一种可锁紧框架式水下对接装置

技术领域

本发明涉及水下对接装置技术领域，尤其涉及一种可锁紧框架式水下对接装置。

背景技术

近年来，随着全球对海洋探测要求的不断提高，潜艇被广泛应用于水文观测、海洋监测、地质和生物调查等军事领域。但是由于潜艇在水下作业中需要消耗大量能源且自身所能携带的能源有限，每次潜艇能源耗尽前必须返回水面工作台进行能源补充，这极大限制了潜艇的海洋环境探测能力，同时循环往复的能源补充也消耗了大量人力、物力。因此如何解决潜艇的能源供给问题对潜艇的海洋探索有着十分重要的意义。目前，设置水下对接能源站为AUV提供水下能源支持是针对该问题的较好解决方案。

目前，大量相关领域的国内外研究学者正在研究和开发可以传输信息与能源的水下对接装置。但是纵观近代对接装置，都存在一定问题，缺少对接导向装置，水阻力太大，不能简单地实现对中和锁紧，开发成本大。因此如何研制一款具有一定导向能力、对接操作方便、适应水阻力、方便对中和锁紧的对接装置，是解决潜艇对接的关键问题。

现阶段国内外具有代表性的研究成果，可以将潜艇的对接装置分为三类：以绳索为对接目标的捕捉式对接方式，以圆锥导向罩为对接目标的包容式对接方式，以水中平台为对接目标的落座式对接方式。其中，以圆锥导向罩为对接目标的包容式对接方式应用最广，如中国科学院沈阳自动化研究所开发的探索者号，浙江大学开发的海豚二号，哈尔滨工程大学开发的海灵号均为以圆锥导向罩为对接目标的包容式对接方式。然而这些对接系统的固定方式比较单一，对中和锁紧方式都比较复杂，而且不够稳定，很少有企业会花费人力物力去对其进行研发工作，这导致潜艇的水下对接技术的定位研发力量相较薄弱，并缺乏一定的专业型技术人才，严重束缚了水下对接装置的使用寿命以及整体性能的提升。如今，随着潜艇广泛应用于水下对接技术的迅速发展，国内外各大水下仪器制造厂正不断追求更具可靠性、经济性及简便性的水下对接装置，这对水下对接装置的便捷性、稳定性、操作性有了更高的要求。传统的通过两个夹手固定潜艇的对接装置不在具有明显的竞争力，原有的产品市场和技术优势受到严重的威胁。因此设计一个容易固定、操纵简单、稳定性强的水下对接装置，对潜艇的发展有着至关重要的作用。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种可锁紧框架式水下对接装置，其解决了现有对接装置固定方式单一，对中和锁紧方式都比较复杂，而且不够稳定的问题，同时本发明框架式的结构也符合水动力学的结构特性。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种可锁紧框架式水下对接装置，包括锥形导向罩、对接框架、齿轮齿条对中机构、支撑台和对接爪，所述对接框架的一端与所述锥形导向罩连接，所述对接框架的另一端设置用于对接潜艇的对接爪；所述对接框架中部设置有支撑台，所述支撑台上设置有齿轮齿条对中机构，所述齿轮齿条对中机构与驱动机构连接，以固定所述潜艇。

进一步地，所述锥形导向罩的整体结构为锥形或弧形的条状框架，所述锥形导向罩的小直径端与所述对接框架固定。

进一步地，所述锥形导向罩包括多根圆形条部和多根长条部，多根圆形条部沿所述锥形导向罩的圆周方向设置，多根长条部沿所述锥形导向罩的法向方向设置；所述圆形条部用于将多根长条部固定。

进一步地，所述对接框架为开放式长方体框架，所述对接框架的一端面上开设有用于对接所述潜艇的通孔，且所述对接框架的一端面外侧固定锥形导向罩；所述对接框架的另一端面上开设有多个第一排水孔，且所述对接框架的另一端面内侧设置有对接爪；所述对接框架的一端面与另一端面之间通过长条杆连接，形成所述对接框架的侧面。

