CN115285325A - 一种防撞水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防撞水下机器人，包括：机体，以及连接在机体头部的动力螺旋桨、声呐探测仪和连接在机体尾部的平衡转向螺旋桨，所述动力螺旋桨的轴线与所述平衡转向螺旋桨的轴线相互垂直设置；所述机体包括柔性防撞单元和电子元件单元，所述电子元件单元与所述声呐探测仪信号连接，且与所述动力螺旋桨、平衡转向螺旋桨和柔性防撞单元控制连接。本发明能对电子元件单元中重要零部件提供包裹性防撞保护并且具有快速止动减速的功能。在运行时，当水下机器人面对撞击情况时，柔性防撞单元撑开成最大阻水状态，以实现快速止动降速。在止动降速后通过平衡转向螺旋桨调整机位，柔性防撞单元收回保护电子元件单元，以达到防撞的效果。

Description

一种防撞水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是涉及一种防撞水下机器人。

背景技术

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业水下机器人。现今人们对海洋资源的探索开发逐渐增加，水下机器人在石油开发、地貌勘察、科研、水产养殖、水下船体检修清洁、潜水娱乐、城市管道检测等领域的作用开始显现出来，它可以在高度危险环境代替人工在水下长时间作业，水下机器人已成为海洋开发的重要工具。然而水下机器人作业期间会遇到较多突发情况，如海洋生物攻击，礁石碰撞等，这些情况会对水下机器人的核心零部件会造成较大的冲击，甚至直接导致水下机器人完全损毁，因此，本领域需要一种具有防撞功能的水下机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了防撞水下机器人，该防撞水下机器人能够对水下机器人的重要零部件进行包裹性防撞保护，且能够实现水下机器人快速制动减速的功能，达到了良好的防撞效果。

本发明提供了一种防撞水下机器人，包括：机体，以及连接在所述机体头部的动力螺旋桨、声呐探测仪和连接在所述机体尾部的平衡转向螺旋桨，所述动力螺旋桨的轴线与所述平衡转向螺旋桨的轴线相互垂直设置；所述机体包括柔性防撞单元和电子元件单元，所述电子元件单元与所述声呐探测仪信号连接，且与所述动力螺旋桨、平衡转向螺旋桨和柔性防撞单元控制连接。

进一步地，所述柔性防撞单元设置在所述动力螺旋桨与所述电子元件单元之间，所述柔性防撞单元包括：第一固定板、硬骨架、限位圈、柔性外膜、圆形滑片、丝杆、第二固定板和步进电机；所述第一固定板、所述限位圈和所述第二固定板依次平行设置，且通过连接杆固定连接，所述第一固定板和所述第二固定板的中心均具有通孔，所述丝杆通过所述通孔贯穿所述第一固定板和所述第二固定板，所述圆形滑片的中心具有螺纹孔，所述螺纹孔与所述丝杆相啮合，所述圆形滑片的外径小于所述限位圈的内径；所述柔性外膜的展开面为圆环形，所述硬骨架具有至少三个，所述硬骨架的一端铰接在所述圆形滑片的外周，所述硬骨架的另一端与所述柔性外膜的外缘相连，所述硬骨架靠近所述圆形滑片一端具有沿长度方向设置的滑槽，所述限位圈与所述硬骨架对应的位置处具有开槽，所述开槽中设置有与所述滑槽滑动配合的限位轴，所述限位圈的外缘与所述柔性外膜的内缘相连；所述步进电机驱动连接所述丝杆，带动所述圆形滑片在所述第一固定板和所述第二固定板之间往复运动，进而带动所述硬骨架和所述柔性外膜收起或撑开。

进一步地，所述硬骨架的长度等于所述柔性外膜外缘半径的长度。

进一步地，所述柔性外膜包括：空腔发泡材料和弹性骨架，所述柔性外膜的表面为所述空腔发泡材料，所述空腔发泡材料通过所述弹性骨架进行支撑固定。

进一步地，所述柔性外膜还具有硅胶，所述硅胶将所述空腔发泡材料和所述弹性骨架一体粘结成型。

进一步地，所述柔性外膜外缘半径的长度不小于所述电子元件单元的长度。

进一步地，所述电子元件单元包括：外壳、控制器、通信模块和舵机，所述控制器、所述通信模块和所述舵机均安装在所述外壳中，所述通信模块与所述控制器信号连接，所述舵机驱动连接所述平衡转向螺旋桨，所述控制器控制连接所述动力螺旋桨、所述步进电机和所述舵机。

