CN106741757B - 一种便携式水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种便携式水下机器人。该种水下机器人具有便于实现自由悬停的空心外壳以及水平推进器装置和齿轮传动配重改变装置；其中，左右两个空心外壳形成的水下机器人内部空间，可以提供在水中的浮力；齿轮传动配重改变装置中的电动机通过皮带连接控制小齿轮转动，小齿轮与大齿轮内啮合，带动大齿轮转动，通过改变大齿轮位置，来改变重心位置，然后调节垂直运动方向；水平推进器装置中设置了左右两个螺旋桨，通过控制器控制两个螺旋桨驱动电机的左、右转速不同，以实现水下机器人向左或向右旋转；两边螺旋桨转速相同时，机器人直走；控制螺旋桨正转向前运动，控制螺旋桨反转向后运动。具有结构简单、体积小、便于携带以及适于在浅水区域中作业的特点。

Description

一种便携式水下机器人

技术领域：

本发明涉及一种应用于水下工程或水下作业领域中的机器人。

背景技术：

在水下机器人领域，需要按照不用的作业深度来使用不同的水下机器人，工作水深越深的水下机器人体积越大，质量越重，结构也更加复杂。工作水深越浅的机器人体积越小，质量越轻，结构也相对简单。但是为了解决机器人能在水下实现6个自由度的运动的问题，大多数小型水下机器人选择搭载4个或者更多的螺旋桨，安装在不同的方位，工作的时候给水下机器人提供不同方向的水下推力，从而实现水下各种自由度运动的功能。但是多个螺旋桨工作，就使水下机器人本身有更大的体积，需要更多的电机工作，控制器也需要同时控制更多的电机，使操控更加复杂，达不到小巧、方便的要求。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种便携式水下机器人，该种水下机器人具有结构简单、体积小、便于携带、操作灵活以及可以悬浮且适于在浅水区域中作业的特点。

本发明的技术方案是：该种便携式水下机器人，包括照明装置、机械手操作装置、陀螺仪传感装置、摄像装置以及控制器。

其独特之处在于：所述机器人还包括一个水下机器人主体外壳左半体、一个机器人主体外壳中段、一个水下机器人主体外壳右半体、一套推进装置以及齿轮配重改变装置。

水下机器人主体外壳左半体、机器人主体外壳中段和水下机器人主体外壳右半体通过外壳连接杆连接后形成一个闭合的呈水平放置的圆柱状中空壳体。

所述推进装置包括左动力装置、左螺旋桨、右动力装置以及右螺旋桨；其中，用螺钉把左动力装置和右动力装置分别固定在水下机器人主体外壳左半体和水下机器人主体外壳右半体上，左螺旋桨和右螺旋桨分别同轴联结于左动力装置和右动力装置的转动轴上，以实现通过所述动力装置带动螺旋桨转动；控制器用于控制所述左动力装置和右动力装置工作。

所述齿轮配重改变装置位于所述圆柱状中空壳体内，包括小电机、左配重大齿轮、右配重大齿轮、配重小齿轮、连接皮带以及齿轮连接杆；齿轮连接杆通过螺栓水平固定在所述圆柱状中空壳体内。

配重小齿轮通过小齿轮固定螺钉固定在齿轮连接杆的两端轴肩处，以使得配重小齿轮可随齿轮连接杆的转动而转动；配重小齿轮与左配重大齿轮和右配重大齿轮之间均为内啮合；左配重大齿轮和右配重大齿轮上分别开有左配重大齿轮圆心通孔和右配重大齿轮圆心通孔，通过螺栓穿过所述左配重大齿轮圆心通孔和右配重大齿轮圆心通孔以实现将所述左配重大齿轮和右配重大齿轮固定在所述圆柱状中空壳体的中心轴线处；左配重大齿轮和右配重大齿轮均不与所述圆柱状中空壳体的内壁相触以实现左配重大齿轮和右配重大齿轮保持有旋转自由度。

小电机为所述齿轮配重改变装置提供驱动力，小电机的输出轴通过皮带轮连接皮带，通过皮带传动把转动传递给齿轮连接杆；控制器亦用于控制所述小电机动作。

本发明具有如下有益效果：本发明通过内设的齿轮配重改变装置来实现改变配重，然后改变重心从而改变水下机器人的垂直移动的方向。通过控制器控制螺旋桨的转速，可以完成左右旋转的动作。控制两个螺旋桨左右转速不同，左边螺旋桨转速大于右边螺旋桨转速时，水下机器人向右旋转，右边螺旋桨转速大于左边螺旋桨转速时，水下机器人向右转动，两边螺旋桨转速相同时，机器人直走。控制螺旋桨正转向前运动，控制螺旋桨反转向后运动。这几种调节方式配合就可以完成全方位的水下运动。本发明通过这样一套简单的结构，可以自由的控制水下机器人运动，因为结构简单，所需零件个数少，所占体积小，可以最大程度上的使机器人具有便携性，在浅水作业中更具有优势，在观察作业中，其小巧灵活的身姿可以获得更全面的影像资料。本发明采用了简单的机械机构和两个独立的螺旋桨，而不是用复杂的机械机构多个螺旋桨实现，使水下机器人的复杂程度降低，重量减少，此外通过设置了圆柱状中空壳体的外壳，使得机器人在水里可以自由悬停。