进一步地，所述齿轮齿条对中机构包括第一齿轮、第二齿轮、左齿条、中齿条、右齿条、左滑竿、中滑竿、右滑竿、上对中杆和下对中杆；所述左滑竿的内侧固定有左齿条，所述右滑竿的内侧固定有右齿条，所述中滑竿的两侧均固定有中齿条；所述第一齿轮与所述左齿条和所述中齿条啮合，所述第二齿轮与所述右齿轮和所述中齿轮啮合，且所述第一齿轮和所述第二齿轮均与所述驱动机构连接；所述左滑竿和所述右滑竿下部与下对中杆连接，所述左滑竿的外侧和所述右滑竿的外侧均分别与所述对接框架和所述支撑台连接；所述中滑竿的下端固定有上对中杆，且所述上对中杆的两端分别套设在所述左滑竿和所述右滑竿下部；通过所述驱动机构驱动所述第一齿轮和所述第二齿轮转动，进而带动所述中滑竿和所述上对中杆上下移动，通过所述上对中杆和所述下对中杆配合以紧固所述潜艇。

进一步地，所述上对中杆和所述下对中杆中间均为弧形，且所述弧形的弧度与所述潜艇外壳的弧度一致。

进一步地，所述支撑台包括一块横板和两块竖板，两块所述竖板均与所述对接框架的内侧面连接，两块所述竖板的上端通过所述横板连接；两块所述竖板上均开设有保证所述潜艇通过的圆孔和第二排水孔，所述横板上开设有用于安装所述齿轮齿条对中机构的安装孔。

进一步地，两块所述竖板的高度高于所述对接框架的高度，保证所述横板与所述对接框架之间有一定的间隙，以减小潜艇对接时的阻力。

进一步地，所述对接爪包括壳体、转轴、双臂销和内爪；所述内爪套设在所述转轴上，所述转轴的两端与所述壳体连接，所述双臂销与所述壳体滑动连接；所述双臂销上设有两个条状臂，两个条状臂之间的距离大于所述内爪的高度，以使所述内爪位于两个条状臂之间；所述内爪靠近所述双臂销的一端上部设有凹台；通过所述潜艇上的对接爪的内爪推动所述对接框架上的对接爪的内爪转动，使所述内爪上的凹台转动到两个条状臂之间，进而使两个条状臂下落，以对所述内爪定位。

进一步地，所述双臂销上设有凸键，所述壳体上设有与所述凸键匹配的凹槽，以防止所述双臂销转动。

本发明的有益效果是：

1、本发明可约束所有自由度的对接，对中和固定简单可靠，在顺利对接后可以进行能源补充和信息交换，解决了潜艇在水中工作低效、功能单一的问题；同时本发明还具有操作简便、工作思路清晰、方便配备辅助装置的优点。

2、本发明在水下无人潜艇的对接过程中具有快捷高效、稳定性强、适用性广的优点。

3、本发明的水下对接装置外型为框架式，可以有效减少对接过程的阻力，符合结构设计学的基本要求。

4、本发明的导向罩呈锥形，可以完美的进行轨迹引导，并且导向罩设置为框架状，符合了水下结构动力学的基本要求。

附图说明

图1为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置接入潜艇的整体结构示意图；

图3为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置的整体结构侧视图；

图4为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置的整体结构俯视图；

图5为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置的整体结构前视图；

图6为本发明一种可锁紧框架式水下对接装置的整体结构后视图；

图7为本发明的齿轮齿条对中机构初始状态示意图；

图8为本发明的齿轮齿条对中机构工作状态示意图；

图9为本发明的齿轮齿条对中机构的俯视图；

图10为本发明的对接爪始初状态示意图；

图11为本发明的对接爪工作状态示意图；

图12为本发明对接爪剖视图；

图13为本发明的两个对接爪对接的示意图；

图14为本发明的两个对接爪对接的俯视图。

图中：1、锥形导向罩；1A、圆形条部；1B、长条部；2、对接框架；2A、通孔；2B、第一排水孔；2C、长条杆；3、齿轮齿条对中机构；4、支撑台；4A、横板；4B、竖板；4C、圆孔；4D、第二排水孔；4E、安装孔；5、对接爪；6、潜艇；7、中滑竿；8、第一齿轮；9、第二齿轮；10、左齿条；11、中齿条；12、右齿条；13、左滑竿；14、右滑竿；15、上对中杆；16、下对中杆；17、壳体；18、转轴；19、双臂销；20、内爪；21、条状臂；22、凹台；23、凸键；24、凹槽。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”等方位名词以图1的定向为参照。

