一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人的制作方法

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人。

背景技术：

随着国家海洋战略推进，水下机器人在海洋生物研究、海底资源探测以及海洋军事任务等军民两用领域得到了广泛的应用。水下机器人可分为有缆水下机器人和无缆水下机器人两类，有缆水下机器人采用电缆与机器人进行通信，其工作范围受到电缆的限制，无法脱离水面基站的控制实现自主航行；另一种是无缆水下机器人，其具有体积小，运动灵活，机动性能好等优点，能够适应水下复杂多变的环境，因此无缆机器人可用于执行海底管道铺设、水下设备维护、海底扫雷、海洋军事侦察等复杂的民用和军事水下任务。

无缆水下机器人可分为传统的无人水下航行器和新型的仿生水下机器人。传统的无人水下航行器普遍采用螺旋桨作为驱动方式，螺旋桨强大的爆发能力使得水下航行器能在水中实现快速的起动和高速巡航。然而，基于螺旋桨推进机构的传统无人水下航行器存在以下缺点与不足：能量消耗率高且能量利用率低，为了提高航行器的续航，只能携带更大容量的电池，这既增加了成本，又占用了机器人的体积空间；隐蔽性差，其突兀的外形与海洋环境不协调，因此隐蔽性较差，不适合执行近距离海洋生物观察的水下任务。新型的仿生水下机器人是指用于仿鱼类外形和游动方式的水下机器人，其拥有对环境扰动小、隐蔽性强、能量利用高等优点。然而，目前为止的大多数仿生水下机器人都存在这些不足：游动速度慢，通常采用仿生尾鳍的往复摆动产生推进力，推进速度受限于尾鳍的摆动频率；推进功率低，尾鳍摆动产生的推进力太小，快速启动能力差。

因此，研发一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人势在必行。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人其低速巡航时采用舵机关节摆动推进机构驱动，快速起动与高速巡航时利用喷射泵产生前进动力，可以满足多种水下任务的需要。

为达到上述目的，本发明所述一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人包括依次设置的头部、舱体和舵机关节摆动推进机构，舱体下方设置有喷射泵推进机构，喷射泵推进机构和舵机关节摆动推进机构均用于向水下机器人提供驱动力；喷射泵推进机构包括第一电机和水流管道，第一电机通过第一联轴器与传动轴一端固定连接，传动轴的另一端固定有螺旋桨；水流管道一端为入水口，另一端为出水口，螺旋桨设置在出水口处。

进一步的，第一电机外侧设置有电机水冷器件，电机水冷器件包括固定在第一电机外的水冷外壳体，水冷外壳体上设置有连通的进水端口和出水端口。

进一步的，舵机关节摆动推进机构包括若干依次连接的舵机关节，以及连接在最末端的舵机关节上的人造尾鳍，每个舵机关节包括舵机单元和连接支架，舵机单元包括舵机固定架，舵机固定架上固定有防水舵机，防水舵机的输出轴上连接有舵盘，舵盘和连接支架上端固定连接，舵机固定架下端和连接支架铰接。

进一步的，舱体中设置有沉浮调节机构，沉浮调节机构包括固定底座和丝杠，固定底座与舱体固定连接，丝杠两端通过轴承安装在固定底座上，固定底座上固定有导轨，导轨上滑动连接有滑块，丝杠和滑块螺纹连接，第二电机的动力输出轴通过第二联轴器与丝杠固定连接。沉浮调节机构，用于使水下机器人在水中的上浮或下潜，实现水下机器人的多维度运动。

进一步的，滑块为铅块，滑块质量为水下机器人质量的10％～15％。

进一步的，头部设置有深度传感器。

进一步的，舱体中设置有电源模块，电源模块用于给水下机器人的所有电子源部件供电。

进一步的，舱体中设置有单片机控制板，单片机控制板用于控制第一电机的启停和转速。

进一步的，传动轴外套有防水轴套，防水轴套靠近联轴器的一端设置有防水端盖。

进一步的，舱体下部两侧对称固定有两个仿生人造胸鳍；舱体外表面上端固定有仿生人造背鳍。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明提供一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人。与单纯采用螺旋桨驱动的传统水下无人航行器相比，本发明拥有两种驱动单元，在低速巡航时采用舵机关节摆动作为驱动方式，能够有效降低系统能量消耗率，提高其续航能力；

