CN114228956A - 一种水下柔性臂及auv水下柔性回收机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下柔性臂及AUV水下柔性回收机构，水下柔性臂包括复合单元、扭转单元、双向泵、三位三通阀、电机以及控制单元；复合单元和扭转单元固定连接，由柔性材料制作而成；扭转单元内部含有一端开口的螺旋空腔；复合单元内部含有至少五个一端开口的圆柱形空腔；各个螺旋空腔、圆柱形空腔的开口一端设置双向泵及三位三通阀；双向泵由电机驱动；控制单元控制电机及三位三通阀，实现水下柔性臂的同形态变刚度功能。AUV水下柔性回收机构包括底板和长臂单元；每个长臂单元由至少两个水下柔性臂以首、尾串联的形式组成。本发明的水下柔性回收机构能够以柔顺接触的方式回收AUV，避免AUV因接驳碰撞而产生漏水风险。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器技术领域，尤其涉及一种水下柔性臂及AUV水下柔性回收机构。
背景技术
自主式水下航行器是一种海洋移动观测平台，它无缆且不需要人为操作，能够自主航行进入海底观测网络无法布放的区域进行观测。然而，AUV通常由蓄电池供电，因此携带的能源十分有限，无法长期持续性地进行水下观测。
为了提高AUV的水下观测时长，国内外科研单位开始研究AUV接驳技术，即通过具有喇叭口入口的坐底式海底接驳基站对AUV进行回收，但是这种回收装置的刚性结构会在AUV对接过程中对AUV头部造成碰撞损伤，增加漏水风险。为了进一步拓展AUV的观测范围，国内外科研单位开始探索接驳机构在移动平台上的搭载应用。申请号为CN201911199091.5的中国专利文献公开了一种搭载于移动平台的AUV动态回收机构，该机构虽然减少了传统装置的水阻力，但是依旧存在质量大、刚性碰撞等不足，并且仅能适用单一直径的AUV回收；申请号为CN202010576520.2的中国专利文献公开了一种带有减速防撞回收管的AUV回收装置，能够减小AUV进入后端导引筒时产生的碰撞力，但AUV对接时主要碰撞力是在与外端喇叭口碰撞时产生，而该装置并未缓冲该碰撞。因此，亟需研究一种质量轻、能够柔顺接触AUV，并且导引AUV顺利入坞的回收机构。
仿生软体结构具备质量轻、能够柔顺接触物体以及形态可调节的优点。申请号为CN201911145320.5的中国专利文献公开了一种水陆两栖的仿生软体臂，通过含圆柱形流道的扇形单元进行拼接来改变软体臂的长度，通过对不同流道通入高压流体，软体臂能够完成伸展、弯曲运动。对于AUV回收过程来说，虽然软体臂能够柔顺接触AUV，但是AUV在碰撞时会对软体臂造成较大冲击，需要软体臂保持一定刚度，且软体臂的伸展形态对AUV回收成功率有较大影响，上述情况要求软体臂的形态与刚度能够独立可调，即解耦控制。而目前已有的软体臂的形态通常与其刚度一一对应，无法满足AUV回收的实际需求。
综合上述背景分析可知，亟需研发一种在同形态下进行变刚度的水下软体臂来搭建AUV水下柔性回收机构。
发明内容
本发明提供了一种水下柔性臂及AUV水下柔性回收机构，该水下柔性回收机构能够以柔顺接触的方式回收AUV，避免AUV因接驳碰撞而产生的漏水风险。
本发明的技术方案如下：
一种水下柔性臂，包括具有伸缩与弯曲功能的复合单元、可双向扭转的扭转单元、双向泵、三位三通阀、电机以及控制单元；
所述的复合单元和扭转单元由柔性材料制作而成；所述的复合单元与扭转单元固定连接；
所述的扭转单元内部含有至少两个起始通流方向相差180°螺旋空腔；一螺旋空腔呈顺时针旋转，另一螺旋空腔呈逆时针旋转；
所述的复合单元为圆柱形，其内部含有至少五个圆柱形空腔，所述的圆柱形空腔的轴线与复合单元的轴线平行；所述的圆柱形空腔包括中心空腔和周边空腔，所述的中心空腔与复合单元同轴线，所述的周边空腔围绕中心空腔对称地呈圆周分布；
所述的螺旋空腔及圆柱形空腔的一端封闭，另一端开口；
各个螺旋空腔、圆柱形空腔的开口一端设置三位三通阀；所述的双向泵由电机驱动；所述的控制单元根据控制策略控制电机及三位三通阀，从而控制每个空腔的通流压力，实现水下柔性臂的同形态变刚度功能。
优选的，所述的周边空腔的数量为四。
