CN109050802A - 一种波浪自适应无人水面机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波浪自适应无人水面机器人。该机器人包括主体结构、推进***、浮力***、悬架***和控制***，主体结构结合浮力***组成了一个稳定的水面平台，浮力***采用四浮舱分开布局的模式，大大增加了机器人在水面行驶的稳定性，提高了在大风浪情况下工作的能力；本发明首次在水面设备上采用了悬架***，通过纵摇减振器和横摇减振器共同作用，减少波浪对机器人的影响，使机器人具有一定的波浪自适应能力；同时采用了模块化设计思路，各零部件可根据不同需求进行互换，方便装配和调试。本发明相对于现有的设备，具有体积小、重量轻、运动灵活，可选择遥控操作或手动操作切换，能够与现有大型的设备结合使用，具有重要的推广价值。

Description

一种波浪自适应无人水面机器人

技术领域

本发明涉及一种海上无人装备，具体涉及一种可在大风浪情况下下仍能完成工作的具有一定波浪自适应能力的无人水面机器人。

背景技术

随着海洋强国的战略制定，近年来航运取得了重大的发展，海上的活动和工作也日益增多，目前在海上运行的主要设备主要是大型船舶，用以完成海上的人和物的运输。随着时代的发展，海上的工作不仅仅只是运输，还有其他许多任务需要完成，例如搜救、导航、监测、水文地理勘察等，另外在军事领域也有许多需求，例如侦察、探测、排雷、巡逻等；在一些领域，现有的船艇使用成本高，而且还有一定危险性，另外一些任务需要全天候不间断的执行，现有的船艇不能完美的满足所有的需求。

因此需要新型的具有较高航速、稳定性好、具有一定负载能力的高性能无人设备来填补以上的需求，通过与现有的设备协同合作，更好的完成相应的工作。

发明内容

为了克服上述不足，本发明研发一种波浪自适应无人水面机器人，该机器人具有较好的耐波性、无需人员参与、能在较大风浪下稳定运行，且具有一定负载能力，能根据不同任务需求，方便搭载不同设备。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种波浪自适应无人水面机器人，包括主体结构、推进***、浮力***、悬架***和控制***，其中：

主体结构，为桁架结构，包括主平台7，主平台7为四边形结构，四周为桁架结构，中间为设备舱8，设备舱8上根据机器人执行的任务安装相应的工作设备，设备舱8上设置有控制台9，主平台7四角分别铰接连接四组摇臂5，四组摇臂5分别铰接连接支撑臂3；

浮力***，包括分布在同一平面的四个浮舱，四个浮舱由两个动力舱1和两个电池舱10组成，其中，两个动力舱1铰接安装在主体结构的主平台7后方的两条支撑臂3上，两个电池舱10铰链安装在主体结构的主平台7前方的两条支撑臂3上，两个电池舱10为两个动力舱提供动力，浮力***为整个机器人提供浮力，浮力***和主体结构组成了一个稳定的水面平台；

悬架***，包括纵摇减振器2和横摇减振器6，纵摇减振器2通过铰链连接在浮舱和支撑臂3之间，横摇减振器6通过铰链连接在摇臂5和主平台7之间；

推进***，安装在浮力***的两个动力舱1内部，为整个机器人提供前进的动力；

控制***，包括控制台9和陆地基站，控制台9通过接收陆地基站遥控信号，控制推进***和相应的工作设备，控制台9也能够手动控制推进***和相应的工作设备，实现机器人的海上行进和完成相应任务。

进一步地，所述的浮力***的动力舱1和电池舱10为V型船体结构，适合高速航行。

进一步的，所述的浮力***的动力舱1和电池舱10内设置有舱内支撑骨架13，舱内支撑骨架13增加动力舱1和电池舱10的结构强度和刚度。

进一步地，所述的推进***包括两组推进装置，两组推进装置分别固定在主体结构的主平台7后方的两个动力舱1内；每组推进装置包括一台推进电机14和一台喷水推进器11，每组推进装置中的推进电机14输出轴通过万向联轴器12连接喷水推进器11的输入轴，同时喷水推进器11的喷口露出在动力舱1外部，推进电机14旋转带动喷水推进器11旋转将水通过喷口喷出，为机器人提供海上行进动力，通过控制***控制两个推进电机14的转速不同实现机器人行进过程中的转向。

