本發(fā)明涉及水下負(fù)壓吸附領(lǐng)域，特別涉及針對遙控潛水器水下作業(yè)時穩(wěn)固生根定位問題而研發(fā)的一種水下可控電動螺旋吸附裝置。

背景技術(shù)：

目前遙控潛水器等小型水下作業(yè)平臺水下定位生根的方法主要有：定位機(jī)械臂夾持，動力定位，電磁吸附，渦輪負(fù)壓吸附，液壓抽真空吸附等。但上述幾種定位生根方法都有一定的缺點(diǎn)或者使用環(huán)境限制，在液壓動力源需求、吸附力大小和穩(wěn)定性、吸附生根表面材質(zhì)和平整度等各方面都有特殊的要求。

定位機(jī)械手夾持定位生根方法是在水下作業(yè)平臺上單獨(dú)設(shè)置一個定位機(jī)械臂，當(dāng)接近作業(yè)目標(biāo)時，通過夾持目標(biāo)附近的固定物體實現(xiàn)作業(yè)平臺的定位。目前沈陽自動化所研制并配發(fā)防救部隊使用的yq2a型1000m作業(yè)遙控潛水器就是釆用此種定位方法，其五功能開關(guān)機(jī)械手為定位機(jī)械手。采用機(jī)械手夾持生根的方法優(yōu)點(diǎn)在于操作簡單。缺點(diǎn)：無法使用兩個機(jī)械手配合實現(xiàn)精細(xì)作業(yè)，需另外設(shè)置機(jī)械手，增加了費(fèi)用；單點(diǎn)生根存在應(yīng)力集中，需要尋找強(qiáng)力的夾持點(diǎn)防止生根失?。煌瑫r單點(diǎn)在流的作用下容易出現(xiàn)晃動影響作業(yè)。

近年來，有許多學(xué)者對遙控潛水器的水下動力定位進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)范士波在其博士論文《深海作業(yè)型rov水動力試驗及運(yùn)動控制技術(shù)研究》中指出，遙控潛水器的動力定位由于系統(tǒng)本身的高度非線性和耦合性，同時外部海流、海浪的干擾，使得實現(xiàn)水下的動力定位極為復(fù)雜。水下動力定位是指在波浪、海流等環(huán)境中，利用自身的傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)使得潛水器保持一定的姿態(tài)懸停在海洋空間的某一位置或者沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)動。水下動力定位生根的主要優(yōu)點(diǎn)是:自動化程度高；缺點(diǎn)：不能實現(xiàn)真正意義上與目標(biāo)相對位置的固定，只是在設(shè)定位置附近擾動；同時定位的精度受到傳感器精度、物理環(huán)境參數(shù)設(shè)定和推進(jìn)器響應(yīng)速度的影響。

華中科技大學(xué)江航等研究者在[船用吸附蠕動攀爬式機(jī)器人的設(shè)計與實現(xiàn)]文章中對使用電磁鐵吸附于船體表面的遙控潛水器進(jìn)行了研究，指出電磁吸附是采用電磁鐵的形式實現(xiàn)水下作業(yè)平臺的與鐵磁性固定生根表面的吸附與脫離，主要優(yōu)點(diǎn)是：吸附力大脫離可控,控制方法簡單易于實現(xiàn)。但同時也存在明顯的缺點(diǎn):維持吸附力需要持續(xù)耗能,電磁鐵本身重量很重，同時生根固定表面必須為鐵磁性物體。隨著防腐蝕、無磁性及其它功能的需求，海洋結(jié)構(gòu)物將會使用大量非金屬、無磁性或者是金屬表面包覆非金屬材料，這使電磁吸附使用的機(jī)會越來越小。

