模组化水下机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人领域、水下探索领域，具体地，涉及一种模组化水下机器人。

背景技术：

目前，国内外海底机器人存在着整个研发周期时间长，成本较高，需开发各种功能不同的水下机器人以满足客户的变化要求，而且不同功能的水下机器人的结构设计、组装、调试等操作又需要重复消耗时间，再次增加了设计制造成本。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种模组化水下机器人。

根据本实用新型提供的模组化水下机器人，包含框架构件、推进器模组、浮力件模组、电子舱模组以及电池模组；推进器模组、浮力件模组、电子舱模组以及电池模组均可拆卸安装在框架构件上；

框架构件包含侧板结构、托板结构以及跨接结构；所述侧板结构包含左侧板与右侧板这两块侧板，跨接结构直接或间接连接在侧板上；托板结构包含左托板与右托板这两类托板，左托板、右托板分别紧固安装在左侧板、右侧板上；

浮力件模组安装在所述托板上。

优选地，所述推进器模组包含水平推进器与垂直推进器这两种水下推进器；水平推进器、垂直推进器分别安装在托板、侧板上；

安装在同一个侧板上的相邻布置的两个托板相对的两个端面上均设置有弧形槽；相对设置的两个弧形槽之间的空间形成垂直推进器的安装空间。

优选地，多个左托板中包含有第一托板与第二托板；多个右托板中包含有第三托板与第四托板；

所述跨接结构包含弧形片，第一托板与第三托板之间和/或第二托板与第四托板之间通过所述弧形片相连；

所述电子舱模组安装在弧形片上。

优选地，所述跨接结构包含底板，底板的两端分别与左侧板、右侧板直接相连；

所述电池模组安装在底板上。

优选地，所述托板上设置有第一板孔，侧板上设置有第一连接孔；

所述第一板孔中设置有内嵌螺母，设置的第一螺栓从第一连接孔穿入后与内嵌螺母配合将托板固定在侧板上；

所述第一螺栓与内嵌螺母之间还设置有胶体层；

浮力件模组包含浮力罩与浮力块，浮力罩紧固安装在托板上，浮力块位于浮力罩与托板之间。

优选地，水下推进器包含电机结构、支撑导向结构以及一个或多个桨叶片；

所述电机结构包含转子组件与定子组件；支撑导向结构、桨叶片分别安装在定子组件、转子组件上；

所述转子组件包含外壳，多个桨叶片分别沿周向方向直接紧固安装在外壳上；或者，多个桨叶片通过设置的桨叶连接件成型为一体后，间接安装在外壳上；所述外壳位于定子组件的径向外侧；

支撑导向结构包含导向管，所述桨叶片位于导向管的径向内侧。

优选地，所述转子组件还包含转轴、转子磁体以及第一端盖，第一端盖与外壳紧固连接或一体成型，所述转子磁体安装在外壳的内壁面上；转轴周向固定在第一端盖上；

所述定子组件包含励磁绕组、内支撑以及第二端盖，内支撑与第二端盖一体成型或紧固连接，所述励磁绕组安装在内支撑的外周面上；

第一端盖、第二端盖以及外壳围成的空间形成容物空间，所述转子磁体与励磁绕组均位于容物空间中；

所述支撑导向结构还包含第一罩壳与第二罩壳，第二罩壳紧固安装在第二端盖上；

所述导向管包含紧固连接或一体成型的径接部与导向部，第二罩壳通过设置的撑开杆连接在径接部上，第一罩壳通过设置的防护杆紧固连接在导向部上；

导向管上还紧固连接有安装支架，安装支架上设置的连接孔中设置有内嵌螺母。

优选地，所述电子舱模组包含耐压控制舱与水下控制器，所述水下控制器安装在耐压控制舱中；

耐压控制舱包含沿轴向延伸方向依次连接的第一控制舱盖、控制舱壳、第二控制舱盖；所述电池模组包含耐压电池舱与电池，所述电池安装在耐压电池舱中；耐压电池舱包含电池舱盖；

