CN107444595A - 一种作业级水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋浅水监测、作业设备，更具体地涉及一种作业级水下机器人。该机器人利用设计的多个波纹管平衡总成结构，改变设备浮心位置及浮力大小，实现俯仰、横滚运动及沉浮运动，可保持水下潜浮状态，相比同类可进行浮力调节的水下机器人，去除了笨重、复杂的压缩结构，同时兼具调节精确、调节量大、反应快的特点。该机器人应用于水产养殖领域，满足对网箱实行全天候的水下监控，并能检测网箱的破损情况、网箱内部饵料的剩余情况、进行病体水产采样、检测水温水质参数的变化等多种需求，具有很高的设备使用频率和很好的应用前景。

Description

一种作业级水下机器人

技术领域

本发明涉及一种海洋浅水监测、作业设备，更具体地涉及一种作业级水下机器人。

背景技术

中国发明专利申请公开说明书CN200910220204公开了一种水下机器人用双向排油式浮力调节装置，这种装置由直流电机驱动一个双向齿轮泵，通过双向齿轮泵的正、反转实现皮囊排油或回油，从而调节水下机器人的浮力；但是，这种方案受限于充油、排油时皮囊外形变化具有不稳定性，无法调节浮心位置。中国发明专利申请公开说明书CN201510679709公开了一种水下机器人用自排油式浮力调节装置，该装置采用液压方案，通过蓄能器，实现皮囊主动排油被动回油，同样存在无法浮心位置调节的问题。中国发明专利申请公开说明书CN201710211900公开了一种水下机器人用自适应浮力微标定集散系统，该系统利用电机驱动使球囊缩机构形变实现浮力的微标定，可通过多个装置控制浮心位置；但是，这一方案结构复杂，相对浮力改变量微小。

水下机器人可分为观察级和作业级。观察级ROV本体尺寸和重量较小，负荷较低，搭载有摄像头，常用于水下视频监测，设备可扩展能力弱，功能较为单一。作业级ROV主要用于水下施工、公安消防、科研等领域，可搭载液压或电动水下机械手，能进行水下打捞、水下施工水下抓取、水下采样、水下标记等水下作业，但往往设备体积庞大，工作噪声大，设备操作复杂且造价高昂。

发明内容

本发明为解决上述存在的至少一种技术缺陷，设计一种作业级水下机器人。该机器人利用设计的多个波纹管平衡总成结构，改变设备浮心位置及浮力大小，实现俯仰、横滚运动及沉浮运动，可保持水下潜浮状态，相比同类可进行浮力调节的水下机器人，去除了笨重、复杂的压缩结构，同时兼具调节精确、调节量大的特点。该机器人应用于水产养殖领域，满足对网箱实行全天候的水下监控，并能检测网箱的破损情况、网箱内部饵料的剩余情况、进行病体水产采样、检测水温水质参数的变化等多种需求，具有很高的设备使用频率和很好的应用前景。

本发明的技术方案是：一种作业级水下机器人，机器人通过脐带电缆与上位机连接，机器人设有机架，机架顶部设有浮体，机架的两侧设有推进器，机架内设有控制系统、平衡装置、探测装置，所述推进器、平衡装置、探测装置与控制系统电连接，其中平衡装置包括若干个平衡总成、缓冲罐，平衡总成包括波纹管平衡器，波纹管平衡器设有驱动机构，缓冲罐分别设于机架两侧并通过气体缓冲导管与波纹管平衡器连通，驱动机构通过线缆管道与控制系统电连接。

该机器人在水下进行作业时，上位机通过脐带电缆控制该机器人的控制系统实现该机器人的行动。当机器人下沉时，控制系统控制波纹管平衡器内的驱动机构驱动波纹管平衡器进行直线伸缩运行，将波纹管平衡器内的空气通过气体缓冲导管排放到缓冲罐，使机器人的浮力大小保持不变，保持较为稳定的定深状态，在此基础上，上位机可以通过控制系统控制机器人的平衡装置、推进器实现俯仰、横滚及沉浮运动，可保持水下潜浮状态，相比同类可进行浮力调节的水下机器人，去除了笨重、复杂的压缩结构，同时兼具浮力控制精度高、反应迅速的特点。本机器人应用于网箱养殖领域具有水下作业能耗低、噪声小、对水下生物干扰小的优点。

