CN109895980A - 一种具有矢量推进功能的小型水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，包括水下机器人本体和螺旋桨矢量推进装置。水下机器人本体由防撞头、电池舱、重心调节机构和传感器舱组成，螺旋桨矢量推进装置由螺旋桨、传动机构和艉舱组成。本螺旋桨矢量推进装置能够提供两条相互耦合的运动传动链，一条运动链驱动尾部绕竖直轴转动（±30°），另一条运动链驱动尾部绕水平轴向转动（±180°），将两条运动链结合，可以实现使水下机器人在空间内任意方向偏转。本发明采用矢量推进的方式，摒弃了传统的鳍和转向舵的设计，单独使用一个矢量推进装置就可以实现各个方向的运动控制，整体结构设计简洁轻巧，能够为自主水下机器人提供满足要求的矢量推力。

Description

一种具有矢量推进功能的小型水下机器人

技术领域

本发明涉及一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，属于海洋工程技术领域。具体涉及一种螺旋桨矢量推进装置。它采用齿轮传动可实现推进器水平和垂直方向运动控制，具有传动效率较高、可靠性高、整体结构设计紧凑、节省空间、易于进行局部密封等优点，同时主推电机采用防水电机，具有密封结构，能够有效的减少了整个矢量推进器的纵向长度，能够适应于小型水下机器人。

背景技术

伴随人类海洋开发步伐的不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前重视和发展。自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是海洋科学研究、资源调查、应急搜救等民用领域的重要工具，也在情报侦测、探雷灭雷、军事支援等方面发挥关键作用，被视为现代海军力量的倍增器。然而，在大多数海洋科学调查中，大部分AUV仍采用传统推进器，使用舵导航，缺乏转向灵活性且会增加较大的附加阻力，当操纵舵偏转角度较大时，会发生流动分离现象，流动分离会使得控制效果大为减弱。传统推进器只提供推力或拉力，AUV方向的改变通过鳍舵实现。由于舵对流场的干扰，加剧了空泡效应，尾流严重，影响船体的整个水动力性能。同时传统的中大型水下机器人因体积庞大，整体航行阻力较大，在各种小河道和湖泊等地方灵活性受到限制，同时经费大，制造周期长，不能满足工业发展的商业需求。

为了提高水下机器人在浅水域的机动性和灵活性，减小在水中的航行阻力，提高航速，满足在复杂的水下环境里灵活高速地实施任务的要求，本发明设计一种具有矢量推进功能的小型水下机器人。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明设计一种具有矢量推进功能的小型水下机器人。该水下机器人搭载独立工作的螺旋桨矢量推进器装置，使其具有很强的可移植性，并极大地提高水下机器人的机动性能，大大提高水下机器人内腔的利用率，同时该水下机器人可基于其高机动性及强续航能力，可以搭载成像系统，实现在复杂河道或者浅海区域里快速收集水文信息的功能，并且可装载多种传感器，适用于多种无人水下工作。

本发明中的小型水下机器人本体实行模块化设计，包括防撞头、电池舱、重心调节机构和传感器舱，使其通过选用不同的模块，组合成主适用于不同环境和目标任务的小型水下机器人，采用这种设计，当某一模块出现问题时，方便替换和维修。舱体之间的连接采用公、母头对接方式，并用螺栓连接，用舱体外壁的销孔对正，舱与舱之间的密封采用两个安装在公头凸出连接处的密封圈槽中，与母头内壁配合实现密封。

本发明中所述小型水下机器人的艏部为防撞头，采用橡胶材质，通过螺栓与电池舱连接。防撞头不仅起到了保持流线型、减小阻力的效果，还可以在船体行驶出现意外情况时保护舱体不会因正面的撞击而损坏或解体，为了充电方便在防撞头前部开孔，将其作为充电孔，并通过水密充电插头与电池舱盖之间进行密封。

本发明中所述小型水下机器人的重心调节机构，采用滑块-滚珠丝杆机构，丝杆从头到尾贯穿固定在头舱中，电池包作为重心调整重物通过滑块固定在导轨上并与丝杆相连，通过电机带动滚珠丝杆旋转使连接滑块带动电池包前后移动从而实现重心的调节。当小型水下机器人需要传输数据时，控制器控制电机转动，使电池包向头部移动，此时重心在头部，舱体会头部向下、尾部向上，竖直漂浮在水中，天线露出水面便可以进行通讯。

