CN219635463U - 一种球形水下机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种球形水下机器人，涉及水下机器人领域，包括：球壳、推进机构和姿态控制机构；球壳呈球形；推进机构包括螺旋桨和导管，导管设置于球壳内，并与球壳密封连接，导管和球壳之间形成密封腔，并在球壳内形成与密封腔分隔的推进通道，推进通道沿球壳径向设置，螺旋桨设置于推进通道内；姿态控制机构设置于密封腔内，并包括至少三个相对所述导管固定的飞轮机构，飞轮机构环绕导向管设置，相邻两个飞轮机构的角度间隔相同，飞轮的旋转中心线相交于球壳的球心，并倾斜于导管设置。本实用新型的球形水下机器人具有结构简化、姿态控制精度较高、功耗较低和响应快速的优点。

Description

一种球形水下机器人

技术领域

本实用新型涉及水下机器人领域，具体涉及一种球形水下机器人。

背景技术

球形水下机器人是一种新型的水下机器人，具有体积小、机动灵活、水动力性能好、能在复杂水下环境中工作等优点。姿态控制是球形水下机器人的核心问题之一，目前球形水下机器人姿态控制系统技术主要有以下几种方案：

方案一：单推进器与姿态辅助控制系统，该系统使用导管螺旋桨机构实现水下机器人的直线推进，使用姿态辅助控制实现俯仰、偏航通道的控制，如公开号为CN103466063A的中国专利使用导管螺旋桨机构实现水下机器人的直线推进，使用飞轮转向机构实现水平面转向，使用垂直面重摆俯仰机构实现俯仰运动的过程中，存在一些缺点：(1)系统复杂性：使用至少三个不同的机构来控制不同方向的运动，需要整合多个控制系统，使得系统结构复杂；(2)控制精度：使用不同的控制系统进行不同方向的控制，可能导致控制精度不足，特别是在需要快速响应的情况下；(3)能耗问题：在需要多种运动控制的情况下，需要使用多个机构，会增加能耗，降低电池寿命，从而影响水下机器人的工作时间。

方案二：多推进器控制系统，该系统采用了多个推进器，推进器特定的布局可实现多轴控制，从而实现机器人的姿态控制。如公开号为CN114954856A的中国专利使用若干个推进器进行姿态控制，但该系统所需的推进器数量相对较多，增加了整个系统的制造成本，且对水下机器人的结构设计和布局带来了挑战。

可以看出，现有使用单推进器与姿态辅助控制系统的水下机器人存在结构复杂，控制精度较低和能耗较大的问题，现有使用多推进器控制系统的水下机器人存在制造成本较高的问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型提供了一种球形水下机器人，至少解决现有水下机器人结构复杂、控制精度低、能耗较大和制造成本高的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种球形水下机器人，包括：

球壳，该球壳呈球形；

推进机构，该推进机构包括螺旋桨和导管，所述导管设置于所述球壳内，并与所述球壳密封连接，所述导管和球壳之间形成密封腔，并在所述球壳内形成与所述密封腔分隔的推进通道，所述推进通道沿所述球壳径向设置，所述螺旋桨设置于所述推进通道内；

姿态控制机构，该姿态控制机构设置于所述密封腔内，并包括至少三个相对所述导管固定的飞轮机构，所述飞轮机构环绕所述导向管设置，相邻两个所述飞轮机构的角度间隔相同，所述飞轮机构的旋转中心线相交于所述球壳的球心，并倾斜于所述导管设置。

