CN204979196U - 水下多轴机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水下多轴机器人，其包括水面漂浮控制箱及水下机器人，所述水下机器人包括机体、水下感应运行控制器、电机调速控制器、摄像机、四个无刷潜水电机及螺旋桨，所述水下感应运行控制器、所述电机调速控制器及所述摄像机安装于所述机体内，所述水下感应运行控制器分别所述电机调速控制器及所述摄像机电连接并且通过电缆与所述水面漂浮控制箱连接，四个所述无刷潜水电机分别安装于所述机体前、后及左、右，各所述无刷潜水电机分别与所述电机调速控制器电连接，所述螺旋桨的中心轴水平地安装于所述无刷潜水电机的输出端。本实用新型具有结构简单，控制方便的优点，能实现在水下航行的各种运动状态。

Description

水下多轴机器人

技术领域

本实用新型涉及一种机器人，尤其涉及一种水下多轴机器人。

背景技术

水下无人机器人是一种能在水下拍摄，摄影，探险，打捞，海洋生态调查，水下工程施工的设备；通常使用多个螺旋桨及电机作为推进器，并通过电机驱动螺旋桨同步转动，且通调整螺旋桨的角度，实现水下无人机器人的航行；例如将螺旋桨调整成水平状态，可以使水下无人机器人垂直上浮或下潜，将螺旋桨调整成竖直状态，可以使水下无人机器人水平地前进或后退；然而，上述这种结构需要增加螺旋桨的转向结构，不但使水下无人机器人的结构复杂，成本高昂，不能广泛地民用普及，而且使其自身负荷大，遥控操作不方便，导致反应迟钝，航行不稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种通过多轴螺旋桨控制水下运动，结构简单、成本低、且航行稳定，控制方便的水下多轴机器人。

为了实现上述目的，本实用新型提供的水下多轴机器人包括水面漂浮控制箱及水下机器人，所述水下机器人包括机体、水下感应运行控制器、电机调速控制器、摄像机、四个无刷潜水电机及螺旋桨，所述水下感应运行控制器、所述电机调速控制器及所述摄像机安装于所述机体内，所述水下感应运行控制器分别所述电机调速控制器及所述摄像机电连接并且通过电缆与所述水面漂浮控制箱连接，四个所述无刷潜水电机分别安装于所述机体前、后及左、右，各所述无刷潜水电机分别与所述电机调速控制器电连接，所述螺旋桨的中心轴水平地安装于所述无刷潜水电机的输出端。

与现有技术相比，本实用新型在所述机体上设置无刷潜水电机，在所述无刷潜水电机的输出端连接螺旋桨，并且使所述螺旋桨的中心轴水平地安装，通过设置所述水下感应运行控制器及所述电机调速控制器，利用所述水下感应运行控制器控制所述电机调速控制器，使所述电机调速控制器分别驱动各个无刷潜水电机转动，当各个无刷潜水电机的转速不同时会驱使所述水下机器人产生不同的运动状态，从而实现下潜、上浮、前进、后退、悬停、转向及自转等动作；并将所述水下机器人与所述水面漂浮控制箱电连接，只需通过无线遥控器与所述所述水面漂浮控制箱通讯，即可实现控制所述水下机器人，因此，本实用新型具有结构简单，成本低，通过所述水下感应运行控制器及所述电机调速控制器自动调节各螺旋桨的转速实现自稳，从而使其航行稳定、控制方便，实现在水下航行的各种运动状态。

较佳地，所述水面漂浮控制箱包括图传发射机、遥控接收机及动力锂电池，所述图传发射机、所述遥控接收机及动力锂电池分别与所述水下感应运行控制器电连接。通过设置图传发射机、摇迭接收机，可以实现岸上与水下之间的无线通讯连接，从而实时控制所述水下机器人，而所述水下机器人则向岸上实时回传图像。

