一种水下三维测力装置

摘要

一种水下三维测力装置，包括：三维测力传感器，所述三维测力传感器设于防水耐压筒中，在防水耐压筒上密封连接有筒盖，在筒盖上设有通孔，三维测力传感器的传力轴通过通孔伸出至防水耐压筒的外部，在三维测力传感器的传力轴上套设有防水波纹管，防水波纹管的下端法兰与筒盖上的通孔密封连接且在防水波纹管的下端法兰与三维测力传感器的传力轴之间设有间隙，防水波纹管的上端法兰与三维测力传感器的传力轴密封连接，在所述筒盖上设有电缆插头组件且电缆插头组件用于传输三维测力传感器采集的力信号。

权利要求

1.一种水下三维测力装置，包括：三维测力传感器（18），所述三维测力传感器（18）设于防水耐压筒（1）中，在防水耐压筒（1）上密封连接有筒盖（4），在筒盖（4）上设有通孔（21），三维测力传感器（18）的传力轴（20）通过通孔（21）伸出至防水耐压筒（1）的外部，在三维测力传感器（18）的传力轴（20）上套设有防水波纹管（8），防水波纹管（8）的下端法兰（7）与筒盖（4）上的通孔（21）密封连接且在防水波纹管（8）的下端法兰（7）与三维测力传感器（18）的传力轴（20）之间设有间隙（19），防水波纹管（8）的上端法兰（9）与三维测力传感器（18）的传力轴（20）密封连接，在所述筒盖（4）上设有电缆插头组件（13）且电缆插头组件（13）用于传输三维测力传感器（18）采集的力信号。

说明书

一种水下三维测力装置

[0001] 一、技术领域

[0002] 本发明涉及一种多维测力装置，特别涉及一种航天员在水下进行手扶力、脚蹬力训练时，用于测量航天员完成规定动作时对扶手、脚限制器等施加的三维作用力大小及方向的测力装置。

[0003] 二、背景技术

[0004] 飞船在轨道飞行期间，航天员处于失重环境下。航天员在进行出舱活动完成出舱任务时，需要进行设备操作、打开舱门、太空行走等动作。为了保证航天员能够在太空中顺利完成舱外活动任务，需要在地面对航天员进行一系列的模拟太空环境的舱外活动训练。对航天员来说，水下训练是用来模拟太空失重环境最贴切的方法。因此航天员在地面时会在水池进行失重环境训练，并完成各项规定动作与任务。

[0005] 为配合航天员顺利完成上述水池模拟失重环境训练，研究分析航天员在水下失重环境下的施力情况，设计一种可以在水下测量三维力的大小和方向的测力装置。

[0006] 三、发明内容

[0007] 本发明的目的在于发明一种能够测量多维力的大小以及方向的防水测力装置，该装置能够实现对航天员在水下训练时操作力的测量。

[0008] 本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种水下三维测力装置，包括：三维测力传感器，所述三维测力传感器设于防水耐压筒中，在防水耐压筒上密封连接有筒盖，在筒盖上设有通孔，三维测力传感器的传力轴通过通孔伸出至防水耐压筒的外部，在三维测力传感器的传力轴上套设有防水波纹管，防水波纹管的下端法兰与筒盖上的通孔密封连接且在防水波纹管的下端法兰与三维测力传感器的传力轴之间设有间隙，防水波纹管的上端法兰与三维测力传感器的传力轴密封连接，在所述筒盖上设有电缆插头组件且电缆插头组件用于传输三维测力传感器采集的力信号。

[0010] 本发明具有如下技术优点：

[0011] （1）本发明可通过外部转接法兰与扶手或是脚限制器等受力装置相连接，用于测量航天员在水下完成规定动作时施加的三维作用力的大小以及方向。

[0012] （2）航天员需穿着较重的航空服来进行水下作业训练，当航天员握住扶手后就有一个着力点，在进行脚蹬力训练时会施加较大的作用力。针对航天员水下操作力测量这一特殊应用背景，需要测量的三维操作力量程较大，该测力装置所包含的三维测力传感器的量程为：-800N~800N。

