CN114670996A - 三体水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，本发明公开了一种三体水下机器人，包括框架组件、舱体组件和驱动组件；框架组件包括两个三角架和连接架，两个三角架相对布置，两个三角架的对应角部之间设置有连接架；舱体组件包括多个安装舱，每个连接架设置有至少一个安装舱；驱动组件包括上浮体、下浮体和推进器，上浮体上设置有上推进涵道，上推进涵道竖向布置，上浮体包裹在位于三角架顶角处的安装舱的外部；下浮体上设置有下推进涵道，下推进涵道横向布置，下浮体包裹在位于三角架底角处的安装舱的外部上推进涵道和下推进涵道中分别设置有推进器。采用上浮体和下浮体包裹住对应的安装舱，以提高三体水下机器人的整体悬浮稳定性同时提高其灵活机动性。

Description

三体水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种三体水下机器人。

背景技术

水下机器人是海洋工程的重要装备之一，被越来越多地应用在科学与工程的前沿，人们逐渐认识到水下机器人的本体制造、控制、导航、定位等方面的研究是解决可持续开发海洋问题的关键，相关研究的投入直接关系到国家的经济和安全利益。水下机器人主要涉及海底测绘、环境与基础设施检测、矿物勘探、水下基础作业、水下充电等众多领域。然而，在实际使用过程中，受海洋水下环境影响，水下机器人需要具有灵活的机动性以满足复杂水下环境对稳定悬浮的控制要求。水下机器人通常采用推进器来形式并稳定其在水中姿态，常规的推进器通常布置在外壳的外部或内部，布置在外壳外的推进器影响整体流线型而导致悬浮稳定控制较难，而布置在外壳内部的推进器有存在灵活机动性较差的问题。鉴于此，如何设计一种提高整体悬浮稳定性并提高灵活机动性的水下机器人是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种三体水下机器人，采用上浮体和下浮体包裹住对应的安装舱，以提高三体水下机器人的整体悬浮稳定性同时提高其灵活机动性。

本发明提供的技术方案是，一种三体水下机器人，包括框架组件、舱体组件和驱动组件；所述框架组件包括两个三角架和连接架，两个所述三角架相对布置，两个所述三角架的对应角部之间设置有所述连接架；

所述舱体组件包括多个安装舱，每个所述连接架上设置有至少一个所述安装舱，所述安装舱沿所述连接架的长度方向布置；

所述驱动组件包括上浮体、两个下浮体和多个推进器，所述上浮体上设置有上推进涵道，所述上推进涵道竖向布置，所述上浮体包裹在位于所述三角架顶角处的所述安装舱的外部；所述下浮体上设置有下推进涵道，所述下推进涵道横向布置，所述下浮体包裹在位于所述三角架底角处的所述安装舱的外部，所述上推进涵道和所述下推进涵道中分别设置有所述推进器。

进一步的，所述上浮体上分布有多个所述上推进涵道，多个所述上推进涵道布置在所述上浮体的中部区域，多个所述上推进涵道绕所述上浮体的中心线均匀分布。

进一步的，所述上推进涵道由下至上倾斜朝向所述上浮体的中心线方向倾斜。

进一步的，所述下浮体的两端部分别设置有所述下推进涵道，所述下浮体上两端部的所述下推进涵道对称布置。

进一步的，所述下推进涵道由所述下浮体的端部朝向外侧倾斜延伸。

进一步的，所述下推进涵道的进口布置在所述下浮体的内侧，所述下推进涵道的出口布置在所述下浮体的外侧。

进一步的，所述上浮体和下浮体的沿宽度方向的纵截面为椭圆形，所述上浮体形成的椭圆形的长轴横向布置，所述下浮体形成的椭圆形的长轴纵向布置。

进一步的，所述上浮体和下浮体分别包括两个壳体，所述壳体的内表面形成安装凹槽，两个所述壳体连接在一起，两个所述安装凹槽之间形成安装腔体，所述安装舱位于所述安装腔体中。

进一步的，其中一所述三角架的两底角分别设置有配重块。

进一步的，所述三角架上还设置有多个辅助支架。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：通过采用连接架将两个三角架连接在一起形成框架组件，利用连接架来安装三个浮体以形成三体船结构，另外，连接架进一步的用于安装所需数量的安装舱，以在对应的安装舱中安装相应的仪器以满足水下探测等操作的要求，更重要的是，浮体中形成推进涵道，推进器布置在对应的推进涵道中，使得浮体整体流线型更为完整进而提高水动力性能；另外，横向和竖向布置的推进涵道，使得三体水下机器人具有全自由度灵巧控制，并且配合外部流线型设计，使得在悬停作业时的整体悬浮稳定性进一步的提高，实现提高三体水下机器人的整体悬浮稳定性同时提高其灵活机动性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明三体水下机器人实施例的立体图；

