CN106882347B - 六自由度水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度水下机器人，由密封舱、动力系统、控制系统、图像采集系统、照明系统和冷却系统构成。本发明通过左、右和尾三个推进器的配合作用实现前后、上下、左右、俯仰、偏转、横滚六个自由度运动，即在水中任意方向的运动；通过防水插组对六自由度水下机器人供电和传输信息，具有较强的通用性和扩展性，能够适应多场合、多用途需求；通过调节左、右配重块的位置，使重心位于其浮心正下方；有固定摄像头与活动摄像头组，方便观察周围环境，操作性更强；有蓄电池组提供电源，可以自主控制；有冷却系统，能有效防护电子元器件过热损坏。本发明结构简单、运动灵活、扩展性强，能满足复杂环境下可控性和适应能力的需求。

Description

六自由度水下机器人

技术领域

本发明属于水下设备技术领域，具体地说是一种六自由度水下机器人。

背景技术

在进行水下搜救、大坝和港口检修等水下作业时，人工作业危险系数大、成本高、活动范围有限。利用水下机器人替代潜水员进行水下作业能够克服这些困难。传统的水下机器人多采用在不同方向上布置多个固定式推进器或者采用推进器和舵组合使用的方式实现水下机器人的前后、浮潜、转弯等运动，其结构复杂、体积庞大、运动不灵活，不能满足在复杂环境下的工作需求。增加水下机器人的运动自由度，能够提高其可控性和灵活性。

中国发明专利申请公开说明书CN101003300A公开了一种六自由度水下机器人变相旋转轴推进器，这种推进器包括水下机器人主体和推进器主体，在首尾各安装一台推进器可以完成机器人六自由度的运动；但是，这种方案的横摆运动控制难度大，并且效率低。CN101565095A公开了一种六自由度水下球形机器人，这种水下机器人通过第一、第二电机带动配重绕长轴、短轴转动，实现水中六自由度全方位运动；但是，这种方案依靠配重改变推进器的方向，无法实现水平面内的转向。CN101596931A公开了一种三螺旋桨主动矢量推进的方法，这种水下航行器上安装三套螺旋桨主动矢量推进器，可以实现水下航行器的前进、后退、转弯、上浮、下潜、偏航、俯仰、水下悬浮、侧向平移、可控横滚；但是，这种方案采用的主动矢量推进器结构复杂，并且传动效率低。CN104960650A公开了一种六自由度水下机器人，这种水下机器人采用六个姿态调整装置进行推进，可以实现水下机器人在运动空间内的六自由度运动；但是，这种方案采用六个推进装置，导致水下机器人结构复杂，水阻力较大

发明内容

本发明的目的是针对，旨在提供一种结构简单、运动灵活、扩展性强；在复杂环境下的可控性和适应能力强的六自由度水下机器人。

本发明目的的实现方式为，六自由度水下机器人，由密封舱、动力系统、控制系统、图像采集系统、照明系统和冷却系统构成；

密封盖通过螺钉与密封舱连接，密封盖与密封舱之间设有密封垫；密封舱前部与透明板固定并密封连接，密封盖上固定并密封连接有透明罩；密封舱上有防水插组，防水插组通过电缆与岸上连接；密封舱内有蓄电池组，密封舱上挂架和防水接口；挂架上安装机械手、声纳扩展模块；通过防水接口实现供电和信息传输；密封舱内部有位置可调的左、右配重块；

所述动力系统的左、右推进器安装在密封舱两侧，并对称布置；尾推进器装在密封舱后；左、右转向电机通过联轴器和连接轴接左、右推进器；尾转向电机通过联轴器和连接轴接尾推进器；密封舱和各连接轴之间装有密封装置；

所述控制系统有控制左、右、尾推进器和左、右、尾转向电机的左、右、尾驱动器；工控机与DSP控制器连接，DSP控制器与左、右、尾驱动器、传感器组连接；传感器组的信号通过DSP控制器采集、处理，再传输至工控机；工控机的控制指令经DSP控制器转换、分配，传输至左、右、尾驱动器；

