一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人：该新型的球形水下机器人主要包括直线推进的导管螺旋桨机构，水平面飞轮转向机构，垂直面重摆俯仰机构和抗压的密封球壳结构；机器人具有新颖的转向机构，使其在水中可实现零半径转弯；单推进器设计满足造价较低，运行效率高的要求；带支撑架圆形透明外壳能够抵抗一定的深水压力，也可便于内部安装的传感器察探水域信息；可将该机器人作为侦察设备、水中与水底的操作系统和通讯系统的载体，执行人类无法直接完成的近海域多种作业任务。
【专利说明】一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种改进的水下球形机器人的结构设计。具体的说就是设计了一个带有飞轮和重摆机构的小型球形水下机器人，该机器人能够在水平面和垂直面灵活的进行转向和保持航向运动，并且深水抗压能力强，属于微小型水下机器人领域。
【背景技术】
[0002]随着地球人口的增加以及人类生活质量的提高，人类的生产和生活需要更多的自然资源来满足，而目前的陆上资源已被过度地开采，能源危机日益突出。海洋覆盖了地球三分之二的面积，其内部蕴藏着大量的固体矿物资源和油气资源，它将是人类生存和发展的最大资源提供者。然而，迄今为止，人类对海洋的探索还刚起步，对海洋内部及其底部的认识仍停留在初级阶段。微小型水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles)简称AUV,近年来引起了研究人员越来越多的关注，因为一方面具有搭载方便，运动灵活，成本低的特点，方便进行水下探测和水中数据采集等科学研究；另一方便具有噪音低、隐蔽性好的优势，可利用其执行水域侦查，海上突击等军事任务。由此可见，对小型水下机器人的研发具有极其重要的意义。
[0003]随着研究的深入和广泛，微小型AUV的种类也变得多种多样。最常见的水下机器人主要分为两种，一种是由鱼雷发展而来，具有圆柱形外壳，依靠单推进器和尾舵机构配合来完成推进和转向。另一种则是开架式的，具有方形的结构，需要配置较多推进器，每一个动作都需要几个推进器协同作用完成。然而两种类型水下机器人都有一定的缺点，前者转向能力较差，转弯半径大。后者由于配置的推进器较多，不但造价高，而且占用机器人宝贵体积空间。因此，针对以上不足，设计一种运动灵活的欠驱动水下机器人是很有价值的。
[0004]现有技术中公开有相关技术，如申请号200910084791专利中公开了一种六自由度水下球形机器人，该机器人设有储水设备和长轴第一电机，而本专利没有储水设备，是通过利用重摆调整俯仰角的方式来实现深度动态控制，没有长轴电机，是欠驱动机器人；本专利还专门设计了飞轮转向机构来提高该种机器人的航向控制能力；本专利又专门设计了球壳支撑结构和密封结构，提高机器人的深水运动适应性；本专利的结构设计更注重在机器人的运动灵活性和安全可靠性方面。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有水下机器人不足，设计了一种运动灵活，结构简单的小型球形水下机器人。该新型的机器人具有新颖的转向机构，使其在水中可实现零半径转弯；单推进器设计满足造价较低，运行效率高的要求。带钢架圆形透明外壳能够抵抗一定的深水压力，也可便于内部安装的传感器察探水域信息。可将该机器人作为侦察设备、水中与水底的操作系统和通讯系统的载体，执行人类无法直接完成的近海域多种作业任务。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案，设计的球形水下机器人包括直线推进的导管螺旋桨机构，水平面飞轮转向机构，垂直面重摆俯仰机构和抗压的密封球壳结构；其特征在于:螺旋桨导管贯穿机器人球壳，螺旋桨位于导管内部中间位置，螺旋桨旋转提供机器人前进推力；导管外壁上下对称布置飞轮转向机构，飞轮驱动电机布置在导管侧壁同步驱动两个飞轮旋转，飞轮旋转的反作用力矩作为机器人水平面转向的驱动力矩；导管外壁左右对称布置重摆俯仰机构，重摆驱动电机布置在导管侧壁同步驱动两个重摆摆动，重摆摆动的反作用力矩作为机器人垂直面俯仰的驱动力矩；导管两端的外部边缘左右对称布置纵向支架，在机器人的两半球壳的连接处，两个纵向支架同时连接一个横向圆环支架；有机玻璃球壳由这些支架支撑，把机器人的内部机构密封保护起来；球壳连接处的横向支架和导管两端外部都装有密封圈，起到密封作用。
