WO2021208409A1 - 一种模块化可重构水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种模块化可重构水下机器人，包括信号浮标（9）、以及通过连接组件（12）首尾相连的若干个模块舱；所述的信号浮标通过零浮力通讯线（10）与模块舱进行通讯；所述的模块舱包括：摄像头舱（1）、尾部推进舱（8）、推进器舱（2、3）、电池舱（6）、控制舱（7）以及功能舱；每一个模块舱的内部均安装有无线通讯与电机驱动电路（11），用于接收控制舱发出的驱动控制信号，进而控制各个模块舱工作。在水中航行时，信号浮标接收接收站发出的遥控信号，将信号通过零浮力通讯线输入控制舱，控制舱将各个模块舱的电机驱动信号通过无线传输至各个模块舱，模块舱进而实现前进、后退、转向、悬停、平动、定深、自稳定、定点巡航、机械手抓取等功能。

Description

一种模块化可重构水下机器人 技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及到一种模块化可重构水下机器人。

背景技术

随着科技的进步，越来越多的水下机器人被创造出来，携带机械手、声呐、摄像头和数据采集传感器深入水底探索水下世界。从自主巡航式水下无人机(AUV)到遥控线缆式水下机器人(ROV)等大多数具有行动作业的水下机器人都存在这样一个问题：能够搭载的作业功能负载单一，只能实现定向的作业任务，无法满足日益多样性的任务需求。

在水下机器人的应用领域，水下打捞、水下抓取、水下地形扫描和摄像是目前比较主流的发展方向，目前的水下机器人在是设计与制作时，都是应用于特定功能，缺少标准化设计，结构和功能单一，无法拓展到其他的应用场合上，在一些复杂场合的应用中需要更换不同的水下机器人进行工作，灵活性差，效率低。同时，一般的水下机器人由于电池在水下无法实现快速更换，也使得整体操作作业的效率较低。因此，需要一种能够应用于多种场景的水下机器人，能够实现不同功能的快速切换，提高作业时长与效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的水下机器人功能负载单一，无法用一台机器实现多种任务场合的缺陷，提供一种模块化可重构水下机器人，分为多个模块舱，采用统一标准化设计，每个功能舱通过预留的模块舱固定孔，通过螺栓相互固定，组装成一台功能舱、推进方式、电池舱均可以随需求改变的水下机器人。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模块化可重构水下机器人，包括信号浮标、以及通过连接组件首尾相连的若干个模块舱；所述的信号浮标通过零浮力通讯线与模块舱进行通讯；所述的模块舱包括：

摄像头舱，位于整机的头部，用于拍摄水下视频或图片；

尾部推进舱：位于整机的尾部，用于推动整机前进和后退运动；

推进器舱：用于推动整机左右和上下运动，包括第一推进器舱和第二推进器舱，所述的第一推进器舱的首部与摄像头舱的尾部连接，所述的第二推进器舱(4)的尾部与尾部推进舱的首部连接；

电池舱：位于整机的中部，用于为整机供电；

控制舱：用于根据信号浮标接收到的遥控信号，生成各个模块舱的驱动控制信号，控制整机运动，同时将各个模块舱返回的信号通过信号浮标传输至接收站；

所述的模块舱还包括功能舱；所述的功能舱与所述的第一推进器舱的尾部连接，功能舱包括水下机械手舱和/或压载水舱。

每一个模块舱的内部均安装有无线通讯与电机驱动电路，用于接收控制舱发出的驱动控制信号，进而控制各个模块舱工作。

作为本发明的优选，所述的连接组件包括分别安装在前一个模块舱尾部和后一个模块舱首部的两个法兰盘，两个法兰盘通过螺栓连接；所述法兰盘上设有安装导电柱及摄像头传输线缆的传输通孔。

本发明具备的有益效果是：

(1)本发明的水下机器人与传统的框架式水下机器人相比，由于采用了鱼雷形外观，受到水阻力较小，推进效率高，巡航所能达到速度更快。

(2)本发明的水下机器人自身携带供电系统，可以实现较远距离的自主航行，且完全分舱式设计，可以实现功能模块舱的快速更替，可以被应用与多种场景；在电量不足时，模块化可重构设计可以实现电池舱的快速更换，电池舱中的锂电池组通过相邻模块舱之间的不锈钢导电柱流向各个模块舱，为整机提供电能，高密度锂电池组在水下开关的控制下，能够实现整机电源的通断，航行更安全。

