CN101913418B

CN101913418B - 一种多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人

Info

Publication number: CN101913418B
Application number: CN2010102645101A
Authority: CN
Inventors: 吴家鸣; 杨德文; 肖永全; 伍力; 马志权; 陈知霖
Original assignee: GUANGZHOU PANYU LINGSHAN SHIPYARD CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU PANYU LINGSHAN SHIPYARD CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: CN101913418A

Abstract

本发明公开了一种多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，包括主腔体、浮体装置和两个多自由度喷水推进器；浮体装置固定在主腔体外部上表面，两个多自由度喷水推进器分别通过圆杆固定在主腔体两侧；多自由度喷水推进器的圆筒为圆筒状腔体，圆筒中部被切除一部分作为推进器侧向喷水时的水流出口；在圆筒被切除处的两侧沿圆周各安装多个滚珠轴承；在圆筒内的一端设有螺旋桨电机支架，用于固定螺旋桨电机，螺旋桨电机通过桨轴与螺旋桨连接；套环通过滚珠轴承与圆筒连接，套环为薄壁圆筒状，在套环轴向中间的表面开有喷水口，产生侧向喷水。本发明姿态稳定性好，自主稳定能力较强，操纵范围大、自由度多，可装载的科学仪器相对较多，应用范围广。

Description

一种多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人

技术领域

本发明涉及一种水下探测装置的载体，具体是指多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人。

背景技术

水下机器人是一种进行海洋环境研究的水下观测机构，它通常由水面工作母船通过脐带缆对水下机器人发出动力和控制信号来操纵特定的控制机构从而对其实施轨迹与姿态控制并将水下机器人自带的观测传感器所获取的水下探测信息传递回工作母船上。随着人类水下观测开发活动的不断展开，对利用水下机器人来进行水下探测作业的需求不断增加。水下机器人作业性质要求其在作业过程中姿态稳定，并具有快速灵活的轨迹与姿态调节、控制与稳定能力。在水下作业过程中，水下机器人具有进退、侧移、升沉、纵摇、横摇、首摇六个运动自由度，为了完成各种复杂的水下作业，水面操作者必须按作业要求通过控制水下机器人的控制机构操纵水下机器人做出各种运动姿态，而螺旋桨则是作为水下机器人控制机构的一种主要的装置。因此如何按照水下探测的轨迹与姿态要求利用控制螺旋桨对水下机器人进行简便、灵活、稳定的操纵，是能否开发出一种经济实用、具有市场价值的水下机器人的关键。

现有的小型水下机器人一般是采用多个控制螺旋桨实现对其不同自由度的控制，通常每一个自由度的控制由一个或每一组螺旋桨来实施对其控制。如现在比较常见的Video Ray Sub小型水下机器人即是采用这样一种控制方式。这类控制方式的主要缺陷是需要多个控制螺旋桨和复杂的操纵动作才能实现对机器人不同自由度的轨迹与姿态稳定控制。这无疑增大了机器人控制系统设计的复杂程度和使用者操纵的难度，使得这些机器人由于控制机构复杂、结构庞大和难以具有良好的姿态稳定能力从而限制了其应用的范围。如何在简化水下操纵动作的同时实现对机器人进行灵活稳定的操纵控制已成为越来越多研究者与使用者关心的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点和问题，提供一种控制机构简单、通用性好并且具有较高实用价值和商业价值的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，包括主腔体、浮体装置和两个多自由度喷水推进器；浮体装置固定在主腔体外部上表面，两个多自由度喷水推进器分别通过圆杆固定在主腔体两侧；

所述主腔体包括圆筒形腔体以及设在圆筒形腔体两端的半球壳体，圆筒形腔体与其两端的半球壳体构成一个封闭的主腔体；在半球壳体上设有海水进出口导管；电缆出口设置在半球壳体的上部；圆筒形腔体下部设有主体支架；在圆筒形腔体内设有海洋探测传感器；来自传感器以及电机的电缆通过电缆出口连接到设在水面工作船上的计算机储存器以及机器人姿态控制设备上；

所述浮体装置包括姿态稳定浮体、蜗杆、姿态稳定浮体支架、浮体罩和旋钮；姿态稳定浮体设置在浮体罩内，浮体罩上设置有出水孔；在浮体罩内的两端分别设有姿态稳定浮体支架，姿态稳定浮体支架与蜗杆连接，姿态稳定浮体通过蜗杆固定在姿态稳定浮体支架上，蜗杆延伸出浮体罩，与旋钮连接；