[0006]所述机器人的转向机构是分别安装在导管壁的上部和下部的飞轮，并有一个电机同步驱动，电机轴与飞轮轴之间通过齿轮传动，这样设计的目的保证了机构的对称性，力口大了转向的力矩，有利于水平转弯和航向控制；机器人的俯仰机构是分别安装在导管壁的左部和右部的重摆，并有一个电机同步驱动，电机轴与重摆轴之间通过齿轮传动，这样设计的目的保证了机构的对称性，并且重摆受到的重力矩有利于俯仰倾角的调节和机器人的姿态稳定。所述机器人的抗压的密封球壳结构，由两个纵向支架，一个横向支架和有机玻璃球壳组成，且在有机玻璃球壳与导管和横向支架接触处，设计有密封槽。
[0007]本发明的优点在于机器人的飞轮转向机构和俯仰机构，结构紧凑，且转向能力强，稳定性好；中心导管螺旋桨的单推进器设计，减少了机器人造价，并且使螺旋桨得到保护；机器人内部构件被球形壳保护起来，避免与水接触而腐蚀；球壳由有机玻璃制成，透明的材料有利于实验观察内部机构运转，也有利于搭载的传感器观察水域信息；球形的玻璃球壳由支架支撑，提高机器人深水运动的抗压性，密封槽的设计，加强了水密封性能；总之，所设计的小型球形水下机器人，在转向能力、性价比和抗压密封性方面都有很大优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为发明的小型球形水下机器人外观示意图
[0009]图2为本发明小型球形水下机器人内部结构轴侧图
[0010]图3为本发明小型球形水下机器人内部结构前视图
[0011]图4为本发明小型球形水下机器人内部结构左视图
[0012]图5为本发明小型球形水下机器人内部结构俯视图
[0013]图中标号:1:球壳，2:导管,3:螺旋桨,4:横向支架，5:纵向支架,6:重摆电机,7:左链条，8:右链条，9:上飞轮，10:上链条，11:飞轮电机，12:下链条，13:支架密封槽，14:右重摆，15:下飞轮，16:导管密封槽，17:基架，18:左重摆。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0015]图1为发明的小型球形水下机器人外观示意图:从图中可以看到球壳1，这是与水体接触面积最大部件，球形结构可以减小转向阻力，增强运动灵活性，同时深水抗压能力也有一定保证；球壳I把机器人的内部零件全部密封起来，只有螺旋桨3和导管2可以被看至IJ，这样可以有效的保护内部零件不受水腐蚀，延长使用寿命；即使螺旋桨3也是安装在导管2的中间，既球体的中心位置，这样使螺旋桨免受水草缠绕和坚硬物体碰触，提高螺旋桨的安全系数。
[0016]图2为本发明小型球形水下机器人内部结构轴侧图，图3为本发明小型球形水下机器人内部结构前视图，图4为本发明小型球形水下机器人内部结构左视图，图5为本发明小型球形水下机器人内部结构俯视图:图中导管2、横向支架4和纵向支架5与球壳I用螺钉连接固定，球壳I包裹在外部。横向支架4和纵向支架5对球壳I的支撑力进一步加强了机器人的深水抗压能力，并且在横向支架4和导管2的两端设计有支架密封槽13和导管密封槽16，保证了球壳螺钉连接处的密封防水；在机器人导管2的外壁安装有基架17，上飞轮9安装在基架17的上面，下飞轮15安装在基架17的下面，飞轮电机11也与基架17固连且位于上飞轮9后面，飞轮电机11通过上链条10和下链条12同步带动两个飞轮旋转，飞轮机构的对称布置便于机器人的航向控制；左重摆18安装在基架17的左面，右重摆14安装在基架17的右面，重摆电机6也与基架17固连且位于右重摆14前面，重摆电机6通过左链条7和右链条8同步带动两个重摆摆动，重摆机构的对称布置便于机器人的俯仰角度控制。总之，机器人直线推进的导管螺旋桨机构，水平面飞轮转向机构，垂直面重摆俯仰机构和抗压的密封球壳结构设计合理，布局紧凑。
