CN110834697A - 一种水下机器人用柔性可折叠翼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下机器人用柔性可折叠翼装置，柔性可折叠翼折叠时由水溶性薄膜缠绕保持折叠状态，入水后水溶性薄膜自动溶解，由驱动扭簧驱动展开，棘轮、棘爪实现自锁，柔性蒙皮材料为疏水性材料，可有效降低水下机器人运动时的粘性阻力，刚性肋条和柔性肋条撑起柔性蒙皮，防止柔性蒙皮形变量过大影响水动力性能。本发明改变了传统固定翼水下机器人的应用模式，柔性可折叠翼所占空间小，机构简单、可靠，零功耗，可满足水下机器人管式发射需求，实现由载机、潜航器等多平台快速部署。

Description

一种水下机器人用柔性可折叠翼装置
技术领域
本发明涉及水下机器人用的可变结构机翼，具体地说是一种水下机器人用柔性可折叠翼装置。
背景技术
随着未来海洋观测趋向于网络化发展，基于海洋机器人平台的移动智能观测是未来海洋观测的发展趋势，海洋机器人的小型化、绿色化将会为新一代智能观测网络提供平台条件。水下滑翔机是一种应用较为广泛的水下机器人，在全世界范围内各海洋强国海域都得到了广泛的应用。新一代智能观测模式要求移动观测平台的布放具有快速部署的特点，水下滑翔机是构建海洋观测网络的重要节点，而机翼则是水下滑翔机重要的水动力部件。用柔性可折叠翼替代水下滑翔机的传统固定翼这种创新设计将会为水下滑翔机的管式储存和发射提供可能。
发明内容
为了满足水下滑翔机的使用需求，本发明的目的在于提供一种水下机器人用柔性可折叠翼装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括刚性肋条、柔性蒙皮、柔性肋条、耐压筒体、翼面固定件及机翼折展装置，其中翼面固定件及机翼折展装置分别安装于耐压筒体上，所述柔性蒙皮的一侧与该翼面固定件相连，另一端套设于与所述机翼折展装置连接的刚性肋条上，该柔性蒙皮上安装有起支撑作用的柔性肋条；所述机翼折展装置包括棘爪、箱体、驱动扭簧、弹簧片、折叠翼转接件、转轴及棘轮，靠近所述刚性肋条与机翼折展装置连接一端的两侧对称设有安装于耐压筒体上的箱体，所述转轴的两端分别与两侧的箱体转动连接，所述折叠翼转接件的一端与该转轴相连，另一端与所述刚性肋条螺纹连接，所述转轴上套设有驱动扭簧，该驱动扭簧的一端抵接于箱体上，另一端与所述折叠翼转接件抵接；所述转轴的一端或两端上连动有棘轮，该棘轮所在的箱体上分别安装有棘爪和弹簧片，该弹簧片的一端安装在箱体上，另一端与所述棘爪抵接，该棘爪的一端安装在箱体上，另一端通过所述弹簧片的弹力始终与所述棘轮接触。
其中：所述刚性肋条、柔性蒙皮及柔性肋条在入水前外缠绕有水溶性薄膜，通过该水溶性薄膜使刚性肋条、柔性蒙皮及柔性肋条处于折叠状态，所述水溶性薄膜缠绕在耐压筒体上；所述水溶性薄膜入水后溶解，通过所述驱动扭簧的弹力作用带动折叠翼转接件转动，实现所述柔性蒙皮展开，并在展开至工作角度后通过所述棘爪及棘轮自锁。
所述水溶性薄膜的材料为聚乙烯醇。
所述耐压筒体的外表面上沿长度方向分别开设有容置翼面固定件和机翼折展装置的沟槽，容置所述机翼折展装置的沟槽位于容置翼面固定件沟槽的一端，所述刚性肋条、柔性蒙皮及柔性肋条在折叠状态均位于容置翼面固定件的沟槽中。
所述箱体的内表面沿厚度方向开设有凹槽，所述转轴、棘爪及弹簧片均安装于该凹槽内。
所述柔性肋条分为短柔性肋条和长柔性肋条，该长柔性肋条靠近所述刚性肋条设置，所述短柔性肋条靠近耐压筒体设置，所述短柔性肋条与长柔性肋条靠近机翼折展装置的一端相连。
所述耐压筒体轴向竖直截面的上下两侧对称安装有翼面固定件，每侧的翼面固定件上均连接有所述柔性蒙皮。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明利用驱动扭簧驱动展开，棘轮、棘爪实现自锁，不但结构简单可靠，还能在工作时实现零能耗。
2.本发明中，柔性可折叠翼在折叠状态下利用水溶性薄膜保持折叠状态，水溶性薄膜拉伸强度大，相比于其他水溶性纤维塑料溶解时间更短，展开速度更快，水溶后产生二氧化碳和水，对环境无污染。
3.本发明可减少水下机器人占用空间，适用于空投布放水下机器人，减少机翼所受的入水冲击。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明机翼折展装置的结构剖视图；