[0013] （3）本发明在每个密封环节采用双密封圈进行密封，密封效果好，测力装置可在10m水深的工作环境下工作而不渗水，保证防水系统内部三维测力传感器的正常工作。

[0014] （4）传统的防水装置会将三维测力传感器的传力轴与防水耐压筒的筒盖进行接触密封连接，属于刚性连接，这样会使得传力轴在受力产生变形后将大部分的力直接传递给筒盖而不能传递到三维测力传感器，导致测量力值的损失，进而导致测量不准确；本发明的水下三维测力装置中三维测力传感器的传力轴通过筒盖的通孔伸出至防水耐压筒的外部，在三维测力传感器的传力轴上套设有防水波纹管，防水波纹管的下端法兰与筒盖上的通孔密封连接且在防水波纹管的下端法兰与三维测力传感器的传力轴之间设有间隙，波纹管的上端法兰与传力轴之间通过第五、第六O型密封圈进行密封，一方面依靠波纹管以及O型密封圈的柔性，传力轴在受到轴向力后能够在波纹管中滑动，另一方面由于防水波纹管的下端法兰与传力轴之间的间隙，三维测力传感器在受到侧向力的时候不会将力传递到波纹管上，这样就能够将测量的三维作用力传递给三维测力传感器，既保证了密封性，又保证了测量力值的准确性。

[0015] 四、附图说明

[0016] 图1是本发明的一种水下三维测力装置的装配体结构示意图。

[0017] 图2是本发明的一种水下三维测力装置的剖视图。

[0018] 图3是本发明的一种水下三维测力装置的筒盖示意图。

[0019] 五、具体实施方案

[0020] 一种水下三维测力装置，包括：三维测力传感器18，所述三维测力传感器18设于防水耐压筒1中，在防水耐压筒1上密封连接有筒盖4，在筒盖4上设有通孔21，三维测力传感器18的传力轴20通过通孔21伸出至防水耐压筒1的外部，在三维测力传感器18的传力轴20上套设有防水波纹管8，防水波纹管8的下端法兰7与筒盖4上的通孔21密封连接且在防水波纹管8的下端法兰7与三维测力传感器18的传力轴20之间设有间隙19，防水波纹管8的上端法兰9与三维测力传感器18的传力轴20密封连接，在所述筒盖4上设有电缆插头组件13且电缆插头组件13用于传输三维测力传感器18采集的力信号。

[0021] 下面结合附图及具体实施例对本发明的一种水下三维测力装置的结构进行详细叙述说明。

[0022] 参照图1、图2、图3，一种水下三维测力装置，在防水的前提下保证三维测量力不损失是整个设计的关键技术。水下三维测力装置主要采用以下几点防水密封措施。

[0023] （1） 防水耐压筒1与筒盖4之间的密封

[0024] 防水耐压筒1与筒盖4之间采用第一O型密封圈2、第二O型密封圈3进行密封。在防水耐压筒1的法兰16上开有凹槽，凹槽内放有第一O型密封圈2，筒盖4上的薄壁环
15上开有凹槽并放有第二O型密封圈3，筒盖4上的薄壁环15用于和防水耐压筒1内壁卡紧，筒盖4与防水耐压筒1通过螺钉14等拧紧。

[0025] （2） 防水波纹管8下端法兰7与筒盖4之间的密封

[0026] 防水波纹管8的下端法兰7与筒盖4上的通孔21密封连接。筒盖4的通孔21周围开有凹槽，凹槽内放有第三O型密封圈5，防水波纹管8的下端法兰7上开有凹槽，凹槽内放有第四O型密封圈6，筒盖4和防水波纹管8的下端法兰7通过螺钉拧紧。

