CN112093015A - 水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人，包含：机壳，为碟式；若干第一导流通道，均匀间隔布置在机壳内，每个第一导流通道的两端分别贯穿机壳，每个第一导流通道沿第一方向延伸，第一方向为平行于机壳的顶部和底部的连线方向；若干第二导流通道，均匀间隔布置在机壳内，每个第二导流通道的两端分别贯穿机壳，每个第二导流通道与第一方向垂直；若干第一推进器，每个第一导流通道内分别设有一第一推进器；若干第二推进器，每个第二导流通道内分别设有一第二推进器；电控模块，电控模块设置在机壳内，电控模块分别与若干第一推进器和若干第二推进器相连。本发明结构精巧，航速高、航程大、续航时间长、姿态稳定性强，且可拓展性强、载重能力大。

Description

水下机器人

技术领域

本发明涉及水下潜航器技术领域，特别涉及一种水下机器人。

背景技术

水下机器人是一种具备一定耐受水压能力，可在水下灵活游动的机械化智能化无人载具。水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，广泛应用于海洋渔业、水下考古、水文监测等场合。

现有技术中，水下机器人可分为无缆自主型水下机器人AUV （autonomousunderwater vehicle）和有缆操纵型水下机器人ROV（Remote Operated Vehicle ）。AUV多为欠驱动动力布局的鱼雷外形，重视低功耗续航能力与续航里程，但其动力外形限制了其低速运动状态的稳定性和负载重量；ROV多采用过驱动动力布局的框架式结构，重视姿态可控性，但拖拽缆线方式牺牲了高航程性能，框架结构牺牲了高速运动性能。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种水下机器人，包含：

机壳，机壳为碟式；

若干第一导流通道，若干第一导流通道均匀间隔布置在机壳内，每个第一导流通道的两端分别贯穿机壳，每个第一导流通道沿第一方向延伸，第一方向为平行于机壳的顶部和底部的连线方向；

若干第二导流通道，若干第二导流通道均匀间隔布置在机壳内，每个第二导流通道的两端分别贯穿机壳，每个第二导流通道与第一方向垂直；

若干第一推进器，每个第一导流通道内分别设有一第一推进器；

若干第二推进器，每个第二导流通道内分别设有一第二推进器；

电控模块，电控模块设置在机壳内，电控模块分别与若干第一推进器和若干第二推进器相连。

进一步，第一导流通道的数量为不小于4的偶数。

进一步，若干第一导流通道的轴线两两平行，但任意三个第一导流通道的轴线不共面。

进一步，任一第一导流通道的中心线与任一第二导流通道的中心线不相交。

进一步，第二导流通道的数量为不小于2的偶数。

进一步，任意两个第二导流通道的中心线不相交。

进一步，还包含：架板，架板设置在机壳内；若干第一推进器、若干第二推进器以及电控模块分别安装在架板上。

进一步，机壳包含上壳和下壳，上壳和下壳的拼接方向为第一方向。

进一步，每个第一导流通道包含相连通的上导流筒和下导流筒，上导流筒设置在上壳的内壁，下导流筒设置在下壳的内壁，上导流筒和下导流筒分别沿第一方向贯穿上壳和下壳。

进一步，还包含：架板，架板设置在机壳内；电控模块分别安装在架板上；架板与第一方向垂直，架板上设有若干导流通孔，若干导流通孔与若干第一导流通道一一对应，每个导流通孔的两端分别连通一第一导流通道的上导流筒和下导流筒，每个导流通孔中设有一第一推进器；若干第二推进器通过连接件分别安装在架板上，每个第二推进器分别伸入一第二导流通道内。

进一步，还包含：耐压舱，耐压舱设置在架板上，电控模块设置在耐压舱内，耐压舱的底部盖设有光学球罩，机壳的底部开设有观察窗，光学球罩位于观察窗处。

进一步，耐压舱与架板通过柔性连接件相连，柔性连接件的上端与架板相连，柔性连接件的下端与耐压舱相连。

进一步，还包含：驱动机构和摄像头，摄像头位于光学球罩内，驱动机构与摄像头相连以驱动摄像头转动，驱动机构与摄像头分别与电控模块相连接。

进一步，还包含：重心调节模块，重心调节模块设置在架板上；重心调节模块包含配重块和滑动组件，配重块可通过滑动组件在架板上，沿与第二导流通道平行或垂直的方向移动。

进一步，若干第二导流通道包含若干中部第二导流通道；

每个中部第二导流通道包含上凹槽和下凹槽，上凹槽设置在上壳的内部，下凹槽设置在下壳的内部；

上凹槽的两端分别沿与第一方向垂直的方向贯穿上壳，下凹槽的两端分别沿与第一方向垂直的方向贯穿下壳。

进一步，若干第二导流通道包含若干上部第二导流通道和若干下部第二导流通道，每个上部第二导流通道的两端分别沿与第一方向垂直的方向贯穿上壳，每个下部第二导流通道的两端分别沿与第一方向垂直的方向贯穿下壳。