(3)本发明的水下机器人采用信号浮标通信，信号浮标随着水下机器人的运动漂浮在水中可以接受遥控信号，并通过零浮力通讯线将信号传输给控制舱中的主控芯片，能够实现整机的控制与人机的交互；此外，控制舱将采集到的信号通过分析后通过无线通讯传输至各个模块舱中的无线通讯与电机驱动电路上，实现对水下机器人的航行控制，稳定性强。

附图说明

图1为不装备载荷的模块化可重构水下机器人的结构示意图；

图2为带多自由度水下机械手功能舱的模块化可重构水下机器人的结构示意图；

图3为带压载水功能舱的模块化可重构水下机器人的结构示意图；

图4a为摄像头舱的正面结构示意图；

图4b为摄像头舱的反面结构示意图；

图5为推进器舱的结构示意图；

图6为水下机械手舱的结构示意图；

图7为压载水舱的结构示意图；

图8为电池舱的结构示意图；

图9为控制舱的结构示意图；

图10为尾部推进舱的结构示意图；

图11为信号浮标的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，一种模块化可重构水下机器人，包括信号浮标9、以及通过连接组件12首尾相连的若干个模块舱：摄像头舱1、第一推进器舱2、电池舱6、控制舱7、第二推进器舱4和尾部推进舱8；所述的信号浮标9通过零浮力通讯线10与模块舱进行通讯。

所述的摄像头舱1位于整机的头部，用于拍摄水下视频或图片；所述的尾部推进舱8位于整机的尾部，用于推动整机前进和后退运动；所述的第一推进器舱2和第二推进器舱4用于推动整机左右和上下运动，其中第一推进器舱2的首部与摄像头舱1的尾部连接，第二推进器舱4的尾部与尾部推进舱8的首部连接；所述的电池舱6位于整机的中部，用于为整机供电；所述的控制舱7用于根据信号浮标9接收到的遥控信号生成各个模块舱的驱动控制信号，控制整机运动，同时将各个模块舱返回的信号通过信号浮标传输至接收站。每一个模块舱的内部均 安装有无线通讯与电机驱动电路11，用于接收控制舱7发出的驱动控制信号，进而控制各个模块舱工作，实现水下机器人的航行姿态、航速、抓取、摄像等功能。

本发明的模块化可重构水下机器人可以通过不同的模块舱，在图1的基础上还可以增设功能舱，根据不同的作业环境选择不同的功能舱进行重构。所述的功能舱与所述的第一推进器舱2的尾部连接，功能舱包括水下机械手舱3和/或压载水舱5。如图2-3所示，其中图2中增设了水下机械手舱3，图3中增设了压载水舱5。

各个模块舱之间通过连接组件12首尾相连，所述的连接组件12包括分别安装在前一个模块舱尾部和后一个模块舱首部的两个法兰盘12-1，两个法兰盘12-1通过螺栓连接；所述法兰盘上设有安装导电柱12-2及摄像头传输线缆的传输通孔12-3。在本发明的一个具体实施中，每一个法兰盘上设有4个传输通孔，其中2个传输通孔用于传输电荷，通过两根导电柱实现，其中一根导电柱用于传输正电荷，另一个导电柱用于传输负电荷；另外2个通孔用于使线缆穿过，主要是摄像头传输线缆，将摄像头拍摄的图片或者视频通过相邻模块舱之间穿过的摄像头传输线缆输送至控制舱。装配好不锈钢导电柱的两个法兰盘12-1再配合密封圈通过螺丝固定在模块舱的连接端，从而实现舱内密封以及各个模块舱的连接。

在本发明的一个具体实施中，选取110mm直径的亚克力管作为各个模块舱的耐压外壳，密封形成各个舱室，氧化发黑处理的铝合金法兰盘配合氟胶密封圈实现纵向密封，各个模块舱之间通过法兰盘上预留的螺丝孔进行螺栓连接与固定。各个模块舱之间的电源采用12V，是通过将电池舱输出的电荷通过法兰盘上的不锈钢导电柱传输到每个模块舱，同时模块舱内设置有导电铜柱与导线用于连接同一个舱内两个法兰盘上的不锈钢导电柱，实现电源回路。如图8所示，电池舱包括高密度锂电池组和水下开关；所述的高密度锂电池组6-1在水下开关6-2的控制下，实现整机电源的通断，电能通过不锈钢导电柱流向各个模块舱，为整机提供电能，模块化可重构设计可以实现电池舱的快速更换，大大增加了水下机器人的续航能力，单独的电池舱设计，可以实现快速换电与电池舱扩容，大大提高水下机器人的航行时间。在水中航行时，信号浮标接收控制端发出的遥控信号，将信号通过零浮力通讯线通讯线输入控制舱，控制舱对信号进行处理后，将各个模块舱的电机驱动信号通过无线传输至各个模块舱，模块舱进而实现前进、后退、 转向、悬停、平动、定深、自稳定、定点巡航、机械手抓取等功能。

