TWI673206B - 水中載具重心調整裝置 - Google Patents

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Yen-Chun Chen
陳衍君
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Abstract

一種水中載具重心調整裝置包括控制器、至少一帶動機 構以及至少二質量塊。控制器做為運算控制核心。至少一帶動機構耦接於控制器。至少二質量塊可動地配置在至少一帶動機構的對向兩側。至少一帶動機構可帶動至少二質量塊移動。至少二質量塊的移動軌跡被設定為，當至少二質量塊同時朝向至少一帶動機構的前端移動時，至少二質量塊為逐漸靠近或逐漸遠離。當至少二質量塊同時朝向至少一帶動機構的後端移動時，至少二質量塊為逐漸遠離或逐漸靠近。

Description

水中載具重心調整裝置
本發明是有關於一種重心調整裝置，且特別是有關於一種適用於水中載具以利上浮、下潛及行進方向控制的水中載具重心調整裝置。
按，水中載具需具備上浮、下潛以及左右轉向等行進方式以用於水中探索。現有的水中載具大多採用舵具的偏移或兩個推進器的推力差，以控制水中載具的左右轉向。而水中載具上浮與下潛大都是利用改變機身的體積或是以吸入或排出水來增減重量，也有部份的水中載具是利用伺服馬達或螺桿機構改變水中載具的重心，使水中載具在水中可切換為上仰或下俯的姿態，再配合推進器的推力以進行上浮或下潛。然而，現有水中載具需採用多種結構以分別控制左右轉向以及上浮、下潛，此導致製作難度及成本的增加。此外，多種結構的設置也大幅增加了水中載具的體積及重量，此不利於收納及搬運。
本發明提供一種水中載具重心調整裝置，當應用於水中載具時，可依據左右轉向、上浮或下潛的需求而調整至相應的重心位置。
本發明的水中載具重心調整裝置包括控制器、至少一帶動機構以及至少二質量塊。控制器做為運算控制核心。至少一帶動機構耦接於控制器。至少二質量塊可動地配置在至少一帶動機構的對向兩側。至少一帶動機構可帶動至少二質量塊移動。至少二質量塊的移動軌跡被設定為，當至少二質量塊同時朝向至少一帶動機構的前端移動時，至少二質量塊為逐漸靠近或遠離。當至少二質量塊同時朝向至少一帶動機構的後端移動時，至少二質量塊為逐漸遠離或靠近。
在本發明的一實施例中，上述的至少一帶動機構的數量為兩個，兩個帶動機構為相互對稱設置，至少二質量塊的數量為兩個，分別配置在兩帶動機構上。
在本發明的一實施例中，上述的各帶動機構包括一驅動馬達、一帶動輪、兩轉向輪以及一皮帶，帶動輪連接於驅動馬達，兩轉向輪分別配置在驅動馬達的前後兩側，皮帶套設於帶動輪與兩轉向輪上，各質量塊連接於兩轉向輪之間的部分皮帶上。
在本發明的一實施例中，上述的各質量塊隨著各皮帶的轉向而在相應的兩轉向輪之間依移動軌跡移動。
在本發明的一實施例中，上述的當兩驅動馬達同時帶動 兩皮帶朝第一轉動方向轉動時，使其中一質量塊朝其中一帶動機構的後端移動，且另一質量塊朝另一帶動機構的前端移動。
在本發明的一實施例中，上述的當兩驅動馬達同時帶動兩皮帶朝相反於第一轉動方向的第二轉動方向轉動時，使其中一質量塊朝其中一帶動機構的前端移動，且另一質量塊朝另一帶動機構的後端移動。
在本發明的一實施例中，上述的當兩驅動馬達分別帶動兩皮帶朝第一轉動方向及第二轉動方向轉動時，兩個質量塊同時朝兩個帶動機構的前端或後端移動。
在本發明的一實施例中，上述的至少一帶動機構的前端高於水平線，且各至少一帶動機構的後端低於水平線。
在本發明的一實施例中，上述的至少一帶動機構的前端與後端平行於水平線。
在本發明的一實施例中，還包括空間感測器，耦接於控制器，空間感測器包括陀螺儀、電子羅盤或慣性導航儀。
基於上述，本發明的水中載具重心調整裝置透過至少一帶動機構帶動至少二質量塊在水中載具中移動，以調整水中載具的重心位置，透過不同重心位置的切換使水中載具可達成左右轉向、上浮及下潛等行進操控。此外，本發明的水中載具重心調整裝置可取代現有水中載具對應控制左右轉向、上浮及下潛的多個獨立結構，可達到減少體積、重量且容易收納運送的目的。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉 實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧水中載具重心調整裝置
