CN105292406A - 一种微型缆控水下观测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型缆控水下观测机器人，包括主舱、照明系统、视频获取系统、推进系统和浮体，浮体固定在主舱的上方，推进系统包括两个水平推进模块和两个斜向推进模块，两个水平推进模块相互平行对称地设置在机器人主舱的两侧，两个斜向推进模块在与机器人主舱轴线垂直的平面内呈V型交叉嵌入在机器人主舱的中部两侧；视频获取系统包括设置在主舱内部前端的摄像头，摄像头固定在上下摆动云台上，上下摆动云台由伺服电机驱动。本发明采用V型排布和水平排布相结合的四个推进模块，可为机器人提供5个自由度的运动能力，加上摄像头能够在绕y轴±60°范围内摆动拍摄，本发明能够实现六个自由度的自由观测，提高了机器人的灵活机动性。

Description

一种微型缆控水下观测机器人

技术领域

本发明属于机电一体化装置，具体涉及一种用于水下观察的有缆遥控水下机器人。

背景技术

缆控水下观测机器人是一种载有摄像系统或者操作手的水下机器人，该机器人具有螺旋桨推进器，可以实现多自由度的水下运动控制，同时，机器人顶部设置有一根与水面操控单元互联的脐带缆，脐带缆可以完成控制指令、图像信息和电能的传输。缆控水下观测机器人具有广泛的应用，如水下搜救、水下作业，水下测量等。

缆控水下机器人形式多样，根据排水量等级不同可以分为微型、小型、中型和大型四类；根据是否安装有操作臂(缆控水下机器人都载有视频获取系统)可以分为观察型和作业型两类；根据主体结构形式不同可以分为耐压壳式和框架式两类。

目前，微型耐压壳式观察型水下机器人的水下机器人推进系统多采用水平推进(x方向)装置和竖直推进(y方向)装置相结合的布置方式，这种布置方式只有两个方向的分量，无法直接实现第三个方向的运动，或者实现困难。当前，现有的磁耦合水平推进装置和竖直推进装置较为先进的结构形式是：磁节布置采用毂式结构，请参见中国专利文献CN101508335A，在2009年8月19日公开的“水下螺旋桨推进模块和包含该模块的水下航行器”。其中推进模块的磁性联轴节采用毂式结构，轴向长度较长，内外毂悬臂较长，稳定性不好，同轴度要求较高，要求加工精度较高，并且，由于磁性联轴节采用的是长条形磁石，且内毂是薄壁结构，导致内毂加工困难。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种微型缆控水下观测机器人，该机器人能够实现六个自由度的运动，并且结构紧凑、稳定，便于加工。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种微型缆控水下观测机器人，包括主舱、照明系统、视频获取系统、推进系统和浮体，所述浮体固定在所述主舱的上方，所述推进系统包括两个水平推进模块和两个斜向推进模块，两个所述水平推进模块相互平行对称地设置在机器人主舱的两侧，两个所述斜向推进模块在与机器人主舱轴线垂直的平面内呈V型交叉嵌入在机器人主舱的中部两侧；所述水平推进模块和所述斜向推进模块结构相同，均采用螺旋桨推进模块，所述螺旋桨推进模块包括电机和密封舱，所述电机的输出轴通过盘式磁性联轴节与从动轴连接，在所述从动轴上安装有螺旋桨，所述盘式磁性联轴节由内磁盘和与其相对的外磁盘以及设置在所述内磁盘和所述外磁盘之间的不锈钢隔离罩组成，所述内磁盘连接在所述电机的输出轴上，所述不锈钢隔离罩罩在所述内磁盘外面，所述不锈钢隔离罩设置在所述密封舱的后端，二者形成密封连接；所述外磁盘连接在所述从动轴上，所述从动轴支撑在尾锥内，所述尾锥套装在所述不锈钢隔离罩外；所述不锈钢隔离罩与所述外磁盘通过钢球和耐磨垫接触，所述耐磨垫嵌装在所述不锈钢隔离罩的外侧中央，所述钢球嵌装在所述外磁盘的内侧中央；