进一步地，所述的喷水推进器11的喷口角度能够调节，喷口角度调节范围为水平方向上±25°，通过改变喷水推进器11的喷口角度，实现机器人行进过程中的转向。

进一步地，所述的悬架***还包括限位杆4，限位杆4的上端与摇臂5的上部铰接，限位杆4的下端与摇臂5的下部铰接，以限制摇臂5上部和下部的距离，达到限位的作用。

进一步地，所述的纵摇减振器2通过铰链连接在浮力***的浮舱和支撑臂3之间，横摇减振器6通过铰链连接在摇臂5和主平台7之间；纵摇减振器2一端通过铰链与支撑臂3连接，另一端通过铰链与浮舱连接，使浮舱在沿其自身的长度方向上能够与水平面倾斜5～10°，即浮舱能够在垂直方向上船头抬起5～10°，减少机器人在行进过程中的纵摇；横摇减振器6一端通过铰链与主平台7连接，另一端通过铰链与摇臂5的下部连接，使摇臂5能够在垂直方向上沿其与平台7的铰接轴与水平面呈±30°范围内转动，减少机器人在行进过程中的横摇，从而保证机器人在水面行进时遇到波浪保持主平台的稳定，获得一定程度的波浪自适应能力。

本发明通过控制***实现在陆地基站遥控无人水面机器人，控制***能同时控制推进***和相应的工作设备，从而实现无人水面机器人的运动和完成相应的任务；本发明可与现有大型的设备结合使用，通过水陆两栖飞机空投，或者通过大型船舶投放，还可多个机器人集群协同工作，提高工作效率。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、相对于现有的设备，具有体积小、重量轻、运动灵活，可遥控操作也可手动操作，遥控操作无需人员参与，安全性高，特殊情况切换手动操作灵活度高；

2、主体结构结合浮力***组成了一个稳定的水面平台，采用四浮舱分开布局的模式，大大增加了机器人在水面行驶的稳定性，提高了在大风浪情况下工作的能力；

3、本发明首次在水面设备上采用了悬架***，通过纵摇减振器和横摇减振器共同作用，减少波浪对机器人的影响，使机器人具有一定的波浪自适应能力；

4、本发明采用了模块化设计思路，各零部件可根据不同需求进行互换，方便装配和调试；

5、本发明可与现有大型的设备结合使用，可通过水陆两栖飞机空投、可通过大型船舶投放，还可多个机器人集群协同工作，提高工作效率。

本发明提供了一种稳定性高、航行速度快、可根据不同的任务需求搭载不同的设备完成不同工作的无人水面机器人，具有重要的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中波浪自适应无人水面机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例1中波浪自适应无人水面机器人的动力舱外部视图；

图3为本发明实施例1中波浪自适应无人水面机器人动力舱的内部视图；

图中：1、动力舱，2、纵摇减振器,3、支撑臂，4、限位杆，5、摇臂，6、横摇减振器，7、主平台，8、设备舱，9、控制台，10、电池舱，11、喷水推进器，12、万向联轴器，13、舱内支撑骨架，14、推进电机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，一种波浪自适应无人水面机器人，由主体结构、推进***、浮力***、悬架***和控制***组成；其中：

主体结构由主平台7和四组摇臂5以及四条支撑臂3构成，主平台7为四边形结构，根据需要可设计为方形、矩形、菱形、梯形等四边形结构，本实施例中主平台7设计为矩形结构，矩形四周为桁架结构，中间空间形成设备舱8，设备舱8上根据机器人执行的任务安装相应的设备，同时设备舱8上设置有控制台9，主平台7四角分别铰接连接四组摇臂5，四组摇臂5分别铰接连接四条支撑臂3，提供机器人工作平台；

