CN117440621A - 一种旋盖式水下机器人电子舱 - Google Patents

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王东睿
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韩佳峰
索天章
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Abstract

本发明涉及一种旋盖式水下机器人电子舱。本发明主舱体侧壁均匀设置多个水密接插件和气密堵头；主舱体两端面分别为组合式上端盖和透明下端盖；主舱体、组合式上端盖和下端盖构成密闭的舱体。减振装置设置在主舱体内靠近下端盖侧，减振装置上固定设置有多层电子器件固定板；多层电子器件固定板一端与减振装置固定，多层电子器件固定板另一端通过组合式上端盖内壁进行限位，防止多层电子器件固定板在主舱体内晃动；多层电子器件固定板上安装有电子器件。本发明能减少振动的危害、适配不同电子模块组件、密封性能可靠、拆装维修简单、拆卸更安全可靠、集成化程度更高、布线简洁、检测气密性、独立测试效果好。

Description

一种旋盖式水下机器人电子舱
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种旋盖式水下机器人电子舱。
背景技术
随着海洋资源的不断开发，水下机器人的应用也越来越广泛。随着海洋军事应用的需要，水下机器人朝着高质量、轻型化、批量化方向发展。水下密封电子舱作为核心部件，承担着水下通信、电机控制、信号传输以及供电功能，是水下机器人研发的关键一步。
由于测试条件有限，电子舱通常会在陆地上来回搬运并且机器人执行任务时也会产生振动，振动将直接导致舱体内的电子部件、电气元器件和机械连接部件产生松动，导致无法正常工作。水下耐压舱体一般会采用圆柱形设计，这会导致安装和调试不方便，而且空间利用率低。由于电子舱是一个密封环境，里面的温度会较高，在打开传统电子舱的时候会导致气体向外迸发，会对操作人员以及电子设备造成危害。
电子舱需要定期维护和检修，现有的电子舱拆卸复杂并且繁琐，端盖拉扯容易损坏各个元器件。更换不同的电子模块又要定制不同的电子舱，中国专利号CN201611047528.X中发明的电子舱具有较好的无水条件下的散热功能，但是在陆地上没有较好的减振功能容易使得舱内元器件受损，导致无法正常工作；而且在陆地上测试需要频繁打开端盖检修和维护，端盖上的接线容易断开，检修起来比较繁琐。上述问题一直未得到有效解决。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种旋盖式水下机器人电子舱，方便后续的维修和安装，提升空间利用率和密封性能，还能解决振动所带来的危害。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋盖式水下机器人电子舱，包括主舱体、组合式上端盖、下端盖、减振装置和多层电子器件固定板。所述的主舱体侧壁均匀设置多个水密接插件和气密堵头，水密接插件和气密堵头可拆卸设置在主舱体侧壁上；主舱体两端面分别为组合式上端盖和透明下端盖；主舱体、组合式上端盖和下端盖构成密闭的舱体。
优选的，所述的水密接插件和气密堵头通过螺纹可拆卸设置在主舱体侧壁上。
所述的减振装置设置在主舱体内靠近下端盖侧，减振装置上固定设置有多层电子器件固定板；多层电子器件固定板一端与减振装置固定，多层电子器件固定板另一端通过组合式上端盖内壁进行限位，防止多层电子器件固定板在主舱体内晃动；多层电子器件固定板上安装有电子器件。
