一种水下机器人用浮力均衡机构

1.本发明涉及水下机器人浮力均衡机构，具体地说是一种布置于浮心位置用于均衡水下机器人浮力状态的机构。


背景技术：

2.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。
3.现有浮力调节机制调节能力不足，使航行器航行过程中阻力增大，能量消耗提升并且不利于提高auv的机动性能。仿造海洋生物的浮力调节机制，在auv(自主式水下航行器)上装备可以实现主动水域自适应的浮力调节系统，系统通过传感器主动测量外部水域参数的变化，并通过传感器测量结果，自动调整由于水域环境不同海水密度变化造成的重力与浮力差值的改变，这样可以有效的避免系统依靠操舵克服重力与浮力差值改变的问题，从而减小了整个航行过程的阻力，直接节省了系统的能源。另外，通常为确保auv的安全在配平时使auv具有一定的正浮力，但该正浮力也需要通过操舵来克服，而需要消耗额外能量，装备主动水域浮力自适应调节系统后，auv可在中性状态下航行，完成任务后重新调成正浮力，而不必在航行过程中的额外操舵，从而减少航行的阻力。航行过程中浮力驱动系统是断续工作，且浮力调节系统功率较小，其能耗量相对于克服浮力改变的能耗要小的多。不仅如此，采用浮力调节系统还可以提高auv的机动性能。
4.通常水下机器人在作业工程中要保持稳定的浮力状态，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：

5.本发明的目的在于提供一种结构简单、工作可靠、高效率、回油无动力的水下机器人用被动排油式浮力均衡机构，可解决水下机器人浮力状态不稳定导致整体性能受影响和浮力调节装置功耗较大的问题。水下机器人需要下潜时，浮力调节装置利用外界的压力将液压油压回活塞式内油囊，进而实现无动力回油的目的。该浮力均衡机构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。
6.本发明专利与现已发明的浮力均衡机构相较，在浮力调节方面，为被动回油方式，被动回油方式是由于auv在海下受到外界强压作用，根据外界强压作用下等比例的被动回油，因此此调节过程无能耗，能够降低auv在浮力调节过程中的能耗。此外本发明采用了一
种变径筒的方式，并布置于auv舯段，是一种新型的布局方式，能够降低调节过程对auv姿态的影响。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.一种水下机器人用浮力均衡机构，包括外壳、外油囊、活塞式内油囊，所述外油囊环绕外壳外壁设置，所述活塞式内油囊设置在外壳内腔且外壁与外壳的内腔壁密封滑动连接；所述外油囊通过调节系统与活塞式内油囊连通并调节外油囊和活塞式内油囊内的油量。
9.优选地，所述外壳耐压，且尾部直径渐扩；所述均衡机构设置于水下机器人浮心位置；所述外壳外部还罩设有浮力材料。
10.优选地，所述活塞式内油囊、外油囊及壳体均为回转体，且三者同轴设置。
11.优选地，所述调节系统包括出油系统和回油系统，所述出油系统包括微型超高压柱塞泵、单向阀，所述回油系统包括两个截止式电磁阀、低压隔膜泵、高压缝隙式节流阀；
12.活塞式内油囊内油液通过微型超高压柱塞泵及单向阀流向外油囊的油路为出油油路；
13.从外油囊依次通过截止式电磁阀及高压缝隙式节流阀流向活塞式内油囊的油路为低压回油油路；从外油囊内依次通过另一截止式电磁阀及高压缝隙式节流阀流向活塞式内油囊的油路为高压回油油路；
14.所述出油油路、低压回油油路、高压回油油路为并联。
15.优选地，还包括直流组合电机、联轴器钟罩、联轴器，所述直流组合电机通过联轴器连接并驱动微型超高压柱塞泵运动；所述联轴器外设置联轴器钟罩。
16.优选地，所述微型超高压柱塞泵吸油口设置储油舱；所述储油舱为微型超高压柱塞泵和联轴器之间壳体所罩设的腔室；所述储油舱通过管道连通活塞式内油囊。
17.优选地，所述微型超高压柱塞泵出口连通单向阀，所述单向阀连通外油囊。
