面向深海狭小空间的柔性机构

1.本发明涉及面向深海狭小空间的柔性机构设计，应用于水下连接与对接技术研究领域。


背景技术：

2.21世纪以来，由于人口不断增长造成对更高科技水平的需求，人类社会对自然资源的需求日益增长。大陆的自然资源存储量己经不能满足人类发展的要求，开发未知的海洋领域成为各个国家科技力量投入的重点。由于具有灵活多变的工作方式、体积小巧且装载多种探测仪器，自主式水下航行器被广泛应用到多种实践活动中。
3.水下航行器采用锂电池能源作为能量来源，如果不能及时进行能量补充，就会造成航行器内部设备损坏、数据错误、严重者会导致水下航行器丢失，造成无法挽回的损失。因此，实现对自主式水下航行器的高可靠连接与对接锁紧技术是提升其工程作业能力的关键技术。然而，目前的对接锁紧技术大多通过电控的方式进行锁紧，容易发生卡死的情况；部件连接大多采用刚性连接，容易造成过约束强度。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种面向深海狭小空间的柔性机构，包含对接与连接两大功能。对接功能的实现依靠机构本身的机械特性实现无源反向自锁，连接功能的实现依靠压簧滑杆组件实现弹性连接，并进行了关键零部件的运动学与动力学仿真，能够提升水下对接作业的可靠性与稳定性。
5.为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种面向深海狭小空间的柔性机构，包括连接功能模块和对接功能模块，连接功能模块包括用于连接部件两端的万向球铰，用于驱动的微型伺服电动推杆以及压簧滑杆组件，微型伺服电动推杆通过电机支架安装在压簧滑杆组件的外包络上；压簧滑杆组件由直线轴承、压簧以及压杆组成；压杆另一端与球铰固定；当微型伺服电动推杆拉动时，压簧能够承受一定的冲击，提供了弹性连接的功能，结合万向球铰的作用，减少了各个方向上的过约束强度；
7.对接功能模块，包括用于对接的阴阳接口以及用于锁紧的锁钩装置；所述阴阳接口包括子端接口、母端接口、以及定位销，其中，定位销安装在子端接口的端面上，母端接口端面设置与定位销匹配的导向定位孔，母端的端面处设置凹槽以满足锁钩嵌入实现锁紧，子端接口与母端接口的外轮廓尺寸相同，端面平齐；
8.所述锁钩装置包括锁钩、顶杆、弹簧、转轴一与转轴二，其中，弹簧安装在子端侧向的圆孔内，锁钩通过转轴二与子端相连，顶杆与锁钩通过转轴一相连；所述的锁钩装置设置在子端的端面处；锁钩装置在子端接口的端面上相隔120度均布，使受力均匀，避免产生剪应力；子端接口与母端接口通过定位销实现径向限位，通过锁钩锁紧实现轴向定位；子端接口要求竖直向上或者接近竖直向上安装，锁钩被撑开后顶杆能够在重力的作用下解除支撑
作用，从而激活锁钩的压紧作用。
9.优选地，对接功能模块具备锁定连接功能，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。
10.优选地，所述锁钩装置的子端接口的端面上一共设置三个定位销与三个锁钩装置，三个定位销在圆上相隔120度对称分布；母端接口的端面上一共设置三个导向孔与三个锁定凹槽，三个导向孔与三个锁定凹槽在圆上相隔120度对称分布；母端接口与子端接口的外径尺寸相同；在母端接口与子端接口的对接初始状态，锁钩上端被顶杆支撑，锁钩下端被弹簧支撑，此时弹簧保留一定的压缩量，使整个锁钩装置处于稳定状态。对接功能模块包括弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形。
11.优选地，连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程在30mm以内，最大推拉力不低于80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力不低于110n，模块总长度不大于150mm。
12.优选地，对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能，模块外径不大于80mm。
13.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构，分为连接功能模块和对接功能模块。连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程30mm，最大推拉力80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力110n，模块总长度小于150mm；提供弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形，能够有效减少各个方向上的过约束轻度。对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能，模块外径小于80mm，端面压紧力大，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。
