CN113044192A - 一种利用重力与浮力发电的水下机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用重力与浮力发电的水下机器人及其工作方法。该水下机器人包括主架体、浮力调节装置、控制装置和发电与推进装置。主架体呈现细长的低阻力的流线型壳体，主架体设置有相互独立的两个舱段，上部为控制舱，下部为浮力调节舱。浮力调节装置包括空气压缩机，空气压缩机与浮力调节舱通过气体阀门连接，浮力调节舱的底部与外界环境通过通水阀连接。主架体的外侧安装有多个发电与推进装置。发电与推进装置包括螺旋桨、电机和导流支架。电机安装在导流支架中心位置的电机仓内，且输出轴与螺旋桨联接。本发明通过改变水下机器人的重力控制其上浮与下沉，进而水流带动螺旋桨和电机旋转实现发电，显著提高水下机器人的续航能力。

Description

一种利用重力与浮力发电的水下机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种自身可以发电的水下机器人，具体而言，涉及一种利用重力与浮力发电的水下机器人。作为发电装置，其利用浮力调节装置来调整自身重力与浮力的大小，使得装置在水下不断上浮与下沉，从而带动螺旋桨旋转进行发电；作为机器人，当储存够足够的电量时，控制四个螺旋桨的不同转速，从而控制机器人的移动方向，进而完成水下探测或者作业的任务。

背景技术

海洋资源丰富，对环境有着巨大的影响，是未来开发利用的重要领域之一。海洋资源开发过程中不仅需要采集水文参数，探测海底地形、水下资源，并需要对装置和设备进行检测，完成资源开发等相关作业。

传统的蛙人作业，不仅受气候影响较大、工作效率低等问题同时还存在较大的安全隐患。因而，各种有缆或者无缆水下机器人的应用日益广泛。水下机器人的动力形式一般分为液压驱动和电力驱动两种方式。液压驱动动力平稳，输出功率大，但是需要有配套的船舶机载泵站或者岸基站点提供液压动力；电力驱动则存在海上电力供应不足、费用较高等问题。

水下漂浮物的重力和浮力作为一种取用简单且清洁的能源，势必会成为未来海洋领域的重要能源方向。但现有技术中，重浮力发电设备结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明是针对上述问题，提供一种新型的水下机器人，其动力形式为利用重力与浮力发电的电力驱动形式。该机器人结构简单，成本较低，既可作为发电装置在水下进行发电，又可作为机器人在水下作业，解决水下机器人供电不便的问题。

本发明提供一种利用重力与浮力发电的水下机器人，包括主架体、浮力调节装置、控制装置和发电与推进装置。本发明通过改变水下机器人的自身重力控制其上浮与下沉，进而水流带动螺旋桨和电机旋转实现发电，显著提高水下机器人的续航能力。

所述主架体包括壳体、壳体顶盖、壳体底盖、浮力块和质量块。浮力块安装在壳体与壳体顶盖之间，质量块安装在壳体与壳体底盖之间。主架体设置有相互独立的两个舱段，上部为控制舱，下部为浮力调节舱。

所述浮力调节装置包括整个浮力调节舱和控制舱内的空气压缩机。浮力调节舱内包括水位传感器、气体阀门和通水阀门，空气压缩机与浮力调节舱通过气体阀门连接，浮力调节舱的底部与外界环境通过通水阀连接。

所述控制装置包括控制舱内的控制器和电源，控制器中包括控制元件，控制整个机器人的运行。

所述主架体的外侧安装有多个发电与推进装置。所述的发电与推进装置包括螺旋桨、电机和导流支架。导流支架通过螺钉与主架体联接，电机安装在导流支架中心位置的电机仓内，且电机输出轴与螺旋桨通过键联接，电机通过导流支架与控制舱内的控制器和电源连接。

