一种推进器及水下机器人的制作方法

本发明涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种推进器及水下机器人。

背景技术：

随着全世界范围内海洋开发与探测的不断深入，水下机器人的应用越来越趋于日常化。球形水下机器人作为一类结构较为特殊的机器人，其操纵问题比一般常规的流线型机器人更具难度。推进器系统作为水下机器人的运动执行机构，如何高效、平稳地推进与操纵保证球形机器人在水下灵活、平稳工作是推进器设计与布置要解决的关键问题。

如申请号为cn201410092786.4的专利文件公开的一种浅水探测水下球形机器人，该水下球形机器人包括一个抗压的密封球壳结构、四个辅助螺旋桨推进器、一个主螺旋桨推进器、一个内部控制装置、一个锥形底座、一个摄像头装置和一个密封条，四个辅助螺旋桨推进器固定安装在抗压的密封球壳结构外部，等距均匀分布于半球截面处；主螺旋桨推进器固定安装在抗压的密封球壳结构底部，安装轴线与辅助螺旋桨推进器安装轴线垂直，且经过球心。其主要通过各螺旋桨的相互协调作用，从而实现该机器人在水中的水平面和垂直面灵活地进行转向和保持航行运动，并且由于该机器人机构紧凑，体积小巧，进一步提高了该球形机器人的灵活性。

虽然，该水下机器人设置了五个螺旋桨推进器，提高了其在水平面和垂直面的转向以及保持航行运动的能力，但是，该水下机器人仍然存在前进、浮沉和转向较慢的缺陷。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供了一种推进器，该推进器能够灵活地在水下前进、浮沉和转向。

本发明的目的之二在于提供一种水下机器人，该水下机器人能够及时地调整在水中的航向。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种推进器，包括喷水机构、换向机构以及基座，所述喷水机构包括螺旋桨以及喷水管，所述喷水管的中部形成用于容纳所述螺旋桨的偏轴圆筒，所述偏轴圆筒的轴线与所述喷水管的轴线相互垂直，并与所述喷水管的内壁曲面相切，所述螺旋桨的轴线与所述偏轴圆筒的轴线共线；所述换向机构包括竖直驱动机构、水平旋转支架以及水平驱动机构，所述水平旋转支架与水平驱动机构的驱动轴固定，水平驱动机构的驱动轴竖直设置；所述喷水机构的壳体与水平旋转支架通过水平设置的铰接轴铰接，所述竖直驱动机构的壳体固定在水平旋转支架上，竖直驱动机构的驱动轴与铰接轴固定；所述水平驱动机构的壳体固定在基座上。

进一步地，所述喷水机构还包括第一防水盒以及固定在第一防水盒内的喷水电机，所述喷水电机用于驱动所述螺旋桨转动。

进一步地，所述换向机构设有三个，各换向机构上均设有喷水机构，各换向机构以基座的轴线为中心均匀地圆周阵列布置。

进一步地，所述基座为等边三角形架体，各换向机构分设在等边三角形架体的三条边上。

进一步地，所述水平旋转支架包括第一侧壁、底壁以及第二侧壁，所述底壁的两端分别连接第一侧壁和第二侧壁，所述喷水机构位于所述第一侧壁与第二侧壁之间。

进一步地，所述第一侧壁和第二侧壁两者至少其中之一的外侧面设有固定架，所述固定架用于连接所述竖直驱动机构。

进一步地，所述竖直驱动机构包括第二防水盒以及固定在第二防水盒内的竖直驱动电机，所述第二防水盒固定在所述水平旋转支架上，所述竖直驱动电机驱动所述喷水机构绕水平轴转动；所述水平驱动机构包括第三防水盒以及固定在所述第三防水盒内的水平驱动电机，所述水平驱动电机驱动驱动水平旋转支架绕竖直轴转动；所述第三防水盒固定在所述基座上。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种水下机器人，包括上述的推进器，还包括空心球壳以及元件防水盒，所述空心球壳包括上半球和下半球，所述推进器固定在所述空心球壳内，所述空心球壳在壳壁上开设有防干涉孔，所述防干涉孔的位置与所述喷水机构的位置相对应，所述元件防水盒固定在所述空心球壳内，并位于所述基座的相对面。

