CN113799950A - 一种应用于水下机器人的重心调节系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于水下机器人的重心调节系统，包括支架，所述支架内设置有相对布置且能沿支架轴向同步移动的重心调节顶盘、重心调节底盘，所述重心调节顶盘和重心调节底盘之间设置有第一配重块、第二配重块；所述重心调节系统还包括用于驱动重心调节顶盘、重心调节底盘同步移动的轴向调节机构，用于驱动第一配重块和第二配重块周向旋转以调节两者相对位置的水平调节机构，以及用于驱动第一配重块和第二配重块整体周向旋转的圆周滚转调节机构。本发明通过三个驱动源实现了复杂结构重心调节系统的三自由度运动，不仅通过减少电机降低了功耗，还保证了没有自由度方面的损失，大大提升了水下机器人在水下的续航能力和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及一种应用于水下机器人的重心调节系统。
背景技术
我国海洋资源非常丰富，水下机器人作为一种探测平台可以对海洋环境展开多样性的研究。在水下机器人的结构中，重心调节系统是其中重要的组成部分，其影响着水下机器人在水中的姿态，进而会影响水下机器人的运动方向和运动形式。目前，应用于水下机器人的重心调节系统通常由电池组作为配重，通过调节其在轴向的位置及在圆周方向的位置来调节水下机器人的姿态，轴向调节通常由直线电机带动滚珠丝杠旋转，进而使配重沿着轴向运动，圆周方向调节通常由一个或多个电机带动齿轮旋转进而改变配重在圆周方向的位置，然而目前的重心调节系统存在着电机数量多、结构复杂、安装困难、控制不便的缺点。现有的结构简单的设计则由于自由度低、计算不合理、装拆困难的原因难以进行应用。所以亟需一种至少具备三自由度、结构简单、稳定可靠、操作方便、制造和装配容易的重心调节系统来实现水下机器人的姿态调整。
公布号为CN108345312A的中国专利文献公开的一种智能潜水器重心调节系统，包括：纵向调节机构；横向调节机构，横向调节机构与纵向调节机构连接，横向调节机构可沿着纵向调节机构的轴向方向滑动；配重机构，配重机构与横向调节机构连接；其中配重机构包括多块电池，多块电池通过连接板固定连接。该重心调节系统存在以下缺点：
1)配重结构为偏心结构，使得水下机器人中除去配重结构的部分也需为偏心结构才能使水下机器人整体重心不再偏心，在实际工程中需要不断调整配重以使得水下机器人的重心沿机体轴线方向，过程较为复杂繁琐；
2)当水下机器人需要从竖直状态调节为倾斜状态时，需要首先将偏心重块旋转180°，在此过程中会使得机体本身在横滚方向发生旋转动作，不利于机体自身的控制。
公告号为CN110723267B的专利说明书中公开了一种应用于水下机器人的重心调节系统，包括支架，支架内设有：配重单元，包括对称设置的第一配重块和第二配重块；轴向调节机构，用于驱动配重单元沿支架的轴向滑动；周向调节机构，设置于第一配重块和第二配重块的端部，用于驱动两个配重块旋转，调节两配重块的相对位置。该重心调节系统存在以下缺点：
(1)该发明缺乏合理的齿轮计算，其主动、从动齿轮无法保证齿轮模数匹配，因此从实际应用角度无法实现运动；
(2)仅具有两自由度，配备此发明的水下机器人仅能实现俯仰运动控制，无法实现滚转控制，因此在实际应用过程中还需要配备外部可动的水下滑翔翼或水下推进器，额外增加了功耗和系统复杂度；
(3)此发明的垂直调节模块设计不合理，市面常见滚珠丝杠电机少有此类丝杠固定、点击运动的类型，而主要以丝杠固连在电机-减速器系统上且丝杠螺母运动为主。因此，该结构难以进行批量制造、生产，也难以针对其他参数需求的滚珠丝杠电机进行迁移、应用；
(4)该结构制造、误差控制、装配、拆卸等均较为困难，同时缺乏轴向约束，影响系统的精确运转和调试，不利于机体自身的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有三个驱动源，具备三自由度，应用于水下机器人的重心调节系统，结构紧凑合理，能耗低，控制范围广、调节能力强。
一种应用于水下机器人的重心调节系统，包括支架，所述支架内设置有相对布置且能沿支架轴向同步移动的重心调节顶盘、重心调节底盘，所述重心调节顶盘和重心调节底盘之间设置有第一配重块、第二配重块；
