本發(fā)明涉及水下機(jī)器人浮力調(diào)節(jié)設(shè)備，具體地說是一種水下機(jī)器人用被動排油式浮力調(diào)節(jié)裝置。

背景技術(shù)：

水下機(jī)器人作為一種水下測量、工作平臺，是人類探索海洋最重要的手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海洋科學(xué)研究、海洋工程、海洋資源勘探、救援打撈、海底探測、海洋生物研究與追蹤等領(lǐng)域。通常水下機(jī)器人在作業(yè)工程中要保護(hù)穩(wěn)定的浮力狀態(tài)，如中性浮力狀態(tài)，以保證正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。然而，海水密度會隨著深度變化而發(fā)生變化，水下機(jī)器人的浮力狀態(tài)也會隨之變化，進(jìn)而影響水下機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。水下機(jī)器人通常都由固體材料組成，比海水更加難以壓縮，由于水下機(jī)器人與海水壓縮率的不匹配，造成水下機(jī)器人的驅(qū)動浮力不斷減小，使其在運(yùn)行過程中需要額外消耗能源來克服海水密度變化的影響。因此，研究模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠的水下機(jī)器人用浮力調(diào)節(jié)裝置，對提高水下機(jī)器人整體性能具有重要作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決水下機(jī)器人因浮力狀態(tài)不穩(wěn)定而導(dǎo)致整體性能受影響和浮力調(diào)節(jié)裝置功耗較大的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種水下機(jī)器人用被動排油式浮力調(diào)節(jié)裝置。該被動排油式浮力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、高效率、回油無動力，水下機(jī)器人需要下潛時，被動排油式浮力調(diào)節(jié)裝置利用外界的壓力將液壓油壓回內(nèi)皮囊，進(jìn)而實現(xiàn)無動力回油的目的；該被動排油式浮力調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的排水體積實現(xiàn)對水下機(jī)器人浮力狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括外皮囊、與水下機(jī)器人筒體密封連接的艏部端蓋及分別安裝在水下機(jī)器人筒體內(nèi)的內(nèi)皮囊端蓋、內(nèi)皮囊套筒、帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥、截止式電磁閥、單向高壓柱塞泵、減速齒輪、動力源、內(nèi)皮囊和單向閥，其中外皮囊安裝在艏部端蓋上、位于水下機(jī)器人外部，所述內(nèi)皮囊容置于由內(nèi)皮囊端蓋及內(nèi)皮囊套筒連接而形成的空間內(nèi)，該內(nèi)皮囊與所述外皮囊之間并聯(lián)有抽油管路及回油管路，所述抽油管路及回油管路均與外皮囊及內(nèi)皮囊相連通；所述抽油管路上設(shè)有由動力源驅(qū)動的單向高壓柱塞泵及只能向外皮囊流動的單向閥，所述回油管路上設(shè)有帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥和截止式電磁閥；所述內(nèi)皮囊中的液壓油通過單向高壓柱塞泵抽出，并經(jīng)所述單向閥向外皮囊中充油，進(jìn)而增加水下機(jī)器人的浮力；所述外皮囊中的液壓油通過截止式電磁閥及帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥回流至內(nèi)皮囊中，進(jìn)而減小水下機(jī)器人的浮力；

其中：所述外皮囊內(nèi)的液壓油由外界水下壓力作用通過液壓油通過截止式電磁閥及帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥回流至內(nèi)皮囊，該液壓油的流量通過所述帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥被動控制；所述水下機(jī)器人艙內(nèi)抽設(shè)定真空度，實現(xiàn)水面回油；

所述內(nèi)皮囊端蓋上設(shè)有液壓閥塊，所述帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥及截止式電磁閥分別安裝在該液壓閥塊上、且串聯(lián)連接；所述單向閥與單向高壓柱塞泵相連接；

所述液壓閥塊上分別安裝有第一調(diào)向彎頭、第一接頭及第二調(diào)向彎頭，所述單向高壓柱塞泵上分別安裝有三通及第二接頭，該第一調(diào)向彎頭的一端固接在液壓閥塊上、另一端通過液壓管路與所述外皮囊相連通，所述第一接頭的一端固接在液壓閥塊上、另一端通過管路與所述第二接頭的一端相連通，該第二接頭的另一端經(jīng)所述單向閥與所述單向高壓柱塞泵相連通，所述第二調(diào)向彎頭的一端固接在液壓閥塊上、另一端通過管路與所述三通的一個接口相連通，該三通的第二個接口通過管路與所述內(nèi)皮囊相連通，所述三通的第三個接口與單向高壓柱塞泵相連通；

