CN117719654A - 一种具有姿态调节的球型水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有姿态调节的球型水下机器人，包括球形的壳体，壳体顶部安装有深度检测模块，壳体两侧布置有为机器人提供动力的推进模块，所述壳体内设置有控制机器人潜浮和姿态的浮力与姿态调节模块，所述浮力与姿态调节模块包括：安装在壳体内支架中的两个水箱，每个水箱中设置有水箱活塞；推动所述水箱活塞的步进电机，用于调整水箱里水的体积，改变球型水下机器人的浮力；所述步进电机还用于改变两个水箱活塞位置使得两水箱存水量不同，实现调节姿态；驱动两个水箱旋转的舵机，所述舵机旋转带动两个水箱绕壳体中心轴旋转或者使得两水箱存水量不同，使得机器人的重心发生偏移，实现机器人的俯仰与横倾姿态调节。

Description

一种具有姿态调节的球型水下机器人

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种具有姿态调节的球型水下机器人。

背景技术

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，具有工作深度大、工作安全性高、工作效率高、工作时间长等优势，成为了代替人类执行海洋探测、水下装备检测维修和施工作业等任务的重要工具。

现有的水下机器人主要采用流线型设计，如公开号为CN110723268A的专利设计了一种鱼雷型机器人，其采用双层结构设计，包括依次连接、且能够拆卸的采集舱、控制舱、电源舱和推进舱等，这种机器人壳体的延伸方向也是这类机器人运动方向。在这种方向上前进时，机器人的运动效率较高，受到的阻力较小。但随着攻角的增大，机器人的稳定性下降，难以维持预定航向，产生更大的失稳力矩。在侧向移动和转向时，机器人需要克服巨大的拖曳阻力，运动效果较差。因此，采用各向对称的水动力设计的机器人具有更好的运动性能，能够实现更小的回转半径，控制也更加简单。

浮力调节机构为调节球型水下机器人整体质量的装置，能实现其正浮力与负浮力之间的转变，借以完成上浮和下潜的动作，节省电力。现有的浮力调节原理有改变机器人在水中排开的体积、改变机器人的重量或同时改变体积和重量三种方法。按照工作介质，可分为排水浮力调节和排油浮力调节。排水浮力调节系统通过增加和减少水腔中的水量，控制机器人的整体质量以实现浮力调节，该方法占用体积小，但传统的压载舱容积固定，舱内存在的自由液面会导致机器人发生横摇与纵摇时重心偏移，影响机器人的稳性。排油浮力调节系统通过控制油液在油囊中的体积，增减排水体积来实现浮力调节，该方法可靠性和寿命较高，但是占用体积较大。

水下机器人的姿态调整机构，可以改变机器人的纵倾角与横滚角，配合机器人的下潜和上浮，提高机器人的灵活性。常见的调节方式有：通过垂向推进器的差速推进，辅助调节俯仰与横滚姿态，但调节效率低下，无法靠一个推进器独立完成；鱼雷式水下潜器通过尾部的水平舵在快速移动过程中改变舵角方向，改变水动力矩实现俯仰姿态的调整，但在低速运动时俯仰力矩不足，难以调节。上述两种方式在进行俯仰与横滚姿态的调节时，由于重心位置不变，但浮心发生偏移，产生的复原力矩会抑制机器人的姿态调节，促使机器人恢复至稳定状态。如公开号为CN114954856A的专利提供一种球型水下机器人，由6个螺旋桨、耐压电子舱、若干框架和外壳组成，其进行潜浮运动时需3个螺旋桨工作，姿态调节也靠螺旋桨进行调节，这使得机器人耗能更大，不利于进行长时间工作。

为突破上述水下机器人的局限性，结合基于水下沉船、洞穴等曲折水路观测工作要求，同时兼顾水下机器人的操控性，需开发一种可在狭窄曲折洞穴与管道内进行观测的球型水下机器人。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明设计的球型水下机器人将浮力与姿态调节机构结合在一起，提出了一种可吸排水双水箱旋转模块，该模块具有体积小、调节范围大、控制灵活等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种具有姿态调节的球型水下机器人，包括球形的壳体，壳体顶部安装有深度检测模块，壳体两侧布置有为机器人提供动力的推进模块，所述壳体内设置有控制机器人潜浮和姿态的浮力与姿态调节模块，所述浮力与姿态调节模块包括：

