一种用于水下机器人的推进装置和水下机器人的制作方法

本发明涉及机器人的技术领域，具体的说，是指一种用于水下机器人的推进装置和水下机器人。

背景技术：

现有的水下机器人可以在水域空间内实现监测和探查，但是目前的水下机器人监测和探查的视角有一定的局限，不能监测到较全的视角，从而存在水下机器人监测效率不高的技术问题。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种用于水下机器人的推进装置，用于解决现有技术中存在的：用于水下机器人的推进装置不能实现多自由度运动，从而导致水下机器人不具有实现更多自由度运动能力的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种水下机器人，用于解决现有技术中存在的：水下机器人不能实现多自由度的运动，以致水下机器人不能以更全的视角进行监测和探查，从而使水下机器人的工作效率低下的技术问题。

本发明的实施例是这样实现的：包括平衡件、推进器和用于调节所述推进器推进方向的驱动机构；所述平衡件用于使所述推进装置保持平衡。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述驱动机构包括舵机和调向组件；所述舵机与所述调向组件传动连接，以使所述调向组件能够调节所述推进器的推进方向。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述驱动机构包括第一舵机和第二舵机，所述第一舵机和所述第二舵机均与所述推进器传动连接。

垂直于所述第一舵机驱动所述推进器转动的转动轴心线的平面为第一平面，垂直于所述第二舵机驱动所述推进器转动的转动轴心线的平面为第二平面，所述第一平面与所述第二平面的夹角为α，该0＜α≤90°。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述第一平面与所述第二平面的夹角α为90°，所述第一舵机驱动所述推进器转动的转动轴心线与所述第二舵机驱动所述推进器转动的转动轴心线共平面，所述第一舵机驱动所述推进器转动的转动轴心线与推进器的轴心线共平面。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述推进装置为多个，多个所述推进装置均匀分布于所述平衡件。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述推进器为喷水推进器。

一种水下机器人，包括推进装置和用于控制所述推进装置以使水下机器人能够定向运动的控制系统，所述控制系统与所述推进装置电连接。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述水下机器人还包括防水舱，所述控制系统设于防水舱内，所述推进装置套设在所述防水舱的外壁。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述平衡件呈圆环状。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述水下机器人还包括壳体，所述推进装置和所述控制系统均置于所述壳体内，所述壳体设有用于所述推进器喷水的缺口。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述控制系统包括传感器、电源和控制组件，所述传感器、所述控制组件和所述驱动机构均与所述电源电连接；所述控制组件用于接收所述传感器发出的信息、并将该信息进行数据处理和分析、同时将处理后的信息向所述驱动机构发出指令。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明要解决的第一技术问题是推进装置不能实现多自由度的运动，本发明通过设置推进器和驱动机构，驱动机构主要作用是用于调节推进器的推进方向，通过改变推进器的推力方向从而来实现推进装置的更多自由度的运动，进而实现水下机器人更多自由度的运动。

本发明要解决的第二技术问题是水下机器人不能多自由度运动，从而使监测和探查的视角不全，本发明通过设置推进装置和控制系统，通过控制系统和推进装置的协同作用，实现水下机器人的多自由度运动，进而实现水下机器人拥有更全的监测视角。

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，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明实施例推进装置的结构示意图；

图2为本发明实施例喷水推进器和驱动机构的结构示意图；

图3为本发明实施例水下机器人的结构示意图；

图4为本发明实施例水下机器人分解结构示意图；

图5为本发明实施例水下机器人垂直于水平方向运动的第一视角；

图6为本发明实施例水下机器人垂直于水平方向的第二视角；

图7为本发明实施例水下机器人垂直于水平方向的立体图；

图8为本发明实施例水下机器人向前运动方向的第一视角；

图9为本发明实施例水下机器人向前运动方向的第二视角；

图10为本发明实施例水下机器人向前运动方向的立体图；

图11为本发明实施例水下机器人延水平方向运动的第一视角；

图12为本发明实施例水下机器人延水平方向运动的第二视角；

图13为本发明实施例水下机器人延水平方向运动的立体图；

图14为本发明实施例水下机器人延倾斜方向运动的第一视角；

图15为本发明实施例水下机器人延倾斜方向运动的第二视角；

图16为本发明实施例水下机器人延倾斜方向运动的立体图。

其中：11-平衡件，21-第一舵机，22-第二舵机，23-调向架，24-调向轴，25-推进器，31-第一壳体，32-第二壳体，33-防水舱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致平行”并不表示绝对的平行，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“平行”，一般都存在一定的偏差。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