18.优选地，所述外油囊通过高压接头及液压管路，一路依次连通截止式电磁阀、高压缝隙式节流阀连接至活塞式内油囊；另一路依次连通另一截止式电磁阀、低压隔膜泵连接至活塞式内油囊。
19.优选地，所述单向阀、两个截止式电磁阀、高压缝隙式节流阀、低压隔膜泵的接口集成至液压阀块。
20.优选地，所述活塞式内油囊上设有直线电位计，用于实时反馈浮力调节量。
21.本发明具有以下有益效果及优点：
22.1.本发明涉及的水下机器人用浮力均衡机构布置于水下机器人的浮心位置，通过内外油囊间油量的调整实现水下机器人浮力状态的改变，活塞式内油囊与外油囊同轴心，因此消除了由于浮力状态调整导致水下机器人俯仰姿态的变化，排油和回油过程中，通过内外油囊的压力差来自动调节油液流向，不需要额外消耗水下机器人的能量，因而节约了能源。
23.2.本发明由直流电机组合驱动一个微型超高压柱塞泵，为了提高柱塞泵的吸油效率，单独在柱塞泵吸油口设计了一个储油舱，通过微型超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，噪声低，安全可靠。
24.3.本发明由截止式电磁换向阀控制回油油路的开启和关闭，在低压工况下通过隔
膜泵实现主动回油，在高压工况下通过高压缝隙式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，结构简单，功耗小，安全可靠，可以在不同深度回油。
25.4.本发明通过直线电位计可实时地读取活塞式内油囊液压油的容量，可方便控制调节量。
26.5.本发明浮力调节能力大，通过调整内、外油囊容积，即可灵活调整最大浮力调节量。
27.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
28.图1是本发明的原理示意图；
29.图2是本发明在水下机器人上的布置位置示意图；
30.图3为本发明浮力均衡机构的结构示意图；
31.图4为本发明浮力均衡机构中调节系统结构示意图；
32.图5为本发明浮力均衡机构中调节系统平面分布示意图；
33.图6为本发明调节系统中驱动装置结构示意图；
34.图7为本发明调节系统中调节装置结构示意图。
35.其中：1、外壳，2、外油囊，3、高压接头，4、液压管路，5、第二调向弯头，6、单向阀，7、高压缝隙式节流阀，8、截止式电磁阀，9、低压隔膜泵，10、第一调向弯头，11、第三调向接头，12、微型超高压柱塞泵，13、储油舱，14、联轴器，15、联轴器钟罩，16、直流电机组合，17、活塞式内油囊，18、直线电位计，19、保护罩，20、压紧环，21、耐磨环，22、格莱圈，23、液压阀块，24、软管。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本技术的优选实施方式。虽然附图中显示了本技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本技术更加透彻和完整，并且能够将本技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。
37.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
38.应当理解，尽管在本技术可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.参见图2，c位置为水下机器人的浮心位置，a所指示的方框内位置为本发明均衡机
构的安装位置。
40.参见各附图特别是图3，一种水下机器人用浮力均衡机构，包括外壳1、外油囊2、活塞式内油囊17，所述外油囊2环绕外壳1外壁设置，所述活塞式内油囊17设置在外壳1内腔且外壁与外壳1的内腔壁密封滑动连接；所述外油囊2通过调节系统与活塞式内油囊17连通并调节外油囊2和活塞式内油囊17内的油量。
41.作为本发明的实施方式之一，参见图2、3，所述外壳1耐压，且尾部直径渐扩；所述均衡机构设置于水下机器人浮心位置；所述外壳1外部还罩设有浮力材料。