110‧‧‧控制器
120‧‧‧帶動機構
121‧‧‧驅動馬達
122‧‧‧帶動輪
123‧‧‧轉向輪
124‧‧‧皮帶
130‧‧‧質量塊
200‧‧‧水中載具
210‧‧‧機體
220‧‧‧推進器
221‧‧‧動力元件
222‧‧‧螺旋葉片
230‧‧‧影像模組
M1~M5‧‧‧等效重心
L1‧‧‧水平線
L2‧‧‧水平線
D1‧‧‧第一轉動方向
D2‧‧‧第二轉動方向
W‧‧‧重力
B‧‧‧浮力
Fe‧‧‧前端
Re‧‧‧後端
圖1A是本發明一實施例的一種水中載具重心調整裝置配置於水中載具內的立體示意圖。
圖1B是圖1A的水中載具重心調整裝置與水中載具的側視平面示意圖。
圖1C是圖1A的水中載具重心調整裝置與水中載具的俯視平面示意圖。
圖1D是本發明另一實施例的水中載具重心調整裝置與水中載具的側視平面示意圖。
圖2A與圖2B繪示圖1A的水中載具重心調整裝置將重心調整至左側以及轉矩方向的立體示意圖。
圖2C與圖2D繪示圖1A的水中載具重心調整裝置將重心調整至右側以及轉矩方向的立體示意圖。
圖2E與圖2F繪示圖1A的水中載具重心調整裝置將重心調整至後側以及轉矩方向的立體示意圖。
圖2G與圖2H繪示圖1A的水中載具重心調整裝置將重心調整至前側以及轉矩方向的立體示意圖。
圖1A是本發明一實施例的一種水中載具重心調整裝置配置於水中載具內的立體示意圖。圖1B是圖1A的水中載具重心調整裝置與水中載具的側視平面示意圖。圖1C是圖1A的水中載具重心調整裝置與水中載具的俯視平面示意圖。
請參考圖1A至圖1C，在本實施例中，水中載具重心調整裝置100，適用於配置於水中載具200內，水中載具200包括機體210、推進器220以及影像模組230。詳細而言，水中載具200適用於水面下的探索作業，透過推進器220的推動而在水面下行進、上浮或下潛，影像模組230配置於機體210上並用以拍攝水中周圍的影像。
在本實施例中，水中載具重心調整裝置100包括控制器110、至少一帶動機構120以及至少二質量塊130。控制器110做為控制核心，其用以進行訊號的輸入、輸出、記憶以及邏輯運算。簡言之，控制器110可接收外部發送的控制訊號或來自影像模組230的影像訊號，進而控制推進器220的推力大小，或是將獲取的影像訊號向外傳遞以利控制者判別水中的環境。
至少一帶動機構120耦接於控制器110，至少二質量塊130配置在至少一帶動機構120的對向兩側，且至少一帶動機構120經由控制器110的控制可帶動至少二質量塊130產生移動。當至少二質量塊130同時朝向至少一帶動機構120的前端Fe移動時，至少二質量塊130的移動軌跡為逐漸遠離。當至少二質量塊130同時朝向至少一帶動機構120的後端Re移動時，至少二質量 塊130的移動軌跡為逐漸靠近。於另一實施例中，當至少二質量塊130同時朝向至少一帶動機構120的前端Fe移動時，至少二質量塊130的移動軌跡為逐漸靠近。當至少二質量塊130同時朝向至少一帶動機構120的後端Re移動時，至少二質量塊130的移動軌跡為逐漸遠離(此處未繪示於圖中)。
舉例而言，參考圖1A至圖1C所示，在本實施例中，至少一帶動機構120的數量為兩個，且兩帶動機構120為相互對稱設置。至少二質量塊130的數量為兩個，且兩質量塊130分別配置在兩帶動機構120上。兩質量塊130的移動軌跡皆呈現為直線，但兩質量塊的130的移動軌跡並非相互平行，而是朝向推進器220逐漸靠近且朝向影像模組230逐漸分離。在其它實施例中，至少二質量塊130的數量可為多個，例如是4個但可依據需求而變動，且分別可直線移動地配置在兩帶動機構上。
參考圖1A及圖1C，在本實施例中，各個帶動機構120包括驅動馬達121、帶動輪122、兩轉向輪123以及皮帶124。驅動馬達121耦接於控制器110。帶動輪122連接於驅動馬達121的轉軸1211上且可隨著轉軸1211產生沿第一轉動方向D1與第二轉動方向D2的樞轉。兩個轉向輪123分別配置在對應的驅動馬達121的前後兩側。皮帶124套設於帶動輪122與兩個轉向輪123上，各個質量塊130連接於兩個轉向輪123之間的部分皮帶124上，且各個質量塊130隨著各個皮帶124的轉向而在相應的兩轉向輪123之間產生線性軌跡移動或是弧形軌跡移動。
詳細而言，連接質量塊130的部分皮帶124呈現為直線且間隔於通過等效重心M1的水平線L1，連接質量塊130的部分皮帶124朝向進器220逐漸靠近水平線L1且朝向影像模組230逐漸遠離水平線L1。以此構成兩質量塊130朝向推進器220逐漸靠近而朝向影像模組230逐漸分離的移動軌跡。