所述图像采集系统的固定摄像头固定在密封舱内部，活动摄像头组安装在安装板上，水平电机固定在安装板，水平电机通过连接件与竖直电机连接；竖直电机安装在固定架，固定架通过螺钉安装在密封舱内；

所述照明系统的左、右照明灯安装在密封舱上，控制左、右照明灯开启与关闭的继电器组安装在密封舱内；

所述冷却系统的水冷片分别贴在左、右、尾驱动器和工控机上，水冷片通过软管与密封舱上的吸水口、出水口连接。

本发明的优点和积极效果为：

1、本发明采用左推进器、右推进器和尾推进器共三个推进器，实现本发明在前后、上下、左右、俯仰、偏转、横滚六个自由度运动，实现其在水中任意方向的运动；结构简单、运动灵活，增强了复杂环境下的可控性和适应能力；

2、密封舱上有防水插组和防水接口，防水插组通过电缆与岸上连接，挂架上安装机械手、声纳扩展模块，通过防水插组对本发明供电和传输信息，具有较强的通用性和扩展性，能够适应多场合、多用途需求；

3、密封舱内有左、右配重块，左配重块和右配重块装在密封舱内，且位置可调；调节左、右配重块的重量，使本发明的重力等于其在水中的浮力；调节左、右配重块的位置，使本发明的重心位于其浮心正下方；

4、密封舱内装有蓄电池组，在不连接电缆条件下，由蓄电池组提供电源；

5、有固定摄像头与活动摄像头组，活动摄像头组安装在两自由度运动平台上；水平电机、竖直电机带动活动摄像头组绕Y轴和Z轴转动，方便操作者观察周围环境，操作性更强；

6、左、右、尾驱动器和工控机上贴水冷片，密封舱外部的水通过吸水口、软管和水冷片从出水口排出，能够有效防护左、右、尾驱动器和工控机内的电子元器件过热损坏。

综上所述，本发明与现有技术相比，结构简单、运动灵活、扩展性强，更能满足复杂环境下的可控性和适应能力的需求。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的密封舱内部结构示意图；

图3是本发明的仰视图；

图4是本发明的主视图；

图5是本发明的右视图；

图6是图4的纵向剖视图；

图7是活动摄像头组的结构示意图；

图8-9是本发明前后运动示意图；

图10-11是本发明上下运动示意图；

图12-13是本发明左右运动示意图；

图14-15是本发明俯仰运动示意图；

图16-17是本发明偏转运动示意图；

图18-19是本发明横滚运动示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

参照图1-7，本发明由密封舱、动力系统、控制系统、图像采集系统、照明系统和冷却系统构成。

参照图1，密封盖2通过螺钉与密封舱7连接，密封盖2与密封舱7之间设有密封垫。密封垫一方面保护密封舱7内部元器件，另一方面方便本发明水下机器人的装配和维护。

密封舱7前部有透明板8，在密封盖上有透明罩3，用于在密封舱内部安装摄像头组。透明板8与密封舱7之间、透明罩3与密封盖2之间固定并密封，防止外界水进入密封舱，损坏内部元器件。

密封舱上有防水插组4，防水插组通过电缆与岸上连接，实现水下机器人的供电和信息传输。密封舱7内有蓄电池组14，在不接电缆下给水下机器人提供电源。使本发明有两种工作模式，一种是连接电缆下岸上操作员的遥控模式，另一种是接电缆下依靠内部程序自主控制模式。

参照图3，密封舱上还有挂架27和防水接口25。根据水下作业需要，挂架27上可安装机械手、声纳等扩展模块。通过防水接口25实现供电和信息传输，满足不同应用场合的需求、

参照图2、4、5，密封舱7内有左配重块18、右配重块24。通过调整左配重块18、右配重块24的重量，使本发明的重力和在水中的浮力相等，实现其在水中的悬浮状态。参照图4、5，通过调节左配重块18、右配重块24的位置，使重心44位置位于浮心43下方，实现使水下机器人在水中的稳定平衡。

