一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置
1.本发明涉及一种水下机器人用浮力调节装置，属于水下机器人控制技术领域，具体涉及一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置。
背景技术：
2.随着科学技术的快速发展，水下机器人已在海洋环境观测、深海矿产资源开发、海底地貌绘制等民用方面发挥着重要的作用。不仅如此，在军事上，水下机器人作为目标探测、反战等任务的有力武器装备，已经在历次海战中扮演了重要的角。
3.具有浮力调节能力的水下机器人可以更高效节能地作业，得到了广泛的应用。如水下滑翔机可通过调节浮力，配合水平翼、垂直舵以极低的功耗实现水下滑翔运动。浮力调节装置是水下机器人调节自己排水量的装置，是水下机器人的重要组成部分。该装置的性能的优劣直接影响水下机器人的操纵性能。因此，对浮力调节装置的优化设计十分必要。
4.目前的浮力调节装置大部分都采用液压驱动，因为这种驱动方式虽然具有稳定性好、力矩大等优点，能更好的应对水下机器人所面临的高压环境。然而，液压驱动系统同时也存在容易泄露，管路复杂，零部件多，不容易装配等问题，为水下机器人的开发维护提出了难题。
5.中国专利201510182161.1公开了一种活塞式浮力调节装置，它包括防水舱体、活塞驱动机构、输油管路等部分。防水舱体包括防水舱体、上下两个防水舱盖以及连接于舱体上的法兰块等。活塞驱动机构包括电机、齿轮传动副、滚珠丝杠传动副以及机架等支撑件。输油管路包括油缸、阀块、开关阀、输油软管以及皮囊。通过移动活塞改变进入皮囊中油液的体积，从而改变皮囊大小，进而改变装置的浮沉状态。该结构采用的结构提高了能量利用效率，尤其可以延长水中无缆设备的续航能力；采用活塞和缸体的形式，排油量和排油速度与反馈活塞的位置和运动速度呈线性关系，使得装置的状态易于控制；把油作为介质并且把皮囊与水环境隔开，使得运动部件免于腐蚀，从而延长装置的使用寿命。
6.中国专利200910174577.3一种活塞式水下升降平台浮力调节机构，包括推力弹簧、活塞、弹性胶膜、连接件、筒体、推杆、螺杆、螺杆驱动机构和定位导轨，外围设备为水下平台和控制系统；浮力调节机构位于水下平台的内部，水下平台的外圆上开有两个对称的活塞孔，活塞孔为台阶孔，在台阶孔上与外圆相通的孔大于内孔，弹性胶膜用连接件固定连接在台阶孔的台阶端面上；推力弹簧套在活塞的外圆上安装在活塞孔的内孔中，两活塞处于接触状态，水下平台的中心轴线在活塞接触面上；螺杆驱动机构位于活塞下方，螺杆驱动机构上的螺杆上套装推杆，推杆两侧装有定位导轨，推杆与水下平台的中心轴线重合。
7.中国专利202210194158.1公开了浮动活塞式浮力调节器及使用方法，涉及浮力调节设备领域，包括水密耐压舱、调节管和液压动力系统；水密耐压舱内滑动配合有活塞，活塞将水密耐压舱分隔成内液室和压力气室；内液室内置有浮力调节介质，内液室通过调节管向外连通，调节管设置有液压动力系统；压力气室设置有检测活塞位移量的非接触式位移传感器。采用非接触式位移传感器能够实时检测到活塞的位移量，进而得知浮力的变化，
对活塞位移的测量精度更高，整体结构简单，使用性能更加稳定，结合膨胀囊将浮力调节介质控制在封闭的空间内，避免发生水体污染和腐蚀，该装置整体浮力调节能力非常好，可以适用于不同大小的浮力调节。
8.综合目前已经公开的技术方案，多采用基于液压驱动的浮力调节方式，由于在面向浅水水域工作的水下机器人面临的环境压力不大，使用传统液压驱动的浮力调节装置可能造成空间利用率的低下。使用电机驱动经过传动可以满足水下机器人浮力调节的需求。因此，开发一种面向浅水区域作业的水下机器人用、由电机驱动的的浮力调节装置具有重要意义。
技术实现要素：
9.针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种用于水下机器人的电驱动活塞式浮力调节装置，该浮力调节装置采用电机替代传统液压驱动，具有结构紧凑、操作简便、易于安装维护等特点。可避免传统液压驱动容易泄露，不容易装配等缺点。该新型浮力调节装置适用于水下机器人浅水域工作过程中对海水压力、浮力调节量等要求不高的海洋环境。