本发明实施例提出的一种可锁紧框架式水下对接装置，可通过简单有效的机构实现和潜艇的对接，为潜艇的后续能源补充和信息交换等工作提供条件，解决了潜艇在水中工作低效、功能单一的问题，同时本发明框架式的结构也符合水动力学的结构特性。

实施例1：

参照图1-图6，本发明提供一种可锁紧框架式水下对接装置。该对接装置包括锥形导向罩1、对接框架2、齿轮齿条对中机构3、支撑台4和对接爪5。对接框架2的一端与锥形导向罩1连接，对接框架2的另一端设置用于对接潜艇的对接爪5。对接框架2中部设置有支撑台4，支撑台4上设置有齿轮齿条对中机构3。齿轮齿条对中机构3与驱动机构连接，通过驱动机构驱动齿轮齿条对中机构3移动，以固定潜艇。本发明的潜艇为鱼雷状潜艇，尾部有一定数量的尾翼，头部有对接爪5，用于与对接框架2中的对接爪5连接。两个对接爪5结构相同。

其中，参照图3-图6，锥形导向罩1的整体结构为锥形或弧形的条状框架，锥形导向罩1的小直径端与对接框架2固定。具体地，锥形导向罩1包括多根圆形条部1A和多根长条部1B，多根圆形条部1A沿锥形导向罩1的圆周方向设置，多根长条部1B沿锥形导向罩1的法向方向设置；圆形条部1A用于将多根长条部1B固定。采用上述结构的锥形导向罩1可以进行潜艇的轨迹引导。并且锥形导向罩1设置为条状框架，可以减少潜艇对接时海水的阻力，符合水下结构动力学的基本要求。

其中，参照图3-图6，对接框架2为开放式长方体框架。对接框架2的一端面上开设有用于对接潜艇的通孔2A，且对接框架2的一端面外侧固定锥形导向罩1。对接框架2的另一端面上开设有多个第一排水孔2B，且对接框架2的另一端面内侧设置有对接爪5。对接框架2的一端面与另一端面之间通过长条杆2C连接，形成对接框架2的侧面。具体地，对接框架2的上侧面、左侧面、下侧面、右侧面的结构相同，均为由长条杆2C拼接而成的面；两个长条杆2C之间有一定的间隙，可以减少潜艇对接时海水的阻力。对接框架2的前侧面为一个矩形面，中部开有一通孔2A，通孔2A外表面固接锥形导向罩1。对接框架2的后侧面为一个矩形面，其上开有多个第一排水孔2B，其内侧中部固接对接爪5。

其中，参照图7-图9，齿轮齿条对中机构3包括第一齿轮8、第二齿轮9、左齿条10、中齿条11、右齿条12、左滑竿13、中滑竿7、右滑竿14、上对中杆15和下对中杆16。左滑竿13的内侧固定有左齿条10，右滑竿14的内侧固定有右齿条12，中滑竿7的两侧均固定有中齿条11。第一齿轮8与左齿条10和中齿条11啮合，第二齿轮9与右齿轮和中齿轮啮合，且第一齿轮8和第二齿轮9均与驱动机构连接。左滑竿13和右滑竿14下部与下对中杆16连接，左滑竿13的外侧和右滑竿14的外侧均分别与对接框架2和支撑台4连接。中滑竿7的下端固定有上对中杆15，且上对中杆15的两端分别套设在左滑竿13和右滑竿14下部。通过驱动机构驱动第一齿轮8和第二齿轮9转动，进而带动中滑竿7和上对中杆15上下移动，通过上对中杆15和下对中杆16配合以紧固潜艇。具体地，上对中杆15和下对中杆16中间均为弧形，且弧形的弧度与潜艇外壳的弧度一致，以固定潜艇。