浮力***由四个分布在同一平面的截面为V型的浮舱构成，四个浮舱由两个动力舱1和两个电池舱10组成，如图3所示，动力舱1和电池舱10为V型船体，适合高速航行，所述的浮力***的动力舱1和电池舱10内设置有舱内支撑骨架13，舱内支撑骨架13增加动力舱1和电池舱10的结构强度和刚度。其中，两个动力舱1铰接安装在主体结构主平台7后方的两条条支撑臂3上，两个电池舱10铰链安装在主体结构主平台7前方的两条支撑臂3上，两个电池舱10内的电池通过导线将电力传递到动力舱1内的推进电机14上，为整个***提供动力，浮力***为整个机器人提供浮力，浮力***和主体结构组成了一个稳定的水面平台；

悬架***，包括纵摇减振器2和横摇减振器6，纵摇减振器2通过铰链连接在浮力***的浮舱和支撑臂3之间，即纵摇减振器2一端通过铰链与支撑臂3连接，另一端通过铰链与浮舱连接，使浮舱在沿其自身的长度方向上能够与水平面倾斜5～10°，即浮舱能够在垂直方向上船头抬起5～10°，减少机器人在行进过程中的纵摇；横摇减振器6通过铰链连接在摇臂5和主平台7之间，即横摇减振器6一端通过铰链与主平台7连接，另一端通过铰链与摇臂5的下部连接，使摇臂5能够在垂直方向上沿其与平台7的铰接轴与水平面呈±30°范围内转动，减少机器人在行进过程中的横摇。纵摇减振器2和横摇减振器6保证机器人在水面行进时遇到波浪保持主平台的稳定，获得一定程度的波浪自适应能力。同时悬架***还包括限位杆4，限位杆4的上端与摇臂5的上部铰接，限位杆4的下端与摇臂5的下部铰接，以限制摇臂5上部和下部的距离，达到限位的作用。

推进***，包括两组推进装置，两组推进装置分别固定在主体结构的主平台7后方的两个动力舱1内；如图2所示，每组推进装置包括一台推进电机14和1台喷水推进器11，每组推进装置中的推进电机14输出轴通过万向联轴器12连接喷水推进器11的输入轴，同时喷水推进器11的喷口露出在动力舱1外部且角度可调，推进电机14旋转带动喷水推进器11旋转将水通过喷口喷出，为机器人提供海上行进动力，喷口角度调节范围为水平方向上±25°，通过改变喷水推进器11的喷口角度，能够实现机器人行进过程中的转向；也能够通过控制***控制两个推进电机14的转速不同实现机器人行进过程中的转向。推进***为整个机器人提供前进的动力；

控制***，包括控制台9和陆地基站，控制台9通过接收陆地基站遥控信号，控制推进***和设备舱8安装的相应设备，控制台9也能够手动控制推进***和相应的工作设备，实现机器人的海上行进和完成相应任务。

本发明体积小，重量轻、运动灵活，采用四浮舱的分开布局的模式，有效增加了分布面积，大大增加了机器人在水面行驶的稳定性，同时应用了悬架***，使机器人在水面行进和工作时能减少波浪对主平台的影响，保持主平台的稳定，使其具有一定的波浪自适应能力，提高了在大风浪情况下工作的能力，能更好的完成相应任务。本发明采用了模块化设计思路，主体结构、推进***、浮力***和悬架***的各零部件可根据不同需求进行互换，方便装配和调试；可与现有大型的设备结合使用，可通过水陆两栖飞机空投、可通过大型船舶投放，还可多个机器人集群协同工作，通过遥控作业，无需人员参与，实现无人水面机器人的运动和安全有效的完成相应任务。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，包括主体结构、推进***、浮力***、悬架***和控制***，其中：