进一步，波纹管平衡器包括波纹管以及波纹管两端的上法兰、下法兰，波纹管的两端止口处分别设有法兰上盖、法兰下盖，法兰上盖、法兰下盖均用密封橡胶圈与波纹管的两端止口加固形成封闭腔。波纹管平衡器中的波纹管通过上法兰、下法兰、法兰上盖、法兰下盖形成一个密封的封闭腔，保持波纹管平衡器内的气压稳定，便于控制机器人的浮力。

进一步，法兰上盖与上法兰、法兰下盖与下法兰之间均设有尼龙垫圈。增强密封性，保持波纹管平衡器封闭腔内的气密性和防水性，以免驱动机构因渗水烧坏。

进一步，驱动机构设于封闭腔内，驱动机构为带编码器的电动推杆，驱动机构的两端分别通过销钉与法兰上盖、法兰下盖连接，法兰上盖设有两个孔分别连接气体缓冲管道和线缆管道。这种设计使驱动机构在直线上驱动波纹管进行伸缩运动，提高控制精度，保持封闭腔变形稳定。控制系统通过线缆管道与驱动机构电连接，法兰上盖的气体缓冲管道连接缓冲罐，将封闭腔内的空气排到缓冲罐储存。

进一步，机架设有顶板、底板，底板与顶板之间设有若干导向杆、支架，导向杆、支架沿轴向竖直设置，导向杆环绕支架均匀分布并穿过上法兰和下法兰的孔位。顶板、底板通过螺栓与机架进行固定，导向杆、支架通过螺栓固定于顶板和底板之间，导向杆呈圆周环绕支架均布并穿过平衡总成上法兰、下法兰的孔位，导向杆引导平衡总成进行伸缩运动，提高该机器人的控制精度。

进一步，导向杆穿过上法兰、下法兰的孔位内均设有套筒，套筒与法兰孔通过铝合金垫片紧固，套筒内设有铜轴套，铜轴套与导向杆同轴配合。铝合金垫片用于限制套筒在波纹管的法兰孔位中的轴向位移，套筒用于补偿波纹管中法兰孔位的空隙，提高螺栓密封性能，套筒内的铜轴套与导向杆同轴配合，用于平衡总成与导向杆之间的运动润滑。

进一步，顶板、底板上均设有若干个预留孔位，预留孔位上设有配重块。顶板、底板上均留有多个预留孔位，用于固定配重块，通过选择合适的浮体及调整配重块数目及位置使机器人调整为零浮力状态，调整机器人重心位置，使重心处于机架几何中心所在垂线上，提高机器人的控制精度。

进一步，控制系统包括电子仓，电子仓设于支架内，电子仓内设有电控装置、电流传感器、六轴姿态传感器，电流传感器、六轴姿态传感器均与电控装置电连接，电控装置通过线缆管道与驱动机构电连接，电子仓外设有若干组接头，探测装置、推进器通过接头与电控装置电连接，电控装置通过脐带电缆与上位机连接。电子仓为防水密封结构，上位机通过电子仓的电控装置采集六轴姿态传感器的数据来进行对驱动机构、推进器进行控制，实现对机器人的行动控制，机器人通过探测装置实现对水下环境的监测和作业，其中电流传感器用于检测各个驱动器、推进器的电流大小，监测机器人内部设备的运转状况。

进一步，控制系统还设有温湿度传感器、压力传感器，温湿度传感器、压力传感器均设于法兰上盖并通过线缆管道与电控装置电连接。温湿度传感器检测检测驱动机构是否发生故障，平衡总成内的封闭腔是否发生漏水，压力传感器检测平衡总成内封闭腔的压力值变化。

