一种AUV载荷锁紧分离机构

一种auv载荷锁紧分离机构
技术领域
1.本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种auv载荷锁紧分离机构。


背景技术：

2.自主水下机器人(autonomous underwater vehicle，简称auv)具有活动范围大和高机动性等特点，在军用领域可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等。传统形式的auv一般用于自主探测，无法完成载荷的布放，由于深远海海况条件的复杂性，不能依托传统的载荷布放平台，如水面艇和潜艇等，且成本高，安全性难以保证。因此，借助auv的长续航能力、高机动性和高度自主等特点，开展基于auv平台的载荷布放研究具有重要意义。
3.一般常见的主附体分离方式包括电机或液压锁紧分离式、火工品锁紧分离式和电磁吸附式等。液压系统由油箱、控制元件(各种液压阀)、执行元件(液压缸和液压马达等)、辅件(管道和蓄能器等)和液压油组成，其系统繁杂，对于轻量级auv并不适用；火工品(如爆炸螺栓)锁紧分离方式结构紧凑，易于控制，但操作和保存存在一定的危险性，且研制周期长；电池吸附式常被应用于水下机器人的压载安装，结构简单可靠，但对于重量较大的载荷需安装多个电磁铁，为保证载荷可靠吸附，还要对被吸附处进行相应结构改造，通用性较差；相比上述方式，电机锁紧分离机构具有系统简单，易于控制，使用安全和环保等特点，针对多种载荷，可减少结构改造，通用性强。为此需设计一种适用于auv的电机式载荷锁紧分离机构，以增强多种载荷布放的通用性和安全性。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种auv电机式载荷锁紧分离机构，以增强auv在深远海的载荷布放能力。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种auv载荷锁紧分离机构，包括锁紧机构、分离机构、前侧浮力材和后侧浮力材，其中锁紧机构包括支撑块及设置于支撑块上的锁紧组件a、锁紧组件b、弹簧推杆和抱箍组件，锁紧组件a和锁紧组件b分别位于抱箍组件的前、后侧，用于锁紧抱箍组件；抱箍组件用于抱紧载荷，弹簧推杆与抱箍组件位于同一侧，弹簧推杆用于载荷的辅助锁紧及为载荷分离提供推力；
7.分离机构设置于支撑块上，分离机构用于触发锁紧机构释放抱箍组件，抱箍组件被锁紧机构释放后脱离支撑块；
8.前侧浮力材和后侧浮力材分别设置于支撑块的前后侧。
9.所述锁紧组件a和所述锁紧组件b结构相同，均包括锁紧杆、限位杆及扭簧，其中锁紧杆和限位杆分别通过转轴b和转轴a安装在所述支撑块上，且锁紧杆位于限位杆的上方；
10.扭簧套设于转轴b上，且两端分别与所述支撑块和锁紧杆连接，扭簧通过弹力使锁紧杆的一端与限位杆的一端定位接触，从而使限位杆的另一端锁住所述抱箍组件；
11.所述锁紧组件a和所述锁紧组件b中的两个锁紧杆的另一端通过连杆连接，所述支
撑块上贯穿有以转轴b为圆心的弧形槽，连杆插设于弧形槽内。
12.所述锁紧杆上靠近中间位置设有用于所述转轴b穿过的铰轴孔b，铰轴孔b的侧壁上设有用于定位所述扭簧的限位槽；所述锁紧杆与所述限位杆相对应的一端底部设有平面b；
13.所述限位杆为三角结构，所述限位杆的底部设有用于所述转轴a穿过的铰轴孔a，所述限位杆的一端设有用于与平面b定位接触的平面a，所述限位杆的另一端为钩取部，钩取部的内侧设有圆弧面a，外侧设有圆弧面b。
14.所述抱箍组件包括上抱箍和下抱箍；上抱箍和下抱箍的一端通过螺钉螺母组合连接，上抱箍和下抱箍的另一端分别设有短销轴和长销轴；
