CN109398655A - 一种带倾转功能的水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带倾转功能的水下机器人，包括采用框架式对称结构的机器人本体和设置在机器人本体内的倾转控制装置，位于机器人本体的中垂面上设置有一电子舱，电子舱内设置有相互连接的控制器和姿态传感器，倾转控制装置包括配重和与控制器连接的伸缩驱动件，伸缩驱动件驱动配重沿着机器人本体的左右方向往复运动。本发明在机器人框架内部设置了一个倾转控制装置，该装置可以根据电子舱中控制器输出的指令实时改变配重在倾转丝杆上的位置，从而给机器人施加绕水平方向转动的倾转力矩，从而机器人本体在倾转过程中能保持稳定。

Description

一种带倾转功能的水下机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种带倾转功能的水下机器人。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，水下作业机器人应用日益广泛。观测型水下机器人作为一种特殊的水下机器人，在水下环境探测和观察方面有着特殊的应用。现有的观测型水下机器人出于运动平稳性和安全性考虑，通常设计成扁平状，水下机器人在水中行走时的姿态尽量维持为水平状态。这种水下机器人在水下行走时要求行走通道的宽度大于水下机器人的宽度，不能按一定倾角保持移动，降低了水下机器人在特殊应用场合的作业能力。
由此可见，如果水下机器人在水中行走时的姿态能够倾转，则不仅可以让水下机器人通过比自身宽度窄的水域，而且还可以在水中按一定倾角保持移动，显著提高水下机器人的水下行走能力和作业能力，具有重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种带倾转功能的高通过性水下机器人。
为实现上述目的，本发明公开了一种带倾转功能的水下机器人，包括采用框架式对称结构的机器人本体和设置在机器人本体内的倾转控制装置，位于所述机器人本体的中垂面上设置有一电子舱，所述电子舱内设置有相互连接的控制器和姿态传感器，所述倾转控制装置包括配重和与所述控制器连接的伸缩驱动件，所述伸缩驱动件驱动所述配重沿着所述机器人本体的左右方向往复运动。
进一步的，所述伸缩驱动件包括倾转丝杆和与所述控制器连接的倾转电动机，所述配重与所述倾转丝杆螺旋连接，所述倾转丝杆的一端与安装在机器人本体上的倾转电动机同轴固接，另一端与安装在机器人本体上的一平衡座枢接，所述平衡座与所述倾转电动机相对所述机器人本体的中垂面对称平衡设置。
进一步的，还包括固接在机器人本体上的导向杆，所述导向杆与所述倾转丝杆平行设置，且该导向杆与所述配重滑接。
进一步的，还包括设置于倾转控制装置上方的姿态控制装置，所述姿态控制装置包括左阻尼板、右阻尼板和可旋转驱动的姿态丝杆，所述姿态丝杆两侧的螺旋旋向相反，所述左阻尼板、右阻尼板与所述姿态丝杆螺旋连接，且对称设置于所述姿态丝杆的两侧，所述姿态丝杆驱动所述左阻尼板和右阻尼板同步相向或者相离运动。
进一步的，所述机器人本体上对称设置左侧板和右侧板，所述左侧板上设置有左导向孔，所述右侧板上设置有与所述左导向孔对称的右导向孔，所述左导向孔与所述左阻尼板滑接，右导向孔与所述右阻尼板滑接。
进一步的，所述姿态控制装置还包括姿态电动机和姿态齿轮组，所述姿态电动机与所述控制器连接，所述姿态电动机安装于所述机器人本体的中垂面上，且通过所述姿态齿轮组驱动所述姿态丝杆旋转。
进一步的，所述机器人本体上还均布有多个浮力块。
进一步的，所述机器人本体内还安装有水平推进器和垂直推进器，所述水平推进器和垂直推进器均与所述控制器连接。
