一种水下机器人用被动排油式浮力调节装置的制作方法

本发明涉及水下机器人浮力调节设备，具体地说是一种水下机器人用被动排油式浮力调节装置。

背景技术：

水下机器人作为一种水下测量、工作平台，是人类探索海洋最重要的手段，已经广泛应用在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源勘探、救援打捞、海底探测、海洋生物研究与追踪等领域。通常水下机器人在作业工程中要保护稳定的浮力状态，如中性浮力状态，以保证正常稳定的工作状态。然而，海水密度会随着深度变化而发生变化，水下机器人的浮力状态也会随之变化，进而影响水下机器人的运动状态。水下机器人通常都由固体材料组成，比海水更加难以压缩，由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，造成水下机器人的驱动浮力不断减小，使其在运行过程中需要额外消耗能源来克服海水密度变化的影响。因此，研究模块化、结构紧凑、稳定可靠的水下机器人用浮力调节装置，对提高水下机器人整体性能具有重要作用。

技术实现要素：

为了解决水下机器人因浮力状态不稳定而导致整体性能受影响和浮力调节装置功耗较大的问题，本发明的目的在于提供一种水下机器人用被动排油式浮力调节装置。该被动排油式浮力调节装置结构简单、工作可靠、高效率、回油无动力，水下机器人需要下潜时，被动排油式浮力调节装置利用外界的压力将液压油压回内皮囊，进而实现无动力回油的目的；该被动排油式浮力调节装置通过调节水下机器人的排水体积实现对水下机器人浮力状态的调节。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括外皮囊、与水下机器人筒体密封连接的艏部端盖及分别安装在水下机器人筒体内的内皮囊端盖、内皮囊套筒、带压力补偿的节流阀、截止式电磁阀、单向高压柱塞泵、减速齿轮、动力源、内皮囊和单向阀，其中外皮囊安装在艏部端盖上、位于水下机器人外部，所述内皮囊容置于由内皮囊端盖及内皮囊套筒连接而形成的空间内，该内皮囊与所述外皮囊之间并联有抽油管路及回油管路，所述抽油管路及回油管路均与外皮囊及内皮囊相连通；所述抽油管路上设有由动力源驱动的单向高压柱塞泵及只能向外皮囊流动的单向阀，所述回油管路上设有带压力补偿的节流阀和截止式电磁阀；所述内皮囊中的液压油通过单向高压柱塞泵抽出，并经所述单向阀向外皮囊中充油，进而增加水下机器人的浮力；所述外皮囊中的液压油通过截止式电磁阀及带压力补偿的节流阀回流至内皮囊中，进而减小水下机器人的浮力；

其中：所述外皮囊内的液压油由外界水下压力作用通过液压油通过截止式电磁阀及带压力补偿的节流阀回流至内皮囊，该液压油的流量通过所述带压力补偿的节流阀被动控制；所述水下机器人舱内抽设定真空度，实现水面回油；

所述内皮囊端盖上设有液压阀块，所述带压力补偿的节流阀及截止式电磁阀分别安装在该液压阀块上、且串联连接；所述单向阀与单向高压柱塞泵相连接；

所述液压阀块上分别安装有第一调向弯头、第一接头及第二调向弯头，所述单向高压柱塞泵上分别安装有三通及第二接头，该第一调向弯头的一端固接在液压阀块上、另一端通过液压管路与所述外皮囊相连通，所述第一接头的一端固接在液压阀块上、另一端通过管路与所述第二接头的一端相连通，该第二接头的另一端经所述单向阀与所述单向高压柱塞泵相连通，所述第二调向弯头的一端固接在液压阀块上、另一端通过管路与所述三通的一个接口相连通，该三通的第二个接口通过管路与所述内皮囊相连通，所述三通的第三个接口与单向高压柱塞泵相连通；

所述抽油管路为内皮囊中的液压油经三通至单向高压柱塞泵，再依次经单向阀、第二接头、第一接头、第一调向弯头、液压管路流至外皮囊；所述回油管路为外皮囊中的液压油经液压管路、第一调向弯头至液压阀块，再依次经截止式电磁阀、带压力补偿的节流阀、第二调向弯头、三通流至内皮囊；

所述内皮囊端盖上设有减速齿轮，所述动力源安装在该减速齿轮上，并通过所述减速齿轮的传动驱动所述单向高压柱塞泵旋转；所述减速齿轮与单向高压柱塞泵之间通过联轴器相连，该联轴器的外围设有安装在单向高压柱塞泵与减速齿轮之间的联轴器钟罩；

