CN102717884B - 水下机器人姿态主动调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人姿态主动调节系统，它包括一个滑动平台和一个转动平台。滑动平台上的电机通过同步带带动螺母旋转式滚珠丝杠的螺母旋转，螺母再带动电机、负载台及滑块一起在直线导轨上作往复运动。滑动平通过中心轴和交叉滚子轴承与固定平台连接在一起，中心轴上装有蜗轮。固定平台上装有电机和蜗杆轴，驱动滑动平台绕中心轴旋转。该系统通过滑块移动能够快速高效的为受到干扰的水下机器人提供一个平衡力矩以抵消干扰力矩的作用，且结构紧凑，便于安装在水下机器人上。

Description

水下机器人姿态主动调节系统

技术领域

    本发明涉及水下机器人技术，特别是一种水下机器人姿态主动调节系统。

背景技术

水下机器人有着十分广阔的应用前景，这也是多年来各国都在大力发展水下机器人技术的原因。随着全球温室效应加剧，科学家们急需用水下机器人来采集大量的海洋数据以便检测环境变化；军事上，水下机器人可以用来大大降低舰船受到的水雷威胁，以及去一些隐蔽的或船只不可到达地方侦查；同样，浅水区例如河道、港口、沿海等水域中水下机器人也发挥了很大的作用，执行水下安保、堤坝检查等任务。

然而，在执行水下、水面任务时，水流、波浪和涌流扰动，以及包括母船在内的其它附近船只带起的浪涌，水流中的旋转涡流等时常使水下机器人偏离设定航向、摇摆、监控视频模糊、无法保持设定深度等。水下机器人运动稳定性，即受干扰后自行回到初始状态的能力是水下机器人航向控制系统和深度控制系统精度的前提。若水下机器人自动稳定性能太差，则推进器必须频繁启停、正反转，以改变推力大小和方向来保持设定的航向和深度。不仅会对推进器造成损伤，过多消耗电能，还将增加周围流体的扰动，进一步加剧水下机器人的不稳定，甚至无法保持航向和定深。    

本发明设计了水下机器人姿态主动调节系统来解决上述难题。按照牛顿定理，物体达到平衡状态时合力矩为零。当水下机器人受到波浪力等外力干扰时，通过该姿态平衡系统给水下机器人施加与干扰力矩方向相反的主动平衡力矩，来抵消干扰力矩的作用，实现水下机器人姿态的主动平衡调整，有利于减小推进系统的损耗和故障率，减小螺旋桨流旋转带来的流体扰动，提高运动稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种水下机器人姿态主动调节系统，以满足提高水下机器人姿态稳定性要求。

本发明的构思是：水下机器人受到的干扰力具有高度的非线性和时变性，为了能够快速响应控制系统发出的指令，提供平衡力矩，将该姿态平衡系统分为上下两个部分。上半部分是滑块平台：滑块在滑块平台上作往复直线运动；下半部分是固定平台：为滑块平台提供动力，使得整个滑块平台绕固定轴作旋转运动。则滑块最终运动为直线运动和旋转运动的耦合，它将快速达到姿态调整平面上的每一点。滑块所处位置到固定轴形成一个力臂，滑块质量与这个力臂之积就是为水下机器人提供的平衡力矩。这套系统结构小巧紧凑，尺寸仅为：长405毫米，宽160毫米，高205毫米，可以安装带到实际的水下机器人上。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种水下机器人姿态主动调节系统，包括一个滑块平台（1）和一个固定平台（14），其特征在于：所述滑块平台（1）上装有一根螺母旋转式滚珠丝杠（2），其两端通过丝杠支撑架（3）支撑，并由定位块（4）固定；所述滑块平台上装有一根直线导轨（5），带两个导轨滑块（20）；滑块（9）安装在呈L形的负载台（8）上；所述负载台（8）上预留了滑块安装空间，可以通过增减滑块质量来改变该姿态主动调节系统提供的力矩大小；所述负载台（8）与螺母旋转式滚珠丝杠（2）的螺母（7）连接；所述螺母（7）上安转同步带轮①（6）；所述负载台（8）上安装电机①（10）及其减速器①（11）；所述减速器①（11）上安转同步带轮②（13）；所述电机①（10）旋转时，通过所述减速器①（11）及所述同步带轮①（6）和②（13）带动所述螺母（7）旋转，则所述螺母（7）、所述负载台（8）、所述电机①（10）及减速器①（11）、所述滑块（9）在所述直线导轨（5）上作往复式直线运动。

所述滑动平台（1）与固定平台（14）通过中心轴（23）连接；所述中心轴（23）与所述固定平台（14）通过交叉滚子轴环（15）固定和支撑，安装有蜗轮（16）；所述固定平台上（14）安转电机②（22），通过减速器②（21）、联轴器（19）与蜗杆轴（18）的一端连接；所述蜗杆轴（18）另一端由轴承（24）和轴承架（17）固定和支撑；所述电机②（22）旋转时，通过减速器②（21）输出力矩通过蜗轮蜗杆装置带动所述滑动平台转动。

    本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

    (1) 结构紧凑，节省安装空间，便于安装在水下机器人上面；

    (2) 滑块运动为直线运动和旋转运动的耦合，满足水下机器人姿态调节实时性；

    (3) 定位精度高、控制方便。  

附图说明

    图1是本发明轴测图。

    图2是本发明正视图。

图3是图2的底视图。

图4是图2的左视图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明优选实施例作进一步的说明。

实施例一：

    参见图1～图4，本水下机器人姿态主动调节系统包括一个滑动平台（1）和一个固定平台（14），其特征在于：

1)        所述滑动平台（1）通过一个中心轴（23）和一个交叉滚子轴环（15）与所述固定平台（14）转动连接，所述交叉滚子轴环（15）支撑滑动平台（1）；

