CN111976931B - 一种多自由度泵喷水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度泵喷水下机器人，包括壳体、控制舱、动力舱、操作终端、通信模块、中央处理模块、状态监测模块、运动执行模块、视频采集模块和存储模块；壳体上设置有多个泵喷喷口；运动执行模块包括泵喷推进器和控制阀路，所述的控制阀路包括与泵喷喷口一一对应的泵喷进水管路、与泵喷喷口一一对应的泵喷出水管路，泵喷进水管路和泵喷出水管路上均设置有阀门；泵喷进水管路与对应的泵喷喷口连接，所有的泵喷进水管路的出水口与泵喷推进器并联；泵喷出水管路的进水口与泵喷推进器并联，泵喷推进器的出水口与对应的泵喷喷口连接；通过泵喷实现多自由度的移动，解决现有水下航行器桨推噪声对探测干扰及动力配置灵活性的不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测技术领域，尤其涉及一种多自由度泵喷水下机器人。
背景技术
随着水上旅游业的发展，溺水及游船事故频发，水下救援成为社会关注和棘手的问题。水下搜索和判别，称为是水下救援的主要任务。水下搜救和捕捞机器人具备于水下浮沉、移动功能，携带摄像及存储模块，可对水下剖面及近湖底等区域进行详细的抵近拍摄，可服务于近湖底搜索与判别、坝下监测工作。因此，研制具有水下自主巡航，区域搜索，实时图传功能的水下搜救和捕捞机器人，具有重要的社会意义和市场需求。
现有水下小型探测AUV多为桨推框架式机器人。框架型机器人流阻较大，对于无缆水下航行器，能耗比较大；螺旋桨式推进结构简单，但是噪声较大，对水下勘测，抵近拍摄的水流扰动明显，另一方面，桨推航行器布局不够灵活，当需要系统扩展时，推进器布设不易改动，降低了系统的拓展性。
发明内容
本发明的目的是提供一种多自由度泵喷水下机器人，通过泵喷实现多自由度的移动，通过操作终端实时下达航行指令或规划航迹，同时实时无线监测水下图像和其他水下信息，水下移动平台自主执行航行、拍摄等任务，解决现有水下航行器桨推噪声对探测干扰及动力配置灵活性的不足的问题。
本发明采用的技术方案为：
一种多自由度泵喷水下机器人，包括壳体、控制舱、动力舱、操作终端、通信模块、中央处理模块、用于监测机器人状态的状态监测模块、运动执行模块、视频采集模块和存储模块；
所述的控制舱和动力舱固定设置于壳体内部；所述的壳体上设置有多个泵喷喷口；
所述的运动执行模块包括泵喷推进器和控制阀路，所述的控制阀路包括与泵喷喷口一一对应的泵喷进水管路、与泵喷喷口一一对应的泵喷出水管路，所述的泵喷进水管路和泵喷出水管路上均设置有阀门；
所述的泵喷推进器设置于动力舱中；所述的泵喷进水管路的进水口与对应的泵喷喷口连接，所有的泵喷进水管路的出水口与泵喷推进器的进水口并联；所有的泵喷出水管路的进水口与泵喷推进器的出水口并联，泵喷推进器的出水口与对应的泵喷喷口连接；
所述的操作终端通过通信模块与中央处理模块通讯连接；状态监测模块的信号输出端连接中央处理模块的监测信号输入端，视频采集模块的信号输出端连接中央处理模块的视频信号输入端；中央处理模块的第一执行信号输出端连接泵喷推进器控制端，中央处理模块的第二执行信号输出端与所述的阀门一一连接，中央处理模块的视频信号输出端连接存储模块。
所述的泵喷喷口为六个。
所述的阀门为单向阀。
所述的多自由度泵喷水下机器人还包括重心调节舱和设置于重心调节舱中的重心调节件。
所述的重心调节件采用贯穿轴式丝杠电机，贯穿轴式丝杠电机的控制信号端连接中央处理模块的重心调节信号输出端。
所述的状态监测模块包括深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块；
所述的深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块的信号输出端分别连接中央处理模块的监测信号输入端。
所述的动力舱上设置有供管路穿过的管道通孔，所述的管道通孔处设置有穿舱接头，所述的穿舱接头中设置有密封圈。
所述的壳体为碟形。
所述的泵喷进水管路和泵喷出水管路均为柔性管路。
本发明具有以下有益效果：