一种用于水下机器人的推进装置，如图1～4所示，包括平衡件11、推进器25和用于调节所述推进器25推进方向的驱动机构；所述平衡件11用于使所述推进装置保持平衡。

进一步，所述驱动机构包括舵机和调向组件；所述舵机与所述调向组件传动连接，以使所述调向组件能够调节所述推进器25的推进方向。

所述驱动机构包括第一舵机21和第二舵机22，所述第一舵机21和所述第二舵机22均与所述推进器25传动连接。

进一步，垂直于所述第一舵机21驱动所述推进器25转动的转动轴心线的平面为第一平面，垂直于所述第二舵机22驱动所述推进器25转动的转动轴心线的平面为第二平面，所述第一平面与所述第二平面的夹角为α，该0＜α≤90°。

进一步，所述第一平面与所述第二平面的夹角α为90°，所述第一舵机21驱动所述推进器25转动的转动轴心线与所述第二舵机22驱动所述推进器25转动的转动轴心线共平面，所述第一舵机21驱动所述推进器25转动的转动轴心线与推进器25的轴心线共平面。

进一步，所述推进装置为多个，多个所述推进装置均匀分布于所述平衡件11。

进一步，所述推进器25为喷水推进器25。

需要指出的是，随着机器人及相关技术的发展，水下机器人也得到了快速发展，目前水下机器人的推进装置通常是采用最少的推进器25来实现尽量多的自由度。现有技术中，通常是只选择一个推进器25，但是采用一个推进器25在提供推力方面上明显存在不足，以致难以控制水下机器人的行进姿态，从而难以实现水下机器人更多自由度的运动。

本装置主要是用于解决现有技术中存在的技术问题：现有的水下机器人的推进装置，不能在低能耗、高可靠性的情况下，实现全视角姿态调整，即不能实现多自由度的运动；为了实现多自由度的运动，本装置通过设置平衡件11、推进器25和驱动机构。

本装置的推进器25可以是螺旋桨推进器25、喷水推进器25或矢量推进器25等多种中的任意一种，螺旋桨推进器是目前大多数水下机器人所采用的，它的推力是通过流体从螺旋桨前方到螺旋桨后方动量的变化产生的，也即使叶片的螺旋面将水推出而加速于水，由于水流的反作用力进而产生推力。为了获得较高的运动速度，螺旋桨推进器是最佳的选择，因为螺旋桨推进器具有较高的推力。诚然螺旋桨推进器能够产生较高的推力，但也因此将会产生较大的运转噪音，该噪音不利于水下机器人的作业，尤其是不利于水下机器人的隐蔽性。

因此本推进装置优选是喷水推进器25和矢量推进器，再进一步优选的是喷水推进器25，喷水推进器25是由水通过水泵获得速度后经喷口喷出，喷出水流的合力的反作用力为推力，推力推动水下机器人运动，喷水推进器25采用喷水电机作为动力源，具有较多的优点，比如噪音小，隐蔽性好，空炮效应低。此外，喷水推进器25的可操作性更强，因为水流通过喷口喷出后，水流方向是一定，从而使推进装置能够沿着指定路线行走，配合驱动机构控制动力的输出方向，使得水下机器人的动作控制更加精准，推进效率更高。

驱动机构的主要作用是用于调节喷水推进器25喷水方向，驱动机构主要包括舵机，分别是第一舵机21和第二舵机22，其中垂直于第一舵机21驱动喷水推进器25转动的转动轴心线的平面为第一平面，垂直于第二舵机22驱动喷水推进器25转动的转动轴心线的平面为第二平面，第一平面和第二平面之间存在夹角α，该夹角α的取值范围为：0＜α≤90°，通过第一舵机21和第二舵机22共同作用于喷水推进器25，以此调节喷水推进器25的喷水方向，喷水推进器25喷水推力的反推力方向，则是喷水推进器25的运动方向，通过改变喷水推进器25的喷水方向，从而改变推进装置在水下运动的方向，进而改变水下机器人在水下运动的方向。

当第一平面与第二平面的夹角为90°时，第一舵机21驱动推进器25转动的转动轴心线与第二舵机22驱动推进器25转动的转动轴心线共平面，第一舵机21驱动推进器25转动的转动轴心线与推进器25的轴心线共平面。

推进器25的轴心线在此需要特别说明，当推进器25是喷水推进器时，该推进器25的轴心线为喷口的轴心线；当推进器25是螺旋桨推进器时，推进器25的轴心线为螺旋桨转轴的转动轴心线。设置α为90°，此时推进器25推力能够调节的范围更广，并且该推进器25的推动力更加均匀，更有利于全面控制整个推进装置的运动方向。