所述的水下柔性臂通过以下控制策略实现伸展状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略1：对中心空腔A通入压力为p1的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略2：对周边空腔B、C、D、E同时通入压力为p2的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略3：对心空腔A以及周边空腔B、C、D、E同时通入压力为p3的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略4：对螺旋空腔a和螺旋空腔b分别通入压力为p4和p5的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略5：任选策略1-4中的至少两种进行组合，分别调节通流压力，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1。
所述的水下柔性臂通过以下控制策略实现弯曲状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略6：对周边空腔B、C同时通以压力为p6的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；
策略7：对中心空腔A以及周边空腔B、C同时通以压力为p7的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；
策略8：对周边空腔D通以压力为p8的流体，使水下柔性臂弯曲；对螺旋空腔a通以压力为p9的流体，实现扭转单元的扭转90°，最终使水下柔性臂向一侧弯曲y1°。
优选的，所述的复合单元的外表面设有若干沿其轴向排列的90°圆弧凹槽；所述的圆弧凹槽呈两列分布，并且两列圆弧凹槽关于复合单元的中心剖面对称分布。
所述的中心剖面是指一过复合单元轴向的平面。
进一步优选的，所述的水下柔性臂还通过以下控制策略实现弯曲状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；两列圆弧凹槽分布位于B、C之间以及D、E之间；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略9：对周边空腔C、D分别通以压力为p10的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；对螺旋空腔a通以压力为p11的流体，实现扭转单元的扭转90°，最终使水下柔性臂向一侧弯曲y1°
优选的，所述的水下柔性臂还包括蓄能器对流体进行稳流。
优选的，水下柔性臂的空腔中设置有压力传感器，用于检测空腔中的流体压力并反馈给控制单元。
所述的控制单元通过以下流程控制水下柔性臂的形态及刚度：
控制单元将三位三通阀切换至右位，利用电机带动双向泵从海水中抽取液体充入水下柔性臂的空腔，每个空腔内的流体首先通过蓄能器稳流；接着通过三位三通阀调节空腔压力，压力通过压力传感器进行实时监控；为实现柔性臂的快速致动，将电机以满载的85%转速快速驱动泵进行通流，当空腔压力满足设计目标时，将该路的三位三通阀切换至中位将各通路截止，维持住空腔内高压保持水下柔性臂的动作形态，其余空腔继续通流以实现相应动作，直至满足预期动作后，将其余空腔的三位三通阀切换至中位进行截止，以维持水下柔性臂形态；
当水下柔性臂需要快速降压进行下一个动作时，将对应空腔的三位三通阀切换至右位，电机反转快速回抽空腔内的流体，当满足设计压力目标时，将该路的三位三通阀切换至中路，以维持柔性臂形态；当柔性臂完成所有动作后，将三位三通阀切换至左位，空腔与海水直通，所有柔性臂空腔内的流体在压力差下直接回流至海水中，直至空腔内压力与外界海水相同，柔性臂保持柔软形态，待回收至陆地上时，空腔内剩余流体在压力差下彻底排尽。
本发明还提供了一种AUV水下柔性回收机构，包括底板和至少三个长臂单元；
所述的长臂单元呈圆周等间距地安装在底板上；
每个长臂单元由至少两个所述的水下柔性臂以首、尾串联的形式组成；
根据所述的控制策略控制各个水下柔性臂的形态及刚度以达到目标动作。
优选的，所述的AUV水下柔性回收机构包括六个长臂单元，六个长臂单元呈60°等间距圆周分布。
本发明提出一种用于AUV回收的水下柔性臂，通过外形凹槽、并联液驱容腔以及可双向扭转单元组合设计，实现柔性臂的伸展与弯曲状态的同形态变刚度功能。为了满足AUV回收需求，减少AUV在对接过程中的刚性碰撞、位置回弹以及姿态跳跃问题，并设计相应的液压系统进行驱动控制。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果为：
（1）水下柔性臂能够实现相同形态（伸长量/弯曲角）下的刚度调节，且根据流道设计可实现多级刚度调节；