所述的组合式上端盖包括内锥螺纹端盖和外锥螺纹端盖，内锥螺纹端盖通过螺栓与主舱体固定，内锥螺纹端盖上设置有密封槽，密封槽内设置有O型密封圈；外锥螺纹端盖通过锥型螺纹与内锥螺纹端盖连接，在外锥螺纹端盖和内锥螺纹端盖之间设置矩形密封圈；实现双层密封。作为优选，外锥螺纹端盖与内锥螺纹端盖通过1：16锥型螺纹连接。
进一步的，所述的下端盖通过压板与主舱体固定，通过密封槽和O型密封圈与主舱体密封固定。
作为优选，所述的下端盖选用透明亚克力材质。
作为优选，所述舱体整体形状为矩形。
进一步的，所述的多层电子固定板通过螺柱堆栈式的堆叠在主舱体内；每层电子固定板上设有多个连接孔位，用于安装电子器件；设置有通线槽，用于电气线路的布局与保护。
进一步的，多层电子固定板最上一层上设置有橡胶垫顶板，与设置在外锥螺纹端盖内壁的橡胶垫配合，防止多层电子器件晃动。
进一步的，所述的减振装置包括减振底座和四个减振块，每个减振块均通过三个压缩弹簧连接在底座上，减振底座连接在主舱体上。三个压缩弹簧均相互垂直，用于吸收X、Y、Z轴方向的振动。
本发明专利的有益效果在于：
1.减少振动的危害：电子舱底部安装有减振装置，吸收电子模块组件和电气线路在搬运或者机器人在执行任务时所受到的X、Y、Z方向振动，从而保护舱内各部分零件正常工作，也提高了螺栓的防松性能。
2.适配不同电子模块组件：上下两个电子模块固定板之间通过四个螺柱连接，可考虑实际电子模块高度选择相应长度的螺柱，更换电子模块也无需更换整个电子舱，从而能够让产品更新换代减少成本。与传统电子舱横截面为圆形不同的是，本发明主舱体横截面为矩形，更适配电子模块形状，可调的高度使空间利用率最大化，使整体结构更为紧凑，减小电子舱整体结构尺寸。
3.密封性能可靠：主舱体和上下端盖都采用密封圈进行密封，组合式上端盖的内锥螺纹端盖和外锥螺纹端盖之间的密封圈为矩形，通过将矩形密封圈塞入三角沟槽实现密封，密封性能可靠，进一步保证了其在水下的密封性能。
4.拆装维修简单：与传统的电子舱拆卸维修不同，本发明的外锥螺纹端盖上有旋转把手，减少了电子模块维修升级所需要耗费的时间，解决了拆卸时密封圈的损耗导致无法密封问题。
5.拆卸更安全可靠：电子舱通常需要在陆地上独立测试，电子舱又是一个密闭的空间，舱内温度升高，气体膨胀，在传统电子舱打开端盖的时候，气体会往外迸发，损害端盖上的水密接插件的引脚接线，本发明把水密接插件放到主舱体的侧壁上，进一步保障了接线的可靠性。
6.集成化程度更高：配有透明亚克力端盖，可以把摄像头放入主舱体内，浅水机器人透过透明亚克力端盖获取水下数据，舱内能够搭配各种传感器，节省外部空间。
7.布线简洁：每层电子固定板上都有特定的凹槽用来布线，每一个凹槽都对应着一个水密接插件，这种方式可以使布线格局简单明了，不用绕过多余的距离。
8.检测气密性方便：主舱体侧面单独留有气密堵头的孔位，可以更加方便地测量舱体的气密性。
9、独立测试效果好：搭配此发明的水下机器人的功能模块，部分都已安装到舱内，例如GPS精准度、漏水检测性能、高度检测、烧录功能等均可以独立测试完成。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的剖面结构视图；
图3为图2中主舱体的三维结构示意图；
图4为主舱体的剖面结构视图；
图5为亚克力端盖结构示意图；
图6为外锥螺纹端盖结构示意图；
图7为内锥螺纹端盖结构示意图；
图8为弹簧减振装置结构示意图；
图9为减振块结构示意图；
图10为弹簧减振装置局部放大图；
图11为固定板截面图；
图12为电子舱内部电子模块布置示意图；
图13为实施例中电子模块系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利做进一步详述。
如图1和2所示，一种旋盖式水下机器人电子舱包括主舱体10、组合式上端盖、下端盖、减振装置和多层电子器件固定板。组合式上端盖、下端盖设置在主舱体10的两端面，减振装置设置在主舱体10内靠近下端盖侧，减振装置上固定设置有多层电子器件固定板；多层电子器件固定板一端与减振装置固定，多层电子器件固定板另一端通过组合式上端盖内壁进行限位，防止多层电子器件固定板在主舱体10内晃动。
