CN111959736B - 一种喷水推进式水下球形重载机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷水推进式水下球形重载机器人，球形壳体通过中部水平密封挡板分隔为上动力舱和下工作舱，上动力舱中安装有喷水推进系统，该系统包括安装在水平密封挡板上的电动机、高压水泵和喷嘴，喷嘴均布于水平密封挡板边部四角处且喷口密封伸出球形壳体外部，电动机驱动控制高压水泵吸取外部海水并通过喷嘴喷射，通过控制不同方位喷嘴组合喷水推进，水下球形重载机器人航向和航速可调，下工作舱中设有观测舱和压载水舱，其中，观测舱用于观测海底环境，并通过无线电传播至海上控制台。本发明采用容积式液压泵驱动中高压喷水推进，极大地提高了水下机器人作业的承载能力，而且通过喷嘴的矢量化推进提高了水下机器人的机动性能。

Description

一种喷水推进式水下球形重载机器人

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种喷水推进式水下球形重载机器人。

背景技术

地球海水资源丰富，海底资源更是数不胜数。为了大力开发海洋资源，世界各国都投入了大量精力致力于深海水下机器人的研究。传统水下机器人的推进器采用螺旋桨推进，通过叶片的转动产生主推进力使机器人前进，其在变换姿态时，水下机器人四周的船舵摇摆，达到转向的目的。但是在实际运用时并不是很灵活，而且船舵变向需要机器人航行一个大弯角才能完成转向动作，而且在深海作业时受驱动能力所限无法实现重载操作作业；一些起到特殊作用的水下机器人在工作时，例如用于武装的水下机器人，螺旋桨旋转所产生的巨大噪声还会暴露机器人的位置，降低隐蔽性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种喷水推进式水下球形重载机器人，该机器人基于水液压传动原理，采用容积式液压泵驱动中高压喷水推进，极大地提高了水下机器人作业的承载能力，而且通过喷嘴的矢量化推进提高了水下机器人的机动性能。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种喷水推进式水下球形重载机器人，包括球形壳体，球形壳体通过中部水平密封挡板分隔为上动力舱和下工作舱，上动力舱中安装有喷水推进系统，喷水推进系统包括安装在水平密封挡板上的电动机、高压水泵和喷嘴，喷嘴均布于水平密封挡板的边部四角处且喷口密封伸出球形壳体外部，电动机驱动控制高压水泵吸取外部海水并通过喷嘴喷射，通过控制不同方位的喷嘴组合喷水推进，水下球形重载机器人航向和航速可调，下工作舱中设有观测舱和压载水舱，其中，观测舱用于观测海底环境，并通过无线电传播至海上控制台。

进一步地，所述球形壳体包括上半球壳和下半球壳，所述上半球壳的下部外围设置有上凸台，所述下半球壳的上部外围设置有下凸台，所述上凸台和下凸台上对应均布有纵向螺栓孔，所述上半球壳和下半球壳通过螺栓配合纵向螺栓孔锁紧固定。

进一步地，所述上凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的上密封槽，所述下凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的下密封槽，所述上半球壳和下半球壳通过八个螺栓配合对应数量纵向螺栓孔锁紧固定，并通过上、下密封槽中安装密封圈而密封连接，防止海水渗入球形壳体内部。

进一步地，为了改善球形重载机器人零部件的加工工艺和喷嘴的装配工艺，便于拆装使用，所述上凸台和下凸台上对应开设有四个横截面为扇形的锪平开口，四个锪平开口呈十字交叉分布于上凸台或下凸台上，所述喷嘴密封设置于上半球壳锪平开口处，且喷嘴前端位于上下凸台外部。

进一步地，所述电动机驱动连接高压水泵，所述高压水泵的进水口通过进水管焊接于球形壳体的下部，并连通外部海水，所述高压水泵的出水口通过分流装置分别连接溢流阀和数字控制分流阀，所述溢流阀的出口接入进水管或通过管路连通球形壳体外部，且该管路与球形壳体之间密封连接，所述数字控制分流阀为两个，每个数字控制分流阀的两个出口通过管路连接两个二位二通电磁换向阀，所述二位二通电磁换向阀接通喷嘴。