10.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
11.一种电驱动活塞式浮力调节装置，包括活塞缸、艏部端盖和活塞式浮力调节部；所述艏部端盖安装于活塞缸的外壳部，所述艏部端盖用于与水下机器人进行连接；所述的活塞式浮力调节部包括活塞杆、螺纹杆、丝杠座、蜗轮、蜗杆轴和齿轮减速器。所述活塞杆的一端部与活塞缸滑动配合，活塞杆的另一端部与丝杠座连接；所述丝杠座与螺纹杆相配合，所述螺纹杆端部安装有蜗轮，所述蜗轮与蜗杆轴相配合。蜗杆轴与齿轮减速器连接，所述齿轮减速器由电机驱动。基于电机的驱动，通过螺纹杆及丝杠座的往复运动带动活塞杆在活塞缸中做往复的伸缩运动，基于活塞缸的容积大小调节进而实现与所连接的水下机器人的浮力调节。所述蜗轮、蜗杆轴为活塞式浮力调节部的驱动装置部分，利用蜗轮蜗杆自锁特性，可使水下机器人零功耗维持浮力调节范围内的指定浮力。
12.进一步地，所述活塞缸的外部与艏部端盖的一端部之间通过螺栓进行连接，将艏部端盖安装于活塞缸的外部，进而将与艏部端盖相连接的水下机器人进行一体化安装。
13.进一步地，固定端板为活塞式浮力调节部的固定依托结构，所述的蜗轮、蜗杆轴、齿轮减速器和电机均安装于固定端板侧面上；所述的固定端板与艏部端盖之间采用多根均布的支撑杆连接。活塞式浮力调节部的各结构组成活动式连接，便于活塞杆的往复直线运动过程中形成一体化稳定支护结构。
14.进一步地，所述活塞缸与艏部端盖之间的接口处为静密封。
15.进一步地，所述活塞杆与活塞缸之间滑动配合接触处为动密封。
16.进一步地，所述丝杠座内部装有滚珠并与螺纹杆形成滚珠丝杠，通过滚珠丝杠的往复运动带动活塞杆在活塞缸中做往复的伸缩运动，进而调节活塞缸的容积大小，进而实现水下机器人的浮力调节。
17.进一步地，所述螺纹杆通过角接触球轴承、固定端板与蜗轮连接。
18.进一步地，所述蜗轮与螺纹杆的轴端为过盈配合并通过螺母紧固。
19.进一步地，所述蜗杆轴的端部设有角接触球轴承，所述蜗杆轴的轴向通过轴套固
定；所述的蜗杆轴通过轴承座固定在固定端板外侧。
20.进一步地，所述电机通过电机座固定在固定端板的内侧。所述的齿轮减速器或者为行星齿轮减速器。
21.本发明具有以下有益效果及优点：
22.1)本发明通过电机-齿轮减速器-蜗杆-涡轮-滚珠丝杠-活塞杆驱动，完成活塞杆在活塞缸内的往复运动，实现浅水区域小海水压力、低浮力调节量等要求下的浮力调节。
23.2)本发明采用电机驱动替代传统液压驱动，避免液压油泄漏，便于安装和维护。在浅水域工作过程中对海水压力、浮力调节量等要求不高的海洋环境中，能够有效降低成本，同时规避传统液压驱动基于机械摩擦损失、压力损失和泄漏损失造成的液压传动能量损失问题，采用电机加机械传动的方式兼具一定性价比和满足一定功率的工况要求。
24.3)本发明驱动装置部分采用蜗轮蜗杆传动，利用蜗轮蜗杆自锁的特性，可使水下机器人零功耗维持指定浮力，整体控制方式比较灵活，对于不需要精度控制场景下能够满足工作需求。
25.4)本发明浮力调节装置结构传动稳定、操作简便，设计的各个构件尺寸小、体积紧凑，节省空间。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
27.图1为浮力调节装置整体示意图。
28.图2为活塞部分示意图。
29.图3为驱动部分示意图i。
30.图4为驱动部分示意图ii。
31.图中：1为活塞缸，2为艏部端盖，3为活塞杆，4为螺纹杆，5为丝杠座，6为支撑杆，7为固定端板，8为角接触球轴承，9为蜗轮，10为螺母，11为齿轮减速器小齿轮，12为第一紧定螺钉，13为第二紧定螺钉，14为齿轮减速器大齿轮，15为第三紧定螺钉，16为第一轴承座，17为角接触球轴承，18为第一轴套，19为蜗杆，20为第二轴套，21为角接触球轴承，22为第二轴承座，23为电机座，24为电机。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
33.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