安装在壳体内支架中的两个水箱，每个水箱中设置有水箱活塞；

推动所述水箱活塞的步进电机，用于调整水箱里水的体积，改变球型水下机器人的浮力；所述步进电机还用于改变两个水箱活塞位置使得两水箱存水量不同，实现调节姿态；

驱动两个水箱旋转的舵机，所述舵机旋转带动两个水箱绕壳体中心轴旋转或者使得两水箱存水量不同，使得机器人的重心发生偏移，实现机器人的俯仰与横倾姿态调节。

本发明提供一种具有姿态调节装置并可无动力下潜的球型水下机器人，无需同其他球型水下机器人一样，持续耗电以调整姿态维持机器人稳定，功耗较低，水下航行时间较长。鉴于球型水下机器人具有稳定性强、便于操控、耐压性强等特点，可在狭窄曲折洞穴与管道内进行观测的球型水下机器人具有更重要的实际意义。

作为优选的，所述壳体由上壳体、下壳体、左壳体和右壳体拼接组成，各部分壳体固定在支架上，部分壳体采用透明结构。也可以是全部壳体均为透明结构，利于内部的照明灯、摄像头等部件运行。

推进模块为水下机器人行进的主要动力装置，用于实现机器人的前进、后退和转向。进一步优选的，所述推进模块包括对称安装在舱体两侧带螺旋桨的推进器，壳体内设置有与所述推进器连接的电机，用于改变推进方向或转向；或通过调控螺旋桨的转速，实现差速转向。

优选的，所述推进模块还包括安装在壳体中内舱固定板上的照明灯。能在深水区域为机器人提供照明，方便机器人进行深水观测。

本申请，支架为壳体内的支撑结构，用于固定住壳体的各部分，以及用于机器人内部各功能模块的固定。

优选的，所述壳体内的支架包括上承接板，所述上承接板上安装有摄像模块；所述摄像模块包括多自由度的舵机云台和布置在舵机云台上的摄像头；所述摄像模块外覆盖有密封透明的保护罩。本申请中的摄像头摄像头能在水平面旋转，可为机器人提供更大观测视野。

优选的，所述舵机安装在支架的下承接板上，步进电机位于水箱盖板上，通过丝杆螺母驱动水箱活塞。

优选的，两个水箱安装在支架底部的大活塞上，球形壳体的底部设置配合所述大活塞的缸套，用于对转动的大活塞轴向限位。

优选的，所述支架的上承接板和下承接板间设置有圆柱型的耐压电子舱体，所述耐压电子舱体的安装有电池和控制板，舱体一端端盖装有防水穿线螺栓，用于信号线接入控制板。

进一步优选的，驱动所述推进器的电机安装在耐压电子舱体的两侧，电机通过齿轮组带动推进器旋转。

本申请的球形机器人中，球形壳体的底部安装有配重模块，用于降低机器人重心。

相较于现有技术，本发明具有姿态调节装置的球型水下机器人可以降低水下机器人的能耗，提高机器人灵活性，使其能在狭窄水域工作，具有以下有益效果：

(1)现有的多数球型水下机器人将螺旋桨/喷水推进器作为其唯一推进方式，在上浮或下潜时会耗费大量电力，续航能力大幅降低，设计一种实现球型水下机器人低能耗上浮与下潜的机构，具有极大的研究意义。

(2)球型水下机器人的结构外型具有高度对称性，这使其具有旋转阻力小的优点。但现有的球型水下机器人质心位置固定，进行俯仰角与横倾角调节时，受静力矩影响，难以在所需倾斜状态下保持稳定，故设计一种姿态调节机构，保证球型水下机器人旋转姿态质心的稳定性，具有实践意义。

(3)现有的球型水下机器人大多采用差速转向方式，其速度差较小时旋转半径较大，速度差较大时导致螺旋桨反扭力矩不能抵消，使得机器人转向时不稳定，且存在控制较为复杂的缺点。因此设计一种可旋转的推进模块，可在狭小的空间实现“原地”转向的功能，具有重大意义。