42.作为本发明的实施方式之一，所述活塞式内油囊17、外油囊2及壳体均为回转体，且三者同轴设置。
43.作为本发明的实施方式之一，参见图1、4-7，所述调节系统包括出油系统和回油系统，所述出油系统包括微型超高压柱塞泵12、单向阀6，所述回油系统包括两个截止式电磁阀8、低压隔膜泵9、高压缝隙式节流阀7；
44.活塞式内油囊17内油液通过微型超高压柱塞泵12及单向阀6流向外油囊2的油路为出油油路；
45.从外油囊2依次通过截止式电磁阀8及高压缝隙式节流阀7流向活塞式内油囊17的油路为低压回油油路；从外油囊2内依次通过另一截止式电磁阀8及高压缝隙式节流阀7流向活塞式内油囊17的油路为高压回油油路；
46.所述出油油路、低压回油油路、高压回油油路为并联。
47.作为本发明的实施方式之一，还包括直流组合电机16、联轴器钟罩15、联轴器14，所述直流组合电机16通过联轴器14连接并驱动微型超高压柱塞泵12运动；所述联轴器14外设置联轴器钟罩15。所述联轴器钟罩15用于保护联轴器14，减少其受外力冲击。
48.作为本发明的实施方式之一，所述微型超高压柱塞泵12吸油口设置储油舱13；所述储油舱13为微型超高压柱塞泵12和联轴器14之间壳体所罩设的腔室；所述储油舱13通过管道连通活塞式内油囊17。
49.作为本发明的实施方式之一，所述微型超高压柱塞泵12出口连通单向阀6，所述单向阀6连通外油囊2。
50.作为本发明的实施方式之一，所述外油囊2通过高压接头3及液压管路4，一路依次连通截止式电磁阀8、高压缝隙式节流阀7连接至活塞式内油囊17；另一路依次连通另一截止式电磁阀8、低压隔膜泵9连接至活塞式内油囊17。
51.作为本发明的实施方式之一，所述单向阀6、两个截止式电磁阀8、高压缝隙式节流阀7、低压隔膜泵9的接口集成至液压阀块23。
52.作为本发明的实施方式之一，所述活塞式内油囊17上设有直线电位计18，用于实时反馈浮力调节量。
53.本发明的一种水下机器人用浮力均衡机构，耐压外壳1设计为变径结构，均衡机构布置于水下机器人浮心位置，活塞式内油囊17与外油囊2设计为回转体外形，同时保证安装时轴线重合，从而可以消除浮力均衡机构工作对水下机器人俯仰姿态角的影响，有利于降低水下机器人的能耗和提高水下机器人的航行稳定性。
54.本发明的一种水下机器人用浮力均衡机构，利用液压调节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；本浮力均衡机构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，使水下机器人在水下工作时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。
55.本发明提供的一种水下机器人用浮力均衡机构，可用于调节水下机器人和海水压缩率的不匹配所引起的浮力差。
56.实施例
57.本发明的一种水下机器人用浮力均衡机构，包括变径耐压外壳1、外油囊2、直流组合电机16、微型超高压柱塞泵12、两个截止式电磁阀8、单向阀6、高压缝隙式节流阀7、低压隔膜泵9以及活塞式内油囊17。
58.作为可选的具体实施方式，所述外油囊2和活塞式内油囊17的密封方式可以是：所述外油囊2通过两个对称压紧环20安装在变径耐压外壳1的外侧实现密封；活塞式内油囊17通过格莱圈22和耐磨环21的组合实现动密封。
59.活塞式内油囊17、直流组合电机16、微型超高压柱塞泵12、低压隔膜泵9、单向阀6、截止式电磁阀8、高压缝隙式节流阀7、液压阀块23均安装在水下机器人筒体内，活塞式内油囊17通过软管24与由直流组合电机16驱动的单向微型超高压柱塞泵12相连接，为了保证微型超高压柱塞泵12的吸油性，专门为柱塞泵的吸油口设计了储油舱13；截止式电磁阀8、高压缝隙式节流阀7、单向阀6、低压隔膜泵9通过液压阀块23与微型超高压柱塞泵12并联后与外油囊2连接。
60.本发明的一种水下机器人用浮力均衡机构，由直流组合电机16驱动微型超高压柱塞泵12，通过微型超高压柱塞泵12与单向阀6实现活塞式内油囊17向外油囊2充油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。
