一种大深度水下机器人用浮力调节装置的制作方法

本发明涉及浮力调节装置，具体地说是一种大深度水下机器人用浮力调节装置。

背景技术：

当前各类水下机器人研究当中，auv(自治水下机器人)，水下滑翔机，多功能浮标等是热点；其研究范围也比较广泛，既包括应用研究，又包括基础研究，从经济型到功能多样型，有军用也有民用的，涵盖了多种类型的无人水下航行器。事实上，上述水下机器人特别适合于水文水体观测、海底搜索、目标探测和识别、环境背景噪声的观测、地形地貌的测绘等，其具有续航能力强、下潜深度大、可进入复杂海洋环境中、不需要庞大的水面支撑、占用甲板面积小和成本低等优点，未来将朝着更深、更远、功能更强大的方向发展。

上述水下机器人在工作时均有一个共同的特点，那就是其自身的重力与其在海水中的浮力相等或接近平衡。然而，海水的密度会随着深度的变化以及海水温度、盐度的不同而发生改变。这就意味着水下机器人在运动过程中，重力和浮力的匹配关系随着环境的不同是动态变化的。对于具有推进装置的水下机器人而言，如果不消除浮力造成的影响，则一直需要推力来平衡该部分剩余浮力，水下机器人的续航能力将大打折扣，严重的情况下会导致水下机器人无法正常下潜到指定深度。对于本身依靠浮力与重力关系作为驱动力的水下机器人而言，高效而可靠的浮力驱动装置是水下机器人的核心组成部分，其优劣直接关系到水下机器人能否下潜到指定深度，是否具备足够的续航能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大深度水下机器人用的浮力调节装置。该浮力调节装置是通过改变排水体积的方式来调整水下机器人的浮力，结构布局简单紧凑、尺寸重量小、工作安全可靠、浮力调节效率高、浮力调节能力大，最大工作深度高达7000米。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括橡胶外皮囊、耐压球壳、阀组固定杆、艏部拉杆、阀块、阀组固定板、浮力驱动装置、内皮囊底盖、橡胶内皮囊、内皮囊密封桶、隔膜泵、电磁开关阀及单向阀，其中橡胶外皮囊开口端与耐压球壳密封连接，所述橡胶内皮囊容置于内皮囊密封桶内,该橡胶内皮囊的开口端密封连接有内皮囊底盖，所述内皮囊底盖与内皮囊密封桶的开口端密封连接，所述耐压球壳与内皮囊底盖之间通过艏部拉杆相连；所述阀组固定板通过阀组固定杆安装于耐压球壳上，该阀组固定板上分别安装有阀块及隔膜泵；所述浮力驱动装置安装于内皮囊底盖上，该浮力驱动装置的吸油口通过柱塞泵吸油口软管与所述橡胶内皮囊内部相连通，所述浮力驱动装置的排油口通过柱塞泵排油钢管与阀块的高压入口连接，所述阀块的高压出口通过排油口钢管与橡胶外皮囊内部相连通，该阀块分别安装有电磁开关阀及单向阀，所述单向阀位于阀块的高压入口与高压出口之间；所述阀块的低压出口通过隔膜泵吸油口软管与隔膜泵的入油口相连，所述电磁开关阀控制橡胶外皮囊内的液压油与阀块的低压出口之间的通断，所述隔膜泵的出油口通过隔膜泵回油口软管与橡胶内皮囊的内部相连通。

其中：所述浮力驱动装置包括箱座、传动机构、输出轴、柱塞泵固定件、十字滑槽联轴器、转接轴、泵密封壳、行星齿轮减速箱、直流电机及柱塞泵，该箱座安装于所述内皮囊底盖上，所述箱座内部转动安装有输出轴；所述柱塞泵固定件的一端固定在箱座上，另一端与所述泵密封壳密封连接，所述柱塞泵密封容置于泵密封壳内，并安装于所述柱塞泵固定件的另一端；所述行星齿轮减速箱安装于箱座上，该行星齿轮减速箱的输入端与直流电机相连，输出端通过所述传动机构与输出轴连接，所述输出轴通过十字滑槽联轴器与转接轴的一端相连，该转接轴的另一端与所述柱塞泵连接，将扭矩传递给柱塞泵。

所述直流电机与柱塞泵平行布置；所述传动机构为齿轮传动机构、位于箱座内，包括齿轮a和齿轮b，该齿轮a安装于所述输出轴上，所述齿轮b与行星齿轮减速箱的输出端相连，并与所述齿轮a相啮合。