所述第一控制舱盖和/或第二控制舱盖和/或电池舱盖上设置有以下任一个或任多个结构：防水快速接头、气孔接头、接头连接螺栓。

优选地，第一控制舱盖、第二控制舱盖上分别通过快速防水接头连接有脐带缆、摄像头；

所述脐带缆包含线缆防护套，线缆防护套内部形成走线空间；所述线缆防护套包含沿径向从外到内设置的聚乙烯外护套、双面覆塑钢带层；走线空间中设置有以下任一个或任多个结构：电源线、光纤、填充绳、金属加强件；

第二控制舱盖上还设置有蓝宝石玻璃罩，所述摄像头位于蓝宝石玻璃罩中。

优选地，还包含安装在框架构件上的功能件模组，所述功能件模组包含以下任一个或任多个结构：探照灯、机械手、金属探测器、声呐、传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

1、本实用新型运用结构模组化与控制系统模块化技术，实现快速装配、多样化组合以及快速拓展等功能，缩短研发周期，提高产品质量，降低产品成本。

2、本实用新型采用的水下连接方式耐压等级高，体积小，成本低，能够快速连接。

3、多样化配置，浮力材料、压载块可根据静力学分析结构随意搭配；配置不同耐压等级的推进器、浮力材料、耐压结构，即可生产出不同耐压等级的水下机器人。

4、本实用新型解决了水下电机防水的核心问题，不必再为电机整机做耐压密封舱，大大简化了推进器的结构，重量、尺寸以及制造成本得到有效降低。

5、在水中工作时，本实用新型附近的水流为高速旋转的电机提供优良的水冷，导管桨式的结构能够提供高效推力的同时，有效防止水下杂物的卷入。

6、框架构件整体结构设计合理，在尽量使用较少部件的前提下能够为水下机器人的部件提供充足的安装位置，减轻了框架的重量，节省材料成本；同时也保证了整体的安装强度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为模组化水下机器人一个视向下立体图；

图2为模组化水下机器人另一个视向下立体图；

图3为框架构件立体结构示意图；

图4为模组化水下机器人部分被截断时立体结构示意图；

图5为电池舱盖局部放大图；

图6为第一控制舱盖局部放大图；

图7为模组化水下机器人仰视图；

图8为水下推进器立体结构示意图；

图9为水下推进器侧视图；

图10为水下推进器剖视图；

图11为电机结构一个视向下立体图；

图12为电机结构剖视图；

图13为电机结构另一个视向下立体图；

图14为脐带缆横截面示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1、图2所示，本实用新型提供的模组化水下机器人包含框架构件400、推进器模组610、浮力件模组620、电子舱模组630以及电池模组640；推进器模组610、浮力件模组620、电子舱模组630以及电池模组640均可拆卸安装在框架构件400上；框架构件400包含侧板结构410、托板结构420以及跨接结构430；所述侧板结构410包含左侧板411与右侧板412这两块侧板，跨接结构430直接或间接连接在侧板上；托板结构420包含左托板与右托板这两类托板，左托板、右托板分别紧固安装在左侧板411、右侧板412上；浮力件模组620安装在所述托板上。

侧板结构410、托板结构420、跨接结构430中任一个结构或任多个结构包含有HDPE件。高密度聚乙烯(HDPE)材料是一种结晶度高，非极性的热塑性树脂，无毒，无味，具有良好的耐热性与耐寒性，化学稳定性好，具有较高的刚性和韧性，机械强度好，吸水性低。相比现有的金属框架，重量与制造成本均能得到有效降低。

多个左托板中包含有第一托板421与第二托板422；多个右托板中包含有第三托板423与第四托板424。如图2所示，所述托板上设置有第一板孔454，侧板上设置有第一连接孔455，所述第一板孔454中设置有内嵌螺母456，设置的第一螺栓461从第一连接孔455穿入后与内嵌螺母456配合将托板固定在侧板上。所述第一螺栓461与内嵌螺母456之间还设置有胶体层，实际应用中，在装配之初，首先将螺母打进第一板孔454之中使之成为内嵌式螺母456，用于将各个托板与侧板连接成一个整体框架，在第一螺栓461与内嵌式螺母456进行连接之时，向内嵌式螺母456中灌入一种厌氧胶体，这样可以保证托板与侧板之间不产生相对运动，连接更加牢固，增强结构的稳定性。