61.本发明的一种水下机器人用浮力均衡机构，在低压下通过截止式电磁阀8与低压隔膜泵9实现外油囊2向活塞式内油囊17回油，高压下通过另一截止式电磁阀8与高压缝隙式节流阀7实现外油囊2向活塞式内油囊17回油，回油流量大小不受外界压力大小影响，具有压力被动调节，无功耗的特点。
62.外油囊2浸没在水下机器人所处的海水中；高压接头3，液压管路4，第一调向弯头10，第二调向弯头5，单向阀6，高压缝隙式节流阀7，截止式电磁阀8，液压阀块23，低压隔膜泵9，微型超高压柱塞泵12，联轴器钟罩15，联轴器14，直流组合电机16，活塞式内油囊17位于变径耐压外壳1内部，与海水隔离开。
63.该装置用于调节水下机器人和海水压缩率的不匹配所引起的浮力差。该机构中直流组合电机16驱动微型超高压柱塞泵12，通过微型超高压柱塞泵12与单向阀6实现活塞式内油囊17向外油囊2充油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。该机构中低压下通过截止式电磁阀8与低压柱塞泵9实现外油囊2向活塞式内油囊17回油，高压下通过截止式电磁阀8与高压缝隙式节流阀7实现外油囊2向活塞式内油囊17回油，回油流量大小不受外界压力大小影响，具有压力被动调节，无功耗的特点。与传统的水下机器人用浮力调节系统相比，该套系统主动充油过程功耗低、效率高、浮力调节过程对水下机器人俯仰姿态角无影响；水面主动回油过程回油速度快、效率高；深海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。
64.本发明的各调向弯头的接头方向可调，便于与液压管路的连接。
65.本发明的工作原理为：
66.如图1所示，若要增加水下机器人的浮力，启动直流电机组合16，直流组合电机16驱动微型超高压柱塞泵12做顺时针旋转运动，活塞式内油囊17内的液压油进入微型超高压柱塞泵12，微型超高压柱塞泵12排出的高压液压油经过单向阀6充入到外油囊2内，外油囊2的体积变大，从而增加整个水下机器人载体的浮力。同时，活塞式内油囊17由于其内部的液压油不断被吸出，活塞式内油囊17将向右侧做直线运动，直线电位计18实时反馈活塞式内油囊17的运动距离，当活塞式内油囊17运动到设定位置时，直流电机组合16停止工作。截止式电磁阀8和单向阀6保证了外油囊2内的液压油不会由于水压而回流到活塞式内油囊17内。若要减小水下机器人的浮力，在低压状态下，需要打开截止式电磁阀8，启动低压隔膜泵9，低压隔膜泵9通过液压管路从外油囊2内抽出液压油，抽出的液压油通过低压隔膜泵9和软管24回到活塞式内油囊17内部。在高压状态下，打开截止式电磁阀8，外油囊2内的液压油由于外界压力的作用通过截止式电磁阀8和高压缝隙式节流阀7流回活塞式内油囊17内，液压油的流量通过带压力补偿的高压缝隙式节流阀7加以被动控制。同理，当活塞式内油囊17运动到设定位置时，关闭截止式电磁阀8。
67.本发明通过启动直流组合电机16驱动微型超高压柱塞泵12顺时针旋转，把液压油从水下机器人变径壳体1内部的活塞式内油囊17充到安装在水下机器人外部的外油囊2；高压情况下通过开启截止式电磁阀8，通过高压缝隙式节流阀7控制液压油流量，使得液压油从外油囊2回到活塞式内油囊17；通过改变外油囊2的液压油容积来改变外油囊2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、外油囊的油量来调整最大浮力调节量。
68.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等。
