本發(fā)明涉及一種水下吸盤，特別是涉及了一種離心葉輪式水下吸盤，屬于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水下吸附技術(shù)與水下抓取技術(shù)是開展水下勘測與作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)勘測、資源勘探及礦產(chǎn)評估、深海打撈等諸多領(lǐng)域，完成諸如水下取樣、水下打撈、水下吸附等多種作業(yè)。傳統(tǒng)的水下抓取技術(shù)多采用機(jī)械抓取裝置，存在設(shè)計(jì)復(fù)雜以及操作不便等問題，難以適應(yīng)諸多不規(guī)則形狀的物體，且有可能對抓取物造成損傷。

隨著特種機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，水下爬壁機(jī)器人作為一種新的需求應(yīng)運(yùn)而生，設(shè)計(jì)用于在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下代替人工進(jìn)行水下檢查與作業(yè)的機(jī)器人，被廣泛應(yīng)用于核燃料池檢測行業(yè)、船舶清洗行業(yè)以及水利大壩維護(hù)行業(yè)等，有效可靠的水下吸附技術(shù)是水下爬壁機(jī)器人得以廣泛應(yīng)用的先決條件。

水下爬壁機(jī)器人最常見的吸附技術(shù)為鐵磁吸附技術(shù)，利用磁鐵或電磁鐵間的相互作用產(chǎn)生吸附力，僅適用于鐵磁性壁面，較多應(yīng)用于船舶工業(yè)。水下rov或auv多采用螺旋槳作為動力源，也有將螺旋槳產(chǎn)生的推力作為水下爬壁機(jī)器人的吸附技術(shù)，但由于螺旋槳推力吸附較難控制且水流擾動太大，不適于觀測。負(fù)壓吸附技術(shù)則是利用離心泵或離心風(fēng)機(jī)將吸盤內(nèi)的水抽出，形成局部負(fù)壓，負(fù)壓吸附技術(shù)屬于接觸式吸附，較依賴于密封技術(shù)，且吸盤本體或連接管路較容易發(fā)生堵塞，從而造成吸附實(shí)效。

綜上所述，現(xiàn)有水下抓取技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)形態(tài)的物件，且抓取時(shí)容易造成物件的損傷?，F(xiàn)有水下吸附技術(shù)雖有多種手段，但均有自各的不足之處，不能很好地滿足水下爬壁機(jī)器人的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了設(shè)計(jì)出滿足水下爬壁機(jī)器人穩(wěn)定吸附要求的水下吸盤，解決水下爬壁機(jī)器人吸附技術(shù)方面的欠缺，為大力研發(fā)水下特種機(jī)器人奠定良好的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種離心葉輪式水下吸盤，采用防水直流電機(jī)直接驅(qū)動，體積小、質(zhì)量輕，但能提供極強(qiáng)的水下吸附力，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸吸附，且對吸附壁面的粗糙度沒有嚴(yán)格的要求，能夠適應(yīng)不同的水下壁面。

同時(shí)，設(shè)計(jì)的該離心葉輪式水下吸盤能夠作為水下抓取機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與控制簡單，且能夠很好地保護(hù)被抓取對象，防止其受到損傷。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括吸盤外殼和安裝在吸盤外殼上的防水直流電機(jī)、連接軸和離心葉輪；吸盤外殼底端開有中空腔，中空腔內(nèi)安裝離心葉輪；吸盤外殼頂部安裝有電機(jī)支座和軸承座，軸承座位于電機(jī)支座內(nèi)，電機(jī)支座上安裝有防水直流電機(jī)，防水直流電機(jī)的輸出軸穿過電機(jī)支座頂部后與連接軸上端同軸連接，連接軸下端穿過吸盤外殼中心孔后與離心葉輪同軸連接，并在連接軸下端套接有用于將離心葉輪軸向限位固定的軸端擋圈。