较佳地，所述水下感应运行控制器具有CPU和具有电子陀螺仪、电子罗盘、加速度感应器、水压传感器及地磁感应器中的一种或多种。通过设置多种感应元件，可以使所述水下机器人实现自我稳定及自动控制，从而使岸上人员控制更加简单、方便。

较佳地，所述机体包括主体及透明防水外壳，所述透明防水外壳密封于所述水下感应运行控制器、所述电机调速控制器及所述摄像机外；所述主体承载所述无刷潜水电机。

较佳地，所述水下机器人还包括机械手，所述机械手安装于所述机体外并与所述水下感应运行控制器电连接。通过设置机械手，所述机械手能在水下进行简单的作业，使所述水下机器人功能更强大。

较佳地，所述摄像机通过云台安装于所述机体上。设置所述云台可以使所述摄像机的摄影角度大大增大，实现灵活拍摄。

较佳地，所述水下机器人还包括声纳和/或图像定位系统。设置所述声纳和/或图像定位系统可以实现自行探测及锁定目标。

较佳地，所述无刷潜水电机为全浸入式，所述无刷潜水电机的转子的线圈采用双绝缘漆包线，定子矽钢片在绕好线圈后用硅胶密封，永磁片及轴承密封在机身上，外接线直接用所述线圈的漆包线延到机器内部，在固定不动的线上做灌硅胶密封，所述无刷潜水电机没有中空部分，在水深多少时都不受影响。

附图说明

图1是本实用新型水下多轴机器人的结构示意图。

图2是本实用新型水下多轴机器人垂直上下运动时各螺旋桨的转速示意图。

图3是本实用新型水下多轴机器人前后运动时各螺旋桨的转速示意图。

图4是本实用新型水下多轴机器人左右运动时各螺旋桨的转速示意图。

图5是本实用新型水下多轴机器人自转运动时各螺旋桨的转速示意图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1所示，本实用新型水下多轴机器人100包括水面漂浮控制箱1及水下机器人2；所述水面漂浮控制箱1包括图传发射机11、遥控接收机12及动力锂电池13；所述水下机器人2包括机体21、水下感应运行控制器22、电机调速控制器23、摄像机24、四个无刷潜水电机25及螺旋桨a、b、c、d；所述图传发射机11、所述遥控接收机12及动力锂电池13分别与所述水下感应运行控制22器电连接，所述动力锂电池13为所述图传发射机11、遥控接收机12以及所述水下机器人2供电。通过设置图传发射机11、摇迭接收机12，可以实现岸上与水下之间的无线通讯连接，从而实时控制所述水下机器人2，而所述水下机器人2则向岸上实时回传图像。所述水下感应运行控制器22、所述电机调速控制器23及所述摄像机24安装于所述机体21内。所述机体21包括主体21a及透明防水外壳21b，所述透明防水外壳21b密封于所述水下感应运行控制器22、所述电机调速控制器23及所述摄像机24外。所述水下感应运行控制器22分别与所述电机调速控制器23及所述摄像机24电连接，并且所述水下感应运行控制器22通过电缆3与所述水面漂浮控制箱1的图传发射机11、遥控接收机12及动力锂电池13电连接，四个所述无刷潜水电机25分别安装于所述机体21前、后及左、右，各所述无刷潜水电机25分别与所述电机调速控制器23电连接，所述电机调速控制器23将直流电变为三相交流电，从而通过控制电压进而控制各个无刷潜水电机25以不同的转速转动；各个螺旋桨的中心轴水平地安装于所述无刷潜水电机25的输出端，使得所有螺旋桨a、b、c、d呈竖直设置。所述摄像机24与所述主体21a之间设有云台26，所述云台26可以使所述摄像机24的摄影角度大大增大，实现灵活拍摄。

所述无刷潜水电机25的转子的线圈采用双绝缘漆包线，定子矽钢片在绕好线圈后用硅胶密封，永磁片密封在机身上，轴承采用不锈钢，机身为铝合金。外接线直接用线圈的漆包线延到机器内部，在固定不动的线上做灌硅胶密封。因此整个无刷潜水电机25都可浸泡在水里，由于没有中空部分，在水深多少时都不受影响。