所述推进器模组610包含水平推进器611与垂直推进器612这两种水下推进器200；水平推进器611、垂直推进器612分别安装在托板、侧板上；安装在同一个侧板上的相邻布置的两个托板相对的两个端面上均设置有弧形槽441；相对设置的两个弧形槽441之间的空间形成垂直推进器612的安装空间。如图7所示，实施例中，共设置有4个水平推进器611与2个垂直推进器612，实际应用中，水下推进器200的数量可根据需要进行调整。优选地，所述侧板上设置有灯固定调节孔457，所述灯固定调节孔457中设置有灯安装架458。侧板上还设置有手提孔461。

所述跨接结构430包含弧形片431与底板432，第一托板421与第三托板423之间和/或第二托板422与第四托板424之间通过所述弧形片431相连。弧形片一方面增加了两个侧板之间的连接稳定性，另一方面，为电子舱模组630提供了定位与安装空间。底板432的两端分别与左侧板411、右侧板412直接相连；底板432上设置有压载块孔451，压载块孔451上可安装配重块，配合浮力件模组620控制水下机器人整体受到的浮力，便于水下运行。另外，所述电池模组640也安装在底板(432)上。优选地，所述底板432形状为H形，所述底板432上设置有第二连接孔，所述第二连接孔位于H形底板432的中部，可用于固定电池模组640等结构。

如图3所示，所述侧板上设置有主减重孔452，沿高度延伸方向上，所述托板、底板432分别位于主减重孔452的两侧。托板和/或侧板上还设置有次减重孔453，所述次减重孔453为以下任一种或任多种形状：圆形、多边形、腰型孔形、椭圆形、不规则形状。框架构件上的开孔一方面有利于减轻整体重量，另一方面，可以实现配重块的补充、线束的捆扎、整体结构的提拉以及方便整体的配平与重心的调整。总的来说，本实用新型对框架构件与水下机器人的整体重心和重量有严格的控制，所以在侧板、托板、底板432等板件方面，需要经过多次实验与计算，最终确定板材工艺孔的开孔数量以及位置，使之既符合安装要求，又达到重心与重量要求。

如图8至图10所示，本实用新型提供的水下推进器200，包含电机结构100、支撑导向结构210以及一个或多个桨叶片240；所述电机结构100包含转子组件110与定子组件120；支撑导向结构210、桨叶片240分别安装在定子组件120、转子组件110上；所述转子组件110包含外壳114，所述外壳114位于定子组件120的径向外侧。多个桨叶片240分别沿周向方向直接紧固安装在外壳114上；或者，多个桨叶片240通过设置的桨叶连接件成型为一体后，间接安装在外壳114上；支撑导向结构210包含导向管220，所述桨叶片240位于导向管220的径向内侧。

如图11至图13所示，所述转子组件110还包含转轴111、转子磁体112以及第一端盖113，第一端盖113与外壳114紧固连接或一体成型，所述转子磁体112安装在外壳114的内壁面上；转轴111周向固定在第一端盖113上；所述定子组件120包含励磁绕组121、内支撑122以及第二端盖123，内支撑122与第二端盖123一体成型或紧固连接，所述励磁绕组121安装在内支撑122的外周面上；第一端盖113、第二端盖123以及外壳114围成的空间形成容物空间，所述转子磁体112与励磁绕组121均位于容物空间中；定子组件120与转子组件110通过一个或多个滑动轴承130连接。优选地，所述内支撑122为管状，所述转轴111贯穿设置在管状内支撑122的轴向通孔中，转轴111与内支撑122通过所述滑动轴承130连接；多个励磁绕组121沿周向分布在管状内支撑122的外壁面上；多个转子磁体112与励磁绕组121在径向方向上相对设置。优选地，所述内支撑122的横截面形状也可以是多边形的，多个励磁绕组121分别位于内支撑122的多个径向端面上。优选地，所述内支撑122上还可以预加工有用于安装的励磁绕组121的定位槽，在对励磁绕组121进行灌封时，可增加励磁绕组121与内支撑122之间的有效固定面积，增加固定强度。

