CN113636020B - 用于无人艇的模块化对接机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无人艇的模块化对接机构，其包括：第一模块，其安装于无人艇尾部；第二模块，其安装于无人艇头部并与前一个无人艇尾部的第一模块对接。本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构有两种对接方式，都可实现柔性对接。对接后的无人艇编队可实现转弯以及上下浮动，且可以大大减小无人艇编队在水中的阻力，增加整个编队的续航能力。

Description

用于无人艇的模块化对接机构

技术领域

本发明属于无人艇编队领域，尤其涉及到一种用于无人艇的模块化对接机构。

背景技术

无人水面艇在执行危险任务以及不适于有人的任务时极具优势，随着无人艇的不断发展，已经研发出多种类型的无人艇，且无人艇的控制也趋于成熟。但单个的无人艇能力往往是有限的，常常会遇到单艘无人艇无法完成的任务或单艘无人艇下效率不高的情况，这就要求无人艇需要集群工作，互相协同工作，发挥各自优势。无人艇的集群协作与单个的无人艇相比，具有更强的灵活性、机动性、以及更广的作业范围和更高的作业效率。但无人艇编队有很多种编队阵型，目前无人艇编队研究依然是多艇分散阵型，还没有人对无人艇群对接编队做出相应研究。

水面无人艇编队是指两艘或两艘以上的无人艇在某个海域完成战略任务或运输任务组织的无人艇集群。水面无人艇编队可以最大限度地发挥编队的整体优势，同时编队能实时机动地变换队形，通过密切协作方便整体指挥。无人艇编队从可变性上主要可以分为固定编队和临时编队，固定编队指多个无人艇具有固定结构的编队，而临时编队则是指在无人艇执行任务的过程中，根据任务需要临时组成的编队，编队中成员作用与相对位置变化灵活。

对接装置是用于两个航天器在轨道上固定连接的装置，目前国际上的航天器对接装置共有四种：环-锥式、杆-锥式、异体同构周边式、抓手-碰撞锁式。

“杆-锥”式对接结构，这种对接装置虽然结构简单可靠、质量轻。两艘对接航天器上的对接装置不同，一艘是主动的杆，另一艘是被动的锥，二者不能通用。形象地说，二者类似于螺杆和螺母的关系。杆相当于“螺杆”、锥相当于“螺母”。带有“杆”的航天器只能主动去“追”带有“锥”的航天器并与之对接，反过来则不行。

现在的对接基本都是刚性对接，对接完成后两部分不能独自运动，如叶军立的《一种空间对接锁紧机构》，刘彦臣的《一种自动对接装置》等。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于无人艇的模块化对接机构，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的另一个目的是提供一种用于无人艇的模块化对接机构，实现柔性对接，无人艇编队可实现转弯以及上下浮动，且可以大大减小无人听编队在水中的阻力，增加整个编队的续航能力。

本发明的技术方案如下：

用于无人艇的模块化对接机构，其包括：

第一模块，其安装于无人艇尾部，包括：

第一安装底盘，其中心具有一对接杆锁定槽，所述对接杆锁定槽的外周向呈放射状设置有多个引导爪安装槽，

引导爪，其与所述引导爪安装槽一一对应的设置在所述引导爪安装槽内，所述引导爪在第一直线驱动器的驱动下具有至少两个工作位，分别是收缩至引导爪安装槽内的闲置位、伸出至引导爪安装槽外并形成一对接引导锥形槽的引导位；

第二模块，其安装于无人艇头部并与前一个无人艇尾部的所述第一模块对接，所述第二模块包括：

第二安装底盘；

第二直线驱动器，其安装在所述第二安装底盘上，且输出端沿着所述第二安装底盘的轴线方向设置；

对接杆，其包括与所述第二安装底盘固定的外套筒以及设置在所述外套筒头端的锁定部，所述锁定部的外侧开设有至少一个锁定件移动槽；

锁定件，其与所述锁定件移动槽一一对应并通过一复位弹簧安装在所述锁定件移动槽内；

活动杆，其位于所述外套筒内且与所述直线驱动器的输出端连接，所述活动杆的头端抵顶在所述锁定件的尾部以驱动所述锁定件使其头端伸出至所述锁定件移动槽外部并抵顶在所述对接杆锁定槽的内壁上；所述引导爪还具有一工作位，其为伸出至引导爪安装槽外并抱紧对接杆的抱紧位；所述引导爪为伸缩连杆结构，包括：

