CN113353215A - 一种水下机器人可控电磁抛载模块及其应急抛载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下机器人领域，具体公开了一种水下机器人可控电磁抛载模块，包括浮力材、抛载物、水下电磁铁和固定壳体；所述固定壳体安装在机器人本体上，浮力材固定机器人本体顶部位置处，抛载物通过水下电磁铁设置在固定壳体底部，并通过水下电磁铁的电路通断来控制抛载物的抛载状态。本发明可在机器人出现故障时应急抛载，通过水下电磁铁断电释放抛载物，从而使机器人浮力变大，上浮至水面，减少经济损失；利用电磁铁结构来释放抛载物，具有结构简单、动作可靠、使用和维护简单的优点；同时提供抛载物主动抛载和被动抛载两种应急抛载模式，能够适用多种类型的水下机器人适用，扩大其适用范围。

Description

一种水下机器人可控电磁抛载模块及其应急抛载方法
技术领域
本发明涉及水下机器人领域，具体为一种水下机器人可控电磁抛载模块及其应急抛载方法。
背景技术
近些年来，随着海洋作业的扩展，海底石油、水产打捞、海底科学考察等领域的发展需求，人们对于海洋事业的投入越来越大，相应的，对于海洋作业设备的需求也越来越大。以水产打捞领域来看，以前的打捞方式都是人工下潜，潜水员穿着潜水服下潜十几米，打捞到一定数量海鲜后返回水面。这样的作业方式，放在现在远远不能满足供需关系，所以现在人们研制了更加先进的机械，用机器代替手工，其优势体现在一下几方面：大大的节约了人工成本、提高了人员的安全性、生产效率远大于人工作业、人类无法下潜的地方机器可以做到等等。
通常来说，执行该任务的一般为中小型ROV(远程遥控水下机器人)，该设备价值不等，即使如此，便宜的设备也需要十几万元。一旦在水中发生故障(线缆断开、信号丢失等等)，该设备将面临丢失的风险，所以在设备上配备可靠的有效的救援工具是十分必要的。对于小设备即是如此，更不用说是海洋石油平台的大型ROV设备了，一旦丢失，直接损失将在千万元以上。
固体抛载系统，顾名思义，即是将固体重物抛载以实现水下机器人下潜和上浮的系统。目前现有的抛载装置结构复杂，抛载可控性差。并且目前的水下机器人抛载系统基本上是根据机器的大小、重量量身定做的，不具备通用性，大大的限制了该系统的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下机器人可控电磁抛载模块及其应急抛载方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水下机器人可控电磁抛载模块，包括浮力材、抛载物、水下电磁铁和固定壳体；所述固定壳体安装在机器人本体上，浮力材固定机器人本体顶部位置处，抛载物通过水下电磁铁设置在固定壳体底部，并通过水下电磁铁的电路通断来控制抛载物的抛载状态。
优选的，所述水下电磁铁内部滑动插入一根电磁铁芯，所述固定壳体上开设有供电磁铁芯穿过的通孔，电磁铁芯一端伸出水下电磁铁与弹簧抵接，另一端穿过通孔供抛载物悬挂。
优选的，初始状态下，所述弹簧为压缩状态，将电磁铁芯顶紧，水下电磁铁通过连接线缆接入电路。
优选的，所述固定壳体可根据水下机器人本体的实际装配所需形态而随意改变，并依据浮力配平方法配平浮力即可。
优选的，所述浮力配平方法具体包括如下步骤：
S1：确定抛载物重量；
S2：选定电磁铁型号并称重；
S3：选定浮力材的类型，确定其密度，然后计算出其产生的浮力大小；
S4：设计固定外壳的大小，并考虑外壳产生的重量；
S5：确定选用浮力材的大小，并将整个系统重量考虑在内，使得浮力材所产生的浮力刚好能抵消系统产生的重量，即为最佳状态，此时整个抛载系统在水中呈现零浮力状态；
S6：计算验证选用的水下电磁铁是否能成功抛载抛载物，计算水下电磁铁抛载时与抛载物之间的摩擦力是否能够满足电磁铁的拉力，若该摩擦力小于电磁铁产生的拉力，则抛载物能成功抛载，反之则不行；具体的计算公式为：
f＝чN
其中ч为摩擦系数，N为重物的重量，N＝mg，m为抛载物质量，g为重力加速度(g＝9.8m/s^2)，所以最终摩擦力大小为：
f＝чmg
本发明还提供一种水下机器人可控电磁抛载模块的应急抛载方法，包括主动抛载模式和被动抛载模式，具体如下：
