一种可承受拉力的水下机器人光纤微缆螺旋缠绕装置

摘要

本发明涉及水下机器人设备，具体地说是一种可承受拉力的水下机器人光纤微缆螺旋缠绕装置，转接密封舱安装在光纤螺旋套筒内，在转接密封舱的两端分别密封连接有密封组件，光纤转接端子位于转接密封舱内，两端分别与A、B段光纤微缆的一端相连，A段光纤微缆的另一端穿过密封组件、接至水下机器人的控制舱；B段光纤微缆的另一端穿过转接密封组件、缠绕在光纤螺旋套筒的外表面；光纤压紧套筒套在光纤螺旋套筒的外部、压紧B段光纤微缆，B段光纤微缆的另一端由光纤压紧套筒引出、接至水面光纤收放装置。本发明将光纤微缆的拉力转移至水下机器人载体龙骨框架之上，避免了光纤微缆与机器人控制舱密封处因承受拉力而可能导致的密封失效问题。

说明书

技术领域

本发明涉及水下机器人设备，具体地说是一种可承受拉力的水下 机器人光纤微缆螺旋缠绕装置。

背景技术

光纤通信具有频带宽、损耗低、体积小、重量轻、抗干扰能力强、 保真度高、抗腐蚀等诸多优点，被越来越广泛地应用于各个领域。近 年来，光纤通信技术在水下机器人的实时遥控、视频或图像传输、指 令上传或下载等方面体现出非常广阔的应用前景。相比于传统的水下 机器人脐带电缆，光纤微缆的线径细、重量轻、质地柔软，因此，基 于光纤微缆的水下机器人水面支持系统在尺寸和重量方面都大大减 小；同时光纤微缆对水下机器人载体运动范围，航行速度和机动性的 影响也大大降低。然而，光纤微缆要与水下机器人载体密封舱内控制 电路板实现高质量的连接，可靠的密封是满足上述要求的一个关键保 障环节。当前，光纤微缆与密封舱舱壁处的密封可通过多种途径实现， 如利用金属与非金属密封垫圈挤压光纤微缆本身的外护套实现密封、 在专用机械零件辅助下通过硫化填料密封光纤微缆、通过特种光纤水 密连接器实现密封和连接等。然而，无论上述何种方式，均需面对光 纤微缆在水下机器人上使用时的一个苛刻条件，即在机器人运动过程 中，机器人端的光纤微缆需承受由于水动力或收放装置预紧力等所带 来的拉力。光纤微缆本身的芳纶纤维层可满足外界拉力对光纤抗拉强 度的要求，但是现有的静密封连接方式无法承受光纤微缆传递的拉 力，尤其是极端情况下产生的较大拉力；专业定制的特种光纤水密连 接器虽然可承受一定的光纤拉力，但仍无法满足如水下机器人应急拖 拽等特殊的使用条件，且该种连接器价格昂贵，定制周期较长，不利 于普及使用。综上可见，如何克服机器人端光纤微缆拉力对其密封性 能的附加影响，是解决光纤在水下机器人领域应用的一个关键问题。

发明内容

针对上述水下机器人在使用光纤过程中，因光纤拉力作用而带来 的密封、作业安全等问题，提高光纤微缆在水下机器人应用的适应性， 本发明的目的在于提供一种可承受拉力的水下机器人光纤微缆螺旋 缠绕装置，以满足光纤在水下机器人上的使用条件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明安装在水下机器人载体上，包括光纤螺旋缠绕组件及安装 在其内的光纤转接密封组件，其中光纤转接密封组件包括转接密封 舱、光纤转接端子及密封组件，光纤螺旋缠绕组件包括光纤螺旋套筒 及光纤压紧套筒，转接密封舱安装在光纤螺旋套筒内，在转接密封舱 的两端分别密封连接有密封组件，所述光纤转接端子位于转接密封舱 内，一端与A段光纤微缆的一端相连，另一端与B段光纤微缆的一端 连接，A段光纤微缆的另一端穿过转接密封舱一端的密封组件、接至 水下机器人的控制舱；B段光纤微缆的另一端穿过转接密封舱另一端 的密封组件、缠绕在光纤螺旋套筒的外表面；所述光纤压紧套筒套在 光纤螺旋套筒的外部、压紧B段光纤微缆，B段光纤微缆的另一端由 光纤压紧套筒引出、接至水面光纤收放装置。