本发明中的螺旋桨矢量推进装置，主要包括主推电机、螺旋桨、导流罩、传动机构、挡板、艉舱、滚转舵机和摆转舵机，主推电机位于导流罩内，通过支撑杆与导流罩连接，螺旋桨与主推电机连接构成推进装置尾部，滚转舵机、摆转舵机分别与传动机构相连构成推进器前部，其安装在艉舱内，并固定在挡板上，推进装置尾部和前部通过传动机构连接构成螺旋桨矢量推进装置。

所述的摆转机构，其包括摆转舵机、连接板-2、舵机支架、主轴、U型架、传动轴和连接架。连接架与主推电机相连，并固定在传动轴上，传动轴通过轴承与U型架相对转动，主轴与摆转舵机连接，摆转舵机与连接板-2相连，连接板-2固定在舵机支架上，摆转舵机驱动主轴，主轴与传动轴相连，并将其动力传递到在传动轴上的连接架上，从而实现推进器尾部绕竖直轴转动（±30°）。

所述的滚转机构，其包括滚转舵机、连接板-1、舵机支架、传动件-1、传动件-2、主套筒、U型架。滚转舵机与传动件-2连接，并固定在连接板-1上，连接板-1固定在舵机支架上，传动件-1与传动件-2相连，传动件-1固定在主套筒上，主套筒与U型架连接，滚转舵机驱动传动件-2，传动件-2与传动件-1相连，并将动力传递到主套筒上，进而传递到U型架上，驱动推进器尾部绕水平轴向转动（±180°），将摆转舵机与滚转舵机的运动结合，从而可以实现推进器在空间任意方向上的偏转。

进一步地，所述艉舱含有三个运动输入，分别是驱动螺旋桨的主推电机、控制螺旋桨整体摆动的摆转舵机与控制螺旋桨整体绕主轴旋转的滚转舵机。主推电机选用防水电机，与螺旋桨直接连接控制螺旋桨旋转，摆转舵机通过传动件来控制螺旋桨整体摆动以实现±30°的调节角，同时滚转舵机通过传动件控制螺旋桨整体的旋转。通过控制螺旋桨整体的摆动与旋转，我们可以使螺旋桨的推进方向控制在一个圆锥体的范围从而实现矢量推进。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

1）本发明的一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，相较于其他的使用尾舵作为转向机构的水下机器人，转弯半径大大缩短，再加上设计的小型舱体壳体上没有天线、尾舵等附体，使得该水下机器人在机动性上对比其他类型水下机器人有了很大的提升，整体航行阻力也大大降低，航速最高可达10节，满足在复杂的水下环境里灵活高速地实施任务的要求。

2） 而本发明的螺旋桨矢量推进装置通过齿轮传动实现推进器水平和垂直方向运动控制，具有传动效率较高、可靠性高、整体结构设计紧凑、节省空间，易于进行局部密封，同时偏转角度大（0～90°），灵活性较高，主要由轮系结构组成，齿轮传动效率高，可靠性较高；主推电机直接驱动螺旋桨，灵活性强，均采用传动直齿轮与锥齿轮，结构简单，加工难度低。

3）主推电机采用防水电机，具有密封结构，能够有效的减少了整个矢量推进器的纵向长度，能够适应于小型水下机器人，同时直接将尾罩部分透水，不需设计复杂的防水密封结构，从而解决了因密封泄露问题可能带来的安全隐患，同时主推电机置于艉部通过固定连接驱动螺旋桨，可以增大主推电机的放置空间，对电机选型空间限制小，同时采用模块化设计，利于改装和维修。

附图说明

图1是本发明的整体外形示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的螺旋桨矢量推进装置立体结构示意图；

