CN101003300A

CN101003300A - 六自由度水下机器人变向旋转轴推进器

Info

Publication number: CN101003300A
Application number: CN 200710071665
Authority: CN
Inventors: 刘胜; 李冰; 兰海; 郑秀丽; 葛亚明
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: CN100506639C

Abstract

本发明提供了一种体积小、耗能低、易于操纵，可应用于海底勘查、探测、海底取样等领域的水下机器人用推进器，它包括水下机器人主体U1和设置在水下机器人主体U1侧面的推进器主体U2，推进器主体U2包括支架U9、电机U7、电机U8和推进电机U5，支架U9通过连接机构U3与水下机器人主体U1相连，电机U8固定在支架U9内并与连接机构U3相连；电机U7和推进电机U5设置于支架U9内通过连接机构U4与支架连接。只需要在首尾各安装一台这样的推进器就可以使水下机器人在完成六个自由度的运动。

Description

六自由度水下机器人变向旋转轴推进器

(一)技术领域

本发明涉及一种水下推进装置，特别涉及一种利用三个旋转轴便可以使水下机器人实现六自由度全方位运动的推进装置。

(二)背景技术

在海洋开发和海洋工程中，由于水下机器人要执行各种复杂的任务，因而它应具备良好的操纵性能。同时，随着海洋开发的深入发展，水下机器人的潜水深度不断增加，水下机器人的组成机构趋于大型化，总重量增加，总体规模变大，在使用方面收到的制约也变多。因此，水下机器人的小型化轻重量化日益变得重要。

通常情况下，水下机器人是依靠单轴推进器和舵鳍的配合来改变自身的运动姿态。单轴推进器通常安装在水下机器人的尾部，推进器通过正传和反转使水下机器人前进或后退；当水下机器人需要完成其他运动时，就需要在单轴推进器运转的同时，改变舵鳍的角度，借以产生某一方向的分力，改变水下机器人的运行姿态。这种类型的水下机器人虽然航速很快，但其运动回转半径大，无法在原地改变自身姿态，因此灵活性受限，无法在近海底复杂地况下活动。

另外一种类型的水下机器人，其单轴推进器布置在水下机器人的上下、左右、前后的位置上(如某型潜艇，共7只桨；艇后品字形布置3只，上下、左右各一对)以产生上下、左右、前后方向的推力，来满足对水下机器人的推进和操纵性能的需要。但这样布置推进器，破坏了水下机器人结构的连续性，降低了水下机器人的结构强度，使得水下机器人必须增加结构尺度(如耐压壳厚度)，推进器重量比重大，水下机器人内部布置受到限制。另外，这种水下机器人虽然可以原地完成上下、左右、前后运动，但仍无法横摇、纵摇和方位扭转运动，可操纵性和灵活性仍然受限。

目前，有的水下机器人在首尾两侧各安装一台螺旋桨螺距角可变的单轴推进器，这种水下机器人在上述几种水下机器人的基础上，虽然解决了无法完成纵摇和方位扭转的缺陷，但还无法使水下机器人完成横摇运动。这种推进器利用单轴推进器叶片周期性变化所产生的不可抵消的侧向力来实现除横摇运动外的几种运动的，这使得水下机器人的传动效率和推进效率大为降低。另外，这种水下机器人机械机构复杂，制造难度大。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种体积小、耗能低、易于操纵，可应用于海底勘查、探测、海底取样等领域的水下机器人用推进器。

本发明的目的是这样实现的：它包括水下机器人主体U1和设置在水下机器人主体U1侧面的推进器主体U2，推进器主体U2包括支架U9、电机U7、电机U8和推进电机U5，支架U9通过连接机构U3与水下机器人主体U1相连，电机U8固定在支架U9内并与连接机构U3相连；电机U7和推进电机U5设置于支架U9内通过连接机构U4与支架连接。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的推进器主体U2分别设置在水下机器人主体U1的两侧；