其中：所述光纤压紧套筒外表面安装有U型固定环，该U型固定 环的开口端固接有与水下机器人载体相连的固定托架，在固定托架上 设有与光纤压紧套筒外表面相对应的圆弧形托体；所述转接密封舱为 内部中空结构，其两端分别设有容置密封组件的密封槽，转接密封舱 的一端通过第二轴向螺钉与光纤螺旋套筒固接；所述转接密封舱两端 的密封组件结构相同，其中所述转接密封舱另一端的密封组件外设有 与转接密封舱密封的光纤密封套，该端的密封组件及光纤密封套通过 锁紧螺母锁紧；密封组件包括光纤止弯套管、压紧螺母、外金属密封 垫、密封垫圈及内金属密封垫，其中压紧螺母套在光纤止弯套管外， 光纤微缆依次穿过光纤止弯套管、外金属密封垫、密封垫圈及内金属 密封垫；所述光纤螺旋套筒通过第一轴向螺钉与光纤压紧套筒固接， 光纤螺旋套筒沿轴向开有通孔，通孔内壁设有止口，转接密封舱通过 该止口定位；在光纤螺旋套筒的外表面上设有容置B段光纤微缆的U 型螺旋槽；所述光纤压紧套筒为内部中空结构、内壁上设有止口，光 纤螺旋套筒通过该止口定位，在光纤压紧套筒上开有引出B段光纤微 缆的出口；出口设置方向与光纤螺旋套筒外表面上的U型螺旋槽相 切。

本发明的优点与积极效果为：

本发明可消除光纤拉力与密封之间的矛盾，并可满足光纤微缆应 用于水下机器人需承受一定拉力的使用条件，具有以下优点：

1.本发明将光纤微缆的拉力转移至水下机器人载体龙骨框架之 上，避免了光纤微缆与机器人控制舱密封处因承受拉力而可能导致的 密封失效问题，可有效保证密封处的密封性能，提高光纤通讯在水下 机器人上应用的可靠性。

2.本发明可承受除水动力和光纤收放系统预紧力之外的外力作 用而产生的额外拉力，在光纤微缆本身允许的抗拉强度下，作为水下 机器人应急处理的保障环节，对失控的水下机器人进行低速拖曳操 作，完善并提高水下机器人的应急处理能力，保障机器人水下航行或 作业的安全性，为水下机器人的应急保障提供一种有效手段。

3.本发明结构简单紧凑，安装固定灵活，光纤缠绕操作方便， 且易于拆卸，提高了整个系统运输的灵活性；系统维护和检修方便， 有利于整个系统的规范化管理。

4.本发明使得光纤微缆与控制舱密封处密封方式的选择更加灵 活自由，从而将复杂的问题简单化，缩短研制周期的同时降低了研制 成本。

附图说明

图1为本发明应用于水下机器人的工作原理图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为图2的左视图；

