水下自动机电连接装置

1、一种水下自动机电连接装置，包括：主连接件(1)和副连接件(2)，其 特征在于，主连接件(1)上包括：沿周向分布和沿径向运动的卡抓(3)、沿轴 向布置和沿轴向运动的水下电插头(4)、卡抓传动机构(5)、水下电插头传动机 构(6)、电机(7)、主继电器组(8)、第一电接头(9)、位置开关(10)和中央 控制单元(11)，卡抓传动机构(5)的输出端连接卡抓(3)，水下电插头传动机 构(6)的输出端连接水下电插头(4)，卡抓传动机构(5)和水下电插头传动机 构(6)的输入端均连接电机(7)转轴，水下电插头(4)引脚与第一电接头(9) 引脚通过主继电器组(8)的触点相连，位置开关(10)信号输出端连接中央控 制单元(11)，中央控制单元(11)还连接电机(7)的控制端、主继电器组(8) 的线圈端和第一电接头(9)的引脚；副连接件(2)上包括水下电插座(12)、 连接裙(13)和第二电接头(14)，连接裙(13)与主连接件(1)的卡抓(3) 相配合，水下电插座(12)与主连接件(1)的水下电插头(4)相配合，水下电 插座(12)的引脚与第二电接头(14)的引脚连接，连接裙(13)的内圈有锥形 导套(15)，主连接件(1)上有与锥形导套(15)相配合的导向锥(16)，导向 锥(16)上有周向定位用的导向槽(17-20)，锥形导套(15)上分布有与导向槽 (17-20)对应的导向块(21，22)，位置开关(10)的安装位置是当连接裙(13) 进入卡抓(3)的作用范围时触发，主连接件(1)固连于第一水下装置，并通过 第一电接头(9)与第一水下装置电连接，副连接件(2)固连于第二水下装置， 并通过第二电接头(14)与第二水下装置电连接。
2、根据权利要求1所述的水下自动机电连接装置，其特征是，导向槽(17-20) 在导向锥(16)上沿周向均匀分布，导向块(21、22)在锥形导套(15)上与导 向槽(17-20)对应分布，主连接件(1)和副连接件(2)连接时，导向块(21、 22)以多种对应方式与导向槽(17-20)配合，使主连接件(1)和副连接件(2) 形成多种对接方式。
3、根据权利要求1或者2所述的水下自动机电连接装置，其特征是，当主 连接件(1)和副连接件(2)有多种对接方式时，导向块(21、22)内设有磁编 码器(29)，导向槽(17-20)内设有配套的磁读码器(30)，磁读码器(30)输 出连接中央控制单元(11)，中央控制单元(11)据此感知主连接件(1)与副连 接件(2)的对接方式。
4、根据权利要求1所述的水下自动机电连接装置，其特征是，水下电插座 (12)上设有插针孔(31)，每个插针孔(31)周围为弹性防水材料圈(32)，水 下电插头(4)上设有与插针孔(31)配套的插针(33)，每个插针(33)周围为 弹性防水材料圈(32)，当主连接件(1)和副连接件(2)有多种对接方式时， 插针孔(31)沿圆周均匀分布，并与主连接件(1)和副连接件(2)的对接方式 相配合。
5、根据权利要求1或者4所述的水下自动机电连接装置，其特征是，当主 连接件(1)和副连接件(2)有多种对接方式时，主连接件(1)设有副继电器 组(34)，其触点串接于主继电器组(8)至第一电接头(9)引脚的电路中，其 线圈端与中央控制单元(11)连接，用于还原由于对接方式变化引起的插针(33) 和插针孔(31)对应关系的变化。
6、根据权利要求1所述的水下自动机电连接装置，其特征是，卡抓传动机 构(5)由第一主动齿轮(23)、第一从动齿轮(24)和槽形凸轮(25)组成，水 下电插头传动机构(6)由第二主动齿轮(26)，第二从动齿轮(27)和丝杠(28) 组成，第一主动齿轮(23)和第二主动齿轮(26)均为不完全齿轮，与电机(7) 转轴相连，其齿的布置方式为，第一主动齿轮(23)和第二主动齿轮(26)的齿 相互错开，沿电机(7)正转方向，第一主动齿轮(23)的齿在前，第二主动齿 轮(26)的齿在后。