14.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
15.a.面向深海狭小空间的柔性机构连接功能模块设计
16.本发明设计的面向深海狭小空间的柔性机构连接功能模块，包括用于连接部件两端的万向球铰，用于驱动的微型伺服电动推杆以及压簧滑杆组件。其中，微型伺服电动推杆通过电机支架安装在压簧滑杆组件的外包络上。压簧滑杆组件由直线轴承、压簧以及压杆组成。压杆另一端与球铰固定。当微型伺服电动推杆拉动时，压簧能够承受一定的冲击，提供了弹性连接的功能，结合万向球铰的作用，减少了各个方向上的过约束强度。
17.b.连接功能模块的压簧滑杆组件设计合理性检验方法
18.压簧滑杆组件中的压簧选取一两端圈并紧磨平按2级精度制造的右旋压缩弹簧，要求安装负荷f1＝50n，最大工作负荷f2＝100n，工作行程f＝5mm，压簧自由高度不超过25mm，压簧外径不超过15mm，压簧在常温环境下受动负荷循环的次数小于105次。
19.弹簧刚度的计算公式如下：
[0020][0021]
所以压簧刚度
[0022][0023]
根据工作负荷计算公式
[0024][0025]
可得最大工作负荷下的变形量为
[0026][0027]
于是选取压簧规格为ya 1.8
×
12
×
24，其中最大工作负荷fn＝134n，最大工作变形量f＝10mm。验证所选压簧的合理性：由最大工作负荷f2＝100n《fn＝134n，符合要求；由最大工作负荷下的变形量f＝10mm≤fn＝10mm，符合要求；弹簧外径1.8+12＝13.8mm《15mm，符合要求；弹簧高度24mm《25mm，符合设计要求。
[0028]
c.面向深海狭小空间的柔性机构对接功能模块设计
[0029]
本发明设计的面向深海狭小空间的柔性机构对接功能模块，包括用于对接的阴阳接口以及用于锁紧的锁钩装置。所述阴阳接口包括子端接口、母端接口、以及定位销，其中，定位销安装在子端接口的端面上，母端接口端面设置与定位销匹配的导向定位孔，母端的端面处设置凹槽以满足锁钩嵌入实现锁紧，子端接口与母端接口的外轮廓尺寸相同，端面平齐；
[0030]
所述锁钩装置包括锁钩、顶杆、弹簧、转轴一与转轴二，其中，弹簧安装在子端侧向的圆孔内，锁钩通过转轴二与子端相连，顶杆与锁钩通过转轴一相连。所述的锁钩装置设置在子端的端面处。锁钩装置在子端接口的端面上相隔120度均布，使受力均匀，避免产生剪应力。子端接口与母端接口通过定位销实现径向限位，通过锁钩锁紧实现轴向定位。子端接口要求竖直向上或者接近竖直向上安装，锁钩被撑开后顶杆能够在重力的作用下解除支撑作用，从而激活锁钩的压紧作用。
[0031]
d.对接功能模块的锁钩装置弹簧的工作负荷校核方法
[0032]
锁钩装置中采用的弹簧钢切变模量g＝79000mpa，材料直径d＝2mm，弹簧中径d＝10mm，圈数n＝2.5。已知在接合过程中，弹簧的形变量为f＝2.17mm。
[0033]
弹簧钢的最大工作负荷如下：
[0034][0035]
因此锁钩装置选用的弹簧所能承受的最大工作负荷fn＝185.89n。实际弹簧工作负荷计算式如下：
[0036][0037]
于是在接合过程中弹簧的工作负荷为137.14n。弹簧钢的许用切应力
[0038]
[τ]＝740mpa
[0039]
其切应力的计算公式如下：
[0040][0041]
当载荷为静载荷时，k值取1；当载荷为动载荷时，k值的计算式为
[0042][0043]
于是计算可得弹簧的切应力为τ＝436mpa《[τ]，因此弹簧的切应力满足校核。
[0044]
弹簧钢的最大工作形变量计算公式如下：
[0045][0046]
因此所选弹簧所能产生的最大形变量为2.94mm，实际产生的弹簧形变量在校核范围内。
[0047]
本发明与现有技术相比较，具有如下的突出特点和显著优点：
[0048]
1.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构，拥有连接功能模块和对接功能模块；
[0049]
2.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构的连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程30mm，最大推拉力80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力110n，模块总长度小于150mm；
[0050]
3.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构的连接功能模块提供弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形，能够有效减少各个方向上的过约束轻度；
[0051]
4.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构的对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能；
