CN213168498U

CN213168498U - 万米级模块化水下机器人

Info

Publication number: CN213168498U
Application number: CN202021558573.3U
Authority: CN
Inventors: 杜照鹏; 蔺本浩; 赵晓
Original assignee: Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Development Center
Current assignee: Qingdao Marine Science And Technology Center
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2030-07-30

Abstract

本实用新型提出一种万米级模块化水下机器人，属于海洋工程技术领域，其整体采用分组模块化的设计，各模块均采用透水性开放式结构，模块中各任务载荷舱单独密封，承压能力好、易维护和改装。该万米级模块化水下机器人包括艏部模块、中间段模块和艉部模块；艏部模块包括艏部框架，艏部框架包覆有艏部整流罩和艏部蒙皮；中间段模块包括中间段框架，中间段框架外包覆有中间段蒙皮；艉部模块包括艉部框架，艉部框架连接有全海深推进器，艉部框架外包覆有艉部整流罩和艉部蒙皮；艏部框架、中间段框架和艉部框架依次连接，艏部框架、中间段框架和艉部框架的上部均填充有固体浮力材料，下部为仪器安装区，仪器安装区内分别安装有单独密封的功能舱。

Description

万米级模块化水下机器人

技术领域

本实用新型属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种万米级模块化水下机器人。

背景技术

认识海洋、开发海洋需要各种高技术手段，而无缆水下机器人(AUV)是目前人类探索开发海洋最重要的技术装备之一。随着我国对深海大洋进一步探测和开发，万米级AUV对构建实时立体多学科综合观测系统，带动相关配套技术和设备的发展，促进深海科学研究的进步有着重要意义。

虽然，万米深水的承压和密封技术在很多产品上得到了突破，但大量的实际应用表明：针对万米级AUV，万米深水环境极易造成其承压失效，导致AUV与采集数据的双重丢失。同时，AUV在万米环境下多任务单元快速扩展、续航能力升级的改装难度较大。为了提高万米级AUV的扩展能力，有的采用模块化的设计方式，将万米级AUV分割为多个模块，对每个模块进行单独密封，然而，这种现有万米级模块化AUV，其每个模块的承压要求仍然较高、密封难度较大，而且对每个密封模块进行改装和维护的难度较大。

因而，如何提供一种承压能力好、易维护和改装的万米级模块化水下机器人，以满足万米深海下潜、水下自主航行、深海地质、微生物和化学环境科学探索需求，是当前急需解决的一项技术问题。

实用新型内容

本实用新型针对上述的技术问题，提出一种万米级模块化水下机器人，其整体采用分组模块化的设计，各模块均采用透水性开放式结构，模块中各任务载荷舱单独密封，降低了密封难度，万米抗压能力强，而且，便于对各模块进行改装和维护，提高了水下机器人在万米深海中作业的通用性。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

万米级模块化水下机器人，包括艏部模块、中间段模块和艉部模块；所述艏部模块包括艏部框架，所述艏部框架靠近艏部的一端包覆有艏部整流罩，所述艏部框架的剩余部分包覆有艏部蒙皮，所述艏部框架内的上部空间填充有艏部固体浮力材料，所述艏部框架内的下部空间为艏部仪器安装区；所述中间段模块包括中间段框架，所述中间段框架外包覆有中间段蒙皮，所述中间段框架内的上部空间填充有中间段固体浮力材料，所述中间段框架内的下部空间为中间段仪器安装区；所述艉部模块包括艉部框架，所述艉部框架靠近艉部的一端连接有全海深推进器，所述艉部框架外靠近全海深推进器的部分包覆有艉部整流罩，所述艉部框架的剩余部分包覆有艉部蒙皮，所述艉部框架内的上部空间填充有艉部固体浮力材料，所述艉部框架内的下部空间为艉部仪器安装区；所述艏部框架、中间段框架和艉部框架依次连接；所述艏部仪器安装区、中间段仪器安装区和艉部仪器安装区内分别安装有单独密封的功能舱。