在一些实施方案中，所述球壳在径向方向设有通孔，所述导管与所述通孔的孔壁密封连接，所述导管内侧形成所述推进通道，所述螺旋桨连接于所述导管内侧。

在一些实施方案中，所述飞轮机构的旋转平面与所述导管的夹角为30°至45°。

在一些实施方案中，所述飞轮机构与所述导管的夹角为35.3°。

在一些实施方案中，所述球壳包括互相密封连接的上球壳和下球壳，所述上球壳和下球壳之间形成所述推进机构及姿态控制机构的密封腔。

在一些实施方案中，所述姿态控制机构数量为三个，三个所述姿态控制机构的飞轮机构相隔120°。

在一些实施方案中，所述姿态控制机构还包括固定支架，所述连接在所述导管外侧，所述固定支架设有至少三个安装部，三个所述安装部等角度间隔设置，所述飞轮机构连接于所述安装部上，所述飞轮机构包括与所述安装部连接的旋转电机及与所述旋转电机传动连接的飞轮，所述飞轮倾斜于所述导管设置，所述飞轮之间等间隔设置。

在一些实施方案中，所述螺旋桨包括相对所述导管固定的驱动电机及与所述驱动电机传动连接的桨叶，所述驱动电机的输出轴与所述导管同轴线设置。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供的球形水下机器人，具备以下有益效果：

该球形水下机器人使用时，姿态控制机构的飞轮机构转动产生一个偏离重心的力矩，姿态控制机构通过调整飞轮机构的角速度控制力矩的大小和方向，从而使该球形水下机器人能够进行横滚、俯仰、偏航等运动，从而控制机器人的姿态，使其朝向目标方向；同时，推进机构的螺旋桨在推进通道内转动，进而提供该球形水下机器人在目标方向的动力，使球形水下机器人朝目标方向移动。可以看出，本实用新型的球形水下机器人具有以下优点：

结构简化：相较于传统的水下机器人，该球形水下机器人结合飞轮机构的姿态控制不需要使用多个舵和螺旋桨，简化了机器人的设计和控制；

姿态控制精度高：飞轮机构及其相关结构使其旋转惯量大，可以提供更加精确的姿态控制，从而使机器人在水下运动更加稳定和精准；

功耗较低：相比于多推进器控制方式，使用飞轮机构控制姿态可以减少能源的消耗，延长单位电量的工作时间；

响应快速：飞轮机构可以快速地改变自身的角速度，因此能够快速地响应机器人姿态变化需求，实现高效的姿态控制；

对称性好：飞轮机构以特定的角度和布局安装在导管上，导管位于球壳的径向方向，从而保证该球型水下机器人整体的对称性，该对称性有利于机器人的姿态控制，并便于后续控制系统的开发。

附图说明

图1为实施例中球形水下机器人的立体图；

图2为实施例中球形水下机器人的主视图；

图3为图2中A-A截面的剖视图；

图4为实施例中球形水下机器人的爆炸视图；

图5为实施例中球形水下机器人移除上球壳后的立体图。

附图标记：球壳1、推进机构2、姿态控制机构3、通孔10、上球壳11、下球壳12、螺旋桨21、导管22、密封腔23、推进通道24、飞轮机构30、固定支架31、驱动电机211、桨叶212、旋转电机301、飞轮302、安装部310、夹角a。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

相关技术中，使用单推进器与姿态辅助控制系统的水下机器人存在结构复杂，控制精度较低和能耗较大的问题，使用多推进器控制系统的水下机器人存在制造成本较高的问题。

参阅图1至图5所示，图1为实施例中球形水下机器人的立体图，图2为实施例中球形水下机器人的主视图，图3为图2中A截面的剖视图，图4为实施例中球形水下机器人的爆炸视图，图5为实施例中球形水下机器人移除上球壳后的立体图。

为解决上述技术问题，本实施例提供一种球形水下机器人，包括：球壳1、推进机构2和姿态控制机构3。

球壳1呈球形。

上述球壳1的球形指球壳1主体形状呈球体形状，并非必须是完整球体，其可以是部分缺失的非完整球形，或者在主体上增设非球形结构。

推进机构2包括螺旋桨21和导管22，导管22设置于球壳1内，并与球壳1密封连接，导管22和球壳1之间形成密封腔23，并在球壳1内形成与密封腔23分隔的推进通道24，推进通道24沿球壳1的径向设置，螺旋桨21设置于推进通道24内。