所述橡胶外皮囊为一端开口的瓶状结构，其瓶口处密封连接有外皮囊油嘴，该外皮囊油嘴的一侧设有o形圈槽，所述橡胶外皮囊的瓶口处设有与o形圈槽相配合的o形圈，所述外皮囊油嘴与橡胶外皮囊的瓶口通过外皮囊压紧盖压紧并固定；所述外皮囊油嘴的另一侧与耐压球壳的中间孔相配合，并通过o形圈密封，该外皮囊油嘴另一端的端部螺纹连接有外皮囊固定接头，所述外皮囊油嘴通过该外皮囊固定接头固定在耐压球壳上。

所述橡胶内皮囊为一端开口的桶状结构，其沿口处设有o形圈，所述内皮囊底盖与橡胶内皮囊连接的一侧开设有两个径向o形圈槽，靠内的o形圈槽内置有o形密封圈，靠外的o形圈槽放置所述橡胶内皮囊的o形圈状沿口。

所述内皮囊密封桶内部通过橡胶内皮囊分为相互独立的两个密封空间，即内皮囊底盖与橡胶内皮囊形成的内油箱腔体以及橡胶内皮囊与内皮囊密封筒形成的密封气体腔，所述内皮囊密封桶底部分别安装有用于测量密封气体腔内气体温度的温度传感器和用于测量密封气体腔内气体压强的气压传感器。

所述内皮囊底盖上安装有隔震环，该隔震环上开设有凹槽，所述凹槽内容置有隔震橡胶圈。

所述内皮囊底盖上设有可拆卸的注油口丝堵，该注油口丝堵由内皮囊底盖拧下后，向所述橡胶内皮囊内灌注液压油，以及抽真空或排气。

所述阀块上安装有压力计。

所述内皮囊底盖上安装有两个软管接头，其中一个软管接头与所述柱塞泵吸油口软管的一端相连，该柱塞泵吸油口软管的另一端连接有调向接头，并通过调向接头固定件固定在所述浮力驱动装置的吸油口处；另一个软管接头与所述隔膜泵回油口软管的一端相连，该隔膜泵回油口软管的另一端连接有调向接头，并通过调向接头固定件固定在所述隔膜泵的出油口处。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明整体结构布局采用拉杆笼形加内部芯轴结构，质量轻，结构简单可靠、成本低、实用性强，既满足了整体结构的稳定性，又实现了整体结构的轻量化。

2.本发明的设计深度为7000米，浮力调节装置能在70mpa的压力环境中正常工作。

3.本发明通过检测密闭腔体内惰性气体的温度与压力的变化来检测浮力调节装置液压油的调节量，检测精度高，抗干扰能力强。

4.本发明在橡胶内皮囊内的液压油排净的条件下，在内皮囊密封筒内灌注1.2bar压力的惰性气体，使得橡胶内皮囊不管处于何种状态，均具备一定的正压力，解决了柱塞泵自吸能力弱的问题，提高了柱塞泵的工作效率。

5.本发明将压力计安装于液压系统阀块上，通过检测液压油的压力来检测外界水压，压力计不与海水接触，避免了腐蚀，堵塞等问题，同时结构更紧凑，油液密封可靠性更高，系统可测试性更好。

6.本发明向外排油采用柱塞泵，向内回油采用隔膜泵，均处于最佳工作效率状态，系统能耗更低。

7.本发明中耐压球壳是水下机器人密封舱封堵；改变耐压球壳的结构，更改浮力调节装置各模块的布局，可适应不同水下机器人的应用需求。

8.本发明的直流电机与柱塞泵平行布置，采用齿轮啮合传动，使得结构更加紧凑；柱塞泵采用浸油式安装，充分结合高压柱塞泵的结构特征，实现柱塞泵浸油式安装体积最小化，提高了吸油效率，同时节省了空间。

9.本发明的高压管路部分均采用钢管，所有低压管路部分均采用透明胶管，便于观察闭式液压系统内部是否存在气泡；同时，内皮囊底盖上设置注油口丝堵，方便闭式液压系统灌油与排气。

10.本发明采用隔震环上添加隔震橡胶圈的设计，实现了浮力调节装置与水下机器人耐压舱壁之间的隔振减噪效果。

11.本发明采用调向接头固定件与调向接头的组合可调向设计，使得橡胶软管连接更方便，同时避免了橡胶软管过度弯折导致管路变窄或封闭的情况发生。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视剖视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明浮力驱动装置的剖视图；

