螺母匹配的螺纹，丝杆电机通过其输出轴上的螺纹与小丝杆螺母相连，调平铅块和小限位片通过螺栓与小丝杆螺母依次相连，小限位片中心位置设有限位槽，限位槽的尺寸与大电位计滑片的尺寸相匹配，大电位计的滑片插在限位槽内。

作为本方案的优选实施例，所述的电机为42步进电机，电机减速比为1:50。

作为本方案的优选实施例，所述的丝杠的螺纹大径25mm，导程5mm。

作为本方案的优选实施例，所述的小电位计为75mm直滑电位计，电阻为 10k。

作为本方案的优选实施例，所述的活塞与活塞套通过螺栓固连，活塞套与活塞缸套的侧面上设有密封圈，密封圈为内径134mm，截面直径2.65mm的O型圈。

作为本方案的优选实施例，所述的测压管接头的螺纹为M8X1。

作为本方案的优选实施例，所述的过滤器由外到内依次是金属网、碳纤维、过滤纱、过滤棉。

作为本方案的优选实施例，所述的丝杆电机为步进电机，丝杆电机的输出轴螺纹大经4.76mm，导程2mm。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

采用吸排水方式进行调节，电机通过齿轮、丝杠直接带动活塞进行移动，结构简单紧凑，另外通过小电位计可对吸水量和排水量进行准确的计量，调平部分直接用丝杆电机带动调平铅块前后移动，并且通过大电位计对调平量进行准确计量，从而达到在不改变AUV整体姿态的情况下对浮力调节的精准控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的浮力调节结构示意图；

图2是本申请实施例的浮力调节结构辅助示意图；

图3是本申请实施例的调平结构示意图；

图4是本申请实施例的活塞结构示意图；

图1-图4中：1、壳体，2、电机，3、小齿轮，4、大齿轮，5、丝杠，6、推力轴承，7、丝杠螺母，8、活塞，9、活塞套，10、活塞缸，11、活塞缸套， 12、活塞缸底盖，13、大限位片，14、小电位计，15、测压管，16、测压管接头， 17、过滤器，18、调平铅块，19、丝杆电机，20、卡槽，21、密封圈，22、小丝杆螺母，23、小限位片，24、大电位计。

具体实施方式

本发明提供了一种微小型水下机器人浮力调节系统，采用吸排水方式进行调节，电机通过齿轮、丝杠直接带动活塞进行移动，结构简单紧凑，另外通过小电位计可对吸水量和排水量进行准确的计量，调平部分直接用丝杆电机带动调平铅块前后移动，并且通过大电位计对调平量进行准确计量，从而达到在不改变AUV 整体姿态的情况下对浮力调节的精准控制。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1-图4所示，一种微小型水下机器人浮力调节系统，包括浮力调节部分和浮力调平部分，还包括壳体1、电机2、小齿轮3、大齿轮4、丝杠5、推力轴承6、丝杠螺母7、活塞8、活塞套9、活塞缸10、活塞缸套11、活塞缸底盖 12、大限位片13、小电位计14、测压管15、测压管接头16、过滤器17、调平铅块18、丝杆电机19、卡槽20、密封圈21、小丝杆螺母22、小限位片23、大电位计24，浮力调节部分电机2的输出轴末端弧面上设有与小齿轮3连接的键，小齿轮3中心设有轴孔，轴孔上设有键槽，电机2通过键与小齿轮3相连，小齿轮3与大齿轮4通过轮齿啮合，大齿轮4中心设有椭圆形轴孔，与丝杠5椭圆形的一端相连，丝杠螺母7通过螺纹与丝杠5相连，丝杠螺母7通过螺栓依次穿过大限位片13中心孔、卡槽20中心孔和活塞8的连接杆端头相连，活塞8的连接杆为空心结构，丝杠5套在活塞8的连接杆的空心结构内，小电位计14的滑片插在卡槽20内与卡槽20相连，活塞底盖12、活塞缸10和活塞缸套11通过螺栓依次相连，活塞底盖12的端面上设有螺纹通孔，测压管接头16通过其端部的螺纹与活塞底盖12相连，测压管接头16为空心结构，活塞底盖12通过测压管接头16和测压管15与过滤器17相连，浮力调平部分丝杆电机19的输出轴设有与小丝杆螺母22匹配的螺纹，丝杆电机19通过其输出轴上的螺纹与小丝杆螺母 22相连，调平铅块18和小限位片23通过螺栓与小丝杆螺母22依次相连，小限位片23中心位置设有限位槽，限位槽的尺寸与大电位计24滑片的尺寸相匹配，大电位计24的滑片插在限位槽内。

