CN114084322B - 一种行星超机动球型水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星超机动球型水下机器人，包括耐压壳体以及内部的电池舱、控制舱、浮力调节机构和姿态调节机构；耐压壳体的内壁固定有水平的支撑板，支撑板的上部通过控制舱支架固定有控制舱；耐压壳体在支撑板上方位置可转动的设有贯穿耐压壳体的贯通转轴，贯通转轴的中间位置设有转轴齿轮，贯通转轴的两端与套设在耐压壳体外部的回转行星圈固定；回转行星圈设有水平推进器和垂直推进器；控制舱支架上固定有舵机，舵机的输出端设有与转轴齿轮相配合的舵机齿轮；支撑板的下端面固定有浮力调节机构，耐压壳体内的底部设有配重块；配重块上端固定有姿态调节机构。利用本发明，可以提高水下机器人的灵活性，同时减小孟克力矩所导致的失稳问题。

Description

一种行星超机动球型水下机器人

技术领域

本发明属于水下探测机器人技术领域，尤其是涉及一种行星超机动球型水下机器人。

背景技术

与陆地不同，海洋条件十分复杂，除海面波涛汹涌外，具有压强大、能见度低、海底地形环境险要等特点。由于苛刻的环境条件与人体有限的生理条件，人类无法只身潜入海洋进行海洋资源的开发与利用。因此，水下机器人作为一种专业的水下作业装备，相比潜水员潜水作业，具有下潜深度大、工作时间长、作业安全性高、作业效率高等优势，成为了代替人类执行海洋观测、探测、水下装备检测维修和施工作业等任务的重要工具，为海洋信息的收集带来了革命性的变化。但现有水下机器人由于尺寸较大，回转半径大，无法在水下洞穴或管道等崎岖水路执行观测任务。

如公开号为CN101134500A的中国专利文献公开了一种仿生海龟水下机器人，它包括海龟状流线型外壳、安装在海龟状流线型外壳头肩部的传感测试单元、胸部的控制驱动单元、腹部的电源储备单元、尾部的通信系统单元以及前肢运动单元和后肢运动单元，传感测试单元由声呐探测器、水下摄像头、多束光源组成，控制驱动单元由执行级控制器和协调级控制器组成，电源储备单元包括电机驱动供电模块和控制器供电模块，通信系统单元由通信系统模块和外部天线组成。

当机器人以一定攻角(或漂角)作定常直线运动时，水下机器人前后驻点位置不对称，迎流面压力较大，背流面压力较小，便产生孟克力矩。现有的水下机器人多为细长鱼雷型外壳，此类机器人具有偏好方向，也即壳体的延伸方向。如公开号为CN101475055A的中国专利文献公开了一种水下机器人，其外形机构类似鱼雷，包括带有密封舱室的机身、机身内装有水下摄像机和用于无线接收导入程序指令的控制系统，该控制系统带有电机驱动电路，该机身还活动连接有多个动力推进装置，用于输出动力的同时，使机身发生角度旋转。当此类水下机器人沿壳体延伸方向前进时，所受阻力较小，运动效率高。

但是，随着攻角的增大，具有偏好航向的机器人将会变得不再稳定，偏离预定航向，从而产生更大的失稳力矩。当侧向移动与转向时，难以克服巨大的拖曳阻力。因此，拥有各向对称水动力性能的机器人在移动与旋转时更具优势，回转半径更小，控制也更为简单。

发明内容

本发明提供了一种行星超机动球型水下机器人，可以降低水下机器人的能耗，提高水下机器人的灵活性，同时减小孟克力矩所导致的失稳问题。

一种行星超机动球型水下机器人，包括透明球形结构的耐压壳体以及设置在耐压壳体内部的电池舱、控制舱、浮力调节机构和姿态调节机构；

所述的耐压壳体的内壁固定有水平的支撑板，所述支撑板的上部通过控制舱支架固定有控制舱；

所述耐压壳体在支撑板上方位置可转动的设有贯穿耐压壳体的贯通转轴，所述贯通转轴的中间位置设有转轴齿轮，贯通转轴的两端与套设在耐压壳体外部的回转行星圈固定；所述的回转行星圈上设有水平推进器和垂直推进器；所述的控制舱支架上固定有舵机，所述舵机的输出端设有与转轴齿轮相配合的舵机齿轮；

