阅读说明：本技术 水下沉浮系统及具有该系统的水下机器人 (Underwater sinking and floating system and underwater robot with same ) 是由 熊明磊 陈龙冬 刘召斌 刘海斌 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种水下沉浮系统,涉及水下作业技术领域,主要目的是提供一种可靠性较高的水下沉浮系统。该水下沉浮系统,能控制相关设备下降或上浮至水体中的不同高度,包括柔性囊、液压系统和蓄能装置,所述蓄能装置与所述柔性囊通过所述液压系统相连,其中所述柔性囊的至少一侧暴露在外界环境中,所述液压系统能带动流体在所述柔性囊和所述蓄能装置之间移动以改变所述柔性囊的体积。当流体在液压系统和柔性囊之间流动时,柔性囊的体积会受其内部流体含量的多少而产生相应变化,进而改变该装置所受到的浮力大小。当装置所受到的浮力产生变化时,相应的其在水体中的深度也会发生变化。本发明还提供了一种具有该设备的水下机器人。(The invention provides an underwater sinking and floating system, relates to the technical field of underwater operation, and mainly aims to provide an underwater sinking and floating system with high reliability. The underwater sinking and floating system can control related equipment to descend or float to different heights in a water body, and comprises a flexible bag, a hydraulic system and an energy storage device, wherein the energy storage device is connected with the flexible bag through the hydraulic system, at least one side of the flexible bag is exposed in the external environment, and the hydraulic system can drive fluid to move between the flexible bag and the energy storage device so as to change the volume of the flexible bag. When fluid flows between the hydraulic system and the flexible bag, the volume of the flexible bag is correspondingly changed by the content of the fluid in the flexible bag, and the buoyancy of the device is further changed. When the buoyancy to which the device is subjected changes, the depth of the device in the body of water changes accordingly. The invention also provides an underwater robot with the equipment.)

水下沉浮系统及具有该系统的水下机器人

技术领域

本发明涉及水下作业技术领域，尤其是涉及一种能够调节设备所处深度的水下沉浮系统具有该系统的水下机器人。

背景技术

水下仿生机器人作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下仿生机器人是从模仿鱼类游动开始的，从最初利用电机驱动机械系统模仿鱼类尾部的摆动实现推进，发展到现阶段采用新型仿生材料和新型仿生驱动方式实现推进。国内外科研机构研制出的多种水下仿生机器人已经可以模仿水下生物实现如快速启动，转弯等多种运动模式，但是，在推进速度、推进效率等方面难以与生物媲美，机动性和稳定性还存在不足，仿生材料尚未得到有效的运用，使得仿生水下机器人在水中的沉浮、减阻以及耐高压方面还有很大的进步空间，需要科研人员进一步研究优化。

目前水下机器人常用的沉浮装置多通过机械结构改变排水体积的方式来调节机器人受到的浮力，该装置在海水中的可靠性不高，容易出现腐蚀等情况，尤其是在深海环境中。因此，需要研发出一种非机械机构排水的浮力调节装置以增加设备的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供水下沉浮系统具有该系统的水下机器人，以解决现有技术中存在的水下机器人中的沉浮系统使用时可靠性不高的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种水下沉浮系统，能下降或上浮至水体中的不同高度，包括柔性囊、液压系统和蓄能装置，所述蓄能装置与所述柔性囊通过所述液压系统相连，其中所述柔性囊的至少一侧暴露在外界环境中，所述液压系统能带动流体在所述柔性囊和所述蓄能装置之间移动以改变所述柔性囊的体积。

当流体在液压系统和柔性囊之间流动时，柔性囊的体积会受其内部流体含量的多少而产生相应变化，进而改变该装置所受到的浮力大小。当装置所受到的浮力产生变化时，相应的其在水体中的深度也会发生变化。当需要下潜时，液压系统将柔性囊中的流体输送至蓄能装置内，排水量减少，设备快速下潜；当需要上浮时，液压系统将蓄能装置中的流体输送至柔性囊中，排水量增大，设备快速上浮；当需要悬停在某一深度的水体中时，只需要根据需要关闭液压系统即可。

在上述技术方案中，优选的，所述液压系统包括电机泵和控制阀组，其中所述电机泵为由电机驱动的液压泵，所述控制阀组包括能够调节流体流向的下沉阀组和上浮阀组，以及流向固定的单向控制阀，所述液压泵和所述单向控制阀连通所述柔性囊和所述蓄能装置；

所述下沉阀组包括第一换向阀和第二换向阀，所述上浮阀组包括第三换向阀和第四换向阀。

在上述技术方案中，优选的，所述蓄能装置和所述柔性囊之间存在至少两个支路，包括第一支路和第二支路。

在上述技术方案中，优选的，所述单向控制阀能控制流体由所述柔性囊方向流动至所述蓄能装置方向；

此时所述第一换向阀位于所述液压泵和所述柔性囊之间，所述第二换向阀位于所述液压泵和所述蓄能装置之间，所述第三换向阀和所述第四换向阀分别位于所述第一支路和所述第二支路；