第一连杆，其末端与所述第一直线驱动器的输出端连接并在所述第一直线驱动器的驱动下沿着所述引导爪安装槽的长度方向直线移动，且所述第一连杆的一侧具有一凸块；

第二连杆，其末端铰接在所述引导爪安装槽的内壁上，且所述第二连杆的一侧中部位置具有与所述凸块配合的条状滑槽；

第三连杆，其末端铰接在所述引导爪安装槽的内壁上；

第四连杆，其末端与所述第一连杆、所述第三连杆的头端枢接；

第五连杆，其末端与所述第二连杆的头端枢接，中部与所述第四连杆的中部枢接；

第六连杆，其末端与所述第四连杆的头端枢接；

第七连杆，其末端与所述第五连杆的头端枢接，中部与所述第六连杆的头端枢接。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，所述第七连杆的头端具有一抱紧件。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，所述抱紧件为球形或者弧形。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，

所述第一安装底盘上位于所述对接杆锁定槽和所述引导爪安装槽之间的位置具有第一引导帆布安装孔；

所述第七连杆上具有第二引导帆布安装孔；

一圆锥形引导帆布通过所述第一引导帆布安装孔和所述第二引导帆布安装孔分别与所述第一安装底盘和所述引导爪固定，所述引导爪位于引导位时所述圆锥形引导帆布展开形成一圆锥形引导面。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，所述对接杆头部锁定槽的边缘位置具有多个锁定缺口。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，

所述第一直线驱动器为电机+联轴器+丝杠导轨结构；

所述第二直线驱动器为液压杆结构。

优选的是，所述的用于无人艇的模块化对接机构中，所述锁定部的头端具有一凹槽，所述凹槽内设置有一红外传感器。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明使用模块化的方式将对接分为前后两个部分，可通过螺栓分别安装于两个无人艇上，为无人艇的对接提供了方法。

(2)采用杆-锥式对接方式，但不同于一般的杆-锥对接，该发明专利的对接锥可以进行收回与伸出，这一想法的实现得益于对接锥引导面采用柔性的布面。

(3)本发明的设计可有两种对接方式，一种是使用锁定腔进行对接与锁定另一种是通过锁定爪的包围来实现对接与锁定。

(4)本发明实现的对接是柔性的对接，对接后的无人艇编队可实现转弯以及上下浮动。

(5)使用本发明完成无人艇的对接后，可以大大减小无人艇编队在水中的阻力，增加整个编队的续航能力。

(6)当无人艇编队中某个或某几个无人艇出现续航或其他故障时可以通过本发明与其他状况良好的无人艇对接，然后在其他无人艇的拖带下返回，便于故障无人艇的回收。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的第一模块结构示意图；

图2为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的球形空腔内部结构示意图；

图3为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的矩形盒的结构示意图；

图4为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的传动杆机构的结构示意图；

图5为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的动力杆的结构示意图；

图6为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的第二连接杆的结构示意图；

图7为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的第七连接杆的结构示意图；

图8为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的圆形底盘的结构示意图；

图9为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的液压杆套筒的结构示意图；

图10为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的对接杆的结构示意图；

图11为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中第一模块的收缩状态示意图；

图12为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中第一模块的伸展状态示意图；

图13为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例的对接状态示意图；

图14为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例中的对接杆的锁定状态示意图；

图15为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的一个实施例的锁定状态示意图；

图16为本发明提供的用于无人艇的模块化对接机构的另一个实施例的抱紧状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

目前地无人艇编队研究多是多个无人艇分散编队，每个艇依然还是独立的个体，这就使整个无人艇编队的阻力较大，不利于编队的续航。在无人艇对接的编队研究尚存在空白，并且现有的对接技术多是刚性对接，对接后的个体不能转动。