[0052]
5.本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构的对接功能模块外径小于80mm，端面压紧力大，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。
附图说明
[0053]
图1为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块外形图。
[0054]
图2为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块剖视图。
[0055]
图3为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块的推杆标准参数。
[0056]
图4为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的外形图。
[0057]
图5为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的名称标识图。
[0058]
图6为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的剖视图。
[0059]
图7为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块的压簧位移变化图。
[0060]
图8为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块的压簧速度变化图。
[0061]
图9为本发明优选实施例提供的柔性机构连接功能模块的压簧加速度变化图。
[0062]
图10为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的锁钩在对接过程中的x方向位移曲线。
[0063]
图11为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的锁钩在对接过程中的y方向位移曲线。
[0064]
图12为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的锁钩在对接过程中的z方向位移曲线。
[0065]
图13为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的锁钩在对接过程中的x
方向受力曲线。
[0066]
图14为本发明优选实施例提供的柔性机构对接功能模块的锁钩在对接过程中的y方向受力曲线。
[0067]
图15为本发明优选实施例提供的柔性机构的对接功能模块的锁钩在对接过程中的z方向受力曲线。
具体实施方式
[0068]
为了更好地说明本发明，兹优选一实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：
[0069]
实施例一
[0070]
一种面向深海狭小空间的柔性机构，如图1、图2、图4-图6所示，包括连接功能模块和对接功能模块，连接功能模块包括用于连接部件两端的万向球铰，用于驱动的微型伺服电动推杆以及压簧滑杆组件，微型伺服电动推杆通过电机支架安装在压簧滑杆组件的外包络上；压簧滑杆组件由直线轴承、压簧以及压杆组成；压杆另一端与球铰固定；当微型伺服电动推杆拉动时，压簧能够承受一定的冲击，提供了弹性连接的功能，结合万向球铰的作用，减少了各个方向上的过约束强度；
[0071]
对接功能模块，包括用于对接的阴阳接口以及用于锁紧的锁钩装置；所述阴阳接口包括子端接口、母端接口、以及定位销，其中，定位销安装在子端接口的端面上，母端接口端面设置与定位销匹配的导向定位孔，母端的端面处设置凹槽以满足锁钩嵌入实现锁紧，子端接口与母端接口的外轮廓尺寸相同，端面平齐；
[0072]
所述锁钩装置包括锁钩、顶杆、弹簧、转轴一与转轴二，其中，弹簧安装在子端侧向的圆孔内，锁钩通过转轴二与子端相连，顶杆与锁钩通过转轴一相连；所述的锁钩装置设置在子端的端面处；锁钩装置在子端接口的端面上相隔120度均布，使受力均匀，避免产生剪应力；子端接口与母端接口通过定位销实现径向限位，通过锁钩锁紧实现轴向定位；子端接口要求竖直向上或者接近竖直向上安装，锁钩被撑开后顶杆能够在重力的作用下解除支撑作用，从而激活锁钩的压紧作用。
[0073]
本实施例面向深海狭小空间的柔性机构，包含对接与连接两大功能。对接功能的实现依靠机构本身的机械特性实现无源反向自锁，连接功能的实现依靠压簧滑杆组件实现弹性连接，并进行了关键零部件的运动学与动力学仿真，能够提升水下对接作业的可靠性与稳定性。
[0074]
实施例二：
[0075]
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
[0076]
