CN211996097U - 基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于舵‑天线‑机械臂复合的自主水下机器人，采用多舱段结构设计，在传动舱段总成的左右两侧对应的设置有左悬臂和右悬臂，正常航行时左悬臂和右悬臂上下沿其对应的舵轴摆动，起到舵的作用，实现机器人的潜浮控制，并可实现无线通讯和抓取作业；尾舱总成的上下两侧对应的安装有垂直舵，垂直舵沿其旋翼轴摆动，实现机器人的航向控制，通过前部悬臂及尾部垂直舵的设计，实现前后分散的十字舵控制方式。本方案针对AUV的结构提出了全新的设计思路，对于左右悬臂，使其中一个兼具运动和天线功能，另一个兼具运动和机械手作业功能，整体结构设计新颖，且无多余附体；改进设计后的AUV在增加其作业能力的同时提升其航行性能，保证功能实现同时最大化降低水中航行阻力。
Description
技术领域
本实用新型涉及海洋与水文调查仪器设备领域，具体涉及一种基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人。
背景技术
世界上所有的AUV都具有流线的类似鱼雷外形，中文称之为自主水下航行器、自主潜航器，以水下调查和观测为主要任务功能。其结构设计首先考虑的是要利于航行性能的提升，AUV的主要结构形式有两种：鳍舵式和矢量式，其中鳍舵式是主流形式，主要组成部分为鱼雷圆柱体+天线等小件附体+多片尾舵+尾部推进器。
AUV的结构设计不利于配备水下机械手臂，也即不具有水下作业能力。目前，虽然有极少数AUV安装了机械手臂，具备一些的水下作业能力，但是，机械手臂作为一种AUV附体，阻力较大，不利于AUV航行性能，而且，传统的水下机械手臂和AUV本体在结构上难以做到协调统一，很大程度上破坏了AUV的流线外形，具体应用时也存在着很大局限。
另外，天线是传统AUV中不可缺少的重要功能部件，主要为AUV实现无线电通信(数传电台、Wifi通信、卫星通信或4G通信)和GPS/北斗全球定位功能。在AUV水下航行时，由于在海水中无线电衰减很快，基本无法传播，天线实际上是不使用的，而实际在水下航行时，即使不使用，天线也保持直立状态，这势必成为AUV航行阻力。
针对现有AUV结构机械手臂及天线设计上存在的缺陷，亟待提出一种舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，以增加AUV的作业能力，并同时提升其航行性能。
实用新型内容
本实用新型提出一种基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人,使得AUV增加作业能力，并提升航行性能。
本实用新型是采用以下的技术方案实现的：一种基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，采用多舱段结构设计，从前向后包括依次密封连接的艏部总成、传动舱段总成、电子舱段总成、电池舱段总成和尾舱总成，在传动舱段总成的左右两侧对应的设置有左悬臂和右悬臂：
所述左悬臂包括左水平舵和天线旋翼，左水平舵和天线旋翼密封连接，天线旋翼内设置有通信模块，所述通信模块包括GPS定位模块、无线模块和WIFI模块，通信模块与电子舱段总成电连接；所述右旋臂包括右水平舵和机械爪，机械爪连接在右水平舵的尾端；
所述传动舱段总成的传动舱体内的左右两侧分别对应的设置有左舵机、左主动齿轮、左从动齿轮和左舵轴以及右舵机、右主动齿轮、右从动齿轮和右舵轴，左舵机和右舵机通过舵机支架固定在传动舱体内；左舵机的输出轴与左主动齿轮连接，左从动齿轮与左主动齿轮机械啮合，左舵轴的一端与左从动齿轮固定连接、另一端与左水平舵固定连接；右舵机的输出轴与右主动齿轮连接，右从动齿轮与右主动齿轮机械啮合，右舵轴的一端与右从动齿轮固定连接、另一端与右水平舵固定连接。
