CN111907671B - 间隙可调的水陆两用吸盘 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间隙可调的水陆两用吸盘。包括桶和位于桶内的吸盘本体，吸盘本体位于桶壁内，桶壁顶端安装有密封的端盖，桶壁底端安装有环状结构的桶底座，桶底座由上底座和下底座通过螺栓上下同轴连接组成，上底座外侧面和下底座内侧面所围区域形成环形空腔；吸盘本体通过多个工字型架滑动安装于桶壁上，工字型架一端固定于防水直流电机上，另一端滑动嵌装于桶壁上设有的滑槽内。本发明可以实现水下粗糙壁面的吸附，也可在水上干地环境下实现吸附，提供一定的吸力。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下吸盘及其外周装置，具体涉及一种间隙可调的水陆两用吸盘。
背景技术
水下吸附技术与水下抓取技术是开展水下勘测与作业的关键技术之一，被广泛应用于海洋地质勘测、资源勘探及矿产评估、深海打捞等诸多领域，完成诸如水下取样、水下打捞、水下吸附等多种作业。传统的水下抓取技术多采用机械抓取装置，存在设计复杂以及操作不便等问题，难以适应诸多不规则形状的物体，有可能对抓取物造成损伤，且在无水环境下无法进行吸附。
随着特种机器人技术的发展，水下爬壁机器人作为一种新的需求应运而生,设计用于在危险、恶劣环境下代替人工进行水下检查与作业的机器人，被广泛应用于核燃料池检测行业、船舶清洗行业以及水利大坝维护行业等，有效可靠的水下吸附技术是水下爬壁机器人得以广泛应用的先决条件。
水下爬壁机器人最常见的吸附技术为铁磁吸附技术，利用磁铁或电磁铁间的相互作用产生吸附力，仅适用于铁磁性壁面，较多应用于船舶工业。水下R0V或AUV多采用螺旋桨作为动力源，也有将螺旋桨产生的推力作为水下爬壁机器人的吸附技术，但由于螺旋桨推力吸附较难控制且水流扰动太大，不适于观测。负压吸附技术则是利用离心泵或离心风机将吸盘内的水抽出，形成局部负压，负压吸附技术属于接触式吸附，较依赖于密封技术，吸盘本体或连接管路较容易发生堵塞，从而造成吸附失效，且在水上干地环境中，周围没有深水的环境，无法形成负压。
综上所述，现有的水下抓取技术结构复杂，不能适应多种形态的物件，且在水上干地的区域无法正常进行工作。现有水下吸附技术虽有多种手段，但均有各自不足之处，不能很好的满足水下爬壁机器人的需求。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种间隙可调的水陆两用吸盘，可以满足水下爬壁机器人稳定吸附要求，并能在水上干地环境下实现吸附，解决了水下爬壁机器人吸附技术方面的欠缺，为大力研究水下特种机器人奠定良好的基础，
本发明采用的技术方案如下：
一种间隙可调的水陆两用吸盘，包括主要由吸盘外壳、安装在吸盘外壳上的防水直流电机、连接轴和离心叶轮组成的吸盘本体，吸盘外壳底端开有中空腔，中空腔内安装离心叶轮；吸盘外壳顶部安装有电机支座和轴承座，轴承座位于电机支座内，电机支座上安装有防水直流电机，防水直流电机的输出轴穿过电机支座顶部后与连接轴上端同轴连接，连接轴下端穿过吸盘外壳中心孔后与离心叶轮同轴连接，并在连接轴下端套接有用于将离心叶轮轴向限位固定的轴端挡圈；
其特征在于，吸盘本体位于桶壁内，桶壁顶端安装有密封的端盖，桶壁底端安装有环状结构的桶底座，桶底座由上底座和下底座通过螺栓上下同轴连接组成，上底座外侧面和下底座内侧面所围区域形成环形空腔；