进一步地，所述外壳中还安装有电池，所述控制器为STM32控制器。

进一步地，所述第一固定板通过连接件与所述动力螺旋桨相连，所述第一固定板和连接件均为中间镂空结构。

进一步地，还包括摄像头，所述摄像头安装在所述平衡转向螺旋桨远离所述电子元件单元的一侧，且所述摄像头与所述电子元件单元信号连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能对重要零部件提供包裹性防撞保护并且具有快速止动减速的功能，而不仅仅是运行方向的单一保护范围的防撞；同时在正常运行状态下，也能防御海洋生物的袭击。

附图说明

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

图1为本发明实施例防撞水下机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例柔性防撞单元的结构示意图；

图3为本发明实施例电子元件单元的结构示意图；

图4为本发明实施例柔性外膜的剖视图；

图5为本发明实施例快速止动状态的结构示意图；

图6为本发明实施例竖直悬浮观察状态的结构示意图；

图7为本发明实施例快速下潜状态的结构示意图。

附图标记说明：

1、空腔发泡材料；2、弹性骨架；3、硅胶；4、动力螺旋桨；5、连接件；6、声呐探测仪；7、第一固定板；8、硬骨架；9、限位圈；10、柔性外膜；11、圆形滑片；12、丝杆；13、第二固定板；14、步进电机；15、外壳；16、控制器；17、通信模块；18、电池；19、舵机；20、平衡转向螺旋桨；21、摄像头。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种防撞水下机器人，包括：机体，以及连接在机体头部的动力螺旋桨4、声呐探测仪6和连接在机体尾部的平衡转向螺旋桨20。动力螺旋桨4的轴线与平衡转向螺旋桨20的轴线相互垂直设置。动力螺旋桨4起到驱动水下机器人前进的作用，平衡转向螺旋桨20起到驱动水下机器人进行转向的作用。

机体包括柔性防撞单元和电子元件单元，电子元件单元与声呐探测仪6信号连接，且与动力螺旋桨4、平衡转向螺旋桨20和柔性防撞单元控制连接。声呐探测仪6通过声呐信号感应水下机器人与前方障碍物之间的距离，当发现前方有障碍物可能会导致碰撞时，柔性防撞单元会撑开成最大阻水状态，以实现快速止动降速。在止动降速后通过平衡转向螺旋桨调整水下机器人的位置，使水下机器人的侧面与障碍物相撞，同时柔性防撞单元收回保护电子元件单元，以缓冲侧面撞击造成的伤害，从而达到防撞的效果。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，柔性防撞单元设置在动力螺旋桨4与电子元件单元之间。柔性防撞单元包括：第一固定板7、硬骨架8、限位圈9、柔性外膜10、圆形滑片11、丝杆12、第二固定板13和步进电机14。第一固定板7、限位圈9和第二固定板13依次平行设置，且通过连接杆固定连接，通过固定连接使第一固定板7、限位圈9和第二固定板13之间的相对位置固定。在一个优选的实施例中，限位圈9可以位于第一固定板7和第二固定板13之间，且第一固定板7和第二固定板13之间的距离应该足够长，以使硬骨架8在收起时能够充分收拢。

第一固定板7和第二固定板13的中心均具有通孔，丝杆12通过通孔贯穿第一固定板7和第二固定板13，圆形滑片11的中心具有螺纹孔，螺纹孔与丝杆12相啮合，圆形滑片11的外径小于限位圈9的内径，因此，圆形滑片11可以在第一固定板7和第二固定板13之间的丝杆12上往复运动。

柔性外膜10的展开面为圆环形，硬骨架8具有四个，硬骨架8的一端铰接在圆形滑片11的外周，且在圆形滑片11的外周均匀布置，硬骨架8的另一端与柔性外膜10的外缘相连，硬骨架8靠近圆形滑片11一端具有沿长度方向设置的滑槽，限位圈9与硬骨架8对应的位置处具有开槽，开槽中设置有与滑槽滑动配合的限位轴，限位圈9的外缘与柔性外膜10的内缘相连。硬骨架8穿过开槽，通过滑槽安装在限位轴，可以在圆形滑片11往复运动的过程中，始终绕限位轴转动，实现柔性外膜10的撑开或者回收，可以理解地，这里的滑槽应该足够长，以保证圆形滑片11能够与第一固定板7或者第二固定板13相抵。

具体工作时，步进电机14驱动连接丝杆12，带动圆形滑片11在第一固定板7和第二固定板13之间往复运动，进而带动硬骨架8和柔性外膜10收起或撑开。

在本发明一个优选的实施例中，硬骨架8的长度等于柔性外膜10外缘半径的长度。这种长度设置可以在柔性外膜10收起时，在电子元件单元的外周形成弹性隆起，能够起到更好的缓冲碰撞，保护电子元件单元的效果。同时，此时机身成流线形态，可以减小水阻。可以理解地，在柔性外膜10的弹性限度范围内，柔性外膜10外缘半径的长度还可以适当地进一步加长。