在本发明的一个具体实施中，如图4a和4b所示，所述的摄像头舱包括摄像头舱室1-1、以及安装在摄像头舱室1-1内部的第一舵机云台1-2、第一摄像头1-3和第一探照灯1-4；所述的第一摄像头1-3和第一探照灯1-4固定在第一舵机云台1-2上，所述的第一探照灯1-4用于给第一摄像头1-3补充光源，第一摄像头1-3拍摄的视频和/或图片通过摄像头传输线缆传输至控制舱7，再经零浮力通讯线10和信号浮标9传输至接收站。

在本发明的一个具体实施中，如图5所示，第一推进器舱2和第二推进器舱4的结构一致，第一推进器舱2包括第一推进器舱室2-1，第一垂直转动推进器2-2，第一水平转动推动器2-3；第二推进器舱4包括第二推进器舱室4-1，第二垂直转动推进器4-2，第二水平转动推动器4-3；推进器舱室上设有两个轴向相互垂直的第一涵道和第二涵道，所述第一涵道内安装有垂直转动推进器，第二涵道内安装有水平转动推进器，垂直转动推进器和水平转动推进器用于实现两个方位上的运动(左右运动和上下运动)；所述的垂直转动推进器和水平转动推进器均包括螺旋桨和推进器电机，螺旋桨由推进器电机带动旋转。第一推进器舱2和第二推进器舱4中的无线通讯与电机驱动电路11用于接收控制舱7中主控芯片无线传输来的控制信号并且输出到两个垂直转动推进器和水平转动推进器，进而实现水下机器人的转向、自稳定功能。

在本发明的一个具体实施中，如图6所示，所述的水下机械手舱3包括机械手舱室3-1、以及安装在机械手舱室3-1外部的多自由度机械手3-2、第二摄像头3-3、第二探照灯3-4和第二舵机云台3-5；所述的多自由度机械手3-2通过支架安装在机械手舱室3-1的底部，第二舵机云台3-5安装在多自由度机械手3-2上；所述的第二舵机云台3-5上固定有第二摄像头3-3和第二探照灯3-4，所述的第二摄像头3-3拍摄的视频和/或图片通过摄像头传输线缆传输至控制舱7，再经零浮力通讯线10和信号浮标9传输至接收站。所述的多自由度机械手3-2在舵机的驱动下，可以在一定范围内伸展与抓取，机械手摄像头可以提供摄像头舱中第一舵机云台1-2视野盲区内的水下视野，用于辅助水下抓取，第二探照灯3-4可以为第二摄像头3-3提供水下照明，所有的导线均通过第一穿线螺栓3-6进入水下机械手舱内，从而实现密封，可以实现水下多自由度的水下抓取与拍摄作业。

在本发明的一个具体实施中，如图7所示，所述的压载水舱5包括压载水舱 室5-1、动力舱室5-2、以及安装在动力舱室5-2内部的贯通式步进电机5-3、螺杆5-4和活塞5-5；所述的动力舱室5-2密封安装在压载水舱室5-1的内部，动力舱室5-2通过进/出水孔5-6与整机的外部连通；所述的贯通式步进电机5-3的中心轴上贯穿有螺杆5-4，螺杆5-4的端部与活塞5-5螺栓连接。所述的螺杆5-4与活塞5-5通过螺栓连接后，插入压载水舱中，螺杆5-4穿过贯通式步进电机5-3后，贯通式步进电机旋转过程中可以拉动活塞前后运动，舱外的水可以通过第二穿线螺栓5-7后，再通过气动接头从动力舱室5-2的进/出水孔5-6处进/出入压载水舱中的动力舱室5-2，从而实现吸水与排水，破坏浮力与重力的平衡，改变水下机器人的水中悬停与水面漂浮状态。