（2）AUV水下柔性回收机构能够以柔顺接触的方式回收AUV，避免AUV接驳碰撞产生的漏水风险；
（3）AUV水下柔性回收机构质量轻、形态可调节，便于在移动平台上搭载使用，且在恢复原始状态时几乎不对平台母体产生水阻力。
附图说明
图1为水下柔性臂的结构示意图；
图2为AUV水下柔性回收机构的结构示意图；
图3为水下柔性臂的液压驱动系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如附图1所示，一种利用硅橡胶制作的用于AUV回收的水下软体臂，包括具有伸缩与弯曲功能的复合单元1以及可双向扭转单元2。伸缩与弯曲复合单元内有五个圆柱形空腔3~7，外侧对称地设有若干沿其轴向排列的90°圆弧凹槽，且关于复合单元的中心剖面呈对称分布；单元1和单元2固连在一起。双向扭转单元位于伸缩与弯曲复合单元的下方，内含两个起始通流方向相差180°的螺旋空腔9和10：一个呈顺时针旋转，分布直径为a，空腔直径为a/10；另一个螺旋空腔9呈逆时针旋转，分布直径为a/2，空腔直径为a/5。
圆柱形空腔和螺旋空腔均是一端开口，另一端封闭。
如附图2所示，将两个单体柔性臂以首、尾串联形式组成柔性回收机构的一个长臂单元，共有6个相同长臂单元安装于底板上，呈60°等间距分布。
每个柔性臂驱动方法如附图3所示：将三位三通阀17切换至右位，利用电机11带动双向泵12从海水16中抽取液体充入柔性臂空腔18，每个空腔内的流体首先通过蓄能器13稳流；接着通过三位三通阀调节空腔压力，压力通过压力传感器14进行实时监控；为实现柔性臂的快速致动，将电机以满载的85%转速快速驱动泵进行通流，当空腔压力满足设计目标时，将该路的三位三通阀切换至中位将各通路截止，维持住腔内高压保持柔性臂的动作形态，其余空腔继续通流以实现相应动作，直至满足预期动作后，将三位三通阀切换至中位进行截止，以维持柔性臂形态；
当柔性臂完成一个指定动作后，需要快速降压进行下一个动作；此时将对应空腔的阀切换至右位，电机反转快速回抽空腔内的流体，当满足设计压力目标时，将该路的三位三通阀切换至中路，以维持柔性臂形态；
当柔性臂完成所有动作后，将三位三通阀切换至左位，空腔与海水直通，所有柔性臂空腔内的流体在压力差下直接回流至海水中，直至腔内压力与外界海水相同，柔性臂保持柔软形态，待回收至陆地上时腔内剩余流体在压力差下彻底排尽。
对柔性臂实现伸展状态下的同形态变刚度步骤包括：对伸缩与弯曲复合单元的空腔3通入流体压力为p1，使柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；对空腔4、5、6、7同时通入压力为p2的流体，实现柔性臂延伸长度x1；对空腔3~7同时通入压力为p3的流体实现柔性臂延伸长度x1；对双向扭转单元的9与10分别通入压力为p4与p5的流体，实现柔性臂伸长量x1；同理但不局限于，以上述四种变刚度方案的任意2种、3种或者4种的组合，分别调节通流压力，可同样实现柔性臂长度伸长量x1。
对柔性臂实现弯曲状态下的同形态变刚度功能，以左弯曲为例，包括：对容腔5、6同时通压力为p6的流体，实现柔性臂左弯曲y1°；对容腔3、5、6同时通以压力为p7的流体，实现柔性臂左弯曲y1°；对容腔6通压力为p8的流体，使柔性臂弯曲，对容腔9通以压力为p9的流体实现扭转单元的逆时针扭转，最终实现柔性臂左弯曲y1°；对容腔6、7分别通入压力为p10的流体，使柔性臂向前弯曲y1°，对扭转单元空腔9通入压力为p11的流体，实现逆时针扭转90°，从而使柔性臂变成左弯曲y1°。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下柔性臂，其特征在于，包括具有伸缩与弯曲功能的复合单元、可双向扭转的扭转单元、双向泵、三位三通阀、电机以及控制单元；
所述的复合单元和扭转单元由柔性材料制作而成；所述的复合单元与扭转单元固定连接；
所述的扭转单元内部含有至少两个起始通流方向相差180°螺旋空腔；一螺旋空腔呈顺时针旋转，另一螺旋空腔呈逆时针旋转；
所述的复合单元为圆柱形，其内部含有至少五个圆柱形空腔，所述的圆柱形空腔的轴线与复合单元的轴线平行；所述的圆柱形空腔包括中心空腔和周边空腔，所述的中心空腔与复合单元同轴线，所述的周边空腔围绕中心空腔对称地呈圆周分布；
所述的螺旋空腔及圆柱形空腔的一端封闭，另一端开口；
各个螺旋空腔、圆柱形空腔的开口一端设置三位三通阀；所述的双向泵由电机驱动；所述的控制单元根据控制策略控制电机及三位三通阀，从而控制每个空腔的通流压力，实现水下柔性臂的同形态变刚度功能。