图4是本发明的螺旋桨矢量推进装置传动机构示意图；

图5是本发明的舱体密封结构示意图；

图6是本发明的防撞头的结构示意图；

图7是本发明的重心调节机构结构示意图。

图中1、主推电机；2、螺旋桨；3、导流罩；4、U型架；5、挡板；6、艉舱；7、滚转舵机；8、摆转舵机；9、外轴承支座；10、传动轴；11、连接架；12、轴承；13、轴承压盖；14、O型圈；15、轴承；16、主套筒；17、主轴；18、传动件-1；19、连接板-1；20、连接板-2；21、舵机支架；22、内轴承支座；23、传动件-2；24、O型圈；25、六角螺栓；26、传感器舱；27、电池舱；28、端面板；29、防撞头；30、水密压盖；31、水密堵头；32、防撞头填充；33、水密插头；34、电动机；35、导轨；36、丝杆；37、滑块；38、电池包。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施进行详细阐述，以使发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1、图2所示，螺旋桨矢量推进装置Ⅱ在艉部，固定于小型水下机器人本体Ⅰ在后面，如图3、图4所示主推电机1、螺旋桨2、导流罩3、U型架4、挡板5、艉舱 6、滚转舵机7、摆转舵机8，其中，滚转舵机7、摆转舵机8分别与U型架4相连构成偏转系统，主推电机1与螺旋桨2相连构成矢量推进器尾部，偏转系统、矢量推进器尾部分别与U型架4相连构成矢量推进器，其安装在水下航行器的尾舱6内，固定在挡板5上，可以为水下航行器提供矢量推力。

如图3的螺旋桨矢量推进装置立体结构和图4中的传动机构，其包括：挡板5、艉舱6、滚转舵机7、摆转舵机8、外轴承支座9、传动轴10、连接架11、轴承12、轴承压盖13、O型圈14、轴承15、主套筒16、主轴17、传动件-1 18、连接板-1 19、连接板-2 20、舵机支架21、内轴承支座22、传动件-2 23。实例中它们的连接关系为：连接架11的一端与主推电机1相连，另一端与传动轴10的中部连接。传动轴10与主轴17相连，传动轴10上装有轴承12与U型架4相配合，轴承压盖13与U型架4连接。主轴17上装有轴承15与舵机支架21相配合，主轴17的另一端摆转舵机8的输出轴相连。主套筒16一端与U型架4固连，主套筒16与主轴17之间采用旋转O型圈14进行动密封，主套筒16通过传动件-1 18实现轴向定位，传动件-1 18固定于主套筒16末端上，传动件-2 23与滚转舵机7的轴相连。滚转舵机7和摆转舵机8分别固定在连接板-1 19、连接板-2 20上，连接板-1 19与连接板-2 20分别固连在舵机支架21上，舵机支架21固定在挡板5上。主套筒16与尾舱6之间采用旋转O型圈14进行动密封，主轴17与主套筒16之间采用旋转O型圈14进行动密封。

如图5的舱体密封结构，其包括：挡板5、O型圈24、六角螺栓25、传感器舱26。挡板5与传感器舱26之间采用公、母头对接方式，并用螺栓25连接，用舱体外壁的销孔对正。挡板5与传感器舱26之间通过O型圈24实现静密封。

如图6的防撞头的结构，其包括电池舱27、端面板28、防撞头29、水密压盖30、水密堵头31、防撞头填充32、水密插头33。端面板28与防撞头29通过螺栓连接，为了充电方便在防撞头前部开孔，将其作为充电孔，并通过水密插头33与端面板28之间通过水密堵头31进行密封。

如图7的重心调节机构，其包括电池舱27、电动机34、导轨35、丝杆36、滑块37、电池包38。丝杆36从头到尾贯穿固定在电池27中，电池包38通过滑块37固定在导轨35上并与丝杆36相连，通过电动机34带动丝杆36旋转使滑块37带动电池包38前后移动从而实现重心的调节。当小型水下机器人需要传输数据时，控制器控制电动机34转动，使电池包38向头部移动，此时重心在头部，舱体会头部向下、尾部向上，竖直漂浮在水中，天线露出水面便可以进行通讯。

