本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种水下机器人双向浮力调节装置。
背景技术：
水下机器人作为人类探索海洋最重要的手段，被广泛应用于海洋水文和气象调查、海洋环境监测、海底地形探测和测绘、海洋资源勘探等水下作业任务中，水下机器人在大范围或者不同深度的海洋中航行时，由于海水密度的变化会导致其浮力发生变化，影响工作状态，所以需要对水下机器人的浮力进行调整。
目前现有水下机器人控制升降的方法主要有三种，第一种是通过改变自身的浮力来进行调节，通过高压气体来控制水下机器人的排水量，例如潜艇，这种方法的系统结构复杂；第二种是通过推进器的推力的改变来实现水下机器人的升沉运动，这种方法使水下机器人的运动更加灵活，但需要消耗较多的能源；第三种方法是通过抛载法来控制水下机器人的升降状态，但是这种方法是不可逆转的，使得装置只能进行一次沉浮。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，即为了实现水下机器人双向浮力调节装置结构复杂、可靠性差的问题，本发明提供了一种水下机器人双向浮力调节装置，包括安装于水下机器人密封壳体内部的驱动装置、双向齿轮泵、电磁阀和内油缸系统，以及安装于透水外壳内部的外油囊；
所述驱动装置的输出轴与所述双向齿轮泵输入轴连接，且所述驱动装置、所述双向齿轮泵均装设于油泵连接法兰；
所述双向齿轮泵的第一油口与所述内油缸系统连接，所述双向齿轮泵的第二油口通过电磁阀与所述外油囊连接；
所述内油缸系统中的油可以在所述双向齿轮泵正转且所述电磁阀通电时进入所述外油囊；所述外油囊中的油可以在所述双向齿轮泵反转且所述电磁阀通电时经电磁阀进入所述内油缸系统。
在一些优选实施例中，所述内油缸系统包括油缸和非接触式测量装置，所述非接触式测量装置设置于所述油缸顶部，并用于测量所述油缸内油面高度变化。
在一些优选实施例中，所述油缸内设置有活塞，所述活塞在动力机构驱动下沿所述油缸的轴线方向可往复滑动。
在一些优选实施例中，所述活塞上开设有排气通孔，所述排气通孔安装有排气阀。
在一些优选实施例中，所述内油缸系统还包括限位装置，并用于限制所述活塞远离所述油缸油口时的运动位置；
所述限位装置包括油缸止块和限位开关，所述油缸止块设置于所述活塞的上侧；所述限位开关设置于所述油缸的顶部。
在一些优选实施例中，所述非接触式测量装置为激光测距传感器，并用于测量所述活塞的运动位移。
在一些优选实施例中，所述电磁阀为两位两通常闭式电磁阀。
在一些优选实施例中，所述油缸为圆柱形壳体，材料为铝合金。
在一些优选实施例中，所述驱动装置为直流电机；
所述直流电机与所述双向齿轮泵之间通过弹性联轴器连接，并竖直设置于所述内油缸系统的一侧，且与所述油缸平行设置；
所述双向齿轮泵为高压齿轮泵。
在一些优选实施例中，所述透水外壳为流线型；所述透水外壳与水下机器人密封壳体连接；
所述透水外壳上开设有通孔，所述通孔为多个，多个所述通孔均匀设置于所述透水外壳外侧。
本发明的有益效果为：
1)本发明由直流伺服电机通过联轴器直接驱动一个双向齿轮泵，通过双向齿轮泵的正、反转实现外油囊的扩张或收缩，进而增加或减少水下机器人的浮力，整个装置结构简单，稳定可靠、机械效率高。
2)本发明只使用了一个二位二通的电磁阀，而且各个部件的油路简短，整体结构紧凑，空间利用率高。
3)本发明利用激光测距传感器通过非接触的测量方式准确得到形状规则的圆柱体油缸内活塞的运动位置，进而准确得到油液体积的变化，实现水下机器人浮力的精确调节。
4)本发明结构简单，实用性强，便于推广使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的水下机器人双向浮力调节装置的整体立体结构示意图；
