双电机多向推进水下自主机器人的制作方法

本发明属于机械工程技术领域，具体是涉及一种双电机多向推进水下自主机器人。

背景技术：

AUV是无缆水下机器人的英文缩写。目前水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称为遥控潜器(Remote Operated Vehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，习惯称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。自主式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。例如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工，水下设备维护与维修等；在军用领域则可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等。由于无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点，所以从60年代中期起，工业界和军方开始对无缆水下机器人发生兴趣。

现有的无缆水下机器人多采用重心调节或浮力调节装置实现水下的自由运动，存在着体积大，质量大，灵活性不足等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种小型化的缆水下机器人，结构紧凑且灵活性更高，更适合于在浅海、湖泊工作，也便于大规模组网布放。用于满足探测需求，提高探测效率。

一种双电机多向推进水下自主机器人，包括位于头部的固定部分以及位于尾部的驱动机构以及角度调节机构，所述角度调节机构包括：

旋转板；

固定所述旋转板中心位置的固定连杆，该固定连杆一端与所述旋转板中心铰接，另一端与所述头部相对固定；

驱动所述旋转板摆动以改变其角度的可动连杆，可动连杆一端与所述旋转板铰接；

驱动可动连杆运行的驱动器，驱动器的输出端与所述可动连杆另一端连接。

本发明中，通过固定连杆实现对旋转板的定位，保证旋转板进行沿轴心摆动(或者转动)。通过舵机驱动可动连杆，可实现对旋转板角度的调整，进而实现对机器人运行方向的调整。

作为优选，所述驱动器为舵机。本发明中，驱动器采用舵机，可实现对旋转板角度的精确控制。

作为优选，所述角度调节机构还包括与固定部分相对固定的后盖板，所述旋转板与驱动器分别位于后盖板的两侧，且所述固定连杆另一端与该后盖板固定，所述后盖板上设有：供所述可动连杆穿过的限位孔，使得可动连杆仅能沿轴向运行。本发明中，后盖板一方面实现了对旋转板的定位，同时也实现了对可动连杆的导线限位，而且，也实现了驱动机构以及角度调节机构与固定部分的定位，使得机器人构成一个整体。

作为优选，所述的可动连杆和舵机为分别对应的两组，两个可动连杆与旋转板的铰接位与旋转板轴心的连线垂直。采用本技术方案，可是保证两组可动连杆和舵机相互协作，实现对在二维方向上无死角的旋转，进而实现对机器人运行方向的全面调节。

作为优选，所述可动连杆与舵机连接的一端设有条形限位孔的联动环；所述舵机的摇臂上设有滑动配合在所述条形限位孔内的推杆。通过条形限位孔的设置，进一步保证可动连杆在设定方向稳定运行。

作为优选，所述可动连杆与所述旋转板采用万向球头结构铰接。保证本发明的方向调整更加灵活。

作为优选，所述驱动机构包括固定在旋转板上的电机，以及固定在电机输出轴上的螺旋桨。

作为优选，所述固定部分包括：

前盖板；

将所述前盖板和后盖板相互密封固定的腔壁；

所述腔壁内设有用于安装电源的供电区以及用于安装芯片的芯片区。

作为进一步优选，所述腔壁密封固定有至少两个隔板，该隔板将腔壁内腔分为独立的所述供电区和所述芯片区。两个隔板之间、以及隔板与前盖板之间均可通过定位杆螺纹固定。两个隔板之间之前可以形成所述的供电区，通过支架和定位杆等结构可实现对电源电池的固定。靠前的隔板与前盖板之间可以形成所述的芯片区，用于实现多种芯片的固定和安装。本实例中，使用的主要芯片包括：用于检测水位深度的深度传感器，GPS，惯性导航罗盘，STM32以及其它探测所需传感器；传感器或者芯片安装的数量可根据实际需要。本发明中，通过软件编程等，实现STM32对驱动机构、方向角度调节机构的自动控制。

