一种应用于水下检测机器人的浮力产生装置的制作方法

1.本发明涉及水下作业机器人领域，具体为一种应用于水下检测机器人的浮力产生装置。


背景技术：

2.水下机器人已经逐步成为水下检测和作业的主力军，无论在民用、军用、科研领域水下机器人都有着至关重要的作用。而水下机器人的成熟应用离不开其中重要的一环——浮力材料的研制和投入使用。浮力材料是为了平衡潜水器因为设备、结构重量而在潜水器上布置的部件，密度小于海水，一般简称浮力材。现代浮力材料有硬质聚氨酯泡沫和玻璃微珠复合泡沫等。一般而言，浮力材料的抗水压等级，是和其自身密度呈正向比例关系。
3.上世纪60年代，人们为了能下潜到深海，在深潜器上安装了储油器，其中装满了比水轻的汽油，能在必要的情况下使潜水器浮出水面。“储油器”中的汽油，起到了“浮力材”的作用。
4.之后出现的各类深潜器普遍采用了“浮力材”，已经放弃了易燃的汽油作为提供浮力的方式。但是相对于汽油，“浮力材”因为变成了固体材料，存在着一定吸水率(常见2％左右)。吸水率的存在意味着产生浮力的损失。而且反复出入水的“加压减压”过程，很容易导致固体浮力材料开裂变为粉末状。
5.因此一种能替代浮力材的浮力产生装置成为了当前的需求。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种应用于水下检测机器人的浮力产生装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于水下检测机器人的浮力产生装置，包括薄壁外壳、高压气瓶、压力采集单元与控制单元，所述薄壁外壳呈空心状且其前后两端分别设有前端盖、后端盖，薄壁外壳内侧装设有高压气瓶、薄壁外壳放气电控阀门、高压气瓶放气电控阀门、薄壁外壳放气电控阀门；所述后端盖上设有高压气瓶充气口，高压气瓶充气口与薄壁外壳内的高压气瓶的一端连通，高压气瓶另一端连接高压气瓶放气电控阀门，且高压气瓶放气电控阀门通过第一控制线路电连接控制单元。
8.优选的，压力采集单元包括外部压力传感器、内部压力传感器，外部压力传感器、内部压力传感器分布于前端盖靠近薄壁外壳的外侧端以及内侧端，外部压力传感器、内部压力传感器通过第二控制线路电连接控制单元。
9.优选的，薄壁外壳放气电控阀门设于前端盖内侧且其与薄壁外壳上的放气端口连接，薄壁外壳放气电控阀门也通过第二控制线路电连接控制单元。
10.优选的，控制单元为控制板，控制单元可在水下机器人在下潜时获取外部压力传感器、内部压力传感器检测的外部压力数据以及内部压力平衡数据，控制高压气瓶放气电控阀门打开并释放高压气瓶内的高压气体，填充至薄壁外壳内，直到外部压力传感器和内
部压力传感器检测到的压力恒等。
11.优选的，控制单元可在水下机器人在上升时获取外部压力传感器、内部压力传感器检测的外部压力数据以及内部压力平衡数据并控制薄壁外壳上的放气电控阀门打开，释放薄壁外壳内的高压气体到水中，直到外部压力传感器和内部压力传感器检测到的压力恒等。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1、传统前深潜器普遍采用“固体浮力材”(一种低密度、高强度的多孔结构材料)，受材料限制，一般“固体浮力材料”若干次之后就会成粉末状破碎，无法再使用，而本发明中的浮力装置可以一直反复利用，不存在吸水率导致的报废问题。
14.2、传统浮力材加工昂贵，随着深度的增加，水下机器人在解决浮力问题上的投入比就会越来越大。而本发明中的薄壁外壳可以直接避免这个问题，一次加工即可永久只用，且加工费用不及传统浮力材加工的十分之一。无论是科研、军用、民用方面都可以极大的减少成本投入。
15.3、在水下机器人设计的时候，不可避免出现复杂形状，传统“浮力材”受型材影响，难以加工成为完美“贴合”形状，但是本发明只要提供一个薄壁外壳，所以在设计时不用考虑浮力材的加工。
附图说明
16.图1为本发明的装置结构示意图；
17.图2为本发明在工作时的执行流程图。
18.图中：1、薄壁外壳；101、后端盖；102、前端盖；2、高压气瓶；201、高压气瓶充气口；3、控制单元；301、高压气瓶放气电控阀门；302、薄壁外壳放气电控阀门；303、第一控制线路；304、第二控制线路；305、外部压力传感器；306、内部压力传感器。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.请参阅图1
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2，本发明提供一种技术方案：一种应用于水下检测机器人的浮力产生