进一步的，所述左悬臂和右旋臂均采用相同的NACA曲线拉伸而成，分别作为水下航行器的左水平舵和右水平舵，控制水下航行器的升降，且右水平舵、左水平舵、天线旋翼均采用光敏树脂材料制作。
进一步的，所述尾舱总成的上下两侧对应的安装有垂直舵，垂直舵的摆动方向与左悬臂和右旋臂的摆动方向正交，通过前部悬臂及尾部垂直舵的设计，实现前后分散的十字舵控制。
进一步的，所述左旋臂的工作行程为绕左舵轴旋转210°-225°，其极限位置分别是天线旋翼的翼尖朝前并与自主水下机器人整体在同一直线，和天线旋翼的翼尖朝后下方并与自主水下机器人整体偏差30°-45°，机器人在水面航行时，可以旋转升起天线旋翼同岸上控制单元进行通信，接收控制指令。
进一步的，所述右旋臂的工作行程为绕右舵轴旋转210°-225°，其极限位置分别是机械爪朝前并与自主水下机器人整体同一直线，和机械爪朝后下方并与自主水下机器人整体偏差30°-45°。
进一步的，所述艏部总成包括头舱和设置在头舱内的摄像头，头舱的外侧设置有U型保护罩，所述头舱为一透明的半椭圆型球罩，以降低在水下航行时的阻力，头舱采用透明亚克力抛光后制作，在保证强度与表面光滑度的同时实现透明，U型保护罩为一卷曲形成U型的扁平的铝条。
进一步的，所述尾舱总成的外壳采用MYRING曲线旋转而成的流线型外壳，降低在水下航行时的阻力并为螺旋桨导流。
进一步的，为了保证机器人能最大下潜到100米的水下(100米水深相当于1Mpa的水压力)，自主水下机器人采用的多舱段舱体结构内部沿其周向还设置有若干圆环型的加强筋，以起到加强支撑的作用。
进一步的，所述传动舱段总成的外壳、电子舱段总成的外壳、电池舱段总成的外壳和尾舱总成的外壳均使用光敏树脂材料制作。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：
本方案针对AUV的结构提出了全新的设计思路，将天线和机械臂作为左右水平舵进行设计，即将AUV一侧原本只作为运动功能的主要部件舵的结构进行改进，使其同时兼具天线功能；同时，将AUV另一侧原本只作为运动功能的主要部件舵的结构进行改进，使其同时兼具水下机械手作业功能，整体结构设计新颖，且无多余附体；
另外，AUV的整体结构整体绝大部分的零件用光敏树脂材料3D打印而成，材料轻盈，加工简单、替换方便；改进设计后的AUV在增加其作业能力的同时提升其航行性能，保证功能实现同时最大化降低水中航行阻力。
附图说明
图1为本实用新型实施例所述自主水下机器人(AUV)的整体结构示意图；
图2为图1中左悬臂和右悬臂水平状态时的结构示意图；
图3为图1中左悬臂的结构示意图；
图4为图1中右旋臂及舵轴的连接结构示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例。
水下机器人系统一般由机器人本体和岸上控制单元组成，岸上控制单位包含控制箱及遥控手柄，机器人可以进行水面及水下航行，水面航行时机器人实时的与岸上的控制单元通信，遥控人员可以通过手柄遥控机器人水面航行，机器人也可以通过GPS进行定位，显示位置信息；执行水下航行任务前，操控人员将预定的航行轨迹和航行时间通过无线通信方式发送给机器人，机器人接收到指令后下潜进行水下航行，同时进行水下摄像并且进行简单图像识别，如果发现目标物，机器人航行到目标物前方，伸出机械臂，进行抓取作业。
具体的，本实施例中提出一种基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，水下机器人采用流线外形结构设计，如图1和2所示，自主水下机器人采用多舱段结构，从前向后包括依次密封连接的艏部总成1、传动舱段总成2、电子舱段总成4、电池舱段总成5和尾舱总成6，在传动舱段总成2的左右两侧对应的设置有左悬臂10和右悬臂3，正常航行时左悬臂10和右悬臂3上下沿其对应的舵轴摆动，起到舵的作用，实现机器人的潜浮控制，并可实现无线通讯和抓取作业；尾舱总成6的上下两侧对应的安装有垂直舵7，垂直舵7沿其旋翼轴摆动，实现机器人的航向控制，通过前部悬臂及尾部垂直舵的设计，实现前后分散的十字舵控制方式。