15.所述支撑块朝向载荷的一侧面的上、下部分别设有u型槽和圆弧面d，短销轴卡在u型槽内，所述限位杆上的圆弧面a与支撑块上的圆弧面d形成封闭结构，长销轴两端卡在该封闭结构中。
16.所述支撑块朝向载荷的一侧面的前后端分别设有两个圆弧面c，圆弧面c与载荷的外形相适应。
17.所述上抱箍和所述下抱箍结构相同，均包括抱箍连接件a、抱箍连接件b及连接在抱箍连接件a和抱箍连接件b之间的弹簧合页，抱箍连接件a和抱箍连接件b的末端均设有用于与所述螺钉螺母组合连接的u型豁口。
18.所述弹簧推杆包括底座、弹簧、外壳、滑套及导杆，其中底座与所述支撑块连接，外壳与底座连接，滑套容置于外壳内，且与外壳的内壁滑动配合，弹簧套设于滑套上且两端分别与滑套和底座抵接；导杆穿过外壳且与滑套连接，导杆可随滑套轴向移动。
19.所述分离机构包括电机固定件、电机减速器组件、延长杆b和延长杆c，其中电机固定件与所述支撑块连接，电机减速器组件与电机固定件连接，延长杆b和延长杆c依次与电机减速器组件的输出端连接，延长杆c用于触发所述锁紧机构。
20.所述电机减速器组件包括端盖a、筒体a、电机、锁紧螺母、筒体b、轴承、丝杠、丝母、丝母加长杆和端盖b，其中端盖a、筒体a、筒体b和端盖b依次连接，电机安装于筒体a内部上端，丝杠通过轴承安装在筒体b内，且丝杠的下端与电机的输出端键连接；丝杠与丝母螺纹连接，丝母与丝母加长杆通过螺钉连接，丝母加长杆穿过端盖b与外部的延长杆b连接。
21.所述支撑块在auv两侧对称安装，且与auv的上下两个抱箍连接；auv通过电缆给所述分离机构提供控制信号，实现载荷的锁紧或释放。
22.本发明的优点与积极效果为：
23.1.本发明增强了auv面向深远海的载荷搭载能力和布放能力，也扩展了多种载荷的应用范围。
24.2.本发明具有较好的通用性，对于不同尺寸和重量的载荷，特别是回转体构型的载荷，只需调整支撑块、载荷抱箍、限位杆和锁紧杆等相关承力部件的尺寸，即可完成载荷搭载。
25.3.本发明安全性高，相比爆炸螺栓连接方式，降低了操作危险，相比电池吸附方式，具有较好的锁紧可靠性。
26.4.本发明可复用性好，相比爆炸螺栓等火工品连接方式，本发明结构可反复使用，易于加工，成本低。
附图说明
27.图1为本发明一种auv电机式载荷锁紧分离机构的结构示意图；
28.图2为本发明中锁紧机构的结构示意图；
29.图3为图2去除抱箍组件后的侧视图；
30.图4为图3去除锁紧杆后的结构示意图；
31.图5为本发明中抱箍组件的爆炸图；
32.图6为本发明中弹簧推杆的结构示意图；
33.图7为本发明一种auv电机式载荷锁紧分离机构的垂直剖视图；
34.图8为图7的b-b剖视图；
35.图9为本发明中限位杆的结构示意图；
36.图10为本发明中锁紧杆的结构示意图；
37.图11为本发明中支撑块的结构示意图；
38.图12为本发明中分离机构的结构示意图；
39.图13为本发明中分离机构的主剖视图；
40.图14为本发明中锁紧机构的初始位置和分离后位置的结构示意图；
41.图15为本发明中锁紧机构的锁紧位置的结构示意图；
42.图16为水下机器人通过本发明搭载载荷的结构示意图；
