CN109334921B - 一种水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人，包括框架式结构的机器人本体和设置在机器人本体内的悬停控制装置，机器人本体包括相对设置第一竖梁和第二竖梁，悬停控制装置包括拉线、收线轴、可自动卷收的第一阻尼片和第二阻尼片，收线轴可转动安装在第一竖梁和第二竖梁之间，第一阻尼片和第二阻尼片分别卷绕安装在第一竖梁和第二竖梁上，且第一阻尼片和第二阻尼片的伸出端均通过拉线与收线轴连接。本发明由于阻尼片伸缩装置工作时对周围水体扰动小，避免推进器形成漂浮的羽状流的问题，从而显著提高观测视野的清晰度和可视范围。

Description

一种水下机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种水下机器人。

背景技术

随着水下作业需求的不断增加，人们对水下机器人的需求日趋增长。在指定水深进行作业是水下机器人的一项重要技术性能指标。当水下机器人需要保持在一定深度进行观测作业时，水下机器人一方面需要实现定深控制，另一方面需要尽可能减少水下机器人对周围水体的扰动，以提高观测视野的清晰度。现有的水下机器人出于安全考虑，通常会设计成正浮力，即水下机器人在失去主动上浮力时也能依靠自身的浮力浮出水面。这类水下机器人在实现定深作业时通常采用实时控制垂直方向的螺旋桨推进器的推力的方法，这种方法存在如下不足：

1、螺旋桨推进器工作时会搅动周围的水体，引起水中和水底的沉积物产生扩散运动，形成漂浮的羽状流，会显著降低观测视野的清晰度和可视范围；

2、需要给垂直方向的螺旋桨推进器持续供电，增加水下机器人的能量消耗。

由此可见，发明一种定深观测作业过程中不会扰动周围水体、提高观测视野的清晰度、且能量消耗低的水下机器人具有重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种定深作业过程中不会扰动周围水体、且能量消耗低的水下机器人。

为实现上述目的，本发明公开了一种水下机器人，包括框架式结构的机器人本体和设置在所述机器人本体内的悬停控制装置，所述机器人本体包括相对设置的第一竖梁和第二竖梁，所述悬停控制装置包括拉线、收线轴、可自动卷收的第一阻尼片和第二阻尼片，所述收线轴可转动安装在所述第一竖梁和第二竖梁之间，所述第一阻尼片和第二阻尼片分别卷绕安装在所述第一竖梁和第二竖梁上，且所述第一阻尼片和第二阻尼片的伸出端均通过所述拉线与所述收线轴连接。

进一步的，所述第一阻尼片和第二阻尼片相对布置且同步伸缩运动。

进一步的，还包括阻尼片卷绕轴、和第一竖梁连接的第一卷筒以及和第二竖梁连接的第二卷筒，所述第一卷筒和第二卷筒内设置有涡卷弹簧，所述涡卷弹簧与阻尼片卷绕轴卷绕连接，所述第一阻尼片和第二阻尼片均与所述阻尼片卷绕轴连接。

进一步的，所述第一阻尼片和第二阻尼片设置为可覆盖所述机器人本体竖直方向的截面。

进一步的，所述拉线的一端与所述第一阻尼片和第二阻尼片的中点连接，另一端与所述收线轴的中点连接。

进一步的，所述机器人本体的中间位置安装有电子舱，所述电子舱内安装有深度传感器和控制器，所述收线轴通过一电机驱动，所述电机、深度传感器均与所述控制器连接。

进一步的，所述机器人本体内还安装有水平推进器和垂直推进器，所述水平推进器和垂直推进器均与所述控制器连接。

进一步的，所述机器人本体上还均布有多个浮力块。

进一步的，所述第一阻尼片和第二阻尼片在初始工作状态时设置为一半左右为伸出展开状态。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

相对于传统的水下机器人通过垂直推进器产生动力实现悬停的过程中会产生漂浮的羽状流、并且需要消耗电能等问题。本发明的水下机器人通过设计了一个阻尼片伸缩装置，当需要增大运动阻力时第一阻尼片和第二阻尼片伸出，其展开面积增大，从而实现水下机器人的缓慢下沉，接近悬停。当需要减小运动阻力时阻尼片收缩，展开面积减小。由于阻尼片伸缩装置工作时对周围水体扰动小，可以避免悬停过程中形成漂浮的羽状流，从而显著提高观测视野的清晰度和可视范围；与此同时，也避免了悬停过程中向推进器供电，从而降低了能耗。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例公开的水下机器人的主视示意图；