上述推进机构2用于推动球壳1移动，其中，螺旋桨21能够以导管22或球壳1为支撑并在水中转动，水对其的反作用力即推动球壳1移动的推力；导管22可以是独立的部件，也可以一体成型于球壳1上，导管22可以是一体结构，也可以是分体结构，分体结构时，导管22分体之间密封连接形成完整导管22；密封腔23与外部分隔，水流无法进入密封腔23内；螺旋桨21设置于推进通道24内使螺旋桨21工作时产生的推力在球壳1径向方向上。

姿态控制机构3设置于密封腔23内，并包括至少三个相对导管22固定的飞轮机构30，飞轮机构30环绕导向管设置，相邻两个飞轮机构30的角度间隔相同，飞轮机构30的旋转中心线相交于球壳1的球心，并倾斜于导管22设置。

上述姿态控制机构3用于控制球壳1的姿态，完成横滚、俯仰、偏航等运动，其中，飞轮机构30可以直接或间接固定在导管22上，也可以固定在球壳1上；飞轮机构30环绕导向管且相邻两个飞轮机构30的角度间隔相同指飞轮机构30以导向管为中心圆周阵列设置，飞轮机构30的旋转中心线与飞轮机构30的轮体垂直。

以上技术方案的球形水下机器人使用时，姿态控制机构3的飞轮机构30转动产生一个偏离重心的力矩，姿态控制机构3通过调整飞轮机构30的角速度控制力矩的大小和方向，从而使该球形水下机器人能够进行横滚、俯仰、偏航等运动，从而控制机器人的姿态，使推进通道24朝向目标方向；同时，推进机构2的螺旋桨21在推进通道24内转动，进而提供该球形水下机器人在目标方向的动力，使球形水下机器人朝目标方向移动。推进机构2的螺旋桨21在推进通道24内转动，进而提供球形水下机器人上下移动的推力，同时，姿态控制机构3的飞轮机构30转动产生一个偏离重心的力矩，姿态控制机构3通过调整飞轮机构30的角速度控制力矩的大小和方向，从而使球形水下机器人能够进行横滚、俯仰、偏航等运动，从而控制机器人的姿态。可以看出，本实用新型的球形水下机器人具有以下优点：结构简化：相较于传统的水下机器人，球形水下机器人结合飞轮机构30的姿态控制不需要使用多个舵和螺旋桨21，简化了机器人的设计和控制；姿态控制精度高：飞轮机构30及其相关结构使其旋转惯量大，可以提供更加精确的姿态控制，从而使机器人在水下运动更加稳定和精准；功耗较低：相比于多推进器控制方式，使用飞轮机构30控制姿态可以减少能源的消耗，延长单位电量的工作时间；响应快速：飞轮机构30可以快速地改变自身的角速度，因此能够快速地响应机器人姿态变化需求，实现高效的姿态控制；对称性好：飞轮机构以特定的角度和布局安装在导管上，导管位于球壳的径向方向，从而保证该球型水下机器人整体的对称性，对称性是指机器人整体上呈或大致呈对称性结构，该对称性有利于机器人的姿态控制，并便于后续控制系统的开发。

参阅图3所示，在球壳1与导管22密封连接并形成密封腔23和推进通道24的一种实施方式中，球壳1在径向方向设有通孔10，导管22与通孔10的孔壁密封连接，导管22内侧形成推进通道24，螺旋桨21连接于导管22内侧。其中，通孔10的孔壁和导管22在连接处可以开设密封槽，通过密封槽实现密封连接；推进通道24可以由导管22及通孔10的孔壁形成，也可以由导管22单独形成；螺旋桨21的机体部分可以通过紧连接、粘接、螺丝连接等方式安装在导管22内侧。该实施方式下，导管22、螺旋桨21等部件易于拆装。