本实例有两条运动传动链，一是摆转轴系传动链，实现尾部推进器上下摆动；二是滚转轴系传动链，实现尾部推进器整体左右水平滚转，以便调整尾部推进器的姿态，从而使尾部推进器相对水下航行器产生矢量推力。摆转轴系传动链：摆转舵机8输出的运动传递到主轴17上，主轴17与传动轴10相连，将运动传动递给传动轴10, 传动轴10再带动连接架11摆动，从而带动推进器尾部摆动，实现摆动范围是 -30°至 +30°。滚转轴系传动链：滚转舵机7输出的运动通过传动件-2 23传递到传动件-1 18上, 再经过主套筒16将运动传动递给U型架4，U型架4带动连接架11绕轴线滚转，从而带动推进器尾部绕其轴线在-180°至 +180°范围内滚转。通过两条传动链的运动合成，推进器尾部可以实现任意回转角度下的全方位偏转。在滚转舵机7、摆转舵机8的驱动下，推进器尾部首先回转到预定位置后，再改变其偏转角度，推进器尾部就可以获得在任意回转角度下的-30°至 +30°范围内的偏转，从而将推力矢量技术有机的结合到推进器上。

Claims (5)

1.一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，其特征在于，包括水下机器人本体和螺旋桨矢量推进装置，螺旋桨矢量推进装置安装在艉舱内部，艉舱和水下机器人本体采用真空连接方式：所述艉舱前端连接处为内嵌圆柱曲线型，所述水下机器人本体尾部为外凸圆柱曲线型，两者相互配合并压紧所述艉舱前端连接处的O型密封圈，舱体连接处内部形成密闭空间即为真空室。

2.根据权利要求1所述的一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，其特征在于所述水下机器人本体，其包括防撞头、电池舱、重心调节机构和传感器舱，舱体之间的连接采用公、母头对接方式，并用螺栓连接，用舱体外壁的销孔对正，舱与舱之间的密封采用两个安装在公头凸出连接处的密封圈槽中，与母头内壁配合实现密封，防撞头置于航行器艏部，与电池舱通过螺栓连接，电池舱内部配置重心调节机构，采用滑块-滚珠丝杆机构来实现，丝杆从头到尾贯穿固定在头舱中，电池包作为重心调整通过滑块固定在导轨上并与丝杆相连，通过电机带动滚珠丝杆旋转使连接滑块带动电池包前后移动从而实现重心的调节，在传感器舱中主要安装三个器件，分别是DVL（多普勒测速仪）、DVL控制器和AHRS（航姿态参考系统），上述三个器件通过一个保持架利用焊接的方式固定在传感舱体上。

3.根据权利要求1所述的一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，其特征在于所述螺旋桨矢量推进装置，其包括主推电机、螺旋桨、导流罩、传动机构、挡板、艉舱、滚转舵机和摆转舵机，主推电机位于导流罩内，通过支撑杆与导流罩连接，螺旋桨与主推电机连接构成推进器尾部，滚转舵机、摆转舵机分别与传动机构相连构成推进器前部，其安装在艉舱内部，推进器尾部和推进器前部通过传动机构连接构成螺旋桨矢量推进装置。

4.根据权利要求3所述的一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，其特征在于所述螺旋桨矢量推进装置摆转机构，其包括摆转舵机、主轴、U型架、传动轴和连接架，连接架与主推电机相连，并固定在传动轴上，传动轴与U型架相对转动，主轴与摆转舵机连接，摆转舵机驱动主轴，主轴与传动轴相连，并将其动力传递到在传动轴上的连接架上，从而实现推进器尾部绕竖直轴转动（±30°）。

5.根据权利要求3所述的一种具有矢量推进功能的小型水下机器人，其特征在于所述螺旋桨矢量推进装置滚转机构，其包括滚转舵机、传动件-1、传动件-2、主套筒和U型架，滚转舵机与传动件-2连接，传动件-1与传动件-2相连，传动件-1固定在主套筒上，主套筒与U型架连接，滚转舵机驱动传动件-2，传动件-2与传动件-1相连，并将动力传递到主套筒上，进而传递到U型架上，驱动推进器尾部绕水平轴向转动（±180°），将摆转舵机与滚转舵机的运动结合，从而可以实现推进器在空间任意方向上的偏转。