CN114044115B - 一种柔性浮力调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮力调节技术领域，具体是涉及一种柔性浮力调节方法及装置，所述的装置包括浮箱，所述浮箱的前部和后部分别设置有硬质密封舱和皮质密封囊，所述皮质密封囊包括不可变形密封舱和无缝橡胶皮质密封囊，所述无缝橡胶皮质密封囊包括皮质密封囊腔，所述不可变形密封舱内装有轻质油液体，且不可变形密封舱内还滑动安装有用于挤压轻质油液体的活塞，所述不可变形密封舱与所述皮质密封囊腔之间连通设置，所述浮箱内还设置有用于带动所述活塞运动的驱动组件。本发明所公开的柔性浮力调节方法，有效延长水下机器人的有效工作时间，降低使用成本，提高用户的操作便利性。

Description

一种柔性浮力调节方法及装置

技术领域

本发明涉及浮力调节技术领域，具体是涉及一种柔性浮力调节方法及装置。

背景技术

传统水下机器人普遍在垂直方向布置数个推进器，通过控制推进器的正向或反向的推动，使水下机器人实现下潜和上浮。

然而，现有的水下机器人用浮力调节装置存在以下缺陷：1.由于不同季节、不同地域的水质密度均会变化，机器人每次工作前需要调整机器人本身的浮力，以便在水下机器人垂直推进器的动力范围之内，才能使机器人具备上浮和下潜的能力，使用不便；2.水下机器人下潜和上浮的过程中，垂直方向的推进器需要全程工作，随着下潜深度的增加，推进器工作的时间也相应增加，需要消耗更多的能源，由于需要预留更多的能源给下潜和上浮过程，则可以用于在水下有效工作的能源相应减少。因此，针对以上现状，迫切需要提供一种柔性浮力调节方法及装置，以克服当前实际应用中的不足。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种柔性浮力调节装置，包括浮箱，所述浮箱的前部和后部分别设置有硬质密封舱和皮质密封囊，所述皮质密封囊包括不可变形密封舱和无缝橡胶皮质密封囊，所述无缝橡胶皮质密封囊包括皮质密封囊腔，所述不可变形密封舱内装有轻质油液体，且不可变形密封舱内还滑动安装有用于挤压轻质油液体的活塞，所述不可变形密封舱与所述皮质密封囊腔之间连通设置，所述浮箱内还设置有用于带动所述活塞运动的驱动组件。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述驱动组件包括驱动电机、齿轮箱丝杠以及丝杠螺母，所述驱动电机设置于所述浮箱内，所述齿轮箱设置于所述浮箱上，所述齿轮箱内还设置有多组用于所述驱动电机输出轴与所述丝杠相连接的齿轮，且所述丝杠转动安装在所述浮箱内，所述丝杠螺母与所述丝杠螺纹连接，且所述丝杠螺母与所述活塞之间通过推杆连接。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述无缝橡胶皮质密封囊还包括有辅助气囊腔。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述辅助气囊腔与所述皮质密封囊腔之间通过橡胶隔膜分隔。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述浮箱内还设置有用于配合所述辅助气囊腔使用的空气涨缩回路模块。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述轻质油液体的密度小于水的密度。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述浮箱内还设置有用于配合所述皮质密封囊使用的预置力辅助轻质油缸。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述浮箱和所述齿轮箱的外表面均喷涂有防腐蚀漆。

作为本发明的再进一步技术方案是：所述无缝橡胶皮质密封囊采用防腐蚀材料制成。

一种柔性浮力调节方法，使用上述的柔性浮力调节装置，所述调节方法包括：

（11）在下潜时，驱动组件带动活塞向远离皮质密封囊腔一侧运动，不可变形密封舱内形成负压，皮质密封囊腔内的轻质油液体将回流到不可变形密封舱内，皮质密封囊腔的体积变小，从而减小浮箱的浮力；

（12）在下潜时，外部水压力会将气辅助气囊腔的气体压回浮箱内，辅助气囊腔压缩到最小体积，从而使得浮箱浮力减小；

（21）在上浮时，驱动组件带动活塞向皮质密封囊腔一侧运动，活塞将不可变形密封舱内的轻质油液体推出至皮质密封囊腔内，皮质密封囊腔在充油状态下膨胀，体积增大，从而使浮箱增加浮力；