进一步地，所述喷水机构的喷水管穿过空心球壳，喷水管的进水口位于球壳内，喷水口位于球壳外。

进一步地，所述元件防水盒呈圆筒状，所述元件防水盒在筒壁上开设有通线孔。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明的一种推进器，该推进器的基座上安装有换向机构，换向机构包括竖直驱动机构、水平旋转支架和水平驱动机构；喷水机构的壳体与水平旋转支架通过水平设置的铰接轴铰接；水平驱动机构驱动水平旋转支架转动，从而改变水平方向的喷水方向；竖直驱动机构用于驱动喷水机构转动，从而改变竖直方向的喷水方向；从而使得喷水机构具备作水平方向和竖直方向转动的功能，以改变喷水机构的喷水方向，使得喷水机构能够在水下灵活地前进、浮沉和转向，从而灵活地调整推进器在水下的航向。

2、喷水机构包括螺旋桨以及喷水管，喷水管的中部形成有用于容纳所述螺旋桨的偏轴圆筒，偏轴圆筒的轴线与所述喷水管的轴线相互垂直，并与喷水管的内壁曲面相切，螺旋桨的轴线与偏轴圆筒的轴线共线。通过螺旋桨的轴体带动桨叶转动时，桨叶能够大面积排水而使得喷水机构产生足够的动力，从而实现推进器具备产生足够动力以及时调整航向的能力；并使得驱动螺旋桨的喷水电机的输出轴与喷水管的轴线垂直，从而避免喷水机构在某一方向的尺寸过长，减小了喷水机构的整体尺寸，使得将该推进器安装到球形的水下机器人上后，能够整体上缩小水下机器人的外形体积，从而使得水下机器人前进、浮沉和转向起来更加轻便快捷，并且由于喷水机构的桨叶能够大面积排水为该水下机器人提供足够的动力，从而更进一步地提高了水下机器人在水下作前进、浮沉和转向的能力。

附图说明

图1为本发明一种推进器的结构示意图；

图2为图1所示的一种推进器的喷水机构的结构示意图；

图3为图1所示的一种推进器的螺旋桨的结构示意图；

图4为图1所示的一种推进器的水平旋转支架的结构示意图；

图5为本发明一种水下机器人的结构示意图；

图6为图5所示的一种水下机器人的结构示意图(省略上半球)；

图7为图5所示的一种水下机器人的上半球与元件防水盒连接的结构示意图；

图中：100、推进器；110、喷水机构；111、螺旋桨；1111、轴体；1112、桨叶；112、喷水管；1121、进水口；1122、喷水口；1123、偏轴圆筒；113、第一防水盒；120、水平旋转支架；121、第一侧壁；122、底壁；123、第二侧壁；124、固定架；125、侧壁孔；130、竖直驱动机构；140、水平驱动机构；150、基座；200、水下机器人；201、防干涉孔；210、上半球；220、下半球；300、元件防水盒。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

如图1至图4所示，一种推进器100，包括喷水机构110、换向机构以及基座150；换向机构包括竖直驱动机构130、水平旋转支架120以及水平驱动机构140。水平旋转支架120与水平驱动机构140的驱动轴固定，水平驱动机构140的驱动轴竖直设置；喷水机构110的壳体与水平旋转支架120通过水平设置的铰接轴铰接；竖直驱动机构130的壳体固定在水平旋转支架120上，竖直驱动机构130的驱动轴与铰接轴固定；水平驱动机构140用于驱动水平旋转支架120转动，从而改变水平方向的喷水方向；竖直驱动机构130用于驱动喷水机构110转动，从而改变竖直方向的喷水方向。因此，通过水平驱动机构140和竖直驱动机构130驱动喷水机构110分别作水平方向、竖直方向的转动，从而实现喷水机构110能够灵活地改变其喷水的方向，以调整推进器100在水下的前进方向、浮沉和转向，从而灵活和及时地调整推进器100在水下的航向。另外，水平驱动机构140的壳体可以通过螺丝或螺钉等连接件直接安装在基座150上。具体地，喷水机构110包括喷水电机和螺旋桨111；可以理解，当螺旋桨111为风扇式螺旋桨时，喷水机构110可以采用方式一结构：喷水电机与风扇式螺旋桨采用联轴器进行连接传动，此时喷水电机的输出轴与风扇式螺旋桨的轴线共线，但带来了喷水机构110在喷水电机的输出轴方向的尺寸过长的问题；喷水机构110可以采用方式二结构：喷水电机与风扇式螺旋桨通过至少一对锥齿轮进行传动，使得喷水电机的轴线与螺旋桨111的轴线垂直，从而避免喷水机构110在某一方向的尺寸过长，减小了喷水机构110的整体尺寸，使得喷水机构110适用于水下机器人200(如图5所示)，尤其适用于球形的水下机器人200(如图5所示)；当螺旋桨111的轴线与桨叶1112的旋转方向垂直时(参见图3)，喷水机构可以采用方式三结构：可以通过电机轴直接连接螺旋桨111，也可以加设联轴器或至少一对直齿轮进行辅助传动，从而便于喷水机构110的安装和布局，并也能够达到避免喷水机构110占据空间过大的问题，使得喷水机构110更加适用于水下机器人200(如图5所示)。

