CN108860525A - 水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下机器人，包含主体支撑组件(310)、水下推进器(200)以及电子组件；所述推进器组件与电子组件均安装在主体支撑组件(310)上；主体支撑组件(310)包含侧板结构(311)与主框架(312)，侧板结构(311)与主框架(312)紧固连接或一体成型；所述主框架(312)上还设置有浮力块结构(330)；多个水下推进器(200)中包含有至少两个水平推进器(321)与至少一个垂直推进器(322)。本发明相比6轴智能型水下机器人，减少了3个推进器，进而整体结构尺寸相应减小，在保证智能型水下机器人基本功能的前提下，极大节省了成本；外形上更加轻盈灵活，便于携带且易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及水下检测领域，具体地，涉及一种水下机器人，尤其是，一种3轴智能水下机器人。
背景技术
全球水下机器人在小型化、智能化的方向上快速发展。尤其在油价低迷的世界经济大势下，传统水下机器人行业赖以生存的海洋石油气行业长期不景气，唤醒了市场用更经济实用的小型智能水下机器人代替笨重昂贵的重载作业型水下机器人的迫切需求。欧美以Oceaneering为首的行业巨头们，都在积极对产品进行智能化、小型化的升级改造，也催生了一批像BlueROV,Aquabotix等致力于微小型水下机器人设计开发的专业团队，水下机器人的运动稳定性、自由度、自适应性等方面都有了巨大的进步。
现有的水下机器人，多为6轴水下机器人，装配了较多的推进器，成本以及机体重量较高，控制操作难度也较大。而现有的3轴机器人技术不够成熟，存在协调性能差的缺点，无法快速响应操控指令。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下机器人。
根据本发明提供的水下机器人，包含主体支撑组件、水下推进器以及电子组件；所述推进器组件与电子组件均安装在主体支撑组件上；
主体支撑组件包含侧板结构与主框架，侧板结构与主框架紧固连接或一体成型；所述主框架上还设置有浮力块结构；
多个水下推进器中包含有至少两个水平推进器与至少一个垂直推进器。
优选地，所述主体支撑组件还包含导流罩，所述侧板结构包含左侧板与右侧板；
导流罩沿宽度方向的两端分别紧固安装在左侧板、右侧板上；
导流罩与侧板共同围成防护空间，所述浮力块结构安装在防护空间中。
优选地，所述垂直推进器安装防护空间中，垂直推进器紧固安装在导流罩或主框架上；
所述导流罩上设置有避让孔，避让孔在导流罩上的位置与垂直推进器位置相匹配；
包含两个水平推进器分别紧固安装在左侧板、右侧板上。
优选地，所述防护空间中还安装有电子舱与电池舱；所述电子组件包含电池与水下控制器；
电池、水下控制器分别安装在电池舱内、电子舱内；电池和/或控制器还连接有零浮力电缆；
导流罩上设置有观测窗口，观测窗口与电子舱位置相匹配，侧板结构上设置有舱端盖。
优选地，电子组件还包含以下任一种或任多种传感器：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计、压力传感器；
所述传感器与水下控制器相连；所述水下控制器包含以下模块：
定深模块：接收来自传感器的深度信号，根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号，根据深度变化信号，生成深度调节指令；
定向模块：接收来自传感器的角度方位信号，根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。
优选地，水下推进器包含电机结构、支撑导向结构以及一个或多个桨叶片；
所述电机结构包含转子组件与定子组件；支撑导向结构、桨叶片分别安装在定子组件、转子组件上；
所述转子组件包含外壳，多个桨叶片分别沿周向方向直接紧固安装在外壳上；或者，多个桨叶片通过设置的桨叶连接件成型为一体后，间接安装在外壳上；所述外壳位于定子组件的径向外侧。
优选地，所述转子组件还包含转轴、转子磁体以及第一端盖，第一端盖与外壳紧固连接或一体成型，所述转子磁体安装在外壳的内壁面上；转轴周向固定在第一端盖上；
所述定子组件包含励磁绕组、内支撑以及第二端盖，内支撑与第二端盖一体成型或紧固连接，所述励磁绕组安装在内支撑的外周面上；
第一端盖、第二端盖以及外壳围成的空间形成容物空间，所述转子磁体与励磁绕组均位于容物空间中。
优选地，所述内支撑为管状，所述转轴贯穿设置在管状内支撑的轴向通孔中，转轴与内支撑通过设置的滑动轴承连接；