34.本发明采用的技术方案为一种电驱动活塞式浮力调节装置，该装置采用电机替代传统液压驱动，避免传统液压驱动缺点。该装置适用于水下机器人浅水域工作过程中对海
水压力、浮力调节量等要求不高的海洋环境。
35.具体地，包括活塞缸1、艏部端盖2和活塞式浮力调节部；所述艏部端盖2安装于活塞缸1的外壳部，所述艏部端盖2用于与水下机器人进行连接；所述的活塞式浮力调节部包括活塞杆3、螺纹杆4、丝杠座5、蜗轮9、蜗杆轴19和齿轮减速器。所述活塞杆3的一端部与活塞缸1滑动配合，活塞杆3的另一端部与丝杠座5连接；所述丝杠座5与螺纹杆4相配合，所述螺纹杆4端部安装有蜗轮9，所述蜗轮9与蜗杆轴19相配合。蜗杆轴19与齿轮减速器连接，所述齿轮减速器由电机24驱动。
36.如图1所示为浮力调节装置整体示意图，本发明设计的一种电驱动活塞式浮力调节装置包括活塞缸1、艏部端盖2、活塞杆3、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆结构、固定端板7、减速齿轮组与电机23。艏部端盖2为整体装置的固定依托，可以作为水下机器人的耐压舱段密封安装在水下机器人上。固定端板7为驱动装置的固定依托，与艏部端盖2之间采用六根金属法兰支撑杆6进行连接，末端用螺栓进行固定。活塞杆3的塞头部与活塞缸1之间接触，采取动密封。活塞杆3的杆头端穿过活塞缸1，与丝杠座5通连接，同过螺栓进行固定；所述的活塞缸1的末端与艏部端盖2之间通过螺栓进行连接，在接口处进行静密封。
37.如图2所示为活塞部分示意图，丝杠座5安装在螺纹杆4上，内部装有滚珠形成滚珠丝杠，通过滚珠丝杠的往复运动带动活塞杆3在活塞缸1中做往复的伸缩运动，进而调节活塞缸1的容积大小，实现水下机器人的浮力调节。
38.如图3、4所示为驱动部分示意图，所述螺纹杆4一端与丝杠座5配合，另一端穿过角接触球轴承8与固定端板7并与蜗轮9连接。角接触球轴承8通过螺纹杆4的轴肩与固定端板7进行固定。蜗轮9与螺纹杆4的轴端过盈配合，且前端通过轴肩定位，末端通过螺母10进行紧固。齿轮减速器包括齿轮减速器大齿轮14与齿轮减速器小齿轮11；蜗轮9与下方蜗杆轴18接触啮合，构成蜗轮蜗杆结构。
39.蜗杆轴19穿过两端的第一角接触球轴承8与第二角接触球轴承17，轴向通过第一轴套18与第二轴套20进行固定，通过两端的第一轴承座16与第二轴承座22固定在固定端板7外侧。蜗杆轴19的末端与齿轮减速器大齿轮14配合，齿轮减速器小齿轮11通过第一紧定螺钉12固定。齿轮减速器大齿轮14与同侧齿轮减速器小齿轮11相啮合，构成齿轮减速器。电机24通过电机座23固定在固定端板7的另一侧，电机24的输出轴与齿轮减速器小齿轮11配合，齿轮减速器小齿轮11通过第二紧定螺钉13与第三紧定螺钉15固定，实现整个浮力调节装置的电机驱动。
40.所述的齿轮减速器可选用行星齿轮减速器。
41.实施例一
42.所述电机24由驱动器控制，驱动器接收驱动信号后，电机24的输出轴旋转，同时带动齿轮减速器旋转。齿轮减速器的齿轮减速器大齿轮14安装在蜗杆轴19端部，经由电机24的驱动带动蜗杆轴19旋转；所述蜗杆轴19与蜗轮9相啮合并带动蜗轮9旋转。所述蜗轮9与螺纹杆4之间为过盈配合，通过轴肩与末端的螺母10固定紧固。所述蜗轮9旋转带动螺纹杆4旋转。螺纹杆4旋转带动内部滚珠运动，进而带动丝杠座5做直线运动。所述丝杠座5安装于活塞杆3的端部，带动活塞杆3在活塞缸1中做伸长运动，活塞缸1的容积减小，完成减小浮力调节控制。
43.实施例二
44.所述电机24由驱动器控制，驱动器接收驱动信号后，电机24的输出轴旋转，同时带动齿轮减速器旋转。齿轮减速器的齿轮减速器大齿轮14安装在蜗杆轴19端部，经由电机24的驱动带动蜗杆轴19旋转；所述蜗杆轴19与蜗轮9相啮合并带动蜗轮9旋转。所述蜗轮9与螺纹杆4之间为过盈配合，通过轴肩与末端的螺母10固定紧固。所述蜗轮9旋转带动螺纹杆4旋转。螺纹杆4旋转带动内部滚珠运动，进而带动丝杠座5做直线运动。所述丝杠座5安装于活塞杆3的端部，带动活塞杆3在活塞缸1中做伸长运动，活塞缸1的容积增大，完成增大浮力调节控制。