7、根据权利要求1所述的水下自动机电连接装置，其特征是，在水下电插 头(4)上设有压力传感器(35)，压力传感器(35)的输出端与中央控制单元(11) 连接。
8、根据权利要求1所述的水下自动机电连接装置，其特征是，设有一个阻 抗测量装置(36)，连接到主继电器组(8)的至水下电插头(4)方向的触点上， 阻抗测量装置(36)包括：多路开关(37)、激励电压源(38)、电流表(39)和 限流电阻(40)，激励电压源(38)通过多路开关(37)与主继电器组(8)的水 下电插头(4)方向的触点相连，电流表(39)和限流电阻(40)串联在激励电压 源(38)供电回路中，多路开关(37)控制端及电流表(39)输出端与中央控制 单元(11)相连。

技术领域\n本发明涉及一种水下连接装置，特别是一种自动实现机械连接与分离、并自 动实现电连接与分离的水下自动机电连接装置，用于水下工程技术领域。\n背景技术\n海洋水下作业与工程中大量使用各类无人潜水器。无人潜水器具有集中式结 构，是在集中的搭载平台上搭载各类专用的作业测量设备构成。搭载平台提供集 中的设备搭载、能源供应、以及信息处理和传输等，专用作业测量设备通过机械 和电连接与搭载平台形成完整的系统，实现具体水下探测作业功能。\n早期的潜水器系统具有不可变的系统构形，其搭载平台只能搭载特定的设 备，因此对不同任务的执行能力和环境的适应能力非常有限。新的模块化潜水器 具有通用搭载平台，可根据具体任务和环境搭载不同的设备，形成不同的系统构 形，但设备与搭载平台的机电连接与分离都是在干式环境下由人工实现的。更强 的环境适应性要求在水下实现模块化潜水器搭载平台与设备之间的机电连接与 分离，这样支持能力有限的平台可携带多种设备，在水下根据需要选择拼装和使 用，实现不同的系统构形。模块化潜水器的进一步发展是自重构潜水器，由数量 众多的分散的相似模块组成，在水下根据需求通过模块分离与接合重组适当的系 统构形。这都需要在水下湿环境中较频繁地完成设备与平台，或者模块与模块间 的机电连接与分离，同时还需要协调执行相关的电路通断控制，还原由于连接方 式变化引起的电路拓扑变化、以及对电连接的绝缘进行测试等。\n现有的水下机械和电连接器技术通常针对的是局部问题，不能同时满足上述 的需要，因此实现水下构形转换需要复杂的多系统操作配合。并且，即使是对局 部的机械连接分离，或是断电情况下的电连接与分离，现有技术也是被动的，需 要通过机械手或潜水员等外部帮助提供较精确的外部定位、足够大的外部驱动力 以及繁琐的辅助操作如接头锁紧、电路通断等。以电连接器为例，经检索发现， 美国USPTO专利号为：4838797，名称为：水下连接和脱卸插头和插座，该专利 自述为：一对通过变压器耦合的插头与插座，无论连接或是分离，均不与环境接 触，通过将初级线圈和次级线圈分别封装至插头和插座，可以实现水下连接与分 离。该发明实现了一种水下湿插拔电连接器，但仍必须通过机械手、潜水员等实 现连接器对位和插拔，要求较高的外部对位精度和外部驱动力。对于很多情况， 如模块化潜水器利用自身的机械手实现设备的更换、或自重构潜水器利用自身的 变形能力实现模块重组，由外部提供高精度对位、插拔和系列辅助操作是困难的。\n发明内容\n本发明的目的是针对背景技术中存在的不足，提供一种水下自动机电连接装 置，使其对上述的模块化潜水器和自重构潜水器的水下构形转换提供有效支持， 能够自动实现机电连接与分离，同时协调执行相关的电路通断、还原由于连接方 式变化引起的电路拓扑变化、以及对电连接的绝缘进行测试等。