CN106828831B - 一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，包括：外球壳、推进装置、内球壳、滚进动力装置、浮力调节装置和驱动转向装置；内球壳能够相对外球壳绕第一轴方向转动的设置于外球壳的内部；滚动动力装置设置于内球壳内，其能够绕第二轴转动产生偏心力矩使潜水器前进或后退；浮力调节装置和转向装置均安装于外球壳和内球壳之间的空间内，其中浮力调节装置能够使潜水器下沉或上浮于水体中，转向装置能够驱动内球壳相对外球壳转动；第一轴垂直于第二轴。本发明具有的有益效果：不仅能够在水体中浮游和水体底部运动，还能够在陆地运动从而实现跨介质活动的能力，此外还能让布放回收变得简单。

Description

一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器
技术领域
本发明属于潜水器技术领域，具体涉及一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器。
背景技术
潜水器作为人类开发利用海洋的主要技术手段之一，已成为海洋高新技术的重要前沿。大量潜水器相继涌现，包括载人潜水器（HOV）、有缆遥控的无人潜水器（ROV）以及无缆自主的无人潜水器（AUV）等。这些潜水器如AUV，最多在近海底巡航或座底待命，无法在海床上自由机动。而可在海底作业的如履带式ROV需要脐带缆水面供电，故目前世界上尚未出现兼具海底运动和水中浮游功能的两栖自主型潜水器。
传统的无人潜水器以框架式、细长回转体及其组合为主，运动状态均为水中浮游。履带或轮式驱动装置牵引负荷大，较为笨重，且容易失稳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，不仅能够在水体中浮游和水体底部运动，还能够在陆地运动从而实现跨介质活动的能力，此外还能让布放回收变得简单。
为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，包括：外球壳、推进装置、内球壳、滚动动力装置、浮力调节装置和转向装置；
外球壳具有一球面形的外壁，内球壳具有一球面形的内壁；内球壳能够相对外球壳绕第一轴方向转动的设置于外球壳的内部；滚动动力装置设置于内球壳内，其能够绕第二轴转动产生偏心力矩使潜水器前进或后退；浮力调节装置和转向装置均安装于外球壳和内球壳之间的空间内，其中浮力调节装置能够使潜水器下沉或浮于水体中，转向装置能够驱动内球壳相对外球壳转动；第一轴垂直于第二轴。
进一步地，滚动动力装置包括：转架、滚轮、驱动电机、控制器和电池组；转架上相对的两侧分别安装滚轮，滚轮与球面形的内壁滚动接触，驱动电机驱动其中一侧的滚轮从而使转架能够相对内球壳转动；控制器与驱动电机电连接，电池分别与控制器和驱动电机电连接；
其中，驱动电机和电池偏心安装于转架上从而使滚动动力装置产生偏心力矩。
进一步地，转架包括：中心支架和弹性支架，滚轮分别安装于中心支架和弹性支架上；弹性支架通过弹簧与中心支架构成沿两侧滚轮中心线方向的弹性连接，从而使两侧滚轮始终能与球形内壁接触。
进一步地，浮力调节装置包括注排水箱、水泵和集成阀组，水经水泵和阀组被吸入或排出于注排水箱中。
进一步地，注排水箱呈管状环形结构，绕内球壳的外周一圈设置。
进一步地，转向装置包括：转向齿圈、转向齿轮和转向电机；转向齿圈设置于内球壳的外壁上，转向电机设置于外球壳的内壁上，转向齿轮设置于转向电机的转轴上并与转向齿圈啮合。
进一步地，外球壳在其直径方向的两端分别具有凸出其外壁的安装部，推进装置分别设置于每个安装部上。
进一步地，每个安装部上的推进装置的数量为两个，同一个安装部上的两个推进装置与垂线对称布置，互成90°角。
进一步地，每个安装部上的推进装置的数量为一个，推进装置能够±90°转动的设置于安装部上。
进一步地，外球壳的外壁上分布有若干的凸触结构或凹槽纹理结构从而增大水底摩擦。
本发明具有的有益效果：不仅能够在水体中浮游和水体底部运动，还能够在陆地运动从而实现跨介质活动的能力，此外还能让布放回收变得简单。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的结构立体图；
图2为图1所示实施例的立体爆炸图；
图3为图1所示实施例的结构主视图；
图4为图1所示实施例的结构侧视图；
图5为图1所示实施例中滚动动力装置的结构立体图；
图6为图1所示实施例中滚动动力装置的结构主视图；
图7为图1所示实施例中滚动动力装置的结构侧视图；