所述艏部总成1包括头舱和设置在头舱内的摄像头，头舱的外侧设置有U型保护罩，所述头舱为一透明的半椭圆型球罩，以降低在水下航行时的阻力，头舱采用透明亚克力抛光后制作，在保证强度与表面光滑度的同时实现透明，U型保护罩为一卷曲形成U型的扁平的铝条，用于保护头舱，摄像头透过透明头舱获取影像资料。
本方案创新性地提出了多功能旋臂设计理念，左旋臂10具有水平左舵及天线桅杆的功能，右旋臂3具有水平右舵及机械手功能，且左悬臂10和右旋臂3均采用相同的NACA曲线拉伸而成，分别作为水下航行器的左水平舵和右水平舵，控制水下航行器的升降，具体的：
如图3所示，左悬臂10包括左水平舵10a和天线旋翼10b，天线旋翼10b内设置有GPS定位、无线模块、WIFi模块等通信模块，左水平舵10a和天线旋翼10b相连，形成一个整体天线旋翼，两者之间设置有O型圈10c，以保证左旋臂整体水密，左旋臂整体是一个分体式设计，这种分体式设计能最大化通信模块安装的方便性，在左水平舵10a上还设置有穿线螺栓9及穿线螺母9a，目的是将左旋臂内的通信模块的电源线及信号线在保证整体水密的情况下引到传动舱段总成内，然后再与电子舱总成内的控制模块等点连接，左旋臂10的工作行程为绕舵轴旋转210°，其极限位置分别是翼尖朝前并与水下航行器整体同一直线，和翼尖朝后下并与水下航行器整体偏差30°，机器人在水面航行时，可以旋转升起天线旋翼同岸上控制单元进行通信，接收控制指令。
如图4所示，右旋臂3包括右水平舵3a和机械爪3b，机械爪3b为可直接购买的成熟产品，连接在右水平舵的尾端，通过安装在右水平舵3a内的防水舵机控制，通过控制机械爪3b的开合可以松开和抓取物体，配合尾部推进器8的前进自由度，实现目标抓取功能，其工作行程为绕舵轴旋转210°，其极限位置分别是机械爪朝前并与水下航行器整体同一直线，和机械爪朝后下并与水下航行器整体偏差30°。
下面以右旋臂3为例对其结构安装关系进行说明，左悬臂10的结构安装关系与右旋臂3相同，在此不做详细说明，具体的，如图4所示，在传动舱段总成2的传动舱体内设置有右舵机12、右主动齿轮14、右从动齿轮13以及右舵轴11，右舵机12通过舵机支架15固定在传动舱体内，右舵机12的输出轴与右主动齿轮14连接，右从动齿轮13与右主动齿轮14机械啮合，右舵轴11的一端与右从动齿轮13固定连接，右舵轴11的另一端与右旋臂3固定连接，通过右舵机12输出轴的转动来控制右旋臂3动作，比如，当右舵机顺时针旋转时，右主动齿轮14也顺时针转动，而右从动齿轮13逆时针转动，进而可以控制右旋臂3以右舵轴11为轴进行转动，反之亦然，进而实现控制。
继续参考图1，艏部总成1、传动舱段总成2、电子舱段总成4、电池舱段总成5和尾舱总成6之间通过O型密封圈防水密封，其中，尾舱总成6的外壳采用MYRING曲线旋转而成的流线型外壳，降低在水下航行时的阻力并为螺旋桨导流，且为了保证机器人能最大下潜到100米的水下(100米水深相当于1Mpa的水压力)，在多舱段舱体结构内部沿其周向设置有若干圆环型的加强筋，以起到加强支撑的作用。
另外，传动舱段总成2的外壳、电子舱段总成4的外壳、电池舱段总成5的外壳、尾舱总成6的外壳、右水平舵3a和左水平舵10a、天线旋翼10b均使用光敏树脂材料3D打印而成，材料轻盈，加工简单。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，采用多舱段结构设计，从前向后包括依次密封连接的艏部总成(1)、传动舱段总成(2)、电子舱段总成(4)、电池舱段总成(5)和尾舱总成(6)，在传动舱段总成(2)的左右两侧对应的设置有左悬臂(10)和右悬臂(3)，其特征在于：
所述左悬臂(10)包括左水平舵(10a)和天线旋翼(10b)，左水平舵(10a)和天线旋翼(10b)相连，天线旋翼(10b)内设置有通信模块；所述右悬臂(3)包括右水平舵(3a)和机械爪(3b)，机械爪(3b)连接在右水平舵的尾端；