图3为本发明柔性可折叠翼的结构示意图；
图4为本发明机翼折展装置的结构示意图之一；
图5为本发明折展装置的结构示意图之二；
图6为图1中柔性可折叠翼的动作机构示意图；
其中：1为刚性肋条，2为柔性蒙皮，3为长柔性肋条，4为耐压筒体，5为短柔性肋条，6为翼面固定件，7为棘爪，8为箱体，9为驱动扭簧，10为弹簧片，11为折叠翼转接件，12为转轴，13为陶瓷轴承，14为凹槽，15为棘轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～6所示，本发明包括刚性肋条1、柔性蒙皮2、柔性肋条、耐压筒体4、翼面固定件6及机翼折展装置，其中翼面固定件6及机翼折展装置分别安装于耐压筒体4上，柔性蒙皮2的一侧与该翼面固定件6相连，另一端套设于与机翼折展装置连接的刚性肋条1上，该柔性蒙皮2上安装有起支撑作用的柔性肋条，可防止柔性蒙皮2变形过大。本实施例耐压筒体4的外表面上沿长度方向分别开设有容置翼面固定件6和机翼折展装置的沟槽，容置机翼折展装置的沟槽位于容置翼面固定件6沟槽的一端，容置翼面固定件6的沟槽与耐压筒体4的轴向中心线平行，容置机翼折展装置的沟槽宽度大于容置翼面固定件6的沟槽宽度。本实施例的耐压筒体4轴向竖直截面的上下两侧对称开设有容置翼面固定件6的沟槽和容置机翼折展装置的沟槽，两侧容置翼面固定件6的沟槽中分别安装有翼面固定件6，每侧的翼面固定件6上均连接有所述柔性蒙皮2。每侧的刚性肋条1、柔性蒙皮2及柔性肋条在折叠状态均位于同侧容置翼面固定件6的沟槽中。
本实施例的柔性肋条分为短柔性肋条5和长柔性肋条3，该长柔性肋条3靠近刚性肋条1设置，短柔性肋条5靠近耐压筒体4设置，短柔性肋条5与长柔性肋条3靠近机翼折展装置的一端相连。本实施例的刚性肋条1置于柔性蒙皮2的翼弦位置，与短柔性肋条5和长柔性肋条3共同撑起翼面，防止翼面形变量过大，保证水动力性能。本实施例的柔性蒙皮2采用疏水性材料(如ePTFE面料)，形状采用水动力特性较好的翼面形状(本实施例的柔性蒙皮2展开后呈直角梯形，并在机翼后缘接近翼面固定件6有圆弧过渡)，以此来降低柔性可折叠翼在工作时所受到的粘性阻力并提高其工作效率。本实施例的长柔性肋条3和短柔性肋条5可改变其长度、在翼面的布局以及数量，进而改变柔性蒙皮2的形变量，可达到适应不同流场环境保持较好的水动力特性的目的。
本实施例的机翼折展装置包括棘爪7、箱体8、驱动扭簧9、弹簧片10、折叠翼转接件11、转轴12及棘轮15，靠近刚性肋条1与机翼折展装置连接一端的容置机翼折展装置的沟槽内部两侧对称设有箱体8，每侧的箱体8分别通过螺钉安装于耐压筒体4上；转轴12的两端分别通过陶瓷轴承13与两侧的箱体8转动连接，折叠翼转接件11的一端与该转轴12相连，另一端与刚性肋条1螺纹连接，转轴12上套设有驱动扭簧9，该驱动扭簧9的一端抵接于箱体8上所固定的螺栓上，另一端与折叠翼转接件11抵接；转轴12的一端或两端上连动有棘轮15，本实施例是在转轴12的两端均连动有棘轮15，每端棘轮15所在的箱体8上分别安装有棘爪7和弹簧片10，该弹簧片10的一端安装在箱体8上，另一端与棘爪7抵接，该棘爪7的一端安装在箱体8上，另一端通过弹簧片10的弹力始终与棘轮15接触。本实施例箱体8的内表面沿厚度方向开设有凹槽14，转轴12、棘爪7及弹簧片10均安装于该凹槽14内，避免驱动扭簧9、棘轮15、棘爪7的动作与箱体8发生干涉。本实施例可通过调整驱动扭簧9的弹力来调整柔性可折叠翼的展开角度，进而改变柔性蒙皮2的形变量，可达到适应不同流场环境、保持高水动力性能的目的。
本实施例的刚性肋条1、柔性蒙皮2及柔性肋条在入水前外缠绕有水溶性薄膜，通过该水溶性薄膜使刚性肋条1、柔性蒙皮2及柔性肋条处于折叠状态，水溶性薄膜缠绕在耐压筒体4上。水溶性薄膜入水后自动溶解，通过驱动扭簧9的弹力作用带动折叠翼转接件11转动，实现柔性蒙皮2展开，并在展开至工作角度后通过棘爪7及棘轮15自锁。本实施例的水溶性薄膜的材料为聚乙烯醇(PVA)。
本实施例的耐压筒体4呈圆柱状，在上下两侧外表面各开有沟槽，便于翼面固定件及机翼折展装置的布置，保证柔性可折叠翼的折展比达到要求，并对其结构进行加固设计，保证强度达到要求。耐压筒体4通过增加圆角、加厚筒壁等设计来增加其强度。
本发明的工作原理为：
