CN103552679A - 一种基于矢量推进的小型四轴自治水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的内容在于提供一种可以实现多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人。机器人采用对称的四推力臂均匀布局、开链结构设计，每个推力臂有两个自由度，这些自由度都由舵机或直流电机驱动实现。机器人单个推力臂推力的方向可覆盖半个球面。设计使运动控制的效果不受机器人航行速度的影响，在低速情况下仍然具有高可控性与高机动性；也有助于机器人迅速改变动力方向，实现快速转向；还能多自由度灵活控制机器人姿态并易于达到自稳。平面化的结构布局允许该机器人使用流线型的外形设计，可减小机器人水下运动时的阻力。该机器人具有可以多种姿态航行、运动性能突出、抗扰能力强大、外形简约美观等特点。

Description

一种基于矢量推进的小型四轴自治水下机器人

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人的结构设计、器件布局与技术实现。

目前，无人水下航行器（UUV，以下简称水下航行器）在海洋资源勘探、环境监测以及军事作战等领域发挥着重要的作用，许多军事强国和技术大国都投入大量的人力、物力、财力进行新型水下机器人的研究与开发，并取得一些应用成果。

矢量推进系统可为水下机器人航行提供强劲的动力，还可为水下机器人自身姿态与航行状态的调整提供有力的帮助。由于矢量推进系统的设计水平直接影响着水下机器人的运动性能与控制效果，因而人们研究了很多不同的水下机器人矢量推进方案。目前应用前景较好的自治式水下机器人（AUV），其设计大多采用基于喷水驱动原理的矢量推进方式，优点一是水下机器人在低速下仍然具有高可控性与高机动性；二是水下机器人能迅速改变航行方向，实现快速转向。

目前，许多学者都在探索如何将二自由度推力臂与四轴式矢量推进系统结合起来，制作一种多自由度矢量调节式的水下机器人，但由于在具体的结构设计、器件布局与技术实现等方面缺乏有效统一，效果并不理想，现实需要性能更好、功能更强的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人。

发明内容

本发明的内容在于提供一种可以实现多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人。机器人采用对称的四推力臂均匀布局、开链结构设计，每个推力臂有两个自由度（两个转动关节），机器人共有八个主动自由度，这些自由度都由舵机或直流电机驱动实现。机器人的推力臂分为内臂和外臂两部分，內臂靠近机器人形体中心，外臂远离机器人形体中心（附图4）。其中内臂上的关节由直流角位移伺服电机驱动，可以实现內臂部分在垂直于转轴的平面内180°（-90°～+90°）范围内的转动；而外臂关节则由防水舵机驱动。动力系统由外臂固定，单个推力臂推力的方向可覆盖半个球面。依靠单个推力臂的二自由度设计和对称的四推力臂均匀布局设计，简化了调控时的计算与编程，使运动控制的效果不受机器人航行速度的影响，在低速下仍然具有高可控性与高机动性；也有助于机器人迅速改变动力方向，实现快速转向；还能多自由度灵活控制机器人自身姿态并易于达到自稳。

其中，单个推力臂的二自由度设计，可实现主推力方向的快速转换，使得机器人在姿态调节与运动状态调节时更加灵活与稳定，而这正是水下机器人最重要的性能，同时使得机器人的推力系统具有正交化的特点，从而简化了控制过程中的计算与算法设计；平面化的结构布局允许使用流线型的外形设计，可减小机器人水下运动时的阻力。该机器人具有结构布局合理、外形简约美观、运动性能突出、控制简单高效、抗扰能力强大、可在水下以多种姿态航行等特点。