防水直流電機(jī)運(yùn)行帶動連接軸進(jìn)而驅(qū)動離心葉輪旋轉(zhuǎn)，使得離心葉輪在吸盤外殼的中空腔內(nèi)通過防水直流電機(jī)帶動進(jìn)而高速旋轉(zhuǎn)，旋腔內(nèi)的水流受到離心作用而流出，在吸盤內(nèi)的中空腔形成局部真空負(fù)壓，使得能吸取物體或者吸附于物體。

所述離心葉輪包括葉輪板和葉片，葉片沿周向均布地固定在葉輪板下端的端面，離心葉輪旋轉(zhuǎn)使得葉片旋轉(zhuǎn)空間形成旋腔。

所述離心葉輪的葉輪板中部設(shè)有中央凸臺，中央凸臺處開有異形孔，連接軸的軸端和異形孔相配合連接使得連接軸和離心葉輪形成同軸旋轉(zhuǎn)。

所述離心葉輪中的葉片采用后彎式結(jié)構(gòu)，即葉片的彎轉(zhuǎn)方向與離心葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相反；并且葉片為平板型葉片，即葉片垂直于離心葉輪的底面。

所述的離心葉輪葉輪板的邊緣沿軸向延伸設(shè)置環(huán)形凸臺，并在環(huán)形凸臺的內(nèi)周面設(shè)置倒角，水流在離心葉輪的旋腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)離心后通過倒角流出。

倒角角度根據(jù)離心葉輪下端端面與吸盤外殼下端端面之間的軸向距離而調(diào)整。優(yōu)選地，所述離心葉輪的倒角所處錐面的向下延伸錐面與吸盤中空腔相交于下底面。

離心葉輪的旋腔的外徑和深度根據(jù)吸盤外殼的中空腔而調(diào)整。

所述的離心葉輪下端端面不低于吸盤外殼下端端面。

所述的吸盤外殼下端面外緣設(shè)置有用于防止水流倒流入旋腔的毛刷。

所述的吸盤外殼的頂面銑有分別位于外圈和內(nèi)圈的外環(huán)形淺槽和內(nèi)環(huán)形淺槽，電機(jī)支座和軸承座分別嵌入到外環(huán)形淺槽和內(nèi)環(huán)形淺槽中進(jìn)行定位，從而確保防水直流電機(jī)與連接軸的同軸度。

所述的連接軸上端端部周面通過上深溝球軸承活動套接在軸承座中，連接軸下端端部周面通過下深溝球軸承活動套接在吸盤外殼中。

本發(fā)明將離心葉輪應(yīng)用于水下吸盤，葉輪形式采用后彎式離心葉輪，葉片的形狀為平板型葉片，即葉片呈平板狀，且垂直于離心葉輪的底部，葉片的偏轉(zhuǎn)方向與離心葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，這樣能產(chǎn)生更高的效率。

本發(fā)明在離心葉輪的邊緣設(shè)置了倒角，倒角的作用是起導(dǎo)流作用，使離心葉輪旋腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的水流通過倒角流出旋腔，于吸盤出水口形成渦流，進(jìn)而增強(qiáng)吸附作用。

本發(fā)明所述的水下吸盤與現(xiàn)有吸附技術(shù)相比，特點(diǎn)在于：

(1)采用離心葉輪產(chǎn)生高速旋流，利用高速旋流的離心作用產(chǎn)生吸附力，將水流導(dǎo)出旋腔，避免雜物進(jìn)入吸盤內(nèi)部，使吸附失效；

(2)離心葉輪式水下吸盤利用旋流進(jìn)行吸附，可實(shí)現(xiàn)非接觸吸附，且對吸附壁面的粗糙度沒有要求，也對吸附壁面的材質(zhì)沒有要求；

(3)選用平板型后彎式的離心葉輪，加工簡單，且能量利用效率高；

(4)離心葉輪式水下吸盤的吸附力簡單可控，可通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)吸附力，也可通過調(diào)整離心葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)來調(diào)節(jié)吸附力。

綜合來說，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸吸附，且可以吸附粗糙壁面，吸盤在水下的應(yīng)用效果較好，吸附能力強(qiáng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的吸盤外殼的頂端結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明的離心葉輪的底端結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明的離心葉輪的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明的另一種離心葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明的工作原理圖。

