CN220374734U - 一种水下机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人技术领域，具体为一种水下机器人，包括机器人本体，机器人本体的侧面安装至少2组推进器阵列，机器人本体的轴线上安装至少1组推进器阵列，3组推进器阵列共同实现机器人的姿态控制，每组推进器阵列包括至少2个推进器组件。该水下机器人中，机器人的推进器布置可使得推进机构向的水下机器人的前后、左右和上下方向均能提供推力，实现了对水下机器人位置和姿态的控制，尤其实现了全角度的悬停控制和移动控制，极大提高了水下机器人的运动灵活性和控制精度，实现了水下机器人的全自由度运动控制，及推进器的高效利用。

Description

一种水下机器人

技术领域

本实用新型涉及水下机器人技术领域，具体地说，涉及一种水下机器人。

背景技术

随着技术发展，水下机器人成为海洋探索的重要工具。水下作业环境恶劣，对水下机器人的运动性能、控制性能及抗流能力提出高要求，水下机器人在水中能实现精确控制、全自由度运动成为必要。水下机器人的全自由度运动主要是指沿x轴方向前后运动，沿y轴方向左右运动，沿z轴方向的上下运动，以及绕x轴转动角度(横滚角度φ)，绕y轴转动角度(俯仰角度θ)，绕z轴转动角度(航向角度γ)。

现有的水下机器人运动实现方式主要有两种：方法一：推进器沿坐标系轴向放置：前进及竖直方向上放置推进器，实现前进/后退、沉浮、转向、俯仰的运动。方法二：推进器与机器成一定角度放置：x方向放置水平推进器，实现前进/后退运动；yoz平面上，放置与机身在y方向与z方向成一定角度的推进器，推进器产生的推力，分别作用于z方向实现沉浮运动，产生作用于y方向实现侧向运动，通过控制调整实现横滚、俯仰、转动运动。

目前的技术方案中存在以下问题：

方法一：保证了推进器效率的利用，但是机器的全自由度运动控制不能实现；

方法二：实现了机器的全自由度运动控制，但是带角度的布置导致推进器利用效率不高。

CN216374952U中公开了一种三组共六个推进器的智能水下机器人，其中上下方向的第二组推进器位于本体上，此时上下的俯仰动作较容易时间，但上下翻滚的动作相对来说实现起来比较困难，需要消耗推进器大量的能耗。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水下机器人，以解决上述背景技术中提出的机器的全自由度运动控制不能实现，带角度的布置导致推进器利用效率不高，推进器功率浪费严重的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种水下机器人，包括机器人本体，所述机器人本体的侧面安装至少2组推进器阵列，所述机器人本体的中轴线上安装至少1组推进器阵列，3组推进器阵列共同实现机器人的姿态控制，每组推进器阵列包括至少2个推进器组件。

作为优选，至少有1组推进器阵列的至少2个推进器组件沿所述机器人本体的中轴线对称设置于所述机器人本体的两侧，至少有一组所述推进器阵列的至少1个推进器组件设置于所述机器人本体的中轴线上，位于所述机器人本体中轴线同侧的至少2个推进器与所述机器人本体的中轴线至少呈2个角度，同时，位于所述机器人本体中轴线上的至少2个推进器与所述机器人本体的中轴线至少呈2个空间角，所述机器人本体的推进器布置可使得推进机构向水下机器人的前后、左右和上下方向均能提供推力。

作为优选，至少有1组推进器阵列包含至少3个推进器组件，其中至少2个推进器组件沿所述机器人本体的中轴线对称设置于所述机器人本体的两侧，至少1个推进器组件设置在所述机器人本体的中轴线上。

作为优选，推进器组件包括壳体以及推进机构，壳体用于承载推进机构，推进机构是将电能、化学能等转化为机械能的装置，通过旋转叶轮或喷水的方式产生反推力推动机器人运动，推进器组件通过壳体与机器人本体连接，推进机构通过电机驱动，电机正转时推进机构产生的推力，电机反转时产生的推力方向相反。

作为优选，推进机构采用螺旋桨推进器或喷水推进器，螺旋桨推进器是由主机带动与桨叶相连的主轴转动，将水从桨叶的背压面吸入，从正压面流出，利用水的反作用力推动机器人运动的一种推进装置，其具有结构简单，推进效率高运用成熟等特点，喷水推进器是将水流从喷管大口吸入，小口喷出，在水流加速喷出的同时，机器人也获得一个反向的动量，从而满足机器人的推力需求，喷水推进器具有效率高、噪音小等特点，在本发明实施例中，对推进器组件的类型不作具体的限制。