作为优选，所述中间段框架的下部可拆卸连接有仪器安装架，所述中间段仪器安装区内安装的功能舱安装于所述仪器安装架上。

作为优选，所述功能舱包括舱筒和盖合于所述舱筒轴向两端的两个端盖，所述端盖面向所述舱筒一侧的外边缘与所述舱筒的端面相贴合并通过螺栓连接于所述舱筒的端面，所述端盖面向所述舱筒一侧的中部具有插入所述舱筒端部内的密封凸台，所述密封凸台与舱筒内壁之间设有第一密封圈；所述舱筒和端盖均采用耐压材质制作。

作为优选，所述端盖面向所述舱筒一侧的外边缘与所述舱筒端面之间设有第二密封圈。

作为优选，所述艏部仪器安装区内安装的功能舱包括一级抛载舱，所述中间段仪器安装区内安装的功能舱包括电池舱、惯导舱、二级抛载舱和主控舱，所述艉部仪器安装区内安装的功能舱包括推进器驱动舱。

作为优选，所述艏部仪器安装区还安装有全海深摄像机、高度计和万米照明灯，所述中间段仪器安装区还安装有万米浮力调节装置和温盐深传感器，所述艉部仪器安装区还安装有油补偿器。

作为优选，所述艏部固体浮力材料内安装有第一信标机，所述中间段固体浮力材料内安装有第二信标机。

作为优选，所述第一信标机为无线电信标机，所述第二信标机为铱星信标机。

作为优选，所述艏部蒙皮包括包覆于所述艏部框架上部的艏部上蒙皮，以及包覆于所述艏部框架下部的艏部下蒙皮；所述中间段蒙皮包括包覆于所述中间段框架上部的中间段上蒙皮，以及包覆于所述中间段框架下部的中间段下蒙皮；所述艉部蒙皮包括包覆于所述艉部框架上部的艉部上蒙皮，以及包覆于所述艉部框架下部的艉部下蒙皮。

作为优选，所述艉部模块还包括连接于所述艉部框架上方的第一舵机，以及相对于所述艉部模块的中心面对称连接于所述艉部框架两侧的第二舵机和第三舵机。

与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果在于：

1、本实用新型提供的万米级模块化水下机器人，其整体采用分组模块化设计，各模块的框架外包覆蒙皮，蒙皮仅起到导流降阻作用，为非密封结构，蒙皮与框架间存在间隙，海水可流入内部，构成透水性开放式结构，实现各模块内外压平衡，有利于降低结构失效风险；

2、本实用新型提供的万米级模块化水下机器人，其各模块内安装的功能舱均为单独密封，由于功能舱体积相对较小，大大降低了密封难度，而且功能舱单独密封，可根据不同作业需求对特定模块内的功能舱进行调整，从而降低了改装和维护难度，有利于提高水下机器人在万米深海中作业的通用性；

3、本实用新型提供的万米级模块化水下机器人，其各模块采用固体浮力材料在上、仪器安装区在下的方式布置，使浮心在重心之上，有利于保持水下机器人在水中的静态稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人的立体图；

图2为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中艏部模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中间段模块的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中艉部模块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中艏部框架、中间段框架和艉部框架的装配示意图；

图6为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中中间段固体浮力材料与中间段框架的装配示意图；

图7为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中艉部框架与全海深推进器和舵机的装配示意图；

图8为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中仪器安装架与中间段仪器安装区内的功能舱和仪器的装配示意图；

图9为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中一级抛载舱的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中电池舱的结构示意图；

图11为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中惯导舱的结构示意图；

图12为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中主控舱的结构示意图；

图13为本实用新型实施例提供的万米级模块化水下机器人中推进器驱动舱的结构示意图；

以上各图中：1、艏部模块；101、艏部框架；102、艏部整流罩；103、艏部蒙皮；1031、艏部上蒙皮；1032、艏部下蒙皮；104、艏部固体浮力材料；105、全海深摄像机；106、高度计；107、万米照明灯；108、一级抛载舱；1081、一级抛载舱舱筒；1082、一级抛载舱端盖；1083、一级抛载舱第一密封圈；1084、一级抛载舱第二密封圈；109、无线电信标机；