图2是本发明优选实施例公开的水下机器人的俯视示意图；

图3是本发明优选实施例公开的水下机器人的悬停控制装置的结构示意图；

图4是图1的A-A剖视示意图。

图例说明：

1、机器人本体；11、第一竖梁；12、第二竖梁；13、第一横梁；131、上前横梁；132、上后横梁；14、第二横梁；141、下前横梁；142、下后横梁；15、水平推进器；16、垂直推进器；161、左垂直推进器；162、右垂直推进器；17、浮力块；171、左前浮力块；172、左后浮力块；173、右前浮力块；174、右后浮力块；18、电缆；19、电子舱；191、深度传感器；192、控制器；2、悬停控制装置；21、电机；22、收线轴；23、拉线；231、左拉线；232、右拉线；241、第一阻尼片；242、第二阻尼片；251、第一卷筒；261、第二卷筒；27、涡卷弹簧；28、阻尼片卷绕轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-图4所示，本发明公开了一种水下机器人，包括机器人本体1和控制机器人本体1悬停的悬停控制装置2，其中，机器人本体1为第一竖梁11、第二竖梁12、第一横梁13和第二横梁14组成框架式结构，同时，机器人本体1安装有水平推进器15、垂直推进器16、浮力块17、电缆18、电子舱19、深度传感器191和控制器192，第一竖梁11和第二竖梁12垂直布置在水下机器人的左右两侧，第一横梁13有2块，分别为上前横梁131和上后横梁132，第二横梁14有2块，分别为下前横梁141和下后横梁142，第一横梁13和第二横梁14水平布置在水下机器人的上下两侧，浮力块17共有4块，分别为左前浮力块171、左后浮力块172、右前浮力块173和右后浮力块174。浮力块17对称布置在第一横梁13的上表面，左前浮力块171、左后浮力块172与第一竖梁11的内侧面接触，右前浮力块173、右后浮力块174与第二竖梁12的内侧面接触，垂直推进器16有2个，分别为左垂直推进器161和右垂直推进器162，左垂直推进器161安装在左前浮力块171和左后浮力块172之间，右垂直推进器162安装在右前浮力块173和右后浮力块174之间，电子舱19水平安装在第一横梁13的中心，水平推进器15水平对称安装在第一横梁13的下表面，深度传感器191和控制器192安装在电子舱19内部，深度传感器191和控制器192之间采用电气连接。

在本实施例中，悬停控制装置2安装在水下机器人的框架内部，且位于第一横梁13和第二横梁14之间，包括电机21、收线轴22、阻尼片卷绕轴28、拉线23(包括左拉线231和右拉线232)、左边的第一阻尼片241、右边的第二阻尼片242、左边的第一卷筒251和右边的第二卷筒261，电机21安装在第二横梁14的中心，电机21的输出端与收线轴22连接，电机21和电子舱19通过电缆18连接，第一卷筒251和第二卷筒261内设置有涡卷弹簧27，第一卷筒251安装在第一竖梁11上，而左边的阻尼片卷绕轴28的两端均与第一卷筒251内的涡卷弹簧27连接，同时，第二卷筒261安装在第二竖梁12上，而右边的阻尼片卷绕轴28的两端均与第二卷筒261内的涡卷弹簧27连接，第一阻尼片241的伸出端通过左拉线231与收线轴22连接，第二阻尼片242的伸出端通过右拉线232与收线轴22连接。

本实施例中，左拉线231的第一端与第一阻尼片241的伸出端的中点连接，左拉线231的第二端缠绕在收线轴22的中点，左拉线231在收线轴22拉动下带动第一阻尼片241向收线轴22运动，左拉线231在涡卷弹簧27拉动下带动第一阻尼片241向第一竖梁11运动；右拉线232的第一端与第二阻尼片242活动端的中点连接，右拉线232的第二端缠绕在收线轴22的中点，右拉线232在收线轴22拉动下带动第二阻尼片242向收线轴22运动。同时，在本实施例中，水下机器人在工作的初始状态时，第一阻尼片241和第二阻尼片242均有一半处于展开状态，从而为水下机器人提供一个初始阻尼力f，便于后续进行精确微调，从而加快调节过程，以便快速进入悬浮状态。

