CN107933856A - 一种水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下机器人，所述机器人包括球形外壳，在球形外壳的函道内安装推进器，球形外壳内设置密封舱，球形外壳与密封舱之间的空腔为透水舱；在密封舱内设置偏心转子；从密封舱两侧的端盖上各伸出一截短轴，短轴通过轴承与偏心转子两面端盖上开的孔连接；在偏心转子内安装舵机、为机器人供电的电池组以及控制电路，所述舵机本体与偏心转子固定连接，偏心转子内下部还设置有姿态稳定配重块。本发明所公开的水下机器人，结构紧凑，可靠耐用，装配工艺简单，自重轻，推重比大，机动性强，反应灵敏，俯仰角姿态调节精度高，实用性强，具有非常高的商业及军事应用价值。
Description
技术领域
本发明属于水下工作机器人设备领域，特别涉及该领域中的一种三自由度球形水下机器人。
背景技术
中国发明专利CN101565095B公开了一种六自由度水下球形机器人，它包括球形外壳，其内设有长轴、活塞式储水设备，长轴两端固定在两圆形孔内，长轴空腔内仅设有一水下推进器，长轴中部套设旋转方筒，方筒一端设有大齿轮，大齿轮套设固定在长轴上，方筒左侧设有第一电机，第一电机输出轴设有小齿轮，小齿轮与大齿轮齿合，方筒前后侧各活动设有短杆，两短杆对称，每一短杆外端部设有臂摆，每一臂摆下端部设有配重，方筒右侧设有连杆和第二电机，第二电机输出轴、连杆一端的链轮与一短杆的链轮通过一链条相连，连杆另一端的链轮与另一短杆的链轮通过一链条相连，活塞式储水设备、第一、第二电机和水下推进器与中央控制器相连。
中国发明专利申请CN103832565A公开了一种通过推进器实现转向、通过重摆实现俯仰姿态调节的球形水下机器人，该机器人使用透明有机玻璃材料外壳，三推进器均贯通球壳，通过两侧推进器的推力差实现机器人的转向，通过使重摆转动时重摆的反作用力实现俯仰姿态的变化，同时重摆也可调节机器人的重心使其姿态稳定。
上述两种技术方案存在以下问题：
（1）专利申请CN103832565A对于球形外壳的防水性能没有做详细描述，无法确定其球形外壳是密封舱还是透水舱。如果是密封舱，上述技术方案没有说明该球形外壳的构造如何能做到防水密封，若为直接粘死或焊死虽然能可靠密封，但却不便于内部零部件的维护；球形密封舱的整体排水体积较大，使得机器人整体重量也必须加大才能平衡其浮力；在球面中贯穿三个圆柱面的结构耐压性也不好。如果是透水舱，此种情况下内部复杂的重摆调节机构不好做防水动密封，而且舱内金属零部件的防锈防腐也是必须要考虑的问题。
（2）专利申请CN103832565A中使用弹性传动复位使得重摆无法精确定位，影响角度控制精度，且有了左右推进器之后，中间的推进器实为冗余设计。。
（3）以上两个专利中球形外壳内部的结构均过于复杂，可靠性不高且制造成本高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种轻便灵敏、稳定可靠的三自由度球形水下机器人。
本发明采用如下技术方案：
一种水下机器人，所述机器人包括球形外壳，在球形外壳的函道内安装推进器，球形外壳内设置密封舱，球形外壳与密封舱之间的空腔为透水舱，该密封舱两侧的端盖与球形外壳固定连接；在密封舱内设置偏心转子，偏心转子两面的端盖上开有孔；从密封舱两侧的端盖上各伸出一截短轴，短轴通过轴承与偏心转子两面端盖上开的孔连接；在偏心转子内安装舵机、为机器人供电的电池组以及控制电路，所述舵机本体与偏心转子固定连接，而舵机的舵盘固定安装在密封舱一侧端盖的中心处，舵机上的齿轴伸出偏心转子端盖上开的孔并插入到舵盘的齿孔内，偏心转子内下部还设置有姿态稳定配重块。
进一步的，所述的球形外壳包括两个半球壳，两个半球壳之间通过沿周向分布的定位销定位连接，密封舱两侧的端盖则分别正对该两个半球壳设置；每一个半球壳分别通过螺丝和与之相邻的密封舱端盖固定连接。
进一步的，球形外壳的两个半球壳连接处周向为内凹圆柱面，并开有圆孔；在该内凹圆柱面上套设有环状橡胶保护套。
进一步的，在密封舱两侧的端盖上分别开设两组以上沿圆周均匀分布的法兰孔，在每组法兰孔之间装入一个带长孔的支撑块，螺栓穿过法兰孔及支撑块，两头用螺母锁紧。
进一步的，水下摄像头图传模组安装在密封舱外前部带长孔的支撑块上，摄像头嵌入球形外壳圆孔中，水下线缆连接器模组安装在密封舱外后部带长孔的支撑块上并与偏心转子内的控制电路连接，外部设备通过穿出球形外壳圆孔的线缆接至该水下线缆连接器模组。
进一步的，所述密封舱为圆柱形，在密封舱的圆筒形侧壁两端各有一道装有密封圈的密封圈槽，密封舱两侧的端盖压紧与之相邻的密封圈，形成防水密封结构。
进一步的，所述密封舱的圆筒形侧壁为薄壁铝合金材质，密封舱两侧的端盖为塑料材质。
进一步的，在偏心转子内还安装与电池组电连接的直流稳压模块、充放电保护板。