2、中间段模块；201、中间段框架；202、中间段蒙皮；2021、中间段上蒙皮；2022、中间段下蒙皮；203、中间段固体浮力材料；204、电池舱；2041、电池舱舱筒；2042、电池舱端盖；2043、电池舱第一密封圈；2044、电池舱第二密封圈；205、万米浮力调节装置；206、惯导舱；2061、惯导舱舱筒；2062、惯导舱端盖；2063、惯导舱第一密封圈；207、二级抛载舱；208、主控舱；2081、主控舱舱筒；2082、主控舱端盖；2083、主控舱第一密封圈；2084、主控舱第二密封圈；209、温盐深传感器；210、铱星信标机；211、仪器安装架；212、预埋螺母；213、螺钉；

3、艉部模块；301、艉部框架；302、全海深推进器；303、艉部整流罩；304、艉部蒙皮；3041、艉部上蒙皮；3042、艉部下蒙皮；305、艉部固体浮力材料；306、油补偿器；307、推进器驱动舱；3071、推进器驱动舱舱筒；3072、推进器驱动舱端盖；3073、推进器驱动舱第一密封圈；3074、推进器驱动舱第二密封圈；308、第一舵机；309、第二舵机；310、第三舵机。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，以水下机器人的艏部为前、艉部为后；术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图3-4所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-图8所示，本实用新型实施例涉及一种万米级模块化水下机器人，包括艏部模块1、中间段模块2和艉部模块3；艏部模块1包括艏部框架101，艏部框架101靠近艏部的一端包覆有艏部整流罩102，艏部框架101的剩余部分包覆有艏部蒙皮103，艏部框架101内的上部空间填充有艏部固体浮力材料104，艏部框架101内的下部空间为艏部仪器安装区；中间段模块2包括中间段框架201，中间段框架201外包覆有中间段蒙皮202，中间段框架201内的上部空间填充有中间段固体浮力材料203，中间段框架201内的下部空间为中间段仪器安装区；艉部模块3包括艉部框架301，艉部框架301靠近艉部的一端连接有全海深推进器302，艉部框架301外靠近全海深推进器302的部分包覆有艉部整流罩303，艉部框架301的剩余部分包覆有艉部蒙皮304，艉部框架301内的上部空间填充有艉部固体浮力材料305，艉部框架301内的下部空间为艉部仪器安装区；艏部框架101、中间段框架201和艉部框架301依次连接；艏部仪器安装区、中间段仪器安装区和艉部仪器安装区内分别安装有单独密封的功能舱。

上述万米级模块化水下机器人，其整体采用分组模块化设计，各模块的框架外包覆蒙皮，蒙皮仅起到导流降阻作用，为非密封结构，蒙皮与框架间存在间隙，海水可流入内部，构成透水性开放式结构，实现各模块内外压平衡，有利于降低结构失效风险。同时，上述万米级模块化水下机器人，其各模块内安装的功能舱均为单独密封，由于功能舱体积相对较小，大大降低了密封难度(尺寸越大，抗压要求壁厚越大)，而且功能舱单独密封，可根据不同作业需求对特定模块内的功能舱进行调整，从而降低了改装和维护难度，有利于提高水下机器人在万米深海中作业的通用性。此外，上述万米级模块化水下机器人，其各模块采用固体浮力材料在上、仪器安装区在下的方式布置，使浮心在重心之上，有利于保持水下机器人在水中的静态稳定。

为了降低航行阻力、减少能源消耗，如图1所示，上述万米级模块化水下机器人采用Myring线型，其艏部模块1的前部横截面为圆形、后部横截面由圆形至带圆角的方形平滑过渡，中间段模块2的横截面为带圆角的方形。本实施例中，上述万米级模块化水下机器人的宽度为840mm，长度为6500mm，质量为1780kg。

如图5所示，本实施例中，艏部框架101和中间段框架201之间的连接、以及中间段框架201和艉部框架301之间的连接均为法兰连接，且艏部框架101、中间段框架201和艉部框架301优选为TA2钛合金材料。

针对各模块中固体浮力材料的具体安装方式，以中间段模块2为例，如图6所示，中间段固体浮力材料203内部粘接有预埋螺母212，中间段框架201通过螺钉213与预埋螺母212螺纹连接，实现中间段固体浮力材料203与中间段框架201的固定。可以理解的是，艏部固体浮力材料104和艉部固体浮力材料305均采用相同的固定方法。当然，本领域技术人员也可以采用其他的固定方式，固定艏部固体浮力材料104、中间段固体浮力材料203和艉部固体浮力材料305。