进一步，探测装置设有水质传感器、水压传感器、摄像头、照明机构、云台、水下作业设备，水质传感器、水压传感器、摄像头、照明机构均设于机架上，云台通过螺栓固定于机架的底板边缘下，水下作业设备搭载在云台上。上述设备用于采集及辅助采集水下图像及水质信息，通过电子仓进行数据处理后通过脐带电缆传输至上位机。

本发明的有益效果是：利用设计的若干个平衡总成，改变机器人的浮心位置及浮力大小，实现机器人的俯仰、横滚及沉浮运动，使机器人保持水下潜浮状态，相比同类可进行浮力调节的水下机器人，该机器人去除了笨重、复杂的压缩结构，同时兼具浮力控制精度高、反应迅速的特点。本机器人应用于网箱养殖领域具有低功耗、能长期稳定地进行网箱养殖视频监测、多种水质检测及轻度水下作业、水下作业能耗低、噪声小、对水下生物干扰小等优点。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是图1的另一视角示意图。

图3是本发明的机架示意图。

图4是本发明的平衡总成结构示意图。

图5是本发明的波纹管平衡器的结构示意图。

图6是本发明的平衡总成中法兰上盖结构示意图。

图7是本发明平衡总成中法兰下盖结构示意图。

图8是本发明的电子仓结构示意图。

图9是本发明的控制原理示意图。

图10是本发明四个平衡总成的矩形布置示意图。

图11是本发明三个平衡总成三角形布置示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1：

如图1—图11所示，一种作业级水下机器人，机器人通过脐带电缆与上位机连接，机器人设有机架1，机架1上固定设有浮体2，机架1的两侧设有缓冲罐6、推进器3，机架1内之间设有若干平衡总成5、控制系统4，平衡总成5包括波纹管平衡器7，波纹管平衡器7内设有驱动机构8，机架1还设有探测装置。缓冲罐6通过气体缓冲导管9与波纹管平衡器7连通，推进器3、波纹管平衡器7的驱动机构8通过线缆管道9与控制系统4电连接，探测装置与控制系统4电连接。

该机器人在水下进行作业时，上位机通过脐带电缆控制该机器人的控制系统4实现该机器人的行动。当机器人下沉时，控制系统4控制波纹管平衡器7内的驱动机构8驱动波纹管平衡器7进行直线伸缩运行，将波纹管平衡器7内的空气通过气体缓冲导管9排放到缓冲罐6，使机器人的浮力大小保持不变，保持较为稳定的定深状态，在此基础上，上位机可以通过控制系统4控制机器人的平衡装置、推进器3实现俯仰、横滚及沉浮运动，可保持水下潜浮状态，相比同类可进行浮力调节的水下机器人，去除了笨重、复杂的压缩结构，同时兼具浮力控制精度高、控制反映迅速的特点。本机器人应用于网箱养殖领域具有水下作业能耗低、噪声小、对水下生物干扰小的优点。

其中如图4—图7所示，波纹管平衡器7包括波纹管11以及波纹管11两端的上法兰12、下法兰13，波纹管11的两端止口处分别设有法兰上盖14、法兰下盖15，法兰上盖14、法兰下盖15均用密封橡胶圈与波纹管11的两端止口加固形成封闭腔，保持波纹管平衡器7内的气压稳定，便于控制机器人的浮力。法兰上盖14与上法兰12、法兰下盖15与下法兰13之间均设有尼龙垫圈16，增强密封性，保持波纹管平衡器7封闭腔内的气密性和防水性，以免驱动机构8因渗水烧坏。驱动机构8设于封闭腔内，驱动机构8为带编码器的电动推杆，驱动机构8的两端分别通过销钉与法兰上盖14、法兰下盖15连接，法兰上盖14设有两个孔分别连接气体缓冲管道9和线缆管道10，控制系统4通过线缆管道10与驱动机构8电连接，法兰上盖14通过气体缓冲管道9连接缓冲罐6，将封闭腔内的空气排到缓冲罐6储存。