參考圖1C，各個帶動機構120的前端Fe高於水平線L1，且各個帶動機構120的後端Re低於水平線L1。當皮帶124欲帶動質量塊130朝向後端Re移動時，可藉由高低差所產生的位能，而快速移動至所需的方位。圖1D是本發明另一實施例的重心調整裝置與水中載具的側視平面示意圖。請參考圖1D，在本發明的另一實施例中，兩帶動機構120的前端Fe與後端Re平行於水平線P1。在其它實施例中，各個帶動機構的前端也可以低於水平線，且各個帶動機構的後端也可高於水平線。此為依據使用者的需求而更動，則本發明不以此為限。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明並不侷限於使用皮帶以帶動至少二質量塊，只要使用其它驅動機構而帶至少二質量塊移動產生逐漸分離的移動軌跡，仍不脫離於本發明的精神和範圍。
本發明的水中載具重心調整裝置100包括空間感測器(未繪示)耦接於控制器110，空間感測器包括陀螺儀、電子羅盤或慣性導航儀。空間感測器用於感測水中載具200在水面下的方位，並將方位訊號傳遞至控制器110。使控制器可依據方位訊號而自動調整水中載具重心調整裝置100以維持水中載具200的平衡狀態。
以下說明水中載具200於水中行進或上浮、下潛時，水中載具重心調整裝置100的對應調整方式，以及水中載具200的等效受力分析。
請參考圖1A，水中載具重心調整裝置100配置在水中載具200的機體210內，且兩質量塊130位在初始方位，此時水中載具200具有初始等效重心M1，則水中載具200所產生的重力W方向自等效重心M1垂直朝下，同時水中所產生的浮力B自等效重心M1垂直朝上。此浮力B與重力W大小相同且方向相反，使得水中載具200可在水中呈現為懸浮狀態。當水中載具200欲直行前進時，將兩質量塊130維持在初始方位，並透動力元件221帶動螺旋葉片222轉動，使螺旋葉片222持續將流體水朝向機體210的後方推送，在螺旋葉片222上產生向前的推力P。同時水流將作用在機體210的前方而產生阻力R，推力P及阻力R的方向相反且均通過等效重心M1，使推力P大於阻力R即可讓水中載具200沿著水平線L1的方向直行。
圖2A與圖2B繪示圖1A的重心調整裝置將重心調整至左側以及轉矩方向的立體示意圖。圖2C與圖2D繪示圖1A的重心調整裝置將重心調整至右側以及轉矩方向的立體示意圖。
請參考圖2A及圖2B，當水中載具200欲左轉時，使兩個驅動馬達121同時帶動兩個皮帶124朝第一轉動方向D1轉動。使其中一質量塊130朝其中一帶動機構120的後端Re移動，且另一質量塊130朝另一帶動機構120的前端Fe移動。此時，水中載 具200產生往左側偏移的等效重心M2，其位在垂直於水平線L1的水平線L2上。由於水中載具200的重心產生偏移，使得推力P及阻力R的合力對於等效重心M2產生了逆時針方向的轉矩T1。讓水中載具200於行進時朝左側逐漸偏離水平線L1。
請參考圖2C及圖2D，當水中載具200欲右轉時，使兩個驅動馬達121同時帶動兩個皮帶124朝相反於第一轉動方向D1的第二轉動方向D2轉動。使其中一質量塊130朝其中一帶動機構120的前端Fe移動，且另一質量塊130朝另一帶動機構120的後端Re移動。此時，水中載具200產生往右側偏移的等效重心M3，其位在垂直於水平線L1的水平線L2上。由於水中載具200的等效重心產生偏移，使得推力P及阻力R的合力對於等效重心M3產生了順時針方向的轉矩T2。讓水中載具200於行進時朝右側逐漸偏離水平線L1。
圖2E與圖2F繪示圖1A的重心調整裝置將重心調整至後側以及轉矩方向的立體示意圖。圖2G與圖2H繪示圖1A的重心調整裝置將重心調整至前側以及轉矩方向的立體示意圖。
請參考圖2E及圖2F，當水中載具200欲上浮時，使位在水平線L1左側的驅動馬達121帶動皮帶124朝第二轉動方向D2轉動，使位在水平線L1右側的驅動馬達121帶動皮帶124朝第一轉動方向D1轉動，讓位在水平線L1左右兩側的兩個質量塊同時朝兩帶動機構的後端Re移動。此時，水中載具200產生往推進器220偏移且座落在水平線L1上的等效重心M4。由於水中載 具200的等效重心產生偏移，使得浮力B對於偏移後的等效重心M4產生了朝向右方的轉矩T3。讓水中載具200可於行進時朝上方逐漸偏離水平線L1，即水中載具200開始上浮。