为了实现上述发明目的，机器人的推力臂设计由转轴、内套筒、外套筒、轴承端盖、金属舵盘、外臂支撑座、舵机支柱、舵机固定座、水泵支撑架-1、水泵支撑架-2、水泵固定座-1、水泵固定座-2、弹性挡圈、法兰轴承、舵机-1、舵机-2、推力水泵组成。舵机安装在舵机固定座内，水泵安装在水泵固定座内，并通过水泵支撑架与舵机固定座连接。主要设计包括以下结构：①水泵固定结构：根据水泵的尺寸大小，来确定水泵支撑架和水泵固定座的尺寸，并通过精细测量和模型仿真来确定支撑架的强度以及推力水泵与舵机-2的相对位置，从而保证了结构强度以及推力的对中。此外，在设计时预留出了误差允许范围的安装间隙以方便调整。②关节的设计：通过对推力水泵动作的设计要求分析可知，关节共有两处（附图4），通过调整尺寸，使两个关节转角正交。③推力臂整体长度设计：推力臂长度影响到机器人稳定性与最大动力矩，从机器人整体考虑来计算，得到合理的推力臂长度。④机器人外壳设计：外壳起到密封与提供主要浮力的作用，它即可保证水下机器人浮力中心与动力推进作用点距离合适，以保证机器人航行时的稳定性，又可做成流线型，使得机器人水下航行时的阻力尽可能小。由此进行外壳设计。

本发明的优点在于：

（1）采用四轴矢量推进，正交化布局。水下机器人整体在四轴推进下易于稳定、姿态调整以及变向都很迅速，机体平衡控制能力强，机动性和环境适应性好。

（2）单臂二自由度设计。单个推力臂具有便于控制、运动灵活、推进方向覆盖面广等优点，使得该水下机器人可以用不同方式实现多种运动或者姿态，且易于控制。

（3）总体的对称设计与扁平化，使得该水下机器人拥有流线型外壳，减小运动阻力，提高抗水压强度。

附图说明

附图1为四轴自治水下机器人的整体设计示意图；

附图2为四轴自治水下机器人的整体无外壳设计示意图；

附图3为四轴自治水下机器人的二自由度运动臂设计示意图；

附图4为四轴自治水下机器人的二自由度运动臂设计主视图；

附图5为四轴自治水下机器人的二自由度运动臂设计俯视图；

附图6为四轴自治水下机器人的二自由度运动臂设计装配图；

附图7为四轴自治水下机器人的运动姿态设计一图；

附图8为四轴自治水下机器人的运动姿态设计二图；

附图9为四轴自治水下机器人的运动姿态设计三图；

附图10为四轴自治水下机器人的轴系结构图；

附图中：1—转轴，2—内套筒，3—外套筒，4—轴承端盖，5—金属舵盘，6—外臂支撑座，7—舵机支柱，8—舵机固定座，9—水泵支撑架-1，10—水泵支撑架-2，11—水泵固定座-1，12—水泵固定座-2，13—螺栓，14—螺栓，15—螺母，16—螺母，17—螺钉，18—弹性挡圈，19—销，20—法兰轴承，21—舵机-1，22—舵机-2，23—连接螺钉，24—推力水泵，25—內臂固定座，26—中心主板，27—外壳。

具体实施方式

图3为四轴自治水下机器人的二自由度推动臂设计示意图。包括主体板上的舵机-1（21）和外臂关节处的舵机-2（22），以及末端的推力水泵（24）。舵机-1（21）通过內臂固定座（25）固定在中心主板（26）上（附图2），通过转轴（1）控制內臂在垂直于转轴的平面内进行180°转动（附图10），通过增加内套筒（2）和外套筒（3）提高转轴（1）的强度，其中外套筒（3）可以将推力臂上的弯矩传递到外壳（27）上，减轻舵机-1（21）所承受的内力。舵机-2（22）与外臂支撑座（6）实现可转动连接，通过螺钉分别与水泵支撑架-1和水泵支撑架-2（10）固连，直接控制推力水泵的姿态。外臂的结构设计：将转轴（1）间隙配合嵌入内套筒（2），连接舵机-1（21）与外臂支撑座（6），并用轴肩进行轴向定位，用销（19）进行周向定位。外臂关节设计：舵机-2（22）与水泵支撑架-1和水泵支撑架-2（10）通过螺钉固连，与外臂支撑座（6）通过金属舵盘（5）实现可转动的连接。