吸盘本体通过多个工字型架滑动安装于桶壁上，工字型架一端固定于防水直流电机上，另一端滑动嵌装于桶壁上设有的滑槽内。
上底座由安装层Ⅰ、中间层Ⅰ和锥面层Ⅰ由上至下依次组成，下底座由安装层Ⅱ、中间层Ⅱ和锥面层Ⅱ由上至下依次组成，安装层Ⅰ外侧面设有的凸缘Ⅰ嵌装于安装层Ⅱ上端面开有的凹槽内实现上底座和下底座的连接；下底座通过安装层Ⅱ外侧面设有的凸缘Ⅱ与桶壁底端通过螺栓相连；
中间层Ⅰ外侧面和中间层Ⅱ内侧面均为柱形面，中间层Ⅱ下端高度高于中间层Ⅰ下端高度；锥面层Ⅰ外侧面和锥面层Ⅱ内侧面为曲率相同的圆锥面，锥面层Ⅰ外侧面贴近锥面层Ⅱ内侧面但不接触；
环形空腔包括上部空腔和下部空腔，上部空腔由中间层Ⅰ内侧面、中间层Ⅱ外侧面和锥面层Ⅱ外侧面围成，下部空腔由锥面层Ⅰ内侧面和锥面层Ⅱ外侧面围成。
上部空腔上宽下窄，上部空腔体积远大于下部空腔。
沿中间层Ⅱ周面等间隔开有多个进水孔，进水孔沿中间层Ⅱ圆周的切线方向布置，且多个进水孔的开口方向一致；每个进水孔均通过进水管道与水泵相连。
工作时，水泵提供加压水流，水流经进水管道流入环形空腔后，水流沿着圆周方向流动，在上部空腔形成旋流；当水流进入体积小于上部空腔腔体的下部空腔时，由于水流压力恒定，使水流流速增大，在环形空腔腔体的出口处产生高速的环形水流，从而在吸盘本体下方形成圆盘状的水流屏障，以减少桶内水从底部流出，防止桶内水位降低，从而保证吸盘本体吸附力。
端盖与桶壁顶端通过螺纹连接，端盖开有多个通孔，桶内多余的水通过通孔抽出，使得桶内水位保持稳定。
吸盘本体的防水直流电机一侧安装有齿条以及和齿条相啮合的齿轮，桶壁内侧通过支撑座固定有步进电机，步进电机的输出轴与齿轮通过花键连接。
步进电机带动齿轮齿条转动的同时，带动与齿条相连的吸盘本体上下移动，吸盘本体在工字型架带动下沿桶壁竖直方向移动。
桶壁侧面开有与出水管道相连的侧孔，出水管道与外部水箱连通，出水管道中设有电磁单向阀防止水箱内水逆流，桶壁内流出的水经出水管道流入水箱。
吸盘本体底部略高于桶底座底部高度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用吸盘与外周桶的设计，并采用防水直流电机直接驱动，体积小、质量轻，可以实现水下粗糙壁面的吸附，也可在水上干地环境下实现吸附，提供一定的吸力。
(2)本发明采用步进电机与齿轮齿条的设计，使得吸盘相对于桶壁可以上下移动，起到调节吸力的作用。
(3)本发明采用离心叶轮产生高速旋流，利用高速旋流的离心作用产生吸附力，将水流导出旋腔，避免杂物进入，使吸附失效。离心叶轮式水下吸盘的吸附力简单可控，可通过调节电机转速来调节吸附力，也可通过调节水泵水压进行调节。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的上底座立体图。
图3是本发明的上底座全剖试图。
图4是本发明的下底座立体图。
图5是本发明的下底座俯视图。
图6是本发明的整体结构示意图(吸盘简易画法，滑槽和工字型架省略)。
图7是本发明的另一种结构。
