CN103600821B - 全向浮游爬壁水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全向浮游爬壁水下机器人，包括密封的舱体、水下高清摄像机、主控模块、设置在舱体内外的水下传感设备、以及设置在舱体内外的全向动力系统和垂向动力系统，所述全向动力系统包括四个导管螺旋桨、导管螺旋桨转向装置、爬行装置和浮游装置，浮游装置设置在舱体内，一端与导管螺旋桨连接；转向装置和爬行装置分成上下两层分别设置在舱体内，且通过各自的传动装置彼此连接；垂向动力系统垂直设置在舱体内侧。本发明具备浮游、吸附、爬壁、水下监察多种功能，运动灵活，实用性强和机动性强，适用范围广。可全向浮游或全向爬壁作业，适应在狭窄的水域里作业。结构紧凑，降低了制造成本；操控方便简单，提高了浮游运动的精度。

Description

全向浮游爬壁水下机器人

技术领域

本发明涉及一种水下机器人，特别是一种密封式全向浮游还能爬壁的水下机器人，属于海洋工程技术领域。

背景技术

水下机器人由于其工作安全、适应能力强、作业范围广且具有经济和高效性，已成为水下作业的重要装备，其应用涉及海洋环境调查、海底地质勘探、海洋结构物的安装与维修、水利水电工程、科学考察等诸多领域。特别是带缆遥控水下机器人（RemotelyOperatedVehicle，简称ROV），它续航力强，动力充沛、安全可靠。ROV可分为拖曳式与自航式两种，拖曳式水下机器人本身无动力，被吊放入海并依靠母船拖带航行。自航式水下机器人自身具备动力系统，可以执行复杂的水下作业任务，它通过脐带缆来传输机器人本体所需的动力，同时也上传传感器信号和下传控制信号，工程人员可在母船上通过连接在脐带缆一端的控制平台来操纵ROV。其自航航态（模态）一般分为浮游、吸附、爬行三类。

大多数自航式水下机器人都以浮游的方式在水中作业，例如CN101386340公开的“一种船体检测水下机器人”为一开架式水下机器人，在纵向、垂向、横向各布置一对导管螺旋桨推进器，可以进行六个自由度浮游运动，但其活动范围有限，靠浮游来接近船体进行检测，无法爬壁；浮游差速转艏会使载体转动，需克服较大水动力且在狭窄空间转向不便。也已出现可以爬壁的水下机器人，例如CN1024241002公开了“一种复合吸附船体清刷机器人”是一种将磁力吸附和推力吸附结合在一起的船体清刷机器人，可实现船体水下、水上部分的清洗。但是该机器人工作时必须沿船体壁面爬行进入区域作业，无法浮游，活动范围有限。US2007/0276552AL公开一种“UNDERWATERCRAWLERVEHICLEHAVINGSEARCHANDIDENTIFICATIONCAPABILITIESANDMETHODSOFUSE”（可浮游和爬壁的自航式水下机器人），它在浮游机器人上加装一四轮小车，使用小车上的涡流发生器来产生壁面吸附力。该机器人属于开架式设计，在水中的阻力较大；爬行需要外加四轮小车，结构复杂，增大了制造成本；每个车轮各由一电机来驱动，控制复杂且控制对象多；浮游运动与小车运动控制相互独立且控制原理不同，使得其控制系统比浮游机器人复杂的多。