所述内皮囊端盖及内皮囊套筒形成的空间内容置有内皮囊活塞，该内皮囊活塞与所述内皮囊连动、随内皮囊直线往复运动；所述内皮囊活塞上安装有直线电位计。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明运行过程几乎可以保持恒定的净浮力，与传统的水下机器人用浮力调节系统相比，本发明主动充油过程功耗低、效率高，被动回油过程基本无能量消耗，节省水下机器人的能源，整套装置可以在不同深度下正常工作。

2.本发明由直流电机驱动一个单向高压柱塞泵，通过单项高压柱塞泵的旋转实现排油，进而增加水下机器人的浮力，结构简单，效率高，安全可靠，可以在不同深度回油。

3.本发明由截止式电磁阀控制回油油路的开启和关闭，通过带压力补偿的节流阀借助外界压力实现无动力回油，进而减小水下机器人的浮力；水下机器人舱内抽设定真空度，保证在水面可以正常回油，结构简单，功耗小，安全可靠，可以在不同深度回油。

4.本发明采用微型的单向高压柱塞泵，能够提供很高的工作压力，满足了水下机器人深水作业的要求。

5.本发明浮力调节能力大，通过调整内、外皮囊容积，即可灵活调整最大浮力调节量。

6.本发明不限于在水下滑翔机及AUV上应用，对于各种需要浮力调节或者浮力驱动的水下机器人本发明同样具有较好的效果。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的结构主视图；

图3为图2为仰视剖视图；

图4为图2为俯视剖视图；

图5为本发明的内部结构示意图；

其中：1为外皮囊，2为艏部端盖，3为内皮囊端盖，4为内皮囊套筒，5为直线电位计，6为外皮囊接头，7为液压管路，8为第一调向弯头，9为带压力补偿的节流阀，10为第一接头，11为液压阀块，12为截止式电磁阀，13为第二调向弯头，14为三通，15为单向高压柱塞泵，16为联轴器钟罩，17为减速齿轮，18为直流电机，19为电机减速器，20为内皮囊，21为第二接头，23为单向阀，24为内皮囊活塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～5所示，本发明包括外皮囊1、艏部端盖2、内皮囊端盖3、内皮囊套筒4、直线电位计5、外皮囊接头6、液压管路7、带压力补偿的节流阀9、液压阀块11、截止式电磁阀12、单向高压柱塞泵15、减速齿轮17、动力源、内皮囊20、联轴器22、单向阀23及内皮囊活塞24，其中外皮囊1通过外皮囊接头6安装在艏部端盖2的外侧，并位于艏部导流罩内，浸没在水下机器人所处的海水中，艏部端盖2的内侧与水下机器人筒体密封连接；内皮囊端盖3、内皮囊套筒4、直线电位计5、液压管路7、带压力补偿的节流阀9、液压阀块11、截止式电磁阀12、单向高压柱塞泵15、减速齿轮17、动力源、内皮囊20、联轴器22、单向阀23及内皮囊活塞24分别安装在水下机器人筒体内，与海水隔离开。

内皮囊端盖3与内皮囊套筒4之间固定连接，内皮囊20容置于由内皮囊端盖3及内皮囊套筒4连接而形成的空间内。在内皮囊端盖3及内皮囊套筒4形成的空间内还容置有内皮囊活塞24，该内皮囊活塞24的一端与内皮囊20连动、随内皮囊20直线往复运动，内皮囊活塞24的另一端由内皮囊套筒4穿出。在内皮囊活塞24上安装有直线电位计5，用于实时反馈浮力调节量。

内皮囊20与外皮囊1之间并联有抽油管路及回油管路，抽油管路及回油管路均与外皮囊1及内皮囊20相连通；抽油管路上设有由动力源驱动的单向高压柱塞泵15及只能向外皮囊1流动的单向阀23，回油管路上设有带压力补偿的节流阀9和截止式电磁阀12。内皮囊20中的液压油通过单向高压柱塞泵15抽出，并经单向阀23向外皮囊1中充油，进而增加水下机器人的浮力。外皮囊1中的液压油通过截止式电磁阀12及带压力补偿的节流阀9回流至内皮囊20中，进而减小水下机器人的浮力。本发明的截止式电磁阀12为两位两通电磁阀。

