深海小包络的可重复捕获仿生机构

本发明涉及深海小包络的可重复捕获仿生机构设计，应用于水下对接锁紧技术研究领域。

背景技术：

1、自主式无人水下航行器工作范围大，机动性良好。在水下工作时，需要进行布放和回收，这就涉及到水下对接技术。当水下环境恶劣时，布放和回收工作将变得更加困难，水下对接作业将变得更加复杂。水下对接技术是提高自主式无人水下航行器续航能力的关键性技术。

2、传统的续航方式是通过起吊装置回收到水面平台，从而进行能量补给，这样的过程不仅打断了航行器作业的连贯性，而且回收过程复杂，效率较低。可重复水下对接技术能够直接在水下完成能源补充，且可重复水下对接技术能够延长航行器在水下的工作时间，增强整体的工作性能。

技术实现思路

1、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，提供一种深海小包络的可重复捕获仿生机构，本发明针对水下对接作业，可进行可重复捕获，具备可重复捕获-拉回-锁紧的功能，内部结构紧凑，能够为水下对接作业提供助力。

2、为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种深海小包络的可重复捕获仿生机构，包括基于丝杆螺母组件的升降台驱动装置、基于连杆机构的被动端锁定装置、飞舌装置；

4、所述基于丝杆螺母组件的升降台驱动装置包括主动端包络内部的升降台，通过驱动电机带动升降台进行直线升降运动；驱动电机通过电机支架安装在底盘上，将丝杠固定在电机输出轴上，与丝杠配合的螺母安装在升降台下端，通过丝杠的转动带动升降台的直线运动；

5、所述基于连杆机构的被动端锁定装置包括主动端锁钩装置，主动端锁钩装置相隔120度均布在外包络上，其中锁钩的上端通过转轴固定在外包络上；安装支架通过螺栓固定在外包络上，下端与底盘接触；当主动端锁钩装置处于解锁状态时，中间连杆将锁钩压在内部；此时弹簧保留了一定了压缩量；锁钩被中间连杆顶住，而无法转动，使整个锁钩装置处于稳定的解锁状态，被动端与主动端处于能够分离的状态；

6、所述飞舌装置包括飞舌、磁铁、磁铁压紧环以及电接口母端，压紧环将磁铁固定在飞舌上；电接口母端安装在飞舌正中间，电接口母端的端面与飞舌的端面平齐；飞舌释放后，电接口会同时跟随飞舌一起飞出；飞舌下端通过凯夫拉线与升降台上的弹簧端盖连接，保证凯夫拉线能够尽量处于拉直状态，防止出现干涉其他机构部件运作的情况；当升降台下降时，飞舌被拉回直至被拉紧；当升降台上升时，凯夫拉线上的拉力逐渐减小至0。

7、优选地，被动端下方同样通过磁铁压紧环固定一环形磁铁；电接口的子端安装在被动端的正中央，且电接口子端的端面高于被动端的下端面；侧面每隔120度设置被动端锁钩组件；当飞舌被释放后，通过环形磁铁的磁力，捕获到被动端并吸合形成弱连接；吸合过程中，飞舌被被动端的三锁钩锁定，并且电接口的母端与子端也顺利接合，实现电源通电；然后驱动主动端的升降台下降，将被动端拉回后，就能实现被动端的捕获拉回功能并连通电接口。

8、优选地，对飞舌施加的压紧力在飞舌上均匀分布，在包络内部的侧方位上安装飞舌锁定的驱动，利用飞舌锁定装置，实现飞舌拉回后的锁紧。

9、优选地，飞舌锁定装置包括锁定环、环形支架以及蜗轮蜗杆驱动装置；

10、其中，锁定环包括长环、短环以及连接长环与短环的螺栓；

11、其中，长环与短环从侧向插入环型支架的外壁凹槽中，然后通过螺栓连接固定，限制锁定环的轴向移动；

12、环型支架通过两个l型支架固定在外包络的内壁上；

13、蜗轮蜗杆驱动装置包括电机支架、输出轴垂直的蜗轮蜗杆电机以及拨杆；电机支架将蜗轮蜗杆电机固定在外包络的内壁上，使包络内部结构紧凑；拨杆安装在电机的输出轴上，通过电机的正反转实现拨杆的左拨与右拨；拨杆左拨实现锁定环的解锁功能，拨杆右拨实现锁定环的锁定功能。

14、优选地，环型支架凹槽的下接触面上设置了斜度，用于填充润滑脂，防止锁定环在转动时出现卡滞；环型支架除了通过l型支架固定在外包络内壁以外，下方还进行辅助支撑；通过轴承外圈与环型支架接触，下方的丝杠与轴承内圈接触，实现在中心位置上的支撑。

15、优选地，飞舌采用光敏树脂材料制成。

16、优选地，在升降台上设置三根顶杆，当升降台上升时，首先拉动主动端锁钩进行解锁；被动端的锁钩在外侧设置一斜杆；在升降台持续上升的过程中，升降台上的顶杆顶住被动端锁钩上的斜杆，将被动端与飞舌解锁，并且克服飞舌端与被动端的磁力后，将被动端顶开，实现主被动端的分离。