（1）：本发明的运动执行模块采用泵喷推进器，且设置有多个泵喷喷口，具备浮沉、前进、后退、左右平移六自由度的移动能力，通过移动终端实时下达航行指令或规划航迹，同时实时无线监测水下图像和其他水下信息，水下移动平台自主执行航行、拍摄、采样等任务，噪声小，对水下勘测，抵近拍摄的水流扰动较小，解决现有水下航行器桨推噪声对探测干扰及动力配置灵活性的不足的问题，便于采集到更清晰的水下图像和更准确的其它水下信息。
（2）：采用单泵多矢量增压喷口设计，只用控制单向阀的顺序及流量，即可实现可靠高效的多向推进。
（3）：泵喷喷口布设灵活，可根据需求增减喷口及管路设置，且配合柔性管路沿机架共形布设，解决了原桨推航行器布局不够灵活，当需要系统扩展时，推进器布设不易改动的问题，大大增加了系统的拓展性。
（4）：设置重心调节件调节机器人的姿态，从而调节视频采集模块的视角，从而灵活的对水下剖面及近湖底等区域进行详细的抵近拍摄。
（5）：设置穿舱接头和密封圈，通过穿舱接头内径向密封圈保证内压不泄露，通过盖板处密封圈保证外压不泄露，解决了管路穿舱的水下双向密封问题。
（6）：设置状态监测模块，深度计、陀螺仪、GPS模块分别提供平台深度、三轴姿态及加速度、方位信息，用于运动控制的闭环反馈；温度计、湿度计、高度计、电压采集，用于采集机器人内部的温度、湿度、机器人高度和机器人电路电压信号，将采集的信号传输至中央处理模块后，中央处理模块进行处理，用于平台状态预警。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构布局示意图；
图3为本发明的电路原理图；
图4为本发明的控制阀路原理图；
1、第一单向阀；2、第二单向阀；3、第三单向阀；4、第四单向阀；5、第五单向阀；6、第六单向阀；7、第七单向阀；8、第八单向阀；9、第九单向阀；10、第十单向阀；11、第十一单向阀；12、第十二单向阀；13：壳体；14、骨架；15、控制舱；16、动力舱；17、重心调节舱；18、泵喷喷口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2和3所示，本发明包括壳体13、控制舱15、动力舱16、重心调节舱17、操作终端、通信模块、中央处理模块、用于监测机器人状态的状态监测模块、运动执行模块、视频采集模块和存储模块；
所述的控制舱15、重心调节舱17、动力舱16固定设置于壳体13内部；所述的重心调节舱17中设置有重心调节件；
所述的运动执行模块包括泵喷推进器和控制阀路，所述的控制阀路包括与泵喷喷口18一一对应的泵喷进水管路、与泵喷喷口18一一对应的泵喷出水管路，所述的泵喷进水管路和泵喷出水管路上均设置有阀门；
所述的泵喷推进器设置于动力舱16中；所述的泵喷进水管路的进水口与对应的泵喷喷口18连接，所有的泵喷进水管路的出水口与泵喷推进器的进水口并联；所有的泵喷出水管路的进水口与泵喷推进器的出水口并联，泵喷推进器的出水口与对应的泵喷喷口18连接；
所述的状态监测模块包括深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块；
所述的操作终端通过通信模块与中央处理模块通讯连接；状态监测模块中，所述的深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块的信号输出端分别连接中央处理模块的监测信号输入端；视频采集模块的信号输出端连接中央处理模块的视频信号输入端；中央处理模块的第一执行信号输出端连接泵喷推进器控制端，中央处理模块的第二执行信号输出端与所述的阀门一一连接，中央处理模块的视频信号输出端连接存储模块。
所述的阀门为单向阀。
本实施例中，优选的，所述的壳体13为碟形，包括蒙皮与骨架14，骨架14采用HDPE材料铣削成形，螺接拼装。骨架14与蒙皮呈碟形共形设计，使得机器人水下行进流阻小，能耗低。
所述的进水管路和出水管路使用柔性管路沿骨架14共形布设，泵喷喷口18布设灵活，可根据需求增减喷口及管路设置。
进水管路和出水管路与平台构型的采用3D共型设计及SLS成型的玻纤增强尼龙材质3D打印管路布设方法，解决了狭小空间内复杂管路布设问题。
所述的操作终端可采用智能手机、平板或电脑，通信模块包括WIFI模块、2G模块、3G模块、4G模块和/或5G模块。