主动抛载模式：
S11：将电磁抛载模块的控制线与机器人本体内传输控制信号、传输摄像头信号的线独立分开；
S12：主动抛载程序未下达释放信号前，连接线缆处于未接通状态，水下电磁铁为自然状态；此时弹簧处于收缩状态，电磁铁芯在弹簧的推力下向左伸出，此时抛载物被挂在电磁铁芯上，无法掉落；
S13：当下达抛载指令时，连接线缆接入电流，此时电磁铁芯在电磁力作用下产生水平向右的力，且该力大于弹簧产生的推力，在弹力和电磁力合力作用下，电磁铁芯向右运动，当到达与抛载物的摩擦零界点时，抛载物被释放，整个抛载模块产生正浮力，从而使水下机器人本体产生正浮力，致使机器人本体上浮；
被动抛载模式：
S21：系统运行正常时，连接线缆处于接通状态，水下电磁铁为电磁吸合状态；此时弹簧处于舒展状态，电磁铁芯在弹簧弹力和电磁力合力作用下水平向左，此时电磁力大于弹簧弹力，弹簧被迫呈拉伸状态，铁心穿过抛载物2，将抛载物2挂住，不会脱落；
S22：当水下机器人出现故障时，连接线缆失去能量来源，水下电磁铁断电，电磁铁芯失去电磁力，此时，在弹簧302回缩作用下，弹力克服电磁铁芯与抛载物之间的摩擦力，合力向右，将电磁铁芯向右拉动，断开与抛载物之间的联系，从而使抛载物成功抛载，抛载系统处于正浮力状态，实现水下机器人本体的成功上浮。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可在机器人出现故障时应急抛载，通过水下电磁铁断电释放抛载物，从而使机器人浮力变大，上浮至水面，减少经济损失；利用电磁铁结构来释放抛载物，具有结构简单、动作可靠、使用和维护简单的优点；同时提供抛载物主动抛载和被动抛载两种应急抛载模式，能够适用多种类型的水下机器人适用，扩大其适用范围。
附图说明
图1为本发明的电磁抛载模块的整体结构示意图；
图2为本发明的水下电磁铁的具体连接结构示意图；
图3为本发明的机器人本体与电磁抛载模块的装配示意图；
图4为本发明的主动抛载模式下的工作流程图；
图5为本发明的被动抛载模式下的工作流程图。
图中：1、浮力材；2、抛载物；3、水下电磁铁；301、电磁铁芯；302、弹簧；303、连接线缆；4、固定壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种水下机器人可控电磁抛载模块，包括浮力材1、抛载物2、水下电磁铁3和固定壳体4；所述固定壳体4安装在机器人本体上，浮力材1固定机器人本体顶部位置处，抛载物2通过水下电磁铁3设置在固定壳体4底部，并通过水下电磁铁3的电路通断来控制抛载物2的抛载状态。
在本实施例中，所述水下电磁铁3内部滑动插入一根电磁铁芯301，所述固定壳体4上开设有供电磁铁芯301穿过的通孔，电磁铁芯301一端伸出水下电磁铁3与弹簧302抵接，另一端穿过通孔供抛载物2悬挂。
在本实施例中，初始状态下，所述弹簧302为压缩状态，将电磁铁芯301顶紧，水下电磁铁3通过连接线缆303接入电路。
电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力，将电磁能转换为机械能的装置。电磁铁的应用很广泛，结构简单，制造工艺简单。电磁铁一般由线圈、铁心、衔铁三个主要部分构成，其工作原理是线圈通电产生一定电流后，在铁心、衔铁和气隙之间生成磁通Ф。在磁通Ф的作用下，产生电磁力，将衔铁吸向铁心，将他们之间的间隙变小，从而改变铁心的长度，以达到收缩的功能。因为对于水下机器人而言，基本上在水中工作，海水对于金属具有腐蚀性，所以，在选择电磁铁上，需要选用水下专用的电磁铁，以达到防腐蚀的目的。
实施例2：本发明的抛载物2的形态并非唯一，使用者可以随意改变形态，只需能搭载进释放装置和重量配平即可。固定外壳4也并非是本发明的唯一外观，所述固定壳体4可根据水下机器人本体的实际装配所需形态而随意改变，并依据浮力配平方法配平浮力即可。
在本实施例中，所述浮力配平方法具体包括如下步骤：
S1：确定抛载物重量；
S2：选定电磁铁型号并称重；
S3：选定浮力材1的类型，确定其密度，然后计算出其产生的浮力大小；
S4：设计固定外壳4的大小，并考虑外壳产生的重量；
