CN113245247B - 一种窗口清洁装置、方法和水下设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窗口清洁装置，包括：清洁刷器和刮臂；刮臂包括：第一连杆、曲张机构、第二连杆和刮臂驱动系统；第一连杆的第二端铰接于第二连杆的第一端；清洁刷器铰接于第一连杆的第一端，且转动轨迹与第一连杆第二端和第二连杆第一端之间铰接处的转动轨迹均位于第一平面内，或者平行于所述第一平面；第二连杆能够由刮臂驱动系统驱使转动，且转动轨迹与铰接处的转动轨迹均位于第一平面内，或者平行于所述第一平面；曲张机构能够为第一连杆和第二连杆提供相对转动的作用力。该方案可使清洁刷器适应不同曲率的光学窗口镜面，保持清洁刷器始终与光学窗口紧贴状态，以提高清洁效果。本发明还提供了一种应用上述装置的窗口清洁方法和水下设备。

Description

一种窗口清洁装置、方法和水下设备
技术领域
本发明涉及水下设备技术领域，特别涉及一种窗口清洁装置、方法和水下设备。
背景技术
地球上水域面积广阔，超过70％的表面积被海水覆盖，近年来，水下环境探索，尤其是海洋探索引起了越来越多的关注。带有分布式节点（如船，浮标，ROV，AUV和海底节点）的水下网络已经被部署应用到水下环境协作三维立体观测和监控之中。水下移动节点或固定节点之间的水下无线通信（UWC）也进而成为必不可少的研究技术。水下无线通信（UWC）主要通过使用射频（RF）电磁波、声波和光波来实现，然而，射频在水中受到极大损耗，传输距离十分受限，而声波的带宽有限且延迟相对较长，因此不适合水下高速数据传输。水下无线光通信（UWOC）是一种极具潜力的方法，将信息数据在水中通过光波进行无线传输（即光信号），并在对应的接收端进行解调和检测，已被证明是一种具有着诸多优势的通信方法，具备带宽高，数据传输速率高，低延迟，体积小等优点。例如美国专利公开No.795,332,6B2中所述，UWOC系统一直不断的被发展和改良，近年来UWOC设备和产品也已商业化。
一个UWOC系统包含两对光发送器和接收器，可实现两方/节点之间的双向通信。发射器可以具有一个或多个光源（LED或激光）以及用于驱动，调制和控制光源的电子设备。另一方面，接收器可以包括光电二极管以及相应的放大和处理电路。水下数据交换是通过在水介质中的两个方向上将光信号从每个光发射器传输到相应的光接收器来进行的。
一对发射器和接收器可以被分别封装在单独的外壳中，也可以是同时装在同一个外壳中。无论哪种方式，这样的UWOC设备的外壳一般都被设计成一个带有光学窗口的防水容器。
图1显示基于UWOC技术的水下网络示意图，由水面节点：船，浮标，水面站，水下航行器：ROV，AUV和一系列的海底节点。这些节点都配备了UWOC设备，以完成它们之间的通信任务，进而共同进行水下环境探索。在使用场景中，也可以将水面上的浮标用光纤连接到海底节点，然后将其与其他节点无线连接。此外，浮标也可以是带有UWOC设备的无线节点，从AUV，ROV，海底节点发送/接收数据。每个无线节点携带的UWOC设备都会具有覆盖其输出/输入端口的光学窗口。
由于此通信技术依赖于光信号从发光元件（即发光二极管或激光）到光电探测器的传输，因此UWOC设备的光学窗口必须是透明的，任何形式的遮挡都会影响数据传输的质量。然而UWOC设备在水下工作的时，海底动植物会黏附在其光学窗口上，影响信号传输。要保证UWOC设备有效工作，必须设法将其光学窗口上的附着生物清除。
为了解决UWOC设备在水下工作时海底生物黏附在其光学窗口上问题，近年来人们提出了许多防生物附着的方法，主要分为以下几类：1.使用防污涂料，但该方法不能应用于上述通信设备，因为涂料会降低透明度并增加粗糙度而影响光信号的透射和折射；2.运用紫外线辐射也可以有效防止表面的生物污垢，但是单独依靠此方式除附着物时能耗较高，不适用于诸如独立海底节点之类的自容设备；3.应用机械装置，采用机械方法刮除附着的生物。相比于纯靠紫外线辐射的方法耗能较少，并且在去除附着生物的同时，不影响光信设备正常工作。综上，采用机械装置刮除光学镜面附着海生物的方法较适合UWOC设备特点及其使用场景。
实际应用中，UWOC设备为了匹配发射器/接受器的有效面积，满足所需的光的方向和场，以及抵抗水下压力，其光学窗口通常设计成半球形或其他曲面形状，而非平板，因此，需要开发出一种可适用于UWOC设备的任意几何形状的光学窗口（例如具有不同弧度的球形表面，多面球形或多面体）的有效防生物附着技术，同时要保证长期使用效果，需具备对清洁刮器进行清洁的功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种窗口清洁装置，可适用于曲率变化的球面及多面体的光学镜面清洁。