所述水下感应运行控制器22具有CPU、电子陀螺仪、电子罗盘、加速度感应器、水压传感器及地磁感应器。通过设置多种感应元件，感应元件可以探测到所述水下机器人2当前的状态，从而通过CPU的计算，以及电机调速控制器23的调节控制各个无刷潜水电机25的转动速度，进而可以使所述水下机器人2实现自我稳定及自动控制，从而使岸上人员控制更加简单、方便。

所述水下机器人2还包括机械手(图中未示)，所述机械手安装于所述机体21外并与所述水下感应运行控制器22电连接。通过设置机械手，所述机械手能在水下进行简单的作业，使所述水下机器人2功能更强大。

综合上述，下面对本实用新型水下多轴机器人100的工作原理进行详细描述，如下：

工作过程中，所述水下机器人2需要调整潜航状态时，操作人员在岸上操作遥控器，遥控器的指令被无线发送出去后，漂浮于水面的水面漂浮控制箱1内的遥控接收机12接收信号，然后将信号输送到CPU，CPU控制所述电机调速控制器23，所述电机调速控制器23则调节各个无刷潜水电机25的转速，这时，整个所述水下机器人2则实现潜航姿态的调整。同时，当需要调整所述摄像机24的摄影角度时，则通过岸上指令控制云台26的动作，实现对所述摄像机24的位置调整。

为了避免水流的影响以及方便操作人员的操作，所述水下机器人2在水中具有自动稳定的功能，其是通过所述电子陀螺仪、电子罗盘、加速度感应器、水压传感器及地磁感应器等探测周围环境或检测自身姿态后，通过CPU控制所述电机调整控制器23，进而通过PID控制算法调节各个所述无刷潜水电机25的转速，实现自动稳定的，上述所述的PID控制算法为现有技术，在此不再详细描述。

下面简单介绍各个螺旋桨a、b、c、d的不同转速使所述水下机器人2实现不同的航行状态，请参阅图2-图5所示，图中三种向下的箭头均代表转速，三种转速的大小为：转速A大于转速B，转速B大于转速C。

1.垂直运动；

如图2所示，螺旋桨a、c逆时针转动，螺旋桨b、d顺时针转动，且同时增加四个无刷潜水电机25的输出功率，使四个螺旋桨a、b、c、d的转速为B，转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的浮力时，所述水下机器人2便垂直下潜；反之，同时减小四个无刷潜水电机25的输出功率，当总拉力小于浮力时，所述水下机器人2便在浮力作用下上浮，直至水面，实现了垂直运动。当外界扰动量为零时，总拉力等于浮力时，所述水下机器人2保持悬浮状态。

2.前后运动；

如图3所示，螺旋桨a、c逆时针转动，螺旋桨b、d顺时针转动，且使螺旋桨a的转速上升，转速为A，螺旋桨c的转速下降，转速为C，(两者的转速改变量大小应相等，螺旋桨b、螺旋桨d的转速保持不变，转速为B；此时，由于螺旋桨a的升力上升，螺旋桨c的升力下降，产生的不平衡力矩使机身向前运动。同理，当螺旋桨a的转速下降，螺旋桨c的转速上升，机身向后运动，实现所述水下机器人2的前后运动。

3.左右运动；

如图4所示，螺旋桨a、c逆时针转动，螺旋桨b、d顺时针转动，且使螺旋桨d的转速上升，转速为A，螺旋桨b的转速下降，转速为C，(两者的转速改变量大小应相等，螺旋桨a、螺旋桨c的转速保持不变，转速为B；此时，由于螺旋桨d的升力上升，螺旋桨b的升力下降，产生的不平衡力矩使机身向右运动。同理，当螺旋桨d的转速下降，螺旋桨b的转速上升，机身向左运动，实现所述水下机器人2的左右运动。