所述多自由度喷水推进器包括圆筒、螺旋桨、螺旋桨电机、套环、滚珠轴承、喷水口、驱动电机和套环驱动电机；圆筒为圆筒状腔体，圆筒中部被切除一部分作为推进器侧向喷水时的水流出口；在圆筒被切除处的两端沿圆周各安装多个滚珠轴承；在圆筒内的一端设有螺旋桨电机支架，用于固定螺旋桨电机，螺旋桨电机通过桨轴与螺旋桨连接；套环通过滚珠轴承与圆筒连接，套环为薄壁圆筒状，在套环轴向中间的表面开有喷水口，产生侧向喷水，套环两端边缘设有齿槽；在圆筒外端设有套环驱动电机，套环驱动电机上的齿轮与套环边缘的齿槽相啮合；圆筒的另一端设有圆形薄板和驱动电机，驱动电机设置在圆筒的外侧，圆形薄板焊接在穿过其圆心的圆杆上，圆杆一端设有齿轮，齿轮与驱动电机的齿轮轴啮合，以控制圆形薄板转动。

为进一步实现本发明目的，所述半球壳体优选用有机玻璃制备。

所述姿态稳定浮体优选为凹形柱体结构。

所述出水孔优选为4个，均匀设置在浮体罩的上表面。

所述圆筒被切去部分两端优选通过螺丝进行连接加固。

所述圆筒被切除部分的两端沿圆周优选各安装4个滚珠轴承，4个滚珠轴承均分布在圆筒的圆周表面上。

所述喷水口伸出圆筒表面的高度比圆杆长度短3～4mm。

所述圆形薄板厚度优选为2～3mm。

所述海洋探测传感器包括海洋化学元素传感器和物理传感器；所述海洋化学元素传感器包括检测海水盐度、氨氮、硝氨磷和/或PH值的传感器；所述物理传感器包括检测海洋光线、声纳、温度和/或压力的传感器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

(1)控制相对简单。由于仅仅只需两个控制螺旋桨，多自由度推进的实现主要依靠控制喷水口方向的改变以及圆形薄板的开合或改变其偏转角度实现。较之传统的带缆遥控水下机器人，本发明的控制系统的设计难度大大降低，同时控制的自由度也更多。

(2)姿态稳定性好。本发明所述的姿态稳定浮体所产生的回复力矩较大，因此本机器人的横摇、纵摇阻尼都较大，从而保证了机器人在作业过程中具有具有比较强的自主稳定能力，这一特性减少了使用者维持其姿态稳定所要求发出的控制动作们降低了控制系统的设计难度。

(3)多自由度，控制起来更为灵活。该发明所述推进器通个适当的控制可产生各个方向的推力，能垂直升降，可后退，可侧向移动，可沿所述机器人主体的轴向翻转。

(4)应用范围广。该发明由于将动力装置全部置于机器人主体外部，主体内有限空间内便可集中放置更多科学仪器，因此扩大了应用范围。

附图说明

图1是本发明多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人侧视图；

图2是本发明多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人俯视图；

图3是本发明多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人前视图；

图4是本发明多自由度推进器圆筒形状示意图；

图5是本发明多自由度喷水推进器前视图；

图6是本发明多自由度喷水推进器侧视图；

图7是本发明多自由度喷水推进器产生轴向推力时(喷水口关闭、圆形薄板打开)的中间截面示意图。

图8是本发明多自由度喷水推进器产生向上推力时(喷水口在6点位、圆形薄板闭合)的中间截面示意图。

图9是本发明多自由度喷水推进器产生向左推力时(喷水口在3点位、圆形薄板闭合)的中间截面示意图。

图10是本发明多自由度喷水推进器产生向下推力时(喷水口在12点位、圆形薄板闭合)的中间截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1～3所示，多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人包括主腔体、浮体装置和两多自由度喷水推进器1；浮体装置固定在主腔体外部上表面，与主腔体紧贴在一起，两多自由度喷水推进器1分别通过圆杆20与主腔体连接。

主腔体包括圆筒形腔体2以及设在圆筒形腔体2两端的半球壳体11，圆筒形腔体2与其两端的半球壳体11构成一个封闭的主腔体；半球壳体11优选用有机玻璃制备；在半球壳体11上设有海水进出口导管12；电缆出口3设置在半球壳体11的上部；圆筒形腔体2下部设有主体支架13；根据不同的探测任务，在圆筒形腔体2内设有相应类型的海洋探测传感器，这些传感器包括探测海水化学性能的盐度、氨氮、硝氨磷、PH值等海洋化学元素传感器，以及探测海洋的光线、声纳、温度、压力等声、光物理性能的传感器。对于搭载了海洋化学元素传感器或相关物理传感器的主体，在半球壳体11上设置的海水进出口导管12可以引导海水穿过主体内的传感器以实现对相关海洋参数的采集。将所有电缆通过电缆出口3连接到设在水面工作船上的计算机储存器等数据采集设备，以及用以控制调节圆形薄板15转角的驱动电机17、调节控制套环24转向位置的驱动电机21以及操纵螺旋桨电机18转向、转速的电机可编程控制器等机器人姿态控制设备上。