内皮囊端盖3上设有液压阀块11，带压力补偿的节流阀9及截止式电磁阀12分别安装在该液压阀块11上、且串联连接。单向阀23与单向高压柱塞泵15相连接。液压阀块11上分别安装有第一调向弯头8、第一接头10及第二调向弯头13，单向高压柱塞泵15上分别安装有三通14及第二接头21，该第一调向弯头8的一端固接在液压阀块11上、另一端通过液压管路7与外皮囊1相连通，第一接头10的一端固接在液压阀块11上、另一端通过管路与第二接头21的一端相连通，该第二接头21的另一端经单向阀23与单向高压柱塞泵15相连通，第二调向弯头13的一端固接在液压阀块11上、另一端通过管路与三通14的一个接口相连通，该三通14的第二个接口通过管路与内皮囊20相连通，三通14的第三个接口与单向高压柱塞泵15相连通。抽油管路为内皮囊20中的液压油经三通14至单向高压柱塞泵15，再依次经单向阀23、第二接头21、第一接头10、第一调向弯头8、液压管路7流至外皮囊1。回油管路为外皮囊1中的液压油经液压管路7、第一调向弯头8至液压阀块11，再依次经截止式电磁阀12、带压力补偿的节流阀9、第二调向弯头13、三通14流至内皮囊20。

内皮囊端盖3上设有减速齿轮17，动力源安装在该减速齿轮17上，并通过减速齿轮17的传动驱动单向高压柱塞泵15旋转。本发明的动力源包括直流电机18及减速器19，直流电机18的输出端与减速器19相连，减速齿轮17与单向高压柱塞泵15之间通过联轴器22相连，直流电机18及减速器19通过减速齿轮17、联轴器22驱动单向高压柱塞泵15顺时针旋转。联轴器22的外围设有安装在单向高压柱塞泵15与减速齿轮17之间的联轴器钟罩16。

本发明的带压力补偿的节流阀为市购产品，购置于瑞典Bieri公司，型号为AKP103。本发明的单向高压柱塞泵15为市购产品，购置于EHE公司，型号为2CFR30。

本发明的工作原理为：

本发明利用液压系统对水下机器人进行浮力调节，使其在运行过程中浮力状态更加稳定。水下机器人下潜过程中，随着下潜深度的增加，静水压增大，海水密度也会随之增大；而由于水下机器人与海水压缩率的不匹配，会使水下机器人受到的浮力逐渐增加。相反，上浮过程中，又会随着深度的减小浮力逐渐减小。本发明通过调节水下机器人的排水体积补偿水下机器人因壳体压缩变形和海水密度变化产生的浮力改变量，使水下机器人在工作过程中净浮力的变化达到最小，从而提高运行效率及能源使用效率。具体工作原理为：

若要增加水下机器人的浮力，直流电机18通过电机减速器19和联轴器22驱动单向高压柱塞泵15做顺时针旋转运动，内皮囊20里的液压油进入单向高压柱塞泵15，单向高压柱塞泵15排出的液压油经过单向阀23排入到外皮囊1内，外皮囊1的体积变大，从而增加整个水下机器人载体的浮力。同时，内皮囊20由于其内部的液压油不断被吸出，内皮囊20将向左侧做直线运动，直线电位计5实时反馈内皮囊20的运动距离；当内皮囊20运动到设定位置时，直流电机18停止工作。截止式电磁阀12和单向阀23保证了外皮囊1内的液压油不会由于水压而回流到内皮囊20内。若要减小水下机器人的浮力，则需要打开截止式电磁阀12，外皮囊1内的液压油由于外界压力的作用通过截止式电磁阀12和带压力补偿的节流阀9流回内皮囊20，液压油的流量通过带压力补偿的节流阀9加以被动控制，水下机器人舱内抽设定真空度，保证在水面可以正常回油。同理，当内皮囊20运动到设定位置时，关闭截止式电磁阀12。

本发明通过启动直流电机18驱动单向高压柱塞泵15顺时针旋转，把液压油从水下机器人筒体内部的内皮囊20打到安装在水下机器人外部的外皮囊1，增加水下机器人的浮力，具有结构简单、效率高、安全可靠的特点。通过开启截止式电磁阀12，通过带压力补偿的节流阀9控制液压油流量，使得液压油从外皮囊1回流到内皮囊20，减小水下机器人的浮力，具有压力被动调节，无功耗的特点。通过改变外皮囊1的液压油容积来改变外皮囊1的膨胀程度，进而改变水下机器人整体的排水体积，从而达到调整水下机器人浮力状态的目的。本发明通过改变内、外皮囊20、1的容积来调整最大浮力调节量。

本发明系统回油无功耗，适用于需要实时改变浮力状态、要求能耗低、结构要求简单的微型或小型水下机器人，例如水下滑翔机、AUV(自治式水下机器人)等。