所述视频获取系统包括设置在主舱内部前端的摄像头，所述摄像头垂直固定在上下摆动云台上，所述上下摆动云台由伺服电机驱动，所述伺服电机固定在所述主舱内，所述主舱的前端盖是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述主舱的前端盖兼作摄像头罩，密封连接在所述主舱的前端。

所述照明系统设置在两个所述水平推进模块的前部，所述照明系统包括安装在所述水平推进模块的所述密封舱内部前端的LED聚光灯，所述水平推进模块的所述密封舱的前端盖是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述水平推进模块的所述密封舱的前端盖兼作聚光灯罩，在所述聚光灯罩的内侧设有聚光灯壳，所述聚光灯罩和所述LED聚光灯密封固定在所述水平推进模块的所述密封舱的前端。

所述浮体采用水滴流线型结构。

在所述主舱的下方设有呈八字形布置的两只滑靴，所述滑靴通过支撑腿与所述主舱连接。

所述不锈钢隔离罩通过螺盖Ⅰ压紧锁固在所述密封舱的后端，所述聚光灯罩和所述LED聚光灯采用螺盖Ⅱ压紧锁固在所述水平推进模块的所述密封舱的前端，所述螺盖Ⅰ和所述螺盖Ⅱ均与所述水平推进模块的所述密封舱螺纹连接；所述摄像头罩通过螺盖Ⅲ压紧锁固在所述主舱的前端，所述螺盖Ⅲ与所述主舱螺纹连接。

在所述电机外面包裹有磁屏蔽铁皮。

本发明具有的优点和积极效果是：采用V型排布和水平排布相结合的四个螺旋桨推进模块，可为机器人提供5个自由度的运动能力，加上摄像头能够在绕y轴±60°范围内摆动拍摄，本发明能够实现六个自由度的自由观测，提高了机器人的灵活机动性。推进系统采用盘式磁性联轴节，电机通过磁耦合传动螺旋桨，无需电机输出轴与螺旋桨直接机械连接，易于水下密封，能有效提高机械传动效率，减小传动噪声。除外，盘式结构，能够有效缩短装置的轴向长度，使结构更加紧凑、稳定，并且便于加工。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主舱纵剖结构示意图；

图3为本发明的水平推进模块结构示意图；

图4为本发明的斜向推进模块结构示意图；

图5为图3的A部放大图。

图中：1、主舱；2、水平推进模块；3斜向推进模块；4、浮体；5、视频获取系统；6、滑靴；7、支撑腿；8、照明系统；9、螺盖III；10、伺服电机；11、上下摆动云台；12、摄像头；13、主舱前端盖；14、螺盖II；15、密封舱；16、不锈钢隔离罩；17、防磨垫；18、钢球；19、尾锥；20、螺旋桨；21、从动轴；22、外磁盘；23、内磁盘；24、螺盖I；25、电机；26、磁隔离铁皮；27、Led聚光灯；28、聚光灯罩；

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，一种微型缆控水下观测机器人，包括主舱1、照明系统8、视频获取系统5、推进系统和浮体4，所述浮体4固定在所述主舱1的上方，所述推进系统包括两个水平推进模块2和两个斜向推进模块3，两个所述水平推进模块2相互平行对称地设置在机器人主舱1的两侧，两个所述斜向推进模块3在与机器人主舱1轴线垂直的平面内呈V型交叉嵌入在机器人主舱1的中部两侧；所述水平推进模块2和所述斜向推进模块3均采用螺旋桨推进模块，所述螺旋桨推进模块包括电机25及其密封舱15,所述电机25的输出轴通过盘式磁性联轴节与从动轴21连接，在所述从动轴21上安装有螺旋桨20，所述盘式磁性联轴节由内磁盘23和与其相对的外磁盘22以及设置在所述内磁盘23和所述外磁盘24之间的不锈钢隔离罩16组成，所述内磁盘23连接在所述电机25的输出轴上，所述不锈钢隔离罩16罩在所述内磁盘23外面，所述不锈钢隔离罩16设置在所述密封舱15的后端，二者形成密封连接；所述外磁盘22连接在所述从动轴21上，所述从动轴21支撑在尾锥19内，所述尾锥19套装在所述不锈钢隔离罩16外；所述不锈钢隔离罩16与所述外磁盘22通过钢球18和防磨垫17接触，所述防磨垫17嵌装在所述不锈钢隔离罩16的外侧中央，所述钢球18嵌装在所述外磁盘22的内侧中央。防磨垫17用于防止从动轴21的前端面被磨损。这种接触结构能够提高盘式磁性联轴节两侧悬臂结构的稳定性，并防止滑动磨摩，采用滚珠与耐磨垫形成滚动摩擦，减小接触面积。在上述内磁盘23和外磁盘22相对的表面上均嵌装有多个沿周向均布的磁柱。上述防磨垫17是采用聚甲醛制成的。聚甲醛(英文:polyformaldehyde)热塑性结晶聚合物。被誉为“超钢”或者“赛钢”，又称聚氧亚甲基。英文缩写为POM。