图2为本发明三体水下机器人实施例的主视图；

图3为本发明三体水下机器人实施例的俯视图；

图4为本发明三体水下机器人实施例中去掉上浮体和下浮体的局部结构示意图；

图5为本发明三体水下机器人实施例中推进器与框架组件的组装图；

图6为图4中A区域的局部放大示意图；

图7为图4中B区域的局部放大示意图；

图8为图4中C区域的局部放大示意图；

图9为图4中D区域的局部放大示意图；

图10为图2中E-E向剖视图；

图11为图2中F-F向剖视图；

图12为图2中G-G向剖视图；

图13为图3中H-H向剖视图；

图14为本发明三体水下机器人实施例中上浮体的结构示意图；

图15为图14中J-J向剖视图。

附图标记：

框架组件1；

三角架11、连接架12、辅助支架13；

舱体组件2；

安装舱21；

驱动组件3；

上浮体31、下浮体32、推进器33；

壳体300、安装凹槽301、安装腔体302、上推进涵道311、安装槽312、下推进涵道321；

摄像机4、照明灯5、声呐6、配重块7。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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-图15所示，本实施例三体水下机器人，包括框架组件1、舱体组件2和驱动组件3；框架组件1包括两个三角架11和连接架12，两个三角架11相对布置，两个三角架11的对应角部之间设置有连接架12；

舱体组件2包括多个安装舱21，每个连接架12上设置有至少一个安装舱21，安装舱21沿连接架12的长度方向延伸布置；

驱动组件3包括上浮体31、两个下浮体32和多个推进器33，上浮体31上设置有上推进涵道311，上推进涵道311竖向布置，上浮体31包裹在位于三角架11顶角处的安装舱21的外部；下浮体32上设置有下推进涵道321，下推进涵道321横向布置，下浮体32包裹在位于三角架11底角处的安装舱21的外部，上推进涵道311和下推进涵道321中分别设置有推进器33。

具体而言，三体水下机器人整体配置有三个浮体，并且，三个浮体呈三角形分布布置以形成三体结构，浮体整体外包裹在安装舱21的外部，浮体整体呈流线型设计，进而使得三体水下机器人整体结构更加满足流体顺畅流动的要求，以提升整体的水动力性能。

其中，在实际使用过程中，针对各个安装舱21，则可以根据实际使用时的功能需求在安装舱21中配置相对应的功能部件。举例说明：安装舱21中可以设置有蓄电池、控制器等需要密封安装的器件。有关安装舱21中所设置的功能部件的种类，在此不做限制和赘述。

另外，为了安装其他需要暴露在外的器件，还可以在三角架11上还设置有多个辅助支架13。

具体的，对于三角架11而言，可以在三角架11的边上对应的设置辅助支架13，利用辅助支架13可以安装相对应的器件。例如：为了满足水面下探测的要求，通常需要配置摄像机4和照明灯5，摄像机4和照明灯5便可以安装在对应的辅助支架13上。

相对应的，三体水下机器人在水下行驶过程中，通常配置有声呐6，声呐6则可以安装在三角架11顶角之间的连接架12上，以使得声呐6布置在顶部。相对应的，位于顶部的上浮体31为了满足声呐6内嵌安装的要求，则可以在上浮体31上设置有安装槽312，而声呐6则可以至少部分内置在安装槽312中，以减少声呐6暴露的体积，进而最大限度的使得三体水下机器人的上浮体31流线型保持最大化的完整性。

进一步的，上浮体31上分布有多个上推进涵道311，多个上推进涵道311布置在上浮体31的中部区域，多个上推进涵道311绕上浮体31的中心线均匀分布。

具体的，上浮体31上分布有多个上推进涵道311，上推进涵道311中设置的推进器33能够相互协同来调节三体水下机器人的姿态，其中，顶部配置的多个上推进涵道311，通过各个推进器33可以保证悬浮稳定性和垂荡方向的运动。

其中，上推进涵道311由下至上倾斜朝向上浮体31的中心线方向倾斜。具体的，可以在上浮体31上绕其中心线分布有四个上推进涵道311，四个上推进涵道311由于均倾斜朝向上浮体31的中心线方向倾斜。在上推进涵道311中的推进器33启动后，将产生倾斜朝上的推进力。而在实际使用过程中，通过调节不同推进器33动作，便可以进行横摇、纵摇、垂荡三个自由度方向的调节。

如图5所示，对于上浮体31的上的四个推进器33分布在a、b、c、d四个位置处。当四个推进器33都朝同一个方向进行推进，机器人将在垂荡自由度方向上下运动，机器人表现为下降运动。

当上浮体31的两侧的推进器33推进方向相互反向时，例如：a和b位置处的两个推进方向正转，c和d位置处的两个推进方向反转，机器人将在横摇自由度方向运动，机器人表现为顺时针或逆时针横滚。

