深海载人潜水器足式运动控制装置

摘要

本发明涉及一种深海载人潜水器足式运动控制装置，包括足靴，所述足靴内部安装足式控制器，所述足式控制器的结构为：包括密封箱体，所述密封箱体的顶部通过开槽圆柱头螺钉安装顶盖，位于密封箱体内部安装有间歇齿轮传动机构和弹簧自复位机构；由潜航员的双脚来控制ADS的运动，完全替代了手控器所起的作用，其优点是能够充分利用人体能动性，实现ADS的运动和作业工具的同时操作，其次能解放潜航员双手，双手可以专心用于操作作业工具，能够极大的提高作业效率，同时也解决了设计过程中手部操作装置过于密集的缺点，优化了设备集成与布置方案。

说明书

技术领域

本发明涉及水下工程技术领域，尤其是一种深海载人潜水器足式运动控制装置。

背景技术

单人常压潜水装具，是20世纪70年代初研制成的，由专用的吊放设备和脐带沉放。这种潜水器外部可承受作业水深的压力，内部保持一个大气压，潜水员不必经受下潜加压和上升减压的过程。这种潜水器配有摄影、录像设备和各种简单的专用机械工具。它的第一代产品的型号叫吉姆(JIM),后来不断得到改进，研制成一些新的型号,如：萨姆（SAM）型、HARDSUITTM型和ADS2000型等。它们都是体动型，即依靠操作者的体力在水底行走和作业。上述各种装具经济效益显著，在海洋开发事业和潜艇救援领域，特别是在深海油气田生产中深受欢迎，已经取代一部分饱和潜水作业。单人常压潜水器工作深度一般为200～400米，目前最大工作深度为600米，最新的设计深度为1524米。

我国于八十年代后期研制成功QSZ-I型单人常压潜水系统，工作深度300米。QSZ-I型没有配备推进器，四肢采用球形关节，操作员以常压状态进入水下，以观察为主，依靠自身体力行走，作业能力有限。通过不断的改进和完善后，又于90年代中期成功研制出QSZ-II型单人常压潜水系统，工作深度也是300米。它在QSZ-I型基础上增加了四个螺旋桨推进器，水下电视和传感器等，并改善了计算机控制系统，使潜水员在水下的活动更加方便、快捷，潜水员在水下的活动半径可达50米。它既可用作观察型载人潜器，也可用作观察型ROV，通过水下作业夹持器，水下作业工具进行相关作业。

单人常压潜水装具(以下简称ADS)是一个仿人形的水下作业系统，主要由装具本体、中继站(Tether Management System,TMS)和水面布放回收系统(Launch and Recovery System,LARS)三大系统组成的。实际使用过程中，当工作母船到达作业区域后，水面布放回收系统通过铠装缆将中继站（里面携带ADS）布放到水下预定作业深度，中继站内的中性缆收放绞车通过中性缆对ADS进行布放与回收。因此，ADS实际的活动区域为以中继站为球心，以中性缆长度为半径的球形空间。中继站隔离了水面母船的升沉和摇荡对装具的影响，提高了装具的抗流能力。ADS凭借自身携带的推进器动力系统，可以实现灵活操控，从而进入某些特定区域，并能胜任原来只有潜水员才能完成的水下作业任务。其中，铠装缆是水面吊放装置和中继站之间的承重缆，既能承受中继站、常压潜水服的重力，又能将ADS的水下工作状态、动作信号传送到水面中央控制室的监控器中进行监控；中性缆是中继站和单人常压潜水装具之间的零浮力连接电缆，向潜水装具供电，并传输视频信号、声纳信号、控制信号以及潜水员与水面通讯的音频信号。

ADS作为一种载人的水下作业装具，如何灵活方便地驾驶和作业是一项非常关键的技术。本发明应用于由螺旋桨推进的ADS，当ADS在水下作业时，需要由潜航员操纵控制器实现前进后退、转向和上浮下潜等动作。在传统方案中，ADS要完成这些动作需要通过内部的手控器来实现，但是除此之外潜航员还需要操作ADS的末端作业工具，这些动作任务都需要潜航员的双手完成，双手负荷大，操作繁琐，效率低下，而且不能够满足许多需要双手配合作业的操作。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中手控器操作不便的缺点，提供一种结构合理的深海载人潜水器足式运动控制装置，从而采用足式控制器，由潜航员的双脚来控制ADS的运动，完全替代了手控器所起的作用，其优点是能够充分利用人体能动性，实现ADS的运动和作业工具的同时操作，其次能解放潜航员双手，双手可以专心用于操作作业工具，能够极大的提高作业效率，同时也解决了设计过程中手部操作装置过于密集的缺点，优化了设备集成与布置方案。