所述支撑导向结构210还包含第一罩壳231与第二罩壳232，第二罩壳232紧固安装在第二端盖123上；所述导向管220包含紧固连接或一体成型的径接部221与导向部222，第二罩壳232通过设置的撑开杆233连接在径接部221上，第一罩壳231通过设置的防护杆234紧固连接在导向部222上。导向管220上还紧固连接有安装支架260；所述防护杆234呈十字布置。优选地，所述桨叶片240为双凸翼型、平凸翼型或者凹凸翼型。相比现有的水下推进结构采用的圆形剖面旋转桨叶片，使用常用于航空领域的翼型桨叶结构有利于提供更大的推力。桨叶片240、导向管220以及防护杆234共同构成导管桨式的结构，在提供高效推力的同时，有效防止水下杂物的卷入。当然，优选地，所述桨叶片240、防护杆234以及撑开杆233的个数可以根据实际需要进行分配。优选地，如图10所示，径接部221与导向部222在内壁与外壁上均平滑过段连接；所述径接部221在沿与导向部222连接端到径接部221自由端的方向上，内壁与外壁的直径均增大。对于导向部222，外壁呈圆柱面形状，相对径接部221所在端的内壁直径保持不变，导向部222的自由端所在端的内壁直径向外逐渐增大，呈扩孔状，有利于减小在水中的运动阻力。

优选地，所述励磁绕组121和/或转子磁体112上设置有防水涂料层；所述滑动轴承130包含高分子复合材料轴承，所述转轴111包含45号钢转轴。所述滑动轴承130为塑料轴承，此种轴承是专门的水下使用轴承，具有以下优点：耐磨，可吸收高载荷，具有化学抗性，耐腐蚀，而且可在-40摄氏度到+200摄氏度的温度中正常工作。所述第二端盖123上设置有穿线孔141，所述励磁绕组121连接有电机线，电机线穿设在穿线孔141中；所述穿线孔141的孔壁面与电机线之间设置有灌封层；灌胶密封填满电机出线口使裸漏在外部环境中的电机线全部密封在灌封材料中，达到对电机线隔水防腐耐压效果。相应地，所述第二罩壳232上设置有过线孔，电机线在延伸方向上贯穿过线孔。优选地，所述第一端盖113、第二端盖123上分别设置有第一通孔142，第二通孔143。另外，沿轴向延伸方向上，外壳114与第二端盖123之间存在间隙。通过上述结构可以平衡容物空间与外部的压差。优选地，外壳114与第二端盖123通过轴承结构连接，这样整个电机结构100的结构连接更加紧密，强度更加可靠。

如图7所示，所述第一端盖113包含一体成型的径向延伸部151与紧定部152，转轴111沿轴向的一端周向固定在紧定部152上；转轴111沿轴向的另一端贯穿第二端盖123到达容物空间的外部，转轴111沿轴向的另一端配设有轴端卡板161，轴端卡板161通过设置的紧定销162周向固定在转轴111上。所述第二端盖123上设置有环形槽，所述轴端卡板161沿轴向方向的一端转动安装在环形槽中。这样整个电机结构100在外形上看结构更加紧凑，轴端卡板161随转轴111转动，并且起到保护滑动轴承130，以及限制转轴111运动的径向偏移的作用。

