CN110341916B - 一种水下机器人的倾转推进装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人的可倾转推进装置及系统，该可倾转推进装置，包括机器人本体、水下机械臂组和倾转推进机构；水下机械臂组和倾转推进机构分别固定在机器人本体上，机器人本体包括两个上下向延伸的侧板、两个水平向延伸的上支撑板和下支撑板，上支撑板中心线后部设有一个垂直推进器；可倾转推进系统使得可倾转推进装置实现手动和自动两种控制方式；手动控制方式具有水平推进和竖直推进两种工作模式；自动控制方式根据前进、后退、上浮、下潜、前进上浮、前进下潜指令自动调整两个可倾转推进器的方向，实现进退、浮沉的运动。本发明使得水下机器人既具有多个方向行进自由度，又通过减少推进器数量解决了高能耗等问题。

Description

一种水下机器人的倾转推进装置及系统

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体而言，涉及一种应用于水下机器人的倾转推进装置及系统。

背景技术

水下机器人作为一种智能控制工具在海洋开发、海洋探索发挥巨大作用，随着水下机器人应用领域的拓宽，多行业迫切需要便捷水下机器人的研发以进行水下作业。水下机器人推进装置通常按照功能需求确定运动平台上推进器的数量，但是多自由度推进机器人具有体型庞大、高能耗等缺点，操作繁杂且不便于进行轻量作业。因此，在不损失自由度的前提下，需要一种低能耗的简便水下机器人解决上述问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于水下机器人的可倾转推进装置及系统，在保持多推进器机动性的同时减少推进器数量，降低了载体能耗，又对载体体型进行紧凑简便设计。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种水下机器人的可倾转推进装置，包括机器人本体、水下机械臂组和倾转推进机构。所述水下机械臂组和倾转推进机构分别固定在所述机器人本体上，所述机器人本体包括两个上下向延伸的侧板、两个水平向延伸的上支撑板和下支撑板；所述上支撑板中心线后部设有一个垂直推进器，与倾转推进机构共同实现水平推进和竖直推进两种工作模式。

进一步的，所述水下机械臂组，固定安装于下支撑板，用于控制两个可倾转推进器，设置有固定套、舵机板、舵机、和传动机构；所述固定套安装在下支撑板一端；所述舵机板安装在下支撑板中心线上；所述舵机的尾部嵌套于固定套内部；顶部设有两个螺纹孔对应于舵机板，设有一个孔对应于舵机联动轴。

进一步的，所述传动机构，包括第一摇臂、第一鱼眼连杆轴承、丝杆、第二鱼眼连杆轴承、第二摇臂。所述第一摇臂一侧设有对应嵌套于舵机联动轴的六边形孔，通过所述舵机驱动旋转，另一侧设置有对应于所述第一鱼眼连杆轴承的圆形孔，通过螺丝连接所述第一鱼眼连杆轴承。所述第一鱼眼连杆轴承和所述第二鱼眼连杆轴承均有一侧设置圆形凹槽，利用所述丝杆两端分别嵌入圆形凹槽进行连接。所述第二鱼眼连杆轴承另一端连接所述第二摇臂；所述第二摇臂另一侧设置通孔，通孔顶端设置螺纹孔，用于连接所述推进机构。

进一步的，所述推进机构设有钢轴和推进器固定板；所述钢轴穿过所述第二摇臂通孔，中心位置设置有凹槽，通过所设通孔顶端的螺纹孔固定第二摇臂；钢轴两端穿过侧板垂向对称设有推进器固定板；所述推进器固定板用于固定两个推进器，其对称中心轴与壳体上竖直推进器所在中心轴在同一平面。

进一步的，所述机器人本体侧板内侧对称设置有轴承，支撑所述钢轴和推进器固定板旋转。

进一步的，所述钢轴两侧对称设置凹槽，穿过所述轴承内圈，所述轴承内圈设有垫片，连接一个限位环；所述限位环两侧设有对应钢轴凹槽的螺纹孔。

进一步的，钢轴两端对称连接一个法兰，所述法兰具有三个螺纹孔，内部中心设置一个通孔，用于连接所述钢轴和推进器固定板。

进一步的，所述推进器固定板偏中心处设置三个对应于特制法兰的螺孔，偏外侧处设置三个对应于推进器的螺孔，用以固定推进器。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种水下机器人的可倾转推进系统，包括手动控制模块和自动控制模块，其执行包括以下步骤：

系统启动后操作人员选择控制方式，所述控制方式包括手动控制方式和自动控制方式；

所述手动控制方式被选择后系统进入所述手动控制模块，所述手动控制模块可以根据操作人员指令选择水平推进和竖直推进两种工作模式，所述垂直推进模式将驱动两个可倾转推进器处于垂直方向，配合垂直推进器实现水下机器人的垂直运动；所述水平推进模式将驱动两个可倾转推进器处于水平方向，用于驱动水下机器人进行水平方向运动，垂直推进器在该模式下用于控制机器人自身平衡；