所述抽油管路為內(nèi)皮囊中的液壓油經(jīng)三通至單向高壓柱塞泵，再依次經(jīng)單向閥、第二接頭、第一接頭、第一調(diào)向彎頭、液壓管路流至外皮囊；所述回油管路為外皮囊中的液壓油經(jīng)液壓管路、第一調(diào)向彎頭至液壓閥塊，再依次經(jīng)截止式電磁閥、帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥、第二調(diào)向彎頭、三通流至內(nèi)皮囊；

所述內(nèi)皮囊端蓋上設(shè)有減速齒輪，所述動力源安裝在該減速齒輪上，并通過所述減速齒輪的傳動驅(qū)動所述單向高壓柱塞泵旋轉(zhuǎn)；所述減速齒輪與單向高壓柱塞泵之間通過聯(lián)軸器相連，該聯(lián)軸器的外圍設(shè)有安裝在單向高壓柱塞泵與減速齒輪之間的聯(lián)軸器鐘罩；

所述內(nèi)皮囊端蓋及內(nèi)皮囊套筒形成的空間內(nèi)容置有內(nèi)皮囊活塞，該內(nèi)皮囊活塞與所述內(nèi)皮囊連動、隨內(nèi)皮囊直線往復(fù)運(yùn)動；所述內(nèi)皮囊活塞上安裝有直線電位計。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為：

1.本發(fā)明運(yùn)行過程幾乎可以保持恒定的凈浮力，與傳統(tǒng)的水下機(jī)器人用浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，本發(fā)明主動充油過程功耗低、效率高，被動回油過程基本無能量消耗，節(jié)省水下機(jī)器人的能源，整套裝置可以在不同深度下正常工作。

2.本發(fā)明由直流電機(jī)驅(qū)動一個單向高壓柱塞泵，通過單項高壓柱塞泵的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)排油，進(jìn)而增加水下機(jī)器人的浮力，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，安全可靠，可以在不同深度回油。

3.本發(fā)明由截止式電磁閥控制回油油路的開啟和關(guān)閉，通過帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥借助外界壓力實現(xiàn)無動力回油，進(jìn)而減小水下機(jī)器人的浮力；水下機(jī)器人艙內(nèi)抽設(shè)定真空度，保證在水面可以正?；赜?，結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，安全可靠，可以在不同深度回油。

4.本發(fā)明采用微型的單向高壓柱塞泵，能夠提供很高的工作壓力，滿足了水下機(jī)器人深水作業(yè)的要求。

5.本發(fā)明浮力調(diào)節(jié)能力大，通過調(diào)整內(nèi)、外皮囊容積，即可靈活調(diào)整最大浮力調(diào)節(jié)量。

6.本發(fā)明不限于在水下滑翔機(jī)及AUV上應(yīng)用，對于各種需要浮力調(diào)節(jié)或者浮力驅(qū)動的水下機(jī)器人本發(fā)明同樣具有較好的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為圖2為仰視剖視圖；

圖4為圖2為俯視剖視圖；

圖5為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1為外皮囊，2為艏部端蓋，3為內(nèi)皮囊端蓋，4為內(nèi)皮囊套筒，5為直線電位計，6為外皮囊接頭，7為液壓管路，8為第一調(diào)向彎頭，9為帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥，10為第一接頭，11為液壓閥塊，12為截止式電磁閥，13為第二調(diào)向彎頭，14為三通，15為單向高壓柱塞泵，16為聯(lián)軸器鐘罩，17為減速齒輪，18為直流電機(jī)，19為電機(jī)減速器，20為內(nèi)皮囊，21為第二接頭，23為單向閥，24為內(nèi)皮囊活塞。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。