43.其中：1为auv，2为载荷，3为auv抱箍，4为锁紧分离机构，5为锁紧机构，6为分离机构，7为前侧浮力材，8为后侧浮力材，9为支撑块，10为锁紧杆a，11为限位杆，12为转轴a，13为卡簧a，14为弹簧推杆，15为上抱箍，16为下抱箍，17为螺钉螺母组合，18为导流盖，19为延长杆a，20为转轴b，21为卡簧b，22为扭簧压条，23为扭簧，24为短销轴，25为抱箍连接件a，26为弹簧合页，27为抱箍连接件b，28为长销轴，29为底座，30为螺钉a，31为弹簧，32为外壳，33为螺钉b，34为滑套，35为导杆，36为连杆，37为螺钉c，39为锁紧杆b，40为平面a，41为圆弧面a，42为圆弧面b，43为限位槽，44为平面b，45为圆弧面c，46为u型槽，47为圆弧面d，48为圆弧面e，49为电机固定件，50为电机减速器组件，51为延长杆b，52为延长杆c，53为端盖a，54为筒体a，55为电机，56为锁紧螺母，57为筒体b，58为轴承，59为丝杠，60为丝母，61为丝母加长杆，62为端盖b，63为弧形槽。
具体实施方式
44.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
45.如图1-2所示，本发明提供一种auv载荷锁紧分离机构，包括锁紧机构5、分离机构6、前侧浮力材7和后侧浮力材8，其中锁紧机构5包括支撑块9及设置于支撑块9上的锁紧组件a、锁紧组件b、弹簧推杆14和抱箍组件，锁紧组件a和锁紧组件b分别位于抱箍组件的前、后侧，用于锁紧抱箍组件；抱箍组件用于抱紧载荷，弹簧推杆14与抱箍组件位于同一侧，弹簧推杆14用于载荷的辅助锁紧及为载荷分离提供推力；分离机构6设置于支撑块9上，分离机构6用于触发锁紧机构5释放抱箍组件，抱箍组件被锁紧机构5释放后脱离支撑块9；前侧浮力材7和后侧浮力材8分别设置于支撑块9的前后侧。
46.如图2-4所示，本发明的实施例中，锁紧组件a和锁紧组件b结构相同，呈镜像对称
安装。锁紧组件a和锁紧组件b均包括锁紧杆、限位杆11及扭簧23，其中锁紧杆和限位杆11分别通过转轴b20和转轴a12安装在支撑块9上，转轴a12的端部通过卡簧13轴向限位，限位杆11可绕转轴a12旋转，锁紧杆位于限位杆11的上方；扭簧23套设于转轴b20上，且两端分别与支撑块9和锁紧杆连接，扭簧23通过弹力使锁紧杆的一端与限位杆11的一端定位接触，从而使限位杆11的另一端锁住抱箍组件；锁紧组件a和锁紧组件b中的两个锁紧杆的另一端通过连杆36连接，支撑块9上贯穿有以转轴b20为圆心的弧形槽63，连杆36插设于弧形槽63内。
47.具体地，如图8所示，为了方便描述，将锁紧组件a中的锁紧杆定义为锁紧杆a10，将锁紧组件b中的锁紧杆定义为锁紧杆b39，连杆36的一端通过延长杆a19与锁紧杆a10连接，延长杆a19的一端设有连接螺纹，另一端位于锁紧杆a10的外侧为触发端。连杆36的另一端通过螺钉c37与锁紧杆b39连接，形成联动作用。
48.如图10所示，锁紧杆(锁紧杆a10和锁紧杆b39)上靠近中间位置设有用于转轴b20穿过的铰轴孔b，铰轴孔b的侧壁上设有用于定位扭簧23的限位槽43；锁紧杆与限位杆11相对应的一端底部设有平面b44。如图9所示，限位杆11为三角结构，限位杆11的底部设有用于转轴a12穿过的铰轴孔a，限位杆11的一端设有用于与平面b44定位接触的平面a40，限位杆11的另一端为钩取部，钩取部的内侧设有圆弧面a41，外侧设有圆弧面b42，圆弧面b42与外挂载荷的外表面相适应。
49.具体地，如图4所示，扭簧a23穿过转轴b20并可绕其扭转，扭簧23一端与支撑块9侧面贴合，其两端各有一安装柄，扭簧压条22将靠近支撑块9侧的安装柄压紧，通过两螺钉连接固定于支撑块9侧面。扭簧23套入锁紧杆a10，其外侧安装柄卡在锁紧杆a10上的限位槽43内，这样扭簧a23两端皆被固定，转轴b20的外侧端也设有卡簧，使锁紧杆10轴向限位。