优选地，如图2和图3所示，喷水机构110还包括喷水管112。喷水管112的中部的内壁曲面向外壁曲面延径向形成用于容纳螺旋桨111的偏轴圆筒1123，偏轴圆筒1123的轴线与喷水管112的轴线相互垂直。并且，偏轴圆筒1123的轴线与喷水管112的内壁曲面相切(即喷水管112的中部在未形成有偏轴圆筒1123之前，喷水管112的内壁曲面与偏轴圆筒1123的轴线相切，而喷水管112的中部形成有偏轴圆筒1123后，偏轴圆筒1123的轴线应当保持不变)。螺旋桨111的轴线与偏轴圆筒1123的轴线共线，即将螺旋桨111安装到喷水管112的偏轴圆筒1123内后，螺旋桨111的轴线与喷水管112的轴线相互垂直，也即，螺旋桨111的轴体1111与喷水管112的轴线相互垂直。因此，通过螺旋桨111的轴体1111带动桨叶1112转动时，桨叶1112能够大面积排水而使得喷水机构110产生足够的动力，从而实现推进器100具备产生足够动力以及时调整航向的能力；并使得驱动螺旋桨111的喷水电机的输出轴与喷水管112的轴线垂直，从而避免喷水机构110在某一方向的尺寸过长，减小了喷水机构110的整体尺寸，使得喷水机构110更加适用于球形的水下机器人200(如图5所示)，即在整体上缩小了水下机器人200的外形体积，使得该水下机器人200前进、浮沉和转向起来更加轻便快捷，并且由于喷水机构110的桨叶1112能够大面积排水为该水下机器人200提供足够的动力，从而更进一步地提高了水下机器人200在水下作前进、浮沉和转向的能力。

需要说明的是，喷水机构110还包括第一防水盒113，喷水电机可以安装在第一防水盒113内，并通过现有技术中的密封圈或者密封胶进行密封，避免水浸入第一防水盒113，以避免电机损坏或腐蚀等不期望现象。由于密封方式属于常规技术手段，此处对密封方式不再鏊述。

同理，竖直驱动机构130可以包括第二防水盒以及安装在第二防水盒内的竖直驱动电机，第二防水盒固定在水平旋转支架120上，竖直驱动电机驱动喷水机构110的第一防水盒113作竖直方向的旋转运动；具体地，水平旋转支架120上开设有侧壁孔125，侧壁孔125安装有轴承，固定在喷水机构110的第一防水盒113上的铰接轴与轴承配合；竖直驱动电机的驱动轴带动铰接轴转动。此外，竖直驱动电机也可以由回转气缸替代。在本实施例中，竖直驱动机构130采用电机驱动。

同理，水平驱动机构140可以包括第三防水盒以及安装在第三防水盒内的水平驱动电机，水平驱动电机用于驱动水平旋转支架120，进而带动喷水机构110绕竖直轴转动，并且，第三防水盒安装在基座150上。可以理解，水平旋转支架120上可以开设有底壁孔，水平驱动电机的输出轴通过底壁孔驱动水平旋转支架120转动。此外，水平旋转电机也可以由回转气缸替代。在本实施例中，水平驱动机构140采用电机驱动。