图5为本发明的工作原理图；

其中：1为橡胶外皮囊，2为外皮囊油嘴，3为外皮囊压紧盖，4为外皮囊固定接头，5为耐压球壳，6为阀组固定杆，7为艏部拉杆，8为阀块，9为阀组固定板，10为浮力驱动装置，11为软管接头，12为注油口丝堵，13为内皮囊底盖，14为橡胶内皮囊，15为内皮囊密封筒，16为温度传感器，17为温度传感器接头，18为气压传感器，19为气压传感器固定接头，20为隔震环，21为隔震橡胶圈，22为柱塞泵吸油口软管，23为隔膜泵回油口软管，24为隔膜泵吸油口软管，25为柱塞泵排油钢管，26为调向接头固定件，27为调向接头，28为隔膜泵，29为压力计，30为电磁开关阀，31为排油口钢管，32为直通管接头，33为箱座，34为齿轮a，35为输出轴，36为柱塞泵固定件，37为十字滑槽联轴器，38为传动销，39为深沟球轴承，40为骨架油封，41为转接轴，42为泵密封壳，43为箱座盖板，44为行星齿轮减速箱，45为十字槽沉头螺钉，46为密封圈a，47为直流电机，48为柱塞泵，49为密封圈b，50为单向阀，51为齿轮b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～4所示，本发明包括橡胶外皮囊1、外皮囊油嘴2、外皮囊压紧盖3、外皮囊固定接头4、耐压球壳5、阀组固定杆6、艏部拉杆7、阀块8、阀组固定板9、浮力驱动装置10、软管接头11、注油口丝堵12、内皮囊底盖13、橡胶内皮囊14、内皮囊密封桶15、温度传感器16、温度传感器接头17、气压传感器18、气压传感器固定接头19、隔震环20、隔震橡胶圈21、隔膜泵28、压力计29、电磁开关阀30、直通管接头32及单向阀50，其中橡胶外皮囊1开口端与耐压球壳5密封连接，橡胶内皮囊14容置于内皮囊密封桶15内,该橡胶内皮囊14的开口端密封连接有内皮囊底盖13，内皮囊底盖13与内皮囊密封桶15的开口端密封连接，耐压球壳5与内皮囊底盖13之间通过艏部拉杆7相连。阀组固定板9通过阀组固定杆6安装于耐压球壳5上，该阀组固定板9上分别安装有阀块8及隔膜泵28。浮力驱动装置10安装于内皮囊底盖13上，该浮力驱动装置10的吸油口通过柱塞泵吸油口软管22与橡胶内皮囊14内部相连通，浮力驱动装置10的排油口通过柱塞泵排油钢管25与阀块8的高压入口连接，阀块8的高压出口通过排油口钢管31与橡胶外皮囊1内部相连通，该阀块8分别安装有压力计29、电磁开关阀30及单向阀50，单向阀50位于阀块8的高压入口与高压出口之间；阀块8的低压出口通过隔膜泵吸油口软管24与隔膜泵28的入油口相连，电磁开关阀30控制橡胶外皮囊1内的液压油与阀块8的低压出口之间的通断，隔膜泵28的出油口通过隔膜泵回油口软管23与橡胶内皮囊14的内部相连通。

本实施例的橡胶外皮囊1为一端开口的瓶状结构，其瓶口处密封连接有外皮囊油嘴2，该外皮囊油嘴2的一侧设有o形圈槽，橡胶外皮囊1的瓶口处设有与o形圈槽相配合的o形圈，外皮囊油嘴2与橡胶外皮囊1的瓶口通过外皮囊压紧盖3压紧并固定，使三者形成一个密封整体。外皮囊油嘴2的另一侧与耐压球壳5的中间孔相配合，并通过两道o形圈密封，该外皮囊油嘴2另一端的端部与外皮囊固定接头4通过螺纹连接，将外皮囊油嘴2固定在耐压球壳5上。三根阀组固定杆6的一端通过螺纹拧紧在耐压球壳5上，另一端通过螺母固定在阀组固定板9上。阀块8、隔膜泵28分别通过螺钉固定在阀组固定板9的两侧。