其中如图3所示，机架1设有顶板17、底板18，底板18与顶板17之间设有四组导向杆19、支架20，每组导向杆19包括4根导向杆19，导向杆19、支架20沿轴向竖直设置，支架20设于顶板17和底板18的中心，4组导向杆19环绕支架20均匀分布。顶板17、底板18通过螺栓与机架1进行固定，4组导向杆19、支架20通过螺栓固定于顶板17和底板18之间，每一组导向杆19穿过一个平衡总成5中波纹管平衡器7的上法兰12、下法兰13的孔位，一组导向杆19引导一个平衡总成5进行伸缩运动。顶板17、底板18上均留有多个预留孔位，用于固定配重块，通过选择合适的浮体2及调整配重块数目及位置使机器人调整为零浮力状态，调整机器人重心位置，使重心处于机架几何中心所在垂线上，提高机器人的控制精度。

其中如图2和图4所示，导向杆19穿过上法兰12、下法兰13的孔位内均设有套筒21，套筒21与法兰孔通过铝合金垫片紧固，套筒21内设有铜轴套22，铜轴套22与导向杆19同轴配合。铝合金垫片用于限制套筒21在波纹管11的法兰孔位中的轴向位移，套筒21用于补偿波纹管11中法兰孔位的空隙，提高螺栓密封性能，套筒21内的铜轴套22与导向杆19同轴配合，用于平衡总成5与导向杆19之间的运动润滑。

其中如图8—图9所示，控制系统4包括电子仓23，电子仓23内设有电控装置24、电流传感器25、六轴姿态传感器26，电流传感器25、六轴姿态传感器26均与电控装置24电连接，电控装置24通过线缆管道10与驱动机构8电连接，电子仓23外设有多组接头27，探测装置、推进器3通过接头27与电控装置24电连接，电控装置24通过脐带电缆与上位机连接。电子仓23为防水密封结构，上位机通过电子仓23的电控装置24采集六轴姿态传感器26的数据来对驱动机构8、推进器3进行控制，实现对机器人的行动控制，机器人通过探测装置实现对水下环境的监测和作业，其中电流传感器25用于检测驱动机构8、推进器3、探测装置的电流大小，监测机器人内部设备的运转状况。控制系统4还设有温湿度传感器28、压力传感器29，温湿度传感器28、压力传感器29均设于法兰上盖14并通过线缆管道10与电控装置24电连接。温湿度传感器28检测驱动机构8是否发生故障、平衡总成5内的封闭腔是否发生漏水，压力传感器26检测平衡总成5内封闭腔的压力值变化。

其中，探测装置设有水质传感器、水压传感器、摄像头30、照明机构31、云台32、水下作业设备33，水质传感器、水压传感器、摄像头31、照明机构32均设于机架1上，云台32通过螺栓固定于机架1的底板18边缘下，水下作业设备33搭载在云台32上。上述设备用于采集及辅助采集水下图像及水质信息，通过电子仓23进行数据处理后通过脐带电缆传输至上位机。

电控装置24系统采集机器人的六轴姿态信息及编码器的位置信息，由编码器位置信息，进行驱动机构8的位移量分配，驱动机构8驱动平衡总成5做伸缩运动，改变封闭腔内的体积，并驱动推进器3，通过PID闭环控制实现机器人的精确控制，使机器人稳定进行各种水下作业。

