一种载人潜水器的机械手抛弃装置的制作方法

本发明涉及水下工程领域，尤其是一种载人潜水器的机械手抛弃装置。

背景技术：

载人潜水器是具有水下观察和作业能力的潜水装置，是当前海洋勘探研究主要工具之一，也是海洋开发的前沿和制高点之一，其主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，机械手作为载人潜水器最重要的作业手段，能够完成载人潜水器大部分的作业任务，载人潜水器在水下作业时，会出现机械手遭遇外界缠绕不能脱困或者必须立即抛载上浮的紧急情况，这时就需要用到载人潜水器搭载的机械手抛弃装置对机械手进行抛弃。

现阶段的机械手抛弃装置主要采用液压或者电动驱动刀具切断机械手与潜水器框架之间的固定螺栓，同时割断机械手附带的油管和电缆等管系，从而实现抛载，目前国内现役的蛟龙号载人潜水器和深海勇士号载人潜水器均采用这种方式。机械手抛弃装置采用的固定螺栓一般直径取得较大，采用液压驱动刀具切割固定螺栓时，为了可靠且有效地完成切割动作，液压油缸的缸径要设计的较大，这也带来了机械手抛弃装置重量的增加的问题，机械手抛弃装置重量偏重，安装和维护工作量和时间都会增加；另外，切割用的剪切刀的材质选择需要优先满足切割固定螺栓的需求，而无法兼顾到海水中的防腐蚀要求，因此，实际使用中需要经常更换剪切刀；除此之外，载人潜水器在下潜时，由于海水压力在不断变化，会对液压油缸里的油压造成波动，这就有可能存在剪切刀割破电缆导致对机械手抛弃装置的控制失效的隐患。机械手电缆在安装时都是要穿入切割装置上对应的预留缆孔的位置，这在对装置进行维护保障时需要耗费很多时间，带来了不便，维护效率很低。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种载人潜水器的机械手抛弃装置，该装置采用新的开放式双切割的结构设计，抛弃效率和可靠性高，维护成本低。

本发明的技术方案如下：

一种载人潜水器的机械手抛弃装置，包括载人潜水器的潜水器框架和机械手，该机械手抛弃装置还包括：底板，抛弃切割组件、倾翻组件和管系保护组件；

潜水器框架上开设有框架开口，底板设置在框架开口处，底板、抛弃切割组件和管系保护组件顺序依次设置在潜水器框架上且位于同一轴线上；底板上开设有楔形槽，楔形槽平行于底板、抛弃切割组件和管系保护组件所在的轴线；倾翻组件设置在潜水器框架上且位于底板的底部，倾翻组件中至少包括压缩弹簧，压缩弹簧接触底板的底部且压缩弹簧处于压缩状态，压缩弹簧的伸张方向垂直于底板；

抛弃切割组件包括楔形块、切割油缸、液压系统和切割刀，液压系统连接并控制切割油缸，切割油缸为双出杆油缸，切割油缸的活塞杆平行于底板、抛弃切割组件和管系保护组件所在的轴线，切割油缸的活塞杆朝向底板的一端连接楔形块、朝向管系保护组件的一端连接切割刀，楔形块与底板内部的楔形槽相匹配且楔形块插入楔形槽中；

管系保护组件包括引导架，引导架两端开口，引导架一端开口处固定在切割油缸的端面上，另一端开口处设置有环形刀，环形刀与切割刀对向设置，引导架上开设有平行于切割油缸的活塞杆的方向的引导槽，切割刀在活塞杆的带动下沿着引导槽移动；

机械手固定在底板的上表面，机械手的管系伸入引导架中并位于切割刀和环形刀之间，机械手的管系垂直于切割刀的切割方向；切割油缸控制活塞杆处于第一状态时，楔形块插入底板的楔形槽中时，机械手和底板固定在潜水器框架上，切割刀未接触机械手的管系；切割油缸控制活塞杆从第一状态切换至第二状态时，活塞杆向管系保护组件方向移动，楔形块从底板的楔形槽中脱出，机械手和底板与潜水器框架脱离，且切割刀在活塞杆的作用下向环形刀移动并切割机械手的管系。