[0027] （3） 防水波纹管8的上端法兰9与传力轴20之间的密封

[0028] 防水波纹管8的上端法兰9与传力轴20之间通过双密封圈进行密封。防水波纹管8的上端法兰9的内壁开有两个凹槽，凹槽内放有第五O型密封圈10、第六O型密封圈11，三维力传感器的传力轴20伸出至防水波纹管8的外部。由于第五O型密封圈10、第六O型密封圈11以及波纹管8的柔性特性，既能保证防水这一需求，又能保证传力轴20在受力产生变形后能够在波纹管内运动，将力传递给三维力传感器，不会对传力轴20产生额外的附加作用力力，造成测量误差。

[0029] （4） 电缆插头组件13与筒盖4之间的密封

[0030] 本发明中采用防水型的电缆插头组件，在安装连接处自带有密封圈。在筒盖4上开安装孔22，将套有密封圈的电缆插头组件13插入安装孔22内，电缆插头组件13通过螺钉固定在筒盖4上。另外，电缆插头组件6的一端连接防水耐压筒1内三维测力传感器18的各路信号线，另一端则连接防水电缆与岸上的计算机等设备相连接。

[0031] 水下三维测力装置中的三维测力传感器的量程为-800N~800N。在实际使用这种水下三维测力装置时，通过防水耐压筒1的下端法兰17上的螺纹孔将三维测力装置按照测力需求固定在支架上，传力轴20伸出至波纹管8的外部并装有外部法兰12，外部法兰12可与扶手、脚限制器等受力装置安装连接。航天员在水下训练完成规定的动作，例如手推、脚蹬时，会对扶手、脚限制器等受力装置施加一定的手推力、脚蹬力，这些操作力通过与外部法兰12相连接的传力轴20从水下传递到防水耐压筒1中的三维测力传感器18上，通过三维测力传感器18测量得到各个方向的作用力以及作用方向等数据，然后通过与电缆插头组件13相连的防水电缆传送到岸上的计算机系统内，进行后续的处理、分析、显示等等。波纹管8上端法兰9与传力轴20之间是通过第五O型密封圈10、第六O型密封圈11进行密封的，由于O型密封圈以及波纹管的柔性特性，且防水波纹管8的下端法兰7与三维测力传感器18的传力轴20之间设有间隙19，使得防水波纹管8不会对传力轴20产生额外的附加力，造成测量误差。

[0032] 六、防水测试

[0033] 为了测试水下三维测力装置能否防水，以及在水下能否正常工作，需对水下三维测力装置进行防水测试。

[0034] 防水测试分为以下两个步骤进行：

[0035] (1) 防水耐压筒密封试验。防水耐压筒加工好以后，在三维测力传感器未装入防水耐压筒内之前，先将传力轴与防水波纹管固定，与岸上计算机等设备连接的防水电缆接在电缆插头组件上，将防水耐压筒与筒盖之间、防水波纹管的下端法兰与筒盖之间、防水波纹管的上端法兰与传力轴之间、电缆插头组件与筒盖之间等环节密封好之后放入压力试验舱内，压力试验舱内注满水，通过加压泵加压并保持在2个大气压。1天后取出防水耐压筒，查看各个环节的密封情况，检查是否有渗水、漏水等现象。

[0036] (2) 整体试验。将三维测力传感器固定于防水耐压筒内，接好防水电缆，将防水耐压筒与筒盖之间、防水波纹管的下端法兰与筒盖之间、防水波纹管的上端法兰与传力轴之间、电缆插头组件与筒盖之间等环节密封好之后放入压力试验舱内，压力舱内注满水，通过加压泵进行加压试验。

[0037] 在加压试验过程中，逐渐增加压力至2个大气压，观测不同压力对三维测力传感器的影响，通过软件进行系统误差校正。加压试验过程重复5次。

[0038] 然后，加压泵加压至1个大气压(相当于10m的工作水深)并保持，3天后取出水下三维测力装置，查看各个环节的密封情况。

[0039] 经过防水测试，分析测试数据，得到以下结论：

[0040] （1）水下三维测力装置在水下能够正常工作，能够正确测量三维作用力的大小以及方向，数据通信正确；

[0041] （2）打开防水耐压筒的筒盖，检查各个密封环节，确定没有渗水、漏水现象。