所述滑动轴承包含高分子复合材料轴承，所述转轴包含45号钢转轴；
多个励磁绕组沿周向分布在管状内支撑的外壁面上；多个转子磁体与励磁绕组在径向方向上相对设置。
优选地，支撑导向结构包含导向管，所述桨叶片位于导向管的径向内侧；
所述支撑导向结构还包含第一罩壳与第二罩壳，第二罩壳紧固安装在第二端盖上；
所述导向管包含紧固连接或一体成型的径接部与导向部，第二罩壳通过设置的撑开杆连接在径接部上，第一罩壳通过设置的防护杆紧固连接在导向部上；
导向管上还紧固连接有安装支架；所述防护杆呈十字布置。
优选地，所述励磁绕组和/或转子磁体上设置有防水涂料层；
容物空间中还设置有密封壳，所述密封壳紧固安装在内支撑上；密封壳内部形成密封空间，所述励磁绕组安装在密封空间中，密封空间中填充满缓压液体；
沿轴向延伸方向上，外壳与第二端盖之间存在间隙；或者，外壳与第二端盖通过轴承结构连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明相比现有技术中的3轴智能型水下机器人，结合控制器实现了水下智能定深控制与三维定向控制，水下探测更加精准。
2、本发明相比6轴智能型水下机器人，减少了3个推进器，进而整体结构尺寸相应减小，在保证智能型水下机器人基本功能的前提下，极大节省了成本；外形上更加轻盈灵活，便于携带且易于操作。
3、本发明解决了水下电机防水的核心问题，不必再为电机整机做耐压密封舱，大大简化了推进器的结构，重量、尺寸以及制造成本得到有效降低。
4、水下推进器附近的水流为高速旋转的电机提供优良的水冷，导管桨式的结构能够提供高效推力的同时，有效防止水下杂物的卷入。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为水下机器人立体结构示意图；
图2为防护空间内部结构示意图；
图3为定深模式流程图；
图4为定向模式流程图；
图5为水下推进器立体结构示意图；
图6为水下推进器侧视图；
图7为水下推进器剖视图；
图8为桨叶片剖面形状图；
图9为导向部、防护杆以及第一罩壳连接示意图；
图10为电机结构一个视向下立体图；
图11为电机结构剖视图；
图12为电机结构另一个视向下立体图；
图13为电机结构爆炸图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，本发明提供的水下机器人，包含主体支撑组件310、水下推进器200以及电子组件；所述推进器组件与电子组件均安装在主体支撑组件310上；主体支撑组件310包含侧板结构311与主框架312，侧板结构311与主框架312紧固连接或一体成型；所述主框架312上还设置有浮力块结构330；多个水下推进器200中包含有至少两个水平推进器321与至少一个垂直推进器322。
所述主体支撑组件310还包含导流罩313，所述侧板结构311包含左侧板与右侧板；导流罩313沿宽度方向的两端分别紧固安装在左侧板、右侧板上；导流罩313与侧板共同围成防护空间，所述浮力块结构330安装在防护空间中。所述垂直推进器322安装防护空间中，垂直推进器322紧固安装在导流罩313或主框架312上。所述导流罩313上设置有避让孔314，避让孔314在导流罩313上的位置与垂直推进器322位置相匹配，也就是说，垂直推进器322位于避让孔314的内部空间内，为水下机器人提供垂直方向上的驱动力。两个水平推进器321分别紧固安装在左侧板、右侧板上。如图2所述，垂直推进器322位于水下机器人整体的中部位置，两个水平推进器321位于水下机器人沿长度延伸方向的同一端，通过螺钉与镶嵌在对应的侧板上的螺母相连。
所述防护空间中还安装有电子舱341与电池舱；所述电子组件包含电池与水下控制器；电池、水下控制器分别安装在电池舱内、电子舱341内；电池和/或控制器还连接有零浮力电缆350，零浮力电缆350随水下机器人的下潜作业而下沉，可以进行信号的传输，设备的供电与控制。导流罩313上设置有观测窗口342，观测窗口342与电子舱341位置相匹配，通过观测窗口342能够直接贯穿到电子舱341内部的结构，便于及时发现异常情况；侧板结构311上设置有舱端盖343，通过打开舱端盖343可以取放电子舱342，便于对损坏部件进行及时更换。水下控制器为微控制器，是水下机器人姿态与深度控制的核心，一切任务的分配，执行采集，数据的加工处理以及更为重要的通信和控制命令都由微控制器调度与安排，当姿态相关传感器检测出前进方向与控制指令存在偏差时，会对实时数据进行计算，然后微控制器发出控制指令，控制一个或者几个水下推进器200进行工作达到俯仰角，翻滚角等的纠正。通过水下控制器可实现水下机器人的定深模式与定向模式。
