一种可远距离巡航和水下交互作业的可重构水下潜航器

本发明涉及水下潜航器，尤其涉及一种可远距离巡航和水下交互作业的可重构水下潜航器。

背景技术：

1、随着海洋开发的不断推进，水下交互作业的需求日渐旺盛，例如：水下矿产取样、水下生物资源取样、水下结构物检修等。水下交互作业通常需要水下潜航器来执行，而水下潜航器主要分为自治潜航器(auv)和遥控潜航器(rov)两种。传统auv虽然可以根据自身携带的传感器自治导航实现远距离巡航并执行探测任务，但不具备水下交互作业能力。传统rov虽然具有水下交互作业能力，但为了在执行作业任务时具有较高的水动力学稳定性，其外形通常为非流线型导致缺乏远距离巡航能力。因此，rov通常由带有动力定位功能的专用水面船舶携带至指定海域布放并伴随作业同时提供电能，使用成本高昂。低成本水下交互作业是未来水下潜航器的一个发展趋势，这就要求水下潜航器一方面具有远距离巡航能力可从岸基平台驶至指定作业海域，另一方面具有较高的水动力学稳定性保持可靠作业姿态。近年来，随着电池能量密度的逐渐提高和水下潜航器自治能力的逐渐增强，陆续出现了利用auv自治执行短距离轻型水下作业任务的尝试。2021年，日本川崎重工成功研制了世界上第一台带有机械臂的spice型auv，可自治执行水下管道检修任务。然而，spice由于只将机械臂简单绑定于auv的底侧，一方面巡航阻力较大使得无法长距离巡航，另一方面由于其重心与浮心距离较近导致水下交互作业时潜航器的姿态不稳定。

2、因此，亟需解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可远距离巡航和水下交互作业的可重构水下潜航器，通过采用可重构的结构，水下潜航器可以同时适应远距离水下巡航和水下交互作业的双重要求，解决了传统自治潜航器(auv)只能执行探测任务而不能执行水下交互作业任务、传统遥控潜航器(rov)依赖具有动力定位功能的昂贵专用水面支持船舶的难题。

2、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可远距离巡航和水下交互作业的可重构水下潜航器，包括作业舱、通过连接杆与作业舱相连的两个浮力舱以及位于浮力舱和连接杆内且用于驱动连接杆转动实现水下潜航器工作模式转换的折叠机构，水下潜航器工作模式包括展开模式和折叠模式，其中展开模式时两个浮力舱沿作业舱的轴向方向展开至作业舱的两侧，两个浮力舱和作业舱呈串联状态，折叠模式时两个浮力舱以一定夹角折叠于作业舱的上方，两个浮力舱并联状态。

3、其中，浮力舱包括浮力舱壳体、位于浮力舱壳体内的浮力舱壳体支撑结构、位于艏侧或艉侧的螺旋桨、位于浮力舱壳体内且用于驱动螺旋桨转动的螺旋桨驱动电机以及沿轴向方向对称设置于浮力舱壳体上的两个槽道推进器；所述浮力舱壳体支撑结构包括沿浮力舱依次设置的艏侧支撑环、舯侧支撑环和艉侧支撑环。

4、优选的，作业舱包括作业舱壳体、位于作业舱壳体内的作业舱壳体支撑结构、位于作业舱壳体内且用于锁紧连接杆的艉侧连接杆锁紧机构、与作业舱壳体相连的机械臂、位于作业舱壳体下方缺口处的机械臂整流罩、用于驱动机械臂整流罩启闭的机械臂整流罩开合机构以及位于作业舱壳体内且用于为水下潜航器供电的动力电池。

5、再者，作业舱壳体支撑结构包括有沿作业舱壳体轴线对称分布且方向相反的两个作业舱支撑环，每个作业舱支撑环上分别设置艏侧连接杆安装座和艉侧连接杆安装座。

6、进一步，艉侧连接杆锁紧机构包括固定于艉侧连接杆安装座上的锁紧电动推杆以及锁紧抓钩，该锁紧抓钩的一端呈抓钩状，锁紧抓钩的一端设置滑动沟槽并与锁紧电动推杆输出轴上的安装轴滑动连接，锁紧抓钩的中间处与艉侧连接杆安装座相铰接。

7、优选的，机械臂整流罩开合机构包括位于作业舱横截面处的安装板、位于安装板上的开合驱动电机、与开合驱动电机输出轴相连的蜗杆、与蜗杆相啮合的涡轮、与涡轮相固连的连杆、套设在连杆上的滑块、设置在连杆上的齿条、穿设在滑块上且与齿条相啮合的小齿轮、穿设在滑块上且与小齿轮相啮合的大齿轮、与大齿轮同轴设置的凸轮以及与滑块相连且可在凸轮的滑槽内滑动的机械臂整流罩支架，所述滑块两侧设置有突出的圆柱，内侧圆柱用于在安装板上的滑槽内滑动，外侧圆柱用于作为机械臂整流罩支架的旋转轴与机械臂整流罩支架相连。