综上所述，现有的自航式水下机器人尚存在以下缺点：1、单一航态水下机器人活动范围有限，转艏时本体需回转，在狭窄空间作业不便且受水流影响较大；2、可浮游和爬壁的水下机器人机构臃肿，运动阻力大，控制系统复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构紧凑、控制简单、运动阻力小的密封式浮游爬壁水下机器人，这种机器人可以在水平方向进行全向浮游作业或沿水下壁面进行全向爬行作业，可根据任务要求在浮游状态与爬壁（吸附、爬行）状态之间自由切换。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种全向浮游爬壁水下机器人，所述全向浮游爬壁水下机器人通过脐带缆与水面控制平台连接，包括密封的舱体、设置在舱体上侧的至少一对带云台的水下高清摄像机、设置在舱体内的主控模块、设置在舱体内外的水下传感设备以及设置在舱体内外的用于驱动水下机器人在水下全向浮游作业和全向爬壁作业的全向动力系统和垂向动力系统，所述全向动力系统包括对称设置在舱体两侧、两对共四个导管螺旋桨、控制各导管螺旋桨绕垂直轴转动的转向装置、控制各导管转动的爬行装置和控制各导管内第一螺旋桨旋转的浮游装置，所述浮游装置设置在舱体内，浮游装置一端与导管螺旋桨连接；所述转向装置和爬行装置分成上下两层分别设置在舱体内，且通过各自的传动装置彼此连接；所述垂向动力系统垂直设置在舱体上侧内，包括至少两台轴线垂直于第一螺旋桨的第二螺旋桨以及垂向动力驱动电机，所述第二螺旋桨固定在垂向动力驱动电机轴上。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

前述的全向浮游爬壁水下机器人，其中所述转向装置包括转向电机、转向电机圆锥齿轮、四个第一圆锥齿轮、两根转向横轴、八个第二圆锥齿轮、四根转向纵轴、四个第三圆锥齿轮和四个转向壳体，所述转向电机一端垂直固定在舱体内中间隔板一侧面上，转向电机圆锥齿轮固定在转向电机轴上；第一圆锥齿轮两个一对分别固定在两根转向横轴的两端端头上，第二圆锥齿轮两个一对分别固定在四根转向纵轴的两端端头上，第三圆锥齿轮固定在与转向壳体轴线垂直、且与转向壳体一侧垂直固定连接的转向立轴端头上；所述转向纵轴两端分别通过转向纵轴轴承支撑在舱体两端的横向隔板上；转向横轴两端分别通过数个转向横轴轴承支撑在舱体纵向隔板上；转向装置的各圆锥齿轮啮合关系如下：转向电机圆锥齿轮与两个第一圆锥齿轮啮合，另两个第一圆锥齿轮中每一个分别与两个第二圆锥齿轮啮合，另四个第二圆锥齿轮分别与四个第三圆锥齿轮一一对应啮合。

前述的全向浮游爬壁水下机器人，其中所述爬行装置包括爬行电机、爬行电机圆锥齿轮、四个第四圆锥齿轮、两根爬行横轴、八个第五圆锥齿轮、四根爬行纵轴、四个第六圆锥齿轮、四根爬行竖轴、四个第七圆锥齿轮、四个第八圆锥齿轮、四个导管轴架和四个导管，所述爬行电机一端垂直固定在舱体中间隔板另一侧面上，爬行电机圆锥齿轮固定在爬行电机轴上；四个第四圆锥齿轮两个一对分别固定在两根爬行横轴的两端端头上，第五圆锥齿轮两个一对分别固定在四根爬行纵轴的两端端头上，四个第六圆锥齿轮和四个第七圆锥齿轮分别固定在四根爬行竖轴的两端端头上，四个第八圆锥齿轮分别固定在四个导管轴架一端上；所述爬行横轴两端通过爬行横轴轴承分别支撑在舱体两端的纵向隔板上，所述爬行纵轴两端通过爬行纵轴轴承分别支撑在舱体两端的横向隔板上；四根爬行竖轴两端通过爬行竖轴轴承分别支撑在与转向壳体轴线垂直、且与转向壳体另一侧固定连接的垂直轴套内；爬行装置的各圆锥齿轮啮合关系如下：爬行电机圆锥齿轮与两个第四圆锥齿轮啮合，另两个第四圆锥齿轮每一个分别与两个第五圆锥齿轮啮合，另四个第五圆锥齿轮分别与四个第六圆锥齿轮一一对应啮合，四个第七圆锥齿轮分别与四个第八圆锥齿轮一一对应啮合。

前述的全向浮游爬壁水下机器人，其中导管轴架包括水平轴筒和数根均布在导管内的径向连接杆，第八圆锥齿轮固定在水平轴筒一端上，径向连接杆两端分别与水平轴筒另一端和导管内圆固定连接。