在本实施例中，本实施例中提供的面向深海狭小空间的柔性机构，分为连接功能模块和对接功能模块。连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程30mm，最大推拉力80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力110n，模块总长度小于150mm；提供弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形，能够有效减少各个方向上的过约束轻度。对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能，模块外径小于80mm，端面压紧力大，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。
[0077]
a.面向深海狭小空间的柔性机构连接功能模块设计
[0078]
本实施例设计的面向深海狭小空间的柔性机构连接功能模块，包括用于连接部件两端的万向球铰，用于驱动的微型伺服电动推杆以及压簧滑杆组件，如图1、2所示。其中，微型伺服电动推杆通过电机支架安装在压簧滑杆组件的外包络上。微型伺服电动推杆的标准参数如图3所示。
[0079]
压簧滑杆组件由直线轴承、压簧以及压杆组成。压杆另一端与球铰固定。当微型伺服电动推杆拉动时，压簧能够承受一定的冲击，提供了弹性连接的功能，结合万向球铰的作用，减少了各个方向上的过约束强度。
[0080]
b.连接功能模块的压簧滑杆组件设计合理性检验方法
[0081]
压簧滑杆组件中的压簧选取一两端圈并紧磨平按2级精度制造的右旋压缩弹簧，要求安装负荷f1＝50n，最大工作负荷f2＝100n，工作行程f＝5mm，压簧自由高度不超过25mm，压簧外径不超过15mm，压簧在常温环境下受动负荷循环的次数小于105次。
[0082]
弹簧刚度的计算公式如下：
[0083][0084]
所以压簧刚度
[0085][0086]
根据工作负荷计算公式
[0087][0088]
可得最大工作负荷下的变形量为
[0089][0090]
于是选取压簧规格为ya 1.8
×
12
×
24，其中最大工作负荷fn＝134n，最大工作变形量f＝10mm。验证所选压簧的合理性：由最大工作负荷f2＝100n《fn＝134n，符合要求；由最大工作负荷下的变形量f＝10mm≤fn＝10mm，符合要求；弹簧外径1.8+12＝13.8mm《15mm，符合要求；弹簧高度24mm《25mm，符合设计要求。
[0091]
c.驱动状态下压簧滑杆组件的运动学与动力学分析
[0092]
在catia软件中建立柔性机构连接功能模块的三维模型，转换成stp格式后导入adams软件进行运动学与动力学仿真。对压簧滑杆组件的外包络设置固定约束，对滑杆设置移动副，在外包络与滑杆之间创建弹簧，设置弹簧刚度值为10000n/mm，阻尼值设置为0.003。对滑杆添加6mm/s的初速度，设置求解时间0.2秒与求解步长50步，进行仿真。压簧在驱动过程中的位移、速度、加速度变化如图7、8、9所示。
[0093]
d.面向深海狭小空间的柔性机构对接功能模块设计
[0094]
如图4所示，本实施例提供的面向深海狭小空间的柔性机构对接功能模块包括母端接口、子端接口。其中，母端接口在端面上增设导向孔和锁定凹槽，子端接口在端面上安装定位销以及锁钩装置，如图5、6所示。具体地，锁钩装置包括顶杆、转轴、转轴、锁钩和弹
簧。其中，顶杆和锁钩通过转轴连接，锁钩通过转轴连接在子端接口上。子端接口的端面上一共设置三个定位销与三个锁钩装置，三个定位销在圆上相隔120度对称分布。母端接口的端面上一共设置三个导向孔与三个锁定凹槽，三个导向孔与三个锁定凹槽在圆上相隔120度对称分布。母端接口与子端接口的外径尺寸相同。在母端接口与子端接口的对接初始状态，锁钩上端被顶杆支撑，锁钩下端被弹簧支撑，此时弹簧保留一定的压缩量。整个锁钩装置处于稳定状态。
[0095]
e.对接功能模块的锁钩装置弹簧的工作负荷校核方法
[0096]
锁钩装置中采用的弹簧钢切变模量g＝79000mpa，材料直径d＝2mm，弹簧中径d＝10mm，圈数n＝2.5。已知在接合过程中，弹簧的形变量为f＝2.17mm。
[0097]
弹簧钢的最大工作负荷如下：
[0098][0099]
因此锁钩装置选用的弹簧所能承受的最大工作负荷fn＝185.89n。实际弹簧工作负荷计算式如下：
[0100][0101]
于是在接合过程中弹簧的工作负荷为137.14n。弹簧钢的许用切应力
[0102]
[τ]＝740mpa
[0103]
其切应力的计算公式如下：
[0104][0105]
当载荷为静载荷时，k值取1；当载荷为动载荷时，k值的计算式为
[0106][0107]
于是计算可得弹簧的切应力为τ＝436mpa《[τ]，因此弹簧的切应力满足校核。
[0108]
弹簧钢的最大工作形变量计算公式如下：
[0109][0110]
因此所选弹簧所能产生的最大形变量为2.94mm，实际产生的弹簧形变量在校核范围内。