作为优选，所述前盖板朝向头部的一侧固定有导流罩，所述前盖板上设有避让芯片区内深度传感器的避让孔，所述导流罩上设有通水孔，使得深度传感器直接接触海水。

本发明的机器人由尾部可360度转向的螺旋桨推进器控制运动。旋转板的另一侧安装有两根与舵机摇臂相连的活动连杆和一根与机器人后端盖相连的固定连杆。通过舵机旋转调节两根活动连杆的伸出长度，配合固定连杆，可以实现旋转板的旋转，从而达到矢量推进的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明的新型的无缆水下机器人，采用更加灵活的角度调机构，适用性强，通过尾部的矢量推进器实现对机器人运行方向的精确调整，进而实现机器人对目标地点的数据采集。同时，本发明为了减少机器人的体积和重量，该机器人的主要材料采用塑料、有机玻璃和铝合金。

附图说明

图1为本发明的双电机多向推进水下自主机器人的结构示意图。

图2为本发明的双电机多向推进水下自主机器人的分区结构示意图。

图3为本发明的双电机多向推进水下自主机器人的固定部分的结构示意图。

图4为本发明的双电机多向推进水下自主机器人方向调节机构运行原理示意图。

上述附图中：

1、旋转板；2、可动连杆；3、固定连杆；4、舵机；5、供电区；6、芯片区；7、导流罩；8、后端盖；8a、安装部；8b、抵接部；9、前端盖；9a、安装部；9b、抵接部；10、隔板；11、隔板；12、第一定位杆；13、第二定位杆；14、电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图3所示，一种双电机多向推进水下自主机器人，包括以下几个主要部分：旋转板1、可动连杆2、固定连杆3、舵机4、供电区5、芯片区6、导流罩7、腔壁(图中未示出)、后端盖8、前端盖9以及驱动机构等。

本实施例中，除腔壁和导流罩采用亚克力材质外，暴露在水中的部分均为铝合金材质(旋转板，前后端盖等)，内容部分支架采用塑料与铝合金结合的形式，在保证固定强度的情况下减轻重量。

本实例按照运动情况，可以划分成A、B两个部分(如图2所示)。其中，A部分为固定部分，用来存放电池，芯片。本实例中使用的主要芯片包括：深度传感器(用于检测机器人所在深度)，GPS(用于机器人的定位)，惯性导航罗盘，STM32(用于实现对驱动机构和舵机等的控制)以及其它探测所需传感器，传感器的数量和类型可根据实际需要确定。B部分为运动部分，用来控制机器人整体运动。A、B两部分之间在内部没有连接，进通过腔壁实现相互固定。

图2中的8为后端盖，9为前端盖，前端盖9和后端盖8均为圆盘状结构，前端盖9和后端盖8相向的一侧设有轴向凸起的安装部8a和安装部9a，前端盖9和后端盖8的安装部上径向安装有密封圈，用于与腔壁两端内壁密封连接；同时前端盖9和后端盖8外周径向向外延伸，形成抵接部8b和抵接部9b，两个抵接部分别与腔壁的两端抵接，进一步实现密封。腔壁为圆柱形亚克力管(水下机器人外壁，图中未画出)通过螺钉连接，从而达到连接A、B两部分并对前后端盖之间的内容物进行密封的效果。

参考图3，本实例的A部分被前端盖9和隔板10、隔板11两个隔板分为若干个区域。隔板10、隔板11与前端盖9和后端盖8均同轴设置，隔板10、隔板11设置在前端盖9和后端盖8之间，隔板10、隔板11之前通过第一定位,12连接固定，隔板10、隔板11之间形成供电区，隔板10、隔板11之间固定有亚克力支架，用于安装电池14，固定时通过第一定位杆12压紧固定，第一定位杆采用铝合金细杆，第一定位杆至少两个，一般为两到三个。隔板11与前端盖9之间通过第二定位杆13连接固定，形成芯片区6，芯片区6中设有有亚克力与铝合金制作的支架，用于安装上述列举的芯片。其中深度传感器通过管螺纹拧在前端盖上，使其前部检测部位伸出前端盖(前端盖上设有对应的避让孔)。导流罩7固定在前端盖上，其上打孔，作为通水孔，内部暴露在海水中，以保证深度传感器前部接触到海水。前端盖与两块隔板之间通过铝合金细杆固连，使得整个A部分固连成一个整体。