請參考圖2G及圖2H，當水中載具200欲下潛時，使位在水平線L1左側的驅動馬達121帶動皮帶124朝第一轉動方向D1轉動，使位在水平線L1右側的驅動馬達121帶動皮帶124朝第二轉動方向D2轉動，讓位在水平線L1左右兩側的兩個質量塊同時朝兩帶動機構的前端Fe移動。此時，水中載具200產生往影像模組230偏移且座落在水平線L1上的等效重心M5。由於水中載具200的等效重心產生偏移，使得浮力B對於偏移後的等效重心M5產生了朝向左方的轉矩T4。讓水中載具200可於行進時朝下方逐漸偏離水平線L1，即水中載具200開始下潛。
綜上所述，基於上述，本發明的水中載具重心調整裝置可配置於水中載具中，透過至少一帶動機構帶動至少二質量塊在水中載具中移動，使水中載具內部的等效重心位置產生位移，透過不同等效重心位置的切換使水中載具產生不同方向(向上、向下、向左、向右)的轉矩、扭矩，從而操控水中載具做上浮、下潛、左轉、右轉的運動。此外，本發明的水中載具重心調整裝置可取代現有水中載具對應控制左右轉向、上浮及下潛的多個獨立結構，可達到減少體積、重量且容易收納運送的目的。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種水中載具重心調整裝置，包括：一控制器，做為運算控制核心；至少一帶動機構，耦接於該控制器；以及至少二質量塊，可動地配置在該至少一帶動機構的對向兩側；其中，該至少一帶動機構可帶動該至少二質量塊移動，該至少二質量塊的一移動軌跡被設定為，當該至少二質量塊同時朝向該至少一帶動機構的前端移動時，該至少二質量塊為逐漸靠近或逐漸遠離，當該至少二質量塊同時朝向該至少一帶動機構的後端移動時，該至少二質量塊為逐漸遠離或逐漸靠近。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的水中載具重心調整裝置，其中該至少一帶動機構的數量為兩個，且為相互對稱設置，該至少二質量塊的數量為兩個，分別配置在該些帶動機構上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的水中載具重心調整裝置，其中各該帶動機構包括一驅動馬達、一帶動輪、兩轉向輪以及一皮帶，該帶動輪連接於該驅動馬達，該些轉向輪分別配置在該驅動馬達的前後兩側，該皮帶套設於該帶動輪與該些轉向輪上，各該質量塊連接於該兩轉向輪之間的部分該皮帶上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的水中載具重心調整裝置，其中各該質量塊隨著各該皮帶的轉向而在相應的該兩轉向輪之間依該移動軌跡移動。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的水中載具重心調整裝置，其中當該些驅動馬達同時帶動該些皮帶朝一第一轉動方向轉動時，使其中一該質量塊朝其中一該帶動機構的後端移動，且另一該質量塊朝另一該帶動機構的前端移動。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的水中載具重心調整裝置，其中當該些驅動馬達同時帶動該些皮帶朝相反於第一轉動方向的一第二轉動方向轉動時，使其中一該質量塊朝其中一該帶動機構的前端移動，且另一該質量塊朝另一該帶動機構的後端移動。
  7. 如申請專利範圍第3項所述的水中載具重心調整裝置，其中當該些驅動馬達分別帶動該些皮帶朝一第一轉動方向及一第二轉動方向轉動時，該些質量塊同時朝該些帶動機構的前端或後端移動。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的水中載具重心調整裝置，其中該至少一帶動機構的前端高於一水平線，且各該至少一帶動機構的後端低於該水平線。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的水中載具重心調整裝置，其中該至少一帶動機構的前端與後端平行於一水平線。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的水中載具重心調整裝置，還包括一空間感測器，耦接於該控制器，該空間感測器包括一陀螺儀、一電子羅盤或一慣性導航儀。
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