[0111]
f.锁钩在对接过程实现中的运动学与动力学分析
[0112]
在柔性机构对接功能模块的对接过程中，子端接口与母端接口首先通过定位销与导向孔实现定位，在子端接口与母端接口持续接近的过程中，母端接口首先接触到锁钩的上斜面，然后将锁钩撑开，让锁钩围绕转轴转开。顶杆通过重力的作用，围绕转轴转动到子端接口的弹簧上。在小包络高刚度无源自锁轴向对接接口的最终锁定状态下，锁钩最终嵌入母端接口的凹槽中。三个锁钩同时在母端接口的端面上施加一个锁紧力，整个母端接口就与子端接口锁紧。进一步地如图10、11、12、13、14、15所示，为关键零部件锁钩在对接过程中三轴上的运动学与动力学分析结果。由此可知锁钩在对接过程中，三轴方向上受到的阻
力分别为-13n、7.5n、7.5n。
[0113]
综上所述，本发明面向深海狭小空间的柔性机构，应用于水下对接与连接领域。机构分为连接功能模块和对接功能模块。连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程30mm，最大推拉力80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力110n，模块总长度小于150mm；提供弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形，能够有效减少各个方向上的过约束轻度。对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能，模块外径小于80mm，端面压紧力大，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。
[0114]
以上所示，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种面向深海狭小空间的柔性机构，包括连接功能模块和对接功能模块，其特征在于：连接功能模块包括用于连接部件两端的万向球铰，用于驱动的微型伺服电动推杆以及压簧滑杆组件，微型伺服电动推杆通过电机支架安装在压簧滑杆组件的外包络上；压簧滑杆组件由直线轴承、压簧以及压杆组成；压杆另一端与球铰固定；当微型伺服电动推杆拉动时，压簧能够承受一定的冲击，提供了弹性连接的功能，结合万向球铰的作用，减少了各个方向上的过约束强度；对接功能模块，包括用于对接的阴阳接口以及用于锁紧的锁钩装置；所述阴阳接口包括子端接口、母端接口、以及定位销，其中，定位销安装在子端接口的端面上，母端接口端面设置与定位销匹配的导向定位孔，母端的端面处设置凹槽以满足锁钩嵌入实现锁紧，子端接口与母端接口的外轮廓尺寸相同，端面平齐；所述锁钩装置包括锁钩、顶杆、弹簧、转轴一与转轴二，其中，弹簧安装在子端侧向的圆孔内，锁钩通过转轴二与子端相连，顶杆与锁钩通过转轴一相连；所述的锁钩装置设置在子端的端面处；锁钩装置在子端接口的端面上相隔120度均布，使受力均匀，避免产生剪应力；子端接口与母端接口通过定位销实现径向限位，通过锁钩锁紧实现轴向定位；子端接口要求竖直向上或者接近竖直向上安装，锁钩被撑开后顶杆能够在重力的作用下解除支撑作用，从而激活锁钩的压紧作用。2.根据权利要求1所述面向深海狭小空间的柔性机构，其特征在于：对接功能模块具备锁定连接功能，具有反向自锁的能力，且反向自锁的实现方式为无源。3.根据权利要求1所述面向深海狭小空间的柔性机构，其特征在于：所述锁钩装置的子端接口的端面上一共设置三个定位销与三个锁钩装置，三个定位销在圆上相隔120度对称分布；母端接口的端面上一共设置三个导向孔与三个锁定凹槽，三个导向孔与三个锁定凹槽在圆上相隔120度对称分布；母端接口与子端接口的外径尺寸相同；在母端接口与子端接口的对接初始状态，锁钩上端被顶杆支撑，锁钩下端被弹簧支撑，此时弹簧保留一定的压缩量，使整个锁钩装置处于稳定状态。对接功能模块包括弹性变形环节，通过万向球铰与压簧滑杆组件实现弹性被动变形。4.根据权利要求1所述面向深海狭小空间的柔性机构，其特征在于：连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程在30mm以内，最大推拉力不低于80n，重复定位精度为
±
0.06mm，最大自锁力不低于110n，模块总长度不大于150mm。5.根据权利要求1所述面向深海狭小空间的柔性机构，其特征在于：对接功能模块具备侧向
±
1mm的大容差、轴向
±
0.01mm与侧向
±
0.05mm的高精度定位、高刚度锁定连接功能，模块外径不大于80mm。

技术总结
本发明所设计的面向深海狭小空间的柔性机构，应用于水下对接与连接领域。机构分为连接功能模块和对接功能模块。连接功能模块能够精确调节并锁定接口长度，调节行程30mm，最大推拉力80N，重复定位精度为


技术研发人员：任彬 周沁宇
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.01.06
技术公布日：2023/5/9