其进一步的技术方案为，机械手抛弃装置还包括设置在潜水器框架上的限位组件，限位组件包括支撑块、限位筒体、限位杆和限位弹簧；支撑块固定在潜水器框架上，支撑块开设有穿孔，楔形块穿过穿孔后插入底板的楔形槽中，限位筒体焊接在支撑块上，限位杆和限位弹簧均设置在限位筒体中，限位弹簧套设在限位杆外，限位杆在自然状态下在限位弹簧的作用下穿过支撑块并伸入穿孔中，限位杆在受力状态下压缩限位弹簧并回缩入限位筒体中，楔形块在正对穿孔的位置处开设有凹槽，楔形块插入底板的楔形槽时，限位杆卡接在凹槽中对楔形块限位。

其进一步的技术方案为，底板的顶部呈平板结构、底部呈半球结构，潜水器框架上开设的框架开口与底板的形状相匹配，框架开口的开口处的四周有限位框，限位框的形状与底板顶部的平板结构相匹配，底板设置在框架开口处时通过半球结构与框架开口相配合，且底板顶部的平板结构嵌入限位框中；倾翻组件中的压缩弹簧接触底板顶部的平板结构的下表面。

其进一步的技术方案为，引导架在切割刀处设置有挡块、在环形刀处设置有垫片，引导架的上下面均设有保护框，挡块、垫片和保护框均采用泡沫材料制成。

其进一步的技术方案为，切割刀和环形刀的刀面均呈月牙形，切割刀的刀口呈三角形。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种载人潜水器的机械手抛弃装置，该装置对现有的机械手抛弃装置进行了改进，采用了一种新的开放式双切割的设计，利用机械自锁原理，通过楔形块实现机械手的固定和松脱，松脱后即可实现机械手的抛弃，同时机械手的抛弃和机械手管系的切割可以同时进行，抛弃效率和可靠性都更高。本申请优化了机械手抛弃装置的结构，相比于目前常规的结构，不需要再通过切割刀切割固定螺栓，因此整个装置的重量大大减轻，可以为载人潜水器提供更大的有效载荷空间，同时对切割刀的材质的要求降低，使得切割刀可以兼顾耐腐蚀要求，也不需要经常更换，维护成本低，同时简化了管系的安装，减少人员维护和保障时间，有效提高了装置的维护保障效率，具有较大的推广价值，装置的尺寸、功能易于扩展，可以应用到许多水下载体面临危险情况时需要应急抛弃的场合。

附图说明

图1是本申请公开的机械手抛弃装置的结构图。

图2是图1中的aa平面的剖视图。

图3是抛弃切割组件的结构图。

图4是楔形块和底板之间的机械自锁原理的受力分析图。

图5是限位组件的结构图。

图6是图1中的b方向视图。

图7是管系保护组件的俯视图。

图8是图7中的cc平面的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种载人潜水器的机械手抛弃装置，包括载人潜水器的潜水器框架1和机械手2，该机械手抛弃装置用于在需要时使机械手2与潜水器框架1脱离实现机械手2的抛弃，请参考图1所示的结构图，该机械手抛弃装置包括底板3，抛弃切割组件4、倾翻组件5和管系保护组件6。底板3、抛弃切割组件4和管系保护组件6顺序依次设置在潜水器框架1上且位于同一轴线上。潜水器框架1上开设有框架开口，底板3的形状与框架开口的形状相匹配，底板3设置在框架开口中。在本申请中，底板3的顶部呈平板结构、底部呈半球结构，其顶部的平板结构与机械手2的底座的形状相匹配，本申请以底板3的顶部呈长方形平板结构为例，该平板结构的上表面的四角处有四个凸台，机械手2的底座设置在四个凸台上，并通过螺栓结构与底板3牢牢地固定在一起。底板3坐落在潜水器框架1的框架开口中，框架开口厚度方向上是半球结构，与底板3底部的半球结构相配合，保证底板3在任意角度都不会与潜水器框架1产生卡绊。潜水器框架1的框架开口的开口处的四周有限位框，该限位框的形状与底板顶部的平板结构相匹配，当底板3设置在该框架开口中时，底板3顶部的平板结构嵌入该限位框中，从而限制了底板3水平面上的四个自由度。底板3上开设有楔形槽，具体的，该楔形槽开设在底板3底部的半球结构中间，且楔形槽平行于底板3、抛弃切割组件4和管系保护组件6所在的轴线。