50.如图2、图7所示，抱箍组件包括上抱箍15和下抱箍16；上抱箍15和下抱箍16的一端通过螺钉螺母组合17连接，上抱箍15和下抱箍16的另一端分别设有短销轴24和长销轴28。
51.如图11所示，支撑块9朝向载荷的一侧面的上、下部分别设有u型槽46和圆弧面d47，上抱箍15端部的短销轴24卡在u型槽46内，限位杆11上的圆弧面a41与支撑块9上的圆弧面d47形成封闭结构，下抱箍16端部的长销轴28的两端卡在该封闭结构中。连杆36的两端分别与锁紧杆a10和锁紧杆b39连接，形成联动作用，使下抱箍16的长销轴28两端均匀受力。
52.进一步地，支撑块9朝向载荷的一侧面的前后端分别设有两个圆弧面c45，圆弧面c45与载荷的外形相适应。
53.如图5所示，上抱箍15和下抱箍16结构相同，均包括抱箍连接件a25、抱箍连接件b27及连接在抱箍连接件a25和抱箍连接件b27之间的弹簧合页26，抱箍连接件a25和抱箍连接件b27的末端均设有用于与螺钉螺母组合17连接的u型豁口。优选地，弹簧合页26使上抱箍15和下抱箍16具有内折的趋势。
54.具体地，两个限位杆11在支撑块9的前后侧安装，因此为实现锁紧结构封闭，下抱箍16的长销轴28比上抱箍15的短销轴24长。抱箍连接件a25一端为中空结构，长、短销轴分别穿过中空结构作为旋转轴，弹簧合页26将抱箍连接件a25和抱箍连接件b27连接。结合图11所示，载荷锁紧时，短销轴24两端卡在支撑块9上端的u型槽46内，长销轴28两端卡在支撑块9与限位杆11形成的封闭结构中。抱箍连接件b27一端为u型豁口，螺钉螺母组合17穿过该u型豁口，将上、下两抱箍预紧。
55.如图2所示，导流盖18对称安装于支撑块9上下两侧，弹簧推杆14安装于支撑块9中
心位置，可沿其轴向伸缩。如图6所示，弹簧推杆14包括底座29、弹簧31、外壳32、滑套34及导杆35，其中底座29与支撑块9连接，外壳32与底座29连接，滑套34容置于外壳32内，且与外壳32的内壁滑动配合，弹簧31套设于滑套34上且两端分别与滑套34和底座29抵接；导杆35穿过外壳32且与滑套34连接，导杆35可随滑套34轴向移动。
56.本实施例中，导杆35压至弹簧最小压缩量后，其外侧面与载荷外表面贴合并顶紧，联合螺钉螺母组合17的预紧力，载荷被牢固夹紧。
57.如图12所示，分离机构6包括电机固定件49、电机减速器组件50、延长杆b51和延长杆c52，其中电机固定件49与支撑块9连接，电机减速器组件50与电机固定件49连接，延长杆b51和延长杆c52依次与电机减速器组件50的输出端连接，延长杆c52用于触发锁紧机构5。
58.如图13所示，电机减速器组件50包括端盖a53、筒体a54、电机55、锁紧螺母56、筒体b57、轴承58、丝杠59、丝母60、丝母加长杆61和端盖b62，其中端盖a53、筒体a54、筒体b57和端盖b62依次连接，电机55安装于筒体a54内部上端，丝杠59通过轴承58安装在筒体b57内，丝杠59的下端与电机55的输出端键连接；丝杠59与丝母60螺纹连接，丝母60与丝母加长杆61通过螺钉连接，丝母加长杆61穿过端盖b62与外部的延长杆b51连接。
59.具体地，轴承58背对背安装于丝杠59轴肩两侧，轴承外圈通过筒体b57支撑，两轴承可承载丝母加长杆61的轴向力。锁紧螺母56与丝杠59下端通过螺纹连接，并将下端的轴承58内圈压紧。本实施例中，丝母加长杆61与筒体b57和端盖b62之间都为动密封，该组件其余密封处均为静密封。端盖a53输出端与auv1连有电缆。