（22）在上浮时，通过空气涨缩回路模块将浮箱内的剩余气体泵入辅助气囊腔内，使得辅助气囊腔体积变大，从而使得浮箱增加浮力。

本发明的有益效果是：

1.采用皮质密封囊来精确调节水下机器人自身浮力，不需要配负重块，不需要推进器的长时间工作，浮力调节更方便、更精确，有效工作时间更长；

2.通过微调活塞的行程来精确控制皮质密封囊体积的变化量，从而实现在水面与最深处之间的任何深度上让水下机器人处于零浮力状态，使水下机器人可以快速地适应不同水域的应用，用户使用更方便；

3.通过空气涨缩回路模块即可将内的剩余气体泵入辅助气囊腔使之胀大，让水下机器人更高的浮出水面，当水下机器人进入下潜动作时，外部水压力会将辅助气囊腔内的气体压回浮箱内，辅助气囊腔压缩到最小体积，保证了水下机器人顺利下潜，通过皮质密封囊腔和辅助气囊腔的双腔结构设计，从而减少了对液压轻质油用量的要求，减少了水下机器人的成本和整机重量；

4.本发明采用了不消耗能量的预置力辅助轻质油缸措施，从而进一步减少浮力调节装置的耗电量，进而节约了更多的能源以供水下机器人进行有效的工作。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明柔性浮力调节装置的结构示意图。

附图中：1-浮箱，2-活塞，3-轻质油液体，4-皮质密封囊腔，5-辅助气囊腔，6-空气涨缩回路模块，7-驱动电机，8-硬质密封舱，9-齿轮箱，10-丝杠，11-丝杠螺母，12-不可变形密封舱，13-推杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，为本发明的一个实施例提供的一种柔性浮力调节装置，包括浮箱1，所述浮箱1的前部和后部分别设置有硬质密封舱8和皮质密封囊，所述皮质密封囊包括不可变形密封舱12和无缝橡胶皮质密封囊，所述无缝橡胶皮质密封囊包括皮质密封囊腔4，所述不可变形密封舱12内装有轻质油液体3，且不可变形密封舱12内还滑动安装有用于挤压轻质油液体3的活塞2，所述不可变形密封舱12与所述皮质密封囊腔4之间连通设置，所述浮箱1内还设置有用于带动所述活塞2运动的驱动组件。

在本实施例中，浮箱1可以直接安装到水下机器人上，使用时首先将轻质油液体3填充到不可变形密封舱12内，通过驱动组件即可带动活塞2向远离皮质密封囊腔4一侧运动，从而使得不可变形密封舱12内产生负压，此时流入皮质密封囊腔4内的轻质油液体3将被吸入到不可变形密封舱12内，皮质密封囊腔4的体积变小，进而实现浮箱1的浮力减小，便于水下机器人下潜，通过驱动组件带动活塞2向皮质密封囊腔4一侧运动的方式，通过活塞2即可将不可变形密封舱12内的轻质油液体3推出到皮质密封囊腔4内，使得皮质密封囊腔4体积变大，进而使得浮箱1增加浮力，便于水下机器人上浮，通过微调活塞2的行程来精确控制皮质密封囊体积的变化量，从而实现在水面与最深处之间的任何深度上让水下机器人处于零浮力状态；在本发明中，采用皮质密封囊来精确调节水下机器人自身浮力，不需要配负重块，不需要推进器的长时间工作，浮力调节更方便、更精确，有效工作时间更长。

所述驱动组件包括驱动电机7、齿轮箱9丝杠10以及丝杠螺母11，所述驱动电机7设置于所述浮箱1内，所述齿轮箱9设置于所述浮箱1上，所述齿轮箱9内还设置有多组用于所述驱动电机7输出轴与所述丝杠10相连接的齿轮，且所述丝杠10转动安装在所述浮箱1内，所述丝杠螺母11与所述丝杠10螺纹连接，且所述丝杠螺母11与所述活塞2之间通过推杆13连接；