进一步地，所述分流装置包括三通接头A和三通接头B，所述高压水泵的出水口通过管路连接三通接头A的一开口，所述三通接头A的另外两个开口分别连接溢流阀和过滤器，所述溢流阀通过调节旋钮设有压力阈值，当系统内部压力达到压力阈值时，所述溢流阀打开，将高压流体通过进水管导入高压水泵或通过管路将高压流体导出至球形壳体外部，减小系统压力，保护回路，所述过滤器出口通过管路连接三通接头B的一开口，所述三通接头B的另外两开口通过管路分别连接两个数字控制分流阀，所述数字控制分流阀用于分配不同流量海水，所述二位二通电磁换向阀通过管路连接稳压腔，所述稳压腔内部为流线型，与喷嘴相连接，为喷嘴提供持续稳定的流体。

进一步地，所述电动机为燃料电池驱动的电动机，所述高压水泵采用丹佛斯APP高压泵，所述电动机通过联轴器连接高压水泵内部的柱塞泵，所述联轴器固定在钟罩内部，保证电动机主轴与高压水泵主轴在同一轴线上，提高精度，减小相对摩擦，延长整个机器人系统的运转寿命。

进一步地，所述观测舱内安装有声呐或机器视觉系统，所述压载水舱对称设置于观测舱左右侧，通过吸入或排出仓内海水以控制机器人升降或俯仰运动，所述下工作舱中还设置有武器库，用于承载武装物资。

进一步地，所述喷嘴采用多孔喷嘴，有利于增大喷嘴接触面积，使得射流反推力作用在球形机器人的重心，增加机器人在水下的稳定性。

进一步地，所述水下球形重载机器人还配置有电动机械手，用于进行深海抓取作业。

本发明具有以下有益效果：

1）采用燃料电池驱动的电动机和高压水泵作为动力源，高压水泵可以提供足够大的功率，可实现深海作业，而且高压水泵与电动机通过联轴器连接，联轴器套设在钟罩内部，保证了高压水泵与电动机处于同轴状态，提高精度，减小相对摩擦，提高整个机器人系统的运转寿命；

2）基于水液压传动原理，采用喷水推进系统驱动机器人行进，具体地，根据力学矢量机理，在四个方位安装喷嘴，数字控制分流阀将高压水泵提供的水流量按比例分配给不同方位喷嘴，二位二通电磁换向阀进行喷嘴的选择控制，从而通过控制不同方位的喷嘴组合喷水推进，水下球形重载机器人航向和航速可调，实现水下球形机器人的矢量化推进，提高水下球形重载机器人的机动性能，对水下机器人的行进轨迹实现精确控制；

3）二位二通电磁换向阀与喷嘴之间通过稳压腔连接，稳压腔内部为流线型，能很好地消除流动流体所带有的流量脉动，为喷嘴提供持续稳定的流体；

4）高压水泵吸入的流体采用过滤器简单过滤杂质碎屑得到相对纯净的海水，再通过数字控制分流阀分流至喷嘴，可降低喷嘴堵塞的可能性，而且喷嘴采用多孔喷嘴，可以通过增大接触面积提高水下机器人的稳定性；

5）压载水舱在下半球壳中左右对称设置，通过吸入或排出仓内海水可控制机器人升降或俯仰运动可调整机器人的重心位置、浮态和稳性，提高运行稳定性和增加航行姿态；

6）机器人的壳体设计为球形，保持了流线型，可减少摩擦阻力和噪声，提高机器人隐蔽性，同时相对于水滴形外壳，加大了壳体内部空间，可根据所需增设更多工作装置；

7）喷水推进式水下球形重载机器人所涉及的组成元件均采用防腐蚀金属材料或防腐蚀工程塑料材质，且各类水压阀的阀芯、阀套、喷嘴及高压水泵的配流盘、柱塞等关键零部件采用石墨烯涂层或激光喷涂工艺进行表面防腐处理，增加了零部件摩擦副的耐磨性，提高元件的寿命和可靠性。