2、所述的支架U9为中部开槽的中空的类球冠体；

3、所述的推进电机U5位于支架U9的开槽内通过连接机构U4与支架连接。

本发明所提出的推进器与现有的推进器相比，具有以下特点：

1、单个推进器支架内的电机U7、U8的旋转角度与推进电机U5相配合，可以产生任意方向的推力，能量传递效率高。在水下机器人首尾两侧安装两台这样的推进器，它们相互配合就可以使水下机器人在水下完成前后、左右、上下、横摇、纵摇、方位扭转六个基本运动，并且可以叠加这六个基本动作使水下机器人完成更为复杂的运动，使水下机器人操纵性增强；

2、由于推进器独立于水下机器人主体，既推进执行装置与推进能量的产生、储存、控制装置分处不同的耐压壳，这样可以大大减少水下机器人主体的体积，有利于水下机器人的节能和下潜深度的增加；

3、由于这种水下机器人采用了两个推进器，当一台推进器出现故障时，仅靠另外一台推进器水下机器人就可以完成自救，这种冗余考虑，提高了水下机器人的可靠性。

本发明的水下机器人用推进器可以克服普通水下机器人无法完成横摇运动的缺陷，它由三个旋转轴构成，其中一个旋转轴用于产生推力或吸力，另外两个用于改变推力或吸力的方向，只需要在首尾各安装一台这样的推进器就可以使水下机器人在完成六个自由度的运动，且水下机器人体积小、耗能低、易于操纵，可应用于海底勘查、探测、海底取样等领域。

(四)附图说明

图1为水下机器人结构示意图；

图2-3为水下机器人方位扭转运动示意图；

图4为水下机器人横摇运动示意图；

图5-6为水下机器人纵摇运动示意图；

图7-8为水下机器人前后运动示意图；

图9-10为水下机器人上下运动示意图；

图11-12为水下机器人左右运动示意图；

图13为控制器硬件电路结构框图；

图14为SCI、SPI启动加载器电路图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

本发明包括水下机器人主体U1和设置在水下机器人主体U1侧面的推进器主体U2，推进器主体U2包括支架U9、电机U7、电机U8和推进电机U5，支架U9通过连接机构U3与水下机器人主体U1相连，电机U8固定在支架U9内并与连接机构U3相连；电机U7和推进电机U5设置于支架U9内通过连接机构U4与支架连接。所述的推进器主体U2分别设置在水下机器人主体U1的两侧；所述的支架U9为中部开槽的中空的类球冠体；所述的推进电机U5位于支架U9的开槽内通过连接机构U4与支架连接。

实施例：

本实施例中六自由度水下机器人变向旋转轴推进器包括水下机器人主体U1和推进器主体U2，结合图1，图中虚框内为推进器主体U2，推进器主体U2包括支架U9和推进电机U5，支架U9是个在中部开槽的中空的类球冠体，支架U9通过U3与水下机器人主体相连，水下机器人主体的相关线路通过U3进入U9，电机U8固定在支架U9内并与U3相连，位置如图1所示；电机U8的转动可使推进器以U3为轴心转动，以图示位置为零点，角度范围为0°～360°；推进电机U5位于支架U9的开槽内，通过U4与支架连接，来自水下机器人主体的相关线路通过U4进入U5；电机U7固定在支架U9内并与U4相连，位置如图1所示；电机U7的旋转带动推进电机U5在支架槽内转动，以图示位置为零点，角度范围为+90°～-90°；电机U5的旋转带动叶片U6转动，产生推力。电机U7、U8和推进电机U5构成了六自由度水下机器人变向旋转轴推进器的三个轴，电机U7、U8相互配合，就可以使U5产生任意方向的推力或吸力。

结合图2-3，转动电机U7使得图中左侧推进电机连接叶片端转向纸外，右侧推进电机连接叶片端转向纸里。当两个推进电机同时产生推力时，水下机器人就可以围绕着图2所示的轴线原地转动；当位置如图2所示两个推进器同时产生吸力或两个推进器依旧产生推力但位置如图3所示时，水下机器人就可以围绕着图3所示的轴线原地转动，实现了水下机器人的方位扭转运动。