如图3和4所示，主舱体10上设置有舱体固定螺纹孔101，整个电子舱通过主舱体上的舱体固定螺纹孔安装在水下机器人上。主舱体10两端开口，一端开有下端盖安装槽102和密封槽103；下端盖安装槽102用于嵌套下端盖15，第一O型密封圈14设置在密封槽103内，用于主舱体与上端盖安装面的密封。
使用时，将第一O型密封圈14置于密封槽103内后，套入下端盖15(如图5所示，本实施例中下端盖15为亚克力材质，亚克力端盖为一端为半球形、侧壁为圆柱形的外罩)；然后将压板13盖在第一O型密封圈14和下端盖15安装面上。
下端盖15、下端盖与主舱体安装端面、压板13通过螺纹固定，本实施例中通过四个螺纹孔和螺栓配合将亚克力盖板和压板固定在主舱体底部。
本实施例中主舱体相对两侧壁开有多个水密接插件螺纹孔104(本实施例中为九个)和一个气密堵头螺纹孔105，分别对应一个气密堵头24和多个水密接插件21(本实施例中为九个)。
组合式上端盖包括内锥螺纹端盖3和外锥螺纹端盖27；如图6所示，内锥螺纹端盖3通过螺栓与主舱体10固定；外锥螺纹端盖27通过锥型螺纹与内锥螺纹端盖3连接，在外锥螺纹端盖27和内锥螺纹端盖3之间设置O型密封圈28；实现双层密封。内锥螺纹端盖3与外螺纹端盖接触面设置有三角斜沟槽36，内锥螺纹端盖3与主舱体接触侧壁设置有矩形沟槽33，矩形沟槽33用于安装矩形密封圈5。
本实施例中内锥螺纹端盖3与主舱体接触面设有多个沉孔34，在主舱体10上对应位置设置有多个螺纹孔，通过在沉孔、螺纹孔内安装螺栓，使得内锥螺纹端盖3固定在主舱体上。
如图7所示，外锥螺纹端盖27上设置有旋盖把手1，本实施例中把手通过设置4个把手螺纹固定孔32与螺栓配合固定在外锥螺纹端盖27上。外锥螺纹端盖27上开有四个外锥螺纹端盖沉孔31，在内锥螺纹端盖3相对位置设置有四个内锥螺纹端盖螺纹孔35，通过在沉孔、螺纹孔内安装螺栓，使得外锥螺纹端盖27固定在内锥螺纹端盖3上。
外锥螺纹端盖27内壁设置有防止多层电子模块固定板顶部摇晃的橡胶垫2，橡胶垫2通过橡胶垫压板6固定在外锥螺纹端盖27内壁；橡胶垫压板6通过螺纹孔和螺栓配合固定在外锥螺纹端盖27端面上。
如图8所示，减振装置包括减振弹簧组件和减振底座11，本实施例中在减振底座11的四角均设置减振弹簧组件。
减振器底座11中部与下端盖开口侧相对位置设置有摄像头放置孔。
减振弹簧组件包括大压缩弹簧9、压缩弹簧底座12、减振块16和两个小压缩弹簧17。如图9所示，本实施例中减振块16底部设置有螺旋槽，大压缩弹簧9一端在螺旋槽内绕圈与减振块16底部连接。压缩弹簧底座12上也设置有螺旋槽，大压缩弹簧另一端在螺旋槽内绕圈与压缩弹簧底座12连接。压缩弹簧底座12底部通过螺纹孔和螺栓配合固定在减振底座11上。减振块16两相邻侧面均设置弹簧槽。两小压缩弹簧17两端磨平，两小压缩弹簧17的一端分别卡进两弹簧槽固定在减振块16的两相邻侧面；两小压缩弹簧17的另一端通过螺纹与减振器底座11侧壁连接，如图10所示，具体为：通过紧定螺钉30使得小压缩弹簧17固定在减振器底座上。
减振器底座11通过底座固定螺纹孔29和螺钉配合与主舱体10固定。
本实施例中多层电子器件固定板为依次设置在减振装置上的摄像头固定板8、一层电子模块固定板18、二层电子模块固定板19、三层电子模块固定板20、四层电子模块固定板22、五层电子模块固定板23和六层电子模块固定板25；
摄像头固定板8通过螺纹和螺钉固定在减振块上，相对摄像头放置孔位置，便于安装摄像头；一层电子模块固定板18通过螺纹和固定柱7堆叠在摄像头固定板8上；相同的，一层电子模块固定板18、二层电子模块固定板19、三层电子模块固定板20、四层电子模块固定板22、五层电子模块固定板23和六层电子模块固定板25依次堆叠在前一固定板上。