浮体装置包括姿态稳定浮体6、蜗杆5、姿态稳定浮体支架9、浮体罩4、吊环7和旋钮10；姿态稳定浮体6为密度小于水，且具有一定强度的材料制备而成，如塑料；姿态稳定浮体6可选用方形柱体结构，或在方形柱体结构一面开设圆弧形的槽；姿态稳定浮体6设置在浮体罩4内，浮体罩4上设置有出水孔8，以保证水体快速进入浮体罩内使浮体产生浮力。出水孔优选4个，均匀设置在浮体罩的上表面；在浮体罩4内的两端分别设有姿态稳定浮体支架9，姿态稳定浮体支架9与蜗杆5连接，姿态稳定浮体6通过蜗杆5固定在姿态稳定浮体支架9上，蜗杆5延伸出浮体罩4，与旋钮10连接，通过转动旋钮10可以调节姿态稳定浮体6在浮体罩4中的前后的位置。由于浮体装置设置在机器人上表面，使得机器人整体浮心处在上部，而机器人的重心在下部，因此，在机器人倾斜时可以产生回复力矩以保证机器人的正浮姿态。而在安装各种科学仪器后常常会导致机器人的重心偏移，其中主要是前后偏移，这时转动旋钮10改变浮体在浮体罩中的前后位置可以改变所述机器人的浮心，以使机器人重新恢复正浮平衡。吊环7固定在姿态稳定浮体罩4的上表面，用于机器人进出水时的吊装操作；机器人圆筒形腔体2与喷水推进器1通过圆杆20连接，圆杆20为圆筒形，圆杆20内部布置电缆，用以敷设推进器上各种设备的供电及控制电缆。

如图4～6所示，多自由度喷水推进器1包括圆筒16、螺旋桨14、螺旋桨电机18、套环24、滚珠轴承23、喷水口22、驱动电机17和套环驱动电机21；圆筒16为圆筒状，中部圆筒切除一部分作为推进器侧向喷水时的水流出口；在圆筒16内的前端设有螺旋桨电机支架19，用于固定螺旋桨电机18，螺旋桨电机18通过桨轴与螺旋桨14连接，其作用是吸入或喷出水流以产生径向或侧向的喷射水流，进而产生径向或侧向推力；在圆筒16的后端设有圆形薄板15和驱动电机17，驱动电机17设置在圆筒16的外侧，圆形薄板15厚度优选为2～3mm，圆形薄板15焊接在穿过圆心的圆杆26上，圆杆26穿过推进器圆筒16，圆杆26一端设有齿轮27，齿轮27与驱动电机17的齿轮轴啮合，以达到控制圆形薄板15转动的目的。圆形薄板15可以转动，转动圆形薄板15便可以改变推进器尾部喷流的方向，进而改变推力方向，圆形薄板15兼起方向舵和挡板的作用。圆筒切除部分为圆筒周长的3/4～5/6，被切除部分沿轴向的长度为70～150mm。为防止圆筒16被切去部分两端产生变形，在被切除部分的圆筒两端通过螺丝25固定，在被切除处的两边边缘沿圆周各安装了4个滚珠轴承23，4个滚珠轴承23均布在圆筒16的圆周表面上；在圆筒被切除部分设有套环24，套环沿圆筒轴线方向的长度为80～160mm。套环24为薄壁圆筒形状，两端边缘有齿槽，在套环24轴向中间的表面开有一个矩形孔作为喷水口22，优选地在该矩形孔焊接方形开口框体作为喷水口22，喷水口22伸出圆筒16的高度为8-10mm；整个套环连接在圆筒16中间开口处两边边缘的各4个滚珠轴承上，通过滚珠轴承，套环24可以在圆筒16表面沿圆筒圆周转动。在圆筒16外表面设有套环驱动电机21，套环驱动电机21上的齿轮与套环边缘的齿槽相啮合，通过驱动电机21带动套环24转动，进而改变套环上喷水口的喷水方向，以得到不同方向的推力；套环24的边缘与圆筒16之间的间隙为1～2mm，以保证套环24在转动时不与圆筒16摩擦，同时便于套环在圆筒上的安装。连接圆筒形腔体2与喷水推进器1的圆杆20比套环中间的喷水口22伸出圆筒16的高度长3～4mm，以保证套环转动时不与圆筒形腔体2产生摩擦。所述喷水口伸出圆筒表面的高度比圆杆长度短3～4mm。