基于此，本发明设计出一种用于无人艇的模块化对接机构，可以将两个模块分别安装于不同的无人艇上，就可以实现无人艇编队的对接，并且该机构巧妙的机械设计使控制简单可靠，不仅能实现对接，还能使对接后的编队可进行转弯与上下浮动。对接完成后形成一列，这就大大减小后面无人艇的阻力，提高续航能力。

本发明主要有两个模块构成，第一模块主要是位于前部的引导爪和锁定槽，第二模块主要是用于对接的杆部分。可以将第一模块安装于无人艇的尾部，将第二模块安装于另一个无人艇的头部，这样就可以实现两个无人艇的对接与锁定。

如图1所示，第一模块安装于一个方形底盘1之上，四边都设有螺栓孔2用于将第一模块安装于无人艇上，底盘正中间是一个球形空腔3，其作为对接杆锁定槽使用，该空腔内部半径稍大于对接杆头部的球的半径，且空腔入口处内部设有一圈锁定缺口6，如图2所示，目的是保证对接杆在球形空腔内不会滑出。球形空腔周围等距阵列有六个矩形凹槽4，这些凹槽用于安装引导爪，球形空腔3入口边缘设有一圈引导帆布安装孔5，用于将引导帆布固定。

引导爪可以进行收缩，依靠电机驱动，电机带动丝杠的移动，丝杠的移动带动杆的移动，然后经过一系列杆的传动实现引导爪的收缩。具体结构如下：

1、矩形盒，其安装在矩形凹槽4内：

如图3所示，该矩形盒设有三个仓室，由上往下分别是电机仓701、联轴器仓702以及伸缩机械结构仓703，电机安装于电机仓701内，联轴器安装于联轴器仓702内，而伸缩机械结构仓703内集成了丝杠以及杆传动机构。丝杠的杆通过联轴器与电机轴相连，三个仓室间都有通孔供轴与杆通过。伸缩机械结构仓703的底部设有丝杠导轨来导引丝杠的直线运动，且仓的两侧分别有两个通孔用于固定安装传动杆。

2、传动杆机构：

传动杆机构由7根杆组成，如图4所示，首先动力杆801一端与丝杠相连，丝杠驱动动力杆801，如图5所示，动力杆801的一侧设有一圆柱突起8011，如图6所示，该圆柱突起8011与第二连接杆802一侧的长凹槽8021相配合，圆柱突起8011可在长凹槽8021内滑动，第二连接杆802的一端与上述矩形盒的一侧内壁相连，同样矩形盒另一侧的通孔处与第三连接杆803的一段相连，第三连接杆803的另一端与动力杆801的另一端相连，第三连接杆803的作用是固定动力杆801的位置，第四连接杆804具有三个连接孔，其一端与动力杆801和第三连接杆803的连接端相连，第四连接杆804的中间孔与第五连接杆805的中间孔相连，其中第五连接杆805与第四连接杆804结构相似都具有三个连接孔，第五连接杆805的一端与第二连接杆802的另一端是相连的，第四连接杆804的末端连接第六连接杆806的一端，第六连接杆806的另一端连接于第七连接杆807之上，如图7所示，第七连接杆807是一根长杆，具有两个连接孔，其中端部连接孔与第五连接杆805的末端相连，且第七连接杆807的末端是一个球形结构8071，其为抱紧件，球形结构8071旁边有一个引导帆布安装孔8072，通过螺钉安装于第七连接杆807之上。

第二模块是对接杆模块。与第一模块相同，第二个模块安装于一个圆形底座之上，底座上的四个螺栓孔用于将整个模块安装于无人艇的头部，该模块主要是对接杆机构，该机构通过一根液压杆来驱动，具体结构如下：