具体地，电子组件还包含以下任一种或任多种传感器：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计、压力传感器。所述传感器与水下控制器相连；所述水下控制器包含以下模块：定深模块：接收来自传感器的深度信号，根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号，根据深度变化信号，生成深度调节指令；定向模块：接收来自传感器的角度方位信号，根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。定深模块的工作原理如图3所示，对应了水下机器人的定深模式，定向模块的工作原理如图4所示，对应了水下机器人的定向模式。优选地，水下控制器还包含定位模块：接收来自传感器的空间位置信号，根据空间位置信号，对比设定位置，生成位置变化信号，根据位置变化信号，生成位置调节指令。进一步优选地，水下控制器还包含恒速模块：获取来自传感器的流速信号，根据流速信号生成流速抵消指令。也就是说，水下控制器能够计算设定时间内工作环境水流速的平均值，并控制水下机器人产生与水流矢量速度相等且反向的速度，以达到位置的初步保持，结合定位模块，使水下机器人能够长时间地在设定位置进行保持。
如图5至图7所示，水下推进器200包含电机结构100、支撑导向结构210以及一个或多个桨叶片240；所述电机结构100包含转子组件110与定子组件120；支撑导向结构210、桨叶片240分别安装在定子组件120、转子组件110上；所述转子组件110包含外壳114，所述外壳114位于定子组件120的径向外侧。多个桨叶片240分别沿周向方向直接紧固安装在外壳114上；或者，多个桨叶片240通过设置的桨叶连接件成型为一体后，间接安装在外壳114上；支撑导向结构210包含导向管220，所述桨叶片240位于导向管220的径向内侧。
如图10至图13所示，所述转子组件110还包含转轴111、转子磁体112以及第一端盖113，第一端盖113与外壳114紧固连接或一体成型，所述转子磁体112安装在外壳114的内壁面上；转轴111周向固定在第一端盖113上；所述定子组件120包含励磁绕组121、内支撑122以及第二端盖123，内支撑122与第二端盖123一体成型或紧固连接，所述励磁绕组121安装在内支撑122的外周面上；第一端盖113、第二端盖123以及外壳114围成的空间形成容物空间，所述转子磁体112与励磁绕组121均位于容物空间中；定子组件120与转子组件110通过一个或多个滑动轴承130连接。优选地，所述内支撑122为管状，所述转轴111贯穿设置在管状内支撑122的轴向通孔中，转轴111与内支撑122通过所述滑动轴承130连接；多个励磁绕组121沿周向分布在管状内支撑122的外壁面上；多个转子磁体112与励磁绕组121在径向方向上相对设置。优选地，所述内支撑122的横截面形状也可以是多边形的，多个励磁绕组121分别位于内支撑122的多个径向端面上。优选地，所述内支撑122上还可以预加工有用于安装的励磁绕组121的定位槽，在对励磁绕组121进行灌封时，可增加励磁绕组121与内支撑122之间的有效固定面积，增加固定强度。
所述支撑导向结构210还包含第一罩壳231与第二罩壳232，第二罩壳232紧固安装在第二端盖123上；所述导向管220包含紧固连接或一体成型的径接部221与导向部222，第二罩壳232通过设置的撑开杆233连接在径接部221上，第一罩壳231通过设置的防护杆234紧固连接在导向部222上。导向管220上还紧固连接有安装支架260，安装支架260安装在所述侧板结构311上。如图9所示，所述防护杆234呈十字布置。优选地，所述桨叶片240为双凸翼型、平凸翼型或者凹凸翼型。相比现有的水下推进结构采用的圆形剖面旋转桨叶片，使用常用于航空领域的翼型桨叶结构有利于提供更大的推力。桨叶片240、导向管220以及防护杆234共同构成导管桨式的结构，在提供高效推力的同时，有效防止水下杂物的卷入。当然，优选地，所述桨叶片240、防护杆234以及撑开杆233的个数可以根据实际需要进行分配。优选地，如图7所示，径接部221与导向部222在内壁与外壁上均平滑过段连接；所述径接部221在沿与导向部222连接端到径接部221自由端的方向上，内壁与外壁的直径均增大。对于导向部222，外壁呈圆柱面形状，相对径接部221所在端的内壁直径保持不变，导向部222的自由端所在端的内壁直径向外逐渐增大，呈扩孔状，有利于减小在水中的运动阻力。