参照图6，密封舱和各连接轴之间装有密封装置38，防止外界水进入密封舱7损坏内部元器件。

参照图1、2，所述动力系统左推进器6、右推进器1、尾推进器5和安装于密封舱7内的左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15。左、右推进器安装在密封舱两侧，并对称布置；尾推进器5装在密封舱后。

左、右转向电机通过联轴器和连接轴接左、右推进器。左转向电机17通过联轴器和连接轴带动左推进器6绕Y轴旋转，右转向电机9通过联轴器和连接轴带动右推进器1绕Y轴旋转，尾转向电机15通过联轴器和连接轴带动尾推进器5绕X轴旋转。尾转向电机通过联轴器和连接轴接尾推进器。三个推进器的推力与三个转向电机的转动组合，实现本发明在前后、上下、左右、俯仰、偏转、横滚六个自由度上的运动。

参照图2，所述控制系统包括工控机19、DSP控制器21、左驱动器16、右驱动器10、尾驱动器13、传感器组。工控机19与DSP控制器28连接，工控机19作为上位机用于运动控制、图像处理、数据存储、与岸上通信，DSP控制器21用于数据采集、处理和驱动器控制。传感器组的信号通过DSP控制器采集、处理，再传输至工控机19；工控机的控制指令经DSP控制器转换、分配，传输至左驱动器16、右驱动器10、尾驱动器13。

左驱动器16控制左推进器6和左转向电机17的正转、反转和停止，右驱动器10控制右推进器1和右转向电机9的正转、反转和停止，尾驱动器13控制尾推进器5和尾转向电机15的正转、反转和停止。

参照图2、图7，所述图像采集系统包含固定摄像头23、活动摄像头组11。固定摄像头23固定在密封舱7内部。活动摄像头组包含至少一个摄像头，活动摄像头组安装在两自由度运动平台上。所述的两自由度运动平台为由水平电机、竖直电机、固定架、连接件和安装板所组成的平台。

活动摄像头组11的摄像头数目优选为两个，为左摄像头111和右摄像头112。左摄像头111和右摄像头112安装在安装板41上，水平电机42固定于安装板41，通过连接件与竖直电机39连接，竖直电机安装在固定架12上，固定架通过螺钉安装在密封舱7内。水平电机42、竖直电机39带动活动摄像头组11绕Y轴和Z轴转动，不需要改变本发明的方向即可观察周围的环境情况，进一步提高了本发明的灵活性。

参照图3，所述照明系统的左、右照明灯安装在密封舱上，继电器组20安装在密封舱内。继电器组20控制左照明灯28和右照明灯26的开启与关闭，用于黑暗环境下灯光补偿。

所述冷却系统由吸水口22、软管、水冷片和出水口29组成。四块水冷片分别贴在左驱动器16、右驱动器10、尾驱动器13和工控机19上。水冷片通过软管与密封舱上的吸水口22、出水口29连接。密封舱7外部的水通过吸水口22、软管和水冷片从出水口29排出，能够有效防护左、右、尾驱动器和工控机内的电子元器件过热损坏。

下面详述本发明在前后、上下、左右、俯仰、偏转、横滚六个运动自由度运动，实现其在水中任意方向的运动的情况。

以图8所示位置为左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15为零点，角度范围为0°～360°。

参照图8-9，本发明沿X轴做前后运动。当左转向电机17、右转向电机9和尾转向电机15都位于0°位置时，左推进器6和右推进器1提供向前的推力，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现向前运动；当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于180°、180°、0°位置时，左推进器6和右推进器1提供向后的推力，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现本发明的向后运动。

参照图10-11，本发明沿Z轴做上下运动。当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于270°、270°、0°位置时，左推进器6、右推进器1和尾推进器5都提供向上的推力，实现本发明的上浮运动；当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于90°、90°、180°位置时，左推进器6、右推进器1和尾推进器5都提供向下的推力，实现本发明的下潜运动。