作为优选，所述壳体的顶部、底部分别固定有壳体顶盖、壳体底盖。壳体顶盖、壳体底盖均呈半球形。

作为优选，所述壳体内腔的顶部固定有浮力块，底部固定有质量块。质量块的重量大于浮力块的重量。

作为优选，所述浮力调节舱的顶部与空气压缩机通过气体阀门连接，底部与外界环境通过通水阀连接。

作为优选，所述的浮力调节舱内设置有一个或多个水位传感器。

作为优选，所述导流支架的外侧设置有导流筒。电机的输出轴轴线与导流筒的轴线重合。

作为优选，各发电与推进装置沿着主架体中心轴线的周向均布。任意两个相邻发电与推进装置内的螺旋桨的安装方向均相反。

作为优选，所述的电机安装在防水的电机仓内。所述电机的电源线从导流支架内部的通道进入控制舱中。所述的控制舱位于浮力调节舱的上方。

该利用重力与浮力发电的水下机器人的工作方法，具体步骤如下：

步骤一、当需要发电时，通过控制水下机器人上下浮沉，水流推动螺旋桨转动，从而驱动电机旋转进行发电。具体表现为：当需要下沉时，打开气体阀门和通水阀，水下机器人通过空气压缩机压缩浮力调节舱内的空气，使得环境中的水通过通水阀输入到浮力调节舱中，增大水下机器人的重力，使得重力大于浮力，从而使得水下机器人开始下沉。当需要上浮时，打开气体阀门和通水阀，水下机器人将空气压缩机中的压缩空气通过气体阀门压入浮力调节舱中，使得浮力调节舱中的水通过通水阀排出到环境中，减小水下机器人的重力，使得重力小于浮力，从而使得水下机器人开始上浮。在上浮与下沉的过程中，水流推动发电与推进装置中的螺旋桨旋转，从而带动电机旋转开始发电，对电源进行充电。

步骤二、当需要水下作业时，通过控制气体阀门和通水阀的开关控制浮力调节舱的液面高度，使得水下机器人重力等于浮力，此时通过电源带动电机旋转，控制各个电机以不同转速旋转从而控制机器人的启停、悬浮和移动等，进而进行水下作业。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明利用水下机器人的上浮和下潜运动来带动螺旋桨转动，从而带动电机旋转，实现发电，从而显著提高水下机器人的续航能力。此外，本发明利用对水下机器人内部水量的控制和各螺旋桨的主动旋转，能够实现水下机器人的下潜、上浮、悬停和水平移动，大大增强了水下机器人的机动能力。

附图说明

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为本发明的俯视示意图；

图4为本发明中发电与推动装置的剖面示意图。

图标：1-壳体，2-壳体顶盖，3-壳体底盖，4-空气压缩机，5-控制器，6-水位传感器，7-气体阀门，8-通水阀，9-导流支架，10-电机，11-电机仓，12-螺旋桨，13-锁紧螺母，14-浮力块，15-质量块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详述。

实施例1

如图1和2所示，一种利用重力与浮力发电的水下机器人，包括主架体、控制装置、浮力调节装置和发电与推进装置。

主架体包括壳体1、壳体顶盖2、壳体底盖3、浮力块14和质量块15。壳体1的顶部、底部分别通过螺钉固定有壳体顶盖2、壳体底盖3。壳体顶盖2、壳体底盖3均呈半球形。壳体1为圆柱形，从而呈现细长的低阻力的流线型。壳体1内腔的顶部固定有浮力块14，底部固定有质量块15。质量块15的重量大于浮力块14的重量，使得该水下机器人的重心始终在机器人几何中心的下方，从而在遇到水流的冲击能够保持竖直状态。壳体内腔在浮力块14与质量块15之间的部分通过隔板分隔为上下两个舱。上部为控制舱，下部为浮力调节舱。