其中，参照图1-图6，支撑台4架设于对接框架2的中部，支撑台4包括一块横板4A和两块竖板4B。两块竖板4B均与对接框架2的内侧面连接，两块竖板4B的上端通过横板4A连接。两块竖板4B上均开设有保证潜艇通过的圆孔4C和第二排水孔4D，横板4A上开设有用于安装齿轮齿条对中机构3的安装孔4E。且横板4A上方可以安置驱动机构、充电机构、传输机构等其他装置。本发明的驱动机构可以为电机，充电机构可以为驱动机构和潜艇提供电能，传输机构可以与潜艇进行信息交换。驱动机构、充电机构、传输机构均为现有技术，其具体结构此处不再赘述。具体地，两块竖板4B的高度高于对接框架2的高度，保证横板4A与对接框架2之间有一定的间隙，以减小潜艇对接时的阻力。

其中，参照图10-图14，对接框架2中的对接爪5与潜艇头部的对接爪5结构相同。对接爪5包括壳体17、转轴18、双臂销19和内爪20。内爪20套设在转轴18上，转轴18的两端与壳体17连接。具体地，内爪20与转轴18固定，转轴18的两端通过轴承与壳体17连接，可以使内爪20能够相对于壳体17转动。当然，本发明的内爪20也可以通过轴承与转轴18连接，转轴18的两端固定在壳体17上，也能够实现内爪20相对于壳体17可转动。双臂销19与壳体17滑动连接，使双臂销19只能在壳体17上沿其轴向移动，而不能转动。具体地，双臂销19上设有凸键23，壳体17上设有与凸键23匹配的凹槽24，以防止双臂销19转动。或者，双臂销19上设有凹槽24，壳体17上设有与凹槽24匹配的凸键23，防止双臂销19转动。双臂销19上设有两个条状臂21，两个条状臂21之间的距离大于内爪20的高度，以使内爪20位于两个条状臂21之间。内爪20靠近双臂销19的一端上部设有凹台22；通过潜艇上的对接爪5的内爪20推动对接框架2上的对接爪5的内爪20转动，使内爪20上的凹台22转动到两个条状臂21之间，进而使两个条状臂21下落，以对内爪20定位。具体地，双臂销19可采用密度较大的材质制成，可实现其在水中能够自由下落。或者双臂销19可外接电机驱动或液压驱动，进而驱动双臂销19上下移动。当潜艇上的内爪20和对接框架2上的内爪20接触后，潜艇上的内爪20和对接框架2上的内爪20相互推动，当两个内爪20平行时，即固定完毕。

下面参照附图，说明本发明的工作原理：

如图1~6所示，为对接装置的整体结构示意图。对接装置整体为框架式，潜艇从前方进入对接装置。对接装置前方为一个锥形导向罩，锥形导向罩可以引导潜艇顺利进入对接框架中。当潜艇进入对接框架后继续前进，在潜艇接近对接框架尾部后，潜艇上的对接爪自动与对接框架内的对接爪对接，接着齿轮齿条对中机构工作，将潜艇锁紧完成对接。

如图7~9所示，为齿轮齿条对中机构的结构示意图。齿轮齿条对中机构由两组齿轮齿条机构组成，其中，中滑竿、中齿条和上对中杆为固定在一起的一组结构。当潜艇完成对接爪的对接后，齿轮齿条对中机构开始工作。随着电机驱动两个齿轮旋转，齿轮带动齿条移动，中齿条向下移动，左齿条和右齿条向上移动，同时，中齿条带动中滑竿向下移动，中滑竿带动上对中杆向下移动，最终，上对中杆和下对中杆将通过中部的弧形结构锁紧潜艇，固定潜艇对接后剩余的自由度。

如图10~14所示，为对接爪的结构示意图。对接爪由壳体、转轴、双臂销和内爪组成，其中潜艇和对接框架上各设有一个对接爪。当潜艇向对接框架尾部移动时，两个对接爪的内爪将首先进行接触推动，由于内爪为G型，G型内爪尾部受到推力将会转动，因此，此时潜艇向前的推力将转换为内爪的平动和转动，直至两个内爪平行。此时，由于内爪转动了一定角度，内爪上的凹台与双臂销对齐，双臂销将因下方没有支撑物而向下滑落，同时壳体将限制双臂销的移动上限。最终，两个对接爪对接完成，并限制住了自由度。当潜艇的能源和信息传输完毕后，可通过电机驱动或液压驱动等方式驱动双臂销向上移动，再将内爪往内拨动，便可通过潜艇的后退进行分离。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。