优选地，所述励磁绕组121和/或转子磁体112上设置有防水涂料层；所述滑动轴承130包含高分子复合材料轴承，所述转轴111包含45号钢转轴。所述滑动轴承130为塑料轴承，此种轴承是专门的水下使用轴承，具有以下优点：耐磨，可吸收高载荷，具有化学抗性，耐腐蚀，而且可在-40摄氏度到+200摄氏度的温度中正常工作。所述第二端盖123上设置有穿线孔141，所述励磁绕组121连接有电机线，电机线穿设在穿线孔141中；所述穿线孔141的孔壁面与电机线之间设置有灌封层；灌胶密封填满电机出线口使裸漏在外部环境中的电机线全部密封在灌封材料中，达到对电机线隔水防腐耐压效果。相应地，所述第二罩壳232上设置有过线孔，电机线在延伸方向上贯穿过线孔。优选地，所述第一端盖113、第二端盖123上分别设置有第一通孔142，第二通孔143。另外，沿轴向延伸方向上，外壳114与第二端盖123之间存在间隙。通过上述结构可以平衡容物空间与外部的压差。优选地，外壳114与第二端盖123通过轴承结构连接，这样整个电机结构100的结构连接更加紧密，强度更加可靠。
如图11所示，所述第一端盖113包含一体成型的径向延伸部151与紧定部152，转轴111沿轴向的一端周向固定在紧定部152上；转轴111沿轴向的另一端贯穿第二端盖123到达容物空间的外部，转轴111沿轴向的另一端配设有轴端卡板161，轴端卡板161通过设置的紧定销162周向固定在转轴111上。如图9所示，所述第二端盖123上设置有环形槽170，所述轴端卡板161沿轴向方向的一端转动安装在环形槽170中。这样整个电机结构100在外形上看结构更加紧凑，轴端卡板161随转轴111转动，并且起到保护滑动轴承130，以及限制转轴111运动的径向偏移的作用。
优选地，容物空间中还设置有密封壳，所述密封壳紧固安装在内支撑122上；密封壳内部形成密封空间，所述励磁绕组121安装在密封空间中，密封空间中填充满缓压液体，所述缓压液体为绝缘液体。密封壳设置的目的是在密封空间中营造绝缘且相对静止的环境，进一步保护励磁绕组121以及励磁绕组121表面的防水涂层。相对于现有技术，本发明中对密封壳的尺寸要求较小，因此同样的厚度能够承受更大的压差，另外，及时是在高压下，密封壳被破坏，也仅仅是损失了部分有益效果，而不会影响设备的正常运行。所述密封壳可以是刚性壳体，也可以是带有一定弹性的壳体，对于刚性壳体，密封空间内外的压差由密封壳本身来承担，可靠度高，但对密封壳的材料要求较高；对于具有一定弹性的壳体，例如橡胶等，自身能够承受一定的外压，在深水高压环境下会产生一定的形变，进而使得绝缘液体的压力增加，但不至于太增加太多，形成一定的压力梯度，最终作用在励磁绕组121或其表面的防水涂层的压力也相对较小，提高运行稳定性与使用寿命。优选地，所述电池舱和/或电子舱341中也充满有缓压液体，通过等压密封或压力补偿密封的方式对内部结构进行保护。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种水下机器人，其特征在于，包含主体支撑组件(310)、水下推进器(200)以及电子组件；所述推进器组件与电子组件均安装在主体支撑组件(310)上；
主体支撑组件(310)包含侧板结构(311)与主框架(312)，侧板结构(311)与主框架(312)紧固连接或一体成型；所述主框架(312)上还设置有浮力块结构(330)；
多个水下推进器(200)中包含有至少两个水平推进器(321)与至少一个垂直推进器(322)。
2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述主体支撑组件(310)还包含导流罩(313)，所述侧板结构(311)包含左侧板与右侧板；
导流罩(313)沿宽度方向的两端分别紧固安装在左侧板、右侧板上；
导流罩(313)与侧板共同围成防护空间，所述浮力块结构(330)安装在防护空间中。
3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述垂直推进器(322)安装防护空间中，垂直推进器(322)紧固安装在导流罩(313)或主框架(312)上；
所述导流罩(313)上设置有避让孔(314)，避让孔(314)在导流罩(313)上的位置与垂直推进器(322)位置相匹配；
包含两个水平推进器(321)分别紧固安装在左侧板、右侧板上。
4.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，所述防护空间中还安装有电子舱(341)与电池舱；所述电子组件包含电池与水下控制器；