附图说明：

图1是本发明所述水下机器人的整体外部示意图一。

图2是本发明所述水下机器人的侧剖视图。

图3是本发明所述水下机器人的主剖视图。图2和图3相配合，完整的表达出水下机器人的内部结构。

图4是本发明所述水下机器人的上剖视图，是从电池上端进行剖视。

图5是本发明所述齿轮配重改变装置的结构示意图一。

图6是本发明所述齿轮配重改变装置的结构示意图二。图5和图6都是表达齿轮配重改变装置结构的示意图。通过两个不同方向的示意图更加清晰的表达齿轮配重改变机构。

图7是本发明所述推进装置的结构示意图。

图8是本发明所述照明装置的结构示意图。

图9是本发明所述机械手装置的结构示意图。

图10是本发明所述水下机器人的整体外部示意图二。图1和图10都是表达水下机器人的整体外部，区别是从不同角度观察。

图11是本发明所述水下机器人的整体爆炸视图。表达出各个零件在整体中的位置。

图中1-照明装置，2-推进装置，3-机械手操作装置，4-齿轮配重改变装置，5-旋转陀螺仪装置，6-摄像装置，7-电池，8-控制器，9-小电机，10-左配重大齿轮，11-配重小齿轮，12-皮带，13-齿轮连接杆，14-小齿轮固定螺钉，15-左动力装置，16-左螺旋桨，17-LED灯，18-承重框架，19-机械手机构，20-机械手固定钢筋1，21-机器人左把手，22-水下机器人主体外壳左半体1,23-水下机器人主体外壳中段，24-水下机器人主体外壳右半体,25-外壳连接杆，26-右动力装置，27-右螺旋桨，28-承重框架侧面内表面，29-承重框架底端上表面，30-承重框架前表面，31-机械手机构底座，32-轴肩，33-右配重大齿轮，34-左配重大齿轮圆心通孔，35-右配重大齿轮圆心通孔,36-承重框架上端面，37-机器人右把手，38-机械手固定钢筋2，39-钢筋固定螺钉，40-钢筋固定螺母，41-承重框架上钢筋固定孔，42-机器人把手固定螺钉，43-机器人外壳左半体上螺旋桨孔，44-机器人外壳链接通孔，45-机器人外壳链接杆固定螺钉，46-机器人与承重框架链接螺钉，47-承重框架上端面通孔，48-机器人外壳左半体上端面螺纹孔，49-机器人外壳右半体上端面螺纹孔，50-机器人外壳右半体上螺旋桨孔，51-水下机器人下端面，52-机器人把手固定孔。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先介绍本技术方案中属于常规技术的部分：

如图1结合图2、3和4所示，本种便携式水下机器人，包括照明装置1、机械手操作装置3、陀螺仪传感装置5、摄像装置6以及控制器8。

其中，如图8所示，所述照明装置1由一个LED灯17组成，这个LED灯底端有螺纹，通过螺纹将LED灯与分别与水下机器人主体外壳左半体22和水下机器人主体外壳右半体24相连，连接处保持密封。

如图9所示，所述机械手操作装置3由承重框架18，机械手机构19和机械手固定钢筋20组成。承重框架直接与水下机器人主体外壳左半体和水下机器人主体外壳右半体通过螺钉相连。然后把机械手机构放在承重框架内，机械手机构在承重框架内与承重框架侧面内表面28和底端上表面29相切，机械手机构19底座前端面与承重框架前端面30相平，然后用机械手固定钢筋20来固定机械手机构19，让机械手固定钢筋20与机械手机构底座31相切，用螺钉与螺母将机械手固定钢筋与承重框架相连，通过两个这样的机械手固定钢筋将机械手机构固定在承重框架上。

所述陀螺仪旋转装置5由旋转陀螺仪组成，把它贴在摄像头后方，通过它判断水下机器人姿态位置，把数据传输给控制台。控制器8通过程序编写控制水下机器人的动作。

下面介绍本技术方案中的改进之处：所述机器人还包括一个水下机器人主体外壳左半体22、一个机器人主体外壳中段23、一个水下机器人主体外壳右半体24、一套推进装置2以及齿轮配重改变装置4。