图4为图2的俯视图；

图5为图2中光纤螺旋套筒的外形图；

其中：1为A段光纤微缆，2为第一光纤止弯套管，3为第一压 紧螺母，4为第一外金属密封垫，5为第一密封垫圈，6为第一内金 属密封垫，7为转接密封舱，8为光纤转接端子，9为光纤转接密封 组件，10为光纤密封套，11为O型密封圈，12为锁紧螺母，13为B 段光纤微缆，14为光纤螺旋缠绕组件，15为光纤螺旋套筒，16为光 纤压紧套筒，17为固定托架，18为第一轴向螺钉，19为第二轴向螺 钉，20为U型固定环，21为B段光纤微缆引入端，22为B段光纤微 缆引出端，23为第二光纤止弯套管，24为第二压紧螺母，25为第二 外金属密封垫，26为第二密封垫圈，27为第二内金属密封垫，28为 U型螺旋槽，29为水下机器人龙骨框架，30为控制舱，31为水面光 纤收放装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～5所示，本发明包括光纤螺旋缠绕组件14及安装在其内 的光纤转接密封组件9，光纤转接密封组件9及光纤螺旋缠绕组件14 通过两组U型固定环20用螺栓固接在固定托架17上，固定托架17 固接在水下机器人龙骨框架29上。

光纤转接密封组件9包括转接密封舱7、光纤转接端子8及密封 组件，光纤螺旋缠绕组件14包括光纤螺旋套筒15及光纤压紧套筒 16。转接密封舱7安装在光纤螺旋套筒15内、为内部中空结构，转 接密封舱7的两端分别设有容置密封组件的密封槽，转接密封舱7的 一端(A段光纤微缆连接端)通过两个第二轴向螺钉19与光纤螺旋 套筒15固接；光纤转接端子8位于转接密封舱7内，光纤转接端子 8的一端与A段光纤微缆1的一端相连，另一端与B段光纤微缆13 的一端连接，A段光纤微缆1的另一端穿过转接密封舱7一端的密封 组件、与水下机器人的控制舱30密封连接；B段光纤微缆13的另一 端穿过转接密封舱7另一端的密封组件、缠绕在光纤螺旋套筒15的 外表面；。转接密封舱7两端的密封组件结构相同，均包括光纤止弯 套管、压紧螺母、外金属密封垫、密封垫圈及内金属密封垫，其中压 紧螺母套在光纤止弯套管外，光纤微缆依次穿过光纤止弯套管、外金 属密封垫、密封垫圈及内金属密封垫；在转接密封舱7另一端(B段 光纤微缆连接端)的密封组件外设有光纤密封套10，光纤密封套10 上带有O型密封圈11、与转接密封舱7密封，该端的密封组件及光 纤密封套10通过锁紧螺母12锁紧。

光纤螺旋套筒15的一端(A段光纤微缆连接端)通过四个第一 轴向螺钉18与光纤压紧套筒16固接，光纤螺旋套筒15沿轴向开有 通孔，通孔内壁设有止口，转接密封舱7通过该止口定位；在光纤螺 旋套筒15的外表面上设有容置B段光纤微缆13的U型螺旋槽28。

光纤压紧套筒16为内部中空结构、内壁上设有止口，光纤螺旋 套筒15通过该止口定位，在光纤压紧套筒16上开有引出B段光纤微 缆13的出口，该出口的设置方向与光纤螺旋套筒15外表面上的U型 螺旋槽相切；B段光纤微缆13的另一端由光纤压紧套筒16上的出口 引出、接至水面光纤收放装置31。固定托架17上设有与光纤压紧套 筒16外表面相对应的圆弧形托体，U型固定环20将光纤压紧套筒16 压紧在固定托架17的圆弧形托体上，U型固定环20的开口端通过螺 栓与固定托架17固接。