当上浮体31的两端部的推进器33推进方向相互反向时，例如：a和c位置处部的两个推进方向正转，b和d位置处的两个推进方向反转，机器人将在纵摇自由度方向运动，机器人表现为抬头或者沉头运动。

在实际使用过程中，当三体水下机器人需要在特定位置进行悬停操作时，可以通过四个推进器33进行协同配合，动态的调整三体水下机器人整体姿态，进而调整在艏摇、横荡、纵荡三个自由度方向进行动态的调节，以满足稳定悬浮的要求。与此同时，由于推进器33内置在推进涵道中，可以进一步的减少因推进器33外露受水流影响造成三体水下机器人的姿态不稳定，利用浮体的流线型设计，更好的减少水流对悬停的影响。

又进一步的，下浮体32的两端部分别设置有下推进涵道321，下浮体32上两端部的下推进涵道321对称布置。

具体的，通过在下浮体32中对称布置有两个下推进涵道321，使得三体水下机器人在底部四角位置分别配置有对应的推进器33，这样，在水下行驶过程中，能够启动不同角部位置处的推进器33，便可以实现三体水下机器人在水下前进、后退以及正反360度的自由转动，这样，便可以保证机器人的艏摇、横荡、纵荡三个自由度方向的运动。

如图5所示，两个下浮体32两端部配置的四个推进器33分布在四角位置处（e、f、g、h四个位置），g和e两个位置处的推进器33为正方向推进，h和f两个位置处的推进器33为反方向推进，机器人将在纵荡自由度方向上运动，机器人表现为前进或后退运动。

当g和h两个位置处的推进器33为正方向推进，e和f两个位置处的推进器33为反方向推进，机器人将在横荡自由度方向运动，机器人表现向左或向右横移；

当g和f两个位置处的推进器33为正方向推进，h和e两个位置处的推进器33为反方向推进，机器人将在艏摇自由度方向运动，机器人表现为顺时针或逆时针旋转运动。

优选地，下推进涵道321由下浮体32的端部朝向外侧倾斜延伸。

进一步的，下推进涵道321的进口布置在下浮体32的内侧，下推进涵道321的出口布置在下浮体32的外侧。

再进一步的，上浮体31和下浮体32的沿宽度方向的纵截面为椭圆形，上浮体31形成的椭圆形的长轴是横向布置的，下浮体32形成的椭圆形的长轴是纵向布置的。

具体的，对于上浮体31和下浮体32而言，整体为扁平结构，扁平结构的宽度方向横截面为椭圆形，扁平结构的长度方向的外表面为圆弧流线型表面。其中，对于上浮体31而言，其整体水平布置，以利用其扁平结构的表面起到良好的上下浮动支撑作用。而对于下浮体32而言，整体侧立布置，进而利用下浮体32进一步的起到导流航行的作用。

上浮体31与下浮体32在主视图角度呈现为椭圆球形设计，以实现对三体水下机器人水动力数值计算更为友好，其数值计算结果会更加准确，有助于建立精准的水动力模型。另外，椭圆球形设计的旋转阻尼较小，当机器人在横摇方向提供主动控制时（横滚），将削弱阻尼对机器人的影响，而阻尼为非线性参数，在控制方面对带来一定的麻烦，削弱了此项的影响将提升机器人的控制精度，有利于提升机器人的悬浮能力。

从三体机器人主视图与俯视图可以看出，三体水下机器人在纵荡方向上的水动力外壳采用了流线型设计（整体为扁平结构，扁平结构的宽度方向横截面为椭圆形）。三体水下机器人的主行进方向为纵荡方向，流线性外壳的设计将大大减少行进方向的水阻力。

优选地，两个下浮体32整体侧立且由下至上朝外倾斜布置，配合上推进涵道311由上至下朝外倾斜布置的结构，在悬停过程中，上推进涵道311中的推进器33启动后，从上推进涵道311中输出的水流大部分流到对应侧的下浮体32的外侧，而部分从上推进涵道311中输出的水流能冲击到下浮体32的内侧面并经由下浮体32的内侧面导向朝向两个下浮体32之间的区域向下流动。这样，水流经由下浮体32导向分流后，一方面下浮体32外侧流动的水流确保三体水下机器人具有足够的下推力以维持其悬浮，另一方面下浮体32内侧流动的水流确保三体水下机器人在设定位置处具有较好的居中稳定性，进而更有利于提高三体水下机器人的整体悬浮稳定性。

另外，为了方便根据不同使用功能需求来调节三体水下机器人的浮心和重心位置，其中一三角架11的两底角分别设置有配重块7。

具体的，在实际使用过程中，根据使用要求，安装舱21以及辅助支架13上安装有不同的功能器件，这样，便会导致不同使用要求下，三体水下机器人的重量分布不均衡。此时，则可以根据框架组件1上不同部件的分布情况，来对应的调节配重块7的重量，进而调节三体水下机器人的重量分布，最大限度的使得质心与浮心靠近。