本实施例的橡胶内皮囊4为一端开口的桶状结构，其沿口处设有o形圈。内皮囊底盖13与橡胶内皮囊14连接的一侧开设有两个径向o形圈槽，靠内的o形圈槽内置有o形密封圈，靠外的o形圈槽放置橡胶内皮囊4的o形圈状沿口。内皮囊密封筒15底部开设有两个安装孔，温度传感器接头17与气压传感器固定接头19分别插入到对应的安装孔内，并通过螺母将二者固定在内皮囊密封筒15的底部；温度传感器16的温敏元件放置于温度传感器接头17的内孔中，并在内孔中灌满导热硅胶，减小温度测量的延迟，用于测量内皮囊密封筒15内部气体的温度；气压传感器18通过螺纹固接在气压传感器固定接头19上，用于测量内皮囊密封筒15内部气体的压强。内皮囊底盖13通过螺钉与内皮囊密封筒15固定在一起，内皮囊密封桶15内部通过橡胶内皮囊14分为相互独立的两个密封空间，分别是内皮囊底盖13与橡胶内皮囊14形成的内油箱腔体以及橡胶内皮囊14与内皮囊密封筒15形成的密封气体腔，通过温度传感器16和气压传感器18分别测量密封气体腔内的温度与压力变化，可得到内油箱腔体的体积改变量，也即橡胶外皮囊1内的液压油量。

本实施例的艏部拉杆7为四根，四根艏部拉杆7的一端通过螺纹拧紧在耐压球壳5上，另一端通过螺母固定在内皮囊底盖13上。隔震环20通过螺钉固定在内皮囊底盖13上，隔震环20上开设有凹槽，凹槽内安装有隔震橡胶圈21，起着隔振减噪的作用。注油口丝堵12紧固在内皮囊底盖13上，将注油口丝堵12拧下后，可进行向橡胶内皮囊14内灌注液压油以及封闭式液压系统内的抽真空与排气等工序。浮力驱动装置10通过螺钉固定在内皮囊底盖13上。本实施例的内皮囊底盖13上安装有两个软管接头11，其中一个软管接头11与柱塞泵吸油口软管22的一端相连，该柱塞泵吸油口软管22的另一端连接有调向接头27，并通过调向接头固定件26固定在浮力驱动装置10的吸油口处。另一个软管接头11与隔膜泵回油口软管23的一端相连，该隔膜泵回油口软管23的另一端连接有调向接头27，并通过调向接头固定件26固定在隔膜泵28的出油口处。

本实施例阀块8的高压入口处通过直通管接头32与柱塞泵排油钢管25相连，阀块8的高压出口处通过直通管接头32与排油口钢管31相连，排油口钢管31的另外一端通过直通管接头32与外皮囊固定接头4相连。电磁开关阀30与阀块8固定在一起，并控制着橡胶外皮囊1内的液压油与阀块8的低压出口之间的通断，阀块8的低压出口通过调向接头固定件26与调向接头27的组合与隔膜泵28的入油口相连。

本实施例的浮力驱动装置10包括箱座33、传动机构、输出轴35、柱塞泵固定件36、十字滑槽联轴器37、转接轴41、泵密封壳42、行星齿轮减速箱44、直流电机47及柱塞泵48，传动机构为齿轮传动机构、位于箱座33内，包括齿轮a34和齿轮b51，该箱座33安装于内皮囊底盖13上，箱座33内部转动安装有输出轴35，输出轴35的两个轴肩上分别套设一对深沟球轴承，并安装于箱座33轴承孔处。柱塞泵固定件36一端的止口与箱座33相配合，并通过四个螺钉紧固在箱座33上。齿轮a34与输出轴35相互套合，通过平键连接实现扭矩的传递，通过紧定螺钉实现轴向定位。输出轴35与转接轴41之间通过十字滑槽联轴器37相连接，轴向定位采用紧定螺钉，径向扭矩的传递通过各自轴上的传动销38来实现的；其中，传动销38的伸出部分被十字滑槽联轴器37轴端槽孔所包含。转接轴41的轴肩处套设深沟球轴承39，并固定于柱塞泵固定件36内的两个轴承孔处；转接轴41的中间部位套设有骨架油封40。柱塞泵48的止口与柱塞泵固定件36的另一端相配合，并通过四个螺钉固定在柱塞泵固定件36的另一端上；同时，保证柱塞泵48的输出轴插入到转接轴41的端面d形槽孔内。泵密封壳42的两个o形圈槽处分别放置密封圈a46和密封圈b49，柱塞泵48密封容置于泵密封壳42内，柱塞泵固定件36的另一端与泵密封壳42密封连接。泵密封壳42的一端套设在柱塞泵固定件36上，另一端套设在柱塞泵48上，并通过四个十字槽沉头螺钉45固定在柱塞泵固定件36上。行星齿轮减速箱44与直流电机47同轴相连，行星齿轮减速箱44的止口与箱座33相配合，并通过四个螺钉紧固在箱座33上。行星齿轮减速箱44的输出轴上套设齿轮b51，通过平键连接实现扭矩的传递，通过紧定螺钉实现轴向定位；齿轮b51与齿轮a34相啮合。箱座盖板43通过四个螺钉固定在箱座33上，避免了一对啮合齿轮的外露。直流电机47通过行星齿轮减速箱44将扭矩传递给一对啮合的齿轮，输出轴35通过十字滑槽联轴器37将扭矩传递给转接轴41，转接轴41将扭矩传递给柱塞泵48。直流电机47与柱塞泵48平行布置，使得结构更加紧凑；柱塞泵48采用浸油式安装，提高了吸油效率。