附图说明

图1为本发明拆除上半球壳后的喷水推进式水下球形重载机器人结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的球形壳体及下工作舱纵向剖视图；

图4为喷嘴剖视图；

图5为本发明的电动机和高压水泵连接示意图。

其中的附图标记为：球形壳体1、上半球壳1-1、下半球壳1-2、水平密封挡板2、电动机3-1、高压水泵3-2、喷嘴3-3、溢流阀3-4、数字控制分流阀3-5、管路3-6、二位二通电磁换向阀3-7、三通接头A 3-81、三通接头B 3-82、过滤器3-9、稳压腔3-10、联轴器3-11、钟罩3-12、管接头3-13、观测舱4、压载水舱5、武器库6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

实施例1

如图1-5所示，一种喷水推进式水下球形重载机器人，包括球形壳体1，球形壳体1包括上半球壳1-1和下半球壳1-2，上半球壳1-1的下部外围设置有上凸台，下半球壳1-2的上部外围设置有下凸台，上凸台和下凸台上对应均布有纵向螺栓孔，上凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的上密封槽，下凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的下密封槽，上半球壳1-1和下半球壳1-2通过八个螺栓配合对应数量纵向螺栓孔锁紧固定，并通过上、下密封槽中安装密封圈而密封连接，防止海水渗入球形壳体1内部，球形壳体1通过中部水平密封挡板2分隔为上动力舱和下工作舱，上动力舱中安装有喷水推进系统，喷水推进系统包括安装在水平密封挡板2上的电动机3-1、高压水泵3-2和喷嘴3-3，电动机3-1为燃料电池驱动的电动机，高压水泵3-2采用丹佛斯APP高压泵，电动机3-1通过联轴器3-11连接高压水泵3-2内部的柱塞泵，驱动高压水泵3-2内部的柱塞偏心转动，高压水泵3-2的进水口通过进水管焊接于球形壳体1的下部，并连通外部海水，联轴器3-11固定在钟罩3-12内部，保证电动机3-1主轴与高压水泵3-2主轴在同一轴线上，延长使用寿命，高压水泵3-2的出水口通过管路3-6连接三通接头A3-81的一开口，三通接头A3-81的另外两个开口分别连接溢流阀3-4和过滤器3-9，溢流阀3-4的出口接入进水管或通过管路3-6连通球形壳体1外部且该管路3-6与球形壳体1之间密封连接，溢流阀3-4通过调节旋钮设有压力阈值，当系统内部压力达到压力阈值时，溢流阀3-4打开，将高压流体通过进水管导入高压水泵3-2或通过管路3-6将高压流体导出至球形壳体1外部，减小系统压力，保护回路，过滤器3-9出口通过管路3-6连接三通接头B3-82的一开口，三通接头B3-82的另外两开口通过管路3-6分别连接两个数字控制分流阀3-5，用于分配不同流量海水，每个数字控制分流阀3-5的两个出口通过管路3-6连接两个二位二通电磁换向阀3-7，二位二通电磁换向阀3-7通过管路3-6连接稳压腔3-10，稳压腔3-10内部为流线型，与喷嘴3-3相连接，为喷嘴3-3提供持续稳定的流体，喷嘴3-3采用多孔喷嘴，为了改善球形重载机器人零部件的加工工艺和喷嘴的装配工艺，便于拆装使用，上凸台和下凸台上对应开设有四个横截面为扇形的锪平开口，四个锪平开口呈十字交叉分布于上凸台或下凸台上，喷嘴3-3密封设置于上半球壳1-1锪平开口处，且喷嘴3-3前端位于上下凸台外部，电动机3-1驱动控制高压水泵3-2吸取外部海水并通过喷嘴3-3喷射，通过控制不同方位的喷嘴3-3组合喷水推进，水下球形重载机器人航向和航速可调，下工作舱中设有观测舱4和压载水舱5，其中，观测舱4内安装有声呐或机器视觉系统，用于观测海底环境，并通过无线电传播至海上控制台，压载水舱5对称设置于观测舱4左右侧，通过吸入或排出仓内海水以控制机器人升降或俯仰运动，下工作舱中还设置有武器库6，用于承载武装物资。