本实例的B部分为运动部分，主要包括旋转板1、可动连杆2、固定连杆3、舵机4这四个部分。舵机4自身与固定连杆3固连在后端盖8上，与机器人整体没有相对运动。后端盖8上同时设有供两个可动连杆2穿过的限位孔(一般为与可动连杆动密封配合的圆孔)，保证两个可动连杆2仅能在其轴向往复运动。两根可动连杆2的一端与固定连杆3一起，铰接在旋转板1上，另一端与舵机摇臂铰接。可动连杆穿过后端盖上的限位孔，采用动密封。可动连杆只能沿圆孔轴向做一个自由度的运动。螺旋桨固连在电机输出轴上，电机固定在旋转板上，电机通过驱动旋转浆，对整个机器人提供运行动力。可动连杆2和固定连杆3与旋转板1铰接的部位可采用球形头和球形槽的万向球头铰接结构。两个可动连杆2中其中一个可动连杆2能够驱动旋转板1在一个轴向的转动(比如x轴)，另外一个可动连杆2则可以驱动旋转板1在另外一个垂直的轴向转动(比如y轴)，两个可动连杆2相互配合，可以实现旋转板1在二维方向的自由摆动，同时旋转板1中心在固定连杆3作用下固定不同。

两个可动连杆2远离旋转板1的一端均设有带有条形限位孔的联动环，两个联动环的条形限位孔的轴向相互垂直。舵机有两个，两个舵机的摇臂上均设有与对应联动环内条形限位孔滑动配合的推杆，在舵机运行过程中，推杆沿其对应的条形限位孔运行。

本实例的运动原理由附图4说明。附图4中建立了三维直角坐标系。X轴正方向为机器人头部所朝方向。1,2,3三根线分别表示可动连杆1，可动连杆2以及固定连杆3，其中固定连杆3的位置保持不动，左右端点分别在(-2,0,0)，(0,0,0)上，可动连杆1只能沿x轴方向运动，左右两端点初始位置(图4中左侧图)分别为(-2,1,1)，(0,1,1)可动连杆2只能沿x轴方向运动，左右两端点初始位置(图4中左侧图)分别为(-2,-1,1)，(0,-1,1)。上述这些坐标数据仅仅为了说明三根连杆的运动原理，并不对三根连杆的长度或者安装角度具有限定作用，三根线左侧3个端点形成的平面即为旋转板所在平面。该平面的位置关系决定了旋转板的朝向，即决定了推进器的朝向。

在初始位置(图4中的左侧图)时，由三点位置关系可知旋转板所在平面平行yz平面，此时推进器产生的推力朝向x轴正方向，机器人直线前进。

当通过舵机摇臂移动可动连杆1的位置后(图4中右侧图)，可动连杆1两侧端点变为了(-1,-1,1)，(1,-1,1)。此时，旋转板所在平面由左侧三点(-1,-1,1)(-2,1,)(-2,0,1)决定，角度发生了变化。此时可以看出推力朝向主要为x轴正方向分力，但是也有小部分z轴负方向与y轴正方向的推力。

通过可动连杆1,可动连杆2的位置变化，使得旋转板所在平面朝向实现近似180度变化，从而使得机器人满足360度自由运动的需求(电机可以正转与反转，实现反向推力)

在机器人运动的过程中，通过y，z轴方向分力调整机器人朝向，通过x轴方向分力驱动机器人前后运行。

本实例中，舵机通过特殊的滑槽连接结构来控制两根可动连杆的左右运动(从图中方向看)。三根连杆通过特殊的固定结构固定在旋转板上，通过其不同移动量控制旋转板的转动。电机和螺旋桨固定在旋转板上，通过旋转板的转动来调整推力方向，从而控制整体运动。

本实例中，除腔壁和导流罩采用亚克力材质外，暴露在水中的部分均为铝合金材质(旋转板，前后端盖等)，内容部分支架采用塑料与铝合金结合的形式，在保证固定强度的情况下减轻重量。

本专利提出的小型无缆水下机器人为圆柱形体，主尺度为直径8cm，总长45cm，总质量为2g。该小型无缆水下机器人推进器采用12V供电，最高航行速度1m/s。该小型无缆水下机器人搭载的探测设备和传感器适用于最大深度100m。