所述重心调节系统还包括用于驱动重心调节顶盘、重心调节底盘同步移动的轴向调节机构，用于驱动第一配重块和第二配重块周向旋转以调节两者相对位置的水平调节机构，以及用于驱动第一配重块和第二配重块整体周向旋转的圆周滚转调节机构。
本方案通过轴向调节机构、水平调节机构和圆周滚转调节机构对第一配重块和第二配重块进行三个自由度上的驱动调节，以实现水下机器人重心的调节。
作为优选，所述水平调节机构包括中心轴承，层叠设置于中心轴承外侧的外圈齿轮、内圈齿轮，以及驱动外圈齿轮、内圈齿轮绕中心轴承周向旋转以调节两者相对位置的水平运动电机；
所述第一配重块和第二配重块的一端设置在对应的外圈齿轮和内圈齿轮上，第一配重块和第二配重块的另一端均转动设置于重心调节顶盘上。
作为优选，所述外圈齿轮的轮齿与内圈齿轮的轮齿相对设置；所述水平运动电机的输出轴上设置有与外圈齿轮和内圈齿轮的轮齿均啮合的双层齿轮，以驱动外圈齿轮和内圈齿轮等角速度反向运转。
作为优选，所述第一配重块和/或第二配重块包括内含电池的弧形电池仓以及设置于电池仓两端的端盖；第一配重块和第二配重块的底部端盖设置在对应的外圈齿轮和内圈齿轮上；第一配重块和第二配重块的顶部端盖上设置有弧形凸起，所述重心调节顶盘上设置有与所述弧形凸起适配的环形滑槽。
作为优选，所述圆周滚转调节机构包括设置在重心调节底盘上的平面轴承，设置于平面轴承上的圆周齿轮，以及用于驱动圆周齿轮转动的圆周运动电机；所述中心轴承和水平运动电机均安装于圆周齿轮上。
作为优选，所述轴向调节机构包括固定于支架上的垂直电机，与垂直电机输出轴连接的滚珠丝杠；以及与滚珠丝杠配合并固定于重心调节顶盘上的丝杠螺母。
作为优选，所述支架包括相对设置的框架顶盘和框架底盘，框架顶盘和框架底盘通过若干均匀分布的直线运动导杆连接。
作为优选，所述重心调节顶盘和重心调节底盘通过若干均匀分布的固定杆连接；所述直线运动导杆同时穿过重心调节顶盘和重心调节底盘，使得重心调节顶盘和重心调节底盘能沿直线运动导杆上下移动。
本发明的有益效果：
(1)本发明结构紧凑，充分利用空间，同时结构紧凑合理，能耗低，控制范围广、调节能力强，是适合用于水下机器人的新型重心调节系统。
(2)本发明便于加工制造和装配，贴近工程实际，结构设计标准合理。
(3)本发明通过三个驱动源-三自由度的复杂结构重心调节结够，与现有系统常使用四驱动源-三自由度和两驱动源-两自由度相比，不仅通过减少电机降低了功耗，还保证了没有自由度方面的损失，大大提升了水下机器人在水下的续航能力和灵活性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为核心齿轮驱动的结构示意图；
图3为第一配重块和第二配重块的安装结构示意图；
图4为第一配重块和第二配重块的结构示意图；
图5为圆周滚转调节机构齿轮驱动结构的爆炸示意图；
图6为水平调节系统齿轮驱动结构的爆炸示意图；
图7为水平调节系统双层齿轮传动的示意图；
图8为水平调节系统齿轮传动的轮系图；
图9为齿轮a-c啮合区设计剖面图。
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。
如图1-6所示，一种应用于水下机器人的重心调节系统，包括支架1，支架1包括相对设置的框架顶盘11和框架底盘12，框架顶盘11和框架底盘12通过三个均匀分布的直线运动导杆13连接，具体地，直线运动导杆13通过固定件14与框架顶盘11和框架底盘12固定。
支架1内设置有重心调节顶盘2和重心调节底盘3，重心调节顶盘2和重心调节底盘3相对设置且通过均匀分布的四个固定杆21连接；直线运动导杆13同时穿过重心调节顶盘2和重心调节底盘3，使得重心调节顶盘2和重心调节底盘3能沿直线运动导杆13同步地上下移动，重心调节顶盘2和重心调节底盘3上对应位置设置有方便直线运动导杆13滑动的直线轴承22，直线轴承22具体通过轴承固定架23固定在对应的重心调节顶盘2和重心调节底盘3上。
重心调节系统还包括位于重心调节顶盘2和重心调节底盘3之间的第一配重块4、第二配重块5，以及用于调整第一配重块4、第二配重块5位置，以实现水下机器人重心调节的轴向调节机构、水平调节机构和圆周滚转调节机构。
圆周滚转调节机构包括设置重心调节底盘3上的平面轴承61，设置在平面轴承61上的圆周齿轮62，以及用于驱动圆周齿轮62转动的圆周运动电机63；具体地，圆周运动电机63固定在重心调节底盘3上，且圆周运动电机63的输出轴上设置有与圆周齿轮62啮合的齿轮；通过圆周运动电机63的驱动，圆周齿轮62与重心调节底盘3之间能产生相对转动。
