CN106394835A - 水下检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的水下检测机器人，包括机器人主体；所述机器人主体内设有检测仓、转向控制仓、浮力调节仓、重心调节仓、电源仓和控制仓；所述检测仓内设有用于对周围环境进行扫描的测距声纳和前视声纳；所述控制仓内设有控制系统，所述控制系统可接收所述测距声纳和前视声纳发出的信号并控制所述机器人主体进行避障动作，本发明的水下检测机器人可实现水下航行、浮潜、回转、定常滑翔与自主避障的多功能的一体化，具有能耗小、航程大、安全性好、生存系数高、性能稳定、噪声低、动作灵活、续航时间长等优良特点。

Description

水下检测机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是指一种水下检测机器人。

背景技术

现代工程检测技术趋于完善的今天，水下检测虽然已有发展，但依然面临着水下环境恶劣，危险系数大，人员无法到达，不确定因数过多的困难。而在水下建筑工程如桥墩大坝的检测又直接关系着人们的生命财产安全。因此发展一种水下机器人代替人类实现水下检测的任务就变得十分重要，而现役水下机器人大多有着各自的局限性。

目前，水下检测机器人邻域中，主要研究的方向有三个:仿生式水下机器人，滑翔式水下机器人，以及推进式水下机器人。在这三种方式中，仿生式水下机器具有良好的水动力特性，但对环境的抗干扰能力弱。滑翔式水下机器人，具有能耗小航程大等优点，但动力不足。推进式水下机器人，通过主体上安装数个螺旋桨推进器，或水平设置或垂直设置，其噪声大扰动大。采用这些机器人都难以完成现代水下检测对机器人提出的大范围，长时间，抗干扰性好，动力强，灵活方便，在特殊位置悬停作业等一系列要求。

因此，为解决以上问题，需要一种能够实现了水下航行、浮潜、回转、定常滑翔与自主避障的多功能的一体化的水下检测机器人，该水下检测机器人采用滑翔推进和螺旋桨推进的结合推进方式，具有良好的动力性、抗干扰性，且能耗小、航程大、安全性好、生存系数高、性能稳定、灵活方便、可以长时间大范围的实施检测作业的优点。

发明内容：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有水下检测机器人所存在的缺陷，提出一种水下检测机器人，该水下检测机器人采用滑翔推进和螺旋桨推进的结合推进方式，实现了水下航行、浮潜、回转、定常滑翔与自主避障的多功能的一体化，具有良好的动力性、抗干扰性，且能耗小、航程大、安全性好、生存系数高、性能稳定、灵活方便的优点，可以在水下长时间大范围的实施检测作业。

本发明的水下检测机器人，包括机器人主体；所述机器人主体内设有检测仓、转向控制仓、浮力调节仓、重心调节仓、电源仓和控制仓；所述检测仓内设有用于对周围环境进行扫描的测距声纳和前视声纳；所述控制仓内设有控制系统，所述控制系统可接收所述测距声纳和前视声纳发出的信号并控制所述机器人主体进行避障动作；

进一步，所述转向控制仓内设有转向控制机构，所述转向控制机构包括至少两个转向推进器、固定连接于两转向推进器之间的连接轴以及用于驱动所述连接轴转动的转向伺服电机；

进一步，所述浮力调节仓内设有气囊、用于向所述气囊充气或吸气的气缸、与所述气缸配合的活塞以及用于驱动所述活塞动作的浮力调节伺服电机，所述活塞杆为丝杆，所述丝杆上通过螺纹配合有以轴向限位的方式设置于浮力调节仓内的螺母，所述浮力调节伺服电机通过驱动所述螺母转动实现对活塞运动的控制；

进一步，所述重力调节仓内设有重心调节机构，所述重心调节机构包括水平调节电机、圆周调节电机以及可沿水平方向滑动并能绕水平方向转动的方式设置的偏心滑块；所述水平调节电机通过丝杆螺母机构驱动所述偏心滑块沿水平方向滑动；所述圆周调节电机通过行星齿轮机构驱动所述偏心滑块绕水平方向转动；