2.根据权利要求1所述的水下柔性臂，其特征在于，所述的水下柔性臂通过以下控制策略实现伸展状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略1：对中心空腔A通入压力为p1的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略2：对周边空腔B、C、D、E同时通入压力为p2的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略3：对心空腔A以及周边空腔B、C、D、E同时通入压力为p3的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略4：对螺旋空腔a和螺旋空腔b分别通入压力为p4和p5的流体，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1；
策略5：任选策略1-4中的至少两种进行组合，分别调节通流压力，使水下柔性臂沿其轴线方向延伸长度x1。
3.根据权利要求1所述的水下柔性臂，其特征在于，所述的水下柔性臂通过以下控制策略实现弯曲状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略6：对周边空腔B、C同时通以压力为p6的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；
策略7：对中心空腔A以及周边空腔B、C同时通以压力为p7的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；
策略8：对周边空腔D通以压力为p8的流体，使水下柔性臂弯曲；对螺旋空腔a通以压力为p9的流体，实现扭转单元的扭转90°，最终使水下柔性臂向一侧弯曲y1°。
4.根据权利要求1所述的水下柔性臂，其特征在于，所述的复合单元的外表面设有若干沿其轴向排列的90°圆弧凹槽；所述的圆弧凹槽呈两列分布，并且两列圆弧凹槽关于复合单元的中心剖面对称分布。
5.根据权利要求4所述的水下柔性臂，其特征在于，所述的水下柔性臂还通过以下控制策略实现弯曲状态下的同形态变刚度功能：
设中心空腔为A；周边空腔为B、C、D、E，依次对称地分布在中心空腔A的周边；两列圆弧凹槽分布位于B、C之间以及D、E之间；
设一螺旋空腔为a，另一螺旋空腔为b；
策略9：对周边空腔C、D分别通以压力为p10的流体，使水下柔性臂向一侧弯曲y1°；对螺旋空腔a通以压力为p11的流体，实现扭转单元的扭转90°，最终使水下柔性臂向一侧弯曲y1°。
6.根据权利要求1所述的水下柔性臂，其特征在于，水下柔性臂的空腔中设置有压力传感器，用于检测空腔中的流体压力并反馈给控制单元。
7.根据权利要求1所述的水下柔性臂，其特征在于，所述的控制单元通过以下流程控制水下柔性臂的形态及刚度：
控制单元将三位三通阀切换至右位，利用电机带动双向泵从水体中抽取液体充入水下柔性臂的空腔，每个空腔内的流体通过三位三通阀调节空腔压力；当空腔压力满足设计目标时，将该路的三位三通阀切换至中位将各通路截止，维持住空腔内高压保持水下柔性臂的动作形态，其余空腔继续通流以实现相应动作，直至满足预期动作后，将其余空腔的三位三通阀切换至中位进行截止，以维持水下柔性臂形态；
当水下柔性臂需要快速降压进行下一个动作时，将对应空腔的三位三通阀切换至右位，电机反转快速回抽空腔内的流体，当满足设计压力目标时，将该路的三位三通阀切换至中路，以维持柔性臂形态；
当水下柔性臂完成所有动作后，将三位三通阀切换至左位，空腔与水体直通，水下柔性臂的所有空腔内的流体在压力差下直接回流至水体中，直至空腔内压力与外界水体相同，柔性臂保持柔软形态；
待回收至陆地上时，空腔内剩余流体在压力差下彻底排尽。
8.根据权利要求7所述的水下柔性臂，其特征在于，将电机以满载的85%转速快速驱动双向泵进行通流。
9.一种AUV水下柔性回收机构，其特征在于，包括底板和至少三个长臂单元；
所述的长臂单元呈圆周等间距地安装在底板上；
每个长臂单元由至少两个如权利要求1-8任一项所述的水下柔性臂以首、尾串联的形式组成；
根据所述的控制策略控制各个水下柔性臂的形态及刚度以达到目标动作。
10.根据权利要求9所述的AUV水下柔性回收机构，其特征在于，所述的AUV水下柔性回收机构包括六个长臂单元，六个长臂单元呈60°等间距圆周分布。
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