通过配置配重块来调节三体水下机器人的重量分布，使得三体水下机器人在悬浮状态下，减少推进涵道中推进器33的启动频率，进而降低使用过程中的能耗。

另外，机器人能够更加灵活的进行升浮转向，进而在水下能够更加灵活的航行。

基于上述技术方案，可选的，为了方便安装，上浮体31和下浮体32分别包括两个壳体300，壳体300的内表面形成安装凹槽301，两个壳体300连接在一起，两个安装凹槽301之间形成安装腔体302，安装舱21位于安装腔体302中。

具体的，上浮体31和下浮体32均采用分体式设计，在实际组装过程中，以上浮体31为例，三角架11顶部配置的连接架12上组装好安装舱21和相关功能器件后，便可以将上浮体31安装在连接架12上。两个壳体300对应的从上下两个方向连接在一起，进而将连接架12上的安装舱21包裹在内。相对应的，需要外露的器件则布置在安装槽312中。

由于壳体300的内壁形成安装凹槽301，利用安装凹槽301来容纳安装舱21。一方面壳体300形成安装凹槽301能够有效的容纳安装舱21，另一方面壳体300能够更好地与内部的安装舱21与贴合在一起，以提高安装可靠性。

对于壳体300而言，为了提高其使用可靠性，壳体300采用常规具有漂浮功能的浮体材料，例如：可以采用PVC发泡材料制成，并在其表面设置防水弹性包覆材料，而防水弹性包覆材料可以采用喷涂聚脲的方式在壳体300外形成防水弹性包覆层，以提高其强度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：通过采用连接架将两个三角架连接在一起形成框架组件，利用连接架来安装三个浮体以形成三体船结构，另外，连接架进一步的用于安装所需数量的安装舱，以在对应的安装舱中安装相应的仪器以满足水下探测等操作的要求，更重要的是，浮体中形成推进涵道，推进器布置在对应的推进涵道中，使得浮体整体流线型更为完整进而提高水动力性能；另外，横向和竖向布置的推进涵道，使得三体水下机器人具有全自由度灵巧控制，并且配合外部流线型设计，使得在悬停作业时的整体悬浮稳定性进一步的提高，实现提高三体水下机器人的整体悬浮稳定性同时提高其灵活机动性。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种三体水下机器人，其特征在于，包括框架组件、舱体组件和驱动组件；所述框架组件包括两个三角架和连接架，两个所述三角架相对布置，两个所述三角架的对应角部之间设置有所述连接架；

所述舱体组件包括多个安装舱，每个所述连接架上设置有至少一个所述安装舱，所述安装舱沿所述连接架的长度方向布置；

所述驱动组件包括上浮体、两个下浮体和多个推进器，所述上浮体上设置有上推进涵道，所述上推进涵道竖向布置，所述上浮体包裹在位于所述三角架顶角处的所述安装舱的外部；所述下浮体上设置有下推进涵道，所述下推进涵道横向布置，所述下浮体包裹在位于所述三角架底角处的所述安装舱的外部，所述上推进涵道和所述下推进涵道中分别设置有所述推进器。

2.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，所述上浮体上分布有多个所述上推进涵道，多个所述上推进涵道布置在所述上浮体的中部区域，多个所述上推进涵道绕所述上浮体的中心线均匀分布。

3.根据权利要求2所述的三体水下机器人，其特征在于，所述上推进涵道由下至上倾斜朝向所述上浮体的中心线方向倾斜。

4.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，所述下浮体的两端部分别设置有所述下推进涵道，所述下浮体上两端部的所述下推进涵道对称布置。

5.根据权利要求4所述的三体水下机器人，其特征在于，所述下推进涵道由所述下浮体的端部朝向外侧倾斜延伸。

6.根据权利要求5所述的三体水下机器人，其特征在于，所述下推进涵道的进口布置在所述下浮体的内侧，所述下推进涵道的出口布置在所述下浮体的外侧。

7.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，所述上浮体和下浮体的沿宽度方向的纵截面为椭圆形，所述上浮体形成的椭圆形的长轴横向布置，所述下浮体形成的椭圆形的长轴纵向布置。

8.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，所述上浮体和下浮体分别包括两个壳体，所述壳体的内表面形成安装凹槽，两个所述壳体连接在一起，两个所述安装凹槽之间形成安装腔体，所述安装舱位于所述安装腔体中。

9.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，其中一所述三角架的两底角分别设置有配重块。

10.根据权利要求1所述的三体水下机器人，其特征在于，所述三角架上还设置有多个辅助支架。

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