[0017]机器人直线推进过程的实现，导管2中的螺旋桨3旋转与水作用，提供机器人前进的推力；飞轮电机11控制上飞轮9和下飞轮15的旋转速度状态，获反作用力矩进行机器人水平面航向保持；重摆电机6控制左重摆18和右重摆14的摆动角度，利用重力矩进行机器人垂直面航向保持；以上三个机构共同完成机器人的直线推进运动。
[0018]机器人转弯过程主要分为水平面转弯和垂直面转弯，进行水平面转弯时保持垂直面重摆在竖直向下状态，飞轮电机11控制上飞轮9和下飞轮15的旋转速度状态，获反作用力矩进行机器人水平面航向改变，实现水平面转弯；进行垂直面转弯时利用飞轮一直保持水平航向，重摆电机6控制左重摆18和右重摆14的摆动角度，利用重力矩进行机器人垂直面航向改变，实现垂直面转弯；如果进行其它平面转向时，只要水平面转向飞轮机构和垂直面转向重摆机构同时作用，即可实现。
[0019]机器人的深度控制实现，机器人在推进过程中为了保持在一定的深度，利用深度传感器和陀螺仪不断的检测深度和俯仰角度值，机器人根据检测信号与预设值比较，判断是否需要改变深度，如需改变深度时，重摆电机6控制左重摆18和右重摆14的摆动一定角度，从而改变机器人俯仰角，机器人推进，继而改变深度位置。
[0020]综上所述:所发明的小型球形水下机器人的导管螺旋桨机构，飞轮转向机构，重摆俯仰机构和球壳结构，能够完成直线推进，各角度转向等动作，设计合理，结构紧凑，运动灵活；中心导管螺旋桨的单推进器设计，减少了机器人造价，并且使螺旋桨得到保护；飞轮和重摆机构对称布置，有利于转向控制和运动姿态稳定；机器人内部构件被球形壳保护起来，避免与水接触而腐蚀；球壳材料透明，有利于实验观察内部机构运转，也有利于搭载的传感器观察水域信息；球形的玻璃球壳由内部支架支撑，提高机器人深水运动的抗压性，密封槽的设计，加强了防水密封性能；总之，所设计的小型球形水下机器人，在运动灵活性、性价比和抗压密封性等方面都有很大优势。
[0021]
【权利要求】
1.一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人，包括直线推进的导管螺旋桨机构，水平面飞轮转向机构，垂直面重摆俯仰机构和抗压的密封球壳结构；其特征在于:螺旋桨导管贯穿机器人球壳，螺旋桨位于导管内部中间位置，螺旋桨旋转提供机器人前进推力；导管外壁上下对称布置飞轮转向机构，飞轮驱动电机布置在导管侧壁同步驱动两个飞轮旋转，飞轮旋转的反作用力矩作为机器人水平面转向的驱动力矩；导管外壁左右对称布置重摆俯仰机构，重摆驱动电机布置在导管侧壁同步驱动两个重摆摆动，重摆摆动的反作用力矩作为机器人垂直面俯仰的驱动力矩；导管两端的外部边缘左右对称布置纵向支架，在机器人的两半球壳的连接处，两个纵向支架同时连接一个横向圆环支架；球形外壳由这些支架支撑，把机器人的内部机构密封保护起来；球壳连接处的横向支架和导管两端外部都有密封槽，起到密封作用。
2.按照权利要求1所述的一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人，其特征在于:所述机器人的转向机构是分别安装在导管壁的上部和下部的飞轮，并有一个电机同步驱动，电机轴与飞轮轴之间通过齿轮传动，这样设计的目的保证了机构的对称性，加大了转向的力矩，有利于水平转弯和航向控制；机器人的俯仰机构是分别安装在导管壁的左部和右部的重摆，并有一个电机同步驱动，电机轴与重摆轴之间通过齿轮传动，这样设计的目的保证了机构的对称性，并且重摆受到的重力矩有利于俯仰倾角的调节和机器人的姿态稳定。
3.按照权利要求1所述的一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人:其特征在于，所述机器人的抗压的密封球壳结构，由两个纵向支架，一个横向支架和球壳组成，且在球壳与导管和横向支架的连结处设计有密封槽。
【文档编号】B63C11/52GK103466063SQ201310438850
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】张延恒, 孙汉旭, 褚明, 贾庆轩, 李艳生, 陈亮, 张鑫星 申请人:北京邮电大学