进一步，所述偏心滑块固定连接于所述丝杆螺母机构的螺母，所述水平调节电机通过二级减速齿轮副驱动所述丝杆螺母机构的丝杆转动以实现所述偏心滑块的水平滑动；所述丝杆螺母机构的丝杆作为行星轮轴与所述行星齿轮机构的行星轮转动配合，所述行星齿轮机构的齿圈固定于所述重心调节仓内，所述圆周调节电机通过一级减速齿轮副驱动以可离合的方式驱动行星齿轮机构的太阳轮转动；

进一步，所述机器人主体内还设有传感器系统，所述传感器系统包括：摄像机，所述摄像机设置于所述机器人主体前端并信号连接于所述控制系统，用于将采集的图像数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；高度计，所述高度计用于实时测量水下机器人所处的高度，且该高度计信号连接于所述控制系统，用于将采集的高度数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；电子罗盘，所述电子罗盘用于测量水下机器人的艏向角、纵倾角和横摇角，且该电子罗平信号连接于所述控制系统，用于将所获得的方位数据通过控制系统上传至水面的控制中心；超声波探测仪，所述超声波探测仪设置于机器人主体前端，用于对水下建筑体的内部的进行探伤；该该超声波探测仪信号连接于所述控制系统，用于将所获得的裂纹裂缝数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；

进一步，所述水下机器人主体的横向两侧对称分列设置有至少两对垂直推进器；

进一步，所述水下机器人主体横向两侧设置有用于容纳所述气囊的气囊仓，所述气囊仓设有进水口，所述气囊的口部连通于所述气缸的出气口；

本发明的水下检测机器人还包括固定于机器人主体两侧的水平滑翔翼，所述机器人主体尾部设有水平螺旋推进器；

本发明的水下检测机器人还包括可漂浮于水面的浮标通讯系统，所述浮标通讯系统通过有线通信的方式与所述传感系统信号连接，所述浮标通讯系统用于将传感系统采集的数据与图像通过无线网络传递到水面控制中心进行实时分析处理。

本发明的有益效果是：本发明的水下检测机器人包括机器人主体，所述机器人主体内设有位于前部的检测仓和转向调节仓，位于中部的浮力控制仓和重心调节仓，以及位于后部的电源和控制仓，所述检测仓内设有声纳组件，声纳组件实时探测水下环境，传送水下环境信息至控制仓中控制系统，控制系统根据水下环境信息向机器人的运动机构输出运动控制指令，所述控制仓通过所述浮标线缆连接所述水面浮标通信系统，接收水面的远程控制指令，并上传水下的视频信息和传感数据，所述机器人主体两侧对称设置有两对垂直推进器，所述机器人主体与所述垂直推进器通过设置在机器人两侧的气囊仓固定连接在一起，所述气囊仓外侧中部设置有一水平滑翔翼，所述机器人主体尾部水平分布有螺旋桨推进器，所述机器人主体前部垂直分布着两个联动的转向推进器，所述滑翔翼，浮力控制仓，重心调节仓的配合实现机器人的回转运动和定常滑翔运动；通过螺旋桨推进器与垂直推进器实现水下航行、浮潜运动；通过转向推进器实现机器人水下灵活转向；的通过浮标系统实现水下控制系统与水面控制中心的实时信号与图像传送和接收；通过声纳探测实现自主避障。从而实现本水下机器人的水下航行、浮潜、回转、定常滑翔与自主避障的功能，使本机器人具有能耗小、航程大、安全性好、生存系数高、性能稳定、噪声低、动作灵活、续航时间长等优点。