图2是本发明中的内油缸系统的结构示意图；
图3是本发明的液压原理图。
附图标记说明：1、直流电机；2、双向齿轮泵；3、电磁阀；4、内油缸系统；5、外油囊；6、透水外壳；7、油泵连接法兰；8、油泵电机支架；9、角撑；10、联轴器；11、油泵接头；12、液压软管；13、通油管路；14、管路接头；15、油囊接头；16、油缸；17、油缸下端盖；18、活塞；19；排气阀；20、油缸止块；21、限位开关安装支架；22、限位开关；23、激光传感器安装支架；24、激光测距传感器；25、油缸托架；26、油缸卡箍。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种水下机器人双向浮力调节装置，包括安装于水下机器人密封壳体内部的驱动装置、双向齿轮泵、电磁阀和内油缸系统，以及安装于透水外壳内部的外油囊；透水外壳与密封壳体连接，通过设置于密封壳体内的内油缸系统与设置于透水外壳内的外油囊实现油缸内液压油的流动；驱动装置的输出轴与双向齿轮泵输入轴连接，且驱动装置、双向齿轮泵均装设于油泵连接法兰，在本发明中，驱动装置通过联轴器直接驱动双向齿轮泵，结构简单，减少机械磨损效率；双向齿轮泵的第一油口与内油缸系统连接，双向齿轮泵的第二油口通过电磁阀与外油囊连接。
当水下机器人需要增加浮力时，电磁阀通电，油路导通，驱动装置驱动双向齿轮泵正转，即顺时针转动，此时，双向齿轮泵通过第一油口从内油缸系统中吸油，内油缸系统中的液压油通过第二油口、电磁阀流入外油囊中，使设置于透水外壳中的外油囊体积增大，从而增大水下机器人的排水量，增加水下机器人的浮力。
当水下机器人需要减少浮力时，电磁阀通电，油路导通，驱动装置驱动双向齿轮泵反转，即逆时针转动，此时，双向齿轮泵通过第二油口从外油囊中吸油，外油囊中的液压油通过电磁阀、第二油口、第一油口流入内油缸系统中，使设置于透水外壳中的外油囊体积减小，从而减少水下机器人的排水量，减少水下机器人的浮力。
以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
参照附图1，本发明提供了一种水下机器人双向浮力调节装置，包括直流电机1、双向齿轮泵2、电磁阀3、内油缸系统4、外油囊5、透水外壳6，其中：直流电机1、双向齿轮泵2、电磁阀3、内油缸系统4均安装于水下机器人密封壳(图中未示出)内部，外油囊5安装于透水外壳6内，透水外壳6与水下机器人密封壳体连接；直流电机1通过油泵连接法兰7、油泵电机支架8和角撑9固定于水下机器人密封壳内，直流电机1的输出轴通过联轴器10与双向齿轮泵2的输入轴相连，双向齿轮泵2安装于油泵连接法兰7上；双向齿轮泵2包括两个油口，第一油口通过油泵接头11和液压软管12与内油缸系统4连接，第二油口通过油泵接头11和通油管路13连接电磁阀3，电磁阀3安装于油泵连接法兰7上，电磁阀3出口依次通过管路接头14、液压管、油囊接头15与外油囊5连接；在无需进行水下机器人浮力调节时，液压油容纳于油缸中，提高该浮力调节装置在水下不同深度的抗压力。
进一步地，当水下机器人需要增加浮力时，即需要增大外油囊5的体积时，电磁阀3通电，油路导通，直流电机1通过联轴器10驱动双向齿轮泵2顺时针转动从内油缸系统4中吸油，此时，内油缸系统中的液压油通过液压软管12、油泵接头11及第一油口进入双向齿轮泵2中，再通过第二油口、通油管路13进入电磁阀3，然后再通过管路接头14、液压管、油囊接头15进入外油囊2中，实现外油囊体积增大，增大水下机器人的排水量，增加水下机器人的浮力。