同时本发明采取仿鲨鱼外形的流线型的设计，有效减少机器人在水中的游动阻力，同时增强其与水下环境的协调性，提高执行水下任务时的隐蔽性。与单纯采用仿生尾鳍驱动的仿生水下机器人相比，本发明在实现高速运动时采用喷射泵与舵机关节摆动结合的方式进行驱动，利用喷射泵强大的推进力实现水中快速起动与高速巡游，同时利用舵机关节摆动实现转弯控制，有效增强其机动能力，扩大其游速区间。喷射泵与普通的螺旋桨推进器相比，其体积更加小，且驱动模块一体化的结构也更容易嵌入到舱体中。

进一步的，舱体中设置有沉浮调节机构，沉浮调节机构包括固定底座和丝杠，固定底座与舱体固定连接，丝杠两端通过轴承安装在固定底座上，固定底座上固定有导轨，导轨上滑动连接有滑块，丝杠和滑块螺纹连接，第二电机的动力输出轴通过第二联轴器与丝杠固定连接，

进一步的，第一电机外侧设置有电机水冷器件。电机水冷器件能有效的带走第一电机工作时产生的热量，降低电机的表面温度，这有利于使电机保持良好的工作状态，同时防止电机因过热而发生故障。

进一步的，舱体下部两侧对称固定有两个仿生人造胸鳍；舱体外表面上端固定有仿生人造背鳍，头部、舱体、仿生人造胸鳍以及仿生人造背鳍组成了水下机器人仿鱼形的流线型的外壳设计的主体，这种流线型外壳的设计有利于减少水下机器人在水中的游动阻力，减少能量损失。

附图说明

图1为本发明的混合驱动的水下机器人的结构图；

图2为本发明的舵机关节摆动推进机构的结构示意图；

图3为本发明的舵机单元结构示意图；

图4为本发明的沉浮调节机构的结构示意图；

图5为本发明的喷射泵推进机构的结构示意图；

图6为本发明的电机水冷器件的结构示意图；

附图中：1-头部，2-舱体，3-沉浮调节机构，4-仿生人造胸鳍，5-喷射泵推进机构，6-舵机关节摆动推进机构，7-电源模块，8-仿生人造背鳍，9-单片机控制板，10-第一舵机单元，11-第一连接支架，12-第二舵机单元，13-第二连接支架，14-第三舵机单元，15-第三连接支架，16-仿生人造尾鳍，17-舵机固定架，18-防水舵机，19-舵盘，20-固定底座，21-轴承，22-丝杠，23-滑块，24-导轨，25-第二联轴器，26-第二电机，27-螺旋桨，28-水流管道，29-防水轴套，30-防水端盖，31-第一联轴器，32-电机水冷器件，33-第一电机，34-水冷外壳体，35-进水端口，36-出水端口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为使本发明的目的、优点和技术方案更加明显，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更详细、完整的描述。需要特别说明的是，为了便于描述，附图中仅给出了跟本发明相关的部分结构示意图，而不是全部的实施例。

参照图1，一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人包括依次设置的头部1、舱体2、和舵机关节摆动推进机构6；头部1外形为类鱼头形。

头部1和舱体2的前端固定连接；舱体2内部分为上下两个腔体，舱体上半部分放置有电源模块7以及单片机控制板9，电源模块7和所有电子源部件电连接，单片机控制板9和深度传感器、第一电机33、第一至第三舵机以及第二电机26连接；电源模块7用来给水下机器人的所有电子源部件供电，单片机控制板9用于接收深度传感器传递的深度信号，并向第一电机33、第一至第三舵机、第二电机26发出控制命令，单片机控制板9相当于水下机器人的大脑，用于实现水下机器人的整体运动控制，具体为：负责统筹协调水下机器人的上浮、下潜、直行、转弯、低速巡航、高速巡航运动指令；舱体2下半部分放置着沉浮调节机构3，用于使水下机器人在水中的上浮或下潜，实现水下机器人的多维度运动。

请参阅图1和图4，沉浮调节机构3设置在舱体2内部的下半部分，通过固定底座20与舱体2固定连接。沉浮调节机构3包括固定底座20、轴承21、丝杠22、滑块23、导轨24、第二联轴器25以及第二电机26，第二电机26为步进电机。

固定底座20与舱体2固定连接，固定底座20的两个侧板上均安装轴承21，丝杠22两端连接轴承21；固定底座20上设置有导轨24，导轨24上滑动连接有滑块23，丝杠22和滑块23螺纹连接，第二电机26的动力输出轴通过第二联轴器25与丝杠22固定连接。