本发明还提供了一种应用上述装置的窗口清洁方法和水下设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种窗口清洁装置，其特征在于，包括：清洁刷器和刮臂；
所述刮臂包括：第一连杆、曲张机构、第二连杆和刮臂驱动系统；
所述第一连杆的第二端铰接于所述第二连杆的第一端；
所述清洁刷器铰接于所述第一连杆的第一端，且转动轨迹与所述第一连杆第二端和所述第二连杆第一端之间铰接处的转动轨迹均位于第一平面内，或者所述清洁刷器的转动轨迹所在平面平行于所述第一平面；
所述第二连杆能够由所述刮臂驱动系统驱使转动，且转动轨迹与所述铰接处的转动轨迹均位于所述第一平面内，或者所述第二连杆的转动轨迹所在平面平行于所述第一平面；
所述曲张机构安装在所述第一连杆和所述第二连杆的铰接处，能够为所述第一连杆和所述第二连杆提供相对转动的作用力；
所述刮臂驱动系统通过转动所述第二连杆至不同位置，驱使所述清洁刷器在所述第一平面内或者在平行于所述第一平面的平面内转动，并始终贴紧光学窗口以实现在所述第一平面内的移动清洁；
所述窗口清洁装置还包括：基座、基座动力装置和导轨；
所述刮臂驱动系统固定于所述基座，所述基座动力装置能够驱使所述基座沿所述导轨运动，且运动轨迹位于垂直于所述第一平面的第二平面内。
优选的，所述曲张机构能够为所述第一连杆和所述第二连杆提供相背转动的作用力。
优选的，所述曲张机构包括：设置在所述第一连杆和所述第二连杆之间的储能元件；
所述储能元件能够为所述第一连杆和所述第二连杆提供相背转动的弹性回复力。
优选的，所述储能元件包括：扭簧、氮气弹簧和/或高弹性橡皮筋。
优选的，所述第一连杆为圆弧状连杆。
优选的，所述刮臂驱动系统包括：第一水密电机；
所述第二连杆的第二端连接于所述刮臂驱动系统的输出端。
优选的，所述清洁刷器包括：清洁刮条、弓形片、支撑片和接口；
所述清洁刮条安装在所述弓形片的内凹面，所述弓形片与所述支撑片连接，所述接口固定于所述支撑片上，所述接口铰接于所述第一连杆的第一端。
优选的，所述清洁刷器还包括：保护套；
所述保护套的内侧面安装于所述弓形片的外凸面，所述保护套的外侧面具有“人”字形迎水面。
优选的，所述清洁刷器还包括：设置于所述支撑片的清洁喷嘴系。
优选的，还包括：洗涤机构；
所述洗涤机构包括：储液罐、洗涤泵、输液管和喷液开关；
所述输液管连接于所述清洁喷嘴系。
优选的，所述清洁刷器还包括：设置于所述支撑片的紫外线灯系。
优选的，所述基座包括：基座支撑板和基座运动机构；
所述刮臂驱动系统固定于所述基座支撑板，所述基座支撑板通过所述基座运动机构与所述导轨配合，且所述基座运动机构具有与所述导轨嵌套配合的自由度限制结构，所述自由度限制结构限制所述基座运动机构只能够沿所述导轨运动。
优选的，所述基座运动机构包括：四个基座滚轮；
其中两个所述基座滚轮位于所述导轨的一侧，两个所述基座滚轮位于所述导轨的另一侧，且位于所述导轨同侧的两个所述基座滚轮沿所述导轨导向错开设置；四个所述基座滚轮位于同一平面。
优选的，所述基座动力装置包括：驱动机构和传动机构，
所述驱动机构设置于所述基座，所述驱动机构能够通过所述传动机构与所述导轨配合。
优选的，所述传动机构包括：基座动力齿轮和基座齿条；
所述基座动力齿轮设置于所述驱动机构的输出端，所述基座齿条沿所述导轨设置，所述基座动力齿轮与所述基座齿条啮合。
一种水下设备，包括：光学窗口，还包括：如上所述的窗口清洁装置。
一种窗口清洁方法，采用如上述的窗口清洁装置，所述窗口清洁方法包括：
控制所述刮臂驱动系统驱使所述第二连杆在所述第一平面内转动或在平行所述第一平面的平面内转动，带动所述第一连杆和所述清洁刷器在所述第一平面内转动，或者带动所述第一连杆和所述清洁刷器在平行所述第一平面的平面内转动，所述曲张机构为所述第一连杆和所述第二连杆提供相对转动的作用力，所述清洁刷器在所述第一连杆的压力作用下贴合光学窗口以实现清洁。
优选的，所述窗口清洁装置，还包括：基座、基座动力装置和导轨；
所述刮臂驱动系统固定于所述基座，所述基座动力装置能够驱使所述基座沿所述导轨运动，且运动轨迹位于垂直于所述第一平面的第二平面内；