如图7所示，本实施例中，艉部模块3还包括连接于艉部框架301上方的第一舵机308，以及相对于艉部模块3的中心面对称连接于艉部框架301两侧的第二舵机309和第三舵机310；其中，第一舵机308用于控制水下机器人的航向，第二舵机309和第三舵机310用于控制水下机器人的俯仰。本实施例中，第一舵机308、第二舵机309和第三舵机310呈倒“T”形排布，有利于提升水下机器人的机动性，同时降低了配平水下机器人姿态的难度。

针对上述万米级模块化水下机器人所搭载的功能舱及仪器，具体说明如下：

如图2所示，艏部仪器安装区内安装的功能舱包括一级抛载舱108，水下机器人利用自身负浮力实现无动力方式下潜，到达预定深度后，水下机器人释放一级抛载舱108，使自身浮力在接近零浮力状态下工作。进一步的，艏部仪器安装区还安装有全海深摄像机105、高度计106和万米照明灯107；其中，全海深摄像机105和万米照明灯107用于进行水下观测，高度计106用于采集水下机器人的高度信息。

如图3和图8所示，中间段仪器安装区内安装的功能舱包括电池舱204、惯导舱206、二级抛载舱207和主控舱208；其中，电池舱204用于供电；惯导舱206安装在水下机器人的形心位置，用于监测水下机器人的运动姿态；二级抛载舱207用于在收到上浮指令或发生超深及其他突发状况时释放以实现水下机器人的上浮，保证水下机器人的安全回收；主控舱208用于对水下机器人进行总体控制。进一步的，中间段仪器安装区还安装有万米浮力调节装置205和温盐深传感器209；其中，万米浮力调节装置205安装在水下机器人的重心位置，用于控制水下机器人的上浮与下潜；温盐深传感器209用于检测深度、盐度和温度信息。需要说明的是，中间段仪器安装区是主要的仪器和功能舱的搭载区，为了便于改装和维护，如图8所示，本实施例中，中间段框架201的下部可拆卸连接有仪器安装架211，中间段仪器安装区内安装的功能舱和仪器设备均安装于仪器安装架211上。

如4所示，艉部仪器安装区内安装的功能舱包括推进器驱动舱307，用于执行舵机控制命令。进一步的，艉部仪器安装区还安装有油补偿器306，其通过油管分别于第一舵机308、第二舵机309和第三舵机310相连，用于向第一舵机308、第二舵机309和第三舵机310供油。

此外，为了实现通信，如图2所示，艏部固体浮力材料104内安装有第一信标机，用于水面遥控和指令传输，优选采用无线电信标机109。进一步的，如图3所示，中间段固体浮力材料203内安装有第二信标机，用于发送实时位置信息，以便于水下机器人的回收，优选采用铱星信标机210。

针对功能舱的密封方式，具体说明如下：

如图9-图13所示，本实施例中，功能舱包括舱筒(1081，2041，2061，2081，3071)和盖合于舱筒轴向两端的两个端盖(1082，2042，2062，2082，3072)，端盖面向舱筒一侧的外边缘与舱筒的端面相贴合并通过钛合金螺钉连接于舱筒的端面，端盖面向舱筒一侧的中部具有插入舱筒端部内的密封凸台，密封凸台与舱筒内壁之间设有第一密封圈(1083，2043，2063，2083，3073)；舱筒和端盖均采用耐压材质制作。为了确保密封效果，如图9、图10、图12和图13所示，端盖面向舱筒一侧的外边缘与舱筒端面之间设有第二密封圈(1084，2044，2084，3074)。需要说明的是，本实施例中，第一密封圈和第二密封圈均为O型密封圈。如图11所示，对于惯导舱206，当受安装空间限制无法设置第二密封圈时，惯导舱第一密封2063圈至少需要设置为两个，以确保密封效果。还需要说明的是，本实施例中，舱筒和端盖均采用TC4钛合金材料制作，以确保耐压效果。