参照图12-13，本发明沿Y轴做左右运动。当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于180°、0°、270°位置时，由尾推进器5提供本发明向左平移的推力，由左推进器6和右推进器1抵消尾推进器产生的绕Z轴的转向扭矩，实现本发明的向左平移运动；当左转向电机17、右转向电机、12尾转向电机15分别位于0°、180°、90°位置时，由尾推进器5提供本发明向右平移的推力，由左推进器6和右推进器1抵消尾推进器产生的绕Z轴的转向扭矩，实现本发明的向右平移运动。

参照图14-15，本发明绕Y轴做俯仰运动。当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于90°、90°、0°位置时，左推进器6、右推进器1和尾推进器5同时提供推力，实现本发明的下俯运动；当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于270°、270°、180°位置时，左推进器6、右推进器1和尾推进器5同时提供推力，实现本发明的上仰运动。

参照图16-17，本发明绕Z轴做偏转运动。当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于180°、0°、0°位置时，由左推进器6和右推进器1提供绕Z轴左转的扭矩，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现本发明的向左偏转运动；当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于0°、180°、0°位置时，由左推进器6和右推进器1提供绕Z轴右转的扭矩，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现本发明的向右偏转运动。

参照图18-19，本发明绕X轴做横滚运动。当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于270°、90°、0°位置时，由左推进器6和右推进器1提供绕X轴向左横滚的扭矩，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现本发明的向左横滚运动；当左转向电机17、右转向电机9、尾转向电机15分别位于90°、270°、0°位置时，由左推进器6和右推进器1提供绕X轴向右横滚的扭矩，尾推进器5提供维持本发明平衡的推力或者吸力，实现本发明的向右横滚运动。

Claims (3)

1.六自由度水下机器人，其特征在于：由密封舱、动力系统、控制系统、图像采集系统、照明系统和冷却系统构成；

密封盖通过螺钉与密封舱连接，密封盖与密封舱之间设有密封垫；密封舱前部与透明板固定并密封连接，密封盖上固定并密封连接有透明罩；密封舱上有防水插组，防水插组通过电缆与岸上连接；密封舱内有蓄电池组，密封舱上挂架和防水接口；挂架上安装机械手、声纳扩展模块；通过防水接口实现供电和信息传输；密封舱内部有位置可调的左、右配重块；

所述动力系统有左、右、尾推进器各一个；所述的左、右推进器安装在密封舱两侧，并对称布置；尾推进器装在密封舱后；左、右转向电机通过联轴器和连接轴接左、右推进器；尾转向电机通过联轴器和连接轴接尾推进器；密封舱和各连接轴之间装有密封装置；

所述控制系统有控制左、右、尾推进器和左、右、尾转向电机的左、右、尾驱动器；工控机与DSP控制器连接，DSP控制器与左、右、尾驱动器、传感器组连接；传感器组的信号通过DSP控制器采集、处理，再传输至工控机；工控机的控制指令经DSP控制器转换、分配，传输至左、右、尾驱动器；

所述图像采集系统的固定摄像头固定在密封舱内部，活动摄像头组安装在两自由度运动平台上，水平电机固定在安装板上，水平电机通过连接件与竖直电机连接；竖直电机安装在固定架，固定架通过螺钉安装在密封舱内；

所述照明系统的左、右照明灯安装在密封舱上，控制左、右照明灯开启与关闭的继电器组安装在密封舱内；

所述冷却系统的水冷片分别贴在左、右、尾驱动器和工控机上，水冷片通过软管与密封舱上的吸水口、出水口连接。

2.根据权利要求1所述的六自由度水下机器人，其特征在于：活动摄像头组包含至少一个摄像头，活动摄像头组安装在两自由度运动平台上；所述的两自由度运动平台为由水平电机、竖直电机、固定架、连接件和安装板所组成的平台。

3.根据权利要求1或2所述的六自由度水下机器人，其特征在于：活动摄像头组的摄像头数目为两个，为左和右摄像头；左和右摄像头安装在安装板上，水平电机固定在安装板上，通过连接件与竖直电机连接；竖直电机安装在固定架上，固定架通过螺钉安装在密封舱内；水平电机、竖直电机带动活动摄像头组绕Y轴和Z轴转动。