本发明的安装及工作原理为：

A段光纤微缆1和B段光纤微缆13在本发明装置上实现转接、 密封、缠绕和压紧操作，安装遵循先两边后中间和先内后外的总体装 配原则，具体如下：

首先，控制舱30端引出的A段光纤微缆1先穿过光纤压紧套筒 16和光纤螺旋套筒15，再依次穿过图2中左边的密封组件(即依次 穿过第一压紧螺母3、第一光纤止弯套管2、第一外金属密封垫4、 三个第一密封垫圈5及第一内金属密封垫6)，并顺势导入转接密封 舱7左端的密封槽内，此时第一压紧螺母3在密封槽内保持无预紧力 的状态，即三个第一密封垫圈5无变形；将A段光纤微缆1由转接密 封舱7的右端引出，熔接在光纤转接端子8的一端。B段光纤微缆13 依次穿过图2中右边的密封组件，即依次穿过第二压紧螺母24、第 二光纤止弯套管23、第二外金属密封垫25、三个第二密封垫圈26、 第二内金属密封垫27和带有O型密封圈11的光纤密封套10，并且 第二压紧螺母24、第二光纤止弯套管23、第二外金属密封垫25、三 个第二密封垫圈26、第二内金属密封垫27顺势导入光纤密封套10 的螺纹槽内，B段光纤微缆13熔接在光纤转接端子8的另一端。光 纤转接端子8的另一端与第二内金属密封垫27之间的B段光纤微缆 预留一定长度以进行对接操作，第二压紧螺母24旋紧入光纤密封套 10的螺纹槽内至第二密封垫圈26被充分压缩变形，实现对B段光纤 微缆13的密封；A段光纤微缆1和B段光纤微缆13通过光纤转接端 子8对接成功后，顺势牵引转接密封舱7外的A段光纤微缆1，将B 段光纤微缆13连同密封好的光纤密封套10及第二压紧螺母24、第 二光纤止弯套管23、第二外金属密封垫25、三个第二密封垫圈26、 第二内金属密封垫27一并引入转接密封舱7右边的密封槽内，通过 O型密封圈11实现光纤密封套10与转接密封舱7之间的密封，然后 将锁紧螺母12旋紧入转接密封舱7右边的密封槽内。最后，旋紧第 一压紧螺母3至三个第一密封垫圈5被充分压缩变形，实现对A段光 纤微缆1的密封。

接着，在A段光纤微缆1的牵引下将光纤转接密封组件9导入光 纤螺旋套筒15的通孔内，由止口定位并对中，利用两个第二轴向螺 钉19固接在光纤螺旋套筒15上；将由光纤密封套10内引出的B段 光纤微缆13从光纤螺旋套筒15上的B段光纤微缆引入端21开始进 行螺旋缠绕至B段光纤微缆引出端22，并顺势将光纤压紧套筒16对 中、志入光纤螺旋套筒15上，将B段光纤微缆13压紧在光纤螺旋套 筒15外表面的U型螺旋槽28内；然后，在光纤压紧套筒16的光纤 微缆出口处将B段光纤微缆13沿产型螺旋槽28的切线方向导出，接 至水面光纤收放装置31。

将光纤螺旋套筒15通过四个第一轴向螺钉18固接在光纤压紧套 筒16之上；最后，利用U型固定环20将光纤压紧套筒16连同光纤 螺旋套筒15和光纤转接密封组件9一并固定在固定托架17上。

本发明应用于水下机器人及其光纤微缆系统，光纤转接密封组件 9主要用于实现机器人控制舱30内引出的A段光纤微缆1与缠绕的B 段光纤微缆13在转接密封舱7内的对接或分离，其密封方式采用基 于金属与非金属组合密封垫圈的挤压密封；光纤螺旋缠绕组件14主 要通过螺旋缠绕并压紧光纤的方式，增大光纤外护套与该组件之间的 摩擦力，从而将光纤的拉力传递至该组件上；固定托架主要行使连接 和固定的作用，并最终将光纤的拉力转移至水下机器人载体的龙骨框 架之上。

本发明的水下机器人光纤微缆螺旋缠绕装置可承受30～40kg的 拉力，结构简单紧凑、安装固定灵活、光纤缠绕操作方便，易于拆卸， 且拆卸后将B段光纤微缆13连同与之密封相关的锁紧螺母12、压紧 螺母、光纤止弯套管、外金属密封垫、密封垫圈、内金属密封垫和带 有O形密封圈11的光纤密封套10一并脱离水下机器人载体，并在转 接密封舱7的密封处采用光纤密封套10的实体结构件进行密封即可， 从而方便了水下机器人载体系统和水面光纤收放系统的分别运输和 管理，提高整个系统操作的灵活性。