CN103170975A - 三轴可伸缩多适应性水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴可伸缩多适应性水下机器人。本发明包括箱体支架、伸缩机构和动力机构三个部分，箱体密封防水，用于安放搭载机构并提供动力臂伸缩的空间；伸缩机构通过齿条连接三个从动齿轮，从动齿轮带动丝杆转动，控制杆的伸缩，能实现机器人三只动力臂的同步伸缩，根据环境改变自身大小，运行作业更为自如；动力机构由三只动力臂组成，臂端螺旋桨的轴向可以改变，通过三只螺旋桨的转速和螺旋桨轴向的配合实现空间六自由度的运动。本发明设计了动力臂可伸缩的装置，在沉船考古，深海挖掘领域具有很好的实用性，保护文物的同时运行作业更为自如，效率更高。

Description

三轴可伸缩多适应性水下机器人

技术领域

本发明涉及一种水下机器人，尤其是动力臂可伸缩三轴驱动实现空间六个自由度运动的多适应性水下机器人。

背景技术

随着海洋研究与开发的“深”入发展，水下机器人代替人类肩负起越来越多也越来越复杂的水下作业任务。其应用领域相当之广泛，各式各样的机器人在管道容器检查、船舶河道海洋石油、科学研究教学、能源、安全、考古、渔业以及娱乐等领域发挥巨大作用。

水下的地形错综复杂，如何成功高效地到达指定的位置，圆满完成预定的任务，这对水下机器人的灵活性和环境适应性提出了很高的要求；另一方面，随着机器人潜水深度的不断增加，水下机器人的结构趋于复杂化，总重量增加，总规模变大，使用方面受到很大的限制，故而如何在保证机器人的操作准确性和灵活性的同时，将水下机器人小型化也是一个亟待解决的问题。

分析现今已有的水下机器人设计，按照其运动方式实现大致可以归为两大类：第一类，单轴推进器提供动力，通过推进器的正反转实现水下机器人的前进和后退，而方向的调整则依靠舵鳍控制，产生某个方向的分力，改变水下运行姿态。此类机器人结构简洁，航速很快，但是正如现今飞机存在的问题一样，运动回转半径太大，灵活性受到很大的限制，很难适应水下复杂的地形；另一类比较常见的是在每一个方向上安置一对推进器，分别控制上下、前后、左右，可以实现空间复杂的运动，灵活性也较高，但是弊端在于过多的推进器布置会大大降低机器人的结构紧凑度，推进器重量比重大，且推进器过多占用了内部空间，使得其他联合作业仪器的搭载安装受到限制。此外此类水下机器人并不能实现空间六自由度的运动，水下的扭转做不到。

中国专利CN201872930U公布了一种开架式自主水下机器人，该设计采用承载支架与压力舱分开的设计，结构简单，制造方便，但是由于该设计中，动力装置分布固定在机器人上，使得整体体积比较大，在沉船考古，水下挖掘时行动极为不便。中国专利CN201849653U公布了一种水下仿生机器人，该设计的动力装置为对称分布于机器人侧面的四个拍动鳍，相比较专利CN201872930U，此设计将大部分结构布置在中心的压力舱内，易于外形的改变，但是仿生鳍的设计必须是固定的。因而很难在结构上进行大的改进，在沉船考古领域的复杂环境下作用有限。

发明内容

本发明针对水下机器人在沉船考古领域复杂环境下作业遇到的运行不便的困难，提供一种动力臂可伸缩三轴驱动，实现包括沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度在内的空间六个自由度运动，环境适应性很强的机器人。

本发明包括箱体支架、伸缩机构和动力机构三个部分，箱体密封防水，用于安放搭载机构并提供动力臂伸缩的空间；伸缩机构通过齿条连接三个从动齿轮，从动齿轮带动丝杆转动，控制杆的伸缩，能实现机器人三只动力臂的同步伸缩，根据环境改变自身大小，运行作业更为自如；动力机构由三只动力臂组成，臂端螺旋桨的轴向可以改变，通过三只螺旋桨的转速和螺旋桨轴向的配合实现空间六自由度的运动。本发明设计了动力臂可伸缩的装置，在沉船考古，深海挖掘领域具有很好的实用性，保护文物的同时运行作业更为自如，效率更高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

    三轴可伸缩多适应性水下机器人，由箱体、安装在箱体内部的伸缩机构和外部的动力机构三个部分组成，伸缩机构固定在箱体内部，通过丝杆结构连接主要由三支动力臂构成的动力机构，同时动力机构与箱体保持滑动连接。