如圖1～5所示，本發(fā)明包括外皮囊1、艏部端蓋2、內(nèi)皮囊端蓋3、內(nèi)皮囊套筒4、直線電位計5、外皮囊接頭6、液壓管路7、帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9、液壓閥塊11、截止式電磁閥12、單向高壓柱塞泵15、減速齒輪17、動力源、內(nèi)皮囊20、聯(lián)軸器22、單向閥23及內(nèi)皮囊活塞24，其中外皮囊1通過外皮囊接頭6安裝在艏部端蓋2的外側(cè)，并位于艏部導(dǎo)流罩內(nèi)，浸沒在水下機(jī)器人所處的海水中，艏部端蓋2的內(nèi)側(cè)與水下機(jī)器人筒體密封連接；內(nèi)皮囊端蓋3、內(nèi)皮囊套筒4、直線電位計5、液壓管路7、帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9、液壓閥塊11、截止式電磁閥12、單向高壓柱塞泵15、減速齒輪17、動力源、內(nèi)皮囊20、聯(lián)軸器22、單向閥23及內(nèi)皮囊活塞24分別安裝在水下機(jī)器人筒體內(nèi)，與海水隔離開。

內(nèi)皮囊端蓋3與內(nèi)皮囊套筒4之間固定連接，內(nèi)皮囊20容置于由內(nèi)皮囊端蓋3及內(nèi)皮囊套筒4連接而形成的空間內(nèi)。在內(nèi)皮囊端蓋3及內(nèi)皮囊套筒4形成的空間內(nèi)還容置有內(nèi)皮囊活塞24，該內(nèi)皮囊活塞24的一端與內(nèi)皮囊20連動、隨內(nèi)皮囊20直線往復(fù)運(yùn)動，內(nèi)皮囊活塞24的另一端由內(nèi)皮囊套筒4穿出。在內(nèi)皮囊活塞24上安裝有直線電位計5，用于實時反饋浮力調(diào)節(jié)量。

內(nèi)皮囊20與外皮囊1之間并聯(lián)有抽油管路及回油管路，抽油管路及回油管路均與外皮囊1及內(nèi)皮囊20相連通；抽油管路上設(shè)有由動力源驅(qū)動的單向高壓柱塞泵15及只能向外皮囊1流動的單向閥23，回油管路上設(shè)有帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9和截止式電磁閥12。內(nèi)皮囊20中的液壓油通過單向高壓柱塞泵15抽出，并經(jīng)單向閥23向外皮囊1中充油，進(jìn)而增加水下機(jī)器人的浮力。外皮囊1中的液壓油通過截止式電磁閥12及帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9回流至內(nèi)皮囊20中，進(jìn)而減小水下機(jī)器人的浮力。本發(fā)明的截止式電磁閥12為兩位兩通電磁閥。

內(nèi)皮囊端蓋3上設(shè)有液壓閥塊11，帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9及截止式電磁閥12分別安裝在該液壓閥塊11上、且串聯(lián)連接。單向閥23與單向高壓柱塞泵15相連接。液壓閥塊11上分別安裝有第一調(diào)向彎頭8、第一接頭10及第二調(diào)向彎頭13，單向高壓柱塞泵15上分別安裝有三通14及第二接頭21，該第一調(diào)向彎頭8的一端固接在液壓閥塊11上、另一端通過液壓管路7與外皮囊1相連通，第一接頭10的一端固接在液壓閥塊11上、另一端通過管路與第二接頭21的一端相連通，該第二接頭21的另一端經(jīng)單向閥23與單向高壓柱塞泵15相連通，第二調(diào)向彎頭13的一端固接在液壓閥塊11上、另一端通過管路與三通14的一個接口相連通，該三通14的第二個接口通過管路與內(nèi)皮囊20相連通，三通14的第三個接口與單向高壓柱塞泵15相連通。抽油管路為內(nèi)皮囊20中的液壓油經(jīng)三通14至單向高壓柱塞泵15，再依次經(jīng)單向閥23、第二接頭21、第一接頭10、第一調(diào)向彎頭8、液壓管路7流至外皮囊1。回油管路為外皮囊1中的液壓油經(jīng)液壓管路7、第一調(diào)向彎頭8至液壓閥塊11，再依次經(jīng)截止式電磁閥12、帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9、第二調(diào)向彎頭13、三通14流至內(nèi)皮囊20。

內(nèi)皮囊端蓋3上設(shè)有減速齒輪17，動力源安裝在該減速齒輪17上，并通過減速齒輪17的傳動驅(qū)動單向高壓柱塞泵15旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的動力源包括直流電機(jī)18及減速器19，直流電機(jī)18的輸出端與減速器19相連，減速齒輪17與單向高壓柱塞泵15之間通過聯(lián)軸器22相連，直流電機(jī)18及減速器19通過減速齒輪17、聯(lián)軸器22驅(qū)動單向高壓柱塞泵15順時針旋轉(zhuǎn)。聯(lián)軸器22的外圍設(shè)有安裝在單向高壓柱塞泵15與減速齒輪17之間的聯(lián)軸器鐘罩16。