彭晉民等研究者在[負(fù)壓爬壁機(jī)器人吸附系統(tǒng)研究]中對應(yīng)用于陸上的爬壁機(jī)器人進(jìn)行了研究，其負(fù)壓產(chǎn)生的驅(qū)動部件為離心風(fēng)機(jī)，當(dāng)應(yīng)用于水下時，風(fēng)機(jī)演變?yōu)榕潘疁u輪，兩者工作原理相同，如seabotix公司的vortexgenerator輪式遙控潛水器水下吸附時的驅(qū)動部件采用的就是排水渦輪。渦輪負(fù)壓吸附的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，由于持續(xù)工作排水允許泄漏，對吸附面形狀和材料適應(yīng)性強(qiáng)，易于實現(xiàn)。缺點(diǎn)：吸附力受到渦輪排水能力的限制，生根力較小且不穩(wěn)定；生根定位時需要持續(xù)轉(zhuǎn)動排水提供吸附力，增加了整體的電力負(fù)荷；噪音大，體積大，吸附效率低，難以實現(xiàn)針對非平面吸附面的有效吸附。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種水下可控電動螺旋吸附裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案得以解決：

一種水下可控電動螺旋吸附裝置包括金屬缸體，金屬缸體由上缸體8、下缸體10組成，金屬缸體的上下兩端分別設(shè)置有上活塞1、下活塞7，上缸體8、下缸體10之間設(shè)置有中置固定板9，下缸體10的底端設(shè)置有高模量承壓橡膠11，高模量承壓橡膠11外側(cè)設(shè)置有柔性多唇邊密封環(huán)12，步進(jìn)電機(jī)4固定于中置固定板9下表面的中部，步進(jìn)電機(jī)4下方對應(yīng)的下活塞7中央部位設(shè)置有滑塊6，步進(jìn)電機(jī)4的輸出端連接的滾珠自鎖絲杠5的末端適配定位在滑塊6的中央螺紋孔中。

進(jìn)一步地，在上活塞1、下活塞7之間設(shè)置有多根防失穩(wěn)導(dǎo)桿2，優(yōu)選地，所述防失穩(wěn)導(dǎo)桿2為兩根。

進(jìn)一步地，所述防失穩(wěn)導(dǎo)桿2穿過中置固定板9上開設(shè)的導(dǎo)桿孔3，防失穩(wěn)導(dǎo)桿2與導(dǎo)桿孔3之間存在間隙。

進(jìn)一步地，在金屬缸體中上活塞1、下活塞7與中置固定板9之間的空腔中充油。

進(jìn)一步地，步進(jìn)電機(jī)4為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通電后電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動滾珠自鎖絲杠5平移，滾珠自鎖絲杠5與滑塊6的中央螺紋孔為傳力機(jī)構(gòu)，所述傳力機(jī)構(gòu)使步進(jìn)電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)化為滾珠自鎖絲杠5的直線位移，滾珠自鎖絲杠5拉動下活塞7直線運(yùn)動使密閉空腔容積變化，滾珠自鎖絲杠5與步進(jìn)電機(jī)4的輸出軸通過機(jī)械方式固連在一起，接收步進(jìn)電機(jī)4的角位移跟隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，帶動滑塊6沿軸向運(yùn)動，通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，帶動下活塞7上下運(yùn)動。

進(jìn)一步地，當(dāng)下活塞7在絲杠5帶動向上移動時，下活塞7下部密封腔室容積增大產(chǎn)生負(fù)壓，上活塞1所受的外部壓力可通過內(nèi)部所充油液傳遞至下活塞7，最終通過絲杠5和與電機(jī)4固連的中置固定板9傳遞到缸體上，使整個裝置緊緊壓在吸附面上，從而實現(xiàn)可靠吸附生根。

進(jìn)一步地，吸附機(jī)構(gòu)需要脫開時，帶動絲杠5的電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的距離，使內(nèi)外壓平衡，即可實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的脫離。