进一步的，所述左阻尼板和右阻尼板尺寸相同，所述左阻尼板在姿态丝杆轴向的长度为左侧板和右侧板之间距离的25％～50％，该左侧板在姿态丝杆轴向的长度小于左侧板和右侧板之间距离的10％，且该左阻尼板的宽度为同一方向上左侧板宽度的20％～50％。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在机器人框架内部设置了一个倾转控制装置，该装置可以根据电子舱中控制器输出的指令实时改变配重在倾转丝杆上的位置，从而给机器人施加绕水平方向转动的倾转力矩。为了使机器人在倾转过程中能保持稳定，本发明在机器人框架内部中心设置了一个姿态控制装置，该装置可以根据电子舱中控制器输出的指令以相同的速度伸出或收缩阻尼板，阻尼板为扁平板、且对称布置在机器人的左右两侧，阻尼板的作用是增大机器人在倾转过程中的阻尼，避免倾转过程中产生超调、倾转过程结束后更好地保持倾转状态。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是实施例公开的带倾转功能的水下机器人的主视示意图；
图2是实施例公开的带倾转功能的水下机器人的俯视示意图；
图3是图1的第一A-A视示意图；
图4是图1的第二A-A视示意图(左、右阻尼板处于伸出状态)；
图5是图1的第一B-B视示意图；
图6是图1的第二B-B视示意图(配重偏离倾转丝杆中心)；
图7是实施例公开的带倾转功能的水下机器人向左倾转90°时的主视示意图。
图例说明：
1、机器人本体；11、左侧板；111、左导向孔；12、右侧板；121、右导向孔；13、上横梁；131、上前横梁；132、上后横梁；14、下横梁；141、下前横梁；142、下后横梁；15、水平推进器；16、垂直推进器；161、左垂直推进器；162、右垂直推进器；17、浮力块；171、左前浮力块；172、左后浮力块；173、右前浮力块；174、右后浮力块；18、电子舱；181、姿态传感器；182、控制器；19、电缆；191、姿态电缆；192、倾转电缆；2、倾转控制装置；21、倾转电动机；22、平衡座；23、配重；24、倾转丝杆；25、导向杆；3、姿态控制装置；31、姿态电动机；32、姿态丝杆；33、左阻尼板；34、右阻尼板；35、姿态齿轮组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1-图7所示，本发明公开一种带倾转功能的水下机器人，包括机器人本体1、倾转控制装置2和姿态控制装置3三部分。
其中，为了保证机器人本体1在水下作业过程中保持平衡状态，机器人本体1外形为框架式中心对称结构的长方体，包括左侧板11、右侧板12、上横梁13、下横梁14、水平推进器15、垂直推进器16、浮力块17、电缆19、电子舱18、姿态传感器181、控制器182，左侧板11和右侧板12垂直布置在机器人本体1的左右两侧，左侧板11中心有左导向孔111，右侧板12中心有右导向孔121，上横梁13有2块，分别为上前横梁131和上后横梁132，下横梁14有2块，分别为下前横梁141和下后横梁142，上横梁13和下横梁14水平布置在机器人本体1的上下两侧，左侧板11、右侧板12、上横梁13、下横梁14构成了机器人本体1的框架，浮力块17共有4块，其中，浮力块17所产生的浮力小于整个水下机器人的重力，但同时也基本接近其重量，进而保证水下机器人可基本实现静态的水下悬浮，减少推进器的转速带来对观测水体的扰动，进而影响观测视野和水体环境。可选用固体浮力材料，分别为左前浮力块171、左后浮力块172、右前浮力块173、右后浮力块174，浮力块17对称布置在上横梁13的上表面，左前浮力块171、左后浮力块172与左侧板11的内侧面接触，右前浮力块173、右后浮力块174与右侧板12的内侧面接触，垂直推进器16有2个，分别为左垂直推进器161和右垂直推进器162，左垂直推进器161安装在左前浮力块171和左后浮力块172之间的中心，右垂直推进器162安装在右前浮力块173和右后浮力块174之间的中心，电子舱18水平安装在上横梁13的中心，水平推进器15水平对称安装在上横梁13的下表面，姿态传感器181和控制器182安装在电子舱18内部，姿态传感器181和控制器182之间采用电气连接；电缆19有2根，分别为姿态电缆191和倾转电缆192。