所述窗口清洁方法还包括：
控制所述基座动力装置驱使所述基座沿所述导轨在所述第二平面内运动。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的窗口清洁装置，这种结构及作用方式可使清洁刷器适应变化曲率的多种曲面形状的光学窗口，保持清洁刷器始终与光学窗口紧贴状态，以提高清洁效果。
本发明还提供了一种窗口清洁装置和水下设备，由于应用了上述的窗口清洁装置，也就具有相同的有益效果，可以参照前文叙述。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中基于UWOC技术的水下网络示意图；
图2a、图2b和图2c为本发明窗口清洁装置的应用场景图；
图3为本发明窗口清洁装置的结构示意图；
图4为本发明窗口清洁装置A部放大图，即本发明清洁刷器的结构示意图；
图5为本发明窗口清洁装置中洗涤机构的结构示意图；
图6为本发明窗口清洁装置中刮臂的结构示意图；
图7a、图7b和图7c为本发明窗口清洁装置中基座及导轨的结构示意图；
图8为本发明窗口清洁装置中基座滚轮与导轨的截面配合图；
图9a、图9b和图9c为本发明窗口清洁装置沿变曲率镜面经线方向工作状态图。
其中，1为光学窗口；
2为清洁刷器，201为清洁刮条，202为弓形片，203为支撑片，204为保护套，205为接口，206为清洁喷嘴系，207为紫外线灯系，2081为储液罐，2082为洗涤泵，2083为输液管，2084为喷液开关；
3为刮臂，301为第一连杆，302为曲张机构，303为第二连杆，304为刮臂驱动系统；
4为基座，401为基座支撑板，402为基座滚轮；
5为基座动力装置，501为第二水密电机，502为基座动力齿轮，503为基座齿条；
6为导轨；
a为第一连杆与第二连杆铰接处。
具体实施方式
本发明公开了一种可用于防止水下无线光通信设备的光学窗口表面的生物结垢的清洁技术。采用机械去除的方式对任意曲率的光学窗口进行清洁处理。具体的，研发一种窗口清洁装置，由清洁刷器、刮臂、基座、基座动力装置和导轨配合使用。使用时导轨可以方便的安装在搭载水下光学窗口的各种水下设备上，清洁刷器沿导轨运行，达到清洁的目的。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明实施例提供的窗口清洁装置，包括：清洁刷器2和刮臂3，其结构可以参照图3所示；
该刮臂3包括：第一连杆301、曲张机构302、第二连杆303和刮臂驱动系统304，其结构可以参照图6所示；
其中，第一连杆301的第二端铰接于第二连杆303的第一端；
清洁刷器2铰接于第一连杆301的第一端，且转动轨迹与第一连杆301第二端和第二连杆303第一端之间铰接处a的转动轨迹均位于第一平面内，或者清洁刷器2的转动轨迹所在平面平行于第一平面；
第二连杆303能够由刮臂驱动系统304驱使转动，且转动轨迹与铰接处a的转动轨迹均位于第一平面内，或者第二连杆303的转动轨迹所在平面平行于第一平面；
曲张机构302能够为第一连杆301和第二连杆303提供相对转动的作用力，以实现清洁刷器2贴紧光学镜面光学窗口1，其结构可以参照图9a、9b和9c所示。
在工作时，刮臂驱动系统304固定于基座4；
刮臂驱动系统304控制第二连杆303转动，通过铰接处a带动第一连杆301转动，在曲张机构302和刮臂驱动系统304的支撑作用下，清洁刷器2受到第一连杆301施加的压力和光学窗口1支撑力，使其与光学窗口1紧紧贴合；通过控制刮臂驱动系统304转动第二连杆303至不同位置，将驱使清洁刷器2在第一平面内运动（在此可具体为沿着球形光学窗口1的经线方向运动，为了方便描述，本文以第一平面沿经线方向进行说明，当然本方案的保护范围并不仅仅局限于此，第一平面还可为不过球心，或光学窗口1是非球形的其他结构），并始终贴紧光学窗口1。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的窗口清洁装置，这种结构及作用方式可使清洁刷器2适应沿光学窗口1曲面经线方向变化曲率的多种曲面形状，保持清洁刷器2始终与光学窗口1紧贴状态，以提高清洁效果。
作为优选，曲张机构302能够为第一连杆301和第二连杆303提供相背（即远离）转动的作用力，特别适用于本实施例中半球形的光学窗口1。当然，还可以将曲张机构302设计成能够为第一连杆301和第二连杆303提供相向（即靠近）转动的作用力，以实现清洁刷器2贴紧光学镜面光学窗口1。
