本發(fā)明涉及浮力調節(jié)裝置，具體地說是一種水下機器人用滾動膜片式浮力調節(jié)裝置。

背景技術：

水下機器人作為一種水下測量、作業(yè)平臺，已經廣泛應用在海洋科學研究、海洋工程、海洋資源勘探、救援打撈等應用領域。通常水下機器人在作業(yè)過程中要保持穩(wěn)定的浮力狀態(tài)，如auv(無纜水下自治機器人)保持中性狀態(tài)，可以保證auv的定深懸停；滑翔機保持穩(wěn)定正(負)的浮力狀態(tài)，可以保證其穩(wěn)定的上浮(下潛)。然而，受海水密度變化的影響，水下機器人的浮力狀態(tài)會發(fā)生波動，從而影響水下機器人的運動狀態(tài)。通過專用的浮力調節(jié)裝置，根據(jù)水下機器人作業(yè)海域的海水密度情況，自動調節(jié)水下機器人的排水體積來達到期望的浮力狀態(tài)。因此研究模塊化、結構緊湊、精度高、功耗低、穩(wěn)定可靠的水下機器人用浮力調節(jié)裝置，對提高水機器人的整體性能具有重要作用。

目前，調節(jié)水下機器人浮力的方法主要有兩種，一種是采用艙內的液壓系統(tǒng)調節(jié)載體的外掛油囊大小來實現(xiàn)浮力調節(jié)，這種方式適用于深海高壓環(huán)境，但通常液壓系統(tǒng)安裝調試較為復雜，且系統(tǒng)總效率偏低、浮力調節(jié)精度較差?；蛘卟捎没钊苯油婆潘姆绞絹韺崿F(xiàn)自身體積大小的改變，通過直線電位計檢測活塞的位置可以精確控制載體的體積改變量，但由于活塞運動過程為動密封，長時間工作會有磨損泄露現(xiàn)象。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有調節(jié)外掛油囊大小實現(xiàn)浮力調節(jié)以及活塞直接推排水實現(xiàn)體積大小變化兩種方式存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種水下機器人用滾動膜片式浮力調節(jié)裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括缸帽、耐壓缸體、滾動膜片、活塞、固定筒、直線電位計、動力源、活塞桿、滾珠絲杠、絲杠螺母、軸承座及耐壓艙體，其中固定筒位于耐壓艙體的內部，該固定筒的一端及所述耐壓缸體的一端均安裝在所述耐壓艙體的同一端，所述耐壓缸體的另一端連接有 帶排水口的缸帽；所述固定筒的另一端安裝有軸承座，所述滾珠絲杠與該軸承座轉動連接，所述動力源通過固定座安裝在軸承座上，并與所述滾珠絲杠相連；所述活塞桿位于耐壓缸體與固定筒的內部，一端與所述滾珠絲杠上螺紋連接的絲杠螺母相連，另一端連接有活塞，所述滾動膜片安裝在該活塞上，邊緣壓緊在所述缸帽與耐壓缸體之間；所述直線電位計安裝在所述固定座上，該直線電位計的拉桿與安裝在所述活塞桿一端的測位連接件相連；所述動力源驅動滾珠絲杠轉動，通過該滾珠絲杠與所述絲杠螺母將回轉運動轉化為所述活塞桿帶動活塞及滾動膜片的直線往復移動，通過推排水實現(xiàn)水下機器人的浮力調節(jié)。

其中：所述滾動膜片的中部安裝在活塞上，中部外圍的部分卷積后放入所述活塞側面與耐壓缸體內壁之間，所述缸帽和耐壓缸體壓緊滾動膜片的邊緣并固接；所述滾動膜片隨活塞桿直線往復移動，與所述活塞及耐壓缸體之間滾動摩擦；

所述動力源包括雙向超越離合器及直流電機，固定座為離合器固定座，所述雙向超越離合器通過離合器固定座安裝在所述軸承座上；所述直流電機安裝在離合器固定座上，該直流電機的電機軸插入所述雙向超越離合器的主動端，所述滾珠絲杠的輸入端插入雙向超越離合器的從動端；所述耐壓缸體的一端安裝有尼龍導向套，該尼龍導向套套設在所述活塞桿上，與所述活塞桿之間為非圓形配合；

所述固定筒的側壁上沿軸向開有條形孔，所述測位連接件穿過該條形孔連接于所述活塞桿的一端，所述測位連接件在活塞桿直線往復移動的過程中在所述條形孔內往復移動；所述滾動膜片朝向缸帽的一側中部設有膜片壓緊件，該膜片壓緊件、滾動膜片及活塞通過螺釘共同安裝在所述活塞桿的另一端；所述軸承座內的兩端設有角接觸球軸承，位于兩端角接觸球軸承之間設有推力滾子軸承，所述滾珠絲杠的輸入端穿過角接觸球軸承及推力滾子軸承，并通過鎖緊螺母鎖緊。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為：