其中如图10—图11所示，平衡总成5可布置多组，由于平衡总成5提供的浮力总是竖直向上，为实现俯仰、横滚运动，平衡总成5至少需要布置三组以上。采用三组平衡总成5呈三角形布置，这样设计的优点在于：平衡总成5数量最少，成本降低；采用四组平衡总成5呈矩形布置，采用四组的好处有：可增加姿态控制的冗余性，控制效果更好，结构上呈矩形布置，对称性更好，便于安装其他配套设备；整体机架1的加工生产更简单。进一步地，平衡总成5置于机架1边缘位置以增加力臂，增大平衡总成5的控制力矩。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种作业级水下机器人，所述机器人通过脐带电缆与上位机连接，所述机器人设有机架（1），所述机架（1）的顶部设有浮体（2），所述机架（1）的两侧设有推进器（3），所述机架（1）内设有控制系统（4）、平衡装置、探测装置，所述推进器（3）、平衡装置、探测装置与控制系统（4）电连接，其特征在于，所述平衡装置包括若干个平衡总成（5）、缓冲罐（6），所述平衡总成（5）包括波纹管平衡器（7），所述波纹管平衡器（7）设有驱动机构（8），所述缓冲罐（6）分别设于机架（1）两侧并通过气体缓冲导管（9）与波纹管平衡器（7）连通，所述驱动机构（8）通过线缆管道（10）与控制系统（4）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述波纹管平衡器（7）包括波纹管（11）以及波纹管（11）两端的上法兰（12）、下法兰（13），所述波纹管（11）的两端止口处分别设有法兰上盖（14）、法兰下盖（15），所述法兰上盖（14）、法兰下盖（15）均用密封橡胶圈与波纹管（11）的两端止口加固形成封闭腔。

3.根据权利要求2所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述法兰上盖（14）与上法兰（12）、法兰下盖（15）与下法兰（13）之间均设有尼龙垫圈（16）。

4.根据权利要求2所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述驱动机构（8）设于封闭腔内，所述驱动机构（8）为带编码器的电动推杆，所述驱动机构（8）的两端分别通过销钉与法兰上盖（14）、法兰下盖（15）连接，所述法兰上盖（14）设有两个孔分别连接气体缓冲管道（9）和线缆管道（10）。

5.根据权利要求2所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述机架（1）设有顶板（17）、底板（18），所述底板（18）与顶板（17）之间设有若干导向杆（19）、支架（20），所述导向杆（19）、支架（20）沿轴向竖直设置，所述导向杆（19）环绕支架（20）均匀分布并穿过上法兰（12）和下法兰（13）的孔位。

6.根据权利要求5所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述导向杆（19）穿过上法兰（12）、下法兰（13）的孔位内均设有套筒（21），所述套筒（21）与法兰孔通过铝合金垫片紧固，所述套筒（21）内设有铜轴套（22），所述铜轴套（22）与导向杆（19）同轴配合。

7.根据权利要求5所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述顶板（17）、底板（18）上均设有若干个预留孔位，所述预留孔位上设有配重块。

8.根据权利要求5所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述控制系统（4）包括电子仓（23），所述电子仓（23）设于支架（20）内，所述电子仓（23）内设有电控装置（24）、电流传感器（25）、六轴姿态传感器（26），所述电流传感器（25）、六轴姿态传感器（26）均与电控装置电（24）连接，所述电控装置（24）通过线缆管道（10）与驱动机构（8）电连接，所述电子仓（23）外设有若干组接头（27），所述探测装置、推进器（3）通过接头（27）与电控装置（24）电连接，所述电控装置（24）通过脐带电缆与上位机连接。

9.根据权利要求8所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述控制系统（4）还设有温湿度传感器（28）、压力传感器（29），所述温湿度传感器（28）、压力传感器（29）均设于法兰上盖（14）并通过线缆管道（10）与电控装置（24）电连接。

10.根据权利要求8所述的一种作业级水下机器人，其特征在于，所述探测装置设有水质传感器、水压传感器、摄像头（30）、照明机构（31）、云台（32）、水下作业设备（33），所述水质传感器、水压传感器、摄像头（30）、照明机构（31）均设于机架（1）上，所述云台（32）通过螺栓固定于机架（1）的底板（18）边缘下，所述水下作业设备（33）搭载在云台（32）上。