所述支撑板的下端面固定有浮力调节机构，所述耐压壳体内的底部设有配重块；所述配重块的上端固定有姿态调节机构；

所述控制舱内的控制器分别与水平推进器、垂直推进器、舵机、浮力调节机构和姿态调节机构电连接。

本发明总的设计思路在于使行星超机动球型水下机器人内部各部分的荷载与浮力均匀，进而使其浮心与几何中心重合，重心位于其下方，提高球型水下机器人在目标姿态的稳定性。舵机转动通过舵机齿轮、转轴齿轮带动贯通转轴与回转行星圈转动，从而实现维持本体角度不变状态下垂直面运动方向的改变。浮力调节机构用于调节机器人的上浮和下潜；姿态调节机构用于调整球型水下机器人重心的水平坐标，实现球型水下机器人目标姿态角的调节。水平推进器、垂直推进器和舵机构成行星动力机构，运动方向调节更加灵活。

进一步地，所述的浮力调节机构包括与控制器电连接的电动推杆；所述电动推杆的固定端与支撑板的下端面固定，电动推杆的活动端与下部水腔内的活塞平板固定；所述水腔的下端面设有与耐压壳体外部连通的导管。

通过调整电动推杆带动活塞平板运动，实现机器人无自由液面的压载调节。大深度下潜时，采用满载状态，大深度上浮时采用空载状态。当到达预定深度范围时，调节压载量至净重为零状态，保持重心稳定，水腔材料采用钛合金，底部开有与槽孔，通过导管与外部连通，控制海水的进出。

优选地，所述的水腔设置在配重块内部。

优选地，所述的电池舱上设有通孔，电池舱套设在电动推杆的外部，与水腔的上端固定。电池舱置于浮力调节机构上方，其质量较大，可降低机器人重心位置。

进一步地，所述的姿态调节机构包括固定在配重块上端的环形滑槽和多根支柱，所述多根支柱的上端固定有内表面带齿轮的齿圈；

所述的环形滑槽内可滑动的设有两个步进电机，所述步进电机与控制器电连接；所述步进电机的输出端朝上，输出端设有与齿圈内壁齿轮相啮合的小齿轮。

在进行姿态调节时，传感器采集到的倾角数据与目标姿态角数据输入控制器进行处理，通过电路将电脉冲分别输入两个步进电机，控制步进电机与小齿轮沿轨道旋转，将球型水下机器人调至目标姿态角。

进一步地，所述的齿圈外周设有齿圈支架，所述的齿圈支架上设有与所述控制器电连接的摄像机。

进一步地，所述耐压壳体的外底面设有水深传感器，所述的水深传感器与控制器电连接。

球型水下机器人的上浮与下潜通过水深传感器采集水深信息，输入控制器，控制器控制浮力调节机构，调节球型水下机器人的整体质量，以实现球型水下机器人大深度的无动力上浮下潜。待水深传感器测得深度在目标深度范围内时，调节球型水下机器人净重为零。

进一步地，所述的回转行星圈上设有两个水平推进器和两个垂直推进器，水平推进器和垂直推进器交替布置，互相间隔90°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的新型行星超机动球型机器人由于其得天独厚的对称性，具有回转半径小，孟克力矩小，侧向移动与转动阻力小，运动灵活的特点。球型水下机器人的耐压外壳由轻量化、强度可靠，耐腐蚀，耐老化，透光性好的亚克力制成，避免了金属材料质量体积比大，需要外设大量浮材的缺点，便于机器人内外环境的观察，同时最大限度保留了内部空间。

2、本发明提出的无自由液面式浮力调节机构使得球型水下机器人无需同其他水下机器人一样，持续耗电控制推进器以实现球型水下机器人的潜浮，通过浮力调节机构压载量的调节，可实现球型水下机器人大深度的无动力潜浮，降低球型水下机器人功耗，延长其水下航行时间。

3、本发明提出的旋转式姿态调节机构，通过改变机器人的重心位置产生偏心力矩以调整机器人的俯仰与横滚姿态，并在目标姿态保持稳定。弥补了传统的姿态调节方式调节效率低下，低速运动时俯仰力矩不足，及姿态调节时重心位置不变，但浮心发生偏移，产生的复原力矩抑制机器人的姿态调节的缺陷。

4、本发明提出的行星动力机构可实现维持本体角度不变状态下垂直面运动方向的快速改变，而传统水下机器人在进行垂直面运动方向的改变时，必须先实现机器人本体的角度调整，而后进行推进，方向调节较为复杂，且此种状态下，本体倾斜，重心与浮心不位于同一重垂线，机器人处于非稳定状态，本发明提出的行星动力机构相较于传统水下机器人，运动方向调节更加灵活可靠。