在工作过程中，可以分别驱动电机17、套环驱动电机21，用以调节套环24与圆形薄板的15的位置以获得不同方向的推进力，通过调节螺旋桨电机18的运转速度以控制机器人的运动速度。

图7～10为四个典型方向推进时推进器各部分状态示意图，为便于叙述，此处套环的位置以钟表盘上的钟点位置(称为点位)加以表述，如喷水口竖直向下为6点位方向，喷水口水平向左为9点位位置，以此类推；圆形薄板平面与圆筒轴线垂直时定义为圆形薄板的关闭状态，圆形薄板平面与圆筒轴线平行时定义为圆形薄板的打开状态：

如图7所示，当需要产生轴向驱动力时，开动驱动电机17，将圆形薄板15打开；开动驱动电机21，将套环24的喷水口旋转到9点位位置，此时，套环24上的喷水口16正对着圆筒壁，因此喷水推进器1侧向没有喷水，只有轴向喷水，因此产生轴向推力；继续开动驱动电机17转动圆形薄板15，使其位置介于打开和关闭之间，此时喷水方向也在水平面内随之改变，因此推力也可以在水平方向随之改变。

如图8所示，当不需要轴向推力时，可以开动驱动电机17将圆形薄板15转到闭合位置，开动驱动电机21，将套环24的喷水口旋转到6点位位置，此时由于圆形薄板为闭合状态，圆筒轴向将没有喷水，仅仅只有侧向喷水，且喷水方向为竖直向下，因此产生竖直向上的推力。

如图9所示，当不需要轴向推力时，可以开动驱动电机17将圆形薄板15转到闭合位置，开动驱动电机21，将套环24的喷水口旋转到3点位位置，此时由于圆形薄板为闭合状态，圆筒轴向将没有喷水，仅仅只有侧向喷水，且喷水方向为竖直向右，因此产生水平向左的推力。

如图10所示，当不需要轴向推力时，可以开动驱动电机17将圆形薄板15转到闭合位置，开动驱动电机21，将套环24的喷水口旋转到12点位位置，此时由于圆形薄板为闭合状态，圆筒轴向将没有喷水，仅仅只有侧向喷水，且喷水方向为竖直向上，因此产生竖直向下的推力。

在实际运用中，可以通过控制驱动电机17，可以将圆形薄板转到半开半闭的位置；通过控制驱动电机21，将套环转到1点到12点位的任意位置；两个推进器设置不同运行状态，通过轴向和侧向不同大小不同方向的推力叠加，理论上可以获得任意方向的推力。

如此所述，便可较好地实现本发明。

Claims

1.一种多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：包括主腔体、浮体装置和两个多自由度喷水推进器；浮体装置固定在主腔体外部上表面，两个多自由度喷水推进器分别通过圆杆固定在主腔体两侧；

所述多自由度喷水推进器包括圆筒、螺旋桨、螺旋桨电机、套环、滚珠轴承、喷水口、圆形薄板驱动电机和套环驱动电机；圆筒为圆筒状腔体，圆筒中部被切除一部分作为推进器侧向喷水时的水流出口；在圆筒被切除处的两侧沿圆周各安装多个滚珠轴承；在圆筒内的一端设有螺旋桨电机支架，用于固定螺旋桨电机，螺旋桨电机通过桨轴与螺旋桨连接；套环通过滚珠轴承与圆筒连接，套环为薄壁圆筒状，在套环轴向中间的表面开有喷水口，产生侧向喷水，套环两端边缘设有齿槽；在圆筒外表面设有套环驱动电机，套环驱动电机上的齿轮与套环边缘的齿槽相啮合；圆筒的另一端设有圆形薄板和圆形薄板驱动电机，圆形薄板驱动电机设置在圆筒的外侧，圆形薄板焊接在位于圆面上穿过其圆心的圆杆上，圆杆一端设有齿轮，齿轮与圆形薄板驱动电机的齿轮轴啮合，以控制圆形薄板转动。

2.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述半球壳体用有机玻璃制备。

3.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述出水孔为4个，均匀设置在浮体罩的上表面。

4.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述圆筒被切去部分两端通过螺丝进行连接加固。

5.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述圆筒被切除部分的两端沿圆周各安装了4个滚珠轴承，4个滚珠轴承均分布在圆筒的圆周表面上。

6.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述喷水口伸出圆筒表面的高度比圆杆长度短3～4mm。

7.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述圆形薄板厚度为2～3mm。

8.根据权利要求1所述的多自由度喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于：所述海洋探测传感器包括海洋化学元素传感器和物理传感器；所述海洋化学元素传感器包括检测海水盐度、氨氮、硝氨磷和/或PH值的传感器；所述物理传感器包括检测海洋光线、声纳、温度和/或压力的传感器。