    所述的伸缩机构包括齿条，带主动齿轮的驱动电机，第一从动齿轮,第二从动齿轮,第三从动齿轮，第一张紧齿轮，第二张紧齿轮，蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置。驱动电机固定安装在箱体底座上，第一从动齿轮，第二从动齿轮，第三从动齿轮，第一张紧齿轮和第二张紧齿轮通过轴承安装在底座上。驱动电机，齿条，第一从动齿轮，第二从动齿轮，第三从动齿轮构成同步传动***，从动齿轮下连接有蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置，丝杆的螺杆部分与动力臂连接。通过控制驱动电机便可同步改变三只动力臂的伸出长度。

    所述的蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置包括一个蜗轮蜗杆和一个丝杆结构，前者的蜗轮与后者的螺母结合一体。蜗杆固定连接在从动齿轮的下面，蜗轮与丝杆的螺母外部螺纹配合，螺母内部螺纹与螺杆配合。

所述的动力机构包括动力臂、轴向转动装置和推进装置。轴向转动装置和推进装置安装在动力臂上，通过推进装置螺旋桨的转速和轴向的配合实现空间六自由度运动。动力臂与螺杆的连接方式为：螺杆左端圆盘限制在动力臂内部，可转动但不可轴向运动，另一方面，动力臂外表面设计有凸纹，与导管内壁的凹槽配合。

所述的轴向转动装置包括带减速器的轴向转动电机、转动主动齿轮、转动从动齿轮和轴承。轴承安装在推进装置和动力臂之间，衔接二者，轴向转动电机的输出轴上设置有转动主动齿轮，转动主动齿轮与转向从动齿轮啮合，转动从动齿轮为推进器外壳表面的一圈齿条。

所述的推进装置包括推进电机、主动锥齿、从动锥齿、螺旋桨和外壳。推进电机安装于动力臂内部，顶住螺杆左端圆盘，推进电机连接主动锥齿，主动锥齿啮合从动锥齿，从动锥齿连接螺旋桨，主从动锥齿轮外面安装有外壳。

本发明具有以下有益效果：

该机器人动力臂可伸缩的设计使得其在水下考古、沉船挖掘作业时有很明显的优势，空间开阔时臂伸长，提供更高的响应速度，且更为稳定，经过诸如船舱等狭小的部位时臂收缩，保护打捞物的同时行动更为自由，效率更高，相当于一个机器人实现了传统的不同大小机器人的用途，环境适应性很强，此外水下机器人不工作时臂可收缩，便于携带和器械的自身保护。

该机器人通过调节三只推进器推力和螺旋桨轴向可实现空间六自由度运动，控制准确，灵活度高，可以完成原地旋转等运动，适应水下考古，沉船挖掘等复杂水下环境要求。

    该机器人空间优化配置，有利于机器人的微型化。伸缩***分布于箱体内部外圈，中间的部分可以搭载诸如摄像头、机械手等探测与作业工具，空间利用充分，结构布置也更为合理，为升级提供了可能，机械手的工作对机器人的整体平衡影响也很小，利于控制。

推进装置独立于机器人主体之外，推进执行装置与推进能量的产生、储存及其他部分分处于不同耐压壳，一方面大大减少水下机器人主体的体积，有利于节能和下潜深度的增加，另一方面方便维护和改造升级。

附图说明

图1为水下机器人内部结构示意图；

图2为伸缩结构示意图；

图3为动力臂示意图；

图4为动力臂端内部结构图；

图5为动力臂剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1和图2所示，箱体3上下盖可拆卸，箱体3内壁上伸出有导管5，主动齿轮驱动电机14，第一张紧齿轮2，第二张紧齿轮11，第一从动齿轮1，第二从动齿轮4，第三从动齿轮9均匀分布在箱壁内圈，主动齿轮驱动电机14固定安装在箱体3上，第一从动齿轮1，第二从动齿轮4，第三从动齿轮9，第一张紧齿轮2和第二张紧齿轮11通过轴承12、13、15、16、17安装在箱体3上。第一动力臂6，第二动力臂7和第三动力臂10在箱体3的导管5中运动，保证了不同长度动力臂工作时的稳定性。

如图3和图4所示，以第一动力臂6为例，第一从动轮1与蜗杆24固定连接在一起，蜗杆24带动蜗轮25，蜗轮25同时是丝杆结构的螺母26的一部分，螺母转动驱动螺杆23伸缩，螺杆23左端固定有圆盘33，圆盘限制在动力臂6内部，左端顶着推进驱动电机34，圆盘可以在动力臂6内部转动，但不可以轴向运动，保证螺杆23的伸缩运动传递到动力臂6的前提下，动力臂6不发生旋转。为进一步保证动力臂不发生转动，在动力臂6表面设计轴向凸纹22，与箱体导管5内面凹槽配合。