本发明所采用的技术方案如下：

一种深海载人潜水器足式运动控制装置，包括足靴，所述足靴内部安装足式控制器，所述足式控制器的结构为：包括密封箱体，所述密封箱体的顶部通过开槽圆柱头螺钉安装顶盖，位于密封箱体内部安装有间歇齿轮传动机构和弹簧自复位机构；所述间歇齿轮传动机构的结构为：包括位于密封箱体中部的安装板，所述安装板前端固定有旋转电位计，所述旋转电位计的输出端通过联轴器安装电位计轴，所述电位计轴穿过安装板并通过螺母和轴用弹性挡圈安装小齿轮，位于小齿轮前部的电位计轴上还固定有支板，所述支板与安装板之间通过支撑杆支撑连接，还包括与小齿轮啮合的齿轮片；所述弹簧自复位机构的结构为：包括承重传动轴，所述承重传动轴的两端通过滑动轴承支承于密封箱体上，所述承重传动轴的后端与齿轮片连接，所述承重传动轴的前端套置有弹簧支座，所述弹簧支座前后的承重传动轴上分别固定有前限位支架和后限位支架，两根传动销轴突出弹簧支座部分分别与前限位支架和后限位支架内部的凹耳配合连接，所述弹簧支座的外圆周安装扭力弹簧，还包括定位螺钉，所述定位螺钉分别与后限位支架和前限位支架凸出的凹耳配合连接，并与安装板紧固；所述承重传动轴的两端连接脚踏板。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述承重传动轴的截面成六角形结构，所述弹簧支座中部开有六角通孔，与承重传动轴过盈配合；

齿轮片的结构为：包括齿轮片本体，所述齿轮片本体的一端设置有与小齿轮啮合的轮齿，所述齿轮片本体的右端开有六角形孔；

所述脚踏板中部对称安装有接触开关；

所述脚踏板的摆动角度为18°。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明结构紧凑、合理，操作与使用方便，为载人潜水器提供运动控制信号，潜航员提供动力，弹簧自复位机构提供回复力，经间歇齿轮机构传动后驱动旋转电位计往复运动。接触开关固定在脚踏板上，由潜航员触碰后输出开关量。上层处理器采集旋转电位计的位移信息和接触开关的开关量信息，经过一定的控制算法处理后输出载人潜水器的运动控制信号。

（2）本发明所述弹簧自复位机构设计巧妙，能够实现顺时针和逆时针两个方向的旋转，且在两个旋转方向上都能实现自动复位的功能。

（3）本发明设计时充分考虑足靴内部空间狭窄的特点，采用间歇齿轮机构，能够有效缩小足控器尺寸，减轻重量，从而满足空间布置及重量指标要求。

（4）本发明承重传动轴和电位计轴分别采用一根六角型材加工而成，轴上零部件内孔均为六角形，不必额外开键槽，简化了整套轴系，轴上零部件的设计可以做到相对小巧紧凑，适合空间狭小的足靴。

（5）本发明在ADS足控器两侧上还布置有两只接触开关，这样两个足控器和两只接触开关可以输出上浮、下潜、前进、后退、左转和右转六个控制信号，完全满足了ADS的操纵控制需求。

（6）本发明克服了传统手控器在ADS应用上的缺点，彻底解放了ADS驾驶员的双手，可以让驾驶员在驾驶ADS的同时利用双手完成相应的作业，提高了ADS的作业效率和作业范围。