主体结构，为桁架结构，包括主平台(7)，主平台(7)为四边形结构，四周为桁架结构，中间为设备舱(8)，设备舱(8)上根据机器人执行的任务安装相应的工作设备，设备舱(8)上设置有控制台(9)，主平台(7)四角分别铰接连接四组摇臂(5)，四组摇臂(5)分别铰接连接支撑臂(3)；

浮力***，包括分布在同一平面的四个浮舱，四个浮舱由两个动力舱(1)和两个电池舱(10)组成，其中，两个动力舱(1)铰接安装在主体结构主平台(7)后方的两条支撑臂(3)上，两个电池舱(10)铰链安装在主体结构主平台(7)前方的两条支撑臂(3)上，两个电池舱(10)为两个动力舱提供动力，浮力***为整个机器人提供浮力，浮力***和主体结构组成了一个稳定的水面平台；

悬架***，包括纵摇减振器(2)和横摇减振器(6)，纵摇减振器(2)通过铰链连接在浮舱和支撑臂(3)之间，横摇减振器(6)通过铰链连接在摇臂(5)和主平台(7)之间；

推进***，安装在浮力***的两个动力舱(1)内部，为整个机器人提供前进的动力；

控制***，包括控制台(9)和陆地基站，控制台(9)通过接收陆地基站遥控信号，控制推进***和相应的工作设备，控制台(9)也能够手动控制推进***和相应的工作设备，实现机器人的海上行进和完成相应任务。

2.根据权利要求1所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的推进***包括两组推进装置，两组推进装置分别固定在主体结构的主平台(7)后方的两个动力舱(1)内；每组推进装置包括一台推进电机(14)和一台喷水推进器(11)，每组推进装置中的推进电机(14)输出轴通过万向联轴器(12)连接喷水推进器(11)的输入轴，同时喷水推进器(11)的喷口露出在动力舱(1)外部，推进电机(14)旋转带动喷水推进器(11)旋转将水通过喷口喷出，为机器人提供海上行进动力，通过控制***控制两个推进电机(14)的转速不同实现机器人行进过程中的转向。

3.根据权利要求2所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的喷水推进器(11)的喷口角度能够调节，喷口角度调节范围为水平方向上±25°，通过改变喷水推进器(11)的喷口角度，实现机器人行进过程中的转向。

4.根据权利要求1权利要求所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的悬架***还包括限位杆(4)，限位杆(4)的上端与摇臂(5)的上部铰接，限位杆(4)的下端与摇臂(5)的下部铰接，以限制摇臂(5)上部和下部的距离，达到限位的作用。

5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的纵摇减振器(2)通过铰链连接在浮力***的浮舱和支撑臂(3)之间，横摇减振器(6)通过铰链连接在摇臂(5)和主平台(7)之间；纵摇减振器(2)一端通过铰链与支撑臂(3)连接，另一端通过铰链与浮舱连接，使浮舱在沿其自身的长度方向上能够与水平面倾斜5～10°，即浮舱能够在垂直方向上船头抬起5～10°，减少机器人在行进过程中的纵摇；横摇减振器(6)一端通过铰链与主平台(7)连接，另一端通过铰链与摇臂(5)的下部连接，使摇臂(5)能够在垂直方向上沿其与平台(7)的铰接轴与水平面呈±30°范围内转动，减少机器人在行进过程中的横摇，从而保证机器人在水面行进时遇到波浪保持主平台的稳定，获得一定程度的波浪自适应能力。

6.根据权利要求1所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的浮力***的动力舱(1)和电池舱(10)为V型船体结构，适合高速航行。

7.根据权利要求1所述的波浪自适应无人水面机器人，其特征在于，所述的浮力***的动力舱(1)和电池舱(10)内设置有舱内支撑骨架(13)，舱内支撑骨架(13)增加动力舱(1)和电池舱(10)的结构强度和刚度。