8、再者，连接杆包括艏侧连接杆和艉侧连接杆，艏侧连接杆包括艏侧连接杆本体、艏侧连接杆近端轴和艏侧连接杆远端轴，艉侧连接杆包括艉侧连接杆本体和艉侧连接杆近端轴；处于展开模式时，艏侧连接杆和艉侧连接杆均平行于水下潜航器的轴线，艏侧连接杆连接作业舱与两侧浮力舱，艏侧连接杆和艉侧连接杆均被收纳至浮力舱内；处于折叠模式时，艏侧连接杆和艉侧连接杆均垂直于水下潜航器轴线，艏侧连接杆和艉侧连接杆均连接作业舱与浮力舱。

9、进一步，折叠机构包括折叠驱动电机、绳驱动机构和齿轮驱动机构，该折叠驱动电机通过绳驱动机构和齿轮驱动机构驱动艏侧连接杆近端轴、艏侧连接杆远端轴和艉侧连接杆近端轴运动。

10、优选的，绳驱动机构包括艏侧齿轮轴绳驱动机构、艏侧连接杆远端轴绳驱动机构和艉侧齿轮轴绳驱动机构，

11、艏侧齿轮轴绳驱动机构包括折叠总驱动线轮、艏侧过渡线轮、艏侧齿轮轴线轮和艏侧齿轮轴驱动绳，艏侧齿轮轴驱动绳分为两根，艏侧齿轮轴驱动绳的始端均固定在折叠总驱动线轮上并沿相反的方向缠绕；两根艏侧齿轮轴驱动绳绕过艏侧过渡线轮，实现由轴向布线向径向布线的方向转变，两根艏侧齿轮轴驱动绳分别沿相反的方向缠绕在艏侧齿轮轴线轮并将其末端固定在艏侧齿轮轴线轮上，当折叠总驱动线轮旋转时，艏侧齿轮轴线轮做相反方向的同步旋转；

12、艏侧连接杆远端轴绳驱动机构包括艏侧齿轮轴、艏侧连接杆近端过渡大线轮、艏侧连接杆近端过渡小线轮、艏侧连接杆远端过渡小线轮、艏侧连接杆远端轴线轮、艏侧连接杆远端轴驱动绳，艏侧连接杆远端轴驱动绳分为两根，艏侧连接杆远端轴驱动绳始端均固定在艏侧齿轮轴上并沿相反的方向缠绕；两根艏侧连接杆远端轴驱动绳分别交叉绕过艏侧连接杆近端过渡大线轮和艏侧连接杆近端过渡小线轮，再平行绕过艏侧连接杆远端过渡小线轮；最后两根艏侧连接杆远端轴驱动绳沿相反的方向缠绕在艏侧连接杆远端轴线轮并将其末端固定在艏侧连接杆远端轴线轮上；当艏侧齿轮轴旋转时，艏侧连接杆远端轴线轮做相反方向的同步旋转；

13、艉侧齿轮轴绳驱动机构包括折叠总驱动线轮、艉侧过渡线轮、艉侧齿轮轴线轮、艉侧齿轮轴驱动绳，艉侧齿轮轴驱动绳分为两根，艉侧齿轮轴驱动绳的始端均固定在折叠总驱动线轮上并沿相反的方向缠绕，然后两根艉侧齿轮轴驱动绳绕过艉侧过渡线轮，实现由轴向布线向径向布线的方向转变；最后两根艉侧齿轮轴驱动绳分别沿相反的方向缠绕在艉侧齿轮轴线轮并将其末端固定在艉侧齿轮轴线轮上；当折叠总驱动线轮旋转时，艉侧齿轮轴线轮做相反方向的同步旋转。

14、再者，齿轮驱动机构包括艏侧连接杆近端轴齿轮驱动机构和艉侧连接杆近端轴齿轮驱动机构，

15、艏侧连接杆近端轴齿轮驱动机构包括与艏侧齿轮轴线轮同轴设置的艏侧齿轮轴以及与艏侧连接杆近端轴同轴设置且与艏侧齿轮轴相啮合的艏侧扇形齿轮，当艏侧齿轮轴线轮旋转时，经过艏侧齿轮轴和艏侧扇形齿轮的运动传递，艏侧连接杆近端轴作同步反向旋转，从而驱动艏侧连接杆相对于浮力舱旋转；

16、艉侧连接杆近端轴齿轮驱动机构包括与艉侧齿轮轴线轮同轴设置的艉侧齿轮轴以及与艉侧连接杆近端轴同轴设置且与艉侧齿轮轴相啮合的艉侧扇形齿轮，当艉侧齿轮轴线轮旋转时，经过艉侧齿轮轴和艉侧扇形齿轮的运动传递，艉侧连接杆近端轴作反向同步旋转，从而驱动艉侧连接杆相对于浮力舱旋转。

17、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明通过采用可重构的结构设计方法，水下潜航器可以同时适应远距离水下巡航和水下交互作业的双重结构要求，解决了现有自治潜航器(auv)只能执行探测任务而不能执行水下交互作业任务、传统遥控潜航器(rov)依赖具有动力定位功能的昂贵专用水面支持船舶的难题，使得利用水下潜航器执行低成本远距离水下交互作业任务成为可能。