水平调节机构包括安装于圆周齿轮62上的中心轴承71，层叠设置于中心轴承71外侧的外圈齿轮72、内圈齿轮73，以及驱动外圈齿轮72、内圈齿轮73绕中心轴承71周向旋转以调节两者相对位置的水平运动电机74；其中，圆周齿轮62中心设置有通孔，中心轴承71穿套在该通孔内并通过螺栓固定在圆周齿轮62上；外圈齿轮72、内圈齿轮73上均固定有轴圈75，外圈齿轮72和内圈齿轮73层叠设置，同时两个轴圈75也层叠设置，中心轴承71上套设有两个层叠设置的轴承79，两个轴圈75套设在对应的轴承79上，以实现外圈齿轮72和内圈齿轮73转动。
本实施例中，外圈齿轮72的轮齿与内圈齿轮73的轮齿相对设置；水平运动电机74的输出轴上设置有与外圈齿轮72和内圈齿轮73的轮齿均啮合的双层齿轮76，以驱动外圈齿轮72和内圈齿轮73等角速度反向运转。水平运动电机74通过水平电机固定架77固定在圆周齿轮62上，且输出轴通过联轴器78与双层齿轮76连接。
第一配重块4和第二配重块5的一端设置在对应的外圈齿轮72和内圈齿轮73上，第一配重块4和第二配重块5的另一端均转动设置于重心调节顶盘2上；本实施例中，第一配重块4和第二配重块2均包括内含电池的弧形电池仓41以及设置于电池仓41两端的端盖42；外圈齿轮72和内圈齿轮73上均凸出有安装部，电池仓41底部的端盖42固定在对应的安装部上；电池仓41顶部的端盖42上设置有弧形凸起421，重心调节顶盘2上设置有与弧形凸起421适配的环形滑槽24，方便第一配重块4和第二配重块5的转动。
轴向调节机构包括固定于框架顶盘11上的垂直电机81，与垂直电机81输出轴连接的滚珠丝杠82；以及与滚珠丝杠82配合并固定于重心调节顶盘2上的丝杠螺母83；垂直电机81具体通过垂直电机固定架84安装于框架顶盘11上；重心调节底盘3上设置有用于避让滚珠丝杠82的通孔。
此外，圆周运动电机63、水平运动电机74、垂直电机81均配备有减速器及编码器，能实时反馈电机所在位置，进而推算各个自由度的运动位置情况。
本发明的实施过程：
轴向重心调节：当需要调节配重在轴向位置时，垂直电机81启动，丝杠螺母83沿滚珠丝杠运动，带动重心调节顶盘2、重心调节底盘3及重心调节顶盘2和重心调节底盘3之间所有模块沿中柱或油缸(图中未示出)和直线运动导杆13运动，即配重沿轴向运动，同时电机编码器反馈轴向位置信息，从而判断配重在轴向的位置。此构成本系统的第一个自由度。
水平运动调节：当需要调节配重在圆周方向位置时，水平运动电机74启动，带动双层齿轮76，带动外圈齿轮72和内圈齿轮73沿圆周等角速度反向旋转，进而驱动上面固连的配重块。此构成本系统的第二个自由度。
圆周滚转调节：当水下机器人需要进行滚转运动时，圆周运动电机63启动，带动圆周齿轮62运动，进而驱动整个水平运动模块进行圆周方向的旋转，驱动水下机器人滚转。此构成本系统的第三个自由度。
本发明的设计原理：
如图7所示，本发明采用了内啮合+外啮合的传动方案，设计采用了双重齿轮，单个电机驱动。轮系中包含齿轮a、b、c、d共4个齿轮，其中，齿轮a和齿轮b同轴且联结为一体，齿轮c与齿轮d同轴。齿轮a和齿轮c为外啮合，齿轮b和齿轮d为内啮合。同时，具备令蝶形配重块对称、同步旋转的功能。即：当小齿轮(a+b)转动时，齿轮c和齿轮d反向旋转，角速度数值相同。为实现这一点，就要保证齿数比例相同，因此采用了双层齿轮、模数不同的设计方法，设计需要满足以下设计条件：
其中，za、zb、zc、zd代表齿轮a、b、c、d齿数，m1代表b-d组啮合齿轮模数，m2代表这a-c组啮合齿轮模数，B代表大齿轮b所需的基本齿圈宽度。r1、r2、r3分别代表内圈尺寸半径、外圈尺寸半径、小齿轮c-d重心距整体中心距离，x指齿轮a分度圆到内圈的距离。如图8所示。
以本设计规则的一次应用为例
(1)齿轮b-d啮合区设计
选定最内圈轴承部分为
最外圈尺寸不超过
以保证最外侧的光杆、固定杆和滚珠丝杠有足够的预留空间。同时，为避免干涉，在小齿轮齿顶和非啮合侧的之间至少预留出2mm空间。由于齿圈的宽度和齿圈强度密切相关，因此也要保证齿圈宽度宽于6mm。综上，可以得到以下约束条件：
为了设计标准、计算简便，设模数为：
m1＝1
当小齿轮b的齿数zb取20时，可得到一组较适合的数据：