在本实施例中，姿态控制装置3安装在机器人本体1的框架内部，且位于框架中心，包括姿态电动机31、姿态丝杆32、左阻尼板33、右阻尼板34、姿态齿轮组35，姿态丝杆32通过螺旋副安装在机器人本体1的框架的侧板中心，姿态电动机31安装在上横梁13的下方，姿态齿轮组35安装在姿态丝杆32的中心，姿态齿轮组35的输入端和输出端分别与姿态电动机31和姿态丝杆32连接，姿态电动机31通过姿态电缆191和电子舱18电气连接，左阻尼板33和右阻尼板34通过螺旋副对称安装在姿态丝杆32上，且分别位于姿态齿轮组35的左侧和右侧。
在本实施例中，倾转控制装置2安装在机器人本体1的框架内部，且位于上横梁13和下横梁14之间，包括倾转电动机21、平衡座22、配重23、倾转丝杆24和导向杆25，倾转电动机21安装在机器人本体1框架的右侧板12上，倾转电动机21的输出端与倾转丝杆24的第一端连接，倾转电动机21通过倾转电缆192和电子舱18电气连接，平衡座22安装在机器人框架的左侧板11上、且与倾转丝杆24的第二端连接，配重23通过螺旋副安装在倾转丝杆24的中部，通过平衡座22以平衡倾转电动机21的重量，从而确保机器人本体1的左右平衡，而导向杆25的平行设置于倾转丝杆24的正上方或者正下方，两端分别固接在左侧板和右侧板12上，且该导向杆25通过贯穿配重23而与该配重23滑接，从而对配重周向旋转限制，进而避免水中较大的扰动因素导致倾转丝杆24带动配重23同步旋转、而不沿着倾转丝杆24轴向运动，导致丧失倾转调节的功能。
在本实施例中，左导向孔111和右导向孔121的尺寸相同，左导向孔111的尺寸大于左阻尼板33的外形尺寸，同时，左阻尼板33和右阻尼板34尺寸相同，左阻尼板33在姿态丝杆32轴向的长度为左侧板11和右侧板12之间距离的25％～50％，左侧板11在姿态丝杆32轴向的长度小于左侧板11和右侧板12之间距离的10％，左阻尼板33的宽度为同一方向上左侧板11宽度的20％～50％。
本发明中机器人本体1的倾转过程如下：正常情况下，机器人本体1在水中行走和作业时的姿态是水平的，当需要机器人本体1的姿态发生水平倾转时，控制器182先给姿态电动机31发出转动指令，姿态电动机31通过姿态齿轮组35(可采用锥齿轮组，实现空间交错动力的传输)带着姿态丝杆32转动，在姿态丝杆32驱动下，左阻尼板33和右阻尼板34分别通过左导向孔111和右导向孔121以相同的速度从机器人本体1框架内向外侧伸出，当左阻尼板33和右阻尼板34完全伸出后，姿态电动机31停止转动，控制器182给倾转电动机21发出转动指令，倾转电动机21带着倾转丝杆24转动，位于倾转丝杆24中心的配重23向需要倾转的一侧移动，偏离倾转丝杆24中心的配重23对机器人本体1产生水平倾转力矩，电子舱18中的姿态传感器181实时检测机器人本体1水平方向的倾角，当倾角的检测值小于设定值时，倾转电动机21继续同向转动；当倾角的检测值等于设定值时，倾转电动机21停止转动；当倾角的检测值大于设定值时，倾转电动机21反向转动。
当机器人本体1需要从倾转状态回到水平状态时，控制器182先给倾转电动机21发出转动指令，倾转电动机21带着倾转丝杆24转动，位于倾转丝杆24一端的配重23向倾转丝杆24中心移动，当配重23回到倾转丝杆24中点后，倾转电动机21停止转动，控制器182给姿态电动机31发出转动指令，姿态电动机31带着姿态丝杆32转动，在姿态丝杆32驱动下，左阻尼板33和右阻尼板34以相同的速度分别通过左导向孔111和右导向孔121从机器人本体1的框架外侧向内侧收缩，当左阻尼板33和右阻尼板34完全收缩后，姿态电动机31停止转动。
本发明的工作原理及优点如下：本发明在机器人本体1的框架内部设置了一个倾转控制装置2，该装置可以根据电子舱18中控制器182输出的指令实时改变配重23在倾转丝杆24上的位置，从而给机器人本体1施加绕水平方向转动的倾转力矩，为了使机器人本体1在倾转过程中能保持稳定，本发明在机器人本体1框架内部中心设置了一个姿态控制装置3，该装置可以根据电子舱18中控制器182输出的指令以相同的速度伸出或收缩阻尼板，阻尼板为扁平板、且对称布置在机器人本体1的左右两侧，阻尼板的作用是增大机器人本体1在倾转过程中的阻尼，避免倾转过程中产生超调、倾转过程结束后更好地保持倾转状态。