CN116062138A - 一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人。包括底座和安装在底座上的浮力块、快速对接模块、水下舵机、控制舱、水下灯和螺旋桨；控制舱设置在底座中部，浮力块和水下灯均以控制舱为中心对称分布在控制舱的两侧，四个水下舵机均布地固定在底座的四周，且每个水下舵机均连接有一个螺旋桨，通过调整螺旋桨的螺旋方向控制水下机器人的运动方向；底座的顶端面或底端面的边缘处间隔设置有多个用于连接重心调整模块的快速对接模块，通过连接重心调整模块自动调整水下机器人的重心。本发明便捷灵活，通过功能模块的增添和更改可以适应不同的需求和场景。

Description

一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人

技术领域

本发明涉及了机器人领域的一种模块式水下机器人，尤其涉及一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人。

背景技术

近年来，大坝事故造成的巨大危害引起了社会对大坝安全监测的重视，大坝安全监测技术已发展成为一门新兴的技术学科和工程专业，是关系到社会公共安全的一项系统工程。涉及的领域在不断扩大，包括设计、施工、运行管理、工程验收、现场检查、仪器监测、环保、地震、养护维修、除险加固、计算机、自动化、预报预警、紧急行动计划等。

检测与评估水工设备由于自然或人为的因素所出现的损伤，是定期检查中的重点内容。水工设施的常规检测方法有超声脉冲检测法，钻孔取芯法，水下成像检测法和反射波法等。水下成像技术除了普通的光学成像外还有声成像技术，微光成像技术和激光成像技术等。将检测设备送到待检测区域需要对水库预先放空，但高坝一般不具备放空条件，需要进行水下作业。目前水下作业主要依靠潜水员，也可以在船上通过缆线吊放检测设备，或者将检测设备安装在水下移动机器人上带到检测区域。水下机器人相比于潜水员和线缆吊放具有人员安全风险小、运动灵活、工作时间长、效率高等一系列优点。

目前针对于水下坝体维修的机器人基本上都是基于固定的螺旋桨以及一体式设计，而在矢量推进方面目前现有的基本都是应用6个以上固定螺旋桨的方式实现水下机器人整体各个自由度的实现，这样的方式直接导致机器人整体结构的复杂化，不论是质量和体积都很难做小，整体设计出来的机器人会非常的笨重，并且难以适应不同的工况需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人。该机器人通过四个带舵机的螺旋桨改变螺旋桨的推力方向使得机器人本体在各个轴都能获得推力和扭矩，从而实现各种姿态下的运动控制，大大提高了机器人的空间利用率。通过快接接头安装不同的功能模块，通过增添和更改功能模块以适应不同的需求和场景，使得本发明便捷灵活。

本发明采用的技术方案是：

机器人包括底座和安装在底座上的浮力块、快速对接模块、水下舵机、控制舱、水下灯、螺旋桨；所述控制舱设置在底座中部，多个所述浮力块和多个所述水下灯均以控制舱为中心对称分布地固定安装在控制舱的两侧，四个所述水下舵机均布地固定在底座的四周，且每个水下舵机均连接有一个螺旋桨，通过调整螺旋桨的螺旋方向控制水下机器人的运动方向；所述底座的顶端面或底端面的边缘处间隔设置有多个用于连接重心调整模块的快速对接模块，通过重心调整模块自动调整水下机器人的重心。

均布在底座一端的两个螺旋桨的中轴均在水平平面内转动，且均布在底座另一端的两个螺旋桨的中轴均在竖直平面内转动，且每个螺旋桨的中轴在各自转动平面内的转动角度范围均为0-180°。

所述快速对接模块主要由卡钩、限位环和母座组成；所述母座固定安装在机器人的底座上，且母座远离底座的一端开设有与重心调整模块的对接接头契合的对接槽，所述母座的端面上位于对接槽的四周均布地铰接有多个卡钩，所述母座外侧活动套装有限位环，且限位环也套装在卡钩外侧，所述限位环电连接有控制舵机。

所述对接接头的侧面间隔加工有多个圆弧凸起，且卡钩与对接接头接触的表面加工有多个与对接接头的圆弧凸起相配合的圆弧凹面。

所述控制舱内设置有控制器，所述控制器与水下舵机和水下灯电连接，且控制器通过快速对接模块与重心调整模块电连接，且控制器与控制舵机电连接。

所述重心调整模块采用第一重心调整模块或者第二重心调整模块。

所述第一重心调整模块主要由重物块、永磁铁、电磁铁、第一底板、第一中板、第一顶板和对接接口组成；所述第一顶板、第一中板和第一底板自上而下依次间隔设置，多个所述电磁铁设置在第一底板和第一中板之间，且多个所述电磁铁在第一底板上形成网格状的电磁铁阵列，所述第一中板固定在电磁铁阵列的端面上，且第一中板与第一底板平行正对地设置，多个所述重物块分别活动套装在多个永磁铁外侧后设置在第一中板和第一顶板之间，且多个套装在永磁铁外侧的重物块随着永磁铁在第一中板上移动，所述第一顶板的端面上固定安装有用于连接机器人的对接接口；所述第一中板的顶端面开设有多个通孔，且每个通孔下方正对着一个电磁铁形成磁性限位槽，各个电磁铁通电后与永磁铁之间产生磁引力或者磁斥力，控制套装在永磁铁外侧的重物块在第一中板上进行移动，同时使得电磁铁通过将永磁铁吸入或顶出磁性限位槽对重物块进行限位控制。