当水下机器人需要减少浮力时，即需要减小外油囊5的体积时，电磁阀3通电，油路导通，直流电机1通过联轴器10驱动双向齿轮泵2逆时针转动从外油囊2中吸油，此时，外油囊中的液压油通过油囊接头15、液压管、管路接头14进入电磁阀3，然后再通过通油管路13、第二油口进入双向齿轮泵2中，再通过第一油口、油泵接头11、液压软管12进入内油缸系统4中，实现外油囊体积减小，减少水下机器人的排水量，减少水下机器人的浮力。
参照附图2，图示为内油缸系统4的结构示意图，包括用于容纳液压油的油缸16和设置于油缸底部的油缸下端盖17，其中，在油缸下端盖17上设有密封槽，用于安装密封圈，防止油缸内的液压油泄露。油缸内部设置有可上下滑动的活塞18，活塞18上设有密封槽和导向槽，用于安装密封圈和导向环，在活塞18上下运动过程中起到密封和导向的作用；活塞上开设有排气通孔，排气阀19装设于该排气通孔。油缸16的顶部安装有油缸止块20，用于对活塞18的硬保护；油缸止块20通过限位开关安装支架21固定限位开关22，限位开关22用于油缸活塞18的软保护；激光传感器安装支架23固定在限位开关安装支架21上，激光测距传感器24固定在激光传感器安装支架23上，用于油缸活塞位移的测量，整个油缸系统通过油缸托架25和油缸卡箍26固定于水下机器人密封壳内。
进一步地，直流电机1与双向齿轮泵2之间通过弹性联轴器10相连，直流电机与双向齿轮泵竖直设置于油缸的一侧，且与油缸平行设置；双向齿轮泵2为高压齿轮泵；本实例直流电机1选用maxon直流电机，型号为re40；双向齿轮泵购置于意大利vivolo公司，型号为xv-or-0.17。
进一步地，电磁阀3为两位两通常闭式电磁阀，通电时，阀门打开油路导通；断电时，阀门关闭油路断开。
进一步地，内油缸16为圆柱形壳体，材料为铝合金。
进一步地，激光测距传感器24可以通过非接触的测量方式准确得到油缸活塞18的运动位置，进而准确得到油液体积的变化，实现水下机器人浮力的精确调节，通过激光测距传感器可以实时获取油缸中的油量信息，极大的提高浮力调节精度，并消除了累计误差；本实例中激光测距传感器的型号为klh-01t-20hz。
进一步地，透水外壳6形状为流线型，透水外壳6上开有一系列通孔，使得水能够与透水外壳6内的外油囊5接触，本实例中外油囊为软体油囊，采用的tpu聚氨酯聚酯型材料。
进一步地，通过直流电机、电磁阀、双向齿轮泵及油缸竖直设置，且各个部件之间平行设置，使本发明更加结构紧凑，本装置更加小巧简单，节约空间，同时又能实现水下机器人的双向浮力调节。
参照附图1、2的同时参照附图3，当水下机器人需要增加浮力时，控制电磁阀通电，油路导通，同时控制直流电机顺时针转动，通过联轴器带动双向齿轮泵顺时针旋转，此时，双向齿轮泵从油缸吸油，经过电磁阀、液压软管和油囊接头进入外油囊，使外油囊的体积增大，从而增大水下机器人的排水量，增加水下机器人的浮力。同时，由于油缸内的液压油不断被吸出，油缸内部的活塞将会向下移动，激光测距传感器实时获取活塞的位置，当活塞运动到特定位置时，直流电机停止工作，然后关闭电磁阀。
当水下机器人需要减少浮力时，控制电磁阀通电，油路导通，同时控制直流电机逆时针转动，通过弹性联轴器带动双向齿轮泵逆时针旋转，此时，双向齿轮泵从外油囊吸油，经过电磁阀、双向齿轮泵、液压软管和油缸接头进入油缸，使外油囊的体积减小，从而减小水下机器人的排水量，减少水下机器人的浮力。同样的，激光测距传感器实时获取活塞的位置，当活塞运动到特定位置时，直流电机停止工作，然后关闭电磁阀。
当水下机器人需要保持稳定的浮力时，使直流电机停止工作，同时关闭电磁阀，断开油路，使得外油囊内的液压油不会由于水压而回流到油缸中。