根据本发明实施例的水下机器人，结构精巧，航速高、航程大、续航时间长、姿态稳定性强，且可拓展性强、载重能力大。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并 且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例水下机器人的总装主视图；

图2为根据本发明实施例水下机器人的总装立体图；

图3-1为根据本发明实施例水下机器人的总装俯视图；

图3-2为根据本发明实施例水下机器人的机壳装配俯视图；

图3-3为图3-2的A-A向剖视图；

图3-4为图3-2的B-B向剖视图；

图4-1为根据本发明实施例水下机器人的机壳由上下壳构成的上壳俯视图；

图4-2为图4-1的B-B向剖视图；

图5-1为根据本发明实施例水下机器人的机壳由上下壳构成的下壳俯视图；

图5-2为图5-1的B-B向剖视图；

图6为根据本发明实施例水下机器人的机壳由上下壳构成的结构分解图；

图7为根据本发明实施例水下机器人的架板、推进器以及重心调节模块的装配示意图；

图8为图7中重心调节模块结构示意图；

图9为根据本发明实施例水下机器人的耐压舱及舱内部件的结构分解图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1~9描述根据本发明实施例的水下机器人，用于水下无人作业，可适应湖泊、海洋，其应用场景很广。

如图1~3-4、6、9所示，本发明实施例的水下机器人，具有机壳1、若干第一导流通道2、若干第二导流通道3、若干第一推进器4、若干第二推进器5、电控模块6。机壳1为碟式，若干第一导流通道2均匀间隔布置在碟式的机壳1内，每个第一导流通道2的两端分别贯穿机壳1，每个第一导流通道2沿第一方向A延伸，即，沿平行于机壳1的顶部和底部的连线方向延伸，每个第一导流通道2内分别设有一第一推进器4；若干第二导流通道3也均匀间隔布置在机壳1内，每个第二导流通道3的两端分别贯穿机壳1，每个第二导流通道3分别与第一方向A垂直，每个第二导流通道3内分别设有一第二推进器5，电控模块6设置在机壳1内，电控模块6分别与若干第一推进器4和若干第二推进器5相连。

电控模块6通过第一推进器4控制水下机器人在垂直方向的运动，可以提供欧拉角坐标系下，俯仰、横摇维度较快速的调节力矩，在较强的水流干扰下维持稳定的俯仰角 、横摇角；偏航维度较为柔和的调整力矩，可以精确地调整偏航扭矩，减小偏航震荡。在本实施例中，电控模块6可采用预编程自主控制、高功率低频率无线电遥控、拖拽式浮标无线遥控或拖拽式零浮力缆线遥控等方式进行控制。

通过第二推进器5控制水下机器人在水平方向的运动，提供进退推力，完成进退动作，同时可以可在偏航角偏差较大情况下输出较大偏航力矩，加快偏航调整动作。

在本实施例中，第一推进器4和第二推进器5选用直流无刷电机和螺旋桨的动力组合，也可以采用无轴泵推作为动力。

通过机壳1的碟式水动力学外形，能够提供沉浮、横摇、俯仰维度较大阻尼，适配较大输出，响应快，而偏航、进退、横移较小阻尼，适配较小输出，调节精准，从而利于定深航行、利于稳定悬停、利于垂直升沉，姿态稳定性强；同时，其碟式顶部的类似舰桥的凸起，会在水下机器人前进时因阻力产生抬头力矩，从而可抵消水平推进器，即第二推进器5附加在水下机器人质心上的俯冲力矩。

在本实施例中，机壳1上设有多个排水孔14，能够实现快速排水；还设有多个机壳安装孔15，用于安装防水指示灯、防水开关以及插头接插件等。

具体地，如图1~3-4所示，第一导流通道2和第一推进器4的数量为不小于4的偶数，而第二导流通道3和第二推进器5的数量为不小于2的偶数，偶数对推进器有利于消除推进器自身多余自旋反扭矩。同时，如果推进器数量不足，即使机壳1为碟式，也会导致水下机器人发生倾斜，姿态难以控制。因此，在本实施例中，以第一推进器4为4台，第二推进器5为2台，总计6台推进器进行说明，6台推进器既能够保证充足的动力，实现高航速，而且既能保证垂直方向，也能保证水平方向的运动和姿态控制，最大程度发挥碟式水下机器人的形状优点，又能够有效、精准实现碟式水下机器人的控制。