1、底座：

如图8所示，圆形底座，四周设有螺栓孔用于将模块固定于无人艇上，内部也设有四个螺栓孔，主要用于固定液压安装筒。

2、液压杆套筒：

如图9所示，该部件用于将液压杆套入其中，并通过螺栓将液压杆固定于底座之上，套筒中间设有一个通孔用于与对接杆相连，同时也将液压杆与对接杆相连。

3、对接杆：

对接杆的特殊结构是实现对接锁定的关键，如图10所示，该结构主要包括外层杆体，该杆体由一根空心的细长杆901和头部的球形结构902组成，细长杆空心腔体内部配合安装一根推动杆10，该推动杆尾端是锥形结构，能够使两侧的锁定伸出杆11顺着锥形面滑动，该推动杆10另一端与液压杆相连，液压杆的伸缩带动推动杆10的伸缩，头部球形结构902内上下对称配合安装两根锁定伸出杆11，且两根伸出杆都配有一个复位弹簧，两根杆以一定角度倾斜放置，使其一端正好与推动杆10锥形斜面平行。球形结构902前端部有一平面，该平面中间有一凹槽用于安装红外传感器12。

实施例1：

如图11所示，在对接之前第一模块的引导爪处于收缩状态，此时传动杆机构都处于矩形盒之内。

如图12所示，当开始实施对接时，电机收到指令后开始转动，电机轴通过联轴器带动丝杠杆的转动，接着丝杠沿着导轨进行移动，同时也带动了传动杆结构中的动力杆向上运动，主动杆的向上运动带动整个机构的向外伸出，当整个机构伸到限位位置时电机停止转动，传动机构也停止伸出，此时固定在传动机构最外侧球形结构处以及球形空腔入口处的布被完整伸开，由于引导帆布一端固定于球形空腔周围，另一端固定于杆7的后端，当整个机械结构完全伸开时，引导帆布也被展开，此时形成了一个由帆布组成的漏斗结构。

当引导爪开口到最大处时，位于后面的对接杆较容易达到对接位置，当对接杆向前慢慢到达引导爪所处范围时，继续向前推进，对接杆头部的球形结构会顺着形成的漏斗结构滑到对接腔入口处，如图13所示。

当对接杆继续向前并插入到对接腔内后，位于对接杆顶端的红外线传感器会识别到对接成功，接着发出信号，此时，液压杆会向外推出，进而推动内部的推动杆向前运动，推动杆的推动会使两根锁定杆伸出球形结构之外，进而达到锁定的目的，如图15和图16所示。

当需要解除对接状态时，第二模块的液压杆带动推动杆收缩，没有了推动杆的推力，在复位弹簧的弹力下，两根锁定杆复位收回，此时对接杆可以无障碍的退出。接着第一模块的引导爪开始回缩，同样是电机转动带动丝杠运动，接着传动杆机构的主动杆向下运动，带动整个机械结构回缩，整个脱离过程完成。

实施例2：

同实施例1一样，在对接之前引导爪需要向外伸出到最大位置，接着对接杆向前慢慢移动到引导爪的范围之内。

此时，电机转动，带动传动机构收缩，收缩到预定位置，此时引导爪末端的球结构会将对接杆抱住，此时由于对接杆尾端的球形结构半径较大，故整个对接杆不会脱离引导爪所围成的圈，由此实现了对接与锁定，如图16所示。