前述的全向浮游爬壁水下机器人，其中所述浮游装置包括浮游电机、螺旋桨轴和第一螺旋桨，所述浮游电机固定在转向壳体内，螺旋桨轴一端与浮游电机轴连接，螺旋桨轴另一端穿过水平轴筒后与第一螺旋桨固定连接；螺旋桨轴通过一对轴承支撑在水平轴筒内；水平轴筒通过轴承支撑在转向壳体内。

前述的全向浮游爬壁水下机器人，其中所述转向壳体为子弹头型水密壳体，分别与转向壳体上下侧固定连接的转向立轴、垂直轴套同轴，转向壳体分别位于舱体两侧的上延伸段和下延伸段之间，转向立轴和垂直轴套分别通过支撑轴承垂直支撑在上延伸段和下延伸段上。

本发明的有益效果如下：

本发明具备浮游、吸附、爬壁、水下监察多种功能，运动灵活，实用性强和机动性强，适用范围广；可以全向浮游或全向爬壁作业，本发明转向时载体无需回转，受水流影响小，适应在狭窄的水域里作业。本发明结构紧凑，转向装置、爬行装置、浮游装置和垂向动力系统分成数层集成在密封的舱体内，重量轻、体积小、降低了制造成本，提高了本发明的利用率。本发明的转向装置和爬行装置操控方便简单，浮游装置可全向浮游或差速转艏，转速微调可以减小各推进器之间的推力差异，提高了浮游运动的精度。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1为本发明从浮游状态转为爬壁状态的示意图。

图2是本发明的立体结构示意图；

图3为图1的A-A放大剖视图；

图4为图1的B-B旋转放大剖视图；

图5为转向装置传动结构的立体示意图；

图6为爬行装置传动结构的立体示意图；

图7为本发明浮游时各种工作状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作对本发明作进一步说明。

如图1～图7所示，本发明通过脐带缆1与水面控制平台2连接，包括密封的舱体3、设置在舱体3上侧的至少一对带云台的水下高清摄像机4、设置在舱体3内的主控模块5、设置在舱体3内外的水下传感设备6（舱体5壳体上的深度传感器和内部的惯性导航装置）、以及设置在舱体3内外、用于驱动本发明在水下全向浮游作业和全向爬壁作业的的全向动力系统7和垂向动力系统8。脐带缆1连接本发明和水面控制平台2，实现了水面与水下信号、能源的传输。舱体3具有低阻力流线外形，主要部件安装于密封的舱体3内，采用具有自稳性的布置方式。脐带缆1通过舱体3上的水密接插件将水面控制平台2与主控模块5连接。水下高清摄像机4左右对称安装在舱体3上，可获取水平全向和俯仰－90°～+90°范围的水下视频信息。主控模块5将水下高清摄像机4摄取的视频信息和水下传感设备6采集的传感器信息处理后由脐带缆1上传至水面控制平台2，并实时显示到水面控制平台2的操作界面上，保证操作人员实时监控水下机器人的工作状态；水面控制平台2向位于水下的本发明传输能源和控制信号，对全向动力系统7和垂向动力系统8各电机发出指令以控制其转速和转向，实现对本发明的操控。

如图2～图6所示，全向动力系统7包括对称设置在舱体3两侧、两对共四个导管螺旋桨71、控制各导管螺旋桨71绕垂直轴转动的转向装置72、控制各导管7312转动的爬行装置73和控制各导管7312内第一螺旋桨711旋转的浮游装置74，所述浮游装置74设置在舱体3内，浮游装置74一端与导管螺旋桨71连接；转向装置72和爬行装置73分成上下两层分别设置在舱体3内，且通过各自的传动装置彼此连接。垂向动力系统8垂直设置在舱体3内侧，本实施例的垂向动力系统8包括两台轴线垂直于第一螺旋桨711的第二螺旋桨81以及垂向动力驱动电机82，第二螺旋桨82固定在垂向动力驱动电机82的输出轴上。垂向动力系统8可以实现本发明的升沉、纵摇和吸附作业。