在本实施例中，所有第一导流通道2和第二导流通道3的中心线均没有三维空间内欧式几何意义上的交叉；第一导流通道2的轴线两两平行，但任意3个第一导流通道2的轴线不共面。由于第一导流通道2和第二导流通道3内置于碟式机壳1内，以及互不相交的中心线，使所有推进器的喷射水流不会直接纠缠在一起，从而减少喷射水流互相纠缠形成湍流的可能，进而减弱湍流对控制效果和效率的消极影响。

具体地，如图4-1、4-2、5-1、5-2、6所示，在本实施例中，为了制造和组装的便捷，机壳1由上壳11和下壳12组装而成，上壳11和下壳12的拼接方向为第一方向A，上壳11的顶部即为机壳1的顶部，下壳12的底部即为机壳1的底部。

具体地，第一导流通道2可以为整段结构，整体设置在机壳1内，也可以为分段结构，第一导流通道2可以与机壳1通过3D打印或铸造等方式实现一体成型，也可以独立制造，安装至机壳1内。

进一步，在本实施例中，如图4-1、4-2、5-1、5-2、6所示，根据机壳1的上下壳结构，每个第一导流通道2具有相连通的上导流筒21和下导流筒22，上导流筒21设置在上壳11的内壁，下导流筒22设置在下壳12的内壁，上导流筒21和下导流筒22分别沿第一方向A贯穿上壳11和下壳12，从而通过上壳11和下壳12的组装，实现上导流筒21和下导流筒22的拼接连通，构成第一导流通道2。

如上，上导流筒21和下导流筒22可以独立制造，分别安装至上壳11和下壳12；也可以通过3D打印或铸造等方式实现一体成型，即上导流筒21与上壳11一体成型，下导流筒22与下壳12一体成型。

具体地，在本实施例中，如图6、7所示，本发明实施例的水下机器人，还具有架板7，用于安装第一推进器4、第二推进器5以及电控模块6，第一推进器4和第二推进器5分别从架板7上伸入第一导流通道2和第二导流通道3中，将第一推进器4和第二推进器5置于碟式机壳1内，可以尽量减少推进器对碟式整体的破坏，使水下机器人整体不会被水草等长条状物缠绕。

进一步，如图6、7所示，结合机壳1的上下壳结构，以及第一导流通道2的上下导流筒结构，架板7与第一方向A垂直，即，与第一导流通道2的上导流筒21以及下导流筒22垂直，架板7上设有若干导流通孔71，每个导流通孔71的两端分别连通一第一导流通道2的上导流筒21和下导流筒22，实现与第一导流通道2以及第一推进器4的一一对应，每个导流通孔71中设置第一推进器4；若干第二推进器5通过连接件51分别安装在架板7上，每个第二推进器5分别伸入一第二导流通道3内，在本实施例中，连接件51与架板7、第二推进器5都为可拆卸连接。

具体地，在本实施例中，如图6、9所示，本发明实施例的水下机器人还具有耐压舱8，耐压舱8设置在架板7上，电控模块6设置在耐压舱8内，耐压舱8的底部盖设有光学球罩81，在本实施例中，耐压舱8的两端通过端盖83、法兰85、光学球罩81和O型密封圈84进行防水密封，法兰85的上层与架板7相连，法兰85的下层固定光学球罩81。

进一步，如图6、9所示，耐压舱8与架板7通过柔性连接件86相连，柔性连接件86的上端与架板7相连，柔性连接件86的下端与耐压舱8相连。相对于刚性连接，柔性连接件86可部分吸收外界对耐压舱8的冲击，使耐压舱8的耐压防水效果不至于因冲击过猛而失效，亦可以降低耐压舱8舱内的各个模块器件收到的振动冲击，使各模块器件稳定可靠工作，比如，对于下文中提及的惯性测量单元（Inertial measurement unit，IMU）等振动敏感器件来讲，柔性连接可以构成机械式滤波器，过滤掉高频噪声，提高测量精度。在本实施例中，柔性连接件86选用尼龙柱，尼龙柱中设有沿尼龙柱的轴向贯通的螺纹孔，螺纹孔的上端与架板7通过螺栓连接，螺纹孔的下端与耐压舱8的法兰85通过螺栓连接。