这里需要说明的是，第二防水盒以及第三防水盒均采用密封方式进行密封，避免水浸入防水盒内，以避免推进器100的各零部件因水浸泡而受损。

如图1所示，换向机构设有至少一个，各换向机构均设有喷水机构110，各换向机构以基座150的轴线为中心均匀地圆周阵列布置，使得基座150的重心位于基座150的轴线上，有利于推进器100的平衡。在本实施例中，换向机构设有三个。具体地，基座150可以为等边三角形架体、球形架体或者方形架体，在本实施例中，基座150为等边三角形架体，使得基座150的质量较轻，减轻推进器100的总质量，从而提高推进器100及时调整航向的能力，各换向机构分别安装在等边三角形架体的三条边上。

如图4所示，水平旋转支架120包括第一侧壁121、底壁122以及第二侧壁123，底壁122的两端分别连接第一侧壁121和第二侧壁123，喷水机构110位于第一侧壁121与第二侧壁123之间，水平旋转支架120一体成型，结构简单，从而使得喷水机构110能够相对与水平旋转支架120作绕水平轴的转动。更进一步地，第一侧壁121和第二侧壁123两者至少其中之一的外侧面设有固定架124，固定架124用于连接并支撑竖直驱动机构130，也即，第一侧壁121和第二侧壁123可以同时设有固定架124，固定架124穿过第二防水盒的安装孔，从而将第二防水盒牢固地安装在水平旋转支架120上。或者，固定架124也可以是一个支撑台，将第二防水盒直接放在支撑台上再固定即可。因此，在满足电机精度的前提下，第一侧壁121和第二侧壁123可以同时设有固定架124，固定架124都可以连接并支撑有竖直驱动机构130，以预防其中一个驱动电机损坏的情况下，另一个驱动电机能够正常工作，使得推进器100仍然能够保持正常工作的状态。

如图5至图7所示，一种水下机器人200，包括上述的推进器100，还包括空心球壳以及元件防水盒300。空心球壳包括上半球210和下半球220，上半球210与下半球220之间通过螺栓或螺柱等连接件固定连接，推进器100固定安装在空心球壳内，空心球壳在壳壁上开设有防干涉孔201，防干涉孔201的位置与喷水机构110的位置相对应，也即，喷水机构110的喷水管112穿过空心球壳，喷水管112的进水口1121位于球壳内，喷水口1122位于球壳外，当喷水机构110绕竖直轴和水平轴的转动时，由于防干涉孔201预留足够空间，使得喷水管112不会碰撞空心球壳的壳壁。可以理解，当水下机器人200进入水中时，水会从防干涉孔201进入空心球壳内部，以便于喷水管112能够从进水口1121吸水，沿喷水口1122喷出，进而产生动力。元件防水盒300固定安装在空心球壳内，并位于基座150的相对面，以将整个水下机器人200的重心调整在球心上，改善水下机器人200的航行能力。具体地，为了便于水下机器人200进行探测、侦查等任务，水下机器人200还可以设有摄像头、水下照明灯、压力传感器以及惯性传感器，更为具体的，空心球壳和元件防水盒300均采用有机玻璃材质制成，如亚克力材质，透明性好。因此，摄像头和水下照明灯可以安装在空心球壳内部，如安装在基座150上或者元件防水盒300外壁，或者也可以安装在元件防水盒300内部，压力传感器和惯性传感器可以安装在空心球壳的壳壁上，也可以安装在基座150上或者元件防水盒300的外壁上。其中，元件防水盒300用于放置电源和现有技术中的传输元器件、控制元器件等。较佳的，元件防水盒300呈圆筒状，元件防水盒300在筒壁上开设有通线孔，通过通线孔将元件防水盒300的元器件与空心球壳内部的其他元器件采用电线连接起来，以便于元件防水盒300控制水下机器人200的航行。另外，通线孔作密封处理以防水浸入元件防水盒300。由于该水下机器人200的各零部件均设于空心球壳内部，不易与外界碰撞，保障了各零部件的正常使用。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。