在本发明的一个具体实施中，如图9所示，所述的控制舱7包括控制舱室7-1、以及安装在控制舱室7-1内部的深度传感器7-2和主控芯片7-3；所述的深度传感器7-2用于获取水压信号，根据水压信号进行海底定深作业；所述的主控芯片7-3分别与每一个模块舱室中的无线通讯与电机驱动电路11无线连接。所述的深度传感器7-2将水压信号传输至主控芯片7-3，主控芯片7-3进行数据处理后将各个模块的电机驱动信号无线传输至每个模块舱的无线通讯与电机驱动电路上，各个模块舱根据主控芯片传来的电机驱动信号，进而控制舱内的电机运转，主控芯片7-3同时将第一摄像头1-3和第二摄像头3-3传输的视频信号传输到信号浮标9，进一步实现与接收站之间的通讯。

在本发明的一个具体实施中，如图10所示，所述的尾部推进舱8包括尾部推进舱室8-1、以及并排安装在尾部推进舱室外部的两个第三垂直转动推进器8-2，垂直转动推进器包括螺旋桨和推进器电机，螺旋桨由推进器电机带动旋转。所述的尾部推进舱8采用减阻外壳，通过两个水平布置的第三垂直转动推进器8-2的螺旋桨旋转产生推力，推动水下机器人前进与后退。

在本发明的一个具体实施中，如图11所示，所述的信号浮标9包括信号浮标舱室9-1、以及安装于信号浮标舱室9-1内部的图像传输模块9-2和遥控器接收机9-3；所述的图像传输模块9-2通过零浮力通讯线10接收摄像头舱1和/或功能舱传至控制舱7中的图像或视频；遥控器接收机9-3用于接收遥控信号并通过零浮力通讯线10传输至控制舱7，以及将控制舱7的返回信号传输至接收站，实现整机的控制与人机的交互。

如图2所示，在本发明的一个具体实施中，一种模块化可重构水下机器人， 包括摄像头舱1、第一推进器舱2、水下机械手舱3、电池舱4、控制舱5、第二推进器舱4、尾部推进舱8、信号浮标。带多自由度水下机械手功能舱的模块化可重构水下机器人用于完成水下抓取工作，其具体工作方式为：摄像头舱1位于整机的最前端，通过连接组件12依次与第一推进器舱2、水下机械手舱3、电池舱4、控制舱5、第二推进器舱4、尾部推进舱8首尾相连，信号浮标9通过零浮力通讯线10与控制舱7进行通讯。其中，摄像头舱1用于获取水下机器人前方的视角，并将视频信号通过不锈钢导电柱接入控制舱7；第一推进器舱2和第二推进器舱4用于实现水下机器人的上下与左右运动，尾部推进舱8用于实现水下机器人的前进与后退；电池舱6的电能通过不锈钢导电柱输出到各个模块功能舱；信号浮标9通过无线电与遥控人员的地面站进行双向通信，将视频信号无线传输到地面站屏幕，并将地面站上的控制信号接收并通过零浮力通讯线10输入控制舱7内，由主控芯片7-3进行分析与处理。水下机械手舱3上的第二摄像头3-3与第二探照灯3-4可以在机械手作业时供机械手上的视野与照明。

如图3所示，在本发明的一个具体实施中，一种模块化可重构水下机器人，包括摄像头舱1、第一推进器舱2、压载水舱5、电池舱4、控制舱5、第二推进器舱4、尾部推进舱8、信号浮标。带压载水功能舱的模块化可重构水下机器人用于完成水质抽样或者实现水面漂浮工作，其具体工作方式与图2所示的带多自由度水下机械手功能舱的模块化可重构水下机器人用于完成水下抓取工作的工作方式大致相同，其不同之处在于：压载水舱内部装有由螺杆5-4，活塞5-5，动力舱室5-2构成的活塞筒结构，通过贯通式步进电机5-3的正反旋转，可以实现活塞5-5的前后运动，从而实现吸水与排水；舱外的水首先通过穿线螺栓，再通过气动接头进入从动力舱室5-2的进/出水孔5-6处进/出入压载水舱中的动力舱室5-2，实现吸水与排水，破坏浮力与重力的平衡，改变水下机器人的水中悬停与水面漂浮状态。压载水舱可以用于水下定点定深的水质抽样，也可以用于破坏浮力与重力的平衡，实现长时间的水面漂浮。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。显然，以本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的遮羞修改和变型属于本发明权力要求及等同技术的范围之内，则本发明也一图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1. 一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，包括信号浮标、以及通过连接组件首尾相连的若干个模块舱；所述的信号浮标通过零浮力通讯线与各模块舱进行通讯；

