一种水下机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种水下机器人。

背景技术：

国内外现有的水下机器人运动结构主要有：多自度多推进器控制、主推进器加水流喷射调整、仿生型、主推进器加重心调整等。其中采用多自由度多推进器控制的水下机器人，运动灵活，控制稳定性较高，但因多推进器带来的输出耦合，造成在单向运动时的运动冗余，运动控制系统复杂；采用主推进器加水流喷射调整的水下机器人，运动阻力小，控制简单，缺点是难以实现在水下的悬停；仿生型水下机器人通过仿照鱼类运动进行设计，执行元件少，运动灵活，但也无法实现水下悬停；采用主推进器加重心调整的水下机器人可以实现任意姿态的运动，同时驱动执行元件较少，可简化控制系统的设计，但是在重心调整方式与运动稳定性方面还不成熟。

技术实现要素：

根据现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种水下机器人，该水下机器人基于动量轮进行稳定性控制，可以实现在水下复杂干扰条件下保持自身的稳定和空间六自由度的运动，用于在0-50米浅水水域代替人工在进行长时间的水下观察和水下作业。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种水下机器人，包括外壳和机架，所述机架设置在所述外壳的内部，所述机架为正方体中空框架，所述机架内设有带动水下机器人俯仰的俯仰装置，所述俯仰装置包括第一动量轮和驱动所述第一动量轮转动的第一电机，所述机架的前侧向外设有带动水下机器人翻滚的翻滚装置，所述翻滚装置包括第二动量轮和驱动所述第二动量轮转动的第二电机，所述机架的后侧设有带动水下机器人进退的尾部推进装置，所述尾部推进装置包括第三电机和与所述第三电机的转轴连接的螺旋桨，所述外壳相对于所述机架后侧设有孔和关闭所述孔的挡板，所述螺旋桨设在所述挡板外。

进一步的，所述机架由六个板架组成正方体中空框架，相邻所述板架间通过角连接件进行连接。

进一步的，所述机架前侧板架上设有向外设置的第一支撑块和第二支撑块，所述第一支撑块和第二支撑块间设有第二连接板，所述第二连接板上设有第二电机，所述第二电机的转轴上连接有第二动量轮，所述第二动量轮设在所述第二连接板和所述机架的前侧板架间。

进一步的，所述机架内设有与其固定的中心板，所述中心板上设有第一支撑块和第二支撑块，所述第一支撑块和所述第二支撑块间设有第一连接板，所述第一连接板上设有第一电机，所述第一电机的转轴上连接有第一动量轮。

进一步的，所述水下机器人包括两组平行设置的尾部推进装置，所述机架后侧向外设有相对于机架向外设置的第三连接板，两个第三电机固定在所述第三连接板上相对于机架向外设置。

进一步的，所述第三电机的转轴上连接有第一转动块，所述挡板外设有与所述第一转动块位置对应的第二转动块，所述第一转动块与所述第二转动块上均设有多个圆柱形磁铁将两者连接，所述第二转动块相对于所述外壳外连接有螺旋桨。

进一步的，所述挡板内侧设有防水垫圈，所述挡板外侧设有端盖。

进一步的，多个所述角连接件处分别设有三轴陀螺仪和加速度传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

本实用新型所述的一种水下机器人，通过第一动量轮和第二动量轮的配合转动，来辅助实现水下机器人在水下的定点镇定，以减少对控制系统的依赖；并通过尾部推进装置中的螺旋桨的旋转以及第一动量轮和第二动量轮的转动的配合来实现六自由度的运动，结构简单，高效低耗。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型机架的结构示意图；

图3为本实用新型翻滚装置的结构示意图；

图4为本实用新型俯仰装置的结构示意图；

图5为本实用新型尾部推进装置的结构示意图；

图6为本实用新型整机的结构示意图；

图7为本实用新型整体机构运动的三维坐标系。

其中：1、机架；11、角连接件；111、第一角连接件；112、第二角连接件；113、第三角连接件；114、第四角连接件；115、第五角连接件；116、第六角连接件；117、第七角连接件；118、第八角连接件；12、上板架；13、右板架；14、后板架；15、下板架；16、左板架；17、前板架；18、板架；

2、外壳；

3、尾部推进装置；31、第一转动块；32、防水垫圈；33、挡板；34、第二转动块；35、圆柱形磁铁；36、螺旋桨；37、轴承、38、螺旋桨转轴；39、端盖；310、第三电机；30、第三连接板；

4、俯仰装置；41、第一动量轮；42第一电机；43第一连接板；441第一支撑块；442、第二支撑块；451、第一角铝；452、第二角铝；453、第三角铝；454、第四角铝；46、第一动量轮连接轴；47、轴承；48、中心板；

5、翻滚装置；51、第二连接板；52、第二电机；531、第三支撑块；532、第四支撑块；54、轴承；55、第二动量轮连接轴；56、第二动量轮；

61、加速度传感器；62、三轴陀螺仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1和图2所示，一种水下机器人，包括外壳2和机架1，机架1设置在外壳2的内部，机架1为正方体中空框架，机架1由6个板架18和8个角连接件11组成正方体中空框架，相邻的三个板架18间通过一个角连接件11进行连接，包括第一角连接件111、第二角连接件112、第三角连接件113、第四角连接件114、第五角连接件115、第六角连接件116、第七角连接件117、第八角连接件118、上板架12、右板架13、后板架14、下板架15、左板架16和前板架17。机架1内设有带动水下机器人俯仰的俯仰装置4，机架1的前侧向外设有带动水下机器人翻滚的翻滚装置5，机架1的后侧设有带动水下机器人进退和偏移的尾部推进装置3。