图8为图1所示实施例中滚动动力装置的运动原理图；
图9为图1所示实施例中转向装置的结构俯视图；
图10为本发明另一个优选实施例推进装置水平设置的结构主视图；
图11为图10所示实施例中推进装置竖直设置的结构主视图。
附图标记：
1外球壳；1.1安装部；1.2凸触结构；2推进装置；3支撑架；4内球壳；5滚轮；6转向齿圈；7驱动电机；8中心支架；9弹性支架；10弹簧；11转向齿轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1至9所示，一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，包括：外球壳1、推进装置2、内球壳4、滚动动力装置、浮力调节装置和转向装置。
具体地，为了便于与水体底部或陆地更好的接触以及活动，外球壳1为球形的壳体，其内壁和外壁均为球面，在其外壁上分布有若干凸触结构1.2或类似轮胎的凹槽纹理结构。
为了内球壳4更好的固定在外球壳1中，以及便于滚动动力装置能够更好的产生偏心力矩，内球壳4也为球形的壳体，其内壁和外壁均为球面。内球壳4通过一个支撑架3同心设置于外球壳1的内部，并能够相对外球壳1绕第一轴转动。滚动动力装置设置于内球壳4的内部，浮力调节装置和转向装置均安装于外球壳1和内球壳4之间的空间内。
滚动动力装置产生偏心力矩所具有的结构为：滚动动力装置包括：转架、滚轮5、驱动电机7、控制器和电池。转架上相对的两侧分别安装滚轮5，滚轮5与内球壳4的内壁构成滚动接触，驱动电机7驱动其中一侧的滚轮5从而使转架能够相对内球壳4绕第二轴转动。控制器与驱动电机7电连接控制驱动电机7完成正反转控制，电池分别与控制器和驱动电机7电连接为其供电。其中，驱动电机7和电池作为滚动动力装置中质量较大的部件，因此作为重物偏心安装于转架上从而使转架在转动时能够产生偏心力矩。
如图8所示，将内球壳4和外球壳1看成一个完整的球体，球体与支撑该球体的面之间的作用点为支撑点，将驱动电机7和电池看成倒摆，在重力作用下，倒摆位于球体的底部，当驱动电机7工作使该倒摆相对球体旋转时，倒摆重量相对支撑点形成力矩，该力矩驱动球体反向转动，然后倒摆恢复初始位置。球体转动过程中，支撑该球体的面的摩擦力同时驱动球体前进，重复该过程，球体将连续滚进。
为了能够使滚轮5在转动过程中始终与内球壳4的内壁接触，转架分为可活动的两部分，一部分为中心支架8，另一部分为弹性支架9，中心支架8上安装一对滚轮5，弹性支架9上也安装一对滚轮5，中心支架8上的一对滚轮5分别由一个驱动电机7驱动。弹性支架9通过弹簧10与中心支架8构成沿两侧滚轮5中心线方向的弹性连接，弹簧10使弹性支架9具有相对中心支架8向外运动的趋势，从而使两侧滚轮5始终能与内球壳4的内壁接触。
浮力调节装置改变潜水器在水体中位置状态所具有的结构为：浮力调节装置包括：注排水箱、水泵和集成阀组，水泵采用单向泵，水经水泵和阀组被吸入或排出于注排水箱中。注排水箱为管状环形结构，并环绕内球壳4的外周一圈设置，这样能够使水的重量相对均匀的分布从而会对偏心力矩产生影响。
单向泵开启后，依靠水体压力将水自动吸入注排水箱中，潜水器的重量增加并超过其所受浮力从而沉到水体底部，此时通过滚动动力装置实现在水体底部的运动。一部分水从注排水箱中排出后，潜水器的重量下降并等于其所受浮力从而使潜水器浮游在水体中，此时通过推进装置2实现潜水器的运动。单向泵反向工作进一步将水排出，潜水器的重量小于其所受浮力从而上升浮出水面，可以实现潜水器的回收。
转向装置实现潜水器原地转向所具有的结构为：转向装置包括：转向齿圈6、转向齿轮11和转向电机。转向齿圈6设置于内球壳4的外壁上，其转动轴线与第一轴共线，如沿内球壳的赤道线设置。转向电机设置于外球壳1的内壁上，转向齿轮11设置于转向电机的转轴上并与转向齿圈6啮合。
经过转向电机的转向后，内球壳4及其内部的滚动动力装置同时相对其原始位置转动一定角度，此时潜水器将沿转向后的新方位在水体底部或陆地上运动。
推进装置2采用对称方式安装，外球壳1在其直径方向的两端分别具有凸出其外壁的安装部1.1，推进装置2分别设置于每个安装部1.1上。本发明具有两种推进装置2的安装方式，具体为：
每个安装部1.1上的推进装置2的数量为两个，同一个安装部1.1上的两个推进装置2互成90°角的对置。这种安装方式保证潜水器在滚动任意角度时均提供前进、上浮和转向三个自由度的推力，可以实现紧急上浮。
实施例二