进一步的，所述偏心转子内部的姿态稳定配重块为铅块。
进一步的，所述球形外壳上开有可嵌入浮力调节配重块的凹槽。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的水下机器人，结构紧凑设计精巧，可靠耐用，装配工艺简单，自重轻，推重比大，机动性强，反应灵敏，俯仰角姿态调节精度高，实用性强，可用于不同水下进行观测，侦察、通讯等作业，具有非常高的商业及军事应用价值。
本发明所公开的水下机器人，密封舱可与偏心转子同轴旋转，由于偏心转子内的配重较重，而球形外壳在水中的转动阻力较小，当舵机输出齿轴转动时就能带动密封舱绕其圆柱面的轴线转动，而与密封舱固定连接的球形外壳亦会同步旋转，从而实现了对水下机器人的俯仰角度调节，加上通过推进器实现水平方向调节，使该水下机器人可以在水中三自由度灵活运动。
本发明所公开的水下机器人，因为圆柱形的密封舱具有中心对称的几何外形，因此它的浮心就在它的几何中心上，而其内部的偏心转子又是严格偏心的（姿态稳定配重块固定在偏心转子下部，也就是离旋转中心最远的位置，可以使得偏心转子达到严格偏心的效果），重心到浮心的距离很远，并且偏心转子内的姿态稳定配重块本身重量也很重，使得密封舱在水中的俯仰姿态自恢复力矩很大，因此该水下机器人在静态时自稳定性好，在动态调节俯仰角时响应速度快。
本发明所公开的水下机器人，球形外壳为无密封的透水外壳，可以减小其排水体积和浮力，因此可以降低水下机器人的重量，只需较小的重量就可平衡其浮力；球形外壳外壁上的环状橡胶保护套既可以保护外壳免受水下撞击的损坏，又可以起到固定浮力配重块的作用；密封舱外带长孔的支撑块不但可以使端盖之间的装配稳定，而且可作为外部设备的安装挂载点使用，以便根据需要将不同的模组（外部设备）固定安装在球形外壳内，该设计构思巧妙，实用性强。通过在球形外壳开设放置浮力调节配重块的凹槽，嵌入不同密度的物质达到调节机器人重量的效果，从而适用于不同密度的水下。
本发明所公开的水下机器人可具有沿推进器安装方向的平动自由度和绕两个轴向的自由度实现前进后退，航向调整和俯仰姿态调整，可以在水下三维空间内自由灵活运动。其中前进后退的动作依靠两个推进器的正反方向同速推进实现；航向调整动作依靠两个推进器的差速推进实现；俯仰姿态调整动作依靠核心舱内偏心转子上的舵机轴转动产生的反作用力矩实现。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开水下机器人的外观示意图；
图2是本发明实施例1所公开水下机器人主视图；
图3是本发明实施例1所公开水下机器人打开球形外壳一半球壳的结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开水下机器人打开密封舱一侧端盖的内部结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开水下机器人打开偏心转子一面端盖的内部结构示意图；
图6是本发明实施例1所公开的水下机器人的剖面结构示意图。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-图6，本实施例公开了一种水下机器人，所述机器人包括球形外壳1，在球形外壳1的函道内安装推进器2，所述的球形外壳包括两个半球壳，两个半球壳之间通过沿周向分布的8根不锈钢定位销定位对齐连接，形成一个完整的壳体；球形外壳1内设置圆柱形的密封舱，球形外壳1与密封舱之间的空腔为透水舱，该密封舱由圆筒形侧壁11和两侧的端盖3组成，密封舱的圆筒形侧壁11为薄壁铝合金材质，密封舱两侧的端盖3为塑料材质，密封舱两侧的端盖3分别正对球形外壳1的该两个半球壳，且分别通过4个螺丝与同侧半球壳固定连接；在密封舱内设置偏心转子，偏心转子两面的端盖4上开有孔；密封舱两侧的端盖3上各伸出一截短轴5，短轴5通过轴承16与偏心转子两面端盖上开的孔连接，使得偏心转子可以可靠的安装在密封舱两侧的端盖3之间；在偏心转子内安装舵机6、为机器人供电的锂电池组7，以及控制电路和相应的直流稳压板和锂电池充放电保护板，所述舵机本体与偏心转子固定连接，而舵机的舵盘8固定在密封舱一侧端盖的中心处，舵机上的齿轴9伸出偏心转子端盖上开的孔并插入到舵盘8的齿孔内，偏心转子内下部还设置有铅材质的姿态稳定配重块10。在本实施例中，舵机的本体固定在偏心转子中心，当舵机的齿轴转动时，其反作用力矩就能带动偏心转子在密封舱内绕密封舱圆柱面的轴线转动，而密度较大的铅配重块固定在偏心转子下部，也就是离旋转中心最远的位置，可以使得偏心转子达到严格偏心的效果。