此外，还需要说明的是，为了便于加工蒙皮，如图2-图4所示，本实施例中，艏部蒙皮103包括包覆于艏部框架101上部的艏部上蒙皮1031，以及包覆于艏部框架101下部的艏部下蒙皮1032；中间段蒙皮202包括包覆于中间段框架201上部的中间段上蒙皮2021，以及包覆于中间段框架201下部的中间段下蒙皮2022；艉部蒙皮304包括包覆于艉部框架301上部的艉部上蒙皮3041，以及包覆于艉部框架301下部的艉部下蒙皮3042。本实施例中，艏部蒙皮103、中间段蒙皮202和艉部蒙皮304均采用玻璃钢材料，经真空导入工艺制成，蒙皮厚度为4mm。

Claims

1.万米级模块化水下机器人，包括艏部模块、中间段模块和艉部模块，其特征在于：

所述艏部模块包括艏部框架，所述艏部框架靠近艏部的一端包覆有艏部整流罩，所述艏部框架的剩余部分包覆有艏部蒙皮，所述艏部框架内的上部空间填充有艏部固体浮力材料，所述艏部框架内的下部空间为艏部仪器安装区；

所述中间段模块包括中间段框架，所述中间段框架外包覆有中间段蒙皮，所述中间段框架内的上部空间填充有中间段固体浮力材料，所述中间段框架内的下部空间为中间段仪器安装区；

所述艉部模块包括艉部框架，所述艉部框架靠近艉部的一端连接有全海深推进器，所述艉部框架外靠近全海深推进器的部分包覆有艉部整流罩，所述艉部框架的剩余部分包覆有艉部蒙皮，所述艉部框架内的上部空间填充有艉部固体浮力材料，所述艉部框架内的下部空间为艉部仪器安装区；

所述艏部框架、中间段框架和艉部框架依次连接；所述艏部仪器安装区、中间段仪器安装区和艉部仪器安装区内分别安装有单独密封的功能舱。

2.根据权利要求1所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述中间段框架的下部可拆卸连接有仪器安装架，所述中间段仪器安装区内安装的功能舱安装于所述仪器安装架上。

3.根据权利要求1或2所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述功能舱包括舱筒和盖合于所述舱筒轴向两端的两个端盖，所述端盖面向所述舱筒一侧的外边缘与所述舱筒的端面相贴合并通过螺栓连接于所述舱筒的端面，所述端盖面向所述舱筒一侧的中部具有插入所述舱筒端部内的密封凸台，所述密封凸台与舱筒内壁之间设有第一密封圈；所述舱筒和端盖均采用耐压材质制作。

4.根据权利要求3所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述端盖面向所述舱筒一侧的外边缘与所述舱筒端面之间设有第二密封圈。

5.根据权利要求3所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述艏部仪器安装区内安装的功能舱包括一级抛载舱，所述中间段仪器安装区内安装的功能舱包括电池舱、惯导舱、二级抛载舱和主控舱，所述艉部仪器安装区内安装的功能舱包括推进器驱动舱。

6.根据权利要求5所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述艏部仪器安装区还安装有全海深摄像机、高度计和万米照明灯，所述中间段仪器安装区还安装有万米浮力调节装置和温盐深传感器，所述艉部仪器安装区还安装有油补偿器。

7.根据权利要求1所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述艏部固体浮力材料内安装有第一信标机，所述中间段固体浮力材料内安装有第二信标机。

8.根据权利要求7所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述第一信标机为无线电信标机，所述第二信标机为铱星信标机。

9.根据权利要求1所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述艏部蒙皮包括包覆于所述艏部框架上部的艏部上蒙皮，以及包覆于所述艏部框架下部的艏部下蒙皮；所述中间段蒙皮包括包覆于所述中间段框架上部的中间段上蒙皮，以及包覆于所述中间段框架下部的中间段下蒙皮；所述艉部蒙皮包括包覆于所述艉部框架上部的艉部上蒙皮，以及包覆于所述艉部框架下部的艉部下蒙皮。

10.根据权利要求1所述的万米级模块化水下机器人，其特征在于：所述艉部模块还包括连接于所述艉部框架上方的第一舵机，以及相对于所述艉部模块的中心面对称连接于所述艉部框架两侧的第二舵机和第三舵机。