所述自动控制方式被选择后系统进入所述自动控制模块，所述自动控制模块可以根据操作人员给出的前进、后退、上浮、下潜、前进上浮、前进下潜指令自动调整两个可倾转推进器的方向；

所述前进和后退指令由自动控制模块控制可倾转推进器处于水平方向。所述上浮和下潜指令由自动控制模块控制可倾转推进器处于垂直方向。所述前进上浮和前进下潜指令由自动控制模块控制可倾转推进器处于水平方向，并根据上下方向的指令强度x控制垂直推进器的转速y，其计算公式为y＝200×x(转/秒)，x取值范围在[-5，5]，x负值表示下潜速度，x正值表示上浮速度，y负值表示螺旋桨反向转动，y正值表示螺旋桨正向转动。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明所述的水下机器人的倾转推进系统。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行本发明所述的水下机器人的倾转推进系统。本发明的有益技术效果是：本发明所述水下机器人可倾转推进装置及系统，使得水下机器人具有手动控制方式和自动控制方式两种控制方式；本发明所述手动控制方式具有水平推进和竖直推进两种工作模式，系统可以将水下机器人在两种工作模式中进行变换；本发明所述自动控制方式根据前进、后退、上浮、下潜、前进上浮、前进下潜指令自动调整两个可倾转推进器的方向；本发明在上支撑板上设置有竖直推进器，用于平衡机体。便于水下操作人员操控推进器倾转，实现进退、浮沉运动。既具有多个自由度，又通过减少推进器数量解决了高能耗、体型庞大等问题。因而，本发明水下机器人更轻量，改善了水下作业性能，便于提高工作效率。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明说明：

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明省去壳体的结构示意图；

图3为本发明水下机械臂组和倾转推进机构的结构示意图；

图4为本发明倾转推进机构放置示意图；

图5为本发明倾转推进系统操作流程图；

附图标记说明：1、机器人本体；2、水下机械臂组；3、倾转推进机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1到4所示，本发明所述一种水下机器人可倾转推进装置，它包括有机器人本体1、水下机械臂组2和倾转推进机构3；所述机器人本体1包括两个上下向延伸的侧板和两个水平向延伸的上、下支撑板，两个支撑板分别通过铰体固定约束在两侧板。所述上支撑板中心线后部设有一个垂直推进器101。

所述水下机械臂组2，固定安装于下支撑板，用于控制两个可倾转推进器，设置有固定套201、舵机板202、舵机203、和传动机构；所述固定套201安装在下支撑板一端，用于固定舵机机体；所述舵机板202安装在下支撑板中心线上，用于支撑舵机；所述舵机203作为驱动装置，其尾部嵌套在固定套内部，顶部设有两个螺纹孔2021，对应于舵机板；舵机板设有一个孔用于使舵机联动轴2031 通过。

所述传动机构，包括第一摇臂2041、第一鱼眼连杆轴承2042、丝杆2043、第二鱼眼连杆轴承2044、第二摇臂2045。所述第一摇臂2041一侧设有对应嵌套于舵机联动轴2031的六边形孔，通过所述舵机驱动旋转，另一侧设置有对应于第一鱼眼连杆轴承的圆形孔，通过螺丝连接所述第一鱼眼连杆轴承。所述第一鱼眼连杆轴承2042和所述第二鱼眼连杆轴承2044均有一侧设置圆形凹槽，利用所述丝杆2043两端分别嵌入圆形凹槽进行连接。所述第二鱼眼连杆轴承2044 另一端连接所述第二摇臂2045；所述第二摇臂另一侧设置通孔，通孔顶端设置螺纹孔，用于连接所述推进机构。

所述推进机构3设有钢轴301和推进器固定板302，所述钢轴穿过所述第二摇臂2045通孔，中心位置设置有凹槽，通过所设通孔顶端的螺纹孔固定第二摇臂；钢轴两端穿过侧板，垂向对称设有推进器固定板302；所述推进器固定板用于固定两个推进器303，其对称中心轴与壳体上竖直推进器所在中心轴在同一平面。所述机器人本体侧板内侧对称设置有轴承304，支撑钢轴及所固定推进器固定板旋转，减少钢轴与壳体侧板的摩擦。

所述钢轴301两侧对称设置凹槽，穿过所述轴承内圈，所述轴承内圈设有垫片，连接一个限位环305。

所述限位环设置对应钢轴凹槽的螺纹孔，用于限制轴承、钢轴轴向窜动。

钢轴两端对称连接一个法兰306，所述法兰具有三个螺纹孔，内部中心设置一个通孔，用于连接所述钢轴301和推进器固定板302。所述推进器固定板偏中心处设置三个对应于特制法兰的螺孔，偏外侧处设置三个对应于推进器的螺孔，用以固定推进器。