進(jìn)一步地，所述柔性多唇邊密封環(huán)12的截面呈鋸齒形，單個密封線截面呈等腰直角三角形，前一條密封線的直角邊與后一條密封線的斜邊夾角為45度。

進(jìn)一步地，還包括控制器，所述控制器與步進(jìn)電機(jī)4連接。

本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動帶有穩(wěn)定裝置的對置活塞，活塞與缸體組成的密封腔室充油以實現(xiàn)水下可靠工作。裝置吸附端面處采用兩層橡膠，底層柔性橡膠采用多唇邊形狀實現(xiàn)可靠密封，上層采用承力橡膠，在吸附過程中根據(jù)步進(jìn)電機(jī)通過絲杠傳動帶動活塞的位移和承力橡膠的本構(gòu)關(guān)系，可計算出吸附力的大小，從而實現(xiàn)可控可靠的水下密封。該裝置可實現(xiàn)遙控潛水器等水下作業(yè)平臺穩(wěn)定、可控、可靠的水下定位生根，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計巧妙，實用性強(qiáng)。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置的功能流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例的附圖，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；谒枋龅谋景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在無需創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置包括金屬缸體，金屬缸體由上缸體8、下缸體10組成，金屬缸體的上下兩端分別設(shè)置有上活塞1、下活塞7，上缸體8、下缸體10之間設(shè)置有中置固定板9，下缸體10的底端設(shè)置有高模量承壓橡膠11，高模量承壓橡膠11外側(cè)設(shè)置有柔性多唇邊密封環(huán)12，步進(jìn)電機(jī)4固定于中置固定板9下表面的中部，步進(jìn)電機(jī)4下方對應(yīng)的下活塞7中央部位設(shè)置有滑塊6，步進(jìn)電機(jī)4的輸出端連接的滾珠自鎖絲杠5的末端適配定位在滑塊6的中央螺紋孔中。進(jìn)一步地，在上活塞1、下活塞7之間設(shè)置有多根防失穩(wěn)導(dǎo)桿2，優(yōu)選地，防失穩(wěn)導(dǎo)桿2為兩根，如圖1所示，所述防失穩(wěn)導(dǎo)桿2穿過中置固定板9上開設(shè)的導(dǎo)桿孔3，進(jìn)一步地，防失穩(wěn)導(dǎo)桿2與導(dǎo)桿孔3之間存在間隙。進(jìn)一步地，在金屬缸體中上活塞1、下活塞7與中置固定板9之間的空腔中充油。

進(jìn)一步地，步進(jìn)電機(jī)4為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通電后電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動滾珠自鎖絲杠5平移，滾珠自鎖絲杠5與滑塊6的中央螺紋孔為傳力機(jī)構(gòu)，所述傳力機(jī)構(gòu)使步進(jìn)電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)化為滾珠自鎖絲杠5的直線位移，滾珠自鎖絲杠5拉動下活塞7直線運(yùn)動使密閉空腔容積變化。滾珠自鎖絲杠5與步進(jìn)電機(jī)4的輸出軸通過機(jī)械方式固連在一起，接收步進(jìn)電機(jī)4的角位移跟隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)，帶動滑塊6沿軸向運(yùn)動，通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，帶動下活塞7上下運(yùn)動。

上活塞1、下活塞7和金屬缸體8組成上部密封腔，下活塞7與高模量承壓橡膠11、柔性多唇邊密封環(huán)12以及被吸附面組成下密封腔，上活塞1、下活塞7和金屬缸體均釆用金屬材料，金屬缸體作為防止彈性體邊緣脫離吸附面強(qiáng)力剛性支撐體。當(dāng)下活塞7在絲杠5帶動向上移動時，下活塞7下部密封腔室容積增大產(chǎn)生負(fù)壓，上活塞1所受的外部壓力可通過內(nèi)部所充油液傳遞至下活塞7，最終通過絲杠5和與電機(jī)4固連的中置固定板9傳遞到缸體上，使整個裝置緊緊壓在吸附面上，從而實現(xiàn)可靠吸附生根。