图中：桶壁(1)，下深沟球轴承(2)，连接轴(3)，防水直流电机(4)，紧定螺钉(5)，电机支座(6)，上深沟球轴承(7)，轴承座(8)，离心叶轮(9)，轴端挡圈(10)，上底座(11)，下底座(12)，吸盘外壳(13)，进水管道(14)，工字型架(15)，环形内腔(16)，出水管道(17)，电磁单向阀(18)，水箱(19)，齿条(20)，齿轮(21)，步进电机(22)，支撑座(23)，吸盘本体(24)，滑槽(25)，端盖(26)，倒角(27)，安装层Ⅰ(28)，中间层Ⅰ(29)，锥面层Ⅰ(30)，安装层Ⅱ(31)，中间层Ⅱ(32)，锥面层Ⅱ(33)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括桶和位于桶内的吸盘本体24。吸盘本体24主要由吸盘外壳13、安装在吸盘外壳上的防水直流电机4、连接轴3和离心叶轮9组成，吸盘外壳13底端开有中空腔，中空腔内安装离心叶轮9；吸盘外壳13顶部安装有电机支座6和轴承座8，轴承座8位于电机支座6内，电机支座6上安装有防水直流电机4，防水直流电机4的输出轴穿过电机支座6顶部后与连接轴3上端同轴连接，连接轴3下端穿过吸盘外壳13中心孔后与离心叶轮9同轴连接，并在连接轴3下端套接有用于将离心叶轮9轴向限位固定的轴端挡圈10。离心叶轮9包括叶轮板和叶片，叶片沿周向均布地固定在叶轮板下端的端面；离心叶轮9叶轮板的边缘沿轴向延伸设置环形凸台，并在环形凸台的内周面设置倒角27，水流在离心叶轮9的中空腔内高速旋转离心后通过倒角27流出。
桶包括桶壁1、位于桶壁1顶端的端盖26和桶壁1底端通过过盈连接连接有桶底座，桶底座由上底座11和下底座12通过螺栓上下同轴连接组成，上底座11外侧面和下底座12内侧面所围区域形成环形空腔16。
连接轴3上端面端部通过上深沟球轴承7活动套接在轴承座8中，连接轴3下端端部周面通过下深沟球轴承2活动套接在吸盘外壳13中。防水直流电机4的输出轴与连接轴3之间采用紧定螺钉5进行连接，实现周向固定。
如图2、图3和图4所示，上底座11由安装层Ⅰ28、中间层Ⅰ29和锥面层Ⅰ30由上至下依次组成，下底座12由安装层Ⅱ31、中间层Ⅱ32和锥面层Ⅱ33由上至下依次组成，安装层Ⅰ28外侧面设有的凸缘Ⅰ嵌装于安装层Ⅱ31上端面开有的凹槽内实现上底座11和下底座12的连接；下底座12通过安装层Ⅱ31外侧面设有的凸缘Ⅱ与桶壁1底端通过螺栓相连；中间层Ⅰ29外侧面和中间层Ⅱ32内侧面均为柱形面，中间层Ⅱ32下端高度高于中间层Ⅰ29下端高度；锥面层Ⅰ30外侧面和锥面层Ⅱ33内侧面为曲率相同的圆锥面，锥面层Ⅰ30外侧面贴近锥面层Ⅱ33内侧面但不接触。
环形空腔16包括上部空腔和下部空腔，上部空腔由中间层Ⅰ29内侧面、中间层Ⅱ32外侧面和锥面层Ⅱ33外侧面围成，下部空腔由锥面层Ⅰ30内侧面和锥面层Ⅱ33外侧面围成。
上底座11和下底座12之间采用螺纹连接，上底座11开光孔，下底座12开螺纹孔，用螺钉进行连接。上底座11和下底座12连接安装后形成环形空腔，环形空腔采用由宽到窄的结构，截面呈现阶梯状，使得水流进入后可以较为平稳的从低流速过渡到高流速，减少对内腔壁面的冲击。
如图5所示，沿下底座12中间层Ⅱ32的周面等间隔开有四个进水孔，进水孔沿中间层Ⅱ32圆周的切线方向布置，每个进水孔均通过进水管道14与水泵相连。进水管道14呈环形布置，且管道母线方向偏离圆心，从而使得环形空腔16在有水流进入时，水流沿着圆周方向流动，形成环流，在内腔中分布均匀，使得内腔窄流道中的水流随之也分布均匀，出水口便可形成高速均匀的水流屏障，起到防止桶内水从底部泄露的作用。