4.自转运动；

如图5所示，螺旋桨a、c逆时针转动，螺旋桨b、d顺时针转动，螺旋桨转动过程中由于水的阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，反扭矩的大小与桨转速有关，当四个螺旋桨a、b、c、d的转速相同时，产生的四个反扭矩相互平衡，所述水下机器人2不发生转动；当螺旋桨a、b、c、d转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起所述水下机器人2转动。在图中，当螺旋桨a和螺旋桨c的转速上升，转速为A，螺旋桨b和螺旋桨d的转速下降，转速为C时，螺旋桨a和螺旋桨c对机身的反扭矩大于螺旋桨b和螺旋桨d对机身的反扭矩，机身便在反扭矩的作用下自转，实现所述水下机器人2的顺时针或逆时针的运动。

与现有技术相比，本实用新型在所述机体21上设置无刷潜水电机25，在所述无刷潜水电机25的输出端连接螺旋桨a、b、c、d，并且使所述螺旋桨a、b、c、d的中心轴水平地安装，通过设置所述水下感应运行控制器22及所述电机调速控制器23，利用所述水下感应运行控制器22控制所述电机调速控制器23，使所述电机调速控制器23分别驱动各个无刷潜水电机25转动，当各个无刷潜水电机25的转速不同时会驱使所述水下机器人2产生不同的运动状态，从而实现下潜、上浮、前进、后退、悬停、转向及自转等动作；并将所述水下机器人2与所述水面漂浮控制箱1电连接，只需通过无线遥控器与所述所述水面漂浮控制箱1通讯，即可实现控制所述水下机器人2，因此，本实用新型具有结构简单，成本低，通过所述水下感应运行控制器22及所述电机调速控制器23自动调节各螺旋桨的转速实现自稳，从而使其航行稳定、控制方便，实现在水下航行的各种运动状态。

本实用新型水下多轴机器人2所涉及到的水下感应运行控制器22、电机调速控制器23控制的控制方法均为本领域普通技术人员所熟知，在此不再做详细的说明。

以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属于本实用新型所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种水下多轴机器人，其特征在于：包括水面漂浮控制箱及水下机器人，所述水下机器人包括机体、水下感应运行控制器、电机调速控制器、摄像机、四个无刷潜水电机及螺旋桨，所述水下感应运行控制器、所述电机调速控制器及所述摄像机安装于所述机体内，所述水下感应运行控制器分别所述电机调速控制器及所述摄像机电连接并且通过电缆与所述水面漂浮控制箱连接，四个所述无刷潜水电机分别安装于所述机体前、后及左、右，各所述无刷潜水电机分别与所述电机调速控制器电连接，所述螺旋桨的中心轴水平地安装于所述无刷潜水电机的输出端。

2.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述水面漂浮控制箱包括图传发射机、遥控接收机及动力锂电池，所述图传发射机、所述遥控接收机及动力锂电池分别与所述水下感应运行控制器电连接。

3.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述水下感应运行控制器具有CPU和具有电子陀螺仪、电子罗盘、加速度感应器、水压传感器及地磁感应器中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述机体包括主体及透明防水外壳，所述透明防水外壳密封于所述水下感应运行控制器、所述电机调速控制器及所述摄像机外；所述主体承载所述无刷潜水电机。

5.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述水下机器人还包括机械手，所述机械手安装于所述机体外并与所述水下感应运行控制器电连接。

6.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述摄像机通过云台安装于所述机体上。

7.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述水下机器人还包括声纳和/或图像定位系统。

8.如权利要求1所述的水下多轴机器人，其特征在于：所述无刷潜水电机为全浸入式，所述无刷潜水电机的转子的线圈采用双绝缘漆包线，定子矽钢片在绕好线圈后用硅胶密封，永磁片及轴承密封在机身上，外接线直接用所述线圈的漆包线延到机器内部，在固定不动的线上做灌硅胶密封，所述无刷潜水电机没有中空部分，在水深多少时都不受影响。