69.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，包括外壳(1)、外油囊(2)、活塞式内油囊(17)，所述外油囊(2)环绕外壳(1)外壁设置，所述活塞式内油囊(17)设置在外壳(1)内腔且外壁与外壳(1)的内腔壁密封滑动连接；所述外油囊(2)通过调节系统与活塞式内油囊(17)连通并调节外油囊(2)和活塞式内油囊(17)内的油量。2.如权利要求1所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述外壳(1)耐压，且尾部直径渐扩；所述均衡机构设置于水下机器人浮心位置；所述外壳(1)外部还罩设有浮力材料。3.如权利要求1所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述活塞式内油囊(17)、外油囊(2)及壳体均为回转体，且三者同轴设置。4.如权利要求1所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述调节系统包括出油系统和回油系统，所述出油系统包括微型超高压柱塞泵(12)、单向阀(6)，所述回油系统包括两个截止式电磁阀(8)、低压隔膜泵(9)、高压缝隙式节流阀(7)；活塞式内油囊(17)内油液通过微型超高压柱塞泵(12)及单向阀(6)流向外油囊(2)的油路为出油油路；从外油囊(2)依次通过截止式电磁阀(8)及高压缝隙式节流阀(7)流向活塞式内油囊(17)的油路为低压回油油路；从外油囊(2)内依次通过另一截止式电磁阀(8)及高压缝隙式节流阀(7)流向活塞式内油囊(17)的油路为高压回油油路；所述出油油路、低压回油油路、高压回油油路为并联。5.如权利要求4所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，还包括直流组合电机(16)、联轴器钟罩(15)、联轴器(14)，所述直流组合电机(16)通过联轴器(14)连接并驱动微型超高压柱塞泵(12)运动；所述联轴器(14)外设置联轴器钟罩(15)。6.如权利要求5所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述微型超高压柱塞泵(12)吸油口设置储油舱(13)；所述储油舱(13)为微型超高压柱塞泵(12)和联轴器(14)之间壳体所罩设的腔室；所述储油舱(13)通过管道连通活塞式内油囊(17)。7.如权利要求4所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述微型超高压柱塞泵(12)出口连通单向阀(6)，所述单向阀(6)连通外油囊(2)。8.如权利要求4所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述外油囊(2)通过高压接头(3)及液压管路(4)，一路依次连通截止式电磁阀(8)、高压缝隙式节流阀(7)连接至活塞式内油囊(17)；另一路依次连通另一截止式电磁阀(8)、低压隔膜泵(9)连接至活塞式内油囊(17)。9.如权利要求7或8任一项所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述单向阀(6)、两个截止式电磁阀(8)、高压缝隙式节流阀(7)、低压隔膜泵(9)的接口集成至液压阀块(23)。10.如权利要求1所述的一种水下机器人用浮力均衡机构，其特征在于，所述活塞式内油囊(17)上设有直线电位计(18)，用于实时反馈浮力调节量。

技术总结
本发明公开了一种水下机器人用浮力均衡机构，包括外壳、外油囊、活塞式内油囊，所述外油囊环绕外壳外壁设置，所述活塞式内油囊设置在外壳内腔且外壁与外壳的内腔壁密封滑动连接；所述外油囊通过调节系统与活塞式内油囊连通并调节外油囊和活塞式内油囊内的油量。本发明提供的浮力均衡机构可解决水下机器人浮力状态不稳定导致整体性能受影响和浮力调节装置功耗较大的问题，具有结构简单、工作可靠、高效率、回油无动力、广泛适应的特点。广泛适应的特点。广泛适应的特点。


技术研发人员：俞建成 黄琰 肖丽娜 王振宇 庞云天 乔佳楠 谢宗伯 王冰 王富海 杨全凯
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/3/21