附图说明：

图1为本发明的水下检测机器人的总体结构示意图；

图2为本发明的重心调节机构结构示意图；

图3为本发明的浮力调节机构结构示意图；

图4为本发明的转向控制机构的结构示意图；

图5为本发明的水下检测机器人整体控制示意图。

具体实施方式

图1为本发明的水下检测机器人的总体结构示意图，如图所示，本发明的水下检测机器人，包括机器人主体；所述机器人主体内设有检测仓1、转向控制仓103、浮力调节仓、重心调节仓7、电源仓和控制仓10；所述检测仓1内设有用于对周围环境进行扫描的测距声纳20和前视声纳22；所述控制仓10内设有控制系统，所述控制系统可接收所述测距声纳20和前视声纳22发出的水下环境信号并控制所述机器人主体进行避障动作，测距声纳20能够对水下机器人周围的环境进行扫描，形成图像和距离数据传送至控制系统，提前对障碍物进行预测，从而提前转向或悬停，实现水下机器人的自主避障；

本实施例中，所述转向控制仓103内设有转向控制机构，所述转向控制机构包括至少两个转向推进器13、固定连接于两转向推进器13之间的连接轴14以及用于驱动所述连接轴14转动的转向伺服电机16，两转向推进器13以可在水平面内同步转动的方式设置于转向控制仓103，通过控制转向推进器13的转动以对水下机器人的前进方向进行控制，在转向控制仓103中，转向伺服电机16带动转向减速齿轮转动，减速齿轮进而带动一组锥齿轮副转动，锥齿轮副的从动齿轮传动配合于连接轴14上，进而带动连接轴14转动，而转向推进器13固定于连接轴14，因此，转向伺服电机16可最终带动两转向推进器13同步转动，实现水下机器人的转向，为防止水进入转向仓内，可在转向连接轴14上设置密封圈，从而安全可靠的实现水下机器人的灵活转向。

本实施例中，所述浮力调节仓内设有气囊8、用于向所述气囊8充气或吸气的气缸、与所述气缸配合的活塞57以及用于驱动所述活塞57动作的浮力调节伺服电机55，所述活塞57杆51为丝杆，所述丝杆上通过螺纹配合有以轴向限位的方式设置于浮力调节仓内的螺母38，所述浮力调节伺服电机通过驱动所述螺母38转动实现对活塞57运动的控制，在浮力控制仓10中，浮力调节伺服电机55可通过一对减速齿轮副54带动转动配合于基座44上的传动轴转动，传动轴通过两个推力滚子轴承可转动支撑于基座44上，传动轴上传动配合有一主动锥齿轮53，作为活塞57杆51的丝杆上配合有一作为螺母38的从动锥齿轮52，该从动锥齿轮52中心孔具有内螺纹并通过该内螺纹与丝杆配合，丝杠可带动活塞57水平移动，该丝杆可绕活塞57中心线转动，丝杆通过挡板与螺钉连接在活塞57上。活塞57周围固定有橡胶密封圈58，用于防止气体在压缩过程中的泄漏，在气缸内壁设有2个限位传感器56，当活塞57在一定进入传感器限定的距离时，会产生停止信号，在气缸的右端还有两个开口，开口处连接两个气囊8，气囊8置于机器人主体边上的气囊8腔中，气囊8腔边上还开有4个进水孔2，通过电机的转动就可以实现水下机器人浮力的调节。

本实施例中，所述重力调节仓内设有重心调节机构，所述重心调节机构包括水平调节电机、圆周调节电机42以及可沿水平方向滑动并能绕水平方向转动的方式设置的偏心滑块35；所述水平调节电机通过丝杆螺母38机构驱动所述偏心滑块35沿水平方向滑动；所述圆周调节电机42通过行星齿轮机构驱动所述偏心滑块35绕水平方向转动，本实施例中，重心调节仓7内设置有滑杆34，偏心滑块35滑动配合于所述滑杆34上，水平调节电机通过丝杆螺母38机构带动所述偏心滑块35沿滑杆34纵向往复滑动，圆周调节电机42用于带动行星齿轮机构的太阳轮40转动，行星齿轮机构的行星轮轴可带动偏心滑块35绕滑杆34转动，从而实现对水下机器人的重心进行调节。