45.本发明采用一系列机构传动来带动活塞杆在活塞缸中做直线往复运动，实现水下机器人的浮力调节。采用电机为驱动源，体积紧凑，节省空间，便于安装和维护。
46.以上所述，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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明保护范围之内。因此本发明的保护范围内所述以权利要求的保护范围为准。
技术特征：
1.一种电驱动活塞式浮力调节装置，包括活塞缸(1)；其特征在于，还包括艏部端盖(2)和活塞式浮力调节部；所述艏部端盖(2)安装于活塞缸(1)的外壳部，所述艏部端盖(2)用于与水下机器人进行连接；所述的活塞式浮力调节部包括活塞杆(3)、螺纹杆(4)、丝杠座(5)、蜗轮(9)、蜗杆轴(19)和齿轮减速器；所述活塞杆(3)的一端部与活塞缸(1)滑动配合，活塞杆(3)的另一端部与丝杠座(5)连接；所述丝杠座(5)与螺纹杆(4)相配合，所述螺纹杆(4)端部安装有蜗轮(9)，所述蜗轮(9)与蜗杆轴(19)相配合；蜗杆轴(19)与齿轮减速器连接，所述齿轮减速器由电机(24)驱动。2.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述活塞缸(1)与艏部端盖(2)之间通过螺栓进行连接。3.根据权利要求1或2所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述蜗轮(9)、蜗杆轴(19)、齿轮减速器和电机(24)均安装于固定端板(7)上；所述的固定端板(7)与艏部端盖(2)之间采用多根均布的支撑杆(6)连接。4.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述活塞缸(1)与艏部端盖(2)之间的接口处为静密封。5.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述活塞杆(3)与活塞缸(1)之间滑动配合接触处为动密封。6.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述丝杠座(5)内部装有滚珠并与螺纹杆(4)形成滚珠丝杠，通过滚珠丝杠的往复运动带动活塞杆(3)在活塞缸(1)中做往复的伸缩运动，进而调节活塞缸(1)的体积大小，进而实现水下机器人的浮力调节。7.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述螺纹杆(4)通过角接触球轴承(8)、固定端板(7)与蜗轮(9)连接。8.根据权利要求1、3或7所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述蜗轮(9)与螺纹杆(4)的轴端为过盈配合并通过螺母(10)紧固。9.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述蜗杆轴(19)的端部设有角接触球轴承，所述蜗杆轴(19)的轴向通过轴套固定；所述的蜗杆轴(19)通过轴承座固定在固定端板(7)外侧。10.根据权利要求1所述的一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，其特征在于：所述电机(24)通过电机座(23)固定在固定端板(7)的内侧。
技术总结
本发明公开了一种水下机器人用电驱动活塞式浮力调节装置，包括活塞缸、艏部端盖和活塞式浮力调节部；艏部端盖安装于活塞缸的外壳部，艏部端盖用于与水下机器人进行连接；活塞式浮力调节部中的活塞杆的一端与活塞缸滑动配合，另一端部与丝杠座连接；丝杠座与螺纹杆相配合，螺纹杆端部安装有蜗轮。蜗杆轴与齿轮减速器连接，齿轮减速器由电机驱动。通过螺纹杆及丝杠座的往复运动带动活塞杆在活塞缸中做往复的伸缩运动实现与所连接的水下机器人的浮力调节。利用蜗轮蜗杆自锁特性，可使水下机器人零功耗维持浮力调节范围内的指定浮力。本发明采用电机替代传统液压驱动，具有结构紧凑、操作简便、易于安装维护等特点。易于安装维护等特点。易于安装维护等特点。