实施例中，管路3-6与高压水泵3-2之间、管路3-6与溢流阀3-4之间、管路3-6与三通接头A 3-81之间、管路3-6与三通接头B 3-82之间、管路3-6与二位二通电磁换向阀3-7之间均采用管接头3-13连接。

实施例中，水下球形重载机器人所涉及的组成元件均采用防腐蚀金属材料或防腐蚀工程塑料材质，且各类水压阀的阀芯、阀套、喷嘴及高压水泵的配流盘、柱塞等关键零部件采用石墨烯涂层或激光喷涂工艺进行表面防腐处理，增加了零部件摩擦副的耐磨性，提高元件的寿命和可靠性。

工作流程：水下球形重载机器人放入海中，电动机3-1驱动高压水泵3-2从海中吸取海水，海水通过滤器3-9简单过滤掉杂质碎屑得到相对纯净的海水，过滤后的海水流向数字控制分流阀3-5，由分流阀内部的阀芯调节不同的流量截面积作用，分配不同流量的海水给两个支路，二位二通电磁换向阀3-7根据控制软件的规划，实现海水的通断，海水流经二位二通电磁换向阀3-7后，输送进稳压腔3-10；稳压腔3-10的内部为流线型，能很好地消除流动流体所带有的流量脉动，并储存一定量的流体，根据不同的二位二通电磁换向阀3-7的通断作用实现不同方位喷嘴3-3的选择，消除了流量脉动的稳定流体输送至目的喷嘴3-3，喷嘴3-3喷出流体形成水射流产生一个反推力，反推力推动机器人在不同方向运动，从而通过控制不同方位的喷嘴3-3组合喷水推进，水下球形重载机器人航向和航速可调，实现水下球形机器人的矢量化推进，提高水下球形重载机器人的机动性能，对水下机器人的行进轨迹实现精确控制，压载水舱5对称设置于观测舱4左右侧，通过吸入或排出仓内海水以控制机器人升降或俯仰运动，可提高运行稳定性和增加航行姿态，在整个行进过程中，溢流阀3-4进行实施安全监测，当系统内部压力达到压力阈值时，溢流阀3-4打开，将高压流体通过进水管导入高压水泵3-2或通过管路3-6将高压流体导出至球形壳体1外部，减小系统压力，保护回路。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，水下球形重载机器人上还配置有智能控制机械手，智能控制机械手安装于下工作舱中，抓取舱侧壁开设有智能启闭窗口，智能控制机械手通过智能启闭窗口伸出抓取舱进行深海抓取作业，在抓取舱内再设置一个储物仓，智能控制机械手抓取的海底目标物品可存放在储物仓中，用于后期科学研究等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于，包括球形壳体（1），所述球形壳体（1）通过中部水平密封挡板（2）分隔为上动力舱和下工作舱，所述上动力舱中安装有喷水推进系统，所述喷水推进系统包括安装在水平密封挡板（2）上的电动机（3-1）、高压水泵（3-2）和喷嘴（3-3），所述喷嘴（3-3）均布于水平密封挡板（2）的边部四角处且喷口密封伸出球形壳体（1）外部，所述电动机（3-1）驱动连接高压水泵（3-2），所述高压水泵（3-2）的进水口通过进水管焊接于球形壳体（1）的下部，并连通外部海水，所述高压水泵（3-2）的出水口通过分流装置分别连接溢流阀（3-4）和数字控制分流阀（3-5），所述溢流阀（3-4）的出口接入进水管或通过管路（3-6）连通球形壳体（1）外部且该管路（3-6）与球形壳体（1）之间密封连接，所述数字控制分流阀（3-5）的两个出口通过管路（3-6）连接二位二通电磁换向阀（3-7），所述二位二通电磁换向阀（3-7）接通喷嘴（3-3），通过控制不同方位的喷嘴（3-3）配合喷水推进，所述喷水推进式水下球形重载机器人的航向和航速可调，所述下工作舱中设有观测舱（4）和压载水舱（5），其中，所述观测舱（4）用于观测海底环境，并通过无线电传播至海上控制台。