作为优选，所述机器人本体的侧面安装2组推进器阵列，即第一推进器阵列和第三推进器阵列，所述机器人本体的轴线上安装1组推进器阵列，即第二推进器阵列，3组推进器阵列两两互成夹角，以使推进机构在三个方向上都能向所述机器人提供推力。

作为优选，所述第一推进器阵列包括第一推进器组件、第二推进器组件、第三推进器组件，所述推进器组件位于所述机器人本体的中轴线上，且所述第二推进器组件、第三推进器组件的连线中点处与所述推进器组件之间的距离为机器人本体长度的一半以上，所述第二推进器阵列包括第四推进器组件、第五推进器组件，所述第四推进器组件、第五推进器组件布置在所述机器人本体的中轴线上，所述第三推进器阵列包括第六推进器组件、第七推进器组件，所述第六推进器组件、第七推进器组件沿着所述机器人本体的中轴线对称布置在所述机器人本体的两侧。

作为优选，所述第六推进器组件、第三推进器组件通过固定机构连接在一起形成一个整体，所述第二推进器组件、第七推进器组件通过固定机构连接在一起形成一个整体，形成2个关于所述机器人本体的中轴线对称的整体，在所述机器人本体运输的过程中可将两个整体从所述机器人本体上拆卸下来。

作为优选，所述第一推进器阵列中的推进器组件沿机器人本体上下方向布置，第二推进器阵列中的推进器组件沿机器人本体的左右方向布置，第三推进器阵列中的推进器组件沿机器人本体中轴线前后方向布置

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

该水下机器人中，利用三个不同方向上的推进器阵列，使得推进机构向水下机器人的前后、左右和上下方向均能提供推力，实现了对水下机器人位置和姿态的控制，尤其实现了全角度的悬停控制和移动控制，极大提高了水下机器人的运动灵活性和控制精度，实现了水下机器人的全自由度运动控制，及推进器的高效利用。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图之一；

图2为本实用新型的侧视结构示意图；

图3为本实用新型的俯视结构示意图；

图4为本实用新型的爆炸结构示意图；

图5为本实用新型的整体结构示意图之二。

图中各个标号意义为：

1、机器人本体；2、第一推进器阵列；21、第一推进器组件；22、第二推进器组件；23、第三推进器组件；3、第二推进器阵列；31、第四推进器组件；32、第五推进器组件；4、第三推进器阵列；41、第六推进器组件；42、第七推进器组件。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供一种水下机器人，如图1-图5所示，包括机器人本体1，机器人本体1的侧面安装至少2组推进器阵列，机器人本体1的轴线上安装至少1组推进器阵列，3组推进器阵列共同实现机器人的姿态控制，每组推进器阵列包括至少2个推进器组件。

本实施例中，至少有1组推进器阵列的至少2个推进器组件沿机器人本体1的中轴线对称设置于机器人本体1的两侧，至少有一组推进器阵列的至少1个推进器组件设置于机器人本体1的中轴线上，位于机器人本体1中轴线同侧的至少2个推进器与机器人本体1的中轴线至少呈2个角度，同时，位于机器人本体1中轴线上的至少2个推进器与机器人本体的中轴线至少呈2个空间角，机器人本体1的推进器布置可使得推进机构向水下机器人的前后、左右和上下方向均能提供推力。

具体的，至少有1组推进器阵列包含至少3个推进器组件，其中至少2个推进器组件沿机器人本体1的中轴线对称设置于机器人本体1的两侧，至少1个推进器组件设置在机器人本体1的中轴线上。

进一步的，推进器组件包括壳体以及推进机构，壳体用于承载推进机构，推进机构是将电能、化学能等转化为机械能的装置，通过旋转叶轮或喷水的方式产生反推力推动机器人运动，推进器组件通过壳体与机器人本体1连接，推进机构通过电机驱动，电机正转时推进机构产生的推力，电机反转时产生的推力方向相反。

进一步的，推进机构采用螺旋桨推进器或喷水推进器，螺旋桨推进器是由主机带动与桨叶相连的主轴转动，将水从桨叶的背压面吸入，从正压面流出，利用水的反作用力推动机器人运动的一种推进装置，其具有结构简单，推进效率高运用成熟等特点，喷水推进器是将水流从喷管大口吸入，小口喷出，在水流加速喷出的同时，机器人也获得一个反向的动量，从而满足机器人的推力需求，喷水推进器具有效率高、噪音小等特点，在本发明实施例中，对推进器组件的类型不作具体的限制。

进一步的，推进器组件的壳体与机器人本体1通过固定机构相连，固体机构包括依次连接的固定部件、延伸部件和承载部件；固定部件用于固定连接机器人本体和延伸部件，承载部件用于固定连接推进器组件和延伸部件，延伸部件用于连接固定部件和承载部件，并且延伸部件具有收缩和伸展功能，同时便于拆卸。