如图10和11所示，与实施例一不同之处在于，本实施例中，每个安装部1.1上的推进装置2的数量为一个，推进装置2能够±90°转动的设置于安装部1.1上。正常情况下两侧推进装置2水平布置，产生前进驱动推力。此外，该推进装置2可进一步旋转到垂直状态，产生上浮、下潜的推力。该安装部具有流线型结构，并且采用透明材料制成，可便于观察潜水器内部结构。
实施例三
与实施例一不同之处在于，本实施例中，水泵采用双向泵实现进水和排水。
为了防止阀组的水口被污泥堵塞，因此可将水口设置在该安装部上从而减少水口与水体底部或陆地接触。
无论采用哪种安装方式，推进装置2均会对转向后的潜水器的运动产生干涉，因此根据具体情况可设置转向装置的转向角度为设定范围内，从而避免推进装置2对滚进的干涉影响。
本发明中，第一轴为图2中的Y轴方向，第二轴为图2中的X轴方向，X轴与Y轴相互垂直。
该潜水器可经母船布放，甚至可从岸边滚入水中或空中投放，在其浮力调节装置的调节作用下沉入水体底部进行滚进或在水体中浮游运动，任务结束后，可从水体底部滚回母船中，颠覆了当前潜水器采用甲板吊放下水的传统布放回收方式。能够在近海调查、冰下观测、海洋牧场监测、海底长期值守等方面发挥重要作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，包括：外球壳和推进装置，其特征在于：还包括：内球壳、滚动动力装置、浮力调节装置和转向装置；
所述外球壳具有一球面形的外壁，所述内球壳具有一球面形的内壁；所述内球壳能够相对所述外球壳绕第一轴方向转动的设置于所述外球壳的内部；所述滚动动力装置设置于所述内球壳内，其能够绕第二轴转动产生偏心力矩使潜水器前进或后退；所述浮力调节装置和所述转向装置均安装于所述外球壳和内球壳之间的空间内，其中所述浮力调节装置能够使潜水器下沉或浮于水体中，所述转向装置能够驱动所述内球壳相对所述外球壳转动；所述第一轴垂直于所述第二轴。
2.根据权利要求1所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述滚动动力装置包括：转架、滚轮、驱动电机、控制器和电池组；所述转架上相对的两侧分别安装所述滚轮，所述滚轮与所述球面形的内壁滚动接触，所述驱动电机驱动其中一侧的滚轮从而使所述转架能够相对所述内球壳转动；所述控制器与所述驱动电机电连接，所述电池分别与所述控制器和所述驱动电机电连接；
其中，所述驱动电机和电池偏心安装于所述转架上从而使所述滚动动力装置产生偏心力矩。
3.根据权利要求2所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述转架包括：中心支架和弹性支架，所述滚轮分别安装于所述中心支架和弹性支架上；所述弹性支架通过弹簧与所述中心支架构成沿两侧滚轮中心线方向的弹性连接，从而使两侧滚轮始终能与所述内球壳的内壁接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：浮力调节装置包括注排水箱、水泵和集成阀组，水经所述水泵和所述阀组被吸入或排出于所述注排水箱中。
5.根据权利要求4所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述注排水箱呈管状环形结构，绕所述内球壳的外周一圈设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述转向装置包括：转向齿圈、转向齿轮和转向电机；所述转向齿圈设置于所述内球壳的外壁上，所述转向电机设置于所述外球壳的内壁上，所述转向齿轮设置于所述转向电机的转轴上并与所述转向齿圈啮合。
7.根据权利要求1所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述外球壳在其直径方向的两端分别具有凸出其外壁的安装部，所述推进装置分别设置于每个安装部上。
8.根据权利要求7所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：每个安装部上的推进装置的数量为两个，同一个安装部上的两个推进装置与垂线对称布置，互成90°角。
9.根据权利要求7所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：每个安装部上的推进装置的数量为一个，所述推进装置能够±90°转动的设置于所述安装部上。
10.根据权利要求1至9任一所述的一种基于内置驱动原理的滚进浮游混合式多栖潜水器，其特征在于：所述外球壳的外壁上分布有若干的凸触结构或凹槽纹理结构从而增大水底摩擦。
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