所述的重心调节件采用贯穿轴式丝杠电机，贯穿轴式丝杠电机的控制信号端连接中央处理模块的重心调节信号输出端。
深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块、通信模块和中央处理模块设置在控制舱15中。
所述的泵喷喷口18为六个。设定机器人水平放置时，以中心位置为原点建立三维坐标系，竖直向上的方向为Z正方向，竖直向下的方向为Z负方向，水平向前的方向为Y正方向，水平向后的方向为Y负方向，水平向右的方向为X正方向，水平向左的方向为X负方向。
则本实施例中，六个泵喷喷口18分别设置在坐标轴与壳体13相交的位置处。
根据坐标系，分别设定六个泵喷喷口18为Z正泵喷喷口18、Z负泵喷喷口18、Y泵喷喷口18、Y负泵喷喷口18、X正泵喷喷口18、X负泵喷喷口18。
设定与X正泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第一单向阀1，与X正泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第二单向阀2；
与X负泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第三单向阀3，与X负泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第四单向阀4；
与Y正泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第五单向阀5，与Y正泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第六单向阀6；
与Y负泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第七单向阀7，与Y负泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第八单向阀8；
与Z正泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第九单向阀9，与Z正泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第十单向阀10；
与Z负泵喷喷口18对应的出水管路上的单向阀为第十一单向阀11，与Z负泵喷喷口18对应的进水管路上的单向阀为第十二单向阀12。
本发明的工作原理如下：
水下机器人工作时，操作终端通过通信模块与中央处理模块通信，发送信息，中央处理模块控制运动执行模块的单向泵工作，通过切换控制阀路的单向阀开关，切换喷水方向，从而推动平台移动，通过控制贯穿轴式丝杠电机中的丝杠滑块机构，使得滑块移动，从而调节机器人的重心，从而调节机器人在水中的姿态，从而调节视频采集模块的视角，从而灵活的对水下剖面及近湖底等区域进行详细的抵近拍摄。
具备浮沉、前进、后退、左右平移6自由度的移动能力和姿态调节能力，通过操作终端实时下达航行指令或规划航迹，同时实时无线监测水下图像和其他水下信息，水下移动平台自主执行航行、拍摄等任务。
视频采集模块将采集的水下图像信息传输至中央处理器中，存储于存储模块，也可将水下图像信息实时传输至操作终端，便于操作人员进行视角调节，采集更加有用的水下图像信息。
监测模块中，深度计、陀螺仪、GPS模块分别提供平台深度、三轴姿态及加速度、方位信息，用于运动控制的闭环反馈；温度计、湿度计、高度计、电压采集，用于采集机器人内部的温度、湿度、机器人高度和机器人电路电压信号，将采集的信号传输至中央处理模块后，中央处理模块进行处理，用于平台状态预警。
如图4所示，机器人移动方向与控制阀路的切换关系如下：
当机器人向X正向移动时，第二单向阀2和第三单向阀3同时打开，X正泵喷喷口18进水， X负泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向X正向移动。
反之，机器人向X负向移动时，第四单向阀4和第一单向阀1同时打开，X负泵喷喷口18进水，X正泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向X负向移动。