第二电机26的旋转运动通过第二联轴器25带动丝杠22的旋转，进而转化成滑块23的前后移动。滑块23由密度较大的铅块组成，滑块23质量为整机质量的10-15％，当其前后移动偏离平衡位置时，水下机器人的重心也会随之改变，当滑块23向头部一侧移动时，水下机器人的重心偏向头部一侧，产生下潜的动作；当滑块23向头部相反的一侧移动时，水下机器人的重心偏向仿生人造尾鳍16一侧，产生上浮的动作。

本发明采用丝杠滑块机构来实现水下机器人的上浮下潜功能，该方法相较于传统的改变机器人体积的方法实现上浮下潜而言，其控制更加精确，上浮下潜的速度更快。同时可加入深度传感器精准测量水下机器人的深度信息并反馈给单片机控制板9，深度传感器设置在头部1上的鱼嘴位置，单片机控制板9根据深度传感器所测量的深度数据与目标深度控制数据进行对比求解，最终将两者的深度数据差值转化成滑块23需要移动的距离数据，并且通过控制第二电机26的转动来带动滑块23滑动到指定距离，从而实现水下机器人的精准定深控制。

舱体2下部两侧对称固定有两个仿生人造胸鳍4；舱体2外表面最高位置处固定有仿生人造背鳍8。头部1、舱体2、仿生人造胸鳍4以及仿生人造背鳍8组成了水下机器人仿鱼形的流线型的外壳设计的主体，这种流线型外壳的设计有利于减少水下机器人在水中的游动阻力，减少能量损失。

舱体2外侧底部设置有喷射泵推进机构5，喷射泵推进机构5和电源模块7电连接，和单片机控制板9通过信号线连接。喷射泵推进机构5的能源由专门的电源模块7提供，其控制信号由单片机控制板9生成，能够产生前进的推力实现快速起动和高速巡航。

请参阅图1和图5，喷射泵推进机构5包括螺旋桨27、管道28、防水轴套29、防水端盖30、第一联轴器31、第一电机33以及电机水冷器件32，第一电机33为无刷电机。

第一电机33通过第一联轴器31与传动轴一端固定连接，传动轴的另一端固定有螺旋桨27；第一电机33驱动螺旋桨27旋转时，水流从喷射泵推进机构5底部入水口经水流管道28流向喷射泵推进机构5后端，水流的反作用力提供水下机器人向前推进的动力。

参照图6，电机水冷器件32包括水冷外壳体34、进水端口35以及出水端口36；水冷外壳体34与第一电机33外壳固定连接，水冷液经进水端口35流入，从出水端口36流出，带走第一电机33表面热量，降低其表面温度，防止其过热停止工作。

防水轴套29设置在传动轴外侧，防水轴套29一端固定有防水端盖30；所述防水轴套29和防水端盖30的作用是防止管道中的水流进舱体2内；

所述电机水冷器件32包括水冷外壳体34、进水端口35以及出水端口36；所述水冷外壳体34与所述第一电机33外表面连接，水冷液经进水端口35流入，从出水端口36流出，带走第一电机33表面热量，降低其表面温度。

喷射泵具有强大的爆发力，其电机转速最高可达50000rpm(rpm指的是转/分钟)，这给水下机器人提供了足够的推进功率，弥补了单纯采用仿生尾鳍驱动的水下机器人的游速慢的不足。本发明还设计了电机水冷器件32，其能有效的带走第一电机33工作时产生的热量，降低电机的表面温度，这有利于使电机保持良好的工作状态，同时防止电机因过热而发生故障。

舵机关节摆动推进机构6设置在舱体2的后端，其由独立的舵机关节连接而成，舵机摆动关节的末端设置有仿生人造尾鳍16，水下机器人前进的动力主要由仿生人造尾鳍16的往复摆动时所受到水流的反作用力产生。能够产生推力实现水下机器人的直行、转弯、上浮下潜运动。

请参阅图1、图2和图3，舵机关节摆动推进机构6包括第一舵机单元10、第二舵机单元12、第三舵机单元14以及仿生人造尾鳍16。第一舵机单元10通过第一连接支架11与第二舵机单元12连接，第二舵机单元12通过第二连接支架13与第三舵机单元14连接，第三舵机单元14通过第三连接支架15与仿生人造尾鳍16连接。舵机关节摆动推进机构6前端与舱体2固定连接。第一至第三舵机单元结构完全相同，第一至第三连接支架结构完全相同。每个舵机关节包括舵机单元和连接支架，舵机单元包括舵机固定架17、防水舵机18与舵盘19。防水舵机18固定在舵机固定架17中，连接支架的上端与舵盘19连接，连接支架下端与舵机固定架17铰接。舵机关节的运动指令是由单片机控制板9生成的脉冲信号控制。