所述视频获取系统包括设置在主舱内部前端的摄像头12，所述摄像头12垂直固定在上下摆动云台11上，所述上下摆动云台11由伺服电机10驱动，所述伺服电机10固定在所述主舱1内，主舱前端盖13是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述主舱前端盖13兼作摄像头罩，密封连接在所述主舱的前端。所述摄像头12上下摆动为机器人提供第6个自由度。

与现有技术相同，在所述主舱中部安装有电源模块、控制模块和电子罗盘；所述主舱的后端盖采用半球形结构，在半球形的主舱后端盖上安装有水密电缆接头和脐带缆接头。

在本实施例中，所述照明系统8设置在两个所述水平推进模块2的前部，所述照明系统8包括安装在所述水平推进模块2的所述密封舱15内部前端的LED聚光灯27，所述水平推进模块2的所述密封舱15的前端盖是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述水平推进模块的所述密封舱的前端盖兼作聚光灯罩28，所述聚光灯罩28和所述LED聚光灯27密封固定在所述水平推进模块2的所述密封舱15的前端。采用对称结构，方便布置。所述浮体4采用水滴流线型结构。能够减少机器人的运行阻力。在所述主舱1的下方设有呈八字形布置的两只滑靴6，所述滑靴6通过支撑腿7与所述主舱1连接。滑靴6对主舱1起到保护作用；同时能在水底的泥沙环境中提供支撑力，方便起停；滑靴6上侧留有配重块安装孔，方便对机器人配平时加载重块使用。所述不锈钢隔离罩16通过螺盖Ⅰ24压紧锁固在所述密封舱15的后端，所述聚光灯罩28和所述LED聚光灯27采用螺盖Ⅱ14压紧锁固在所述水平推进模块2的所述密封舱15的前端，所述螺盖Ⅰ24和所述螺盖Ⅱ14均与所述水平推进模块2的所述密封舱15螺纹连接；所述主舱前端盖13通过螺盖Ⅲ9压紧锁固在所述主舱1的前端，所述螺盖Ⅲ9与所述主舱1螺纹连接。采用螺纹连接，结构紧凑，便于密封。在所述电机25外面包裹有磁隔离铁皮26。用于屏蔽电磁，防止漏磁。因为漏磁不但会干扰磁敏感元件，也会使磁势能“漏”掉，影响最大输出功率。增加磁路截面积，减少漏磁，可以增加最大输出功率。

上述螺旋桨推进模块的工作过程为：电机25驱动内磁盘23旋转，由于内磁盘23与外磁盘22之间的磁耦合作用，转矩透过不锈钢隔离罩16并传递给外磁盘22，外磁盘22将转矩传递给从动轴21，从动轴21带动螺旋桨20转动，旋转的螺旋桨20与水相互作用，产生水下机器人的运行动力。