   所述的若干个模块舱包括：用于拍摄水下视频或图片的摄像头舱、为整机供电的电池舱、控制舱、供整机前进和后退运动的尾部推进舱、以及供整机左右和上下运动的推进器舱；所述信号浮标接收遥控信号并通过零浮力通讯线传输给控制舱，所述控制舱根据遥控信号生成各个模块舱的驱动控制信号，控制整机运动，控制舱同时将各个模块舱返回的信号通过信号浮标传输至接收站；

   所述的摄像头舱位于整机的头部，尾部推进舱位于整机的尾部；所述的推进器舱包括第一推进器舱和第二推进器舱，所述的第一推进器舱的首部与摄像头舱的尾部连接，所述的第二推进器舱的尾部与尾部推进舱的首部连接；所述的电池舱和控制舱位于整机的中部；每一个模块舱的内部均安装有接收驱动控制信号的无线通讯与电机驱动电路；

   所述的模块舱还包括功能舱；所述的功能舱与所述的第一推进器舱的尾部连接，所述功能舱包括用于水下作业的水下机械手舱和/或用于改变整机浮力的压载水舱；

   所述的信号浮标包括信号浮标舱室、以及安装于信号浮标舱室内部的图像传输模块和遥控器接收机；所述的图像传输模块通过零浮力通讯线接收摄像头舱和/或功能舱传至控制舱中的图像或视频；遥控器接收机用于接收遥控信号并通过零浮力通讯线传输至控制舱，以及将控制舱的返回信号传输至接收站。
2. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的连接组件包括分别安装在前一个模块舱尾部和后一个模块舱首部的两个法兰盘，两个法兰盘通过螺栓连接；所述法兰盘上设有安装导电柱及摄像头传输线缆的传输通孔。
3. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的摄像头舱包括摄像头舱室、以及安装在摄像头舱室内部的第一舵机云台、第一摄像头和第一探照灯；所述的第一摄像头和第一探照灯固定在第一舵机云台上，第一摄像头拍摄的视频和/或图片通过摄像头传输线缆传输至控制舱，再经零浮力通讯线和信号浮标传输至接收站。
4. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的尾部推进舱包括尾部推进舱室、以及并排安装在尾部推进舱室外部的两个垂直转动推进器，所述的垂直转动推进器包括螺旋桨和推进器电机，螺旋桨由推进器电机带动旋转。
5. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的第一推进器舱和第二推进器舱均包括推进器舱室、以及两个轴向相互垂直的第一涵道和第二涵道，所述第一涵道内安装有垂直转动推进器，第二涵道内安装有水平转动推进器，所述的垂直转动推进器和水平转动推进器均包括螺旋桨和推进器电机，螺旋桨由推进器电机带动旋转。
6. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的控制舱包括控制舱室、以及安装在控制舱室内部的深度传感器和主控芯片；所述的深度传感器用于获取水压信号，所述的主控芯片分别与每一个模块舱室中的无线通讯与电机驱动电路无线连接。
7. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的水下机械手舱包括机械手舱室、以及安装在机械手舱室外部的多自由度机械手、第二摄像头、第二探照灯和第二舵机云台；所述的多自由度机械手通过支架安装在机械手舱室的底部，第二舵机云台安装在多自由度机械手上；所述的第二舵机云台上固定有第二摄像头和第二探照灯，所述的第二摄像头拍摄的视频和/或图片通过摄像头传输线缆传输至控制舱，再经零浮力通讯线和信号浮标传输至接收站。
8. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，所述的压载水舱包括压载水舱室、动力舱室、以及安装在动力舱室内部的贯通式步进电机、螺杆和活塞；所述的动力舱室密封安装在压载水舱室的内部，动力舱室通过进/出水孔与整机的外部连通；所述的贯通式步进电机的中心轴上贯穿有螺杆，螺杆的端部与活塞螺栓连接
9. 根据权利要求1所述的一种模块化可重构水下机器人，其特征在于，模块舱连接构成的机器人主体外形采用鱼雷形设计。

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