浮力调节装置包括整个主架体下部的浮力调节舱段和上部的控制舱段中的空气压缩机4，,浮力调节舱包括水位传感器6、气体阀门7和通水阀8。浮力调节舱的侧壁上沿竖直方向安装有三个水位传感器6，壳体底盖3的底部设置有通水口，通水口上设置有通水阀8，控制舱与浮力调节舱之间的隔板上设置有通气口，通气口上设置有气体阀门7，空气压缩机4与气体阀门7通过气管连接。通过气体阀门7、通水阀8的开闭，以及空气压缩机4启停，能够实现对浮力调节舱内的水量的调节，从而实现对主架体上浮或下沉的控制。空气压缩机4用于向控制舱段内储气罐内充入气体或从储气罐中释放气体。

控制装置包括控制舱中的控制器5和电源，控制器5中包括控制元件。水位传感器6、气体阀门7、通水阀8和空气压缩机4均连接到控制器，水位传感器6用来监控浮力调节舱的水位变化，并反馈给控制器，当达到相应的水位时，控制器控制气体阀门5和通水阀8打开或关闭。

如图3和4所示，主架体的外侧面顶部安装有沿自身轴线均布的四个发电与推进装置。发电与推进装置包括导流支架9、电机10、电机仓11、螺旋桨12和锁紧螺母13。导流支架9与主架体固定，外侧设置有导流筒。导流筒的中心位置固定有电机仓11。电机10通过螺钉固定在电机仓11，并通过盖体封闭。电机10的输出轴轴线与导流筒的轴线重合。电机10的电源线从导流支架9内部的通道进入壳体1内的控制舱后，通过充电电路连接到电源，并通过电机驱动器连接到控制器。电机10的输出轴与螺旋桨12通过键联接，并通过锁紧螺母13相互锁紧。电机驱动器由电源供电。当电机10上的螺旋桨12在外力作用下旋转时，电机10内的线圈产生电流，通过充电电路为电源充电。当控制器通过电机驱动器控制电机旋转时，电机能够主动带动螺旋桨12旋转，实现对主架体的位置及姿态调节，使得该利用重力与浮力发电的水下机器人能够在水中按照需要移动。

为了机器人在水下运行的稳定性，四个发电与推进装置中，任意两个相邻发电与推进装置内的螺旋桨12的安装方向均相反。

作为一种可选的技术方案，该水下机器人的通气口、通水口及其所有螺钉联接均采用O型圈密封，保证内部为密闭空间。

该利用重力与浮力发电的水下机器人的工作方法，具体步骤如下：

步骤一、当需要在水下进行作业时，打开气体阀门和通水阀，水下机器人通过空气压缩机压缩浮力调节舱内的空气，使得环境中的水通过通水阀输入到浮力调节舱中，增大水下机器人的重力，使得重力大于浮力，从而使得水下机器人开始下沉。下沉过程中，水流推动发电与推进装置中的螺旋桨12旋转，从而带动电机10旋转开始发电，对电源进行充电。

步骤二、当水下机器人到达预设深度时，通过控制气体阀门和通水阀的开关控制浮力调节舱的液面高度，使得水下机器人重力等于浮力，此时通过电源带动电机旋转，控制各个电机以不同转速旋转从而控制机器人的启停、悬浮和移动等，进而进行水下作业。

步骤三、当作业完毕后，打开气体阀门和通水阀，水下机器人将空气压缩机中的压缩空气通过气体阀门压入浮力调节舱中，使得浮力调节舱中的水通过通水阀排出到环境中，减小水下机器人的重力，使得重力小于浮力，从而使得水下机器人开始上浮。上浮过程中，水流推动发电与推进装置中的螺旋桨12旋转，从而带动电机10旋转开始发电，对电源进行充电。

利用下潜和上浮过程中产生的电能，能够显著提高水下机器人的续航能力，从而实现水下机器人在水中的长时间运行。

实施例2

本发明与实施例1的区别在于：水下机器人在不进行探测作业的时间段中，重复进行下潜和上浮运动，利用下潜和上浮过程中产生的电能来提高水下机器人的续航能力。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：仅使用空气压缩罐，不设置空气压缩机4，空气压缩罐与浮力调节舱通过气体阀门7连接，浮力调节舱侧面顶部设置有与外界环境连通的排气口，排气口上设置有排气阀。