转向装置72包括转向电机721、转向电机圆锥齿轮722、四个第一圆锥齿轮723、两根转向横轴724、八个第二圆锥齿轮725、四根转向纵轴726、四个第三圆锥齿轮727和四个转向壳体728，转向电机721下端垂直固定在舱体中间隔板32上侧，转向电机圆锥齿轮722固定在转向电机轴上。第一圆锥齿轮723两个一对分别固定在两根转向横轴724的两端端头上，第二圆锥齿轮725两个一对分别固定在四根转向纵轴726的两端端头上，第三圆锥齿轮727固定在与转向壳体728轴线垂直、且与转向壳体728上侧垂直固定连接的转向立轴729端头上。转向壳体728为子弹头型水密壳体，分别与转向壳体728上下侧固定连接的转向立轴729、垂直轴套7281同轴，转向壳体728位于舱体两侧的上延伸段31和下延伸段35之间，其上下侧的转向立轴729与垂直轴套7281分别通过支撑轴承7210垂直支撑在上延伸段31和下延伸段35上。转向纵轴726两端分别通过转向纵轴轴承7211支撑在舱体3两端的横向隔板34上；转向横轴724两端分别通过4个转向横轴轴承7241支撑在舱体3纵向隔板33上。

如图5所示，转向装置72的各圆锥齿轮啮合关系如下：转向电机圆锥齿轮722与两个第一圆锥齿轮723啮合，另两个第一圆锥齿轮723中每一个分别与两个第二圆锥齿轮725啮合，另四个第二圆锥齿轮725分别与四个第三圆锥齿轮727一一对应啮合。转向电机721驱动转向电机圆锥齿轮722旋转，通过两个第一圆锥齿轮723分别驱动两根转向横轴724转动，再通过四个第二圆锥齿轮725同步带动四根转向纵轴726转动，从而使得四个第三圆锥齿轮727转动，使得转向立轴729带动转向壳体728转动，使四个转向壳体728在-90°~+90°范围内同步同向旋转，以控制四个导管螺旋桨71的推进方向。

爬行装置73包括爬行电机731、爬行电机圆锥齿轮732、四个第四圆锥齿轮733、两根爬行横轴734、八个第五圆锥齿轮735、四根爬行纵轴736、四个第六圆锥齿轮737、四根爬行竖轴738、四个第七圆锥齿轮739、四个第八圆锥齿轮7310、四个导管轴架731和四个导管7312，爬行电机731上端垂直固定在舱体3内的中间隔板31下侧面上，爬行电机圆锥齿轮732固定在爬行电机轴上；四个第四圆锥齿轮733两个一对分别固定在两根爬行横轴734的两端端头上，第五圆锥齿轮735两个一对分别固定在四根爬行纵轴736的两端端头上，四个第六圆锥齿轮737和四个第七圆锥齿轮739分别固定在四根爬行竖轴738的两端端头上，四个第八圆锥齿轮7310分别固定在四个导管轴架731一端上。爬行横轴734两端通过4个爬行横轴轴承7313分别支撑在舱体3两端的纵向隔板33上，爬行纵轴736两端通过爬行纵轴轴承7314分别支撑在舱体3两端的横向隔板34上。四根爬行竖轴738两端通过爬行竖轴轴承7315分别支撑在与转向壳体728轴线垂直、且与转向壳体728另一侧固定连接的垂直轴套7281内。

如图3和图6所示，导管轴架731包括水平轴筒7316和数根均布在导管7312内的径向连接杆7317，第八圆锥齿轮7310固定在水平轴筒7316一端上，径向连接杆7317两端分别与水平轴筒7316另一端和导管7312内圆固定连接。水平轴筒7316通过轴承支撑在转向壳体728内。