\n本发明通过以下技术方案实现，本发明包括：主连接件和副连接件，主连接 件上包括：沿周向分布和沿径向运动的卡抓、沿轴向布置和沿轴向运动的水下 电插头、卡抓传动机构、水下电插头传动机构、电机、主继电器组、第一电接 头、位置开关和中央控制单元。其连接关系为：卡抓传动机构的输出端连接卡 抓，水下电插头传动机构的输出端连接水下电插头，卡抓传动机构和水下电插 头传动机构的输入端均连接电机转轴，并且电机正转时，其行程首先对应卡抓 传动机构的输出端行程，然后对应水下电插头传动机构的输出端行程，电机反 转时，其行程首先对应水下电插头传动机构的输出端行程，然后对应卡抓传动 机构的输出端行程；水下电插头的引脚与第一电接头的引脚通过主继电器组的 触点相连，当主继电器组闭合时，水下电插头至第一电接头的线路接通；位置 开关用于感知副连接件的接近状态，其信号输出端连接中央控制单元；中央控 制单元还连接电机的控制端、主继电器组的线圈端和第一电接头的引脚。副连 接件上包括连接裙、水下电插座和第二电接头。连接裙与主连接件的卡抓相配 合，水下电插座与主连接件的水下电插头相配合，水下电插座引脚与第二电接 头引脚连接。连接裙的内圈有锥形导套，主连接件上有与锥形导套相配合的导 向锥，导向锥上有周向定位用的导向槽，锥形导套上分布有与导向槽相对应的 导向块。位置开关的安装位置是当连接裙进入卡抓的作用范围时触发。\n当采用本发明实现水下两个装置连接时，主连接件固连于第一水下装置，并 通过第一电接头与第一水下装置电连接，副连接件固连于第二水下装置，并通过 第二电接头与第二水下装置电连接。一种可能的情况是第一水下装置为水下搭载 平台，第二水下装置为需要与搭载平台连接的水下设备，另一种可能情况是第一 水下装置为已经安装和启动的水下设备，第二水下装置为需要与该水下设备机械 连接并通讯或取电的另一水下设备。\n第一水下装置通过第一电接头向主连接件供电，中央处理单元始终处于工作 状态。实现连接前，主继电器组处于断开状态，因此水下电插头与第一电接头之 间的电路是断开的。实现连接时，首先由其它辅助手段将副连接件和主连接件逐 渐接近，锥形导套引导导向锥，导向槽引导导向块，使主连接件和副连接件正确 定位，直到触发位置开关。中央控制单元收到位置开关触发信号后，启动电机正 转，首先通过卡抓传动机构驱动卡抓沿径向向内运动，卡紧连接裙，然后通过水 下电插头传动机构驱动水下电插头沿轴向向外运动，将水下电插头插入水下电插 座。中央控制单元再控制主继电器组闭合，将第一电接头和水下电插头之间的电 路接通。\n实现分离时，由第一水下装置向中央控制单元发出指令，中央控制单元控制 主继电器组断开，将第一电接头和水下电插头之间的电路切断，再启动电机反转， 首先通过水下电插头传动机构驱动水下电插头沿轴向向内运动，将水下电插头从 水下电插座分离，再通过卡抓传动机构驱动卡抓沿径向向外运动，将卡抓从连接 裙松开。\n通过以上方案，水下对接与分离过程完全是主动的和自动的，对外部的辅助 要求仅限于连接时将副连接件与主连接件逐渐接近至触发限位开关。\n卡抓传动机构可以由第一主动齿轮，第一从动齿轮和槽形凸轮组成，水下电 插头传动机构由第二主动齿轮、第二从动齿轮和丝杠组成。第一主动齿轮和第二 主动齿轮均为不完全齿轮，与电机转轴相连，其齿的布置方式为，第一主动齿轮 和第二主动齿轮的齿相互错开，沿电机正转方向，第一主动齿轮的齿在前，第二 主动齿轮的齿在后。卡抓上有滑块，位于槽形凸轮的槽中，水下电插头与丝杠固 连。