将得到数据带入到约束条件中进行检查，发现此组设计数据能够满足公式的要求：
zdm1+2B＝164≤165
因此，满足齿轮b-d啮合区设计要求。但是，这一设计，尤其是rbx(小齿轮轴心到中轴距离)还关乎到齿轮a-c啮合区设计的问题，因此这里先保留这一数据继续计算齿轮a-c啮合区。
(2)齿轮a-c啮合区设计
在设计齿轮a-c啮合区时，为保证两个齿轮能够反方向同步同角速度旋转，则关键要保证齿轮a-c啮合区和齿轮b-d啮合区传动比相同，这是首要的设计条件。同时，还要尽量保证该部位能满足国标的标准模数。综上，可以设计基本剖面构型如图9所示。
因此可以得到以下设计条件：
∵
∴
因此解得：
此时，需要反复取za、zc的不同齿数，保证模数尽量逼近标准模数。经过测试，可取：
小齿轮a的齿数满足不进行变位时不发生根切的最小齿数，大齿轮c半齿情况可通过3D打印规避，因此满足实际的设计要求。模数为0.8996，可近似取得为0.9的国家标准模数，不影响传动精度。
这一设计方案将电机驱动数量降低到3个，确保了各自由度的运动，尤其是保证了水平运动调节模块齿轮的同步旋转，并选用了国家标准规定的标准模数，提升了规范性和标准性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用于水下机器人的重心调节系统，包括支架，其特征在于：所述支架内设置有相对布置且能沿支架轴向同步移动的重心调节顶盘、重心调节底盘，所述重心调节顶盘和重心调节底盘之间设置有第一配重块、第二配重块；
所述重心调节系统还包括用于驱动重心调节顶盘、重心调节底盘同步移动的轴向调节机构，用于驱动第一配重块和第二配重块周向旋转以调节两者相对位置的水平调节机构，以及用于驱动第一配重块和第二配重块整体周向旋转的圆周滚转调节机构。
2.根据权利要求1所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述水平调节机构包括中心轴承，层叠设置于中心轴承外侧的外圈齿轮、内圈齿轮，以及驱动外圈齿轮、内圈齿轮绕中心轴承周向旋转以调节两者相对位置的水平运动电机；
所述第一配重块和第二配重块的一端设置在对应的外圈齿轮和内圈齿轮上，第一配重块和第二配重块的另一端均转动设置于重心调节顶盘上。
3.根据权利要求2所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述外圈齿轮的轮齿与内圈齿轮的轮齿相对设置；所述水平运动电机的输出轴上设置有与外圈齿轮和内圈齿轮的轮齿均啮合的双层齿轮，以驱动外圈齿轮和内圈齿轮等角速度反向运转。
4.根据权利要求1-3任一所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述第一配重块和/或第二配重块包括内含电池的弧形电池仓以及设置于电池仓两端的端盖；第一配重块和第二配重块的底部端盖设置在对应的外圈齿轮和内圈齿轮上；第一配重块和第二配重块的顶部端盖上设置有弧形凸起，所述重心调节顶盘上设置有与所述弧形凸起适配的环形滑槽。
5.根据权利要求2所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述圆周滚转调节机构包括设置在重心调节底盘上的平面轴承，设置于平面轴承上的圆周齿轮，以及用于驱动圆周齿轮转动的圆周运动电机；所述中心轴承和水平运动电机均安装于圆周齿轮上。
6.根据权利要求1所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述轴向调节机构包括固定于支架上的垂直电机，与垂直电机输出轴连接的滚珠丝杠；以及与滚珠丝杠配合并固定于重心调节顶盘上的丝杠螺母。
7.根据权利要求1所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述支架包括相对设置的框架顶盘和框架底盘，框架顶盘和框架底盘通过若干均匀分布的直线运动导杆连接。
8.根据权利要求7所述的应用于水下机器人的重心调节系统，其特征在于：所述重心调节顶盘和重心调节底盘通过若干均匀分布的固定杆连接；所述直线运动导杆同时穿过重心调节顶盘和重心调节底盘，使得重心调节顶盘和重心调节底盘能沿直线运动导杆上下移动。
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