本發(fā)明的帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥為市購產(chǎn)品，購置于瑞典Bieri公司，型號為AKP103。本發(fā)明的單向高壓柱塞泵15為市購產(chǎn)品，購置于EHE公司，型號為2CFR30。

本發(fā)明的工作原理為：

本發(fā)明利用液壓系統(tǒng)對水下機(jī)器人進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，使其在運(yùn)行過程中浮力狀態(tài)更加穩(wěn)定。水下機(jī)器人下潛過程中，隨著下潛深度的增加，靜水壓增大，海水密度也會隨之增大；而由于水下機(jī)器人與海水壓縮率的不匹配，會使水下機(jī)器人受到的浮力逐漸增加。相反，上浮過程中，又會隨著深度的減小浮力逐漸減小。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的排水體積補(bǔ)償水下機(jī)器人因殼體壓縮變形和海水密度變化產(chǎn)生的浮力改變量，使水下機(jī)器人在工作過程中凈浮力的變化達(dá)到最小，從而提高運(yùn)行效率及能源使用效率。具體工作原理為：

若要增加水下機(jī)器人的浮力，直流電機(jī)18通過電機(jī)減速器19和聯(lián)軸器22驅(qū)動單向高壓柱塞泵15做順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，內(nèi)皮囊20里的液壓油進(jìn)入單向高壓柱塞泵15，單向高壓柱塞泵15排出的液壓油經(jīng)過單向閥23排入到外皮囊1內(nèi)，外皮囊1的體積變大，從而增加整個水下機(jī)器人載體的浮力。同時，內(nèi)皮囊20由于其內(nèi)部的液壓油不斷被吸出，內(nèi)皮囊20將向左側(cè)做直線運(yùn)動，直線電位計5實時反饋內(nèi)皮囊20的運(yùn)動距離；當(dāng)內(nèi)皮囊20運(yùn)動到設(shè)定位置時，直流電機(jī)18停止工作。截止式電磁閥12和單向閥23保證了外皮囊1內(nèi)的液壓油不會由于水壓而回流到內(nèi)皮囊20內(nèi)。若要減小水下機(jī)器人的浮力，則需要打開截止式電磁閥12，外皮囊1內(nèi)的液壓油由于外界壓力的作用通過截止式電磁閥12和帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9流回內(nèi)皮囊20，液壓油的流量通過帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9加以被動控制，水下機(jī)器人艙內(nèi)抽設(shè)定真空度，保證在水面可以正?；赜汀Ｍ?，當(dāng)內(nèi)皮囊20運(yùn)動到設(shè)定位置時，關(guān)閉截止式電磁閥12。

本發(fā)明通過啟動直流電機(jī)18驅(qū)動單向高壓柱塞泵15順時針旋轉(zhuǎn)，把液壓油從水下機(jī)器人筒體內(nèi)部的內(nèi)皮囊20打到安裝在水下機(jī)器人外部的外皮囊1，增加水下機(jī)器人的浮力，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、安全可靠的特點(diǎn)。通過開啟截止式電磁閥12，通過帶壓力補(bǔ)償?shù)墓?jié)流閥9控制液壓油流量，使得液壓油從外皮囊1回流到內(nèi)皮囊20，減小水下機(jī)器人的浮力，具有壓力被動調(diào)節(jié)，無功耗的特點(diǎn)。通過改變外皮囊1的液壓油容積來改變外皮囊1的膨脹程度，進(jìn)而改變水下機(jī)器人整體的排水體積，從而達(dá)到調(diào)整水下機(jī)器人浮力狀態(tài)的目的。本發(fā)明通過改變內(nèi)、外皮囊20、1的容積來調(diào)整最大浮力調(diào)節(jié)量。

本發(fā)明系統(tǒng)回油無功耗，適用于需要實時改變浮力狀態(tài)、要求能耗低、結(jié)構(gòu)要求簡單的微型或小型水下機(jī)器人，例如水下滑翔機(jī)、AUV(自治式水下機(jī)器人)等。