如图4所示，在本发明一个优选的实施例中，柔性外膜10包括空腔发泡材料1和弹性骨架2，柔性外膜10的表面为空腔发泡材料1，空腔发泡材料1通过弹性骨架2进行支撑固定。优选的，柔性外膜10还具有硅胶3，硅胶3将空腔发泡材料1和弹性骨架2一体粘结成型。空腔发泡材料1内部有大量的微孔和间隙，而且这些微孔尽可能细小并在材料内部是均匀分布，材料内部的微孔互相贯通，而非密闭，微孔向外敞开，使声波易于进入微孔内，达到减少声呐反射的目的，提高在执行任务时的隐蔽性。为了保证柔性外膜10能够尽可能完全包裹住电子元件单元，柔性外膜10外缘半径的长度不小于电子元件单元的长度。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，电子元件单元包括外壳15、控制器16、通信模块17和舵机19，控制器16、通信模块17和舵机19均安装在外壳15中，通信模块17与控制器16信号连接，舵机19驱动连接平衡转向螺旋桨20，控制器16控制连接动力螺旋桨4、步进电机14和舵机19，进而实现对水下机器人的前进、转向、制动和防撞功能的控制。优选的，外壳15中还安装有电池18，电池18负责给水下机器人中的控制器16、通信模块17、舵机19、动力螺旋桨4、平衡转向螺旋桨20等用电器进行供电，优选的，控制器16为STM32控制器。

在本发明一个优选的实施例中，第一固定板7通过连接件5与动力螺旋桨4相连，第一固定板7和连接件5均为中间镂空结构。镂空设计能够起到良好的通水效果，使动力螺旋桨4转动向后排出的水能够顺畅地流出。

在本发明一个优选的实施例中，还包括摄像头21，摄像头21安装在平衡转向螺旋桨20远离电子元件单元的一侧，且摄像头21与电子元件单元信号连接。摄像头21主要用于对水下环境的观察，既可以用于拍摄水下环境录像照片，也可以用作感应器，应对从水下机器人后侧过来的外物碰撞或者水底动物的袭击。

如图5所示，在本发明的一个具体的实施例中，在水下机器人正常航行过程中，声呐探测仪6处于工作状态，通过对声呐的发出与接受感受地形与障碍，同时尾部的摄像头21能够进行识别与观察。在声呐探测仪6探测到前方有障碍且不能通过时，进入快速止动状态，步进电机14转动，驱动丝杆12转动，带动圆形滑片11移动至与限位圈9处于同一平面的状态，在限位圈9的限定下硬骨架8此时得到最大展开，硬骨架8上的柔性外膜10与弹性骨架2得到最大伸展，此时对水的阻抗面积最大。同时在硬骨架8带动柔性外膜10回拨伸展的过程中，推动水流形成一次与前进方向相反的推力，因此水下机器人得以快速止动。进一步的，如果在快速止动后水下机器人仍然会撞向障碍物，此时步进电机14转动，驱动丝杆12转动，使得圆形滑片11向水下机器人头部靠近，回收硬骨架8，带动柔性外膜10及弹性骨架2包裹电子元件结构，形成初始状态，平衡转向螺旋桨20工作，调整水下机器人机体的方向，使得机体侧面与障碍物碰撞，通过初始状态下的弹性骨架2缓冲撞击的力度。

如图6所示，在本发明的一个具体的实施例中，水下机器人从初始状态进入竖直悬浮观察状态，通过控制器16控制平衡转向螺旋桨20停止工作，动力螺旋桨4继续工作，此时水下机器人尾部没有上浮的动力，由于电子元件结构多位于尾端，所以尾端重量更大开始下沉，形成竖直状态；同时步进电机14转动，驱动丝杆12转动，使得圆形滑片11移动至与限位圈9处于同一平面的状态，在限位圈9的限定下硬骨架8此时得到最大展开，硬骨架8上的柔性外膜10与弹性骨架2得到最大伸展，此时对水的阻抗面积最大；通过圆形滑片11在限位圈9平面上下短距离重复移动，带动硬骨架8带动柔性外膜10及弹性骨架2上下波动，通过柔性外膜10拨水与动力螺旋桨4的配合使得水下机器人能在固定深度保持稳定，以便于位于尾部的摄像头21进行观察。