具体的，本发明的工作过程如下：当本发明水下机器人需要在指定深度进行水下环境观测时，首先将水下机器人下潜至指定深度，然后关闭垂直推进器16，电子舱19中的控制器192通过深度传感器191实时检测深度，如果深度检测值小于设定深度值，控制器192接通电机21正转，电机21带着收线轴22转动，收线轴22带着左拉线231和右拉线232以相同的速度向收线轴22移动，第一阻尼片241和第二阻尼片242以相同的速度同步从第一卷筒251和第二卷筒261中拉出，水下机器人受到的阻尼力增大；如果深度检测值等于设定深度值，则电机21停止转动；如果深度检测值大于设定深度值，控制器192接通电机21反转，第一阻尼片241和第二阻尼片242分别在涡卷弹簧27拉力作用下以相同的速度卷收，水下机器人受到的阻尼力减小。

同时，本发明的工作原理及优点如下：

水下机器人在水中工作时受到的浮力F1大于重力G和阻尼力f，现有的水下机器人在水中低速上下运动时下阻尼力f是恒定的，其水中悬停控制方法是通过垂直推进器16实时产生垂直方向的推力T维持水下机器人在垂直方向的受力平衡，其力平衡方程为：F1＝G+f+T，本发明是通过实时调节水下机器人在垂直方向上的阻尼力f来维持水下机器人在垂直方向的受力平衡，具体实现方式是在水下机器人下横梁上设计了一个阻尼片伸缩装置，水下机器人在垂直方向上运动时阻尼片受到的阻尼力f的计算公式为：f＝k*A，式中，k为阻尼系数，A为阻尼片的面积，由此可知，通过调节阻尼片的面积可以调节阻尼力f。当水下机器人需要在指定深度进行悬停观测作业时，通过改变阻尼力f满足如下力平衡方程即可在不开启垂直推进器16的状态下实现水中悬停：F1＝G+f，对于小型水下机器人，阻尼力f的调节范围大约为1N。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下机器人，其特征在于，包括框架式结构的机器人本体（1）和设置在所述机器人本体（1）内的悬停控制装置（2），所述机器人本体（1）包括相对设置的第一竖梁（11）和第二竖梁（12），所述悬停控制装置（2）包括拉线（23）、收线轴（22）、可自动卷收的第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242），所述收线轴（22）可转动安装在所述第一竖梁（11）和第二竖梁（12）之间，所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）分别卷绕安装在所述第一竖梁（11）和第二竖梁（12）上，且所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）的伸出端均通过所述拉线（23）与所述收线轴（22）连接。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）相对布置且同步伸缩运动。

3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，还包括阻尼片卷绕轴（28）、和第一竖梁（11）连接的第一卷筒（251）以及和第二竖梁（12）连接的第二卷筒（261），所述第一卷筒（251）和第二卷筒（261）内设置有涡卷弹簧（27），所述涡卷弹簧（27）与阻尼片卷绕轴（28）卷绕连接，所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）均与所述阻尼片卷绕轴（28）连接。

4.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于，所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）设置为可覆盖所述机器人本体（1）竖直方向的截面。

5.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于，所述拉线（23）的一端与所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）的中点连接，另一端与所述收线轴（22）的中点连接。

6.根据权利要求1-5任一所述的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体（1）的中间位置安装有电子舱（19），所述电子舱（19）内安装有深度传感器（191）和控制器（192），所述收线轴（22）通过一电机（21）驱动，所述电机（21）、深度传感器（191）均与所述控制器（192）连接。

7.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体（1）内还安装有水平推进器（15）和垂直推进器（16），所述水平推进器（15）和垂直推进器（16）均与所述控制器（192）连接。

8.根据权利要求6所述的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体（1）上还均布有多个浮力块（17）。

9.根据权利要求1-5任一所述的水下机器人，其特征在于，所述第一阻尼片（241）和第二阻尼片（242）在初始工作状态时设置为一半为伸出展开状态。