启动所述液压泵并调节所述下沉阀组处于导通状态，所述上浮阀组处于常位，位于所述油囊内的流体依次经所述第一换向阀、所述液压泵、所述单向控制阀和所述第二换向阀流至所述蓄能装置内；

启动所述液压泵并调节所述下沉阀组处于常位，所述上浮阀组处于导通状态，位于所述蓄能装置内的流体依次流经所述第三换向阀、所述液压泵、所述单向控制阀和所述第四换向阀流至所述柔性囊内。

在上述技术方案中，优选的，所述单向控制阀能控制流体由所述蓄能装置方向流动至所述柔性囊方向；

此时所述第三换向阀位于所述液压泵和所述柔性囊之间，所述第四换向阀位于所述液压泵和所述蓄能装置之间，所述第一换向阀和所述第二换向阀分别位于所述第一支路和所述第二支路；

启动所述液压泵并调节所述下沉阀组处于常位，所述上浮阀组处于导通状态，位于所述蓄能装置内的流体依次流经所述第三换向阀、所述液压泵、所述单向控制阀和所述第四换向阀流至所述柔性囊内；

启动所述液压泵并调节所述下沉阀组处于导通状态，所述上浮阀组处于常位，位于所述油囊内的流体依次经所述第一换向阀、所述液压泵、所述单向控制阀和所述第二换向阀流至所述蓄能装置内。

通过上述结构设置可以实现流体在柔性囊和蓄能装置之间根据需要自由调节。

在上述技术方案中，优选的，所述第一支路和/或所述第二支路上还设置有节流阀、溢流阀、减压阀中的至少一种。

在上述技术方案中，优选的，所述液压系统包括分别连通所述柔性囊和所述蓄能装置的第一控制系统和第二控制系统，所述第一控制系统包括第一液压泵和第一单向阀，所述第二控制系统包括第二液压泵和第二单向阀，其中所述第一单向阀和第二单向阀内的流体流向相反。

在上述技术方案中，优选的，所述蓄能装置外侧设置有压力传感器。

在上述技术方案中，优选的，所述流体为液压油。

在上述技术方案中，优选的，所述蓄能装置与所述液压系统均位于一固定腔室内部，所述腔室的一端设置有供所述柔性囊伸出的孔，所述柔性囊通过调节相对于所述孔伸出的体积的大小来调节该水下沉浮系统的高度。

本发明还提供了一种水下机器人，包括上述任一项所述的水下沉浮系统。

与现有技术相比，本发明提供了一种水下浮沉系统及具有该系统的水下机器人，该水下浮沉系统包括柔性囊、液压系统和蓄能装置，通过改变位于柔性囊内的油液的含量(即设备的排水体积)来改变设备所受到的浮力，进而实现设备的上浮、悬停或者下潜。与传统的机械式驱动结构相比，该装置的结构相对简单，便于控制，且反应迅速，稳定程度高，对水下环境尤其是深海环境的适应性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明水下沉浮系统的一种实施方式示意图；

图2是本发明水下沉浮系统第二种实施方式示意图；

图3是本发明水下沉浮系统第三种实施方式示意图；

图4是本发明水下沉浮系统的整体结构示意图。

图中：1、柔性囊；2、蓄能装置；3、液压泵；4、控制阀组；41、单向控制阀；42、第一换向阀；43、第二换向阀；44、第三换向阀；45、第四换向阀；5、节流阀；6、第一控制系统；7、第二控制系统；8、压力传感器；9、腔室。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

本发明提供了一种水下沉浮系统以及带有该沉浮系统的水下机器人，该水下沉浮系统能够在水中上浮、悬停或下沉，包括柔性囊1、液压系统和蓄能装置2，其中蓄能装置2和柔性囊1通过液压系统相连，当液压系统工作时，可以根据需要调节位于柔性囊1和蓄能装置2中的流体的含量，进而改变柔性囊1的体积。柔性囊1的至少一个侧面是暴露在水体环境中的，因此当柔性囊1体积改变时会相应改变该沉浮系统所排出的水体的体积以实现对系统在水中的高度调节。

当流体在液压系统和柔性囊1之间流动时，柔性囊1的体积会受其内部流体含量的多少而产生相应变化，进而改变该装置所受到的浮力大小。当装置所受到的浮力产生变化时，相应的其在水体中的深度也会发生变化。当需要下潜时，液压系统将柔性囊1中的流体输送至蓄能装置2内，排水量减少，设备快速下潜；当需要上浮时，液压系统将蓄能装置2中的流体输送至柔性囊1中，排水量增大，设备快速上浮；当需要悬停在某一深度的水体中时，只需要根据需要关闭液压系统即可。

需要注意的是，上述所提到的柔性囊1可以是油囊、皮囊或者胶囊，等只要具有较好的韧性以及形变能力均可。

另外，上述所说的流体可以是气体或液体，如氮气、氩气等，优选为液压油。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的水下沉浮系统中的液压系统包括电机泵和控制阀组4，其中电机泵为由电机驱动的液压泵3，液压油可以在液压泵3的驱动下在柔性囊1和蓄能装置2之间移动。