附图说明

图1为本发明中行星超机动球型水下机器人的仰视图；

图2为本发明中行星超机动球型水下机器人的内部结构前视图；

图3为本发明中行星超机动球型水下机器人的浮力调节机构示意图；

图4为本发明中行星超机动球型水下机器人的姿态调节机构示意图；

图5为本发明中行星超机动球型水下机器人的行星动力机构示意图。

图中：1-耐压壳体；2-水深传感器；3-回转行星圈；4-控制舱；5-控制舱支架；6-齿圈支架；7-步进电机；8-滑槽边板；9-支撑板；10-摄像机；11-电池舱；12-配重块；13-电动推杆；14-活塞平板；15-水腔；16-齿圈；17-小齿轮；18-环形滑槽；19-支柱；20-水平推进器；21-贯通转轴；22-舵机；23-垂直推进器；24-舵机齿轮；25-转轴齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1～5所示，一种行星超机动球型水下机器人，包括耐压壳体1、控制舱4、电池舱11、姿态调节机构、浮力调节机构和行星动力机构。

耐压壳体1由透明耐腐蚀的亚克力制成，球形结构减小回转阻力，抵抗水体压力，将内部零件全部密封起来，免受海水压力与腐蚀。

如图2所示，耐压壳体1的内壁固定有水平的支撑板9，支撑板9的上部通过控制舱支架5固定有控制舱4。具体的，控制舱支架5焊接于支撑板9之上，通过螺栓与密封圈将控制舱4密封连接于控制舱支架5上，控制舱4内设有控制器。

支撑板9的下端面固定有浮力调节机构，耐压壳体1内的底部设有配重块12；配重块12的上端固定有姿态调节机构。

如图3所示，浮力调节机构包括与控制器电连接的电动推杆13；电动推杆13的固定端与支撑板9的下端面固定，电动推杆13的活动端与下部水腔15内的活塞平板14固定；水腔15的下端面设有与耐压壳体1外部连通的导管，水腔15设置在配重块12的内部。

配重块12粘连于耐压壳体1的内底面，增强球壳的强度，其内部挖孔嵌入水腔15，保证水腔15的稳定性。

本实施例中，电池舱11套设在电动推杆13的外部，与水腔15的上端固定。耐压壳体1的外底面在水腔的导管出口处设有水深传感器2，水深传感器2与控制器电连接。

活塞平板14的侧面与水腔15内壁用密封圈相连，电动推杆13的伸缩带动活塞平板14运动实现水腔15内无自由液面压载的调节。

如图4所示，姿态调节机构包括固定在配重块12上端的环形滑槽18和多根支柱19，多根支柱19的上端固定有内表面带齿轮的齿圈16，齿圈16的外壁设有齿圈支架6，环形滑槽18的内外侧设有边板8。齿圈支架6上设有与所述控制器电连接的摄像机10。

环形滑槽18内可滑动的设有两个步进电机7，步进电机7与控制器电连接；步进电机的输出端朝上，输出端设有与齿圈16内壁齿轮相啮合的小齿轮17。通过步进电机7的转轴转动，带动小齿轮17沿齿圈16旋转，从而实现作为移重的步进电机7与小齿轮17沿环形滑槽18旋转。

如图5所示为行星动力机构的结构示意图，包括舵机22、回转行星圈3、水平推进器20、贯通转轴21和垂直推进器23。

具体的，耐压壳体1在支撑板9上方位置可转动的设有贯穿耐压壳体1的贯通转轴21，贯通转轴21贯穿耐压壳体1的位置做密封处理，转动过程中，防止外部的海水进入。贯通转轴21的中间位置设有转轴齿轮25，贯通转轴21的两端与套设在耐压壳体1外部的回转行星圈3固定。回转行星圈3上设有两个水平推进器20和两个垂直推进器23，水平推进器20和垂直推进器23交替布置，互相间隔90°。

控制舱支架5上固定有舵机22，舵机22的输出端设有与转轴齿轮25相配合的舵机齿轮24。舵机3旋转时通过齿轮传动带动贯通转轴21与回转行星圈3旋转，从而实现推进器推进方向的调节。

本发明的行星超机动球型水下机器人在具体应用过程中，深度控制过程可分为大深度潜浮，小范围调整。进行大深度潜浮时，浮力调节机构中的压载水舱为满舱或空舱状态，依靠负正浮力来实现机器人的无动力潜浮，降低球型水下机器人的能耗。在下潜至大致目标范围后，控制浮力调节机构的压载量至机器人的浮力与重力平衡，而后将水深传感器的检测值与预测值进行比较，如需改变深度，通过垂直推进器提供推力矩实现球型水下机器人的深度微调。