如图7所示，在本发明的一个具体的实施例中，水下机器人从竖直悬浮观察状态进入快速下潜状态，通过控制器16控制平衡转向螺旋桨20工作以调整水下机器人倾斜角度，动力螺旋桨4继续工作，同时步进电机14转动，驱动丝杆12转动，驱动圆形滑片11移动至与第二固定板13相抵，在限位圈9的限定下硬骨架8此时收缩包裹动力螺旋桨4，此时快速下潜，柔性外膜10对水的阻抗面积最小，通过快速下潜躲避来自水面上的声呐或视觉探查，提高水下机器人的隐蔽性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种防撞水下机器人，其特征在于，包括：机体，以及连接在所述机体头部的动力螺旋桨(4)、声呐探测仪(6)和连接在所述机体尾部的平衡转向螺旋桨(20)，所述动力螺旋桨(4)的轴线与所述平衡转向螺旋桨(20)的轴线相互垂直设置；

所述机体包括柔性防撞单元和电子元件单元，所述电子元件单元与所述声呐探测仪(6)信号连接，且与所述动力螺旋桨(4)、平衡转向螺旋桨(20)和柔性防撞单元控制连接。

2.根据权利要求1所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述柔性防撞单元设置在所述动力螺旋桨(4)与所述电子元件单元之间，所述柔性防撞单元包括第一固定板(7)、硬骨架(8)、限位圈(9)、柔性外膜(10)、圆形滑片(11)、丝杆(12)、第二固定板(13)和步进电机(14)；

所述第一固定板(7)、所述限位圈(9)和所述第二固定板(13)依次平行设置，且通过连接杆固定连接，所述第一固定板(7)和所述第二固定板(13)的中心均具有通孔，所述丝杆(12)通过所述通孔贯穿所述第一固定板(7)和所述第二固定板(13)，所述圆形滑片(11)的中心具有螺纹孔，所述螺纹孔与所述丝杆(12)相啮合，所述圆形滑片(11)的外径小于所述限位圈(9)的内径；

所述柔性外膜(10)的展开面为圆环形，所述硬骨架(8)具有至少三个，所述硬骨架(8)的一端铰接在所述圆形滑片(11)的外周，所述硬骨架(8)的另一端与所述柔性外膜(10)的外缘相连，所述硬骨架(8)靠近所述圆形滑片(11)一端具有沿长度方向设置的滑槽，所述限位圈(9)与所述硬骨架(8)对应的位置处具有开槽，所述开槽中设置有与所述滑槽滑动配合的限位轴，所述限位圈(9)的外缘与所述柔性外膜(10)的内缘相连；

所述步进电机(14)驱动连接所述丝杆(12)，带动所述圆形滑片(11)在所述第一固定板(7)和所述第二固定板(13)之间往复运动，进而带动所述硬骨架(8)和所述柔性外膜(10)收起或撑开。

3.根据权利要求2所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述硬骨架(8)的长度等于所述柔性外膜(10)外缘半径的长度。

4.根据权利要求2所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述柔性外膜(10)包括：空腔发泡材料(1)和弹性骨架(2)，所述柔性外膜(10)的表面为所述空腔发泡材料(1)，所述空腔发泡材料(1)通过所述弹性骨架(2)进行支撑固定。

5.根据权利要求4所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述柔性外膜(10)还具有硅胶(3)，所述硅胶(3)将所述空腔发泡材料(1)和弹性骨架(2)一体粘结成型。

6.根据权利要求2所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述柔性外膜(10)外缘半径的长度不小于所述电子元件单元的长度。

7.根据权利要求2所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述电子元件单元包括：外壳(15)、控制器(16)、通信模块(17)和舵机(19)，所述控制器(16)、所述通信模块(17)和所述舵机(19)均安装在所述外壳(15)中，所述通信模块(17)与所述控制器(16)信号连接，所述舵机(19)驱动连接所述平衡转向螺旋桨(20)，所述控制器(16)控制连接所述动力螺旋桨(4)、所述步进电机(14)和所述舵机(19)。

8.根据权利要求7所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述外壳(15)中还安装有电池(18)，所述控制器(16)为STM32控制器。

9.根据权利要求2所述的防撞水下机器人，其特征在于，所述第一固定板(7)通过连接件(5)与所述动力螺旋桨(4)相连，所述第一固定板(7)和所述连接件(5)均为中间镂空结构。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的防撞水下机器人，其特征在于，还包括摄像头(21)，所述摄像头(21)安装在所述平衡转向螺旋桨(20)远离所述电子元件单元的一侧，且所述摄像头(21)与所述电子元件单元信号连接。

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