圖7是本發(fā)明的一種改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖中：吸盤外殼1，下深溝球軸承2，連接軸3，防水直流電機(jī)4，緊定螺釘5，電機(jī)支座6，上深溝球軸承7，軸承座8，離心葉輪9，軸端擋圈10，葉片11，倒角12，異形孔13，凸臺14，旋腔15，葉片16，中空腔17，毛刷18，外環(huán)形淺槽19，內(nèi)環(huán)形淺槽20。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施包括外形為圓柱形的吸盤外殼1，吸盤外殼1頂部安裝有電機(jī)支座6和軸承座8，軸承座8位于電機(jī)支座6內(nèi)，電機(jī)支座6上安裝有防水直流電機(jī)4，吸盤外殼垂直軸向的一個(gè)端面銑出一個(gè)圓柱形的中空腔17，形成一個(gè)封閉端面和一個(gè)開口端面，中空腔17內(nèi)安裝離心葉輪9。

封閉端面上開有階梯孔，階梯孔內(nèi)放置下深溝球軸承2以及連接軸3，連接軸3通過上深溝球軸承7以及軸承座8固定于吸盤外殼1上，防水直流電機(jī)4的輸出軸朝下穿過電機(jī)支座6頂部后與連接軸3上端同軸連接，防水直流電機(jī)4的輸出軸與連接軸3上端之間通過周向的緊定螺釘5形成同軸連接固定，連接軸3下端穿過吸盤外殼1中心孔后與離心葉輪9同軸連接，并在連接軸3下端套接有用于將離心葉輪9軸向限位固定的軸端擋圈10。

如圖2所示，吸盤外殼1的頂面銑有分別位于外圈和內(nèi)圈的外環(huán)形淺槽19和內(nèi)環(huán)形淺槽20，作為電機(jī)支座與軸承座裝配時(shí)的定位孔，電機(jī)支座6和軸承座8分別嵌入到外環(huán)形淺槽19和內(nèi)環(huán)形淺槽20中進(jìn)行定位，從而確保防水直流電機(jī)4與連接軸3的同軸度。

連接軸3通過深溝球軸承2、7固定于軸承座8和吸盤外殼1之間，連接軸3上端端部周面通過上深溝球軸承7活動套接在軸承座8中，連接軸3下端端部周面通過下深溝球軸承2活動套接在吸盤外殼1中。

如圖4所示，離心葉輪9包括葉輪板和葉片11，葉片11沿周向均布地固定在葉輪板下端的端面，離心葉輪9旋轉(zhuǎn)使得葉片11旋轉(zhuǎn)空間形成旋腔15。離心葉輪9的葉輪板中部設(shè)有中央凸臺14，中央凸臺14處開有異形孔13，連接軸3的軸段和異形孔13相配合連接使得連接軸3和離心葉輪9形成同軸旋轉(zhuǎn)。

如圖3所示，離心葉輪9中的葉片11采用后彎式結(jié)構(gòu)，即葉片11的彎轉(zhuǎn)方向與離心葉輪9的旋轉(zhuǎn)方向相反；并且葉片11為平板型葉片，即葉片11垂直于離心葉輪9的底面。

如圖4所示，離心葉輪9葉輪板的邊緣沿軸向延伸設(shè)置環(huán)形凸臺，并在環(huán)形凸臺的內(nèi)周面設(shè)置倒角12，水流在離心葉輪9的旋腔15內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)離心，由于離心作用葉輪中間產(chǎn)生環(huán)形負(fù)壓，水流通過倒角12流出離心葉輪，在吸盤外殼開口端面形成較大的漩渦，在吸盤外殼的開口端面對一定距離的水下物體或壁面產(chǎn)生吸附作用。

如圖5所示，本發(fā)明提供另一種離心葉輪的葉片形式，葉片16采用平板曲線葉片，同樣采用后彎式的形式，使離心葉輪中央產(chǎn)生更大的漩渦，但能耗比葉片11要高。