如图6所示，桶壁1侧面中部开有孔并连接出水管道17，保证桶内水位高度使得吸盘有较大吸力，管道中设置有电磁单向阀18用于控制桶内水流出并防止逆流，流出的水进入水箱19；水箱19可安装于水下机器人上。
如图6所示，吸盘本体24上安装有齿条20，齿条20通过四个开有螺纹孔的凸台固定于防水直流电机4上，桶壁上安装有支撑座23，其上安装步进电机22，步进电机22的输出轴与齿轮21通过花键连接，齿轮与齿条啮合控制吸盘相对于桶壁移动。吸盘本体24通过多个工字型架15滑动安装于桶壁1上，工字型架15一端固定于防水直流电机4上，另一端滑动嵌装于桶壁1上设有的滑槽25内，使吸盘本体可相对于桶壁竖直方向移动。
具体实施时，顶部端盖26上开有4个可开关的孔，开启时用于抽出水箱中多余的水，关闭时用于密封；顶部端盖26与桶壁1之间采用螺纹连接。
具体实施时，吸盘本体24底部高度在安装时稍稍高于桶底座底部高度。
具体实施时，离心叶轮9下端面不低于吸盘本体24底部高度。
如图7所示，为本发明的另一种结构，即吸盘本体24与桶壁1之间用工字型架15进行连接，工字型架15与桶壁1采用螺纹连接。吸盘与桶壁保持相对固定。这种方法适用于已经确定好吸盘底部距离地面的最佳距离的情况，但是其缺点是无法通过调节吸盘的高度来调节吸附力。
具体实施例：
普通水下环境，防水直流电机4运行带动连接轴3进而驱动离心叶轮9旋转，水流在离心叶轮9高速旋转下离心流出中空腔，使得中空腔形成真空负压，从而实现水下吸附。
在水上干地环境工作时，下底座12的4个进水口连接水泵，水泵提供一定压力的水流。上底座11与下底座12安装后，中间会形成环形空腔，该空腔的截面为上宽下窄的形状，空腔上部分腔体体积较大，具有一定压力的水流进入后流速逐渐增加形成旋流，当水流进入体积较小的下部分空腔时，由于入口处压力恒定，会使得流速增大，在腔体的出口处产生高速的环形水流，吸盘下方形成圆盘状的水流屏障，会减少桶内水从底部流出，防止桶内水位降低，从而保证吸盘吸附力。实现水下吸盘在水陆环境下的应用，水陆环境是指水下和水上干地环境。
Claims (9)
1.一种间隙可调的水陆两用吸盘，包括主要由吸盘外壳(13)、安装在吸盘外壳上的防水直流电机(4)、连接轴(3)和离心叶轮(9)组成的吸盘本体(24)，吸盘外壳(13)底端开有中空腔，中空腔内安装离心叶轮(9)；吸盘外壳(13)顶部安装有电机支座(6)和轴承座(8)，轴承座(8)位于电机支座(6)内，电机支座(6)上安装有防水直流电机(4)，防水直流电机(4)的输出轴穿过电机支座(6)顶部后与连接轴(3)上端同轴连接，连接轴(3)下端穿过吸盘外壳(13)中心孔后与离心叶轮(9)同轴连接，并在连接轴(3)下端套接有用于将离心叶轮(9)轴向限位固定的轴端挡圈(10)；
其特征在于，吸盘本体(24)位于桶壁(1)内，桶壁(1)顶端安装有密封的端盖(26)，桶壁(1)底端安装有环状结构的桶底座，桶底座由上底座(11)和下底座(12)通过螺栓上下同轴连接组成，上底座(11)外侧面和下底座(12)内侧面所围区域形成环形空腔(16)；
吸盘本体(24)通过多个工字型架(15)滑动安装于桶壁(1)上，工字型架(15)一端固定于防水直流电机(4)上，另一端滑动嵌装于桶壁(1)上设有的滑槽(25)内；
上底座(11)由安装层Ⅰ(28)、中间层Ⅰ(29)和锥面层Ⅰ(30)由上至下依次组成，下底座(12)由安装层Ⅱ(31)、中间层Ⅱ(32)和锥面层Ⅱ(33)由上至下依次组成，安装层Ⅰ(28)外侧面设有的凸缘Ⅰ嵌装于安装层Ⅱ(31)上端面开有的凹槽内实现上底座(11)和下底座(12)的连接；下底座(12)通过安装层Ⅱ(31)外侧面设有的凸缘Ⅱ与桶壁(1)底端通过螺栓相连；