60.如图16所示，水下机器人通过本发明搭载载荷时，支撑块9在auv1两侧对称安装，且与auv1的上下两个抱箍3连接；auv1通过电缆给分离机构6提供控制信号，实现载荷的锁紧或释放。本实施例中，auv1和载荷2为回转体结构，锁紧分离机构4将载荷2锁紧后，通过auv1的上下两个抱箍3安装于auv1一侧，经auv1提供控制信号给分离机构6，控制载荷2锁紧或释放，锁紧分离机构4可独立安装使用。
61.如图1、图2和图12所示，电机固定件49与支撑块9连接，前侧浮力材7也可与电机固定件49连接，后侧浮力材8与支撑块9后端面连接，为auv1和载荷2起配平和导流减阻作用。在本实施例中，两个浮力材与auv1和载荷2接触的表面均为相同曲率。如图11所示，在本实施例中，为保证主附体紧密贴合，支撑块9一侧的圆弧面c45与载荷2外表面曲率相同，另一侧的圆弧面e48与auv1外表面曲率相同。
62.图14为本发明的初始位置和分离后位置的结构示意图；如图14所示，载荷2安装前，电机55反转，驱动丝母加长杆61缩回，同时带动延长杆c52下压，延长杆c52下端为u型豁口，圆柱形的延长杆a19可在该u型豁口内滑动，延长杆a19也同时被下压，带动连杆36使两侧的锁紧杆抬起至极限位置，此时两侧扭簧23受最大扭转力。手动将两侧限位杆11下拨，使其开口朝载荷安装位置。然后，吊起载荷2，将上、下两抱箍抱在载荷2外侧，将短销轴24两端卡在支撑块9的u型槽46中。使电机55正转，带动延长杆c52抬起，两侧锁紧杆受两侧扭簧扭转力摆回，同时手动反方向回拨两侧限位杆11，使限位杆11的圆弧面a41与支撑块9的圆弧面d47形成封闭结构，长销轴28的两端卡在该封闭结构中，最终使平面a40和平面b44贴合，如图15所示。载荷2在空气中受重力作用，使长销轴28下压，同时在螺钉螺母组合17的预紧力和弹簧推杆14的推力下，使载荷2被牢固锁紧在封闭结构中，如图16所示。
63.载荷2一般在水中分离，由于水的浮力作用，载荷2多为微正浮力或零浮力，因此螺
钉螺母组合17的预紧力尤为重要。在本实施例中，抱箍为金属材质，其密度大于水。载荷2分离时，电机55反转，与载荷2安装过程类似，两侧锁紧杆抬起，解开封闭结构。本实施例中，弹簧合页26在自然状态时，使抱箍连接件a25和抱箍连接件b27向圆弧内闭合。下抱箍16受重力作用下沉，带动两侧限位杆11下压，同时弹簧合页26使下抱箍16内折，长销轴28从两个限位杆虎口中脱出，随着螺钉螺母组合17预紧力的消失，下抱箍16右侧也从螺钉螺母组合17脱开。在弹簧推杆14的推力下，载荷2向远离auv1一侧运动。上抱箍15也同时内折，在重力作用下掉入水中。载荷2分离后，上抱箍15、下抱箍16和螺钉螺母组合17掉入水中，不收回。
64.本实施例中，弹簧合页26使上抱箍15内折的趋势，可避免抱箍长时间搭在载荷2上影响其浮力状态。
65.本发明的工作原理为：
66.本发明提供的一种auv载荷锁紧分离机构，通过支撑块为载荷提供支撑点，支撑块与上下抱箍、锁紧杆和限位杆组成封闭结构，通过螺钉预紧力实现锁紧。弹簧推杆作为辅助锁紧结构，分离后为载荷提供推力。分离机构的主要功能是通过电机驱动锁紧件，在扭簧往复力作用下，带动连杆机构，实现上述封闭结构的开合。
67.综上所述，本发明提供的一种auv载荷锁紧分离机构，通过auv上、下两抱箍安装于auv一侧，经auv提供控制信号，将载荷锁紧或释放，可独立安装使用。相比爆炸螺栓等火工品连接方式，降低了操作危险，相比电池吸附方式，具有较好的锁紧可靠性。具有可重复使用，易于加工，成本低的特点。本发明提出的结构增强了auv面向深远海的载荷搭载能力和布放能力，也扩展了各种载荷的应用范围。
68.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。