如圖6所示，離心葉輪9在連接軸3的帶動下在吸盤外殼1的中空腔17內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，葉輪旋腔內(nèi)的液體高速旋轉(zhuǎn)，于吸盤外殼1的開口端面處形成強(qiáng)大的漩渦，對離吸盤開口端一定距離的物體或壁面產(chǎn)生吸附作用。

如圖7所示，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的吸盤裝置，在吸盤外殼1的底端裝有毛刷18，毛刷18可有效阻止水流或者異物倒吸入離心葉輪9中，保護(hù)吸盤裝置，同時(shí)該裝置也可以抓取任何粗糙表面的物體。

本發(fā)明的實(shí)施過程如下：

實(shí)施例1

本實(shí)施例利用環(huán)形淺槽19、20確保裝配過程中防水直流電機(jī)4與連接軸3的同軸度，利用緊定螺釘5確保連接軸3與防水電機(jī)4的周向固定，利用離心葉輪9上的異形孔13與連接軸3的另一端連接，確保與連接軸3的周向固定，利用軸端擋圈10確保離心葉輪9與連接軸3的軸向固定。

本實(shí)施例的離心葉輪9葉片的形狀為平板狀，采用后彎式的葉片形式，離心葉輪9的邊緣設(shè)有環(huán)形凸臺，并在環(huán)形凸臺的內(nèi)周面設(shè)有倒角12，倒角12的向下延伸錐面與中空腔17的底面相交。

本實(shí)施例的離心葉輪9的外徑為98mm，高度為8mm，吸盤外殼1的中空腔17的內(nèi)徑為100mm，深度為10mm，離心葉輪9的下底面高出吸盤外殼1的下底面1mm。防水直流電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為3000r/min，離心葉輪9的倒角12設(shè)置為45度，固定吸盤外殼1與壁面的距離為5mm，可對壁面產(chǎn)生40n的吸附力。

實(shí)施例2

本實(shí)施例的離心葉輪9的倒角12設(shè)置為90度，即取消倒角12，離心葉輪9的其余參數(shù)、中空腔17的參數(shù)、電機(jī)的參數(shù)均保持不變，固定吸盤外殼1與壁面的距離為5mm，吸盤對壁面產(chǎn)生的吸附力不足30n。

對比例

本對比例將離心葉輪9替換為常見的平板直葉片，平板直葉片的葉片形狀為平板狀，葉片垂直于底面，葉片采用徑向安裝形式，即葉片的伸展方向沿著徑向，平板直葉片不設(shè)外圈環(huán)形凸臺和倒角，外徑為98mm，高度為8mm。固定吸盤外殼1與壁面的距離為5mm，吸盤對壁面產(chǎn)生的吸附力不足30n。

比較實(shí)施例1和對比例產(chǎn)生的漩渦，實(shí)施例1在吸盤外殼1下方產(chǎn)生的漩渦直徑較大而高度較小，對比例在吸盤外殼1下方產(chǎn)生的漩渦直徑較小而高度較大，實(shí)施例1的吸附效果優(yōu)于對比例。

由此可見，采用帶倒角12的離心葉輪9，可增加吸盤的吸附能力。倒角12的倒流作用一方面減緩了水流對壁面的沖擊力，減小了吸力的損失，另一方面增大了吸盤出水口的旋流區(qū)域，使吸盤出水口產(chǎn)生更大面積的漩渦，增強(qiáng)了吸附效果。采用后彎式的葉片形式，相對于徑向安裝的葉片，其能量利用率更為高效，在啟動與運(yùn)行過程中，后彎式的葉片比徑向安裝的葉片產(chǎn)生更小的反向扭矩。

由此可見，本發(fā)明離心葉輪式水下吸盤能夠?qū)崿F(xiàn)水下吸附與抓取，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸吸附以及適應(yīng)不同粗糙度的壁面，吸力穩(wěn)定可控，結(jié)構(gòu)簡單，在水下抓取行業(yè)以及水下爬壁機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。