所述第二重心调整模块主要由第二顶板、第二底板、第二连接柱和磁轮小车组成；所述第二顶板和第二底板通过第二连接柱自上而下间隔设置，在第二顶板和第二底板之间形成空腔，所述磁轮小车在第二顶板端面上的空腔内移动。

所述第二底板的四个边均设置有一个侧面挡板，四个所述第二连接柱竖直固定在第二底板的四个角。

所述第二底板与磁轮小车之间通过磁力相互吸引，以增加磁轮小车与第二底板之间的摩擦。

本发明的有益效果是：

1.本发明基于矢量推进的小型水下推进器可以通过对水下舵机的控制直接调节螺旋桨的角度，通过四个螺旋桨的不同角度完成机器人整体方向和姿态的调整，通过螺旋桨转速的调节实现机器人行进速度的控制。

2.本发明通过四个螺旋桨之间的相互配合和调节保证了机器人整体可以具有完整的六个自由度，而模块化设计可以根据不同场合需要，增加对应工作模块，以此增加机器人的普适性。

3.通过快接接头安装不同的功能模块，例如底盘模块、重心调整模块、机械抓取模块等；其中，底盘模块在机器人需要贴壁行驶时安装，机械抓取模块在机器人需要水下作业时安装，重心调整模块用于平衡重力。通过不同的功能模块使得本发明便捷灵活能够适应不同的需求和场景。

附图说明

图1为本发明水下机器人的整体结构示意图；

图2为本发明水下机器人的俯视图；

图3为本发明第一重心调整模块的主视图；

图4为本发明第一重心调整模块的局部示意图；

图5为本发明第一重心调整模块的俯视图；

图6为本发明第二重心调整模块的主视图；

图7为本发明第二重心调整模块的俯视图；

图8为本发明快接接口的示意图。

图中所示：1-浮力块；2-快速对接模块；3-水下舵机；4-控制舱；5-水下灯；6-螺旋桨；7-重物块；8-永磁铁；9-电磁铁；10-第一连接柱；11-磁性限位槽；12-轨道；13-第一底板；14-第一中板；15-第一顶板；16-对接接口；17-第二顶板；18-第二底板；19-第二连接柱；20-侧面挡板；21-磁轮小车；22-对接接头；23-卡钩；24-限位环；25-母座25。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，机器人包括底座和安装在底座上的浮力块1、快速对接模块2、水下舵机3、控制舱4、水下灯5、螺旋桨6；控制舱4设置在底座中部，多个浮力块1和多个水下灯5均以控制舱4为中心对称分布地固定安装在控制舱4的两侧，其中，浮力块1用于平衡机体的大部分浮力，其余浮力通过重心调整模块调整。四个水下舵机3均布地固定在底座的四周，且每个水下舵机3均连接有一个螺旋桨6，通过调整螺旋桨6的螺旋方向控制水下机器人的运动方向，使得水下机器人获得全矢量推进，实现水下机器人的位姿调节；底座的顶端面或底端面的边缘处间隔设置有多个用于连接重心调整模块的快速对接模块2，通过连接重心调整模块自动调整水下机器人的重心。水下机器人可以通过快速对接模块2连接其他的功能模块，功能模块的设计可以根据不同场合需要，增加对应的功能模块，以此增加水下机器人的普适性。

均布在底座一端的两个螺旋桨6的中轴均在水平平面内转动，且均布在底座另一端的两个螺旋桨6的中轴均在竖直平面内转动，且每个螺旋桨6的中轴在各自转动平面内的转动角度范围均为0-180°。通过对水下舵机3的控制直接调节螺旋桨6的角度，通过四个螺旋桨6的不同角度完成水下机器人整体方向和姿态的调整，通过对螺旋桨6转速的调节控制水下机器人的行进速度。