具体的，曲张机构302包括：设置在第一连杆301和第二连杆303之间的储能元件；
该储能元件能够为第一连杆301和第二连杆303提供相背转动的作用力。曲张机构302采用储能元件，在其弹性回复力的作用下可以自动控制第一连杆301和第二连杆303之间的曲张，结构简单。当然，也可增加直线推杆或其他结构来控制杆间曲张，并进一步借助传感器等控制动作，在此不再赘述。
为了进一步优化上述的技术方案，储能元件包括：扭簧，能够提供可靠的弹性回复力。具体的，通过选型，可使扭簧一直处于压缩状态，为第一连杆301和第二连杆303提供相背转动的作用力。当然，还可以将扭簧更改为别的储能元件，如氮气弹簧、高弹性橡皮筋等替代。
作为优选，第一连杆301为圆弧状连杆，能够更好适应光学窗口1的曲率变化，避免运动过程中与光学窗口1的干涉，保持对清洁刷器2的压紧，从而扩大清洁范围。圆弧状的第一连杆301尤其适用于本实施例中球形的光学窗口1，进一步的，第一连杆301的弧度与光学窗口1相匹配，避免干涉效果更佳，清洁范围更大。当然，第一连杆301并不只限定于圆弧状，也可以是其他结构，优选为形状配合光学窗口1的曲率变化。
在本实施例中，刮臂驱动系统304包括：第一水密电机；
第二连杆303的第二端连接于刮臂驱动系统304的输出端。刮臂驱动系统304采用第一水密电机驱使第二连杆303转动，结构简单，适用于水下环境，还可结合具体的使用场景配备减速器等机构，如电机+减速器或电机+其余执行机构，在此不再赘述。
作为优选，清洁刷器2包括：清洁刮条201、弓形片202、支撑片203和接口205，其结构可以参照图4所示；
其中，清洁刮条201安装在弓形片202的内凹面，弓形片202与支撑片203连接，接口205固定于支撑片203上，接口205铰接于第一连杆301的第一端。弓形片202，具备一定韧性和强度，在第一连杆301施加的压力和光学窗口1作用下，将使得清洁刮条201贴紧光学窗口1。当然，以上是从功能角度对清洁刷器2的结构进行了划分，还可以将其中的多个组成部分设计为一体式结构，如弓形片202和支撑片203，支撑片203和接口205等，提高集成度。
进一步的，清洁刷器2还包括：保护套204；
该保护套204的内侧面安装于弓形片202的外凸面，保护及美化外观；保护套204的外侧面具有“人”字形迎水面，利用清洁刷器2运动时形成水压，可以让清洁刮条201更好地贴紧光学窗口1。
具体的，清洁刷器2还包括：设置于支撑片203的清洁喷嘴系206。通过连接到洗涤机构的输液管2083，清洁喷嘴系206在清洁刷器工作过程中持续喷出消毒液，以清洁光学窗口1及清洁刮条201，杀灭附着的海生物，可保证清洁刷器2长期使用而不降低清洁效果。洗涤机构的结构可以参照图5所示。
优选的，清洁刷器2还包括：设置于支撑片203的紫外线灯系207。紫外线灯系207在清洁刷器2工作过程中持续发射紫外线照射光学窗口1及清洁刮条201，进一步杀灭附着的海生物，可保证清洁刷器2长期使用而不降低清洁效果。
本发明实施例提供的窗口清洁装置，还包括：基座4、基座动力装置5和导轨6，其结构可以参照图3所示；
其中，刮臂驱动系统304固定于基座4，基座动力装置5能够驱使基座4沿导轨6运动，且运动轨迹位于垂直于第一平面的第二平面内，以覆盖光学窗口1更大范围，提高清洁效果。
以图3所示情形为例，当清洁刷器2处于距离导轨6平面某一固定高度位置时，基座4由于导轨6的支撑和限位，将抵御其上的刮臂3结构以及外部环境（如水下洋流）施加给基座4的作用力。刮臂驱动系统304控制第二连杆303转动，通过铰接处a带动第一连杆301转动，在曲张机构302（如扭簧压缩的张力）、刮臂驱动系统304及基座4、导轨6的支撑作用下，清洁刷器2受到第一连杆301施加的压力和光学窗口1支撑力，使其与光学窗口1紧紧贴合；通过驱动基座动力装置5驱使基座4沿导轨6运动，还可同时控制刮臂驱动系统304转动第二连杆303至不同位置，将驱使清洁刷器2在第二平面内运动（在此可具体为沿着光学窗口1的纬线方向），并始终贴紧镜面。这种结构及作用方式可使清洁刷器2适应沿光学窗口1曲面纬线方向变化曲率的各种曲面形状，保持清洁刷器2始终与光学窗口1紧贴状态。
具体的，基座4包括：基座支撑板401和基座运动机构；
刮臂驱动系统304固定于基座支撑板401，基座支撑板401通过基座运动机构与导轨6配合，且基座运动机构具有与导轨6嵌套配合的自由度限制结构，该自由度限制结构限制基座运动机构只能够沿导轨6运动，使得装置基座4能适应水底复杂洋流并沿导轨6顺畅运动。