本发明利用改变体积的方式来改变水下机器人的浮力，这种控制方式的能耗非常小，有利于水下机器人长时间航行作业；通过本发明油缸-油囊式的浮力调节装置使得结构非常简单，只需要根据相关指令通过自适应系统控制模块对装置进行充油或抽油，成本低、可靠性好、易实现。根据油液体积守恒原则，通过测量圆柱体油缸中液压油的体积变化就是油囊的体积变化，在本发明中，采用非接触式测量装置进行测量，具体的，利用设置于活塞上方的激光测距传感器进行液位测量，将液位信号变换为相关的信号，通过激光测距传感器运用激光打在活塞平面上，接收反射回来的信号，根据激光往返的时间，计算出来相关距离，整个油缸的相对高度是己知的，用己知高度减掉精确测量出来的距离及活塞的高度就是液压油的实际高度，油缸的底面积是一定的，就可以推算出液压油的体积；通过本发明，大大降低现有技术中通过测量液面来获得油液体积的测量误差，且本发明提供的测量防范非接触、高效、成本低。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
1.一种水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，包括安装于水下机器人密封壳体内部的驱动装置、双向齿轮泵、电磁阀和内油缸系统，以及安装于透水外壳内部的外油囊；
所述驱动装置的输出轴与所述双向齿轮泵输入轴连接，且所述驱动装置、所述双向齿轮泵均装设于油泵连接法兰；
所述双向齿轮泵的第一油口与所述内油缸系统连接，所述双向齿轮泵的第二油口通过电磁阀与所述外油囊连接；
所述内油缸系统中的油可以在所述双向齿轮泵正转且所述电磁阀通电时进入所述外油囊；所述外油囊中的油可以在所述双向齿轮泵反转且所述电磁阀通电时经电磁阀进入所述内油缸系统。
2.根据权利要求1所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述内油缸系统包括油缸和非接触式测量装置，所述非接触式测量装置设置于所述油缸顶部，并用于测量所述油缸内油面高度变化。
3.根据权利要求2所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述油缸内设置有活塞，所述活塞在动力机构驱动下沿所述油缸的轴线方向可往复滑动。
4.根据权利要求3所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述活塞上开设有排气通孔，所述排气通孔安装有排气阀。
5.根据权利要求4所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述内油缸系统还包括限位装置，并用于限制所述活塞远离所述油缸油口时的运动位置；
所述限位装置包括油缸止块和限位开关，所述油缸止块设置于所述活塞的上侧；所述限位开关设置于所述油缸的顶部。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述非接触式测量装置为激光测距传感器，并用于测量所述活塞的运动位移。
7.根据权利要求1所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述电磁阀为两位两通常闭式电磁阀。
8.根据权利要求2所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述油缸为圆柱形壳体，材料为铝合金。
9.根据权利要求8所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述驱动装置为直流电机；
所述直流电机与所述双向齿轮泵之间通过弹性联轴器连接，并竖直设置于所述内油缸系统的一侧，且与所述油缸平行设置；
所述双向齿轮泵为高压齿轮泵。
10.根据权利要求1所述的水下机器人双向浮力调节装置，其特征在于，所述透水外壳为流线型；所述透水外壳与水下机器人密封壳体连接；
所述透水外壳上开设有通孔，所述通孔为多个，多个所述通孔均匀设置于所述透水外壳外侧。
技术总结