\n电机正转时，首先带动第一从动齿轮正转，槽形凸轮正转，槽形凸轮再带动 卡抓收紧，然后带动第二从动齿轮正转，丝杠和水下电插头伸出。电机反转时， 首先带动第二从动齿轮反转，丝杠和水下电插头缩进，然后带动第一从动齿轮反 转，槽形凸轮反转，槽形凸轮再带动卡抓松开。\n导向槽和导向块用于主连接件和副连接件的相对周向定位。导向槽可以非对 称分布，此时主连接件和副连接件有唯一的对接方式。在一种更灵活的方案中， 导向槽可以在导向锥上沿周向均匀分布，导向块在锥形导套上对应分布，主连接 件和副连接件连接时，导向块可以以多种对应方式与导向槽配合，使主连接件和 副连接件形成多种对接方式。\n当主连接件和副连接件有多种对接方式时，可以在导向块内安装磁编码器， 导向槽内安装配套的磁读码器，读码器输出连接到中央控制单元，中央控制单元 据此感知主连接件与副连接件的对接方式。\n水下电插座的对接部分可以由插针孔以及每个插针孔周围的弹性防水材料 圈组成，插针孔与水下电插座的引脚一一对应且电连通。水下电插头的对接部 分由与插针孔配套的插针和每个插针周围的弹性防水材料圈组成，插针与水下电 插头的引脚一一对应且电连通。当主连接件和副连接件有多种对接方式时，插针 孔应沿圆周均匀分布，并与主连接件和副连接件的对接方式相配合。\n当主连接件和副连接件采用不同的对接方式进行对接时，插针与插针孔的对 应关系也发生变化。为了简化水下设备的对接操作，最好在主连接件上增加一个 副继电器组，其触点串接于主继电器组的触点至水下电插头引脚的电路中，其线 圈端与中央控制单元连接，用于还原由于对接方式不同引起的插针和插针孔对应 关系的变化。\n因此，对于上述的存在多种对接方式并有副继电器组的技术方案，实现连接 时，当水下电插头插入水下电插座后，中央控制单元首先根据对接方式控制副继 电器组的开闭状态，还原由于对接方式不同引起的插针和插针孔对应关系的变 化，再控制主继电器组接通，建立起第一电接头和水下电插头之间的电连接。\n这样使得第一水下装置和第二水下装置可以根据具体环境和需求选取合适 的对接方式，但不改变其电协议。\n水下电插头上还可以安装一个压力传感器，用来测量水下电插头与水下电插 座之间的压紧力，为了保证水下电插头与水下电插座之间连接的水密性，必须保 证足够的压紧力。压力传感器输出端接中央控制单元，中央控制单元实时监视压 力测量值，并控制电机保证压紧力大于预定值。\n为了保证工作的可靠性，主连接件上最好设置一个阻抗测量装置，连接到主 继电器组的至水下电插头或副继电器组方向的触点上。阻抗测量装置包括多路开 关、激励电压源、限流电阻和电流表，其激励电压源通过多路开关与主继电器组 的水下电插头或副继电器组方向的触点相连，电流表和限流电阻串联在激励电压 源供电回路中，多路开关控制端及电流表输出端与中央控制单元相连。对接时， 在副继电器组完成操作后，中央控制单元首先控制多路开关，依次测量主继电器 组的水下电插头或副继电器组方向的每两个触点之间的阻抗，以检测其绝缘状 态，一切正常后才可接通主继电器组。\n本发明具有实质性特点和显著进步。本发明可以在水下湿环境中，实现主连 接件和副连接件的机械连接与分离，同时自动实现主连接件和副连接件的电连接 与分离，协调相关的电路通断、还原由于连接方式变化引起的电路拓扑变化、以 及对电连接的绝缘进行测试。所有的操作都是自动和主动进行的，装置自身提供 连接与分离驱动力，提供精确对位引导和电路测试，唯一需要外部提供的只是连 接时初步的辅助定位。本发明用于模块化潜水器和自重构潜水器，可以有效支持 其水下构形转换。