本發(fā)明中橡膠作為彈性材料，受壓后發(fā)生變形壓緊端面柔性密封圈，橡膠的壓縮變形一方面保證了良好的端面密封，另一方面使橡膠圈壓縮變形的力即整個結(jié)構(gòu)的吸附力。

柔性多唇邊密封環(huán)12主要功能是密封作用，與吸附面壓緊保證整個密封腔的邊緣密封。

本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置功能實現(xiàn)流程如附圖2所示，不考慮液體負(fù)壓膨脹的情況，當(dāng)絲杠5帶動下活塞7的位移小于某一臨界值(臨界值與承力橡膠的尺寸參數(shù)相關(guān)，可精確計算)，下活塞7的位移量即橡膠圈的變形量。可以通過步進(jìn)電機(jī)4—絲杠5控制下活塞7運(yùn)動距離從而控制橡膠變形量，通過橡膠本構(gòu)關(guān)系，計算吸附力。當(dāng)位移大于臨界值時，吸附力為一定值，與吸附結(jié)構(gòu)界面尺寸、飽和蒸汽壓力和外界壓力相關(guān)。

為提高吸附的可靠性，所述柔性多唇邊密封環(huán)12的截面呈鋸齒形，如附圖1所示，單個密封線截面呈等腰直角三角形，前一條密封線的直角邊與后一條密封線的斜邊夾角為45度。其提高密封可靠性的基本原理為：一是每條密封線形成單獨(dú)的密封，其中一條密封線出現(xiàn)泄漏不影響其他密封線的密封效果。二是當(dāng)整個密封圈承壓時，由于結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計，每條密封線均朝向外側(cè)傾斜，一方面保證了相鄰密封線互不影響，不存在壓縮后傾倒方向不一致導(dǎo)致影響相鄰密封線密封的問題，另一方面在外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)壓力的情況下,能夠讓每條密封線斜邊緊緊貼于被吸附面，增大吸附面積，提高吸附密封可靠性；三是本文選擇密封圈材質(zhì)采用低模量、柔性好的天然橡膠，縱使被吸附面存在凹凸不平的缺陷，也能夠?qū)崿F(xiàn)緊密的貼合，保證良好可靠的密封。

實施例1

吸附裝置與被吸附面接觸后，附圖1中柔性多唇邊密封環(huán)12能夠與被吸附面緊緊貼合，與下活塞7及周向缸體形成密閉區(qū)域。然后通過plc等控制設(shè)備對步進(jìn)電機(jī)輸入控制信號，步進(jìn)電機(jī)通過與之連接的絲杠5帶動活塞7向上運(yùn)動。

由于水等液體膨脹系數(shù)極低，而且橡膠模量較低，此時在外界壓力的作用下，密封下活塞7與被密封面之間的腔室容積不發(fā)生變化，則下活塞7向上的位移量與橡膠的壓縮變形量相等。從而根據(jù)橡膠的本構(gòu)關(guān)系，由橡膠模量和壓縮應(yīng)變可計算橡膠承受的壓縮力，此壓縮力與整個裝置的吸附力等價。

本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置，吸附機(jī)構(gòu)需要脫開時，帶動絲杠5的電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的距離，使內(nèi)外壓平衡，即可實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的脫離。

本發(fā)明的水下可控電動螺旋吸附裝置，釆用了內(nèi)部充油的雙缸體雙活塞對置布置結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實現(xiàn)壓力傳遞的同時保證了電機(jī)的水下正常工作和結(jié)構(gòu)的耐壓。采用步進(jìn)電機(jī)—絲杠驅(qū)動活塞運(yùn)動使橡膠墊壓縮變形計算吸附力的方法實現(xiàn)了可控和可靠的水下生根固定，裝置設(shè)計巧妙，實用性強(qiáng)。

應(yīng)該理解，盡管參考其示例性的實施方案，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行具體地顯示和描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不背離由權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以在其中進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)的變化，可以進(jìn)行各種實施方案的任意組合。