当水下机器人执行上浮运动时，单片机控制板9向第二电机26发出控制指令，使第二电机26反转，带动丝杠22转动，进而带动滑块23向后移动，此时水下机器人的重心后移，头部1的方向朝上。

当水下机器人执行下潜运动时：单片机控制板9向第二电机26发出控制信号，使第二电机26正转，带动丝杠22转动，进而带动滑块23向前移动，此时水下机器人重心前移，头部1方向向下。水下机器人的上浮和下潜的动力由单片机控制板9控制舵机关节摆动机构6运动提供。

当水下机器人执行直行运动时：单片机控制板9向第一至第三舵机发送控制信号，第一至第三舵机的输出角度随时间变化的规律呈现正弦波曲线规律，使得每个舵机关节都沿着垂直于鱼体的轴线方向往复摆动，即三个舵机关节的平衡位置的连线与鱼体的轴线重合，同时后一个舵机单元的舵机的转动角度规律相较于前一个舵机单元的舵机的转动角度规律有一个相位滞后的关系。三个舵机关节按照此规律垂直于鱼体的轴线方向往复摆动，即可实现舵机关节摆动机构6的仿鱼类波形的直行运动，其直行的动力由第三舵机单元14通过第三连接支架15带动仿生人造尾鳍16垂直于鱼体轴线方向的往复摆动获得的沿着头部方向的水流反作用力提供。

当水下机器人执行转弯运动时，其原理与直行运动相似，只需通过单片机控制板9向第一至第三舵机发送控制信号，使得舵机关节摆动机构6的三个舵机关节的往复摆动平衡位置的连线偏离鱼体轴线30度，以逆时针方向为正方向为例，水下机器人左转时，舵机关节摆动机构6的三个舵机关节的往复摆动平衡位置的连线与鱼体轴线的角度为30度，反之，水下机器人右转时，舵机关节摆动机构6的三个舵机关节的往复摆动平衡位置的连线与鱼体轴线的角度为-30度。

当水下机器人执行低速巡航时，喷射泵推进机构5不工作，其巡航的动力由舵机关节摆动机构6提供。

当水下机器人执行高速巡航时，单片机控制板9分别向第一电机33和第一至第三舵机发送控制信号，使得喷射泵推进机构5和舵机关节摆动机构6同时工作，高速巡航的动力由喷射泵推进机构5工作时产生的水流反作用力提供，舵机关节摆动机构6的作用是实现高速巡航时的转弯运动控制。

舵机关节摆动推进机构6的游动方式效仿的是鱼类高效的尾鳍摆动推进的游动机理，通过控制各个舵机关节按照鱼体波规律摆动，即可模拟出真实鱼类的游动姿态，这种仿生的游动方式对环境的扰动小，其逼真的游动姿态与水下生物的融合性更好，因此特别适用于隐蔽性较强的水下侦察任务和海洋生物观察中。

本发明有两种驱动方式，在执行低速任务时，采用舵机关节摆动的方式，有利于节省能量，增加巡航能力；在遇到紧急情况需要快速起动或高速追击目标时，采用喷射泵与舵机关节摆动结合的方式进行驱动，利用喷射泵产生前进的推力，同时利用舵机关节摆动实现转弯控制；这使得水下机器人能在多变的海况中执行复杂的工作任务。

本发明将具有高速爆发动力的喷射泵推进器与新型的仿生尾鳍的驱动方式结合起来，提供了一种喷射泵与舵机混合驱动的水下机器人，其具有宽广的游速范围，能够适应不同游速的工作任务的需要。当水下机器人在水中低速巡航时，采用舵机关节摆动方式模拟真实鱼类的游动姿态，其能量消耗更低，隐蔽性更强。当需要执行目标追踪高速巡游任务时，采用喷射泵作为主驱动方式，利用喷射泵强大的爆发性能实现水中高速巡游；同时其流线型的外观设计也有利于减少水中高速前进时的游动阻力。

综上所述，本发明提出的混合驱动方式水下机器人具有更强的机动性和更宽广的游速覆盖范围，在军民领域的水下任务中具有广阔的应用前景。

以上内容仅为说明本申请发明的技术思想，不能作为限定本发明的保护范围的依据，凡是按照本发明提出的设计构思和技术特征，在技术方案上所做的任何修改与替换，均在本发明权利要求书的保护范围之内。