所述传动舱段总成(2)的传动舱体内的左右两侧分别对应的设置有左舵机、左主动齿轮、左从动齿轮和左舵轴以及右舵机、右主动齿轮、右从动齿轮和右舵轴，左舵机和右舵机通过舵机支架固定在传动舱体内；左舵机的输出轴与左主动齿轮连接，左从动齿轮与左主动齿轮机械啮合，左舵轴的一端与左从动齿轮固定连接、另一端与左水平舵(10a)固定连接；右舵机的输出轴与右主动齿轮连接，右从动齿轮与右主动齿轮机械啮合，右舵轴的一端与右从动齿轮固定连接、另一端与右水平舵(3a)固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述左悬臂(10)和右悬臂(3)均采用相同的NACA曲线拉伸而成，且右水平舵(3a)、左水平舵(10a)、天线旋翼(10b)均采用光敏树脂材料制作。
3.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述尾舱总成(6)的上下两侧对应的安装有垂直舵(7)，垂直舵(7)的摆动方向与左悬臂(10)和右悬臂(3)的摆动方向正交。
4.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述左悬臂(10)的工作行程为绕左舵轴旋转210°-225°，其极限位置分别是天线旋翼的翼尖朝前并与自主水下机器人整体在同一直线，和天线旋翼的翼尖朝后下方并与自主水下机器人整体偏差30°-45°。
5.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述右悬臂(3)的工作行程为绕右舵轴旋转210°-225°，其极限位置分别是机械爪朝前并与自主水下机器人整体同一直线，和机械爪朝后下方并与自主水下机器人整体偏差30°-45°。
6.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述艏部总成(1)包括头舱和设置在头舱内的摄像头，头舱的外侧设置有U型保护罩，所述头舱为一透明的半椭圆型球罩。
7.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述尾舱总成(6)的外壳采用MYRING曲线旋转而成的流线型外壳。
8.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：自主水下机器人采用的多舱段舱体结构内部沿其周向还设置有若干圆环型的加强筋。
9.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述传动舱段总成(2)的外壳、电子舱段总成(4)的外壳、电池舱段总成(5)的外壳和尾舱总成(6)的外壳均使用光敏树脂材料制作。
10.根据权利要求1所述的基于舵-天线-机械臂复合的自主水下机器人，其特征在于：所述通信模块包括GPS定位模块、无线模块和WIFI模块。
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Cited By (1)
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| CN114954870A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-30 | 哈尔滨工程大学 | 一种用于便携式auv的柔性复合天线舵翼系统 |
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2020
- 2020-03-30 CN CN202020429884.3U patent/CN211996097U/zh not_active Expired - Fee Related
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