如图6所示，爬行装置73的各圆锥齿轮啮合关系如下：爬行电机圆锥齿轮732与两个第四圆锥齿轮733啮合，另两个第四圆锥齿轮733的每一个分别与两个第五圆锥齿轮735啮合，另四个第五圆锥齿轮735分别与四个第六圆锥齿轮737一一对应啮合，四个第七圆锥齿轮739分别与四个第八圆锥齿轮7310一一对应啮合。爬行电机731驱动爬行电机圆锥齿轮732旋转，通过两个第四圆锥齿轮733分别驱动两根爬行横轴734转动，再通过四个第五圆锥齿轮735同步带动四根爬行纵轴736转动，从而使得四个第六圆锥齿轮737转动，四个第七圆锥齿轮739同轴转动，带动了四个第八圆锥齿轮7310转动，再通过导管轴架731驱动四个导管7312转动，四个导管7312作为轮式机构同向同速同步爬行。

如图3所示，浮游装置74包括浮游电机741、螺旋桨轴742和第一螺旋桨711，浮游电机741固定在转向壳体728内，螺旋桨轴742一端与浮游电机轴连接，另一端穿过水平轴筒7316后与第一螺旋桨711固定连接。螺旋桨轴742通过一对轴承743支撑在水平轴筒7316内。

图7所示的本发明浮游时各种工作状态如下：

本实施例舱体3两侧分别设有两对导管螺旋桨71，(a)例所示的舱体3右侧的两个导管7312阔口朝外，左侧的两个导管7312窄口朝外。四个导管7312的轴线均平行于舱体3纵向中心线，此时本发明可沿着舱体3纵向中心线方向左右浮游。

（b）例所示舱体3右侧的两个导管7312转动+90°阔口朝上，舱体3左侧的两个导管7312转动+90°窄口朝下，第一螺旋桨711处于正转状态时，此时本发明可沿着舱体3横向中心线方向向图示上方浮游。

（c）例所示舱体3两侧的导管7312的转动方向与（b）例相反，此时本发明可沿着舱体3横向中心线方向向图示下方浮游。

（d）例所示舱体3右侧的两个导管7312转动+45°阔口向右上方，左侧的两个导管7312转动+45°窄口朝左下方。此时本发明可向图示斜向+45°双向箭头方向浮游。

（e）例所示舱体3右侧的两个导管7312转动－45°阔口向右下方，左侧的两个导管7312转动－45°窄口朝左上方。此时本发明可向图示斜向－45°双向箭头方向浮游。

如图1所示，本发明刚下水时处于浮游模态，操控人员根据水面控制平台2操作界面的数据操控垂向动力系统8的垂向动力驱动电机82、浮游装置74的浮游电机741和转向装置72的转向电机721，调整本发明的位置，使其游向目标壁面91。控制两个垂向动力驱动电机82的转速差，使本发明纵倾且以底面向目标壁面91贴近。当本发明的一边接触到壁面上时，操控垂向动力系统8提供反向推力将本发明压吸在壁面上。操控转向电机721、爬行电机731，本发明可以使用导管7312作为轮式机构进行全向爬壁勘察作业，全向爬壁运动转向方法与上述浮游工作状态相似。爬壁作业结束后关闭爬行电机731和垂向动力系统8，舱体3内的惯性导航装置所测数据表明本发明姿态稳定后，即可操纵本发明浮游作业。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种全向浮游爬壁水下机器人，所述全向浮游爬壁水下机器人通过脐带缆与水面控制平台连接，包括密封的舱体、设置在舱体上侧的至少一对带云台的水下高清摄像机、设置在舱体内的主控模块、设置在舱体内外的水下传感设备，以及设置在舱体内外、用于驱动水下机器人在水下全向浮游作业和全向爬壁作业的全向动力系统和垂向动力系统，所述全向动力系统包括对称设置在舱体两侧、两对共四个导管螺旋桨、控制各导管螺旋桨绕垂直轴转动的转向装置、控制各导管转动的爬行装置和控制各导管内第一螺旋桨旋转的浮游装置，所述浮游装置设置在舱体内，浮游装置一端与导管螺旋桨连接；所述转向装置和爬行装置分成上下两层分别设置在舱体内，且通过各自的传动装置彼此连接；所述垂向动力系统垂直设置在舱体上侧内，包括至少两台轴线垂直于第一螺旋桨的第二螺旋桨以及垂向动力驱动电机，所述第二螺旋桨固定在垂向动力驱动电机轴上；其特征是，所述转向装置包括转向电机、转向电机圆锥齿轮、四个第一圆锥齿轮、两根转向横轴、八个第二圆锥齿轮、四根转向纵轴、四个第三圆锥齿轮和四个转向壳体，所述转向电机一端垂直固定在舱体内中间隔板一侧面上，转向电机圆锥齿轮固定在转向电机轴上；第一圆锥齿轮两个一对分别固定在两根转向横轴的两端端头上，第二圆锥齿轮两个一对分别固定在四根转向纵轴的两端端头上，第三圆锥齿轮固定在与转向壳体轴线垂直、且与转向壳体一侧垂直固定连接的转向立轴端头上；所述转向纵轴两端分别通过转向纵轴轴承支撑在舱体两端的横向隔板上；转向横轴两端分别通过数个转向横轴轴承支撑在舱体纵向隔板上，转向装置的各圆锥齿轮啮合关系如下：转向电机圆锥齿轮与两个第一圆锥齿轮啮合，另两个第一圆锥齿轮中每一个分别与两个第二圆锥齿轮啮合，另四个第二圆锥齿轮分别与四个第三圆锥齿轮一一对应啮合。