17、优选地，机构具有捕获功能，主动端与被动端在一定范围内能够完成大容差的捕获，实现弱连接；机构具有拉紧功能，在完成捕获后，通过主动端包络内的驱动组件拉紧被动端，完成拉回；机构具有锁定功能，在主动端拉回被动端后，通过锁紧组件完成主被动端的刚性连接；机构具有刚性保持功能，在完成连接后，具备长期的高刚性保持能力。机构的捕获-拉回-锁紧功能是可重复的，在遇到突发状况时，满足自动解锁分离功能的机构能够实现解锁、再接合的功能，提高对接过程的容错率。

18、本发明所设计的小包络可重复捕获仿生机构，具备±2cm级别的大容差，包络直径不超过120mm，内部拉回功能的驱动力能达到50n。本发明采用如下方法：

19、a.基于丝杆螺母组件的升降台驱动方法

20、主动端包络内部的升降台需要添加一驱动，带动升降台进行直线升降运动，且驱动力的大小至少需要在50n左右。内部包络尺寸较小，且主动端三锁钩占去了大部分的底盘面积，因此所选的驱动电机在体积上不宜过大，且在高度上需要保证升降台的上下行程不被影响。

21、于是选用n20蜗轮蜗杆微型直流减速电机。该驱动电机的输出轴与机身垂直，所以不会影响到升降台上下移动的行程。安装时，将输出轴对准在底盘的正中心，电机通过电机支架安装在底盘上。电机的输出轴为d字型，因此在t10丝杠的底部加工一圆孔，然后在侧面打入一颗紧定螺钉，将t10丝杠固定在电机输出轴上。与丝杠配合的螺母安装在升降台下端，通过丝杠的转动带动升降台的直线运动。其中，梯形螺纹的螺纹牙弯曲强度校核

22、

23、

24、其中，σs为材料的屈服极限，ns为安全系数取2.5；d为螺纹的公称直径，b为螺纹根部宽度，h为螺纹牙工作高度，z为有效连接螺纹数。螺纹牙的剪切强度校核为

25、

26、[τ]＝0.6[σ]

27、丝杠工作时收到拉力和扭矩的作用，根据第四强度理论，螺纹部分强度条件为

28、

29、校验该蜗轮蜗杆驱动电机的轴向推力是否满足要求。计算式如下：

30、

31、其中，ta为驱动扭矩，单位kgfmm；fa为轴向负载，单位为n；i为丝杠导程，单位mm；n1为进给丝杠的正效率，一般为0.96。已知本设计中选用的n20蜗轮蜗杆微型直流减速电机ta＝32.56kgfmm，升降台的行程为44mm。这里保留了两种丝杠的设计方案。

32、当丝杠导程取i＝4mm时，

33、

34、计算可得此时的轴向推力为49.1n，推力基本达到设计要求。升降台的移动时间计算式如下：

35、

36、其中，t为升降台的移动时间，单位为秒；l为升降台的行程，单位为mm；n为驱动电机的转速，单位为转每分钟。因此当丝杠导程取i＝4mm时，升降台的移动时间为24.4秒。

37、当丝杠导程取i＝2mm时，轴向推力为98.1n，是最小推力要求的两倍。但同时升降台的移动时间为48.8秒，相对较慢。两种方案各有优缺点，将根据实际测试情况确定最终的选择。

38、b.基于连杆机构的被动端锁定方法

39、设计主动端锁钩装置，相隔120度均布在外包络上。其中锁钩的上端通过转轴固定在外包络上；安装支架通过螺栓固定在外包络上，下端与底盘接触。如图所示，当主动端锁钩装置处于解锁状态时，中间连杆将锁钩压在内部。此时弹簧b保留了一定了压缩量。锁钩被中间连杆顶住，而无法转动，因此整个锁钩装置处于稳定的解锁状态，被动端与主动端处于能够分离的状态。锁钩锁定状态的实现原理如下：当升降台向下运动到最末位置时，升降台下端的梯形螺母与压杆接触，将压杆向下压动后，压杆的另一端抬起，弹簧b预先设置了压缩量，其压缩量与弹簧力的关系如下：

40、f＝-kx

41、其中，k为弹性系数，x为形变量。在压杆被抬起后，压缩量释放，将锁钩的下端向外顶出，锁钩围绕着上端的转轴转动。于是锁钩上端向内锁紧，将被动端锁定在主动端的外包络上。此时弹簧a保留变形量向下压动压杆，将锁钩向外挤压，且弹簧b仍然保留了一定的形变量，因此能够为锁钩压紧提供一定的压紧力。

42、c.基于磁吸飞舌的电接口连接方法

43、飞舌装置上包括飞舌、磁铁、磁铁压紧环以及电接口母端。压紧环厚度为0.5mm，将磁铁固定在飞舌上。电接口母端安装在飞舌正中间，电接口母端的端面与飞舌的端面平齐。飞舌释放后，电接口会同时跟随飞舌一起飞出。飞舌下端通过凯夫拉线与升降台上的弹簧端盖连接，保证凯夫拉线能够尽量处于拉直状态，防止出现干涉其他机构部件运作的情况。当升降台下降时，飞舌被拉回直至被拉紧；当升降台上升时，凯夫拉线上的拉力逐渐减小至0。