结合图4，当两个推进器同时按产生吸力的方向转动，由于两个推进器产生的推力相等，使得水下机器人原地不动。当左右两个推进器内的电机U8同时正转或反转，如果两个推进器产生的吸力足够大，水下机器人主体就可以围绕图示轴线转动，实现了水下机器人的横摇运动。

结合图5-6，左右两个推进器的电机U8转动，使得两个推进器的支架U9转动90°，同时转动两个推进器的电机U7，使得图中左侧推进电机朝上，右侧推进电机朝下，如图5所示。当两个推进电机转动产生推力时，水下机器人就可以按照图5的方向旋转；当位置如图5所示两个推进器同时产生吸力或两个推进器依旧产生推力但位置如图6所示时，水下机器人就可以围绕着图6的方向旋转，实现了水下机器人的纵摇运动。

结合图7-8，当左侧推进器产生吸力，右侧推进器产生推力，如图7所示，水下机器人就可以向前运动；当左侧推进器产生推力，右侧推进器产生吸力，如图8所示，水下机器人就可以向后运动，实现了水下机器人的前后运动。

结合图9-10，左右两个推进器的电机U8转动，使得两个推进器的支架U9转动90°，同时转动两个推进器的电机U7，使得两侧推进电机都朝上，如图9所示。当两个推进电机转动产生推力时，水下机器人就可以向下运动；当位置如图9所示两个推进器同时产生吸力或两个推进器依旧产生推力但位置如图10所示时，水下机器人就可以向上运动，实现了水下机器人的上下运动。

图11-12为水下机器人侧视图，结合图11-12，两侧的推进器的电机U7转动，使得两个推进电机转动到图11所示的位置，当两侧推进器均产生吸力时，如图11所示，水下机器人就可以向左运动；当位置如图11所示两个推进器同时产生吸力或两个推进器依旧产生推力但位置如图12所示时，水下机器人就可以向右运动，实现了水下机器人的左右运动。

结合图13，本实施例中整个控制器以TMS320F2812为核心，所有复杂的控制算法及控制策略都是通过该控制器来实现的，涉及到DSP的大部分集成外设，如事件管理器EV、异步串行通讯接口SCI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。其硬件电路主要由主电路、控制电路及外围电路组成。

上位机通过JTAG口把程序下载到DSP上，同时通过SCI口FLASH ROM的引导加载；三相电源经过整流和逆变对电机进行驱动；为了避免相电流过高对DSP的冲击损坏，利用PDPINT口用来检测是否又电流过高的故障信号，如果PDPINT被置位，则所有的PWM输出立即被置成高组态；电机的转速通过光电编码器测量，电机的码盘信号A、B通过DSP控制器的CAP1、CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的A、B两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向。

结合图14，通过SPI同步传输和SCI异步传输实现FLASH ROM的引导加载。JP15为SPI、SCI引导加载器选择，1-2时选择SPI，2-3时选择SCI；JP4是SPI数据传输路径选择，位于1-2时连接到外部扩展接口J6或串行ROM，位于2-3时连接到J5仿真数据传输接口。

Claims

1、一种六自由度水下机器人变向旋转轴推进器，其特征在于：它包括水下机器人主体U1和设置在水下机器人主体U1侧面的推进器主体U2，推进器主体U2包括支架U9、电机U7、电机U8和推进电机U5，支架U9通过连接机构U3与水下机器人主体U1相连，电机U8固定在支架U9内并与连接机构U3相连；电机U7和推进电机U5设置于支架U9内通过连接机构U4与支架连接。

2、根据权利要求1所述的六自由度水下机器人变向旋转轴推进器，其特征在于：所述的推进器主体U2分别设置在水下机器人主体U1的两侧。

3、根据权利要求1或2所述的六自由度水下机器人变向旋转轴推进器，其特征在于：所述的支架U9为中部开槽的中空的类球冠体。

4、根据权利要求1或2所述的六自由度水下机器人变向旋转轴推进器，其特征在于：所述的推进电机U5位于支架U9的开槽内通过连接机构U4与支架连接。

5、根据权利要求3所述的六自由度水下机器人变向旋转轴推进器，其特征在于：所述的推进电机U5位于支架U9的开槽内通过连接机构U4与支架连接。