2.如权利要求1所述的全向浮游爬壁水下机器人，其特征是，所述爬行装置包括爬行电机、爬行电机圆锥齿轮、四个第四圆锥齿轮、两根爬行横轴、八个第五圆锥齿轮、四根爬行纵轴、四个第六圆锥齿轮、四根爬行竖轴、四个第七圆锥齿轮、四个第八圆锥齿轮、四个导管轴架和四个导管，所述爬行电机一端垂直固定在舱体中间隔板另一侧面上，爬行电机圆锥齿轮固定在爬行电机轴上；四个第四圆锥齿轮两个一对分别固定在两根爬行横轴的两端端头上，第五圆锥齿轮两个一对分别固定在四根爬行纵轴的两端端头上，四个第六圆锥齿轮和四个第七圆锥齿轮分别固定在四根爬行竖轴的两端端头上，四个第八圆锥齿轮分别固定在四个导管轴架一端上；所述爬行横轴两端通过爬行横轴轴承分别支撑在舱体两端的纵向隔板上，所述爬行纵轴两端通过爬行纵轴轴承分别支撑在舱体两端的横向隔板上；四根爬行竖轴两端通过爬行竖轴轴承分别支撑在与转向壳体轴线垂直、且与转向壳体另一侧固定连接的垂直轴套内；爬行装置的各圆锥齿轮啮合关系如下：爬行电机圆锥齿轮与两个第四圆锥齿轮啮合，另两个第四圆锥齿轮每一个分别与两个第五圆锥齿轮啮合，另四个第五圆锥齿轮分别与四个第六圆锥齿轮一一对应啮合，四个第七圆锥齿轮分别与四个第八圆锥齿轮一一对应啮合。

3.如权利要求2所述的全向浮游爬壁水下机器人，其特征是，所述导管轴架包括水平轴筒和数根均布在导管内的径向连接杆，第八圆锥齿轮固定在水平轴筒一端上，径向连接杆两端分别与水平轴筒另一端和导管内圆固定连接；水平轴筒通过轴承支撑在转向壳体内。

4.如权利要求1所述的全向浮游爬壁水下机器人，其特征是，所述浮游装置包括浮游电机、螺旋桨轴和第一螺旋桨，所述浮游电机固定在转向壳体内，螺旋桨轴一端与浮游电机轴连接，螺旋桨轴另一端穿过水平轴筒后与第一螺旋桨固定连接；螺旋桨轴通过一对轴承支撑在水平轴筒内。

5.如权利要求1所述的全向浮游爬壁水下机器人，其特征是，所述转向壳体为子弹头型水密壳体，分别与转向壳体上下侧固定连接的转向立轴、垂直轴套同轴，转向壳体分别位于舱体两侧的上延伸段和下延伸段之间，转向立轴和垂直轴套分别通过支撑轴承垂直支撑在上延伸段和下延伸段上。