控制阀组4可以根据需要分为上浮阀组、下沉阀组以及控制液体流动方向、防止液体反向流动或堆积在管道中的单向控制阀41。液压泵3和单向控制阀41连通柔性囊1和蓄能装置2。

为了保证液压油不会积存在液压系统内，作为可选地实施方式，设置上浮阀组和下沉阀组的数量均为两个且分别位于其相应的通路中靠近柔性囊1和蓄能装置2处。

具体的，下沉阀组包括第一换向阀42和第二换向阀43，上浮阀组包括第三换向阀44和第四换向阀45。

此时，由于单向控制阀41的存在，考虑到液压油需要在柔性囊1和蓄能装置2两者之间流动，设置蓄能装置2和柔性囊1之间除了由单向阀和液压泵3组成的主液体通路以外，还存在至少两个支路。当该支路的数量为二时，其分别为第一支路和第二支路。

单向控制阀41可以控制液体仅沿单一方向流动。

设置单向控制阀41能控制流体由柔性囊1方向流动至蓄能装置2方向时，此时第一换向阀42位于液压泵3和柔性囊1之间，第二换向阀43位于液压泵3和蓄能装置2之间，第三换向阀44和第四换向阀45分别位于第一支路和第二支路；上浮阀组和下沉阀组的具体安装位置如图1所示。

启动液压泵3并调节下沉阀组处于导通状态，上浮阀组处于常位，位于油囊内的流体依次经第一换向阀42、液压泵3、单向控制阀41和第二换向阀43流至蓄能装置2内，此时该水下沉浮系统快速下潜；启动液压泵3并调节下沉阀组处于常位，上浮阀组处于导通状态，位于蓄能装置2内的流体依次流经第三换向阀44、液压泵3、单向控制阀41和第四换向阀45流至柔性囊1内，此时该水下沉浮系统快速上浮。

当单向控制阀41控制油液的流向发生改变时，如实施例2所示。

实施例2：

本实施例2与实施例1的区别在于，单向控制阀41能控制流体由蓄能装置2方向流动至柔性囊1方向。

此时第三换向阀44位于液压泵3和柔性囊1之间，第四换向阀45位于液压泵3和蓄能装置2之间，第一换向阀42和第二换向阀43分别位于第一支路和第二支路；上浮阀组和下沉阀组的具体安装位置如图1所示。

启动液压泵3并调节下沉阀组处于常位，上浮阀组处于导通状态，位于蓄能装置2内的流体依次流经第三换向阀44、液压泵3、单向控制阀41和第四换向阀45流至柔性囊1内，此时该水下沉浮系统快速上浮；启动液压泵3并调节下沉阀组处于导通状态，上浮阀组处于常位，位于油囊内的流体依次经第一换向阀42、液压泵3、单向控制阀41和第二换向阀43流至蓄能装置2内，此时该水下沉浮系统快速下潜。

通过上述结构设置可以实现流体在柔性囊1和蓄能装置2之间根据需要自由调节。

为了进一步提高该装置的稳定性，作为可选地实施方式，可以在第一支路和/或第二支路上设置节流阀5、溢流阀、减压阀中的至少一种。

实施例3：

本实施例3与实施例1的区别在于，此时该水下沉浮系统中的液压系统与实施例1中的结构不同，如图3所示。

此时，该液压系统包括分别连通柔性囊1和蓄能装置2的第一控制系统6和第二控制系统7，第一控制系统6包括第一液压泵和第一单向阀，第二控制系统7包括第二液压泵和第二单向阀，其中第一单向阀和第二单向阀内的流体流向相反。

在使用时，可以通过控制第一控制系统6和第二控制系统7分别启动的方式来调节该水下沉浮系统在水体中的深度。

在上述所有的实施例中，为了保证安全，作为可选地实施方式，可以在蓄能装置2外侧设置压力传感器8。

作为可选地实施方式，蓄能装置2与液压系统均位于一固定腔室9内部，腔室9的一端设置有供柔性囊1伸出的孔，柔性囊1通过调节相对于孔伸出的体积的大小来调节该水下沉浮系统的高度。

考虑到该水下沉浮系统需要在水中进行上浮或者下沉处理，为了使其具有更好的效果，可以设置盛放有液压系统和蓄能装置2的腔室9为圆柱形结构，柔性囊1位于该圆柱形结构的上端或下端，如图4所示。当该水下沉浮系统启动时，该腔室9能够在柔性囊1的带动下相对于水体垂直的上下移动。

具体的，腔室9内部还设置有电池，该电池可以用于给液压泵3和各个阀组供电。

具体的，该腔室9可以由铝合金或其他具有类似性能的材料制成，其顶部或内部设置有用于与外界联系的无线电设备，该设备为现有技术。

本发明还提供了一种水下机器人，包括上述任一项的水下沉浮系统。

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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。