附图说明

图1为球型水下机器人的机器外观图；

图2为球型水下机器人的内部结构图；

图3为球型水下机器人的转向机构图；

图4为球型水下机器人的浮力与姿态调节机构图；

图5为球型水下机器人的推进器内部结构图；

图6为球型水下机器人的耐压电子舱图；

图7为球型水下机器人的摄像模块图；

图8为推进模块的工作原理图；

图9为浮力与姿态调节模块的原理图；

图10为球型水下机器人硬件系统连接图；

图11为球型水下机器人工作流程图；

图中：1-深度传感器；2-上壳体；3-摄像头耐压壳体；4-耐压电子舱穿线螺栓；5-电机；6-小齿轮；7-大齿轮；8-螺旋桨；9-挡圈；10-照明灯；11-外驱式丝杆步进电机；12-舵机；13-水箱；14-右壳体；15-配重模块；16-推进器固定板；17-上承接板；18-支撑铝柱；19-L型固定架；20-下承接板；21-内舱固定板；22-水箱盖板；23-支撑铝柱；24-水箱活塞；25-大活塞；26-下壳体；27-大活塞缸套；28-缸盖；29-穿线螺栓；30-U型固定架；31-电子舱后端盖；32-电子舱舱体；33-电子舱前端盖；34-摄像头；35-9G舵机；36-舵机支撑架。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-7所示，球型水下机器人主要由推进模块、主体框架模块、浮力与姿态调节模块、电子舱模块、摄像模块、照明模块、深度检测模块以及配重模块组成。

总布置的设计思路在于使球型下机器人各模块的荷载与浮力均匀，进而使得重心位于浮心下方，提高球型水下机器人在目标姿态的稳定性。

各个硬件结构的设计和分布为：

深度检测模块1安装在球壳顶部2，需进行灌封来改善密封性。

摄像头34安装在上承接板17，摄像头能在水平面旋转，可为机器人提供更大观测视野。

耐压电子舱安装在下承接板20。耐压电子舱两侧安装有电机5，其能驱动齿轮组旋转，从而带动推进模块旋转，为机器人提供多种不同的运动模式，提升球型水下机器人的灵活性。

推进模块安装在舱体两侧，推进模块中装有照明灯10，能在深水区域为机器人提供照明，方便机器人进行深水观测。

浮力与姿态调节模块由于与外部相连通，体积较大。为避免产生自由液面，保证机器人内部密闭性，使重心位置位于浮心下方，提高球型水下机器人的稳定性，将浮力与姿态调节模块置于球型机器人下部。

配重模块15由于质量较大，因此安装在球型水下机器人的底部，用于降低机器人重心。

如图3和图5所示，推进模块的结构主要由穿线螺栓29、螺旋桨8、右壳体14、照明灯10和推进器固定板16组成。

推进器安装在右壳体上，通过装有O型密封圈的4个M3螺栓连接，具有良好的防水性能；照明灯依靠螺钉固定在固定板上；推进器通过四个螺钉与壳体连接，其信号线通过壳体上穿线螺栓进入机器人内部；壳体底端开有环型槽用于安装O型密封圈，其与固定板通过六个M3螺栓连接；固定板尾部轴用于安装大齿轮。通过主舱电机旋转小齿轮6，从而带动大齿轮7旋转，使得整个推进器旋转。

推进模块具有两个(即两个推进器)，成对称分布，并且两模块可在平面内进行旋转，可以很方便的实现球体的前进、后退动作。如图8所示，通过电机5驱动齿轮组(6、7)改变两推进模块方向，使得一模块喷水方向在前，另一模块喷水方向在后，可实现快速的“原地”转向。另外，不改变推进方向，通过调控螺旋桨的转速，也可实现差速转向。这两种转向模式使得机器人运动更加灵活，更能适应水下多变的环境。

如图4和图9所示，大扭矩舵机舵盘与下承接板20连接在一起；舵机20两旁的外驱式丝杆步进电机11安装在水箱盖板22上，水箱活塞24安装在丝杆的螺母上；两个水箱13安装在大活塞25上；大活塞缸套27安装在下壳体26底部；缸盖28安装在大活塞缸套27下方，起到轴向固定大活塞的作用。

浮力调节原理：通过步进电机11推动水箱活塞24，调整水箱里水的体积，改变球型水下机器人的浮力。当机器人浮力大于重力时，其开始下潜。当达到指定深度时，调节水箱内水的体积，使得机器人的浮力等于重力，机器人悬停在指定水域，此时启动推进器即可在该水域进行观测。机器人的上升同理。

姿态调节原理：当机器人处于上升、悬浮和下降状态时，舵机12旋转带动两个水箱13绕球壳中心轴旋转或者使得两水箱存水量不同，使得机器人的重心发生偏移，从而实现机器人的俯仰与横倾姿态调节。或通过步进电机11改变两侧活塞24位置使得两侧水箱存水量不同，以达到调节姿态的目的。