如图4和图5所示，推进装置通过轴承19连接在动力臂末端，带减速器的轴向转动电机21通过缚带20固定在动力臂6上，并连接有转向主动齿轮31，转向主动齿轮31带动固定于推进器上的转向从动齿轮32，这样通过控制轴向转动电机21便可控制推进器的轴向，此装置也可使用舵机替代。推进驱动电机34安装于动力臂6内部，动力臂驱动主动锥齿29转动，主动锥齿29带动从动锥齿28，进而驱动螺旋桨推进。通过控制推进驱动电机34和轴向转动电机21，即控制了推进器的转速和轴向，三只轴两者的配合可实现空间六自由度的运动。

水下考古作业时，三轴可伸缩多适应性机器人通电进入工作状态，伸缩控制驱动电机14转动，带动主动齿轮转动，主动齿轮带动齿条8，齿条8控制第一从动齿轮1，第二从动齿轮4，第三从动齿轮9同步转动，通过蜗轮蜗杆和丝杆结构，同步控制三只动力臂的长度，达到适应环境需要的臂长，遇到开阔的环境，控制驱动电机14增大臂长，提高反应速度和作业效率；遇到狭小空间时，控制驱动电机14缩短臂长，在保护打捞物和机器人自身前提下，运行更为自如。蜗轮蜗杆的引入和导管5的设计使得***有很好的自锁功能，保证机器人在不同长度动力臂情形下运动的稳定性。

Claims (6)

1. 三轴可伸缩多适应性水下机器人，由箱体、安装在箱体内部的伸缩机构和外部的动力机构三个部分组成，其特征是：伸缩机构固定在箱体内部，通过丝杆结构连接主要由三支动力臂构成的动力机构，同时动力机构与箱体保持滑动连接。

2.根据权利要求1所述的三轴可伸缩多适应性水下机器人，其特征是：所述的伸缩机构包括齿条(8)、带主动齿轮的驱动电机（14）、第一从动齿轮(1)、第二从动齿轮(4)、第三从动齿轮(9)、第一张紧齿轮(2)、第二张紧齿轮(11)、蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置；驱动电机（14）固定安装在箱体（3）底座上，第一从动齿轮（1）、第二从动齿轮（4）、第三从动齿轮（9）、第一张紧齿轮（2）和第二张紧齿轮（11）分别通过轴承安装在底座上；驱动电机、齿条（8）、第一从动齿轮（1）、第二从动齿轮（4）和第三从动齿轮（9）构成同步传动***，从动齿轮下连接有蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置，丝杆的螺杆（23）部分与动力臂连接；通过控制驱动电机（14）便可同步改变三只动力臂的伸出长度。

3.根据权利要求2所述的三轴可伸缩多适应性水下机器人，其特征是：所述的蜗轮蜗杆与丝杆伸缩装置包括一个蜗轮蜗杆和一个丝杆，前者的蜗轮与后者的螺母结合一体；蜗杆（24）固定连接在从动齿轮的下面，蜗轮与丝杆的螺母外部螺纹（25）配合，螺母内部螺纹与（27）螺杆（23）配合。

4.根据权利要求1所述的三轴可伸缩多适应性水下机器人，其特征是：所述的动力机构包括动力臂、轴向转动装置和推进装置；轴向转动装置和推进装置安装在动力臂上，通过推进装置中的螺旋桨（30）的转速和轴向的配合实现空间六自由度运动；动力臂与螺杆的连接方式为：螺杆（23）一端的圆盘（33）限制在动力臂内部，可转动但不可轴向运动，动力臂外表面设计有凸纹（22），与导管（5）内壁的凹槽配合。

5.根据权利要求4所述的三轴可伸缩多适应性水下机器人，其特征是：所述的轴向转动装置包括带减速器的轴向转动电机（21）、转动主动齿轮（31）、转动从动齿轮（32）和轴承（19）；轴承（19）安装在推进装置和动力臂之间，衔接二者，轴向转动电机（21）固定在动力臂上，轴向转动电机（21）的输出轴上设置有转动主动齿轮（31），转动主动齿轮（31）与转向从动齿轮（32）啮合，转动从动齿轮（32）为推进器外壳（18）表面的一圈齿条。

6.根据权利要求4所述的三轴可伸缩多适应性水下机器人，其特征是：所述的推进装置包括推进电机（34）、主动锥齿（29）、从动锥齿（28）、螺旋桨（30）和外壳（18）；推进电机（34）安装于动力臂内部，顶住螺杆的左端圆盘（33），推进电机（34）连接主动锥齿（29），主动锥齿（29）啮合从动锥齿（28），从动锥齿（28）连接螺旋桨（30），主从动锥齿轮外面安装有外壳（18）。

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