具体的，螺旋桨6通过水下舵机3控制推力方向，舵机3转动为螺旋桨6提供一个旋转自由度，图2中前方两个螺旋桨6朝着左右方向的平面转动，后方两个螺旋桨6朝着前后方向的平面转动。保证螺旋桨6可以在各个方向上给机器人提供推力，通过调节各个螺旋桨6的方向完成机器人运动方向的变化，通过螺旋桨6转速的调节对机器人施加大小不同的作用力。四个螺旋桨6的安装位置与竖直平面成一定夹角，为机器人提供整体向前和向后的推力。由于每个舵机3和螺旋桨6都是单独控制，因此可以通过同时差动的方式配合四个螺旋桨6实现对机器人的六个自由度的控制。机器人需要上浮和下沉时，利用舵机3控制螺旋桨6全部朝上即可。

如图8所示，快速对接模块2主要由卡钩23、限位环24和母座25组成；母座25固定安装在机器人的底座上，且母座25远离底座的一端开设有与重心调整模块的对接接头22契合的对接槽，母座25的端面上位于对接槽的四周均布地铰接有多个用于卡住对接接头22的卡钩23，母座25外侧活动套装有限位环24，且限位环24也套装在卡钩23外侧；使得通过调整限位环24沿着母座25外侧的上下移动来控制卡钩23对对接接头22的卡住状态，限位环24电连接有控制舵机。

当重心调整模块需要与快速对接模块2对接时，通过控制舵机调节限位环24向远离卡钩23的方向移动，松开卡钩23，然后将重心调整模块的对接接头22插入母座25的对接槽中，随后控制限位环24恢复原位，使得四个卡钩23闭合包裹住对接接头22。当限位环24恢复原位后，限位环24只受到径向的张力，外力无法强制使限位环24向下移动松开卡钩23，连接安全可靠；当需要分离重心调整模块时，通过舵机驱动限位环24向远离卡钩23的方向移动，松开卡钩23，即可将对接接头22轻易取出。

对接接头22的侧面间隔加工有多个圆弧凸起，且卡钩23与对接接头22接触的表面加工有多个与对接接头22的圆弧凸起相配合的圆弧凹面，使得对接接头22与卡钩23进行连接或分离时不易卡死，操作轻便。

控制舱4内设置有控制器，控制器与水下舵机3和水下灯5电连接，且控制器通过快速对接模块2与重心调整模块电连接，且控制器与控制限位环24的控制舵机电连接。

重心调整模块采用第一重心调整模块或者第二重心调整模块。

如图3、图4和图5所示，第一重心调整模块主要由重物块7、永磁铁8、电磁铁9、第一底板13、第一中板14、第一顶板15和对接接口16组成；第一顶板15、第一中板14和第一底板13自上而下依次间隔设置，多个电磁铁9设置在第一底板13和第一中板14之间，且多个电磁铁9在第一底板13上形成网格状的电磁铁阵列，第一中板14固定在电磁铁阵列的端面上，且第一中板14与第一底板13平行正对地设置，多个重物块7分别活动套装在多个永磁铁8外侧后设置在第一中板14和第一顶板15之间，且多个套装在永磁铁8外侧的重物块7随着永磁铁8在第一中板14上移动，第一顶板15通过第一中板14四周的第一连接柱10固定安装在第一中板14上方，第一顶板15的端面上固定安装有用于连接机器人的对接接口16；第一中板14的顶端面开设有多个通孔，且每个通孔下方正对着一个电磁铁9形成磁性限位槽11，重物块7为两端开通的柱体结构，且重物块7内侧活动套装有永磁铁8，各个电磁铁9通电后与永磁铁8之间产生磁引力或者磁斥力，控制套装在永磁铁8外侧的重物块7在第一中板14上进行移动，同时使得电磁铁9通过将永磁铁8吸入或顶出磁性限位槽11对重物块7进行限位控制。

具体的，当需要调整机器人的重心位置时，控制重物块7下方的电磁铁9反向通电，电磁铁9与永磁铁8产生磁斥力，将永磁铁8推出磁性限位槽11；同时控制重物块7周围的电磁铁9的通电方向以吸引重物块7随着永磁铁8沿着第一中板14上的轨道12向着进行正向通电的电磁铁9运动，具体为：同时控制重物块7前方的电磁铁9正向通电产生吸力，控制重物块7的左边、右边及后方的电磁铁9均反向通电产生斥力，四个电磁铁9对永磁铁8的电磁力合成了一个向前的推力，使得重物块7向前运动；待重物块7到达指定位置后将永磁铁8吸入磁性限位槽11进行限位。如此，可以通过控制多个重物块7在第一中板14上的移动来调整机器人的重心。

如图6和图7所示，第二重心调整模块主要由第二顶板17、第二底板18、第二连接柱19和磁轮小车21组成；第二顶板17和第二底板18通过第二连接柱19自上而下间隔设置，在第二顶板17和第二底板18之间形成空腔，通过遥感控制磁轮小车21在第二顶板17端面上的空腔内移动。第二重心调整模块是通过磁轮小车21在第二顶板17和第二底板18之间的运动来调整重心，具体的，通过小型直流电机驱动磁轮小车21，且通过差速驱动器控制磁轮小车21的转向。