S5：确定选用浮力材1的大小，并将整个系统重量考虑在内，使得浮力材1所产生的浮力刚好能抵消系统产生的重量，即为最佳状态，此时整个抛载系统在水中呈现零浮力状态；
S6：计算验证选用的水下电磁铁3是否能成功抛载抛载物，计算水下电磁铁3抛载时与抛载物2之间的摩擦力是否能够满足电磁铁的拉力，若该摩擦力小于电磁铁产生的拉力，则抛载物能成功抛载，反之则不行；具体的计算公式为：
f＝чN
其中ч为摩擦系数，N为重物的重量，N＝mg，m为抛载物质量，g为重力加速度g＝9.8m/s^2，所以最终摩擦力大小为：
f＝чmg
依据上述公式可以看出，若ч很小，则所需的电磁力越小，消耗的能量也越低；或者可以理解为同样的电磁铁，ч越小可以抛载的抛载物质量越大，则抛载后产生的浮力越大，水下机器人更容易上浮。例如：ч＝0.2和ч＝0.5时，抛载1kg所需的力分别为1.96N和4.9N。所以，在设计时，将电磁铁的铁芯出口段设计得越光滑，能顺利抛载的抛载物质量也就越大，水下机器人上浮时间就更快。在选用电磁铁时也要考虑到电磁铁吸力和回弹力是否能满足抛载需求。
实施例3：请参阅图4-5，本发明还提供一种水下机器人可控电磁抛载模块的应急抛载方法，包括主动抛载模式和被动抛载模式，具体如下：
主动抛载模式：
S11：将电磁抛载模块的控制线与机器人本体内传输控制信号、传输摄像头信号的线独立分开；
S12：主动抛载程序未下达释放信号前，连接线缆303处于未接通状态，水下电磁铁3为自然状态；此时弹簧302处于收缩状态，电磁铁芯301在弹簧302的推力下向左伸出，此时抛载物2被挂在电磁铁芯301上，无法掉落；
S13：当下达抛载指令时，连接线缆303接入电流，此时电磁铁芯301在电磁力作用下产生水平向右的力，且该力大于弹簧302产生的推力，在弹力和电磁力合力作用下，电磁铁芯301向右运动，当到达与抛载物2的摩擦零界点时，抛载物2被释放，整个抛载模块产生正浮力，从而使水下机器人本体产生正浮力，致使机器人本体上浮。
主动抛载模式一般适用于操作员希望水下机器人早点上浮而设计。也适用于水下机器人轻微故障，但是未影响信号通断时使用。电磁抛载的控制线，是和传输控制信号、传输摄像头信号的线，是分开的，是独立的。比如4芯线。其中2芯用于传输控制信号，而另外2芯，是用于传输电磁抛载的控制信号。这样的设计可以保证即使控制程序出现问题时，独立的控制线也能完成抛载任务，避免了因为主控线和抛载线合为一体时，发生故障无法抛载上浮的缺陷。主动抛载程序在未给予抛载信号时，电磁铁是不导通的，当操作员想抛载掉抛载物时，给予电磁铁通电信号，电磁铁通电吸合释放抛载，完成抛载任务，机器上浮。该方式在未导通电磁铁信号时是不消耗能量的，适用于自带电池的小型水下机器人，该类型的机器人一般没有外接电源，所以对于自带能量节省是十分必要的。
被动抛载模式：
S21：系统运行正常时，连接线缆303处于接通状态，水下电磁铁3为电磁吸合状态；此时弹簧302处于舒展状态，电磁铁芯301在弹簧302弹力和电磁力合力作用下水平向左，此时电磁力大于弹簧302弹力，弹簧302被迫呈拉伸状态，铁心穿过抛载物2，将抛载物2挂住，不会脱落；
S22：当水下机器人出现故障时，连接线缆303失去能量来源，水下电磁铁3断电，电磁铁芯301失去电磁力，此时，在弹簧302回缩作用下，弹力克服电磁铁芯301与抛载物2之间的摩擦力，合力向右，将电磁铁芯301向右拉动，断开与抛载物2之间的联系，从而使抛载物2成功抛载，抛载系统处于正浮力状态，实现水下机器人本体的成功上浮。
被动抛载模式一般适用于水下机器人突发故障(线缆断裂，信号丢失等)，此时电磁铁失去能量来源，在内部弹簧压力下，铁心回弹，从而断开与抛载物之间的关联，释放抛载物，达到减轻水下机器人重量的目的，至其上浮至水面。但是该方案需要长时间给电磁铁供电，所以一般推荐适用于外部供电型水下机器人使用。
实施例4：如图3所示，该图为电磁抛载系统在水下机器人上的应用。本发明可作为单独的系统使用，也可以结合水下机器人联合使用，在图3中，为了不影响水下机器人的水中动力平衡，可以在水下机器人另一侧安装相同的装置，实现左右动平衡。