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带倾转功能的水下机器人，其特征在于，包括采用框架式对称结构的机器人本体(1)和设置在机器人本体(1)内的倾转控制装置(2)，位于所述机器人本体(1)的中垂面上设置有一电子舱(18)，所述电子舱(18)内设置有相互连接的控制器(182)和姿态传感器(181)，所述倾转控制装置(2)包括配重(23)和与所述控制器(182)连接的伸缩驱动件，所述伸缩驱动件驱动所述配重(23)沿着所述机器人本体(1)的左右方向往复运动。
2.根据权利要求1所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述伸缩驱动件包括倾转丝杆(24)和与所述控制器(182)连接的倾转电动机(21)，所述配重(23)与所述倾转丝杆(24)螺旋连接，所述倾转丝杆(24)的一端与安装在机器人本体(1)上的倾转电动机(21)同轴固接，另一端与安装在机器人本体(1)上的一平衡座(22)枢接，所述平衡座(22)与所述倾转电动机(21)相对所述机器人本体(1)的中垂面对称平衡设置。
3.根据权利要求2所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，还包括固接在机器人本体(1)上的导向杆(25)，所述导向杆(25)与所述倾转丝杆(24)平行设置，且该导向杆(25)与所述配重(23)滑接。
4.根据权利要求1-3任一所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，还包括设置于倾转控制装置(2)上方的姿态控制装置(3)，所述姿态控制装置(3)包括左阻尼板(33)、右阻尼板(34)和可旋转驱动的姿态丝杆(32)，所述姿态丝杆(32)两侧的螺旋旋向相反，所述左阻尼板(33)、右阻尼板(34)与所述姿态丝杆(32)螺旋连接，且对称设置于所述姿态丝杆(32)的两侧，所述姿态丝杆(32)驱动所述左阻尼板(33)和右阻尼板(34)同步相向或者相离运动。
5.根据权利要求4所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)上对称设置左侧板(11)和右侧板(12)，所述左侧板(11)上设置有左导向孔(111)，所述右侧板(12)上设置有与所述左导向孔(111)对称的右导向孔(121)，所述左导向孔(111)与所述左阻尼板(33)滑接，右导向孔(121)与所述右阻尼板(34)滑接。
6.根据权利要求5所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述姿态控制装置(3)还包括姿态电动机(31)和姿态齿轮组(35)，所述姿态电动机(31)与所述控制器(182)连接，所述姿态电动机(31)安装于所述机器人本体(1)的中垂面上，且通过所述姿态齿轮组(35)驱动所述姿态丝杆(32)旋转。
7.根据权利要求6所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)上还均布有浮力块(17)。
8.根据权利要求7所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)内还安装有水平推进器(15)和垂直推进器(16)，所述水平推进器(15)和垂直推进器(16)均与所述控制器(182)连接。
9.根据权利要求8所述的带倾转功能的水下机器人，其特征在于，所述左阻尼板(33)和右阻尼板(34)尺寸相同，所述左阻尼板(33)在姿态丝杆(32)轴向的长度为左侧板(11)和右侧板(12)之间距离的25％～50％，该左侧板(11)在姿态丝杆(32)轴向的长度小于左侧板(11)和右侧板(12)之间距离的10％，且该左阻尼板(33)的宽度为同一方向上左侧板(11)宽度的20％～50％。
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