为了能够改变喷水推进器25的喷水方向，所述驱动机构还包括舵机和调向组件，如图2所示，在舵机的驱动作用下，调节调向组件的运动方向，舵机可以是一个，也可以是多个，本装置优选舵机为两个，分别是第一舵机21和第二舵机22，并且第一舵机21和第二舵机22能够同时驱动调向组件。

调向组件主要包括调向架23和调向轴24，如图中所示，所述调向架23呈u字形，喷水推进器25置于调向架23内，调向轴24依次穿过调向架23和喷水推进器25。其中第一舵机21与调向架23传动连接，第二舵机22与调向轴24传动连接，垂直于第一舵机21驱动调向架23的转动轴心线的平面与垂直于第二舵机22驱动调向轴24的转动轴心线的平面相交，夹角为大于0°且小于等于90°。

通过第一舵机21驱动调向架23，第二舵机22驱动调向轴24，通过调向架23和调向轴24同时协同作用于喷水推进器25，以此改变喷水推进器25的喷水方向，进而实现推进装置方向的调节，从而达到调节水下机器人运动方向的目的。

垂直于第一舵机21驱动调向架23的转动轴心线的平面与垂直于第二舵机22驱动调向轴24的转动轴心线的平面相交的夹角为90°，此时喷水推进器25推力能够调节的范围更广，并且喷水推进器25的推动力更加均匀，更有利于全面控制整个推进装置的运动方向。

为了使本装置在水下能够保持平衡，因此本装置还包括了平衡件11，并且平衡件11具有多种形式。本装置的平衡件11可以是配重块，也可以是圆环等。本装置推进器25和驱动机构组合为推进机构，推进机构不止一个，当推进机构只有一个时，该平衡件11优选为配重块。推进机构可以有多个，例如有4个，该平衡件11呈圆环状，该4个推进机构分别位于平衡件11的四个方向，如图1中所示，此时平衡件11不只起到一定平衡作用，还起着连接作用。本装置通过设置4个推进机构来共同调节整个推进装置的推进方向，该推进方向是4个喷水推进器25推力的合力的反方向。

本装置的实施方式一：本装置有4个推进机构，并且该4个推进机构分别位于平衡件11的4个方向，通过第一舵机21和第二舵机22同时驱动喷水推进器25，并改变喷水推进器25喷水方向，4个推进机构的推力的合力的反方向为推进装置的运动方向。

本装置的实施方式二：如图中所示，本装置有4个推进机构，并且该4个推进机构分别位于平衡件11的4个方向，通过第一舵机21驱动调向架23，第二舵机22驱动调向轴24，通过调向架23和调向轴24同时协同作用于喷水推进器25，从而改变喷水推进器25喷水的方向，4个推进机构的推力的合力的反方向为推进装置的运动方向。

本装置通过设置驱动机构，平衡件11和推进器25，在驱动机构的驱动作用下，从而使推进装置能够完成多自由度的运动。

一种水下机器人，包括推进装置和用于控制所述推进装置以使水下机器人能够定向运动的控制系统，所述控制系统与所述推进装置电连接。

进一步，所述水下机器人还包括防水舱33，所述控制系统设于防水舱33内，所述推进装置套设在所述防水舱33的外壁。

进一步，所述平衡件11呈圆环状。

进一步，所述水下机器人还包括壳体，所述推进装置和所述控制系统均置于所述壳体内，所述壳体设有用于所述推进器25喷水的缺口。

进一步，所述控制系统包括传感器、电源和控制组件，所述传感器、所述控制组件和所述驱动机构均与所述电源电连接；所述控制组件用于接收所述传感器发出的信息、并将该信息进行数据处理和分析、同时将处理后的信息向所述驱动机构发出指令。

需要指出的是，水下机器人主要是用于水下监测和探查，现有的水下机器人受到较多因素的限制，比如推进角度不能具有更多的自由度等，从而使水下机器人的自由运动度的范围较为窄，本发明的水下机器人能够实现多自由角度的监测和探查，从而使水下机器人在水下的监测和探查更全视角、更精准。

为了实现水下机器人在水下具有更多自由度的运动，采用了推进装置和用于控制所述推进装置以使水下机器人定向运动的控制系统。

该推进装置包括推进器25和用于调节所述推进器25推进方向的驱动机构，以及保证整个水下机器人平衡的平衡件11。

水下机器人还包括壳体，该壳体可以是呈球形，鱼雷形等流线型的形体，并且该壳体的材质可以是选用金属板或者是玻璃纤维等，本水下机器人的壳体优选为球形，因为球形这形状具有特殊性，能在对其进行动力学建模时实现简化计算，其中球形在水下的抗压性和稳定性都相较于其他形状的而言，更便于控制和使用，将推进装置和控制系统设于壳体内，使水下机器人具备更高的机动性和抗干扰能力。