2)        所述中心轴（23）上固定安装有蜗轮（16），与所述固定平台（14）上安装的一个蜗轮轴（18）啮合传动，带动滑动平台（1）转动；

3)        所述滑动平台（1）上装有一根螺母旋转式滚珠丝杠（2）：该滚珠丝杠（2）两端的两个通过丝杠支撑架（3）支撑在滑动平台（1），并两端分别各由一块定位块（4）固定在丝杆支撑架（3）上；

所述滑动平台（1）上装有一个L形负载台（8），所述负载台（8）与螺母旋转式滚珠丝杠（2）的螺母（7）转动连接，而通过一块滑块（9）与滑动平台（1）上固定的一根直线导轨（5）所带的两块导轨滑块（20）固定连接；

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述负载台（8）上直接固定安装一个电机                                               （10），通过一个减速器（11）、一个同步带轮（13）、一个同步带轮（6）和一根同步带，带动螺母（7）转动，螺母（7）转动的同时，带动负载台（8）、滑块（9）以及电机（10）、减速器（11）、同步带轮（13）、同步带轮（6）一起在直线导轨（5）上作往复运动。

所述滑块（9）固定安装在负载台（8）上，并预留了空间，滑块数量可增减。

所述驱动滑动平台（1）转动的驱动系统安装在滑动平台（1）下方，节约了安装空间。

所述固定平台（14）上固定安装一个电机（22），通过一个联轴器（19）与所述蜗杆轴（18）连接；所述蜗杆轴（18）另一端由一个轴承架（24）支撑，轴承架（24）通过一个支架（17）固定在固定平台（14）上。

工作原理如下：

将本系统与电气控制系统联接后安装在水下机器人上，当受到波浪力等干扰影响时，其姿态发生改变，偏离平衡位置。控制系统将姿态角偏差信号发送到电气控制系统的处理器，计算出所需的平衡力矩的大小和方向，再将信号发送到本水下机器人姿态主动调节系统输出主动平衡力矩。

电机②（22）转动，通过减速器②（21）、联轴器（19）、蜗杆轴（18）以及蜗轮16，带动滑动台（1）转到与干扰力矩作用线共线的位置；在滑动台绕中心轴（23）旋转的同时，电机①（1）转动，通过减速器①（11）、同步带轮②（13）、同步带轮①（6）、螺母（7）带动负载台（8）和滑块（9），以及导轨滑块（20）在直线导轨（5）上滑动到与干扰力矩作用方向相反的位置，并根据所需平衡力矩的大小，调节负载台（8）到中心轴（23）距离大小。

通过这种方式，滑动台（1）只需转动180度，即可提供360度方向上的平衡力矩，大大减少了姿态主动调节时间，提高了系统响应速度。且可在负载台（8）调整滑块（9）数量，从而增加或减少系统能提供的平衡力矩，使安装了该系统的水下机器人能够在不同海况下稳定工作。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落在本方面的保护范围。

Claims (5)

1.一种水下机器人姿态主动调节系统，包括一个滑动平台（1）和一个固定平台（14），其特征在于：

1)所述滑动平台（1）通过一个中心轴（23）和一个交叉滚子轴环（15）与所述固定平台（14）转动连接，所述交叉滚子轴环（15）支撑滑动平台（1）；

2)所述中心轴（23）上固定安装有蜗轮（16），与所述固定平台（14）上安装的一个蜗轮轴（18）啮合传动，带动滑动平台（1）转动；

3)所述滑动平台（1）上装有一根螺母旋转式滚珠丝杠（2）：该滚珠丝杠（2）两端的两个通过丝杠支撑架（3）支撑在滑动平台（1），并两端分别各由一块定位块（4）固定在丝杆支撑架（3）上；

4)所述滑动平台（1）上装有一个L形负载台（8），所述负载台（8）与螺母旋转式滚珠丝杠（2）的螺母（7）转动连接，而通过一块滑块（9）与滑动平台（1）上固定的一根直线导轨（5）所带的两块导轨滑块（20）固定连接。

2.根据权利要求1所述的水下机器人姿态主动调节系统，其特征在于所述负载台（8）上直接固定安装一个电机 （10），通过一个减速器（11）、一个同步带轮（13）、一个同步带轮（6）和一根同步带，带动螺母（7）转动，螺母（7）转动的同时，带动负载台（8）、滑块（9）以及电机（10）、减速器（11）、同步带轮（13）、同步带轮（6）一起在直线导轨（5）上作往复运动。

3.根据权利要求2所述的水下机器人姿态主动调节系统，其特征在于所述滑块（9）固定安装在负载台（8）上，并预留了空间，滑块数量可增减。

4.根据权利要求1所述的水下机器人姿态主动调节系统，其特征在于驱动所述滑动平台（1）转动的驱动系统安装在滑动平台（1）下方，节约了安装空间。

5.根据权利要求1所述的水下机器人姿态主动调节系统，其特征在于所述固定平台（14）上固定安装一个电机（22），通过一个联轴器（19）与所述蜗轮轴（18）连接；所述蜗轮轴（18）另一端由一个轴承架（24）支撑，轴承架（24）通过一个支架（17）固定在固定平台（14）上。