进一步的，基座运动机构包括：四个基座滚轮402；
其中两个基座滚轮402位于导轨6的一侧，两个基座滚轮402位于导轨6的另一侧，且位于导轨6同侧的两个基座滚轮402沿导轨6导向错开设置；四个基座滚轮402位于同一平面；四个基座滚轮402组成上述自由度限制结构，其结构可以参照图7a、图7b、图7c和图8所示，实现限制基座4各方向自由度，只保留沿导轨6运动方向的自由度。同时，当基座4相对于导轨6运行时，四个基座滚轮402在导轨6凸槽内沿自身轴线方向转动，大大减小了基座4移动过程与导轨6的摩擦力，使得装置基座4能适应水底复杂洋流并沿导轨6顺畅运动。当然，基座4与导轨6间的配合方式可采用替代结构来实现，如基座滚轮402的个数不限于四个，只要能保证清洁刷器2和刮臂3沿着导轨6顺畅运动，抗击海底洋流、光学窗口1作用力即可。
在本实施例中，基座动力装置5包括：驱动机构和传动机构，
其中，驱动机构设置于基座4，驱动机构能够通过传动机构与导轨6配合。具体的，驱动机构包括：第二水密电机501，结构简单，适用于水下环境，还可结合具体的使用场景配备减速器等机构，如电机+减速器或电机+其余执行机构。
作为优选，传动机构包括：基座动力齿轮502和基座齿条503；
其中，基座动力齿轮502设置于驱动机构的输出端，基座齿条503沿导轨6设置，基座动力齿轮502与基座齿条503啮合。基座4通过驱动机构驱动，使基座动力齿轮502与安装在导轨6上的固定基座齿条503相啮合，带动刮臂3和清洁刷器2沿导轨6方向运行。当然，还可用其他传动方式如带传动、链传动等实现，只要是能使得清洁刷器2和刮臂3沿着导轨6运动即可。
下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
如图2a、图2b和图2c所示为本发明装置应用场景图。其中1为曲率变化的光学窗口（在此以光学曲面镜头为例进行说明），可置于海底基座或搭载在其他任意工作于水下的设备上。图3为本发明窗口清洁装置（在此以海底镜头清洁装置为例进行说明）结构示意图，该装置由清洁刷器2、刮臂3、基座4、基座动力装置5和导轨6组成。
图4为该装置清洁刷器2的结构图，其由清洁刮条201、弓形片202、支撑片203、保护套204、接口205、清洁喷嘴系206和紫外线灯系207组成。清洁刮条201采用橡胶材质，作用是刮拭光学窗口1玻璃上的附着生物及杂质。弓形片202与清洁刮条201及支撑片203连接，具备一定韧性和强度，可具体为防锈钢片，出厂时呈弓形，在第一连杆301施加的压力和镜面支撑力作用下，将使得清洁刮条201贴紧光学镜面。支撑片203与保护套204、弓形片202及接口205连接，采用刚度强度较好的金属防锈材料，或具备相当强度的其他材料。接口205用于连接支撑片203与刮臂3。保护套204用于包裹保护清洁刮条201、弓形片202等结构，保护及美化外观，可具体为橡胶套；同时保护套204的上部的外形设计成“人”字形迎水面，利用清洁装置运动时形成水压，可以让清洁刮条201更好地贴紧光学玻璃镜面。在支撑片203的一侧安装有清洁喷嘴系206，通过将其喷嘴接头连接到输液管2803上，清洁喷嘴系206在清洁刷器2工作过程中持续喷出消毒液，以清洁玻璃镜面及清洁刮条201，杀灭附着的海生物。在支撑片203的另一侧安装紫外灯系207，紫外灯系207在清洁刷器2工作过程中持续发射紫外线照射玻璃面及清洁刮条201，近一步杀灭附着的海生物，由于消毒液及紫外灯照射的作用，清洁刷器2上附着的生物被消灭，可保证清洁装置长期使用而不降低清洁效果。
图5为本发明海底清洁装置洗涤机构示意图。如图所示，洗涤装置包括储液罐2801、洗涤泵2802、输液管2803及喷液开关2804等组成。该装置放置于搭载光学镜面的水下设备内，海底清洁装置工作时，启动喷液开关2084，洗涤泵2082将储液罐2081内的消毒液压缩并通过输液管2083输送至清洁刷器的清洁喷嘴系206处，在清洁刷器2工作过程中冲刷与消灭附着的海生物。