球型水下机器人的姿态角调整的实现，依靠姿态调节机构中的两个步进电机7与小齿轮17旋转滑动实现。将陀螺仪检测到的角度值与目标值进行对比，当需要进行横倾与纵倾姿态调节时，控制两个步进电机7的转动角度，使步进电机7与小齿轮17沿着环形滑槽18旋转，实现水下机器人重心在XOY面的偏移，从而控制球型水下机器人在目标姿态角下的质心稳定性。

球型水下机器人的运动过程可分为垂直面转弯与水平面转弯与直线推进。进行垂直面转弯时，舵机22旋转，通过齿轮传动，带动贯通转轴21与回转行星圈3旋转指定角度，从而实现在本体姿态角不变的前提下，垂直方向的快速转弯。进行水平面转弯时，姿态调节机构的电机对称分布，保持本体的竖直状态，而后通过水平推进器20差速推进提供水平推力矩，从而实现球型水下机器人的水平面转弯。进行直线推进时，将回转行星圈3旋转至与直线推进方向垂直/平行的状态，控制与预设推进方向相同的两个推进器输出相等大小的推力，从而实现球型水下机器人的直线推进。

本发明的球型水下机器人在进行整体装配时，采取对称分布，重心低于浮心的原则，保证运动姿态稳定性。浮力调节机构实现了球型水下机器人的无动力潜浮，降低了球型水下机器人的能耗，活塞平板的设计，避免了自由液面对机器人稳性造成的干扰；姿态调节机构使得球型水下机器人姿态角的调节不受低速运动影响，并且保证了目标姿态下的稳定性；行星动力机构降低了球型水下机器人的回转半径，进一步提高了机器人的运动灵活性。透明密封轻量化球形耐压外壳，保护内部组件不受水体腐蚀与压溃，且利于观察球型水下机器人的内外环境，方便机器人的检修与传感器收集外部信息。总之，行星超机动球型水下机器人在抗压性、节能性、姿态稳定性、运动灵活性方面具有很大的优势。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种行星超机动球型水下机器人，其特征在于，包括透明球形结构的耐压壳体(1)以及设置在耐压壳体(1)内部的电池舱(11)、控制舱(4)、浮力调节机构和姿态调节机构；

所述的耐压壳体(1)的内壁固定有水平的支撑板(9)，所述支撑板(9)的上部通过控制舱支架(5)固定有控制舱(4)；

所述耐压壳体(1)在支撑板(9)上方位置可转动的设有贯穿耐压壳体(1)的贯通转轴(21)，所述贯通转轴(21)的中间位置设有转轴齿轮(25)，贯通转轴(21)的两端与套设在耐压壳体(1)外部的回转行星圈(3)固定；所述的回转行星圈(3)上设有水平推进器(20)和垂直推进器(23)；所述的控制舱支架(5)上固定有舵机(22)，所述舵机(22)的输出端设有与转轴齿轮(25)相配合的舵机齿轮(24)；

所述支撑板(9)的下端面固定有浮力调节机构，所述耐压壳体(1)内的底部设有配重块(12)；所述配重块(12)的上端固定有姿态调节机构；

所述控制舱(4)内的控制器分别与水平推进器(20)、垂直推进器(23)、舵机(22)、浮力调节机构和姿态调节机构电连接；

所述的姿态调节机构包括固定在配重块(12)上端的环形滑槽(18)和多根支柱(19)，所述多根支柱(19)的上端固定有内表面带齿轮的齿圈(16)；所述的环形滑槽(18)内可滑动的设有两个步进电机(7)，所述步进电机(7)与控制器电连接；所述步进电机的输出端朝上，输出端设有与齿圈(16)内壁齿轮相啮合的小齿轮(17)。

2.根据权利要求1所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述的浮力调节机构包括与控制器电连接的电动推杆(13)；所述电动推杆(13)的固定端与支撑板(9)的下端面固定，电动推杆(13)的活动端与下部水腔(15)内的活塞平板(14)固定；所述水腔(15)的下端面设有与耐压壳体(1)外部连通的导管。

3.根据权利要求2所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述的水腔(15)设置在配重块(12)内部。

4.根据权利要求2所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述的电池舱(11)上设有通孔，电池舱(11)套设在电动推杆(13)的外部，与水腔(15)的上端固定。

5.根据权利要求1所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述的齿圈(16)外周设有齿圈支架(6)，所述的齿圈支架(6)上设有与所述控制器电连接的摄像机(10)。

6.根据权利要求1所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述耐压壳体(1)的外底面设有水深传感器(2)，所述的水深传感器(2)与控制器电连接。

7.根据权利要求1所述的行星超机动球型水下机器人，其特征在于，所述的回转行星圈(3)上设有两个水平推进器(20)和两个垂直推进器(23)，水平推进器(20)和垂直推进器(23)交替布置，互相间隔90°。

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