倾翻组件5设置在潜水器框架1上且位于底板3的底部，通常位于底板3顶部的平板结构下，图2示出了图1中aa平面的剖视图，也即倾翻组件5的剖视图，倾翻组件5包括弹簧筒体51和压缩弹簧52，弹簧筒体51焊接在潜水器框架1上，压缩弹簧52置于弹簧筒体51内，压缩弹簧52接触底板3的底部，通常是接触底板3顶部的平板结构的下表面，压缩弹簧52呈压缩状态，其伸张方向垂直于底板3从而给底板3一个垂直向上的反作用力，该反作用力也对底板3起到了一定的限位作用。倾翻组件5中实际还包括各种必要的连接标准件，本申请不一一介绍。实际实现时，本申请中通常包括多个倾翻组件5，以底板3顶部为长方形平板结构为例，本申请中包括四个倾翻组件5，四个倾翻组件5分别位于平板结构的四角处，当底板3顶部的平板结构呈其他形状时，倾翻组件5的设置数量和设置位置可以根据需要自行配置。

请参考图3，抛弃切割组件4包括楔形块41、切割油缸42、液压系统43和切割刀44，液压系统43连接并控制切割油缸42，图1中未示出液压系统43与切割油缸42的连接。切割油缸42为双出杆油缸，切割油缸42的活塞杆45平行于底板3、抛弃切割组件4和管系保护组件6所在的轴线，切割油缸42的活塞杆45朝向底板3的一端连接楔形块41、朝向管系保护组件6的一端连接切割刀44。楔形块41一端小一端大，其形状与底板3内部的楔形槽相匹配，活塞杆45连接楔形块41中较大的一端，楔形块41中较小的一端插入底板3内部的楔形槽中，楔形块41的直角边靠近底板3顶部的平板结构、斜边远离底板3顶部的平板结构，楔形块41与底板3之间的配合构成机械自锁，进而限制了底板3在垂直方向上的两个自由度。楔形块41的机械自锁原理在于：请参考图4，在正常情况下，切割油缸42的活塞杆45向底板3的方向伸出到位，楔形块41插入到底板3的楔形槽中，此时楔形块41会对底板3形成一个竖直向下的力f，该力f沿斜面可分解为力f1和f2，此时底板3对楔形块41斜面之间会形成一个静摩擦力f3，只需确保f3＞f2，就能保证楔形块41与底板3之间形成一个良好的机械自锁，根据两斜面的受力分析，假设两斜面之间的摩擦系数为μ，斜面的倾角为θ，则通过代入换算可得到只要满足μ＞tanθ的条件，就能确保机械自锁的有效性，需要说明的是，这里只取了斜面进行计算，实际两侧面依然存在摩擦力，可以同样进行计算以保证机械自锁的有效性。

可选的，该机械手抛弃装置还包括设置在潜水器框架上的限位组件7，限位组件7设置在楔形块41处，具体的，请参考图5，限位组件7包括支撑块71、限位筒体72、限位杆73和限位弹簧74。支撑块71固定在潜水器框架1上，支撑块71开设有穿孔，该穿孔的尺寸与楔形块41相匹配，楔形块41穿过该穿孔后插入底板3的楔形槽中，也即，相当于支撑块71的两个支撑脚跨接在楔形块41的两侧。限位筒体72焊接在支撑块71上，本申请仅以限位筒体72焊接在支撑块71的底部为例，限位杆73和限位弹簧74均设置在限位筒体72中，限位弹簧74套设在限位杆73外。限位杆73在自然状态下在限位弹簧74的作用下穿过支撑块71并伸入到支撑块71的穿孔中，限位杆73在受力状态下压缩限位弹簧74并回缩入限位筒体72中。对应的，楔形块41在正对穿孔的位置处开设有凹槽，图示中未示出该凹槽，如上所述，楔形块41在插入底板3的楔形槽时，其斜边远离底板3顶部的平板结构，因此本领域技术人员可以理解的是，楔形块41穿过支撑块71的穿孔时，其斜边正对限位杆73，因此楔形块41在斜边上开设凹槽，则当楔形块41插入底板3的楔形槽时，限位杆73伸入到支撑块71的穿孔中并卡接在楔形块41的凹槽中，从而对楔形块41进行限位，限位组件7与楔形块41之间形成第二次紧锁。经过两次紧锁，机械手2和底板3均被牢牢地安装固定。本申请中的机械手抛弃装置的仰视图，也即图1所示的结构中的b方向视图请参考图6，图6可以清楚的显示限位组件7。