同理，当机器人向Y正向移动时，第六单向阀6和第七单向阀7同时打开，Y正泵喷喷口18进水， Y负泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向Y正向移动。
反之，机器人向Y负向移动时，第八单向阀8和第五单向阀5同时打开，Y负泵喷喷口18进水， Y正泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向Y负向移动。
同理，当机器人向Z正向移动时，第十单向阀10和第十一单向阀11同时打开，Z正泵喷喷口18进水， Z负泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向Z正向移动。
反之，机器人向Z负向移动时，第十二单向阀12和第九单向阀9同时打开，Z负泵喷喷口18进水，Z正泵喷喷口18向外喷水，从而推动机器人向Z负向移动。
所述的动力舱16上设置有供管路穿过的管道通孔，所述的管道通孔处设置有穿舱接头，所述的穿舱接头中设置有密封圈。
对于穿舱液压管路部件，承受内外双重压力问题，成品内压管路仅考虑内压而未考虑外压泄露情况，因此，本实施例中，设置穿舱接头，并在穿舱接头密封槽加设○型密封圈，即可通过穿舱接头内径向密封圈保证内压不泄露，通过盖板处密封圈保证外压不泄露，解决了管路穿舱的水下双向密封问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：包括壳体、控制舱、动力舱、操作终端、通信模块、中央处理模块、用于监测机器人状态的状态监测模块、运动执行模块、视频采集模块和存储模块；
所述的控制舱和动力舱固定设置于壳体内部；所述的壳体上设置有多个泵喷喷口；
所述的运动执行模块包括泵喷推进器和控制阀路，所述的控制阀路包括与泵喷喷口一一对应的泵喷进水管路、与泵喷喷口一一对应的泵喷出水管路，所述的泵喷进水管路和泵喷出水管路上均设置有阀门；
所述的泵喷推进器设置于动力舱中；所述的泵喷进水管路的进水口与对应的泵喷喷口连接，所有的泵喷进水管路的出水口与泵喷推进器的进水口并联；所有的泵喷出水管路的进水口与泵喷推进器的出水口并联，泵喷推进器的出水口与对应的泵喷喷口连接；
所述的操作终端通过通信模块与中央处理模块通讯连接；状态监测模块的信号输出端连接中央处理模块的监测信号输入端，视频采集模块的信号输出端连接中央处理模块的视频信号输入端；中央处理模块的第一执行信号输出端连接泵喷推进器控制端，中央处理模块的第二执行信号输出端与所述的阀门一一连接，中央处理模块的视频信号输出端连接存储模块；
所述的阀门为单向阀；
还包括重心调节舱和设置于重心调节舱中的重心调节件；
所述的重心调节件采用贯穿轴式丝杠电机，贯穿轴式丝杠电机的控制信号端连接中央处理模块的重心调节信号输出端。
2.根据权利要求1所述的多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：所述的泵喷喷口为六个。
3.根据权利要求1所述的多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：所述的状态监测模块包括深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块；
所述的深度计、GPS模块、陀螺仪、高度计、温度计、湿度计、电压采集模块的信号输出端分别连接中央处理模块的监测信号输入端。
4.根据权利要求1所述的多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：所述的动力舱上设置有供管路穿过的管道通孔，所述的管道通孔处设置有穿舱接头，所述的穿舱接头中设置有密封圈。
5.根据权利要求 1 所述的多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：所述的壳体为碟形。
6.根据权利要求1所述的多自由度泵喷水下机器人，其特征在于：所述的泵喷进水管路和泵喷出水管路均为柔性管路。
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