2.根据权利要求1所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述球形壳体（1）包括上半球壳（1-1）和下半球壳（1-2），所述上半球壳（1-1）的下部外围设置有上凸台，所述下半球壳（1-2）的上部外围设置有下凸台，所述上凸台和下凸台上对应均布有纵向螺栓孔，所述上半球壳（1-1）和下半球壳（1-2）通过螺栓配合纵向螺栓孔锁紧固定。

3.根据权利要求2所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述上凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的上密封槽，所述下凸台内侧开设有一圈直径为7～9mm的下密封槽，所述上半球壳（1-1）和下半球壳（1-2）通过八个螺栓配合对应数量纵向螺栓孔锁紧固定，并通过上、下密封槽中安装密封圈而密封连接。

4.根据权利要求3所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述上凸台和下凸台上对应开设有四个横截面为扇形的锪平开口，四个锪平开口呈十字交叉分布于上凸台或下凸台上，所述喷嘴（3-3）密封设置于上半球壳（1-1）锪平开口处，且喷嘴（3-3）前端位于上下凸台外部。

5.根据权利要求4所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述数字控制分流阀（3-5）为两个，每个数字控制分流阀（3-5）的两个出口通过管路（3-6）连接两个二位二通电磁换向阀（3-7），所述二位二通电磁换向阀（3-7）接通喷嘴（3-3）。

6.根据权利要求5所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述分流装置包括三通接头A（3-81）和三通接头B（3-82），所述高压水泵（3-2）的出水口通过管路（3-6）连接三通接头A（3-81）的一开口，所述三通接头A（3-81）的另外两个开口分别连接溢流阀（3-4）和过滤器（3-9），所述溢流阀（3-4）通过调节旋钮设有压力阈值，当系统内部压力达到压力阈值时，所述溢流阀（3-4）打开，将高压流体通过进水管导入高压水泵（3-2）或通过管路（3-6）将高压流体导出至球形壳体（1）外部，所述过滤器（3-9）出口通过管路（3-6）连接三通接头B（3-82）的一开口，所述三通接头B（3-82）的另外两开口通过管路（3-6）分别连接两个数字控制分流阀（3-5），所述数字控制分流阀（3-5）用于分配不同流量海水，所述二位二通电磁换向阀（3-7）通过管路（3-6）连接稳压腔（3-10），所述稳压腔（3-10）内部为流线型，与喷嘴（3-3）相连接。

7.根据权利要求6所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述电动机（3-1）为燃料电池驱动的电动机，所述高压水泵（3-2）采用丹佛斯APP高压泵，所述电动机（3-1）通过联轴器(3-11)连接高压水泵（3-2）内部的柱塞泵，所述联轴器(3-11)固定在钟罩（3-12）内部。

8.根据权利要求7所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述观测舱（4）内安装有声呐或机器视觉系统，所述压载水舱（5）对称设置于观测舱（4）左右侧，通过吸入或排出仓内海水以控制机器人升降或俯仰运动，所述下工作舱中还设置有武器库（6），用于承载武装物资。

9.根据权利要求8所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述喷嘴（3-3）采用多孔喷嘴。

10.根据权利要求9所述的喷水推进式水下球形重载机器人，其特征在于：所述下工作舱中还设置有抓取舱，所述抓取舱中安装有智能控制机械手，抓取舱侧壁开设有智能启闭窗口，所述智能控制机械手通过智能启闭窗口伸出抓取舱进行深海抓取作业。

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