装置，包括薄壁外壳1、高压气瓶2、压力采集单元与控制单元3，所述薄壁外壳1呈空心状且其前后两端分别设有前端盖102、后端盖101，薄壁外壳1内侧装设有高压气瓶2、薄壁外壳放气电控阀门302、高压气瓶放气电控阀门301、薄壁外壳放气电控阀门302；所述后端盖101上设有高压气瓶充气口201，高压气瓶充气口201与薄壁外壳1内的高压气瓶2的一端连通，高压气瓶2另一端连接高压气瓶放气电控阀门301，且高压气瓶放气电控阀门301通过第一控制线路303电连接控制单元3。
23.在本实施例中，压力采集单元包括外部压力传感器305、内部压力传感器306，外部压力传感器305、内部压力传感器306分布于前端盖102靠近薄壁外壳1的外侧端以及内侧端，外部压力传感器305、内部压力传感器306通过第二控制线路304电连接控制单元3。
24.在本实施例中，薄壁外壳放气电控阀门302设于前端盖102内侧且其与薄壁外壳1上的放气端口连接，薄壁外壳放气电控阀门302也通过第二控制线路304电连接控制单元3。
25.在本实施例中，控制单元3为控制板，控制单元3可在水下机器人在下潜时获取外部压力传感器305、内部压力传感器306检测的外部压力数据以及内部压力平衡数据，控制高压气瓶放气电控阀门301打开并释放高压气瓶2内的高压气体，填充至薄壁外壳1内，直到外部压力传感器305和内部压力传感器306检测到的压力恒等。此时控制单元3关闭高压气瓶放气电控阀门301，实现内外压力平衡，从而使得薄壁外壳1的内外压力差消除，达到壳体不会被压力挤压变形的目的，保证了浮力的稳定，水下机器人稳定下潜。
26.在本实施例中，控制单元3可在水下机器人在上升时获取外部压力传感器305、内部压力传感器306检测的外部压力数据以及内部压力平衡数据并控制薄壁外壳1上的薄壁外壳放气电控阀门302打开，释放薄壁外壳1内的高压气体到水中，直到外部压力传感器305和内部压力传感器306检测到的压力恒等。此时，控制单元3关闭薄壁外壳电控阀门，实现内外压力平衡，从而使得薄壁外壳1的内外压力差消除，达到壳体不会被压力挤压变形的目的，保证了浮力的稳定，水下机器人稳定上浮。
27.在本实施例中，由于采用薄壁外壳1替代传统浮力材，在重量方面，本发明的薄壁外壳1也有着巨大的优势。
28.在7000米范围内以硬质聚氨酯泡沫为主的浮力材其密度为0.60g/cm3，每立方米的浮力材料，大约可以产生不低于400kg的静浮力，由
29.m＝ρ*v
ꢀꢀ①
30.不难得出1立方米的浮力材其重量为600kg。而产生同样浮力的薄壁外壳(以316l不锈钢为材料制成)其重量的计算如下：
31.由阿基米德原理得出：
32.m*g＝ρ*g*v
ꢀꢀ②
33.在
②
中带入相关数据，可以解出不锈钢的体积v约0.4m3。再由不锈钢密度为7.98g/cm3，取薄壁外壳厚度为0.05m，带入
①
中可以得出不锈钢外壳质量约为207kg。
34.显而易见，薄壁外壳相较于浮力材来说重量节约了400kg，在提供相同浮力情况下，薄壁外壳带来的效益远远大于浮力材。
35.在本实施例中，理论上本发明可以适用于全深海。但是随着深度的增加，压力不断变大，内部所需要平衡的压力差也越来越大，从而所需要的压缩气体也越来越多，这将直接导致装压缩气体的容器变得很大，其重量也会变得很大。如此一来，薄壁外壳产生的浮力若
是小于高压气体瓶的重量，该设计将变得毫无意义。故此，为了保证使用寿命及设计的合理应用性，本发明的最优适用范围为0
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3000米深度。
36.在本实施例中，由于在薄壁外壳内部装有控制元件等电气部件，故而选择高压气体时应当选择惰性气体，例如氮气等。当然，若内部控制电路和高压气体瓶不是装在薄壁外壳内部时，不必考虑气体种类。
37.在本实施例中，通过在薄壁外壳1内装有高压气瓶2、高压气瓶放气电控阀门301、薄壁外壳放气电控阀门302、内部压力传感器306和控制板，在薄壁外壳1外装有外部压力传感器305和高压气瓶充气口201。其工作原理是，随着水深深度增加，控制元件检测到两个压力传感器之间的压力差，通过调节高压气瓶2和薄壁外壳1内的气压，达到内外压力平衡，从而保证薄壁外壳能正常提供浮力。
38.本发明在应用时：在结束水下机器人工作前，应当及时检测高压气体瓶内的高压气体压力是否足够，能否满足此次下潜任务需求。
39.值得注意的是：上述各部件的安装位置及安装方式并不是唯一的，在保证密封性的前提下，高压气瓶、控制元件等也可以装在薄壁外壳外部。
40.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。