第二底板18的四个边均设置有一个用来限制小车的运动范围的侧面挡板20，四个第二连接柱19竖直固定在第二底板18的四个角。

第二底板18与磁轮小车21之间通过磁力相互吸引，以增加磁轮小车21与第二底板18之间的摩擦。

Claims (10)

1.一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：机器人包括底座和安装在底座上的浮力块(1)、快速对接模块(2)、水下舵机(3)、控制舱(4)、水下灯(5)、螺旋桨(6)；所述控制舱(4)设置在底座中部，多个所述浮力块(1)和多个所述水下灯(5)均以控制舱(4)为中心对称分布地固定安装在控制舱(4)的两侧，四个所述水下舵机(3)均布地固定在底座的四周，且每个水下舵机(3)均连接有一个螺旋桨(6)，通过调整螺旋桨(6)的螺旋方向控制水下机器人的运动方向；所述底座的顶端面或底端面的边缘处间隔设置有多个用于连接重心调整模块的快速对接模块(2)，通过重心调整模块自动调整水下机器人的重心。

2.根据权利要求1所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：均布在底座一端的两个螺旋桨(6)的中轴均在水平平面内转动，且均布在底座另一端的两个螺旋桨(6)的中轴均在竖直平面内转动，且每个螺旋桨(6)的中轴在各自转动平面内的转动角度范围均为0-180°。

3.根据权利要求1所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述快速对接模块(2)主要由卡钩(23)、限位环(24)和母座(25)组成；所述母座(25)固定安装在机器人的底座上，且母座(25)远离底座的一端开设有与重心调整模块的对接接头(22)契合的对接槽，所述母座(25)的端面上位于对接槽的四周均布地铰接有多个卡钩(23)，所述母座(25)外侧活动套装有限位环(24)，且限位环(24)也套装在卡钩(23)外侧，所述限位环(24)电连接有控制舵机。

4.根据权利要求3所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述对接接头(22)的侧面间隔加工有多个圆弧凸起，且卡钩(23)与对接接头(22)接触的表面加工有多个与对接接头(22)的圆弧凸起相配合的圆弧凹面。

5.根据权利要求3所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述控制舱(4)内设置有控制器，所述控制器与水下舵机(3)和水下灯(5)电连接，且控制器通过快速对接模块(2)与重心调整模块电连接，且控制器与控制舵机电连接。

6.根据权利要求1所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述重心调整模块采用第一重心调整模块或者第二重心调整模块。

7.根据权利要求6所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述第一重心调整模块主要由重物块(7)、永磁铁(8)、电磁铁(9)、第一底板(13)、第一中板(14)、第一顶板(15)和对接接口(16)组成；所述第一顶板(15)、第一中板(14)和第一底板(13)自上而下依次间隔设置，多个所述电磁铁(9)设置在第一底板(13)和第一中板(14)之间，且多个所述电磁铁(9)在第一底板(13)上形成网格状的电磁铁阵列，所述第一中板(14)固定在电磁铁阵列的端面上，且第一中板(14)与第一底板(13)平行正对地设置，多个所述重物块(7)分别活动套装在多个永磁铁(8)外侧后设置在第一中板(14)和第一顶板(15)之间，且多个套装在永磁铁(8)外侧的重物块(7)随着永磁铁(8)在第一中板(14)上移动，所述第一顶板(15)的端面上固定安装有用于连接机器人的对接接口(16)；所述第一中板(14)的顶端面开设有多个通孔，且每个通孔下方正对着一个电磁铁(9)形成磁性限位槽(11)，各个电磁铁(9)通电后与永磁铁(8)之间产生磁引力或者磁斥力，控制套装在永磁铁(8)外侧的重物块(7)在第一中板(14)上进行移动，同时使得电磁铁(9)通过将永磁铁(8)吸入或顶出磁性限位槽(11)对重物块(7)进行限位控制。

8.根据权利要求6所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述第二重心调整模块主要由第二顶板(17)、第二底板(18)、第二连接柱(19)和磁轮小车(21)组成；所述第二顶板(17)和第二底板(18)通过第二连接柱(19)自上而下间隔设置，在第二顶板(17)和第二底板(18)之间形成空腔，所述磁轮小车(21)在第二顶板(17)端面上的空腔内移动。

9.根据权利要求8所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述第二底板(18)的四个边均设置有一个侧面挡板(20)，四个所述第二连接柱(19)竖直固定在第二底板(18)的四个角。

10.根据权利要求8所述的一种融合全矢量推进和自动重心调整的模块式水下机器人，其特征在于：所述第二底板(18)与磁轮小车(21)之间通过磁力相互吸引，以增加磁轮小车(21)与第二底板(18)之间的摩擦。

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