进一步的，机器人本体1的侧面安装2组推进器阵列，即第一推进器阵列2和第三推进器阵列4，机器人本体1的轴线上安装1组推进器阵列，即第二推进器阵列3，3组推进器阵列两两互成夹角，以使推进机构在三个方向上都能向机器人提供推力。

进一步的，第一推进器阵列2包括第一推进器组件21、第二推进器组件22、第三推进器组件23，推进器组件21位于机器人本体1的中轴线上且位于机器人本体1的艏部，且第二推进器组件22、第三推进器组件23的连线中点处与推进器组件21之间的距离为机器人本体1长度的一半以上，第二推进器阵列3包括第四推进器组件31、第五推进器组件32，第四推进器组件31、第五推进器组件32布置在机器人本体1的中轴线上，第三推进器阵列4包括第六推进器组件41、第七推进器组件42，第六推进器组件41、第七推进器组件42沿着机器人本体1的中轴线对称布置在机器人本体1的两侧。

进一步的，第六推进器组件41、第三推进器组件23通过固定机构连接在一起形成一个整体，第二推进器组件22、第七推进器组件42通过固定机构连接在一起形成一个整体，形成2个关于机器人本体1的中轴线对称的整体，在机器人本体1运输的过程中可将两个整体从机器人本体1上拆卸下来，如图4，分开包装运输，如此可大大减小包装体积，从而更佳环保，在机器人收纳和运输时，可将两个整体向上或向下翻转，以减小其横向尺寸，如图5，方便包装和运输，以节省成本。

本实施例中方向说明：

前后方向(Z轴所指方向)：前(Z+轴所指方向)，后(Z-轴所指方向)；

左右方向(Y轴所指方向)：左(Y-轴所指方向)，右(Y+轴所指方向)；

上下方向(X轴所指方向)即竖直方向：上(X+轴所指方向)，下(X-轴所指方向)，中轴线指的是机器人本体1中部旋转体的轴线，与机器人本体1长度方向(即前后方向)一致。

机器人本体1包括水下机器人的控制终端和执行机器人具体行为的功能，如船底检测、安全搜救和资源勘探等相关组件；例如：声呐雷达、摄像机、多功能云台和照明灯等观测组件；机械手、切割器和清洗器等作业组件。

第一推进器阵列2中的推进器组件为相同功率；第二推进器阵列3中的推进器组件为相同功率；第三推进器阵列4中的推进器组件为相同功率。第一推进器阵列2中的推进器组件正转时产生的推力与反转时产生的推力大小可相等也可不相等；第二推进器阵列3中的推进器组件正转时产生的推力与反转时产生的推力大小可相等也可不相等；第三推进器阵列4中的推进器组件正转时产生的推力与反转时产生的推力大小可相等也可不相等。第五推进器组件32和机器人本体1的尾部部分共同组成一个整体，如图4，可将该整体从机器人本体1上拆卸下来。

本实用新型的水下机器人在使用时，三组推进器阵列的各个推进器组件布置如下：第二推进器组件22、第三推进器组件23沿着机器人本体1的中轴线对称布置在机器人本体1靠近尾部的位置，剩下的第一推进器组件则布置在机器人本体1中轴线上，且位置靠近机器人本体1的艏部，特别的，第一推进器组件21、第二推进器组件22、第三推进器组件23的出力方向与机器人本体1中轴线的夹角均为90°，为竖直方向(上下方向)，此时效率为最高；一般的，只要保证第二推进器组件22、第三推进器组件23关于机器人本体1中轴线对称分布，出力在竖直方向的投影分量不为零，且第一推进器组件21的出力方向在经过机器人本体1中轴线且与水平面垂直的平面内，满足上述两个条件的推进器组件布置均能满足要求。第一推进器组件21与第二推进器组件22、第三推进器组件23同向时可实现机器人本体1的快速升降，而反向时可以实现实现机器人本体1的俯仰动作。第二推进器组件22和第三推进器组件23反向时，可实现机器人本体1绕中轴线旋转运动。

第四推进器组件31、第五推进器组件32布置在机器人本体1的中轴线上，且分别布置在机器人本体1靠近艏部部和尾部的位置，特别的，第四推进器组件31、第五推进器组件32与机器人本体1中轴线的夹角均为90°，为水平面内的左右方向，此时效率最高。第四推进器组件31、第五推进器组件32同向时，可实现机器人本体1的快速左右平移，而反向时可实现机器人本体1的左右转动。