电池、水下控制器分别安装在电池舱内、电子舱(341)内；电池和/或控制器还连接有零浮力电缆(350)；
导流罩(313)上设置有观测窗口(342)，观测窗口(342)与电子舱(341)位置相匹配，侧板结构(311)上设置有舱端盖(343)。
5.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于，电子组件还包含以下任一种或任多种传感器：三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计、压力传感器；
所述传感器与水下控制器相连；所述水下控制器包含以下模块：
定深模块：接收来自传感器的深度信号，根据深度信号，对比设定深度，生成深度变化信号，根据深度变化信号，生成深度调节指令；
定向模块：接收来自传感器的角度方位信号，根据角度方位信号，对比设定的角度方位，生成角度方位变化信号，根据角度方位变化信号，生成角度方位调节指令。
6.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，水下推进器(200)包含电机结构(100)、支撑导向结构(210)以及一个或多个桨叶片(240)；
所述电机结构(100)包含转子组件(110)与定子组件(120)；支撑导向结构(210)、桨叶片(240)分别安装在定子组件(120)、转子组件(110)上；
所述转子组件(110)包含外壳(114)，多个桨叶片(240)分别沿周向方向直接紧固安装在外壳(114)上；或者，多个桨叶片(240)通过设置的桨叶连接件成型为一体后，间接安装在外壳(114)上；所述外壳(114)位于定子组件(120)的径向外侧。
7.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，所述转子组件(110)还包含转轴(111)、转子磁体(112)以及第一端盖(113)，第一端盖(113)与外壳(114)紧固连接或一体成型，所述转子磁体(112)安装在外壳(114)的内壁面上；转轴(111)周向固定在第一端盖(113)上；
所述定子组件(120)包含励磁绕组(121)、内支撑(122)以及第二端盖(123)，内支撑(122)与第二端盖(123)一体成型或紧固连接，所述励磁绕组(121)安装在内支撑(122)的外周面上；
第一端盖(113)、第二端盖(123)以及外壳(114)围成的空间形成容物空间，所述转子磁体(112)与励磁绕组(121)均位于容物空间中。
8.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述内支撑(122)为管状，所述转轴(111)贯穿设置在管状内支撑(122)的轴向通孔中，转轴(111)与内支撑(122)通过设置的滑动轴承(130)连接；
所述滑动轴承(130)包含高分子复合材料轴承，所述转轴(111)包含45号钢转轴；
多个励磁绕组(121)沿周向分布在管状内支撑(122)的外壁面上；多个转子磁体(112)与励磁绕组(121)在径向方向上相对设置。
9.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，支撑导向结构(210)包含导向管(220)，所述桨叶片(240)位于导向管(220)的径向内侧；
所述支撑导向结构(210)还包含第一罩壳(231)与第二罩壳(232)，第二罩壳(232)紧固安装在第二端盖(123)上；
所述导向管(220)包含紧固连接或一体成型的径接部(221)与导向部(222)，第二罩壳(232)通过设置的撑开杆(233)连接在径接部(221)上，第一罩壳(231)通过设置的防护杆(234)紧固连接在导向部(222)上；
导向管(220)上还紧固连接有安装支架(260)；所述防护杆(234)呈十字布置。
10.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于，所述励磁绕组(121)和/或转子磁体(112)上设置有防水涂料层；
容物空间中还设置有密封壳，所述密封壳紧固安装在内支撑(122)上；密封壳内部形成密封空间，所述励磁绕组(121)安装在密封空间中，密封空间中填充满缓压液体；
沿轴向延伸方向上，外壳(114)与第二端盖(123)之间存在间隙；或者，外壳(114)与第二端盖(123)通过轴承结构连接。
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