飞轮机构30旋转平面与导管22的夹角a可以是30°至45°；为了飞轮机构30在偏航、横滚、俯仰通道提供的转动惯量达到最优，飞轮机构30旋转平面与导管22的夹角a为35.3°。

其中，姿态控制机构3数量可以是三个，三个姿态控制机构3的飞轮机构30相隔120°。

参阅图3和图4所示，在球壳1的一种实施方式中，球壳1包括互相密封连接的上球壳11和下球壳12，上球壳11和下球壳12之间形成推进机构2及姿态控制机构3的密封腔23。其中，上球壳11和下球壳12可以通过卡扣结构连接，并在连接处设置密封槽和密封圈，从而达到密封效果。该实施方式下，上球壳11和下球壳12之间可以打开，方便安装内部部件，并在关闭时形成密封腔23，保证防水效果。

参阅图3和图4所示，为了方便飞轮机构30安装导管22上，姿态控制机构3还包括固定支架31，固定支架31通过套接等方式固定连接在导管22外侧，并设有至少三个安装部310，三个安装部310等角度间隔设置，飞轮机构30连接于安装部310上，飞轮机构30包括与安装部310连接的旋转电机301及与旋转电机301传动连接的飞轮302，飞轮302倾斜于导管22设置，飞轮302之间等间隔设置。其中，安装部310上可以开设旋转电机301的安装槽位，旋转电机301可以通过螺丝固定在安装槽位内；旋转电机301的输出轴轴线形成飞轮机构30的旋转中心线。如此，飞轮机构30可以通过固定支架31快速安装在导管22上，方便拆装。

参阅图4和图5所示，在螺旋桨21的一种实施方式中，螺旋桨21包括相对导管22固定的驱动电机211及与驱动电机211传动连接的桨叶212，驱动电机211的输出轴与导管22同轴线设置。该实施方式下，驱动电机211驱动桨叶212转动，进而推动壳体移动。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解为在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种球形水下机器人，其特征在于，包括：

球壳，该球壳呈球形；

推进机构，该推进机构包括螺旋桨和导管，所述导管设置于所述球壳内，并与所述球壳密封连接，所述导管和球壳之间形成密封腔，并在所述球壳内形成与所述密封腔分隔的推进通道，所述推进通道沿所述球壳径向设置，所述螺旋桨设置于所述推进通道内；

姿态控制机构，该姿态控制机构设置于所述密封腔内，并包括至少三个相对所述导管固定的飞轮机构，所述飞轮机构环绕所述导管设置，相邻两个所述飞轮机构的角度间隔相同，所述飞轮机构的旋转中心线相交于所述球壳的球心，并倾斜于所述导管设置。

2.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述球壳在径向方向设有通孔，所述导管与所述通孔的孔壁密封连接，所述导管内侧形成所述推进通道，所述螺旋桨连接于所述导管内侧。

3.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述飞轮机构的旋转平面与所述导管的夹角为30°至45°。

4.根据权利要求3所述的球形水下机器人，其特征在于，所述飞轮机构的旋转平面与所述导管的夹角为35.3°。

5.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述球壳包括互相密封连接的上球壳和下球壳，所述上球壳和下球壳之间形成所述推进机构及姿态控制机构的密封腔。

6.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述姿态控制机构数量为三个，三个所述姿态控制机构的飞轮机构相隔120°。

7.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述姿态控制机构还包括固定支架，所述连接在所述导管外侧，所述固定支架设有至少三个安装部，三个所述安装部等角度间隔设置，所述飞轮机构连接于所述安装部上，所述飞轮机构包括与所述安装部连接的旋转电机及与所述旋转电机传动连接的飞轮，所述飞轮倾斜于所述导管设置，所述飞轮之间等间隔设置。

8.根据权利要求1所述的球形水下机器人，其特征在于，所述螺旋桨包括相对所述导管固定的驱动电机及与所述驱动电机传动连接的桨叶，所述驱动电机的输出轴与所述导管同轴线设置。