1.本發(fā)明通過滾動膜片將外界海水與艙內隔絕，形成可變體積的浮力調節(jié)裝置，采用滾動膜片代替了傳統(tǒng)活塞推排水的方式，將傳統(tǒng)的活塞的推排水過程中的滑動摩擦轉化為了滾動摩擦，將活塞運動的動密封轉化為靜密封，避免了傳統(tǒng)活塞長時間往復運行造成密封圈磨損而泄露的情況，系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定。

2.本發(fā)明將滾珠絲杠與雙向超越離合器配合使用，既實現(xiàn)了系統(tǒng)的自鎖功能，又提高了系統(tǒng)效率。

3.本發(fā)明采用直線電位計對活塞的軸向位置進行測量，能夠實 時精確地監(jiān)測浮力變化量。

4.本發(fā)明由機械傳動結構組成，比液壓系統(tǒng)的反應速度更快，結構更加簡單緊湊。

5.本發(fā)明結構緊湊、工作可靠、效率高、精度高、響應快。

6.本發(fā)明成本低，不需特殊加工零部件，磨損零部件易于重新加工與更換。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的內部結構示意圖；

圖2為本發(fā)明排水前的局部結構示意圖；

圖3為本發(fā)明排水后的局部結構示意圖；

其中：1為缸帽，2為耐壓缸體，3為滾動膜片，4為活塞，5為尼龍導向套，6為固定筒，7為測位連接件，8為直線電位計，9為角接觸球軸承，10為推力滾子軸承，11為鎖緊螺母，12為雙向超越離合器，13為直流電機，14為膜片壓緊件，15為活塞桿，16為滾珠絲杠，17為絲杠螺母，18為軸承座，19為離合器固定座，20為電機固定件，21為耐壓艙體，22為條形孔，23為排水口。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。

如圖1所示，本發(fā)明包括缸帽1、耐壓缸體2、滾動膜片3、活塞4、尼龍導向套5、固定筒6、測位連接件7、直線電位計8、動力源、膜片壓緊件14、活塞桿15、滾珠絲杠16、絲杠螺母17、軸承座18及耐壓艙體21，其中耐壓艙體21、固定筒6及耐壓缸體2均為回轉體結構，耐壓艙體21為一端開口的柱狀內部中空結構，固定筒6位于耐壓艙體21的內部，該耐壓缸體2及固定筒6均為內部中空結構。固定筒6的一端及耐壓缸體2的一端均安裝在耐壓艙體21的同一端(開口端)，耐壓缸體2的另一端固接有帶排水口23的缸帽1。

軸承座18位于耐壓艙體21內部，固定在固定筒6的另一端上；該軸承座18內的兩端設有角接觸球軸承9，位于兩端角接觸球軸承9之間設有推力滾子軸承10，滾珠絲杠16的一端(輸入端)穿過角接觸球軸承9及推力滾子軸承10、與軸承座18轉動連接，并通過鎖緊螺母11鎖緊。

動力源位于耐壓艙體21內部，通過固定座安裝在軸承座18上，并與滾珠絲杠16相連。本實施例的動力源包括雙向超越離合器12及直流電機13，固定座為離合器固定座19，雙向超越離合器12通過離合器固定座19安裝在軸承座18上；直流電機13安裝在離合器固定座19上，該直流電機13的電機軸插入雙向超越離合器12的主動端， 滾珠絲杠16的輸入端插入雙向超越離合器12的從動端。

活塞桿15位于耐壓缸體2與固定筒6的內部，該活塞桿15為一端開口的柱狀內部中空結構，滾珠絲杠16的另一端位于活塞桿15內?；钊麠U15的一端(開口端)位于固定筒6內、固接有絲杠螺母17，該絲杠螺母17螺紋連接于滾珠絲杠16上；活塞桿15的另一端位于耐壓缸體2內、固接有活塞4。滾動膜片3的中部安裝在活塞4上，中部外圍的部分卷積后放入活塞4側面與耐壓缸體2內壁之間，缸帽1和耐壓缸體2壓緊滾動膜片3的邊緣并固接。直流電機13驅動滾珠絲杠16轉動，通過該滾珠絲杠16與絲杠螺母17將回轉運動轉化為活塞桿15帶動活塞4及滾動膜片3的直線往復移動，滾動膜片3在隨活塞桿15直線往復移動過程中，與活塞4及耐壓缸體2之間滾動摩擦。滾動膜片3朝向缸帽1的一側中部設有膜片壓緊件14，該膜片壓緊件14、滾動膜片3及活塞4通過螺釘共同安裝在活塞桿15的另一端。耐壓缸體2的一端安裝有尼龍導向套5，該尼龍導向套5套設在活塞桿15上，與活塞桿15之間為非圓形配合。