本发明在随水下机器人入水后，水溶性薄膜迅速自动溶解，驱动扭簧9在折叠状态被压缩的弹力释放，产生扭转力矩进而带动转轴12和折叠翼转接件11旋转，刚性肋条1与折叠翼转接件11螺纹连接，也随折叠翼转接件11旋转，带动柔性蒙皮2展开。在柔性蒙皮2的展开过程中，棘爪7在弹簧片10的弹力作用下，始终与棘轮15接触，由于驱动扭簧9的弹力较大，因此不会产生自锁。当展开到工作角度时，弹簧片10迫使棘爪7与转轴12上的棘轮15啮合，形成自锁，保证柔性可折叠翼展开角度不变。两条柔性肋条分别附着在柔性蒙皮2上、下表面控制其形变，使柔性可折叠翼维持良好的水动力性能。

Claims (7)

1.一种水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：包括刚性肋条(1)、柔性蒙皮(2)、柔性肋条、耐压筒体(4)、翼面固定件(6)及机翼折展装置，其中翼面固定件(6)及机翼折展装置分别安装于耐压筒体(4)上，所述柔性蒙皮(2)的一侧与该翼面固定件(6)相连，另一端套设于与所述机翼折展装置连接的刚性肋条(1)上，该柔性蒙皮(2)上安装有起支撑作用的柔性肋条；所述机翼折展装置包括棘爪(7)、箱体(8)、驱动扭簧(9)、弹簧片(10)、折叠翼转接件(11)、转轴(12)及棘轮(15)，靠近所述刚性肋条(1)与机翼折展装置连接一端的两侧对称设有安装于耐压筒体(4)上的箱体(8)，所述转轴(12)的两端分别与两侧的箱体(8)转动连接，所述折叠翼转接件(11)的一端与该转轴(12)相连，另一端与所述刚性肋条(1)螺纹连接，所述转轴(12)上套设有驱动扭簧(9)，该驱动扭簧(9)的一端抵接于箱体(8)上，另一端与所述折叠翼转接件(11)抵接；所述转轴(12)的一端或两端上连动有棘轮(15)，该棘轮(15)所在的箱体(8)上分别安装有棘爪(7)和弹簧片(10)，该弹簧片(10)的一端安装在箱体(8)上，另一端与所述棘爪(7)抵接，该棘爪(7)的一端安装在箱体(8)上，另一端通过所述弹簧片(10)的弹力始终与所述棘轮(15)接触。
2.根据权利要求1所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述刚性肋条(1)、柔性蒙皮(2)及柔性肋条在入水前外缠绕有水溶性薄膜，通过该水溶性薄膜使刚性肋条(1)、柔性蒙皮(2)及柔性肋条处于折叠状态，所述水溶性薄膜缠绕在耐压筒体(4)上；所述水溶性薄膜入水后溶解，通过所述驱动扭簧(9)的弹力作用带动折叠翼转接件(11)转动，实现所述柔性蒙皮(2)展开，并在展开至工作角度后通过所述棘爪(7)及棘轮(15)自锁。
3.根据权利要求2所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述水溶性薄膜的材料为聚乙烯醇。
4.根据权利要求1所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述耐压筒体(4)的外表面上沿长度方向分别开设有容置翼面固定件(6)和机翼折展装置的沟槽，容置所述机翼折展装置的沟槽位于容置翼面固定件(6)沟槽的一端，所述刚性肋条(1)、柔性蒙皮(2)及柔性肋条在折叠状态均位于容置翼面固定件(6)的沟槽中。
5.根据权利要求1所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述箱体(8)的内表面沿厚度方向开设有凹槽(14)，所述转轴(12)、棘爪(7)及弹簧片(10)均安装于该凹槽(14)内。
6.根据权利要求1所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述柔性肋条分为短柔性肋条(5)和长柔性肋条(3)，该长柔性肋条(3)靠近所述刚性肋条(1)设置，所述短柔性肋条(5)靠近耐压筒体(4)设置，所述短柔性肋条(5)与长柔性肋条(3)靠近机翼折展装置的一端相连。
7.根据权利要求1所述的水下机器人用柔性可折叠翼装置，其特征在于：所述耐压筒体(4)轴向竖直截面的上下两侧对称安装有翼面固定件(6)，每侧的翼面固定件(6)上均连接有所述柔性蒙皮(2)。
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