中间层Ⅰ(29)外侧面和中间层Ⅱ(32)内侧面均为柱形面，中间层Ⅱ(32)下端高度高于中间层Ⅰ(29)下端高度；锥面层Ⅰ(30)外侧面和锥面层Ⅱ(33)内侧面为曲率相同的圆锥面，锥面层Ⅰ(30)外侧面贴近锥面层Ⅱ(33)内侧面但不接触；
环形空腔(16)包括上部空腔和下部空腔，上部空腔由中间层Ⅰ(29)内侧面、中间层Ⅱ(32)外侧面和锥面层Ⅰ(30)内侧面围成，下部空腔由锥面层Ⅰ(30)内侧面和锥面层Ⅱ(33)外侧面围成。
2.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，上部空腔上宽下窄，上部空腔体积大于下部空腔。
3.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，沿中间层Ⅱ(32)周面等间隔开有多个进水孔，进水孔沿中间层Ⅱ(32)圆周的切线方向布置，且多个进水孔的开口方向一致；每个进水孔均通过进水管道(14)与水泵相连。
4.根据权利要求3所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，工作时，水泵提供加压水流，水流经进水管道(14)流入环形空腔(16)后，水流沿着圆周方向流动，在上部空腔形成旋流；当水流进入体积小于上部空腔腔体的下部空腔时，由于水流压力恒定，使水流流速增大，在环形空腔(16)腔体的出口处产生高速的环形水流，从而在吸盘本体(24)下方形成圆盘状的水流屏障，以减少桶内水从底部流出，防止桶内水位降低，从而保证吸盘本体(24)吸附力。
5.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，端盖(26)与桶壁(1)顶端通过螺纹连接，端盖(26)开有多个通孔，桶内多余的水通过通孔抽出。
6.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，吸盘本体(24)的防水直流电机(4)一侧安装有齿条(20)以及和齿条(20)相啮合的齿轮(21)，桶壁(1)内侧通过支撑座(23)固定有步进电机(22)，步进电机(22)的输出轴与齿轮(21)通过花键连接。
7.根据权利要求6所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，步进电机(22)带动齿轮(21)和齿条(20)转动的同时，带动与齿条(20)相连的吸盘本体(24)上下移动，吸盘本体(24)在工字型架(15)带动下沿桶壁(1)竖直方向移动。
8.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，桶壁(1)侧面开有与出水管道(17)相连的侧孔，出水管道(17)与外部水箱(19)连通，出水管道(17)中设有电磁单向阀(18)防止水箱内水逆流，桶壁(1)内流出的水经出水管道(17)流入水箱(19)。
9.根据权利要求1所述的一种间隙可调的水陆两用吸盘，其特征在于，吸盘本体(24)底部高于桶底座底部高度。
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