本实施例中，所述偏心滑块35固定连接于所述丝杆螺母38机构的螺母38，所述水平调节电机通过二级减速齿轮副32驱动所述丝杆螺母38机构的丝杆转动以实现所述偏心滑块35的水平滑动；所述丝杆螺母38机构的丝杆作为行星轮轴与所述行星齿轮机构的行星轮转动配合，所述行星齿轮机构的齿圈41固定于所述重心调节仓7内，所述圆周调节电机42通过一级减速齿轮副43驱动以可离合的方式驱动行星齿轮机构的太阳轮40转动，(电机42与太阳轮40之间的传动链中可设置牙嵌离合器45实现可离合)；在重心调节仓7中，水平调节伺服电机30固定安装在重心调节仓7内的基座44上，重心调节仓7内还固定设置有与丝杆平行的中间轴31，丝杆以可绕中间轴31转动的方式支承在中间轴31上，伺服电机通过二级减速增矩齿轮副带动丝杆自转，丝杆的自转将带动与偏心滑块35固定连接的螺母38沿丝杆轴向运动，从而对偏心滑块35与丝杆的相对位置进行调节，行星齿轮机构的齿圈41与中间轴31保持同轴，丝杆作为行星轮轴与行星轮配合，当行星齿轮机构的太阳轮40在圆周调节电机42的带动下转动时，作为行星轮轴的丝杆将绕太阳轮40公转，因此，螺母38也将绕太阳轮40轴线进行公转，进而实现偏心滑块35的圆周转动，综上所速，重心调节机构可以灵活方便的实现重心的水平调节和圆周方向调节，进而使水下机器人产生俯仰运动和回转运动或者平衡。

本实施例中，所述机器人主体内还设有传感器系统，所述传感器系统包括：摄像机19，所述摄像机19设置于所述机器人主体前端并信号连接于所述控制系统，用于将采集的图像数据通过控制系统上传至水面上的控制中心23；高度计17，所述高度计17用于实时测量水下机器人所处的高度，且该高度计17信号连接于所述控制系统，用于将采集的高度数据通过控制系统上传至水面上的控制中心23；电子罗盘18，所述电子罗盘18用于测量水下机器人的艏向角、纵倾角和横摇角，且该电子罗平信号连接于所述控制系统，用于将所获得的方位数据通过控制系统上传至水面的控制中心23；超声波探测仪，所述超声波探测仪设置于机器人主体前端，用于对水下建筑体的内部的进行探伤；该该超声波探测仪信号连接于所述控制系统，用于将所获得的裂纹裂缝数据通过控制系统上传至水面上的控制中心23。

本实施例中，所述水下机器人主体的横向两侧对称分列设置有至少两对垂直推进器9；垂直推进器9的设置使得水下机器人可以实现快速的上升和下潜，具有更高的机动性，更好的抗干扰性，同时满足了机器人对在特殊位置悬停作业等一系列要求。

本实施例中，所述水下机器人主体横向两侧设置有用于容纳所述气囊8的气囊仓5，所述气囊仓5设有进水口，所述气囊8的口部连通于所述气缸的出气口。

本实施例的水下检测机器人还包括固定于机器人主体两侧的水平滑翔翼6，所述机器人主体尾部设有水平螺旋推进器11，滑翔翼6的设置配合了浮力调节系统和重心调节系统，使水下机器人可以实现低能耗下的定常滑翔运动，而螺旋桨推进器在水下航行，可以实现机器人的快速航行，同时在机器人做滑翔运动时，也可以加快机器人的运动。这也大大提高了机器人滑翔的机动性。