进一步，如图1、5-1所示，机壳1的底部开设有观察窗13，用于避让位于观察窗13处的光学球罩81。

进一步，如图9所示，耐压舱8的顶部设有若干耐压舱安装孔82，用于安装穿线螺丝、深度传感器、通气阀以及备用等，结构紧凑精巧，节省空间。

进一步，如图9所示，本发明实施例的水下机器人还具有：驱动机构91和摄像头92，摄像头92位于光学球罩81内，驱动机构91与摄像头92相连以驱动摄像头92转动，驱动机构91与摄像头92分别与电控模块6相连接。由于摄像头92的前瞻距离对光学导航影响巨大，因而需要较大的摄像头前瞻距离；但本发明实施例的水下机器人有定点悬停任务需求，较大前瞻距离反而不利于定点悬停，因此采用驱动机构91调整摄像头92的摄像角度，兼顾视野需求。在本实施例中，驱动机构91选用舵机/云台。

进一步，在本实施例中，水下机器人除了摄像头92作为光学传感器之外，可根据使用场景需要，在耐压舱8内安装激光雷达、高度计、深度计、电子罗盘、声学导航单元、惯性测量单元（Inertial measurement unit，IMU）等各种传感器。

在本实施例中，电池包也设置在耐压舱8内，既能防水又安装稳定，且离推进器、电控模块6以及各种传感器的距离都较近，减少走线距离，既节省成本又减轻不必要的重量，提升续航里程和时间。

进一步，如图7~8所示，本发明实施例的水下机器人还具有：重心调节模块10，重心调节模块10设置在架板7上；重心调节模块10包含配重块101和滑动组件102，配重块101可通过滑动组件102在架板7上沿与第二导流通道3平行或垂直的方向移动，实现横向/纵向拖拽，在本实施例中，重心调节模块10可以加挂配重环，用于改变重量、质心位置与高度，通过重心调节模块10调整浮力状态为正浮力、负浮力、悬浮三种状态，调整质心与水下机器人的回转中线重合。

进一步，如图7~8所示，在本实施例中，滑动组件102包含：贯穿架板7的一对平行的滑槽1021和跨设在一对滑槽1021中的滑轨1022，滑轨1022可沿一对滑槽1021移动，配重块101可沿滑轨1022移动，滑轨1022可带动配重块101沿滑槽1021移动。

具体地，若干第二导流通道3为2个中部第二导流通道31，每个中部第二导流通道31包含上凹槽311和下凹槽312，其中，上凹槽311设置在上壳11的内部，下凹槽312设置在下壳12的内部，上凹槽311的两端分别沿与第一方向A垂直的方向贯穿上壳11，下凹槽312的两端分别沿与第一方向A垂直的方向贯穿下壳12，当上壳11和下壳12拼接时，上凹槽311和下凹槽312拼接成第二导流通道31。

在本实施例中，上凹槽311和下凹槽312可独立制造后分别与上壳11和下壳12组装，也可以通过3D打印或铸造的方式，实现一体成型，即，上凹槽311与上壳11一体成型，下凹槽312与下壳12一体成型。

进一步，在其他方案中，第二导流通道3还可以为若干上部第二导流通道（图中未示出）和若干下部第二导流通道（图中未示出），即，位于上壳11的上部第二导流通道，和，下壳12内的下部第二导流通道，而不仅限于位于上壳11和下壳12的连接部的中部第二导流通道31。

每个上部第二导流通道的两端分别沿与第一方向A垂直的方向贯穿上壳11，每个下部第二导流通道的两端分别沿与第一方向A垂直的方向贯穿下壳12，实现水平方向的运动控制。进一步，上部第二导流通道与上壳11一体成型，下部第二导流通道与下壳12一体成型，也可以分别单独通过3D打印或铸造等方式单独制造。

当工作时，本发明实施例的水下机器人可采用一次性电池 、可充电电池或无线输电等方式作为能量来源，利用碟式水动力外形，通过4个垂直部署的第一推进器4与2个水平部署的第二推进器5，通过控制各个第一推进器4的转速调节沉浮推力、横摇扭矩、俯仰扭矩和偏航扭矩，不仅能够保证水下的姿态稳定，还能够实现高航速、大航程以及高续航时间，并适应多种水文条件，可用于水下机器人教学、海洋牧场、水下观测、水下考古、水下搜救等场合，而且能够应用于重型水下机器人（200kg以上）、中型水下机器人（50~200kg）、小型水下机器人（10~50kg）、超小型水下机器人（小于10kg），具有极强的适用性。

以上，参照图1~9描述了根据本发明实施例的水下机器人，结构精巧，航速高、航程大、续航时间长、姿态稳定性强，且可拓展性强、载重能力大。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种水下机器人，其特征在于，包含：