如图4所示，可看到舵机-1（21）通过轴对推力臂进行控制，并通过加套筒增大轴的强度。

如图5所示，可看到舵机-2（22）与外臂支撑座（6）的连接方式，由此可实现水泵推力在半球域内的任意转向。

如图3所示，安装推力臂时，先将转轴（1）与舵机-1（21）通过螺钉固连。转轴（1）为阶梯轴。通过轴肩与弹性挡圈将内外套筒以及法兰轴承固定在轴上。而后，将轴末端嵌入外臂支撑座（6），用销、螺母、轴肩、套筒进行定位。现在，为便于安装，先将舵机-2（22）与推力水泵（24）的固连完成。由图3可看出推力水泵（24）、舵机-2（22）与水泵支撑架-1和水泵支撑架-2（10）的连接应同时进行。先将水泵固定座（11）（12）安装在水泵相应位置，接着用螺钉将水泵（24）、舵机-2（22）与水泵支撑架-1和水泵支撑架-2（10）同时固连。将连接好的舵机-2（22）通过螺钉、金属舵盘（5）与外臂支撑座（6）进行连接。这样就能实现水泵推力方向在半球域内的转动。

如图2所示，将安装好的四个推力臂安装到主板（26）上，加上外壳（27），由外套筒（3）与外壳（27）配合，有利于缩短悬臂长度，提高结构的稳定性和强度，并提高整个系统的集成度。通过四根推力臂上的关节转动与动力大小变换，就可以完成多种姿态与运动。

如图7所示，实现了运动姿态设计一，高速上升。

如图8所示，实现了运动姿态设计二，前进时偏航。

如图9所示，实现了运动姿态设计三，稳定时自旋。

轴部防水设计：如图10所示，轴部采用双层O型圈加法兰轴承的两层防水结构，A处为橡胶圈位置，两层O型圈与轴承端盖配合作为第一层防水结构，法兰轴承（20）与套筒（2）（3）组成一个小的密封舱，且在这个密封舱内放入足量密封油，形成第二层防水结构，达到第二层防水的目的，这样在外界水压作用下，第一层防水结构中的O型圈阻止大部分水进入机器人内部，少部分进入轴内的水很难形成较大水压，那么第二层防水机构就能完全将水与机器人内部系统完全隔离。

Claims (5)

1.一种可以实现多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人，其特征在于采用对称的四推力臂均匀布局、开链结构设计，每个推力臂有两个自由度（两个转动关节），机器人共有八个主动自由度，每个自由度都由舵机或直流电机驱动实现。 

2.根据权利要求1所述的多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人，其特征在于单个推力臂的二自由度设计，推力臂分为内臂和外臂两部分，內臂靠近机器人形体中心，外臂远离机器人形体中心，其中内臂上的关节由直流角位移伺服电机驱动，可以实现內臂部分在垂直于转轴的平面内180°（-90°～+90°）范围内的转动；而外臂关节则由防水舵机驱动，动力系统由外臂固定，单个推力臂推力的方向可覆盖半个球面。 

3.根据权利要求1所述的多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人，其特征在于其轴部采用双层O型圈加法兰轴承的两层防水结构，两层橡胶O型圈与轴承端盖配合作为第一层防水结构，法兰轴承（20）与套筒（2）（3）组成一个小的密封舱，且在这个密封舱内放入足量密封油，形成第二层防水结构，达到第二层防水的目的，这样在外界水压作用下，第一层防水结构中的橡胶O型圈阻止大部分水进入机器人内部，少部分进入轴内的水很难形成较大水压，那么第二层防水机构就能完全将水与机器人内部系统完全隔离。 

4.根据权利要求1、2、3所述多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的 小型四轴自治水下机器人，其特征在于其外壳（27）的设计能够起到密封与提供主要浮力的作用，它即可保证水下机器人浮力中心与动力推进作用点距离合适，以保证机器人航行时的稳定性，又可做成流线型，使得机器人航行时的阻力尽可能小。 

5.根据权利要求1、2、3所述多模式稳定航行与多姿态快速调节的多自由度矢量推进的小型四轴自治水下机器人，其特征在于其外套筒（3）与外壳（27）配合，有利于缩短悬臂长度，提高机器人结构的稳定性和强度，并提高整个机器人系统的集成度。 

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