当壳体的形状为球形时，如图3、4中所示，壳体包括第一壳体31和第二壳体32，其中第一壳体31和第二壳体32的形状结构相同，并且第一壳体31和第二壳体32上都设有用于喷水推进器25喷口喷水的缺口，如图3、4中所示，该缺口的形状可以呈u形。

水下机器人还包括防水舱33，该防水舱33的主要作用是用于放置控制系统和连接推进装置，将推进装置套设在防水舱33的外壁。

放置于防水舱33内的控制系统主要包括传感器、电源和控制组件，其中传感器主要包括的是重力传感器、压力传感器和惯性传感器等。惯性传感器主要是检测和测量水下机器人的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。重力传感器的主要作用是测量重力引起的加速度，可以计算出水下机器人相对于水平面的倾斜角度。

控制系统还包括深度计、陀螺仪和通信模块等。

控制组件主要包括第一电路、第二电路，第一电路中的dsp作为第一处理器用于接收传感器发出的水下机器人在水下的加速度、倾斜度、冲击力、振动情况、旋转角度和多自由度运动等信息，并对上述信息进行数据处理并发送给控制组件的第二电路中的第二处理器，第二电路中avr作为第二处理器用于接收第一处理的指令并通过pwm信号分别控制第一舵机21、第二舵机22和喷水推进器25的运转。其中dsp第一处理器选用tms320f28355型数字信号处理器，avr第二处理器选用atmega2560微处理器；第一处理器与第二处理器之间的命令和状态反馈通过rs232异步串行通信来实现；惯性传感器与第一处理器之间的发送数据和配置等通过spi(串行外设接口)来实现；压力传感器与第一处理器间的通信通过i2c同步串行通信来实现。

控制系统的工作流程：第一处理器通过spi或i2c接收到惯性传感器和压力传感器的数据后进行必要的数据处理，然后，第一处理器通过rs232发送控制命令给第二处理器，第二处理器接收到第一处理器的命令后发送pwm信号给需要动作的喷水推进器25或伺服电机，从而使整个水下球形机器人在推进装置的作用下进行相应的运动。

本装置的控制系统在硬件上具有两层设计，第一层的控制板为核心控制板，核心控制板为dsp控制板，第二层的控制板由avr控制板作为控制舵机电机等执行器件的核心，两层结构不仅从功能上做了清晰的划分，而且物理空间相互也隔离，避免了相互的电磁干扰等。同时，这个空间正好给整合的通信模块提供了空间，使得防水舱33内的空间获得更高的利用率，整体的布局更加优化，同时还可以留有空间，进一步升级控制系统，使得水下机器人能够完成更为复杂的任务。

具体实施方式：水下机器人在水下通过传感器采集数据信息，并将采集的数据信息发送至控制组件，通过控制组件处理、分析处理，并发送最终的输出命令给推进装置，通过舵机来调节喷水推进器25喷水方向，从而改变水下机器人的方向；通过控制系统和推进装置协同作用驱动水下机器人，使水下机器人能够完成更多自由度的监测和探查，从而提高水下机器人的可靠性和实用性。

第二壳体32始终垂直于水平面，当水下机器人需要垂直于水平方向运动时，如图5～7所示，第一舵机21和第二舵机22共同驱动喷水推进器25，使喷口的朝向垂直于水平面，并驱动喷水推进器25延喷口朝向方向喷水。

第二壳体32始终垂直于水平面，当水下机器人需要向前运动时，如图8～10所示，第一舵机21和第二舵机22共同驱动喷水推进器25，所有喷水推进器25的合力的反推力向前，并驱动喷水推进器25延不同喷水推进器25喷口朝向方向喷水。

第二壳体32始终垂直于水平面，当水下机器人需要延水平方向运动时，如图11～13所示，第一舵机21和第二舵机22共同驱动喷水推进器25，使喷口的朝向与水平方向重合，并驱动喷水推进器25延喷口朝向方向喷水。

第二壳体32始终垂直于水平面，当水下机器人需要朝倾斜方向运动时，如图14～16所示；第一舵机21和第二舵机22共同驱动喷水推进器25，所有喷水推进器25的合力的反推力为倾斜方向前进的动力，并驱动喷水推进器25延不同喷水推进器25喷口朝向方向喷水。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解为：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。