（7）本发明具有很高的推广应用价值，装置的尺寸、功能易于扩展，可以在许多空间狭小、手动操纵不方便的装置上可以得到应用。

（8）本发明可应用于单人常压潜水装具以及各种载人潜水器，尤其可应用于内部空间狭窄、需要进行精细作业的单人常压潜水装具。

附图说明

图1为本发明的应用图。

图2为本发明足式控制器的主视图。

图3为本发明足式控制器的内部结构图。

图4为本发明齿轮片的结构示意图。

图5为本发明弹簧自复位机构的结构示意图。

其中：1、足靴；2、足式控制器；3、开槽圆柱头螺钉；4、顶盖；5、密封箱体；6、脚踏板；7、支撑杆；8、支板；9、小齿轮；10、安装板；11、电位计轴；12、旋转电位计；13、齿轮片；14、定位螺钉；15、承重传动轴；16、弹簧自复位机构；17、滑动轴承；18、轮齿；20、齿轮片本体；21、六角形孔；22、传动销轴；23、前限位支架；24、扭力弹簧；25、弹簧支座；26、后限位支架。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，本实施例的深海载人潜水器足式运动控制装置，包括足靴1，足靴1内部安装足式控制器2，足式控制器2的结构为：包括密封箱体5，密封箱体5的顶部通过开槽圆柱头螺钉3安装顶盖4，位于密封箱体5内部安装有间歇齿轮传动机构和弹簧自复位机构16；间歇齿轮传动机构的结构为：包括位于密封箱体5中部的安装板10，安装板10前端固定有旋转电位计12，旋转电位计12的输出端通过联轴器安装电位计轴11，电位计轴11穿过安装板10并通过螺母和轴用弹性挡圈安装小齿轮9，位于小齿轮9前部的电位计轴11上还固定有支板8，支板8与安装板10之间通过支撑杆7支撑连接，还包括与小齿轮9啮合的齿轮片13；弹簧自复位机构16的结构为：包括承重传动轴15，承重传动轴15的两端通过滑动轴承17支承于密封箱体5上，承重传动轴15的后端与齿轮片13连接，承重传动轴15的前端套置有弹簧支座25，弹簧支座25前后的承重传动轴15上分别固定有前限位支架23和后限位支架26，两根传动销轴22突出弹簧支座25部分分别与前限位支架23和后限位支架26内部的弧形凹耳配合连接，弹簧支座25的外圆周安装扭力弹簧24，还包括定位螺钉14，所述定位螺钉14分别与后限位支架26和前限位支架23凸出的凹耳配合连接，并与安装板10紧固；承重传动轴15的两端连接脚踏板6。当承重传动轴15朝一个方向旋转时，在定位螺钉14的限制下，一个限位支架固定，弹簧支座25通过传动销轴22带动另外一个限位支架旋转，扭力弹簧24获得扭力，使得弹簧自复位机构16具备自恢复能力。承重传动轴15带动弹簧支座25和两根传动销轴22顺时针旋转时，前限位支架23和扭力弹簧24在其中一根传动销轴22的作用下顺时针旋转，另一根传动销轴22和后限位支架26没有力的相互作用，因此，后限位支架26受扭力弹簧24扭力作用，但在定位螺钉14作用下固定不动；反之承重传动轴15逆时针旋转时，前限位支架23固定，后限位支架26逆时针旋转。

承重传动轴15的截面成六角形结构，弹簧支座25中部开有六角通孔，与承重传动轴15过盈配合。

齿轮片13的结构为：包括齿轮片本体20，齿轮片本体20的一端设置有与小齿轮9啮合的轮齿18，齿轮片本体20的右端开有六角形孔21。

脚踏板6中部对称安装有接触开关。

脚踏板6的摆动角度为18°。

本发明所述的间歇齿轮传动机构，采用非完整齿轮片13和完整小齿轮9构成，两者相互啮合。大大节省了空间。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，本发明所述的足式控制器2安装在ADS足靴1内部，用来为ADS提供各种运动方式的控制信号。如图2、图3、图4和图5所示，足控器包括脚踏板6、密封箱体5、弹簧自复位机构16、间歇齿轮传动机构、旋转电位计12和接触开关。弹簧自复位机构16通过承重传动轴15由固定在密封箱体5的滑动轴承17支承。脚踏板6固定在承重传动轴15上，不工作时处于中间位置。在弹簧自复位机构16的作用下，脚踏板6能够实现顺时针和逆时针两个方向的旋转，且在两个方向上都能自动复位到中间位置。间歇齿轮传动机构的两传动齿轮分别固定在承重传动轴15和电位计轴11上。潜航员踏动脚踏板6，经间歇齿轮机构传动，进而驱动旋转电位计12往复运动。接触开关固定在脚踏板6上，由潜航员触碰后输出开关量。上层处理器采集旋转电位计12的位移信息和接触开关的开关量信息，经过一定的控制算法处理后输出单人常压潜水装具的运动控制信号，控制相应螺旋桨的运动状态。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。