这种调节方式使得机器人外部转动受到的水阻力较小，相比于大多数机器人采用螺旋桨差速调姿来说，该方法效率更高，且更加灵活，不会受到机器人低速运动的影响。

同时也可通过两侧螺旋桨8进行微调。

如图6所示，耐压舱采用圆柱型设计。圆柱型结构具有耐压性能较好、成本低、便于加工与密封等优点。主舱体内部安装有一隔板，上面打有孔用于安装控制板以及电池，同时将电池与控制板隔开。舱体前后法兰分别加工凹槽，便于安装O型密封圈。耐压舱体32与两个平面端盖(31、33)各采用6枚M3的十字槽盘头螺钉连接。根据控制需求，一端端盖装有防水穿线螺栓4，便于信号线接入控制板。

如图7所示，摄像模块是球型水下机器人进行观测的核心模块，设计时将该模块安装在顶部，同时设计了一自由度的舵机云台(35、36)，使相机能获得更大的视野，便于进行观测任务。相机外围安装材料为PMMA的半球保护罩3，配合O型密封圈能起到很好的密封作用。相机的信号线通过两侧的穿线螺栓连接到电子舱中。

如图10所示，控制系统的组成主要包括如下四个模块：推进器驱动模块，通信模块，电源控制模块与数据采集模块。其中驱动模块负责控制机器人的基本运动以及灯光控制；通信模块负责机器人上层树莓派4B与底层STM32、多功能驱动板之间的数据传输；电源控制模块负责给机器人内部的各种硬件提供电源；数据采集模块负责采集深度、舱体是否漏水以及机器人自身的运动状态信息。

如图11所示，确定观测点后，将该球型机器人投放入水，此时控制系统启动。深度传感器1、摄像头34、IMU模块实时采集当前水域的各种信息并将其传输至树莓派控制板。此时树莓派传递信号给STM32控制板，STM32控制板又将信号传递至多功能驱动板，控制步进电机11推动活塞24，调整水箱里水的体积，改变球型水下机器人的浮力。当机器人浮力大于重力时，其开始下潜。当深度传感器1显示机器人到指定深度时，控制步进电机11推动活塞24调节水箱内水的体积，使得机器人的浮力等于重力，机器人悬停在指定水域，此时启动螺旋桨8配合姿态调节机构，操控机器人进行水平运动或小范围的潜浮运动。待机器人到达目标水域后，即可进行相关观测，任务完毕机器人返航。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有姿态调节的球型水下机器人，包括球形的壳体，壳体顶部安装有深度检测模块，壳体两侧布置有为机器人提供动力的推进模块，所述壳体内设置有控制机器人潜浮和姿态的浮力与姿态调节模块，其特征在于，所述浮力与姿态调节模块包括：

安装在壳体内支架中的两个水箱，每个水箱中设置有水箱活塞；

推动所述水箱活塞的步进电机，用于调整水箱里水的体积，改变球型水下机器人的浮力；所述步进电机还用于改变两个水箱活塞位置使得两水箱存水量不同，实现调节姿态；

驱动两个水箱旋转的舵机，所述舵机旋转带动两个水箱绕壳体中心轴旋转或者使得两水箱存水量不同，使得机器人的重心发生偏移，实现机器人的俯仰与横倾姿态调节。

2.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述壳体由上壳体、下壳体、左壳体和右壳体拼接组成，各部分壳体固定在支架上，部分壳体采用透明结构。

3.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述推进模块包括对称安装在舱体两侧带螺旋桨的推进器，壳体内设置有与所述推进器连接的电机，用于改变推进方向或转向；或通过调控螺旋桨的转速，实现差速转向。

4.根据权利要求3所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述推进模块还包括安装在壳体中内舱固定板上的照明灯。

5.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述壳体内的支架包括上承接板，所述上承接板上安装有摄像模块；所述摄像模块包括多自由度的舵机云台和布置在舵机云台上的摄像头；所述摄像模块外覆盖有密封透明的保护罩。

6.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述舵机安装在支架的下承接板上，步进电机位于水箱盖板上，通过丝杆螺母驱动水箱活塞。

7.根据权利要求6所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，两个水箱安装在支架底部的大活塞上，球形壳体的底部设置配合所述大活塞的缸套，用于对转动的大活塞轴向限位。

8.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述支架的上承接板和下承接板间设置有圆柱型的耐压电子舱体，所述耐压电子舱体的安装有电池和控制板，舱体一端端盖装有防水穿线螺栓，用于信号线接入控制板。

9.根据权利要求8所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，驱动所述推进器的电机安装在耐压电子舱体的两侧，电机通过齿轮组带动推进器旋转。

10.根据权利要求1所述的具有姿态调节的球型水下机器人，其特征在于，所述球形壳体的底部安装有配重模块，用于降低机器人重心。