作为一种可供选择的方式，在本实施例中，在球形外壳1的两个半球壳连接处周向为内凹圆柱面设计，前后对称开有两个圆孔12用于安装水下摄像头或穿出线缆；球形外壳上下还开有可嵌入浮力调节配重块的凹槽14；由于在不同液体里机器人的浮力不同，所以需要调整机器人的重量，通过在球形外壳上开的凹槽14中嵌入不同密度的物质，以达到改变重量的效果，简单易行。在球形外壳的内凹陷表层上面套设有环状橡胶保护套13，既可以起到保护机器人防碰撞的作用，又可以将浮力调节配重块紧紧包裹在凹槽14内不掉落。
作为一种可供选择的方式，在本实施例中，密封舱由圆筒形侧壁11和两侧的端盖3组成，所述圆筒形侧壁11两端各有一道装有密封圈的密封圈槽，密封舱两侧的端盖3压紧与之相邻的密封圈，形成防水密封结构。在密封舱两侧的端盖3上分别开设两组以上沿圆周均匀分布的法兰孔，在每组法兰孔之间装入一个带长孔的支撑块15，螺栓穿过法兰孔及支撑块，两头用螺母锁紧，本实施例中一共开设了八组法兰孔，安装八个带长孔的支撑块15；此设计一是可以保证密封舱两侧端盖可以稳固安装不易脱落，二是支撑块15可以作为挂载外部设备的挂载点，本实施例中将水下摄像头图传模组挂载在密封舱外前部带长孔的支撑块上，摄像头嵌入球形外壳前部圆孔中，水下线缆连接器模组挂载在密封舱外后部带长孔的支撑块上并与偏心转子内的控制电路连接，外部设备通过穿出球形外壳后部圆孔的线缆接至该水下线缆连接器模组，除此之外，还可以在其它挂载点挂载主控制器模组、水深传感器模组、浮力调节传感器模组等等。
本实施例所公开的水下机器人在水下依靠两个推进器的正向或反向同速推进实现前进后退和上浮下潜；通过两个推进器的差速推进实现航向调整；通过偏心转子内的舵机的齿轴转动产生的反作用力矩实现俯仰角度调整，从而实现在水下三维空间的自由灵活运动。
Claims (10)
1.一种水下机器人，其特征在于：所述机器人包括球形外壳，在球形外壳的函道内安装推进器，球形外壳内设置密封舱，球形外壳与密封舱之间的空腔为透水舱，该密封舱两侧的端盖与球形外壳固定连接；在密封舱内设置偏心转子，偏心转子两面的端盖上开有孔；从密封舱两侧的端盖上各伸出一截短轴，短轴通过轴承与偏心转子两面端盖上开的孔连接；在偏心转子内安装舵机、为机器人供电的电池组以及控制电路，所述舵机本体与偏心转子固定连接，而舵机的舵盘固定安装在密封舱一侧端盖的中心处，舵机上的齿轴伸出偏心转子端盖上开的孔并插入到舵盘的齿孔内，偏心转子内下部还设置有姿态稳定配重块。
2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：所述的球形外壳包括两个半球壳，两个半球壳之间通过沿周向分布的定位销定位连接，密封舱两侧的端盖则分别正对该两个半球壳设置；每一个半球壳分别通过螺丝和与之相邻的密封舱端盖固定连接。
3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于：球形外壳的两个半球壳连接处周向为内凹圆柱面，并开有圆孔；在该内凹圆柱面上套设有环状橡胶保护套。
4.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于：在密封舱两侧的端盖上分别开设两组以上沿圆周均匀分布的法兰孔，在每组法兰孔之间装入一个带长孔的支撑块，螺栓穿过法兰孔及支撑块，两头用螺母锁紧。
5.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于：水下摄像头图传模组安装在密封舱外前部带长孔的支撑块上，摄像头嵌入球形外壳圆孔中；水下线缆连接器模组安装在密封舱外后部带长孔的支撑块上并与偏心转子内的控制电路连接，外部设备通过穿出球形外壳圆孔的线缆接至该水下线缆连接器模组。
6.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：所述密封舱为圆柱形，在密封舱的圆筒形侧壁两端各有一道装有密封圈的密封圈槽，密封舱两侧的端盖压紧与之相邻的密封圈，形成防水密封结构。
7.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于：所述密封舱的圆筒形侧壁为薄壁铝合金材质，密封舱两侧的端盖为塑料材质。
8.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：在偏心转子内还安装与电池组电连接的直流稳压模块、充放电保护板。
9.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：所述偏心转子内部的姿态稳定配重块为铅块。
10.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：所述球形外壳上开有可嵌入浮力调节配重块的凹槽。
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