本发明的水下检测机器人还包括可漂浮于水面的浮标通讯系统12，所述浮标通讯系统12通过有线通信的方式与所述传感系统信号连接，所述浮标通讯系统12用于将传感系统采集的数据与图像通过无线网络传递到水面控制中心23进行实时分析处理，从而实现了水下与水上数据的实时通信、监控和处理。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水下检测机器人，其特征在于，包括:机器人主体；所述机器人主体内设有检测仓、转向控制仓、浮力调节仓、重心调节仓、电源仓和控制仓；

所述检测仓内设有用于对周围环境进行扫描的测距声纳和前视声纳；所述控制仓内设有控制系统，所述控制系统可接收所述测距声纳和前视声纳发出的水下环境信号并控制所述机器人主体进行避障动作。

2.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：所述转向控制仓内设有转向控制机构，所述转向控制机构包括至少两个转向推进器、固定连接于两转向推进器之间的连接轴以及用于驱动所述连接轴转动的转向伺服电机。

3.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：所述浮力调节仓内设有气囊、用于向所述气囊充气或吸气的气缸、与所述气缸配合的活塞以及用于驱动所述活塞动作的浮力调节伺服电机，所述活塞杆为丝杆，所述丝杆上通过螺纹配合有以轴向限位的方式设置于浮力调节仓内的螺母，所述浮力调节伺服电机通过驱动所述螺母转动实现对活塞运动的控制。

4.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：所述重力调节仓内设有重心调节机构，所述重心调节机构包括水平调节电机、圆周调节电机以及可沿水平方向滑动并能绕水平方向转动的方式设置的偏心滑块；所述水平调节电机通过丝杆螺母机构驱动所述偏心滑块沿水平方向滑动；所述圆周调节电机通过行星齿轮机构驱动所述偏心滑块绕水平方向转动。

5.根据权利要求4所述的水下检测机器人，其特征在于：所述偏心滑块固定连接于所述丝杆螺母机构的螺母，所述水平调节电机通过二级减速齿轮副驱动所述丝杆螺母机构的丝杆转动以实现所述偏心滑块的水平滑动；所述丝杆螺母机构的丝杆作为行星轮轴与所述行星齿轮机构的行星轮转动配合，所述行星齿轮机构的齿圈固定于所述重心调节仓内，所述圆周调节电机通过一级减速齿轮副驱动以可离合的方式驱动行星齿轮机构的太阳轮转动。

6.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：所述机器人主体内还设有传感器系统，所述传感器系统包括：

摄像机，所述摄像机设置于所述机器人主体前端并信号连接于所述控制系统，用于将采集的图像数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；

高度计，所述高度计用于实时测量水下机器人所处的高度，且该高度计信号连接于所述控制系统，用于将采集的高度数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；

电子罗盘，所述电子罗盘用于测量水下机器人的艏向角、纵倾角和横摇角，且该电子罗盘信号连接于所述控制系统，用于将所获得的方位数据通过控制系统上传至水面上的控制中心；

超声波探测仪，所述超声波探测仪设置于机器人主体前端，用于对水下建筑体的内部的进行探伤；该该超声波探测仪信号连接于所述控制系统，用于将所获得的裂纹裂缝数据通过控制系统上传至水面上的控制中心。

7.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：所述水下机器人主体的横向两侧对称分列设置有至少两对垂直推进器。

8.根据权利要求3所述的水下检测机器人，其特征在于：所述水下机器人主体横向两侧设置有用于容纳所述气囊的气囊仓，所述气囊仓设有进水口，所述气囊的口部连通于所述气缸的出气口。

9.根据权利要求1所述的水下检测机器人，其特征在于：还包括固定于机器人主体两侧的水平滑翔翼，所述机器人主体尾部设有水平螺旋推进器。

10.如权利要求1中所述水下检测机器人，其特征在于：还包括可漂浮于水面的浮标通讯系统，所述浮标通讯系统通过有线通信的方式与所述传感系统信号连接，所述浮标通讯系统用于将传感系统采集的数据与图像通过无线网络传递到水面控制中心进行实时分析处理。