当需要解除锁定时，只需将锁定爪向外伸出，此时对接杆就可以无障碍脱出，最后引导爪缩回到最初状态。

本发明具有以下特点：

(1)本发明可实现无人艇的对接。

(2)模块化的对接机构可以安装到各种无人艇上，大大增强无人艇编队的种类与灵活性。

(3)采用锥杆式对接方式，增大了对接的区域，减小了对接难度

(4)对接锥的引导面采用布面，使对接锥面可以进行收回与展开

(5)锁定爪的伸缩可以实现最外端六个小球可以抱成一圈，将对接杆端部大球包围其中实现对接与锁定

(6)该对接机构可有两种对接与锁定方式供选择

(7)后面的对接杆与前面锁定部件对接完成后都有一定的上下左右的自由度，故两种对接方式都可以实现对接后的编队的转弯以及上下晃动。

(8)锁定爪伸缩部件由7根杆相互连接而成，由一个电机驱动，一根丝杠将电机的旋转运动转化为直线运动进而驱动7根杆的伸缩运动。

(9)对接杆端部是一个半径较大的球形结构，球形结构内部倾斜设有两根锁定杆，锁定杆由一根较长的推动杆前后推动，推动杆的驱动则是一个伸缩液压杆。

本发明中，

1、锁定爪的末端不一定是球形结构，可以是环形结构，与对接杆的大球契合，完整将对接杆给套住。

2、锁定爪的数量不一定是六个，4个或多余6个都可以实现。

3、锁定爪的伸缩机械结构可以是其他结构也能实现这种运动。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，包括：

第一模块，其安装于无人艇尾部，包括：

第一安装底盘，其中心具有一对接杆锁定槽，所述对接杆锁定槽的外周向呈放射状设置有多个引导爪安装槽，

引导爪，其与所述引导爪安装槽一一对应的设置在所述引导爪安装槽内，所述引导爪在第一直线驱动器的驱动下具有至少两个工作位，分别是收缩至引导爪安装槽内的闲置位、伸出至引导爪安装槽外并形成一对接引导锥形槽的引导位；

第二模块，其安装于无人艇头部并与前一个无人艇尾部的所述第一模块对接，所述第二模块包括：

第二安装底盘；

第二直线驱动器，其安装在所述第二安装底盘上，且输出端沿着所述第二安装底盘的轴线方向设置；

对接杆，其包括与所述第二安装底盘固定的外套筒以及设置在所述外套筒头端的锁定部，所述锁定部的外侧开设有至少一个锁定件移动槽；

锁定件，其与所述锁定件移动槽一一对应并通过一复位弹簧安装在所述锁定件移动槽内；

活动杆，其位于所述外套筒内且与所述第二直线驱动器的输出端连接，所述活动杆的头端抵顶在所述锁定件的尾部以驱动所述锁定件使其头端伸出至所述锁定件移动槽外部并抵顶在所述对接杆锁定槽的内壁上；所述引导爪还具有一工作位，其为伸出至引导爪安装槽外并抱紧对接杆的抱紧位；所述引导爪为伸缩连杆结构，包括：

第一连杆，其末端与所述第一直线驱动器的输出端连接并在所述第一直线驱动器的驱动下沿着所述引导爪安装槽的长度方向直线移动，且所述第一连杆的一侧具有一凸块；

第二连杆，其末端铰接在所述引导爪安装槽的内壁上，且所述第二连杆的一侧中部位置具有与所述凸块配合的条状滑槽；

第三连杆，其末端铰接在所述引导爪安装槽的内壁上；

第四连杆，其末端与所述第一连杆、所述第三连杆的头端枢接；

第五连杆，其末端与所述第二连杆的头端枢接，中部与所述第四连杆的中部枢接；

第六连杆，其末端与所述第四连杆的头端枢接；

第七连杆，其末端与所述第五连杆的头端枢接，中部与所述第六连杆的头端枢接。

2.如权利要求1所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，所述第七连杆的头端具有一抱紧件。

3.如权利要求2所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，所述抱紧件为球形。

4.如权利要求2所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，所述抱紧件为弧形。

5.如权利要求3或4所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，

所述第一安装底盘上位于所述对接杆锁定槽和所述引导爪安装槽之间的位置具有第一引导帆布安装孔；

所述第七连杆上具有第二引导帆布安装孔；

一圆锥形引导帆布通过所述第一引导帆布安装孔和所述第二引导帆布安装孔分别与所述第一安装底盘和所述引导爪固定，所述引导爪位于引导位时所述圆锥形引导帆布展开形成一圆锥形引导面。

6.如权利要求1所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，所述对接杆锁定槽的边缘位置具有一圈锁定缺口。

7.如权利要求1所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，

所述第一直线驱动器为电机+联轴器+丝杠导轨结构；

所述第二直线驱动器为液压杆结构。

8.如权利要求1所述的用于无人艇的模块化对接机构，其特征在于，所述锁定部的头端具有一凹槽，所述凹槽内设置有一红外传感器。

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