\n附图说明\n图1是本发明一个实施例的结构示意图\n图2是图1所示主连接件的B-B方向视图\n图3是图1所示副连接件的C-C方向的视图\n图4是本发明实施例电原理图\n具体实施方式\n如图所示，本发明包括：主连接件1和副连接件2，主连接件1上包括：沿 周向分布和沿径向运动的卡抓3、沿轴向布置和沿轴向运动的水下电插头4、卡 抓传动机构5、水下电插头传动机构6、电机7、主继电器组8、第一电接头9、 位置开关10和中央控制单元11。其连接关系为：卡抓传动机构5的输出端连接 卡抓3，水下电插头传动机构6的输出端连接水下电插头4，卡抓传动机构5和 水下电插头传动机构6的输入端均连接电机7转轴，并且电机7正转时，其行程 首先对应卡抓传动机构5的输出端行程，然后对应水下电插头传动机构6的输出 端行程，电机7反转时，其行程首先对应水下电插头传动机构6的输出端行程， 然后对应卡抓传动机构5的输出端行程；水下电插头4的引脚与第一电接头9 的引脚通过主继电器组8的触点相连，当主继电器组8闭合时，水下电插头4 至第一电接头9的线路接通；位置开关10用于感知副连接件2的接近状态，其 信号输出端连接中央控制单元11；中央控制单元11还连接电机7的控制端、主 继电器组8的线圈端和第一电接头9的引脚。副连接件2上包括水下电插座12、 连接裙13和第二电接头14。连接裙13与主连接件1的卡抓3相配合，水下电 插座12与主连接件1的水下电插头4相配合，水下电插座12的引脚与第二电接 头14的引脚连接。连接裙13的内圈有锥形导套15，主连接件1上有与锥形导 套15相配合的导向锥16，导向锥16上有周向定位用的导向槽17-20，锥形导套 15上分布有与导向槽17-20相对应的导向块21、22。位置开关10的安装位置是 当连接裙13进入卡抓3的作用范围时触发。\n当采用本发明实现水下两个装置连接时，主连接件1固连于第一水下装置， 并通过第一电接头9与第一水下装置电连接，副连接件2固连于第二水下装置， 并通过第二电接头14与第二水下装置电连接。\n卡抓传动机构5包括第一主动齿轮23、第一从动齿轮24和槽形凸轮25，水 下电插头传动机构6包括第二主动齿轮26、第二从动齿轮27和丝杠28。第一主 动齿轮23和第二主动齿轮26均为不完全齿轮，与电机7转轴相连，其齿的布置 方式为，第一主动齿轮23和第二主动齿轮26的齿相互错开，沿电机7正转方向， 第一主动齿轮23的齿在前，第二主动齿轮26的齿在后。卡抓3上有滑块，位于 槽形凸轮25的槽中，水下电插头4与丝杠28固连。\n导向槽17-20在导向锥16上沿周向均匀分布，导向块21、22在锥形导套15 上对应分布，主连接件1和副连接件2连接时，导向块21、22可以以多种对应 方式与导向槽17-20配合，使主连接件1和副连接件2形成多种对接方式。\n当主连接件1和副连接件2有多种对接方式时，导向块21、22内设置磁编 码器29，导向槽17-20内设置有配套的磁读码器30，磁读码器30的输出连接到 中央控制单元11，中央控制单元11据此感知主连接件1与副连接件2的对接方 式。\n水下电插座12上设有插针孔31，插针孔31与水下电插座12的引脚一一对 应且电连通，每个插针孔31的周围为弹性防水材料圈32，水下电插头4上装有 与插针孔31配套的插针33，插针33与水下电插头4的引脚一一对应且电连通， 每个插针33周围为弹性防水材料圈32，当主连接件1和副连接件2有多种对接 方式时，插针孔31沿圆周均匀分布，并与主连接件1和副连接件2的对接方式 相配合。\n当主连接件和副连接件有多种对接方式时，主连接件1具有副继电器组34， 其触点串接于主继电器组8至水下电插头4引脚的电路中，其线圈端与中央控制 单元11连接，用于还原由于对接方式不同引起的插针33和插针孔31对应关系 的变化。