44、被动端下方同样通过0.5mm厚的磁铁压紧环固定一环形磁铁，环形磁铁的各项参数与飞舌上的磁铁一致。电接口的子端安装在被动端的正中央，且电接口子端的端面需要高于被动端的下端面。侧面每隔120度设置被动端锁钩组件。当飞舌被释放后，通过环形磁铁的磁力，捕获到被动端并吸合形成弱连接。吸合过程中，飞舌被被动端的三锁钩锁定，并且电接口的母端与子端也顺利接合，实现电源通电。然后驱动主动端的升降台下降，将被动端拉回后，就能实现被动端的捕获拉回功能并连通电接口。

45、d.非中心轴驱动的飞舌锁定装置设计方法

46、飞舌捕获拉回功能实现后，需要将飞舌锁定，防止飞舌轴向窜动。对飞舌施加的压紧力需要在飞舌上均匀分布，且因为中间位置留给了主动端升降台驱动的安装，所以需要在包络内部的侧方位上安装飞舌锁定的驱动。于是设计一飞舌锁定装置，实现飞舌拉回后的锁紧。

47、设计的飞舌锁定装置包括锁定环、环形支架以及蜗轮蜗杆驱动装置。其中，锁定环包括长环、短环以及连接长环与短环的螺栓。其中，长环与短环从侧向插入环型支架的外壁凹槽中，然后通过螺栓连接固定，限制锁定环的轴向移动。环型支架通过两个l型支架固定在外包络的内壁上。蜗轮蜗杆驱动装置包括电机支架、输出轴垂直的蜗轮蜗杆电机以及拨杆。电机支架将蜗轮蜗杆电机固定在外包络的内壁上，使包络内部结构紧凑。拨杆安装在电机的输出轴上，通过电机的正反转实现拨杆的左拨与右拨。拨杆左拨实现锁定环的解锁功能，拨杆右拨实现锁定环的锁定功能。

48、环型支架凹槽的下接触面上设置了斜度，用于填充润滑脂，防止锁定环在转动时出现卡滞。飞舌采用轻量化设计，采用光敏树脂材料，防止因为重量过大，在捕获过程中出现不可靠。环型支架除了通过l型支架固定在外包络内壁以外，下方还需要支撑。通过轴承外圈与环型支架接触，下方的t10丝杠与轴承内圈接触，实现在中心位置上的支撑。

49、为了避免锁紧机构在断电后出现锁定状态松脱的情况，基于蜗轮蜗杆的特性，选用断电自锁的蜗轮蜗杆电机，断电后依然保持原来的抱紧力。

50、e.主被动端自动解锁与分离方法

51、设计主动端锁钩的自动解锁功能，实现各运动步骤的可重复性，能够更灵活地应对一些对接过程中出现的问题。从主动端锁钩下端固定一凯夫拉线，通过弹簧b的安装孔，从压杆的凹槽中穿出，连接到升降台上。当升降台处于下降状态时，凯夫拉线处于放松状态，此时主动端锁钩将进入锁定状态，将被动端压紧在主动端的外包络上。当升降台处于上升状态时，凯夫拉线被拉紧，锁钩的下端被向内拉动，直至锁钩实现解锁。

52、在压杆的走线凹槽处设计一限位销，防止凯夫拉线在未被拉紧的时候脱离凹槽，影响其他部件的运动。压杆下端与线接触的地方设置为圆弧状，防止凯夫拉线被磨损，或是产生阻力。

53、被动端在被拉回后，主动端锁钩将被动端锁定在主动端外包络上，飞舌被锁紧，被动端的锁钩将被动端与飞舌锁定在一起。因此，被动端的分离除了要解除主动端锁钩的锁定，还需要解除被动端锁钩的锁定。

54、在升降台上设置三根顶杆，当升降台上升时，首先拉动主动端锁钩进行解锁。被动端的锁钩在外侧设置一斜杆。在升降台持续上升的过程中，升降台上的顶杆顶住被动端锁钩上的斜杆，将被动端与飞舌解锁，并且克服飞舌端与被动端的磁力后，将被动端顶开，实现主被动端的分离。

55、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：

56、1.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具备±2cm级别的大容差，包络直径不超过120mm，内部拉回功能的驱动力能达到50n。

57、2.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具有捕获功能，主动端与被动端在一定范围内能够完成大容差的捕获，实现弱连接；

58、3.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具有拉紧功能，在完成捕获后，通过主动端包络内的驱动组件拉紧被动端，完成拉回；

59、4.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具有锁定功能，在主动端拉回被动端后，通过锁紧组件完成主被动端的刚性连接；

60、5.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具有刚性保持功能，在完成连接后，具备长期的高刚性保持能力；

61、6.本发明设计的小包络可重复捕获仿生机构具有可重复捕获-拉回-锁紧功能，在遇到突发状况时，满足自动解锁分离功能的机构能够实现解锁、再接合的功能，提高对接过程的容错率。