当需要上浮时直接通过空气压缩罐向浮力调节舱提供气体，将浮力调节舱中的水从底部的通水口排出；当需要下潜时，将浮力调节舱内的气体从侧面排气口直接排出。

Claims (10)

1.一种利用重力与浮力发电的水下机器人，包括主架体、浮力调节装置、控制装置和发电与推进装置；其特征在于：所述主架体包括壳体(1)、壳体顶盖(2)、壳体底盖(3)、浮力块(14)和质量块(15)；壳体内设置有相互独立的控制舱和浮力调节舱；浮力调节装置包括安装在控制舱中的空气压缩机(4)，浮力调节舱包括水位传感器(6)、气体阀门(7)和通水阀(8)；空气压缩机与浮力调节舱通过气体阀门(7)连接；浮力调节舱的底部与外界环境通过通水阀(8)连接；所述控制装置包括控制舱内的控制器(5)和电源，控制器(5)中包括控制元件；所述主架体的外侧安装有多个发电与推进装置；所述的发电与推进装置包括螺旋桨(12)、电机(10)和导流支架(9)；导流支架(9)与主架体联接，电机(10)安装在导流支架(9)中心位置的电机仓(11)内，且电机(10)输出轴与螺旋桨(12)联接，电机(10)通过导流支架(9)与控制舱内的控制器和电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述壳体顶盖(2)、壳体底盖(3)分别固定有壳体(1)的顶部、底部；壳体顶盖(2)、壳体底盖(3)均呈半球形。

3.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述壳体(1)内腔的顶部固定有浮力块(14)，底部固定有质量块(15)；质量块(15)的重量大于浮力块(14)的重量。

4.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述浮力调节舱的顶部与空气压缩机(4)通过气体阀门(7)连接，底部与外界环境通过通水阀(8)连接。

5.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述的浮力调节舱内设置有一个或多个水位传感器(6)。

6.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述导流支架(9)的外侧设置有导流筒；电机(10)的输出轴轴线与导流筒的轴线重合。

7.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：各发电与推进装置沿着主架体中心轴线的周向均布；任意两个相邻发电与推进装置内的螺旋桨(12)的安装方向均相反。

8.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述电机(10)的电源线从导流支架(9)内部的通道进入控制舱中。

9.根据权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人，其特征在于：所述的控制舱位于浮力调节舱的上方。

10.如权利要求1所述的一种利用重力与浮力发电的水下机器人的工作方法，其特征在于：步骤一、当需要发电时，通过控制水下机器人上下浮沉，水流推动螺旋桨转动，从而驱动电机旋转进行发电；具体表现为：当需要下沉时，打开气体阀门和通水阀，水下机器人通过空气压缩机压缩浮力调节舱内的空气，使得环境中的水通过通水阀输入到浮力调节舱中，增大水下机器人的重力，使得重力大于浮力，从而使得水下机器人开始下沉；当需要上浮时，打开气体阀门和通水阀，水下机器人将空气压缩机中的压缩空气通过气体阀门压入浮力调节舱中，使得浮力调节舱中的水通过通水阀排出到环境中，减小水下机器人的重力，使得重力小于浮力，从而使得水下机器人开始上浮；在上浮与下沉的过程中，水流推动发电与推进装置中的螺旋桨旋转，从而带动电机旋转开始发电，对电源进行充电；

步骤二、当需要水下作业时，通过控制气体阀门和通水阀的开关控制浮力调节舱的液面高度，使得水下机器人重力等于浮力，此时通过电源带动电机旋转，控制各个电机以不同转速旋转从而控制机器人的启停、悬浮和移动等，进而进行水下作业。

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