其中，水下机器人主体外壳左半体22、机器人主体外壳中段23和水下机器人主体外壳右半体24通过外壳连接杆25连接后形成一个闭合的呈水平放置的圆柱状中空壳体。

如图7所示，所述推进装置2包括左动力装置15、左螺旋桨16、右动力装置26以及右螺旋桨27；固定时，用螺钉把左动力装置和右动力装置分别固定在水下机器人主体外壳左半体和水下机器人主体外壳右半体上，左螺旋桨和右螺旋桨分别同轴联结于左动力装置和右动力装置的转动轴上，以实现通过所述动力装置带动螺旋桨转动；控制器用于控制所述左动力装置和右动力装置工作，从而控制左螺旋桨和右螺旋桨的起停、转速和旋转方向。所述左动力装置和右动力装置中的动力源可以选择电动机。

如图5和如图6所示，所述齿轮配重改变装置4位于所述圆柱状中空壳体内，包括小电机9、左配重大齿轮10、右配重大齿轮33配重小齿轮11、皮带12以及齿轮连接杆13；齿轮连接杆13通过螺栓水平固定在所述圆柱状中空壳体内；

配重小齿轮11通过小齿轮固定螺钉14固定在齿轮连接杆13的两端轴肩32处，以使得配重小齿轮可随齿轮连接杆的转动而转动；配重小齿轮与左配重大齿轮和右配重大齿轮之间均为内啮合；左配重大齿轮和右配重大齿轮上分别开有左配重大齿轮圆心通孔和右配重大齿轮圆心通孔，通过螺栓穿过所述左配重大齿轮圆心通孔和右配重大齿轮圆心通孔以实现将所述左配重大齿轮和右配重大齿轮固定在所述圆柱状中空壳体的中心轴线处。左配重大齿轮和右配重大齿轮均不与所述圆柱状中空壳体的内壁相触以实现左配重大齿轮和右配重大齿轮保持有旋转自由度。配重小齿轮转动带动左配重大齿轮和右配重大齿轮转动，改变配左重大齿轮和右配重大齿轮的位置，因为大齿轮有一定的质量，所以大齿轮位置的改变就可以改变重心位置，然后调节垂直运动方向，重心偏下可以让水下机器人向下运动，重心偏上可以让水下机器人向上运动。机器人内部有电池，为小电机供电。

小电机9为所述齿轮配重改变装置提供驱动力，小电机的输出轴通过皮带轮连接皮带12，小电机转动带动皮带转动，通过皮带传动把转动传递给齿轮连接杆。

下面给出此水下机器人的具体安装和拆卸过程。

首先是安装过程，将机器人中心壳固定，先把电池7放在中心处，让电池下端和前端紧贴在机器人中心壳内中间的框架里，然后把小电机放在装电池外壳的上端，用4个螺钉将小电机固定在装电池外壳的上端，向下旋紧螺钉，螺钉下端面紧贴电池上端，4个螺钉也将电池固定。下一步安装控制器，将控制器也放在装电池的外壳上，用4个螺钉旋紧固定，将电池再次固定。然后将摄像头安装，将旋转陀螺仪粘贴在电池下端。然后分别将两个LED灯旋进机器人外壳一和机器人外壳二螺纹孔内，安装线路，再将左动力装置)通过螺钉固定在机器人外壳一，再将左螺旋桨插入机器人外壳上一上的螺旋桨孔43内，并且与动力装置内部传动装置进行啮合。然后将右动力装置通过螺钉固定在机器人外壳二上，再将右螺旋桨插入机器人外壳上二上的螺旋桨孔内，并且与右动力装置内部传动装置进行啮合。把左配重大齿轮中心通孔与机器人外壳一中心螺纹孔对齐，把右配重大齿轮中心通孔与机器人外壳二中心螺纹孔对齐，然后分别用螺钉相连，再将内部线路连接好，将机器人外壳一和机器人中心外壳和机器人外壳二通过机器人外壳链接杆相互装配在一起，让机器人外壳连接通孔对齐，用外壳连接杆将两个同心孔连接在一起，然后用外壳连接杆固定螺钉旋进外壳连接杆内和外壳固定在一起。用四个外壳连接杆把三个机器人的主体外壳连接。先安装机械手固定钢筋1和机械手固定钢筋2，让机械手固定钢筋1上的通孔与承重框架上钢筋固定孔对齐，用钢筋固定螺钉插入孔中，钢筋固定螺钉帽处在承重框架内，将机械手固定钢筋也同样安装。然后安装机器手装置。承重框架上端面和水下机器人下端面相重合，让承重框架上端通孔和机器人框架下端螺纹孔通过机器人与承重框架链接螺钉相连。把承重框架固定在水下机器人主体上。机械手机构在承重框架内与承重框架侧面内表面和承重框架底端上表面相切，机械手机构底座前端面与承重框架前表面相平。然后用钢筋固定螺母旋紧钢筋固定螺钉，将机械手装置固定。最后安装机器人把手，把机器人左把手上机器人把手固定孔与机器人外壳一上端面螺纹孔对齐，用机器人把手固定螺钉将机器人左把手固定在机器人外壳一上。把机器人右把手上机器人把手固定孔与机器人外壳二上端面螺纹孔对齐，用机器人把手固定螺钉将机器人左把手固定在机器人外壳二上。