机壳，所述机壳为碟式；

若干第一导流通道，所述若干第一导流通道均匀间隔布置在所述机壳内，每个所述第一导流通道的两端分别贯穿所述机壳，每个所述第一导流通道沿第一方向延伸，所述第一方向为平行于所述机壳的顶部和底部的连线方向；

若干第二导流通道，所述若干第二导流通道均匀间隔布置在所述机壳内，每个所述第二导流通道的两端分别贯穿所述机壳，每个所述第二导流通道与所述第一方向垂直；

若干第一推进器，每个所述第一导流通道内分别设有一所述第一推进器；

若干第二推进器，每个所述第二导流通道内分别设有一所述第二推进器；

电控模块，所述电控模块设置在所述机壳内，所述电控模块分别与所述若干第一推进器和所述若干第二推进器相连。

2.如权利要求1所述水下机器人，其特征在于，所述第一导流通道的数量为不小于4的偶数。

3.如权利要求2所述水下机器人，其特征在于，所述若干第一导流通道的轴线两两平行，但任意三个所述第一导流通道的轴线不共面。

4.如权利要求2所述水下机器人，其特征在于，任一所述第一导流通道的中心线与任一所述第二导流通道的中心线不相交。

5.如权利要求1所述水下机器人，其特征在于，所述第二导流通道的数量为不小于2的偶数。

6.如权利要求5所述水下机器人，其特征在于，任意两个所述第二导流通道的中心线不相交。

7.如权利要求1所述水下机器人，其特征在于，还包含：架板，所述架板设置在所述机壳内；所述若干第一推进器、所述若干第二推进器以及所述电控模块分别安装在所述架板上。

8.如权利要求1所述水下机器人，其特征在于，所述机壳包含上壳和下壳，所述上壳和所述下壳的拼接方向为所述第一方向。

9.如权利要求8所述水下机器人，其特征在于，每个所述第一导流通道包含相连通的上导流筒和下导流筒，所述上导流筒设置在所述上壳的内壁，所述下导流筒设置在所述下壳的内壁，所述上导流筒和所述下导流筒分别沿所述第一方向贯穿所述上壳和所述下壳。

10.如权利要求9所述水下机器人，其特征在于，还包含：架板，所述架板设置在所述机壳内；所述电控模块分别安装在所述架板上；所述架板与所述第一方向垂直，所述架板上设有若干导流通孔，所述若干导流通孔与所述若干第一导流通道一一对应，每个所述导流通孔的两端分别连通一所述第一导流通道的所述上导流筒和所述下导流筒，每个所述导流通孔中设有一所述第一推进器；所述若干第二推进器通过连接件分别安装在所述架板上，每个所述第二推进器分别伸入一所述第二导流通道内。

11.如权利要求7或10所述水下机器人，其特征在于，还包含：耐压舱，所述耐压舱设置在所述架板上，所述电控模块设置在所述耐压舱内，所述耐压舱的底部盖设有光学球罩，所述机壳的底部开设有观察窗，所述光学球罩位于所述观察窗处。

12.如权利要求11所述水下机器人，其特征在于，所述耐压舱与所述架板通过柔性连接件相连，所述柔性连接件的上端与所述架板相连，所述柔性连接件的下端与所述耐压舱相连。

13.如权利要求11所述水下机器人，其特征在于，还包含：驱动机构和摄像头，所述摄像头位于所述光学球罩内，所述驱动机构与所述摄像头相连以驱动所述摄像头转动，所述驱动机构与所述摄像头分别与所述电控模块相连接。

14.如权利要求7或10所述水下机器人，其特征在于，还包含：重心调节模块，所述重心调节模块设置在所述架板上；所述重心调节模块包含配重块和滑动组件，所述配重块可通过所述滑动组件在所述架板上，沿与所述第二导流通道平行或垂直的方向移动。

15.如权利要求8所述水下机器人，其特征在于，所述若干第二导流通道包含若干中部第二导流通道；

每个所述中部第二导流通道包含上凹槽和下凹槽，所述上凹槽设置在所述上壳的内部，所述下凹槽设置在所述下壳的内部；

所述上凹槽的两端分别沿与所述第一方向垂直的方向贯穿所述上壳，所述下凹槽的两端分别沿与所述第一方向垂直的方向贯穿所述下壳。

16.如权利要求8或15所述水下机器人，其特征在于，所述若干第二导流通道包含若干上部第二导流通道和若干下部第二导流通道，每个所述上部第二导流通道的两端分别沿与所述第一方向垂直的方向贯穿所述上壳，每个所述下部第二导流通道的两端分别沿与所述第一方向垂直的方向贯穿所述下壳。

Images