值得注意的是：整个装置通过总控制按钮对其实现控制，由于控制按钮匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种水下机器人可控电磁抛载模块，其特征在于，包括浮力材(1)、抛载物(2)、水下电磁铁(3)和固定壳体(4)；所述固定壳体(4)安装在机器人本体上，浮力材(1)固定机器人本体顶部位置处，抛载物(2)通过水下电磁铁(3)设置在固定壳体(4)底部，并通过水下电磁铁(3)的电路通断来控制抛载物(2)的抛载状态。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人可控电磁抛载模块，其特征在于：所述水下电磁铁(3)内部滑动插入一根电磁铁芯(301)，所述固定壳体(4)上开设有供电磁铁芯(301)穿过的通孔，电磁铁芯(301)一端伸出水下电磁铁(3)与弹簧(302)抵接，另一端穿过通孔供抛载物(2)悬挂。
3.根据权利要求2所述的一种水下机器人可控电磁抛载模块，其特征在于：初始状态下，所述弹簧(302)为压缩状态，将电磁铁芯(301)顶紧，水下电磁铁(3)通过连接线缆(303)接入电路。
4.根据权利要求1所述的一种水下机器人可控电磁抛载模块，其特征在于：所述固定壳体(4)可根据水下机器人本体的实际装配所需形态而随意改变，并依据浮力配平方法配平浮力即可。
5.根据权利要求4所述的一种水下机器人可控电磁抛载模块，其特征在于：所述浮力配平方法具体包括如下步骤：
S1：确定抛载物重量；
S2：选定电磁铁型号并称重；
S3：选定浮力材(1)的类型，确定其密度，然后计算出其产生的浮力大小；
S4：设计固定外壳(4)的大小，并考虑外壳产生的重量；
S5：确定选用浮力材(1)的大小，并将整个系统重量考虑在内，使得浮力材(1)所产生的浮力刚好能抵消系统产生的重量，即为最佳状态，此时整个抛载系统在水中呈现零浮力状态；
S6：计算验证选用的水下电磁铁(3)是否能成功抛载抛载物，计算水下电磁铁(3)抛载时与抛载物(2)之间的摩擦力是否能够满足电磁铁的拉力，若该摩擦力小于电磁铁产生的拉力，则抛载物能成功抛载，反之则不行；具体的计算公式为：
f＝чN
其中ч为摩擦系数，N为重物的重量，N＝mg，m为抛载物质量，g为重力加速度(g＝9.8m/s^2)，所以最终摩擦力大小为：
f＝чmg
6.一种水下机器人可控电磁抛载模块的应急抛载方法，其特征在于，包括主动抛载模式和被动抛载模式，具体如下：
主动抛载模式：
S11：将电磁抛载模块的控制线与机器人本体内传输控制信号、传输摄像头信号的线独立分开；
S12：主动抛载程序未下达释放信号前，连接线缆(303)处于未接通状态，水下电磁铁(3)为自然状态；此时弹簧(302)处于收缩状态，电磁铁芯(301)在弹簧(302)的推力下向左伸出，此时抛载物(2)被挂在电磁铁芯(301)上，无法掉落；
S13：当下达抛载指令时，连接线缆(303)接入电流，此时电磁铁芯(301)在电磁力作用下产生水平向右的力，且该力大于弹簧(302)产生的推力，在弹力和电磁力合力作用下，电磁铁芯(301)向右运动，当到达与抛载物(2)的摩擦零界点时，抛载物(2)被释放，整个抛载模块产生正浮力，从而使水下机器人本体产生正浮力，致使机器人本体上浮；
被动抛载模式：
S21：系统运行正常时，连接线缆(303)处于接通状态，水下电磁铁(3)为电磁吸合状态；此时弹簧(302)处于舒展状态，电磁铁芯(301)在弹簧(302)弹力和电磁力合力作用下水平向左，此时电磁力大于弹簧(302)弹力，弹簧(302)被迫呈拉伸状态，铁心穿过抛载物(2)，将抛载物(2)挂住，不会脱落；
S22：当水下机器人出现故障时，连接线缆(303)失去能量来源，水下电磁铁(3)断电，电磁铁芯(301)失去电磁力，此时，在弹簧(302)回缩作用下，弹力克服电磁铁芯(301)与抛载物(2)之间的摩擦力，合力向右，将电磁铁芯(301)向右拉动，断开与抛载物(2)之间的联系，从而使抛载物(2)成功抛载，抛载系统处于正浮力状态，实现水下机器人本体的成功上浮。
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