请参考图7和8，图7是管系保护组件6的俯视图，图8是图7中的管系保护组件6的cc平面的剖视图。管系保护组件6包括引导架61，该引导架61为一个方形框，中间开口放置机械手2的管系21，引导架61的两端开口，其一端开口处通过螺钉等紧固方式固定在切割油缸42的端面上，另一端开口便于在装置维护时将管系21从引导架61中拿出，有效提高了装置的维护保障效率。引导架61的远离切割油缸42的另一端开口处设置有环形刀62，环形刀62也通过螺钉等紧固方式固定引导架61上，环形刀62与切割刀44对向设置，机械手2的管系21伸入引导架61中并位于切割刀44和环形刀62之间，请参考图3，机械手2的管系21垂直于切割刀44的切割方向。引导架61的两侧开设有平行于切割油缸42的活塞杆45的方向的引导槽，图中未示出引导槽，切割刀44可以在活塞杆45的带动下沿着该引导槽移动，当切割刀44朝向环形刀62移动时，实现对两者之间的管系21的切割，在本申请中，切割刀44和环形刀62均呈月牙形，便于切割管系21，切割刀44的刀口呈“∠”状的三角形，使得刀口变得锋利，能够快速剪断管系21。可选的，引导架61在切割刀44处设置有挡块63、在环形刀62处设置有垫片64，引导架61的上下面均设有保护框65，它们的作用是防止液压系统43受外界影响造成的波动对管系21的误切割操作，挡块63、垫片64和保护框65均采用pom(聚甲醛)泡沫材质，便于切断，不会在机械手抛弃时对切割刀44切割管系21造成影响。

该机械手抛弃装置的工作原理为：如上所述，正常情况下，切割油缸42控制活塞杆45处于第一状态，第一状态即为活塞杆45向底板3的方向伸出到位的状态，此时楔形块41插入底板3的楔形槽中形成机械自锁，限位组件7与楔形块41之间紧密配合形成第二紧锁，因此机械手2和底板3都被牢牢的固定安装在潜水器框架1上，同时，切割刀44未接触到伸入引导架61中的机械手2的管系21。当液压系统43给切割油缸42的p口供压力油时，切割油缸42开始运作，切割油缸42控制活塞杆45从第一状态切换至第二状态，第二状态即为活塞杆45向管系保护组件6的方向伸出到位的状态，活塞杆45向管系保护组件6的方向移动的过程中，楔形块41在活塞杆45的带动下回缩，限位组件7的限位杆73在楔形块41回缩时会被挤压并回缩入限位筒体72中，使得限位杆73从楔形块41中脱开，楔形块41与底板3之间的锁紧解开，同时倾翻组件5中的压缩弹簧52会慢慢顶起底板3，底板3带动机械手2开始慢慢起升。在活塞杆45向管系保护组件6移动的过程中，切割刀44在活塞杆45的作用下向环形刀62移动，活塞杆45向管系保护组件6的方向伸出到位时，切割刀44到达环形刀62相交位置时切割机械手2的管系21，同时楔形块41与底板3之间的锁紧完全解开，使得底板3和机械手2与潜水器框架1脱离，倾翻组件5最终完成倾翻，实现机械手2的抛弃。机械手2的脱离与机械手2的管系21的切割可以同步实现，抛弃效率更高。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。