在六层电子模块固定板25的中部通过双头螺柱和螺纹孔配合固定有橡胶垫顶板26，安装时橡胶垫顶板26与橡胶垫2完全贴合，从而实现对多层电子模块固定板的水平限位，防止多层电子模块固定板左右晃动。
如图11所示，固定板的截面为工字型，两侧设置有凹槽，便于布线。
如图12所示，本实施例中摄像头固定板8下方固定有摄像头44，摄像头固定板8上方固定供舱内所有设备正常运行的锂电池43；摄像选用IMX322摄像头；一层电子模块固定板18上设置有继电器模块42和电源管理模块45；二层电子模块固定板19上设置有LD4湿敏传感器40、九轴姿态传感器41和顶层控制模块46；三层电子模块固定板20上设置有433MHz无线电台39和底层控制模块47；四层电子模块固定板22上设置有电机驱动器48；五层电子模块固定板23上设置有p30高度计38和ATK1218-BD定位模块49；六层电子模块固定板25上设置有USB转TTL模块37和无线电台天线51。
如图13所示，由维特智能公司生产的HWT905九轴姿态传感器外部共引出4根线，其中电源正负极2根，信号线2根，传感器由5V电源供电，与底层控制模块的微处理器间采用串口通讯方式，信号发送端USART_TX连接微处理器的PB10引脚传输姿态数据，信号接收端USART_RX连接微处理器的PB11引脚用于接收新指令，如开机校正、应答指令等。
HWT905九轴姿态传感器用于感知舱体速度、位姿等数据传输给底层控制模块的微处理器，为工业级传感器，具有抗干扰能力强、精度高、防尘防水等级高等优点；
由BlueRobots公司生产的LD4湿敏传感器外部共引出3根线，其中电源正负极2根，信号线1根，传感器由3.3V电源供电，与底层控制模块的微处理器间采用IO输出高低电平的方式传输漏水情况，信号线连接微处理器的PE6引脚发送信号电平，微处理器根据电平高低判断是否漏水。
LD4湿敏传感器用于监测电子舱内是否漏水，配套的湿敏探头可多次使用，并可根据需求放在不同位置，具有体积小、集成度高等优点；
由正点原子公司生产的ATK1218-BD北斗GPS双定位模块外部共引出4根线，其中电源正负极2根，信号线2根，传感器由5V电源供电，与底层控制模块的微处理器间采用串口通讯方式，信号发送端USART_TX连接微处理器的PA9引脚传输位置数据，信号接收端USART_RX连接微处理器的PA10引脚用于接收新指令，如切换定位源、应答指令等。
ATK1219-BD定位模块用于舱体全球卫星定位，可同时连接GPS和北斗卫星，后置独立纽扣电池电源，保证电子舱意外断电后也能够实时定位舱体的地理位置；
由圣智科技有限公司生产的SZ-100MW无线电台外部共引出4根线，其中电源正负极2根，信号线2根，无线电台模块由5V电源供电，与顶层控制模块的微处理器间采用USB通讯方式，负责岸基端上位机与顶层控制模块之间的控制指令与感知数据实时传输。无线电台通过CH340G芯片信号转换电路将TTL信号转换为USB信号，其中传感器信号发送端USART_TX连接CH340G的RX端，信号接收端USART_RX连接CH340G的RX端，USB接口的D+，D-连接CH340G芯片，最终连接微处理器的USB母座。
SZ-100MW无线电台采用433MHz频点，信号强、传输距离长、穿透绕射能力强，用于远距离传输岸基端与顶层控制模块之间的数据与接收上位机发送的新指令，如调试参数、状态机指令等。
由BlueRobots公司生产的P30高度计外部共引出4根线，其中电源正负极2根，信号线2根，与底层控制模块的微处理器间采用串口通讯方式，信号发送端USART_TX连接微处理器的PA2引脚传输位置数据，信号接收端USART_RX连接微处理器的PA3引脚用于接收新指令。