本发明的工作原理为：使用四个螺旋桨推进模块实现水下机器人五个自由度的运动。详细叙述如下：首先定义坐标系：主舱轴线方向为X轴方向，垂直于水平面的方向为Z轴方向，垂直于XOZ平面方向为Y轴方向。则本发明的工作原理可表述为：两个水平推进模块同向等速运转时，能够驱动水下机器人在x轴方向前进或后退；两个水平推进模块差速运转时，能够驱动水下机器人绕z轴旋转；两个斜向推进模块同向等速运转时，能够驱动水下机器人沿z轴方向上浮或下潜；两个斜向推进模块差速运转时，能够驱动水下机器人绕x轴转动或沿y轴方向平动。摄像头绕y轴±60°范围内的摆动为机器人提供了第6个自由度。因此，本发明能够实现5个自由度的灵活运动。

本发明属于微型耐压壳式观察型水下机器人，与已有微型水下观测机器人的区别是，该水下观测机器人能够实现6个自由度的空间运动，体积小巧，动作灵敏。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型缆控水下观测机器人，包括主舱、照明系统、视频获取系统、推进系统和浮体，所述浮体固定在所述主舱的上方，其特征在于，所述推进系统包括两个水平推进模块和两个斜向推进模块，两个所述水平推进模块相互平行对称地设置在机器人主舱的两侧，两个所述斜向推进模块在与机器人主舱轴线垂直的平面内呈V型交叉嵌入在机器人主舱的中部两侧；所述水平推进模块和所述斜向推进模块结构相同，均采用螺旋桨推进模块，所述螺旋桨推进模块包括电机和密封舱，所述电机的输出轴通过盘式磁性联轴节与从动轴连接，在所述从动轴上安装有螺旋桨，所述盘式磁性联轴节由内磁盘和与其相对的外磁盘以及设置在所述内磁盘和所述外磁盘之间的不锈钢隔离罩组成，所述内磁盘连接在所述电机的输出轴上，所述不锈钢隔离罩罩在所述内磁盘外面，所述不锈钢隔离罩设置在所述密封舱的后端，二者形成密封连接；所述外磁盘连接在所述从动轴上，所述从动轴支撑在尾锥内，所述尾锥套装在所述不锈钢隔离罩外；所述不锈钢隔离罩与所述外磁盘通过钢球和耐磨垫接触，所述耐磨垫嵌装在所述不锈钢隔离罩的外侧中央，所述钢球嵌装在所述外磁盘的内侧中央；

所述视频获取系统包括设置在主舱内部前端的摄像头，所述摄像头垂直固定在上下摆动云台上，所述上下摆动云台由伺服电机驱动，所述伺服电机固定在所述主舱内，所述主舱的前端盖是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述主舱的前端盖兼作摄像头罩，密封连接在所述主舱的前端。

2.根据权利要求1所述的微型缆控水下观测机器人，其特征在于，所述照明系统设置在两个所述水平推进模块的前部，所述照明系统包括安装在所述水平推进模块的所述密封舱内部前端的LED聚光灯，所述水平推进模块的所述密封舱的前端盖是采用有机玻璃制成的，并采用半球形结构，所述水平推进模块的所述密封舱的前端盖兼作聚光灯罩，在所述聚光灯罩的内侧设有聚光灯壳，所述聚光灯罩和所述LED聚光灯密封固定在所述水平推进模块的所述密封舱的前端。

3.根据权利要求1所述的微型缆控水下观测机器人，其特征在于，所述浮体采用水滴流线型结构。

4.根据权利要求1所述的微型缆控水下观测机器人，其特征在于，在所述主舱的下方设有呈八字形布置的两只滑靴，所述滑靴通过支撑腿与所述主舱连接。

5.根据权利要求1所述的微型缆控水下观测机器人，其特征在于，所述不锈钢隔离罩通过螺盖Ⅰ压紧锁固在所述密封舱的后端，所述聚光灯罩和所述LED聚光灯采用螺盖Ⅱ压紧锁固在所述水平推进模块的所述密封舱的前端，所述螺盖Ⅰ和所述螺盖Ⅱ均与所述水平推进模块的所述密封舱螺纹连接；所述主舱前端盖通过螺盖Ⅲ压紧锁固在所述主舱的前端，所述螺盖Ⅲ与所述主舱螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的微型缆控水下观测机器人，其特征在于，在所述电机外面包裹有磁屏蔽铁皮。