直線電位計8安裝在離合器固定座19上，直線電位計8的拉桿與安裝在活塞桿15一端的測位連接件7相連。固定筒6的側壁上沿軸向開有條形孔22，測位連接件7穿過該條形孔22連接于活塞桿15的一端，測位連接件7在活塞桿15直線往復移動的過程中在條形孔22內往復移動。

本發(fā)明的直線電位計8為市購產品，購置于德國novotechnik公司，型號為t-0100。本發(fā)明的雙向超越離合器12為市購產品，購置于北京新興超越離合器有限公司，型號為cks105。

本發(fā)明的安裝過程為：

將雙向超越離合器12的外殼與離合器固定座19通過螺釘固定在一起。直流電機13與電機固定件20通過止口配合定位后，用螺釘進行緊固。將直流電機13的電機軸插入雙向超越離合器12的主動端，并用螺釘將電機固定件20固定在離合器固定座19上。兩個角接觸球軸承9和一個推力滾子軸承10裝入軸承座18內，將滾珠絲杠16的輸入端穿過三個軸承并用鎖緊螺母11帶緊；軸承座18內的兩個角接觸球軸承9對滾珠絲杠16起到徑向定位的作用，推力滾子軸承10用來平衡滾珠絲杠16的軸向力。將滾珠絲杠16的輸入端插入雙向超越離合器12的從動端，并通過軸承座18與離合器固定座19的止口進行配合定位。軸承座18與固定筒6的另一端通過止口進行配合定位后，用螺釘將離合器固定座19、軸承座18、固定筒6相連。尼龍導向套5與耐壓缸體2的一端通過螺釘緊固相連。絲杠螺母17與活塞 桿15的一端通過螺釘固定后，穿入尼龍導向套5，利用固定筒6與耐壓缸體2的止口進行配合定位，尼龍導向套5與活塞桿15之間為非圓形配合，尼龍導向套5既保證了活塞桿15的軸向平穩(wěn)運動，又限制了活塞桿15的回轉運動。通過螺釘將膜片壓緊件14、滾動膜片3、活塞4、活塞桿15相連，在活塞桿15的另一端與活塞4之間設置徑向“o”型圈、以確保系統(tǒng)的密封性。將滾動膜片3卷積后放入活塞4與耐壓缸體2的內壁空隙之間，通過螺釘與螺母使缸帽1和耐壓缸體2壓緊滾動膜片3。直線電位計8通過螺釘與離合器固定座19相連，測位連接件7與活塞桿17的一端通過螺釘相連。將直線電位計8的拉桿與側位連接件7固定連接。最后，通過螺釘將耐壓缸體2和固定筒6固定連接在耐壓艙體21上。

本發(fā)明的工作原理為：

直流電機13通過雙向超越離合器12帶動滾珠絲杠16進行回轉運動，滾珠絲杠16上的絲杠螺母17將滾珠絲杠16的回轉運動轉化為直線運動，并帶動活塞桿15及活塞4進行前后移動，來調節(jié)密閉艙體的大??；此時，滾動膜片3沿耐壓缸體2和活塞4滾動，通過滾動膜片3將外界海水與艙內隔絕，從而起到調節(jié)浮力的功能。通過活塞桿15帶動活塞4、滾動膜片3的移動，將缸帽1內的水由排水口23排出。工作過程示意如圖2、圖3所示。

通過直線電位計8對活塞4的位置進行檢測就可以實時、精確地得到載體的浮力調節(jié)量。本發(fā)明采用滾動膜片3代替了傳統(tǒng)活塞的動密封方式，使浮力調節(jié)更加安全可靠。同時由于滾動膜片3與耐壓缸體2及活塞4之間是滾動摩擦，提高了浮力調節(jié)裝置的效率。滾珠絲杠16的傳遞效率高但是自身不能實現(xiàn)自鎖功能，在外壓作用下活塞4會向后移動，這會導致設定浮力量的變化。為了實現(xiàn)浮力調節(jié)裝置的自鎖功能，在滾珠絲杠16與直流電機13之間添加雙向超越離合器12(主動端順時針或者逆時針轉動時，從動軸也同步轉動，而當主動軸不動時，從動軸在外力作用下順時針和逆時針都不能轉動)，直流電機13與雙向超越離合器12的主動端相連，滾珠絲杠16與雙向超越離合器12的從動端相連，這樣就實現(xiàn)了滾珠絲杠的自鎖。雙向超越離合器12的傳動效率較高一般可達90％以上。

本發(fā)明提供了一種內置的浮力調節(jié)裝置，浮力調節(jié)精度要求高，能耗低，工作可靠性高，相應快。適用于需要實時改變浮力狀態(tài)的水下機器人，例如水下滑翔機等。