图6为本发明海底镜头清洁装置刮臂3的结构示意图。如图所示，刮臂3包括第一连杆301、曲张机构302、第二连杆303和刮臂驱动系统304组成。第一连杆301一端与接口205铰接，另一端与第二连杆303铰接，具备一定强度，其形状设计为圆弧状是为了避免与光学镜面干涉，近一步扩大清洁范围。第二连杆303一端与第一连杆301铰接，另一端与刮臂驱动系统304的输出端及基座支撑板401上的连接口连接。第一连杆301及第二连杆303在其铰接处内部安装曲张机构302。刮臂驱动系统304为第一水密电机（可结合具体的使用场景配备减速器等机构），输出端与第二连杆303连接，将驱动系统的转速与力矩传递给第二连杆303，刮臂驱动系统304固定于基座支撑板401上。
图7a、图7b和图7c为本发明海底镜头清洁装置基座及导轨6示意图，图8为本发明海底镜头清洁装置基座滚轮与导轨6截面配合图，其中基座4由基座支撑板401和四个基座滚轮402组成。基座支撑板401上搭载刮臂结构及清洁刷器。四个基座滚轮402与导轨6配合，从图8可见，导轨6通过与四个基座滚轮402嵌套配合，限制基座4各方向自由度，只保留沿导轨运动方向的自由度，同时，当基座4相对于导轨运行时，四个滚轮在导轨凸槽内沿自身轴线方向转动，大大减小了基座4移动过程与导轨6的摩擦力，使得装置能适应水底复杂洋流并沿导轨顺畅运动。基座动力装置5由第二水密电机501（可结合具体的使用场景配备减速器等机构）、基座动力齿轮502及基座齿条503组成。第二水密电机501固定于基座支撑板401上。基座动力齿轮502固定于第二水密电机501输出轴上，并与基座齿条相啮合。工作时启动水密电机501，电机将转速及扭矩传递给基座动力齿轮502并通过与基座齿条啮合传动带动装置沿圆导轨运动。
工作时启动基座动力装置5，则海底镜头清洁装置将沿着圆弧导轨6往复周向运行。当海底镜头清洁装置处于导轨6圆周某一位置时，基座4由于导轨6的支撑和限位，将抵御其上的刮臂结构以及水下洋流施加给基座的作用力。刮臂驱动系统304控制第二连杆303沿着铰接处a转动，曲张机构302一直处于压缩状态。在曲张机构302张力、刮臂驱动系统电机力矩及基座导轨的支撑作用下，清洁刷器受到第一连杆301施加的压力和镜面支撑力，使其与玻璃镜面紧紧贴合，通过控制刮臂驱动系统304转动第二连杆303至不同位置，将驱使清洁刷器沿着光学玻璃镜面的经线方向运动，并始终贴紧镜面。这种结构及作用方式可使清洁刷器适应沿玻璃曲面经线方向变化曲率的各种曲面形状，保持清洁刷器始终与光学玻璃镜面紧贴状态。如图9a、图9b和图9c所示为海底镜头清洁装置处于圆轨某一圆周位置时，清洁刷器及刮臂机构沿镜面经线方向工作状态图。
当海底镜头清洁装置处于距离导轨6平面某一固定高度位置时，基座4由于导轨6的支撑和限位，将抵御其上的刮臂结构以及水下洋流施加给基座的作用力。刮臂驱动系统304控制第二连杆303沿着铰接处a转动，曲张机构302一直处于压缩状态。在曲张机构302张力、刮臂驱动系统电机力矩及基座导轨的支撑作用下，清洁刷器受到第一连杆301施加的压力和镜面支撑力，使其与玻璃镜面紧紧贴合，通过驱动基座动力装置5，带动基座动力齿轮502与基座齿条503啮合，驱动装置沿导轨周向运动，同时控制刮臂驱动系统304转动第二连杆303至不同位置，将驱使清洁刷器沿着光学玻璃镜面的纬线方向始终贴紧镜面。这种结构及作用方式可使清洁刷器适应沿玻璃曲面纬线方向变化曲率的各种曲面形状，保持清洁刷器始终与光学玻璃镜面紧贴状态。
与现有技术相比，本方案优点如下：
1、适用范围广，可适用于曲率变化的球面及多面体的水下光学镜面清洁（需结合具体的使用场景配备不同形状导轨6）；
2、不改变搭载光学镜面的水下装置本身结构，适用于各种水下装置；
3、结合水下清洁装置的使用场景及清洁刷器的受力情况，精心设计，除去喷射消毒液及紫外线照灯系统，整个装置的清洁动作只由一个刮臂驱动电机及基座驱动电机完成。结构简单紧凑，不引入复杂机构，零件及驱动装置少，成本低效果好且易于维护；
4、清洁装置与导轨6配合使用运用于海底环境，机构简约精巧，能适应水下复杂洋流，保证机构工作的可靠性；
5、机构由于工作过程中持续喷射消毒液，并照射紫外线，不仅能加强消灭附着物的效果，还能同时对清洁刷器进行自清洁，使机构长期维持较好的清洁效果。
本发明实施例还提供了一种水下设备，包括：光学窗口1，还包括：如上述的窗口清洁装置。该水下设备可满足曲率沿着经线及纬线方向变化的光学镜面的清洁需求。整个装结构简单精巧、适用范围广、零件及驱动装置少，成本低效果好且易于维护。
本发明实施例还提供了一种窗口清洁方法，采用如上述的窗口清洁装置，该窗口清洁方法包括：