第六推进器组件41、第七推进器组件42沿着机器人本体1的中轴线对称布置在机器人本体1的两侧，特别的，第六推进器组件41、第七推进器组件42与机器人本体1中轴线的夹角均为0°，为水平面内的前后方向，此时效率最高；一般的，第六推进器组件41、第七推进器组件42出力方向在水平面内，且第六推进器组件41、第七推进器组件42关于机器人本体1中轴线对称分布的任何角度均可满足要求。第六推进器组件41、第七推进器组件42同向时，可实现机器人本体1的快速向前和向后移动，而反向时亦可实现机器人本体1的左右转动。

此外，第六推进器组件41、第七推进器组件42与第二推进器组件22、第三推进器组件23布置在同一直线上，只不过第六推进器组件41、第七推进器组件42布置在靠近机器人本体1的位置处，而第二推进器组件22、第三推进器组件23则布置在远离机器人本体1的位置处，如此一来第六推进器组件41、第七推进器组件42相对于机器人本体1的轴线来说其力臂更小，在向前行驶时，第六推进器组件41、第七推进器组件42的转速差对航向的影响就会较小，同时第二推进器组件22、第三推进器组件23相对于机器人本体1中轴线来说力臂较大，可使得第二推进器组件22、第三推进器组件23以较小的功率来获得较大的力矩来控制机器人的航行姿态，灵敏且高效。

最后，需要说明的是，本实施例中的推进机构等，上述部件中的电子元器件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本领域技术人员可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知，在本装置空闲处，将上述中所有电器件分别通过导线进行连接，具体连接手段应参考上述工作原理中各电器件之间先后工作顺序完成电性连接，其均为本领域公知技术。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种水下机器人，包括机器人本体(1)，其特征在于：所述机器人本体(1)的侧面安装至少2组推进器阵列，所述机器人本体(1)的中轴线上安装至少1组推进器阵列，3组推进器阵列共同实现机器人的姿态控制，每组推进器阵列包括至少2个推进器组件。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：所述推进器阵列至少有1组中的至少2个推进器组件沿机器人本体(1)的中轴线对称设置于机器人本体(1)的两侧，至少有1组所述推进器阵列的至少1个推进器组件设置于所述机器人本体(1)的中轴线上，位于所述机器人本体(1)中轴线同侧的至少2个推进器与所述机器人本体(1)的中轴线至少呈2个角度，同时，位于所述机器人本体(1)中轴线上的至少2个推进器与所述机器人本体的中轴线至少呈2个空间角，所述机器人本体(1)的推进器布置可使得推进机构向水下机器人的前后、左右和上下方向均能提供推力。

3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于：至少有1组推进器阵列包含至少3个推进器组件，其中至少2个推进器组件沿所述机器人本体(1)的中轴线对称设置于所述机器人本体(1)的两侧，至少1个推进器组件设置在所述机器人本体(1)的中轴线上。

4.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：推进器组件包括壳体以及推进机构，壳体用于承载推进机构，推进器组件通过壳体与机器人本体(1)连接。

5.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于：推进机构采用螺旋桨推进器或喷水推进器。

6.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于：所述机器人本体(1)的侧面安装2组推进器阵列，即第一推进器阵列(2)和第三推进器阵列(4)，所述机器人本体(1)的轴线上安装1组推进器阵列，即第二推进器阵列(3)。

7.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于：所述第一推进器阵列(2)包括第一推进器组件(21)、第二推进器组件(22)、第三推进器组件(23)，所述推进器组件(21)位于所述机器人本体(1)的中轴线上且位于机器人本体(1)艏部，且所述第二推进器组件(22)、第三推进器组件(23)的连线中点处与所述推进器组件(21)之间的距离为机器人本体(1)长度的一半以上，所述第二推进器阵列(3)包括第四推进器组件(31)、第五推进器组件(32)，所述第四推进器组件(31)、第五推进器组件(32)布置在所述机器人本体(1)的中轴线上，所述第三推进器阵列(4)包括第六推进器组件(41)、第七推进器组件(42)，所述第六推进器组件(41)、第七推进器组件(42)沿着所述机器人本体(1)的中轴线对称布置在所述机器人本体(1)的两侧。

8.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于：所述第六推进器组件(41)、第三推进器组件(23)通过固定机构连接在一起形成一个整体，所述第二推进器组件(22)、第七推进器组件(42)通过固定机构连接在一起形成一个整体，形成2个关于所述机器人本体(1)的中轴线对称的整体，在所述机器人本体(1)运输的过程中可将两个整体从所述机器人本体(1)上拆卸下来。

9.根据权利要求7所述的水下机器人，其特征在于：所述第一推进器阵列(2)中的推进器组件沿机器人本体(1)上下方向布置，第二推进器阵列(3)中的推进器组件沿机器人本体(1)的左右方向布置，第三推进器阵列(4)中的推进器组件沿机器人本体(1)中轴线前后方向布置。