优选地，容物空间中还设置有密封壳，所述密封壳紧固安装在内支撑122上；密封壳内部形成密封空间，所述励磁绕组121安装在密封空间中，密封空间中填充满等压液体，所述等压液体为绝缘液体。密封壳设置的目的是在密封空间中营造绝缘且相对静止的环境，进一步保护励磁绕组121以及励磁绕组121表面的防水涂层。相对于现有技术，本实用新型中对密封壳的尺寸要求较小，因此同样的厚度能够承受更大的压差，另外，及时是在高压下，密封壳被破坏，也仅仅是损失了部分有益效果，而不会影响设备的正常运行。所述密封壳可以是刚性壳体，也可以是带有一定弹性的壳体，对于刚性壳体，密封空间内外的压差由密封壳本身来承担，可靠度高，但对密封壳的材料要求较高；对于具有一定弹性的壳体，例如橡胶等，自身能够承受一定的外压，在深水高压环境下会产生一定的形变，进而使得绝缘液体的压力增加，但不至于太增加太多，形成一定的压力梯度，最终作用在励磁绕组121或其表面的防水涂层的压力也相对较小，提高运行稳定性与使用寿命。

如图4所示，浮力件模组620包含浮力罩621与浮力块622，浮力罩621紧固安装在托板上，浮力块622位于浮力罩621与托板之间。浮力块622采用浮力材料制成，浮力材料指密度低于水的材料。根据静力学配平需求，将浮力块622切割成需要的小块，置于浮力罩621内，浮力罩621与托板采取螺栓连接。浮力罩621功能在于浮力块622的防撞击和与框架构件400的固定连接。

所述电子舱模组630包含耐压控制舱631与水下控制器，所述水下控制器安装在耐压控制舱631中；耐压控制舱631包含沿轴向延伸方向依次连接的第一控制舱盖632、控制舱壳633、第二控制舱盖634；所述电池模组640包含耐压电池舱641与电池，所述电池安装在耐压电池舱641中；耐压电池舱641包含电池舱盖642。如图5、图6所示，所述第一控制舱盖632和/或第二控制舱盖634和/或电池舱盖642上设置有以下任一个或任多个结构：防水快速接头651、气孔接头652、接头连接螺栓653。气孔接头652用于气密封检测，检测完成后封闭气孔。开舱时，先打开气孔，用于通气，便可简单开启舱盖。快速防水接头651用接头连接螺栓653连接并进行硫化密封。优选地，本实用新型还配有水面控制单元，水下控制器通过有线通信或无线通信的方式与水面控制单元进行信号的传递。水下控制器包含两台微电脑，分别用于系统控制和运动控制。水面控制单元用于图像显示，传感器数据显示，控制指令采集和下传。优选地，水面控制单元采用网络、USB或信号快速接头与水下控制器连接，水下控制器预留用户接口，以备用户拓展。所有信号通过主控电路的电压电流检测功能，并上传水面显示，水下的情况由9个传感器收集信号上传至水面控制单元进行显示。水面控制单元根据不同的运动需求，预设不同的运动算法。优选地，所述耐压控制舱631和/或耐压电池舱641也设置有等压液体，其工作原理与电机结构100中的等压液体的设置一致。

优选地，第一控制舱盖632、第二控制舱盖634上分别通过快速防水接头连接有脐带缆660、摄像头，第二控制舱盖634上还设置有蓝宝石玻璃罩671，所述摄像头位于蓝宝石玻璃罩671中。脐带缆660用于连接水面控制单元与水下机器人，如图14所示，脐带缆660包含线缆防护套，线缆防护套内部形成走线空间；所述线缆防护套包含沿径向从外到内设置的聚乙烯外护套661、双面覆塑钢带层662；走线空间中设置有以下任一个或任多个结构：电源线663、光纤664、填充绳665、金属加强件666。本实用新型提供的脐带缆660能够实现零浮力与光电复合的功能。优选地，本实用新型还包含安装在框架构件400上的功能件模组，所述功能件模组包含以下任一个或任多个结构：探照灯、机械手、金属探测器、声呐、传感器。所述传感器包含压力传感器、深度传感器、惯性传感器等，所述惯性传感器包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计。优选地，摄像头的镜头与探照灯的灯罩也蓝宝石玻璃惊醒表面打磨，使水下机器人在深海环境下也能够捕捉到比较清晰的照片与图像。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。