所述驱动电机7采用伺服电机，驱动电机7还可以采用其他型号电机；

通过驱动电机7带动丝杠10正转或者反转的方式即可带动丝杠螺母11在丝杠10上往复运动，从而通过推杆13即可带动活塞2在不可变形密封舱12内往复运动。

所述无缝橡胶皮质密封囊还包括有辅助气囊腔5；

所述辅助气囊腔5与所述皮质密封囊腔4之间通过橡胶隔膜分隔；

所述浮箱1内还设置有用于配合所述辅助气囊腔5使用的空气涨缩回路模块6，所述空气涨缩回路模块6包括小气泵、单向阀、三通阀、管路以及连通气囊，其中所述小气泵、单向阀、三通阀、管路以及连通气囊的安装位置以及连接方式不作具体限定，在生产过程中可根据实际情况设置；

在本实施例中，通过空气涨缩回路模块6即可将1内的剩余气体泵入辅助气囊腔5使之胀大，让水下机器人更高的浮出水面，当水下机器人进入下潜动作时，外部水压力会将辅助气囊腔5内的气体压回浮箱1内，辅助气囊腔5压缩到最小体积，保证了水下机器人顺利下潜，通过皮质密封囊腔4和辅助气囊腔5的双腔结构设计，从而减少了对液压轻质油用量的要求，减少了水下机器人的成本和整机重量。

所述轻质油液体3的密度小于水的密度。

所述浮箱1内还设置有用于配合所述皮质密封囊使用的预置力辅助轻质油缸（图中未示出），预置力辅助轻质油缸通过水压变化的方式实现对皮质密封囊体积的调节；

具体的，为了进一步减少水下机器人耗电量，本发明采用了不消耗能量的预置力辅助轻质油缸措施。从计算得知，浮箱1从水下上浮到水面的能力与皮质密封囊体积和水下机器人将上浮箱1本身体积之比有关(△V/V₀)，该比值愈大水下机器人上浮能力愈强。本发明设置了一个预置力辅助轻质油缸，其活塞由内置的压缩气体或弹簧的弹力P₀来推动，当皮质密封囊所受的外界压力P大于P₀时，预置力辅助轻质油缸内的活塞将会被更多地压进轻质油缸，皮质密封囊内的液压轻质油将进入辅助轻质油缸内，皮质密封囊整体体积变小，从而水下机器人浮力也减小；当皮质密封囊所受的外界压力P小于P₀时，预置力辅助轻质油缸内的活塞在P₀作用下被更多地推出轻质油缸，皮质密封囊内的液压轻质油将增多，皮质密封囊整体体积变大，从而水下机器人浮力也变大；

其工作原理如下：假如预置力P₀设定值是1MPa，在以下3种情况时：

一是处在水面，外界压力P=0，预置力辅助轻质油缸内的轻质油全部注入皮质密封囊，使之膨胀到最大，使水下机器人漂浮在水面；

二是下潜，外界压力P逐渐升高，即随外界压力的升高，皮质密封囊中的轻质油逐渐被压回预置力辅助轻质油缸，当P大于等于1MPa时，预置力辅助轻质油缸内储轻质油达到最大容积，皮质密封囊体积将收缩到最小值，水下机器人可潜入到预定深度；

三是上浮，外界压力P<1MPa，压缩气体或弹簧的预置力将预置力辅助轻质油缸内的液压轻质油再次逐渐注入皮质密封囊，水下机器人到达水面后皮质密封囊又可膨胀到最大体积；

综上所述，预置力辅助轻质油缸工作的整个过程不需要额外消耗电力，而实现了皮质密封囊体积的变化。

所述浮箱1和所述齿轮箱9的外表面均喷涂有防腐蚀漆。

所述无缝橡胶皮质密封囊采用防腐蚀材料制成。

如图1所示，为本发明的一个实施例提供的一种柔性浮力调节方法，使用上述的柔性浮力调节装置，所述调节方法包括：

（11）在下潜时，驱动组件带动活塞2向远离皮质密封囊腔4一侧运动，不可变形密封舱12内形成负压，皮质密封囊腔4内的轻质油液体3将回流到不可变形密封舱12内，皮质密封囊腔4的体积变小，从而减小浮箱1的浮力；