然后是拆卸过程。先将机械手操作装置与水下机器人主体之间的螺钉卸下，然后将水下机器人主体上的外壳连接杆卸下，然后分开水下机器人外壳，按照安装步骤将内部零件一个一个卸下。

具体实施时，通过前期结构设计，选择电压为12V的电池，重量1.2kg，电机重138g，3个电机，螺旋桨重300g，两个螺旋桨，水下机器人外部结构由不锈钢组成，机器人外壳重5kg，两个配重大齿轮由碳钢组成，重为1.46kg，机械手装置重2kg，机器人把手重260g，照明装置重400，摄像装置重450，内部其他控制装置及线路重1kg，机器人整体重量为13千克。计算水下机器人内部空间，可以提供大约130N的浮力，在水下机器人放入水中时，在水里可以自由悬停。

应用时，改变配重位置，用两个水平推进器即可完成水平或者垂直的六个方向的运动，可操作性较强。

通过控制器控制螺旋桨的转速，可以完成左右旋转的动作。控制两个螺旋桨左右转速不同，左边螺旋桨转速大于右边螺旋桨转速时，水下机器人向右旋转，右边螺旋桨转速大于左边螺旋桨转速时，水下机器人向右转动，两边螺旋桨转速相同时，机器人直走。控制螺旋桨正转向前运动，控制螺旋桨反转向后运动。这三种调节方式配合就可以完成全方位的水下运动。

Claims (1)

1.一种便携式水下机器人，包括照明装置(1)、机械手操作装置(3)、陀螺仪传感装置(5)、摄像装置(6)以及控制器(8)，

其特征在于：所述机器人还包括一个水下机器人主体外壳左半体(22)、一个机器人主体外壳中段(23)、一个水下机器人主体外壳右半体(24)、一套推进装置(2)以及齿轮配重改变装置(4)；

水下机器人主体外壳左半体(22)、一个机器人主体外壳中段(23)和一个水下机器人主体外壳右半体(24)通过外壳连接杆(25)连接后形成一个闭合的呈水平放置的圆柱状中空壳体；

所述推进装置(2)包括左动力装置(15)、左螺旋桨(16)、右动力装置(26)以及右螺旋桨(27)；其中，用螺钉把左动力装置(15)和右动力装置(26)分别固定在水下机器人主体外壳左半体(22)和水下机器人主体外壳右半体(24)上，左螺旋桨(16)和右螺旋桨(27)分别同轴联结于左动力装置(15)和右动力装置(26)的转动轴上，以实现通过所述动力装置带动螺旋桨转动；控制器(8)用于控制所述左动力装置和右动力装置工作；

所述齿轮配重改变装置(4)位于所述圆柱状中空壳体内，包括小电机(9)、左配重大齿轮(10)、右配重大齿轮(33)、配重小齿轮(11)、皮带(12)以及齿轮连接杆(13)；齿轮连接杆(13)通过螺栓水平固定在所述圆柱状中空壳体内；

配重小齿轮(11)通过小齿轮固定螺钉(14)固定在齿轮连接杆(13)的两端轴肩(32)处，以使得配重小齿轮(11)可随齿轮连接杆(13)的转动而转动；配重小齿轮(11)与左配重大齿轮(10)和右配重大齿轮(33)之间均为内啮合；左配重大齿轮(10)和右配重大齿轮(33)上分别开有左配重大齿轮圆心通孔(34)和右配重大齿轮圆心通孔(35)，通过螺栓穿过所述左配重大齿轮圆心通孔和右配重大齿轮圆心通孔以实现将所述左配重大齿轮和右配重大齿轮固定在所述圆柱状中空壳体的中心轴线处；左配重大齿轮(10)和右配重大齿轮(33)均不与所述圆柱状中空壳体的内壁相触以实现左配重大齿轮(10)和右配重大齿轮(33)保持有旋转自由度；

小电机(9)为所述齿轮配重改变装置提供驱动力，小电机(9)的输出轴通过皮带轮连接皮带(12)，小电机(9)转动带动皮带(12)转动，通过皮带传动把转动传递给齿轮连接杆(13)；

控制器(8)亦用于控制小电机(9)的运转。