发明的工作过程大致如图5所示。

竖直推进工作模式转换水平推进工作模式：通过控制手柄发送控制信号给舵机203，舵机通过输出轴2031将动力传至第一摇臂2041；第一摇臂以输出轴为中心旋转90°，由竖直状态转向水平状态，并向后拉动第一鱼眼连杆轴承2042；第一鱼眼连杆轴承通过丝杆2043拉动第二鱼眼连杆轴承2044，将第二摇臂2045 转向水平状态；当第二摇臂处于水平状态时，钢轴301旋转90°，带动两端推进器303进行倾转；同时，控制手柄发送控制信号给上支撑板竖直推进器101，竖直推进器推力输出发生改变，联合两端推进器实现水下机器人的进退运动。以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种水下机器人可倾转推进装置，其特征在于包括有机器人本体（1）、水下机械臂组（2）和倾转推进机构（3）；

所述机器人本体（1）包括两个上下向延伸的侧板和两个水平向延伸的上支撑板与下支撑板，两个支撑板分别通过铰体固定约束在两侧板；所述上支撑板中心线后部设有一个垂直推进器（101）；

所述水下机械臂组（2）安装于下支撑板并控制两个可倾转推进器，水下机械臂组（2）设置有固定套（201）、舵机板（202）、舵机（203）和传动机构；所述固定套（201）安装在下支撑板一端，用于固定舵机（203）；所述舵机板（202）安装在下支撑板中心线上，用于支撑舵机（203）；所述舵机（203）作为驱动装置，其尾部嵌套在固定套（201）内部，顶部设有两个对应于舵机板（202）的螺纹孔（2021）；舵机板（202）设有一个用于使舵机（203）的联动轴（2031）通过的孔；

所述传动机构包括第一摇臂（2041）、第一鱼眼连杆轴承（2042）、丝杆（2043）、第二鱼眼连杆轴承（2044）、第二摇臂（2045）；所述第一摇臂（2041）一侧设有对应嵌套于舵机（203）的联动轴（2031）的六边形孔、另一侧设置有对应于第一鱼眼连杆轴承（2042）的圆形孔，并通过螺丝连接所述第一鱼眼连杆轴承（2042），第一摇臂（2041）由所述舵机（203）驱动旋转；所述第一鱼眼连杆轴承（2042）和所述第二鱼眼连杆轴承（2044）均有一侧设置圆形凹槽，利用所述丝杆（2043）两端分别嵌入圆形凹槽进行连接；所述第二鱼眼连杆轴承（2044）另一端连接所述第二摇臂（2045）；所述第二摇臂（2045）另一侧设置通孔，通孔顶端设置螺纹孔，用于连接所述推进机构（3）；

所述推进机构（3）包括钢轴（301）和钢轴（301）两端的推进器固定板（302），所述钢轴（301）穿过所述第二摇臂（2045）通孔，且钢轴（301）中心位置设置有凹槽，通过第二摇臂（2045）的螺纹孔与第二摇臂（2045）进行固定；钢轴（301）两端穿过机器人本体（1）的两个侧板，钢轴（301）两端对称设有垂向的推进器固定板（302）；所述推进器固定板（302）用于固定两个推进器（303），其对称中心轴与壳体上垂直推进器（101）所在中心轴在同一平面；

所述机器人本体（1）侧板内侧对称设置有轴承（304），以支撑钢轴（301）及所固定推进器固定板（302）旋转，从而减少钢轴与侧板的摩擦；

所述钢轴（301）穿过所述轴承（304）内圈，钢轴（301）两端对称设置凹槽，所述轴承（304）内圈设有垫片，轴承（304）内圈连接一个限位环（305）；

所述限位环（305）设置对应钢轴（301）凹槽的螺纹孔，用于限制轴承（304）、钢轴（301）的轴向窜动；

钢轴（301）两端对称连接一个法兰（306），所述法兰（306）具有三个螺纹孔、中部设置一个通孔，用于连接所述钢轴（301）和推进器固定板（302）；所述推进器固定板（302）靠近中心处设置三个对应于法兰（306）的螺孔，靠近边缘处设置三个对应于推进器（303）的螺孔用以固定推进器（303）。

2.权利要求1所述的水下机器人可倾转推进装置由竖直推进工作模式转换水平推进工作模式的方法，其特征在于包括以下步骤：

发送控制信号给舵机（203），舵机（203）通过联动轴（2031）将动力传至第一摇臂（2041）；第一摇臂（2041）以舵机（203）输出轴为中心旋转90°，由竖直状态转向水平状态，并向后拉动第一鱼眼连杆轴承（2042）；第一鱼眼连杆轴承（2042）通过丝杆（2043）拉动第二鱼眼连杆轴承（2044），将第二摇臂（2045）转向水平状态；当第二摇臂处于水平状态时，钢轴（301）旋转90°，带动两端推进器（303）进行倾转；同时，发送控制信号给上支撑板垂直推进器（101），垂直推进器（101）推力输出发生改变，联合两端推进器实现水下机器人的进退运动。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于当装置处于水平方向时，根据指令强度x控制垂直推进器（101）的转速y，其计算公式为y＝200×x(转/秒)，x取值范围在[-5，5]，x负值表示下潜速度，x正值表示上浮速度，y负值表示螺旋桨反向转动，y正值表示螺旋桨正向转动。

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