（12）在下潜时，外部水压力会将气辅助气囊腔5的气体压回浮箱1内，辅助气囊腔5压缩到最小体积，从而使得浮箱1浮力减小；

（21）在上浮时，驱动组件带动活塞2向皮质密封囊腔4一侧运动，活塞2将不可变形密封舱12内的轻质油液体3推出至皮质密封囊腔4内，皮质密封囊腔4在充油状态下膨胀，体积增大，从而使浮箱1增加浮力；

（22）在上浮时，通过空气涨缩回路模块6将浮箱1内的剩余气体泵入辅助气囊腔5内，使得辅助气囊腔5体积变大，从而使得浮箱1增加浮力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性浮力调节装置，包括浮箱，其特征在于，所述浮箱的前部和后部分别设置有硬质密封舱和皮质密封囊，所述皮质密封囊包括不可变形密封舱和无缝橡胶皮质密封囊，所述无缝橡胶皮质密封囊包括皮质密封囊腔，所述不可变形密封舱内装有轻质油液体，且不可变形密封舱内还滑动安装有用于挤压轻质油液体的活塞，所述不可变形密封舱与所述皮质密封囊腔之间连通设置，所述浮箱内还设置有用于带动所述活塞运动的驱动组件；

所述浮箱内还设置有用于配合所述皮质密封囊使用的预置力辅助轻质油缸；

当处在水面时，外界压力P=0，所述预置力辅助轻质油缸内的轻质油全部注入所述皮质密封囊，使所述皮质密封囊膨胀到最大；

当下潜时，所述外界压力P逐渐升高，所述皮质密封囊中的轻质油逐渐被压回所述预置力辅助轻质油缸，当P大于等于所述预置力辅助轻质油缸的预置力P₀时，所述预置力辅助轻质油缸内储轻质油达到最大容积，所述皮质密封囊体积将收缩到最小值；

当上浮时，所述外界压力P小于所述预置力P₀，压缩气体或弹簧的预置力将所述预置力辅助轻质油缸内的液压轻质油再次逐渐注入所述皮质密封囊。

2.根据权利要求1所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述驱动组件包括驱动电机、齿轮箱丝杠以及丝杠螺母，所述驱动电机设置于所述浮箱内，所述齿轮箱设置于所述浮箱上，所述齿轮箱内还设置有多组用于所述驱动电机输出轴与所述丝杠相连接的齿轮，且所述丝杠转动安装在所述浮箱内，所述丝杠螺母与所述丝杠螺纹连接，且所述丝杠螺母与所述活塞之间通过推杆连接。

3.根据权利要求1所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述无缝橡胶皮质密封囊还包括有辅助气囊腔。

4.根据权利要求3所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述辅助气囊腔与所述皮质密封囊腔之间通过橡胶隔膜分隔。

5.根据权利要求3所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述浮箱内还设置有用于配合所述辅助气囊腔使用的空气涨缩回路模块。

6.根据权利要求1所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述轻质油液体的密度小于水的密度。

7.根据权利要求1所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述浮箱和齿轮箱的外表面均喷涂有防腐蚀漆。

8.根据权利要求1所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述无缝橡胶皮质密封囊采用防腐蚀材料制成。

9.一种柔性浮力调节方法，使用如权利要求1-8任意一项所述的柔性浮力调节装置，其特征在于，所述调节方法包括：

（11）在下潜时，驱动组件带动活塞向远离皮质密封囊腔一侧运动，不可变形密封舱内形成负压，皮质密封囊腔内的轻质油液体将回流到不可变形密封舱内，皮质密封囊腔的体积变小，从而减小浮箱的浮力；

（12）在下潜时，外部水压力会将气辅助气囊腔的气体压回浮箱内，辅助气囊腔压缩到最小体积，从而使得浮箱浮力减小；

（21）在上浮时，驱动组件带动活塞向皮质密封囊腔一侧运动，活塞将不可变形密封舱内的轻质油液体推出至皮质密封囊腔内，皮质密封囊腔在充油状态下膨胀，体积增大，从而使浮箱增加浮力；

（22）在上浮时，通过空气涨缩回路模块将浮箱内的剩余气体泵入辅助气囊腔内，使得辅助气囊腔体积变大，从而使得浮箱增加浮力。

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