P30高度计具有体积小、低成本、集成度高、上位机开源等优点，用于测量电子舱距离水底高度；舱内设置有一块锂电池43供电，内置电源管理模块，实时发送电池状态给核心控制单元，保证电子舱正常工作。
顶层控制模块46由Cortex-A57架构的CPU模块及其拓展模块组成，通过PCIe总线连接，用于执行高速运算以及存储数据，IMX322摄像头44可传输分辨率为1920*1080的高清视频流，通过USB2.0接口连接到顶层控制单元。
顶层控制模块46与上位机(PC电脑)无线通讯。
底层控制模块47由STM32F407VET6及其外围电路模块组成，其中，继电器模块42作为各传感器以及驱动器的供电开关，实现按需求供电，节省电池电量；电源管理模块45用于将锂电池组电压转换为各个模块所需要的不同电压值进行供电；信号采集与转换模块，将各传感器信号按需要进行转换后传送给底层控制模块；电机驱动器48的电源接线端子连接锂电池组，PWM接线端子用于接收底层控制模块产生的PWM信号，三相信号接线端子连接推进器用于调节转速，GND接线端子实现驱动器与底层控制模块的共地。接线端子采用XH2.54和KF2EDGK型号，前者具有低成本易插拔的优点，后者可靠性更高，可承载电流更大，插拔阻力更大不易松动。
电源管理模块45包括三部分，底层控制模块供电电路为16V转5V开关电源TPS5430DDAR电路，顶层控制模块供电电路为16V转5V开关电源TPS5650DDAR电路，传感器供电电路为5V转3.3V线性稳压器AMS1117电路，三种电路布局简单，易采购，更适用于提升电控系统的集成性。
继电器模块42设置为常开，其中DC与GND短接，可通过舱外小型防水旋钮式开关打开后产生小电流启动继电器，从而打开电源总开关。
USB转TTL模块37采用CH340G电路用于将底层控制模块的TTL信号转换为USB信号发送给顶层控制模块。上位机(PC电脑)的指令通过电台传输到Nano(顶层控制模块)，再将Nano(顶层控制模块)获取的传感器数据发送给上位机。
水密接插件21的引脚先焊上插拔式的接线端子，在通过螺纹于主舱体10上的螺纹孔配合，与电子器件接插，端盖的开合减少了对接线的影响，从而减少了脱线松线的可能。
使用时：
首先安装亚克力端盖：
将第一O型密封圈14放置在主舱体底部的矩形密封槽103内，然后把亚克力端盖15压在第一O型密封圈14之上，最后用压板13使第一O型密封圈14压缩，从而实现底部密封。
然后安装减震器：
用螺栓分别将四个压缩弹簧底座12连接到减振器底座11上，每个压缩弹簧底座12上均旋有大压缩弹簧9，大压缩弹簧9一端旋入弹簧底座12上的螺旋槽内固定住；大压缩弹簧9另一端旋入减振块16上的螺旋槽内固定；每个减振块16相邻两侧面上均设置有小压缩弹簧卡槽，两小压缩弹簧的一端分别固定在小压缩弹簧卡槽内，两小压缩弹簧的另一端通过紧定螺钉固定在减振器底座11上。
减振器底座11通过螺纹孔和螺栓固定在主舱体10底部上，把整个弹簧减振装置固定在电子舱内。
然后安装摄像头：
摄像头通过螺栓固定到摄像头固定板8上，摄像头朝下自上而下放进舱体内部，摄像头固定板8上有四个螺纹孔对应在四个减振块上的螺纹孔，从而使摄像头能够在电子舱内部透过透明的亚克力端盖15观察水下环境，使得电子舱的集成化程度更加高，摄像头也无需防水，降低了开发成本。
然后安装电子器件：
将四根螺柱7拧至摄像头固定板8的指定位置，排布好电子模块后，将各电路模块内部地线路连接，水密接插件21引脚焊上接线端子，将电子模块固定板依次一层一层堆栈式地堆叠在舱体内，固定面板，构成多层电子模块。多层电子模块顶部安装
最后安装组合式上端盖：
在内螺纹端盖3的矩形密封槽中套入矩形密封圈5后塞入主舱体10上端，用螺栓将两者固定住，三角斜沟槽36中放入第二O型密封圈28；
通过橡胶垫压板6和螺钉将橡胶垫2固定在外锥螺纹端盖27内壁。