\n水下电插头4上或者设置压力传感器35，感知水下电插头4与水下电插座 12之间的压力，压力传感器35输出端与中央控制单元11连接。\n本发明还可设有一个阻抗测量装置36，阻抗测量装置36包括多路开关37、 激励电压源38、电流表39和限流电阻40，激励电压源38通过多路开关37与主 继电器组8的水下电插头4或副继电器组34方向的触点相连，电流表39和限流 电阻40串联在激励电压源38供电回路中，多路开关37控制端及电流表39输出 端与中央控制单元11相连。\n以下结合附图说明本发明的一个实施例：\n如图1所示，本实施例由可分离的主连接件1和副连接件2组成。\n主连接件1主要由第一连接底板41、设备安装底板42和外罩43组成。\n第一连接底板41上有卡抓3和导向锥16。卡抓3在第一连接底板41的径向 导槽44中运动。外罩43上安装有第一电接头9。第一水下装置与外罩43固连， 并与第一电接头9电连接。在第一连接底板41和设备安装底板42之间装有可轴 向运动的水下电插头4，由第二主动齿轮26、第二从动齿轮27和丝杠28构成的 水下电插头传动机构6，和由第一主动齿轮23、第一从动齿轮24和槽形凸轮25 构成卡抓传动机构5。设备安装底板42和外罩43之间形成水密空间，水密空间 里面容纳着中央控制单元11、主继电器组8、副继电器组34、驱动电机7、电路 阻抗测量装置36和水下电插头运动限位开关45。\n副连接件2上有第二连接底板46，上面安装有水下电插座12和连接裙13， 连接裙13上安装有锥形导套15。第二连接底板46上面还安装有第二电接头14。 第二水下装置与第二连接底板46固连，并与第二电接头14电连接。\n如图2所示，导向锥16上有沿圆周均匀分布的导向槽17-20，在导向槽17-20 内装有感知导向块21、22位置的位置开关10，和用于读取导向块21、22上磁 性信息的磁读码器30。水下电插头4上装有沿圆周均匀分布的插针33，每个插 针周围为弹性防水材料圈32，水下电插头4中心是压力传感器35。\n如图3所示，锥形导套15上安装有相对的导向块21、22，上面有磁编码器 29，提供对导向块21、22的标识。水下电插座12上装有沿圆周均匀分布的插针 孔31，每个插针孔周围为弹性防水材料圈32。\n由图2和3可以看出，主连接件1和副连接件2有4种对接方式，分别为导 向块21位于导向槽17-20中。\n如图4所示，在主连接件1中，水下电插头4的引脚通过主继电器组8和副 继电器组34的触点与第一电接头9的引脚连接，各继电器的通断由中央控制单 元11控制。在本例情况下，水下电插头4和第一电接头9均包括4个引脚，第 一电接头9的引脚与主继电器组8的同编号触点连接，形成4个电通路，其中两 个用于通讯，两个用于输电。中央控制单元11挂在电源线和通讯线上。由于主 连接件1和副连接件2之间的对接方式有4种，水下电插头4的插针33和水下 电插座12的插针孔31的编码对应关系也有四种，中央控制单元11控制副继电 器组34，在主继电器组8触点与水下电插头4引脚之间实现与之相反的编号对应 关系，最终保证第一电接头9和第二电接头14之间同编号引脚相连。在主继电 器组8的至水下电插头4或副继电器组34方向的触点上，连接有电路阻抗测量 装置36，包括多路开关37、激励电压源38、电流表39和限流电阻40。激励电 压源38通过多路开关37与主继电器组8的水下电插头4或副继电器组34方向 的触点相连，电流表39和限流电阻40串联在激励电压源38供电回路中，多路 开关37控制端及电流表39输出端与中央控制单元11相连。中央控制单元11 收到预定范围内的阻抗测量值后，控制主继电器组8闭合，实现通讯与输电电路 的接通。