具体而言，如图7所示，令机架1中心竖直向下的方向为三维坐标系的Z轴，令机架1中心指向翻滚装置5中心的水平方向为三维坐标系的X轴，则与X轴垂直的水平方向为Y轴。机架1内设有带动水下机器人以Y轴为轴线俯仰的俯仰装置4，机架1的前侧向外设有带动水下机器人以X轴为轴线翻滚的翻滚装置5，机架1的后侧设有带动水下机器人沿X轴方向进退或以Z轴为轴线偏转的的尾部推进装置3。通过偏转和进退的复合运动实现水下机器人的沿Y轴方向的横移；通过俯仰和进退的复合运动实现水下机器人沿Z轴方向的沉浮运动。如图1和图3所示，机架1的前侧向外设有带动水下机器人翻滚的翻滚装置5，翻滚装置5包括第二动量轮56和驱动第二动量轮56转动的第二电机52，本实用新型实施例中，机架1前侧板架18上设有向外设置的第三支撑块531和第四支撑块532，第三支撑块531和第四支撑块532间设有第二连接板51，第二连接板51上设有第二电机52，第二电机52的转轴上连接有第二动量轮连接轴55，第二动量轮连接轴55上连接有第二动量轮56，第二动量轮56设在第二连接板51和机架1的前侧板架18间。

如图1和图4所示，机架1内设有带动水下机器人俯仰的俯仰装置4，俯仰装置4包括第一动量轮41和驱动第一动量轮41转动的第一电机42。本实用新型中，机架1内设有与其固定的中心板48，中心板48呈T字型，中心板48通过第一角铝451和第二角铝452与后板架14固定，通过第三角铝453与下板架15固定，通过第四角铝454与上板架12固定，中心板48上设有第一支撑块441和第二支撑块442，第一支撑块441和第二支撑块442间设有第一连接板43，第一连接板43上设有第一电机42，第一电机42的转轴上连接有第一动量轮连接轴46，第一动量轮连接轴46上连接有第一动量轮41。

如图1、图5和图7所示，机架1的后侧设有带动水下机器人进退的尾部推进装置3，尾部推进装置3包括第三电机310和与第三电机310的转轴连接的螺旋桨36，第三电机310可以是无刷直流电机，外壳2相对于所述机架1后侧设有孔和关闭孔的挡板33，螺旋桨36设在所述挡板33外。本实用新型中实施例中，水下机器人包括两组平行设置的尾部推进装置3，机架1后侧向外设有相对于机架1向外设置的第三连接板30，两个第三电机310固定在第三连接板30上相对于机架1向外设置。第三电机310的转轴上连接有第一转动块31，挡板33外设有与第一转动块31位置对应的第二转动块34，第一转动块31与第二转动块34上均设有两个圆柱形磁铁35将两者连接，第二转动块34相对于外壳2外连接有螺旋桨36，外壳2通过轴承37与螺旋桨36的螺旋桨转轴38连接。为了增加磁力，使得第一转动块31和第二转动块34的连接更加紧密，圆柱形磁铁35采用钕铁硼磁铁。当第三电机310工作时，带动与其转轴连接的第一转动块31转动，由于圆柱形磁铁35的作用，进而带动第二转动块34转动，从而带动外壳2外的螺旋桨36转动，实现尾部推进。当两组尾部推进装置3的两个第三电机310驱动两个螺旋桨36同向工作时，带动整个水下机器人进退；两组尾部推进装置3的两个第三电机310驱动两个螺旋桨36反向工作时，带动整个水下机器人偏转。

为了进一步密封，挡板33内侧设有防水垫圈32，挡板33外侧设有端盖39。

如图2所示，多个所述角连接件11处分别设有三轴陀螺仪62和加速度传感器61。一个三轴陀螺仪62和多个三轴加速度传感器61构成水下机器人的运动控制系统，三轴陀螺仪62进行测定6个方向的位置、移动轨迹和加速度，用于初始姿态确定以及运动过程中的姿态矫正，加速度传感器61用于测量加速度，两者共同作用对水下机器人的位置姿态进行判定。本实用新型中，设有一个三轴陀螺仪62和6个加速度传感器61。一个三轴陀螺仪62和3个加速度传感器61设在后板架14、上板架12和左板架16的第三角连接件113处，一个加速度传感器61位于后板架14、上板架12、右板架13的第二角连接件112处，一个加速度传感器61位于前板架17、上板架12和左板架16的第八角连接件118处，一个加速度传感器61位于后板架14、下板架15和左板架16的第五角连接件115处。

本实用新型的工作原理：水下机器人运动过程中，通过俯仰装置4中的第一电机42工作，驱动第一动量轮41，进而驱动整个水下机器人俯仰；通过翻滚装置的第二电机52工作，驱动第二动量轮56转动，进而驱动整个水下机器人翻滚；两组尾部推进装置3的两个第三电机310驱动两个螺旋桨36同向工作时，带动整个水下机器人进退；两组尾部推进装置3的两个第三电机310驱动两个螺旋桨36反向工作时，带动整个水下机器人偏转；通过偏转和进退的复合运动实现水下机器人的横移；通过俯仰和进退的复合运动实现水下机器人的沉浮。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。