本发明的工作原理为：

如图5所示，双点划线内的单元均密封于水下机器人内部，双点划线外部单元与海水接触。温度传感器16用于测量内皮囊密封桶15与橡胶内皮囊14之间的密闭空间内气体的温度；气压传感器18用于测量上述密闭空间内气体的体积；压力计29测量橡胶外皮囊1内的油压，由于橡胶外皮囊1内的油压与外界的水压力平衡，也即测量外界水压。当外界水压力达到设定值，即水下机器人下潜到制定深度时，启动柱塞泵48，橡胶内皮囊14内的液压油经柱塞泵48并顶开单向阀50，排出至橡胶外皮囊1中，水下机器人浮力随之增大，当浮力大于重力时，水下机器人开始上浮。

反之，当水下机器人漂浮在水面准备下潜时，开启电磁开关阀30，同时启动隔膜泵28；橡胶外皮囊1中的液压油经过电磁开关阀30被抽入到隔膜泵28，隔膜泵28将其排出至橡胶内皮囊14中；随着橡胶外皮囊1中的液压油量的减少，水下机器人浮力随之减小，当浮力小于重力时，水下机器人开始下潜。

浮力的改变量是通过温度传感器16与气压传感器18测量并根据理想气体状态方程计算得到的。内皮囊密封桶15与橡胶内皮囊14之间的密闭空间内灌注的是惰性气体中的氦气。

具体为：

本发明的向外排油过程：向外排油过程是指橡胶内皮囊14内的液压油转移到橡胶外皮囊1内的过程。启动浮力驱动装置10，浮力驱动装置10中的柱塞泵48开始工作，液压油从内皮囊14中经过柱塞泵吸油口软管22被抽到柱塞泵48的入口，并经过柱塞泵48加压后，从柱塞泵48的出口排出至柱塞泵排油钢管25，再进入到阀块8的高压入口，通过油压顶开嵌入在阀块8内的单向阀50，接着通过阀块8的高压出口排出到排油口钢管31，经由外皮囊固定接头4和外皮囊油嘴2抵达橡胶外皮囊1。向外排油过程中，电磁开关阀30始终处于常闭状态，关闭阀块8的低压出口。向外排油过程会增加水下机器人的排水体积，增大水下机器人的浮力，从而实现上浮运动；一般情况下，该过程发生在水下机器人下潜到指定的深度后需要上浮时。

本发明的向内回油过程：向内回油过程是指橡胶外皮囊1内的液压油转移到橡胶内皮囊14内的过程。给电磁开关阀30上电，开启电磁开关阀30；启动隔膜泵28，液压油从橡胶外皮囊1中依次经过外皮囊油嘴2、外皮囊固定接头4、排油口钢管31、阀块8、电磁开关阀30、隔膜泵吸油口软管24抽入到隔膜泵28；隔膜泵28将液压油排出至隔膜泵回油口软管23，液压油经由软管接头11进入到橡胶内皮囊14内。向内回油过程中，电磁开关阀30始终处于上电开启状态，打开阀块8的低压出口通道，直至向内回油过程结束。向内回油过程会减小水下机器人的排水体积，减小水下机器人的浮力，从而实现下潜运动；一般情况下，该过程发生在水下机器人处于水面即将下潜时。

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