控制刮臂驱动系统304驱使第二连杆303在第一平面内转动或者在平行第一平面的平面内转动，带动第一连杆301和清洁刷器2在第一平面内转动，或者带动第一连杆301和清洁刷器2在平行第一平面的平面内转动，曲张机构302为第一连杆301和第二连杆303提供相对转动的作用力，清洁刷器2在第一连杆301的压力作用下贴合光学窗口1。在此可具体为沿着球形光学窗口1的经线方向运动，详细工作过程可以参照前文说明，在此不再赘述。
进一步的，窗口清洁方法还包括：
控制基座动力装置5驱使基座4沿导轨6在第二平面内运动。在此可具体为沿着球形光学窗口1的纬线方向运动，详细工作过程可以参照前文说明，在此不再赘述。上述第一平面和第二平面的运动可以同时进行。
综上所述，本方案实施提出一种可用于防止水下无线光通信设备的光学窗口表面的生物结垢的清洁技术。本发明的特征在于采用机械去除的方式对任意曲率的光学窗口进行清洁处理。具体的，研发一种窗口清洁装置，由清洁刷器、刮臂、基座、基座动力装置和导轨配合使用。使用时导轨可以方便的安装在搭载水下光学窗口的各种水下设备上，清洁刷器沿导轨运行，达到清洁的目的。该装置核心优点在于机构简单且能适应各种曲率的海底光学窗口。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (18)

1.一种窗口清洁装置，其特征在于，包括：清洁刷器（2）和刮臂（3）；
所述刮臂（3）包括：第一连杆（301）、曲张机构（302）、第二连杆（303）和刮臂驱动系统（304）；
所述第一连杆（301）的第二端铰接于所述第二连杆（303）的第一端；
所述清洁刷器（2）铰接于所述第一连杆（301）的第一端，且转动轨迹与所述第一连杆（301）第二端和所述第二连杆（303）第一端之间铰接处（a）的转动轨迹均位于第一平面内，或者所述清洁刷器（2）的转动轨迹所在平面平行于所述第一平面；
所述第二连杆（303）能够由所述刮臂驱动系统（304）驱使转动，且转动轨迹与所述铰接处（a）的转动轨迹均位于所述第一平面内，或者所述第二连杆（303）的转动轨迹所在平面平行于所述第一平面；
所述曲张机构（302）安装在所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）的铰接处（a），能够为所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）提供相对转动的作用力；
所述刮臂驱动系统（304）通过转动所述第二连杆（303）至不同位置，驱使所述清洁刷器（2）在所述第一平面内或者在平行于所述第一平面的平面内转动，并始终贴紧光学窗口（1）以实现在所述第一平面内的移动清洁；
所述窗口清洁装置还包括：基座（4）、基座动力装置（5）和导轨（6）；
所述刮臂驱动系统（304）固定于所述基座（4），所述基座动力装置（5）能够驱使所述基座（4）沿所述导轨（6）运动，且运动轨迹位于垂直于所述第一平面的第二平面内。
2.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述曲张机构（302）能够为所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）提供相背转动的作用力。
3.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述曲张机构（302）包括：设置在所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）之间的储能元件；
所述储能元件能够为所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）提供相背转动的弹性回复力。
4.根据权利要求3所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述储能元件包括：扭簧、氮气弹簧和/或高弹性橡皮筋。
5.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述第一连杆（301）为圆弧状连杆。
6.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述刮臂驱动系统（304）包括：第一水密电机；
所述第二连杆（303）的第二端连接于所述刮臂驱动系统（304）的输出端。