其中，在实际应用中，所述的所述的电机2为42步进电机，电机2减速比为1:50，通过电机2的旋转带动小齿轮3的旋转。

其中，在实际应用中，所述的丝杠5的螺纹大径25mm，导程5mm，丝杠5 扭矩足够大。

其中，在实际应用中，所述的活塞8的杆为空心结构，直径不小于丝杠5 最大直径，从而使活塞8套在丝杠5上做轴向运动，结构整体尺寸缩短，更加紧凑。

其中，在实际应用中，所述的活塞8与活塞套9通过螺栓固连，活塞套9 与活塞缸套11的侧面上设有密封圈21，可以起到良好的密封作用。

其中，在实际应用中，所述的卡槽的尺寸与小电位计14滑片的尺寸相匹配，从而使丝杠螺母7与活塞8只能做直线运动，不能进行旋转。

其中，在实际应用中，所述的小电位计14滑片插在卡槽20内，通过小电位计14对活塞8移动量进行测量，从而精确控制吸排水的量，进而得知浮力的调节量。

其中，在实际应用中，所述的过滤器17由外到内依次是金属网、碳纤维、过滤纱、过滤棉，可以过滤水中杂质，防止杂质对调节精度产生影响。

其中，在实际应用中，所述的调平铅块18通过螺栓与丝杆电机19配带的小丝杆螺母22固连，调平铅块18与小丝杆螺母22之间装有小限位片23。

其中，在实际应用中，所述的小限位片23中心位置设有限位槽，限位槽的尺寸与大电位计24滑片的尺寸相匹配，大电位计24的滑片插在小限位片23中心的卡槽内，通过大电位计24对调平铅块18移动量进行测量，从而精确控制移动量，保持AUV整体姿态稳定

工作原理：使用时，通过控制电机2转速带动小齿轮3旋转，小齿轮3与大齿轮4啮合，大齿轮4与丝杠5相连，从而使丝杠5随电机2的转动而转动，丝杠5与活塞8固连，丝杠螺母7连接大限位片13和小电位计14，大限位片13 限制活塞8的旋转从而使活塞8做直线运动，进行吸排水，通过小电位计14输出的电信号可知吸排水的量，进而进行浮力调节，丝杆电机19带动小丝杆螺母 22运动，小丝杆螺母22与小限位片23和调平铅块18固连，大电位计24的滑片插在小限位片23中心的卡槽内，使调平铅块18作直线运动，通过大电位计 24对调平铅块18移动量进行测量，从而精确控制移动量，平衡由浮力调节对AUV 整体姿态产生的影响，保持AUV整体姿态稳定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种微小型水下机器人浮力调节系统，包括浮力调节部分和浮力调平部分，浮力调节部分包括壳体(1)、电机(2)、小齿轮(3)、大齿轮(4)、丝杠(5)、推力轴承(6)、丝杠螺母(7)、活塞(8)、活塞套(9)活塞缸(10)、活塞缸套(11)、活塞缸底盖(12)、大限位片(13)、小电位计(14)、测压管(15)、测压管接头(16)、过滤器(17)，浮力调平部分包括调平铅块(18)、丝杆电机(19)、小丝杆螺母(22)、小限位片(23)、大电位计(24)，其特征在于，所述的电机(2)的输出轴末端弧面上设有与小齿轮(3)连接的键，小齿轮(3)中心设有轴孔，轴孔上设有键槽，电机(2)通过键与小齿轮(3)相连，小齿轮(3)与大齿轮(4)通过轮齿啮合，大齿轮(4)中心设有椭圆形轴孔，与丝杠(5)椭圆形的一端相连，丝杠螺母(7)通过螺纹与丝杠(5)相连，丝杠螺母(7)通过螺栓依次穿过大限位片(13)的中心孔和卡槽(20)的中心孔与活塞(8)的连接杆端头相连，活塞(8)的连接杆为空心结构，丝杠(5)套在活塞(8)的连接杆的空心结构内，小电位计(14)的滑片插在卡槽(20)内与卡槽(20)相连，活塞底盖(12)、活塞缸(10)和活塞缸套(11)通过螺栓依次相连，活塞底盖(12)的端面上设有螺纹通孔，测压管接头(16)通过其端部的螺纹与活塞底盖(12)相连，测压管接头(16)为空心结构，活塞底盖(12)通过测压管接头(16)和测压管(15)与过滤器(17)相连，丝杆电机(19)的输出轴设有与小丝杆螺母(22)匹配的螺纹，丝杆电机(19)通过其输出轴上的螺纹与小丝杆螺母(22)相连，调平铅块(18)和小限位片(23)通过螺栓与小丝杆螺母(22)依次相连，小限位片(23)中心位置设有限位槽，限位槽的尺寸与大电位计(24)滑片的尺寸相匹配，大电位计(24)的滑片插在限位槽内。

2.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的电机(2)为42步进电机，电机减速比为1:50。

3.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的丝杠(5)的螺纹大径25mm，导程5mm。

4.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的小电位计(14)为75mm直滑电位计，电阻为10k。

5.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的活塞(8)与活塞套(9)通过螺栓固连，活塞套(9)与活塞缸套(11)的侧面上设有密封圈(21)，密封圈为内径134mm，截面直径2.65mm的O型圈。

6.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的测压管接头(16)的螺纹为M8X1。

7.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的过滤器(17)由外到内依次是金属网、碳纤维、过滤纱、过滤棉。

8.根据权利要求1所述的一种微小型水下机器人浮力调节系统，其特征在于，所述的丝杆电机(19)为步进电机，丝杆电机(19)的输出轴螺纹大经4.76mm，导程2mm。