将外螺纹端盖27逆时针旋转，拧至最底部与内螺纹端盖3贴合，用螺栓将外螺纹端盖27、内螺纹端盖3和主舱体10固定住；此时橡胶垫顶板26与橡胶垫压板6贴合，对多层电子模块进行限位；电子舱的搭建完成。
本发明多层电子模块固定板可以根据电子模块的高度和形状自由选择螺柱的长度进行调节，而且电子舱内部横截面设计成矩形，更加贴合电子模块的形状，提高了电子舱内部空间的利用率，减少了相同情况下电子舱的尺寸体积，节省了开发成本。
通过设置橡胶垫2不但可以固定整个电子舱内部结构，而且可以吸收有害的振动，使得减振装置更加有效且可靠，由于压缩弹簧会根据重量伸缩，外螺纹端盖上有留可以伸缩的余量，可以有效适应不同重量的电子模块。
水密接插件21的引脚先焊上插拔式的接线端子，在通过螺纹于主舱体10上的螺纹孔配合，与电子模块接插，端盖的开合减少了对接线的影响，从而减少了脱线松线的可能。

Claims (10)

1.一种旋盖式水下机器人电子舱，包括主舱体、组合式上端盖、下端盖、减振装置和多层电子器件固定板；其特征在于：
所述的主舱体侧壁均匀设置多个水密接插件和气密堵头，水密接插件和气密堵头可拆卸设置在主舱体侧壁上；主舱体两端面分别为组合式上端盖和透明下端盖；主舱体、组合式上端盖和下端盖构成密闭的舱体；
所述的减振装置设置在主舱体内靠近下端盖侧，减振装置上固定设置有多层电子器件固定板；多层电子器件固定板一端与减振装置固定，多层电子器件固定板另一端通过组合式上端盖内壁进行限位，防止多层电子器件固定板在主舱体内晃动；多层电子器件固定板上安装有电子器件。
2.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的水密接插件和气密堵头通过螺纹可拆卸设置在主舱体侧壁上。
3.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的组合式上端盖包括内锥螺纹端盖和外锥螺纹端盖，内锥螺纹端盖通过螺栓与主舱体固定，内锥螺纹端盖上设置有密封槽，密封槽内设置有O型密封圈；外锥螺纹端盖通过锥型螺纹与内锥螺纹端盖连接，在外锥螺纹端盖和内锥螺纹端盖之间设置矩形密封圈；实现双层密封。
4.如权利要求3所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的外锥螺纹端盖与内锥螺纹端盖通过1：16锥型螺纹连接。
5.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的下端盖通过压板与主舱体固定，通过密封槽和O型密封圈与主舱体密封固定。
6.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的下端盖选用透明亚克力材质。
7.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述舱体整体形状为矩形。
8.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的多层电子固定板通过螺柱堆栈式的堆叠在主舱体内；每层电子固定板上设有多个连接孔位，用于安装电子器件；设置有通线槽，用于电气线路的布局与保护。
9.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的多层电子固定板最上一层上设置有橡胶垫顶板，与设置在外锥螺纹端盖内壁的橡胶垫配合，防止多层电子器件晃动。
10.如权利要求1所述的旋盖式水下机器人电子舱旋盖式水下机器人电子舱，其特征在于：所述的所述的减振装置包括减振底座和四个减振块，每个减振块均通过三个压缩弹簧连接在底座上，减振底座连接在主舱体上；三个压缩弹簧均相互垂直，用于吸收X、Y、Z轴方向的振动。
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