7.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述清洁刷器（2）包括：清洁刮条（201）、弓形片（202）、支撑片（203）和接口（205）；
所述清洁刮条（201）安装在所述弓形片（202）的内凹面，所述弓形片（202）与所述支撑片（203）连接，所述接口（205）固定于所述支撑片（203）上，所述接口（205）铰接于所述第一连杆（301）的第一端。
8.根据权利要求7所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述清洁刷器（2）还包括：保护套（204）；
所述保护套（204）的内侧面安装于所述弓形片（202）的外凸面，所述保护套（204）的外侧面具有“人”字形迎水面。
9.根据权利要求7所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述清洁刷器（2）还包括：设置于所述支撑片（203）的清洁喷嘴系（206）。
10.根据权利要求9所述的窗口清洁装置，其特征在于，还包括：洗涤机构；
所述洗涤机构包括：储液罐（2801）、洗涤泵（2802）、输液管（2803）和喷液开关（2804）；
所述输液管（2803）连接于所述清洁喷嘴系（206）。
11.根据权利要求7所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述清洁刷器（2）还包括：设置于所述支撑片（203）的紫外线灯系（207）。
12.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述基座（4）包括：基座支撑板（401）和基座运动机构；
所述刮臂驱动系统（304）固定于所述基座支撑板（401），所述基座支撑板（401）通过所述基座运动机构与所述导轨（6）配合，且所述基座运动机构具有与所述导轨（6）嵌套配合的自由度限制结构，所述自由度限制结构限制所述基座运动机构只能够沿所述导轨（6）运动。
13.根据权利要求12所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述基座运动机构包括：四个基座滚轮（402）；
其中两个所述基座滚轮（402）位于所述导轨（6）的一侧，两个所述基座滚轮（402）位于所述导轨（6）的另一侧，且位于所述导轨（6）同侧的两个所述基座滚轮（402）沿所述导轨（6）导向错开设置；四个所述基座滚轮（402）位于同一平面。
14.根据权利要求1所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述基座动力装置（5）包括：驱动机构和传动机构，
所述驱动机构设置于所述基座（4），所述驱动机构能够通过所述传动机构与所述导轨（6）配合。
15.根据权利要求14所述的窗口清洁装置，其特征在于，所述传动机构包括：基座动力齿轮（502）和基座齿条（503）；
所述基座动力齿轮（502）设置于所述驱动机构的输出端，所述基座齿条（503）沿所述导轨（6）设置，所述基座动力齿轮（502）与所述基座齿条（503）啮合。
16.一种水下设备，包括：光学窗口（1），其特征在于，还包括：如权利要求1-15任意一项所述的窗口清洁装置。
17.一种窗口清洁方法，其特征在于，采用如权利要求1-15任意一项所述的窗口清洁装置，所述窗口清洁方法包括：
控制所述刮臂驱动系统（304）驱使所述第二连杆（303）在所述第一平面内转动或在平行所述第一平面的平面内转动，带动所述第一连杆（301）和所述清洁刷器（2）在所述第一平面内转动，或者带动所述第一连杆（301）和所述清洁刷器（2）在平行所述第一平面的平面内转动，所述曲张机构（302）为所述第一连杆（301）和所述第二连杆（303）提供相对转动的作用力，所述清洁刷器（2）在所述第一连杆（301）的压力作用下贴合光学窗口（1）以实现清洁。
18.根据权利要求17所述的窗口清洁方法，其特征在于，所述窗口清洁装置，还包括：基座（4）、基座动力装置（5）和导轨（6）；
所述刮臂驱动系统（304）固定于所述基座（4），所述基座动力装置（5）能够驱使所述基座（4）沿所述导轨（6）运动，且运动轨迹位于垂直于所述第一平面的第二平面内；
所述窗口清洁方法还包括：
控制所述基座动力装置（5）驱使所述基座（4）沿所述导轨（6）在所述第二平面内运动。
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