一种教创型水下机器人及其控制系统的制作方法

本发明涉及水下机器人领域，更具体地说，它涉及一种教创型水下机器人及其控制系统。

背景技术：

目前，随着科学技术的不断进步和发展，机器人和ai一直是科技界的热门话题，现如今，智能机器人已经被广泛应用于各种领域。

水下机器人便是其中一种，由于只有部分工作人员会直接接触，并不为人所熟知，但随着水下机器人技术在工业生产、日常生活中应用越来越广泛，水下机器人逐渐引起人们的关注。

相比传统意义的机器人技术而言，水下机器人技术涉及的知识面更广，不仅包括了机械学、电子工程学、力学等学科，还包含水动力学，结构学等学科领域。

从教育角度来看，普及水下机器人涉及的技术知识，通过理论与动手实际操作的结合，能够加深人们对智能机器人的认知，增强科学创新能力。从创新创造角度来看，通过对水下机器人全面了解，以水下机器人为学习平台，能够为创造者的开创提供资源和条件，便于将自身的创意转变为实际产品，学以致用。因此，水下机器人对于教育以及后续创造研发，都是智能机器人十分重要的一部分。

但是，要实现创新创造，对水下机器人软硬件设计都有较高要求，市面上的水下机器人，虽然在功能上能满足水下机器人的任务需求，却不利于人们对水下机器人本身的学习、改造，导致使用者难以全面的掌握水下机器人的各方面知识，大大阻碍了水下机器人技术的学习与推广。

因此，本发明涉及一款易于拆装与改造的教创型水下机器人。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种教创型水下机器人，通过各功能模块的结构设计与连接方式，实现各功能模块方便的拆装。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种教创型水下机器人，包括主舱、连接于主舱的能源模块、推进模块、照明模块、摄像模块，各功能模块与主舱之间均为可拆连接且具有水密结构；主舱内还连接有控制各功能模块的控制模块，控制模块包括位于主舱内的控制板，控制板耦接有调试接口，调试接口向外延伸至主舱外。

在本发明中，为了便于初学者理解水下机器人的构造，水下机器人的主要部分都是使用可拆连接的方式进行连接，初学者可以通过对水下机器人的拆卸、安装加深对水下机器人结构的了解；

同时，水下机器人的程序为开源程序，初学者可以进行程序的调试，并通过调试接口将调试后的程序直接反馈回控制板，从而在智能控制的角度上，加深对水下机器人的了解。

本发明进一步设置为：所述主舱包括收容控制板的舱筒、固定于舱筒开口处的固定环、可拆连接于固定环的舱盖，其中固定环使用刚性材料制成，舱盖上设有阻碍水流沿舱盖径向流入舱筒的径向密封水密件、阻碍水流沿舱盖轴向流入舱筒的轴向密封水密件。

为了保证浮力，水下机器人的主舱往往使用较轻的材料，这也就使得舱体较薄、较软，虽然可以满足正常的使用要求，但是在进行密封连接时，就有可能在碰撞中发生形变，导致密封效果、连接效果受到影响，因此使用刚性的固定环固定于舱筒作为连接件，即使舱筒发生轻微变形，固定环与舱盖也不会发生形变，仍能保证舱筒开口处的密封效果，使得舱筒内的器件不会受损。

本发明进一步设置为：所述能源模块包括连接于主舱的电池舱，电池舱于主舱两侧各设有一个，两电池舱与主舱间距相同；所述主舱与电池舱通过支脚连接，支脚呈中空设计且两端均设有螺纹，主舱设有与支脚配合的第一连接通孔，电池舱设有与支脚配合的三通接头。

在主舱两侧各设置一个电池舱，不仅提供了能源的供给，也能起到平衡水下机器人的作用，使得水下机器人的运行更平稳；

主舱与电池舱之间通过线材电连，线材从支脚的中空部分穿过，支脚通过两端的螺纹实现与主舱、电池舱的连接，其中主舱厚度较大，内部空间较大，所以可以直接与支脚连接，而电池舱空间较小，又要放置电池，所以使用三通接头来增加连接面积，保证连接的稳定性。

本发明进一步设置为：所述调试接口包括螺纹连接于主舱的中空螺栓、安装于中空螺栓的调试头，其中中空螺栓沿其轴向开设有中空走线孔，中空走线孔内壁开设有安装槽，调试头安装于安装槽，并通过线材沿中空走线孔电连于控制板，线材与中空走线孔之间密封。

通过中空螺栓的设计，将调试接口暴露于主舱外，从而不需要拆除主舱而直接使用调试接口进行调试，使得使用者的操作十分简便。

本发明进一步设置为：所述主舱还通过固定卡扣连接有平衡机构，所述平衡机构包括通过固定卡扣连接于主舱的平衡螺柱、连接于平衡螺柱的平衡块，其中平衡块包括小砝码片、大砝码片。

本发明中的水下机器人作为一种教具，在使用时可预期的会经过多次拆装、更换各个部件，在此过程中，重新完成水下机器人的平衡十分重要，小砝码片在重量轻微调整时使用，大砝码片适用于机器人外扩设备，重量有较大变化时使用。

本发明进一步设置为：所述固定卡扣设有至少两个，所述平衡螺柱沿其长度方向依次连接有限位螺帽、小砝码片、第一固定卡扣、大砝码片、定位器、第二固定卡扣，其中定位器螺纹连接于平衡螺柱且与大砝码片抵紧，限位螺帽螺纹连接于平衡螺柱且与小砝码片抵紧。

由于平衡螺柱需要有较长的长度，才能收纳较多的平衡块，所以平衡螺柱的两端都至少要设有一个固定卡扣；

在重量调整时，大多数时候都是对小砝码片进行调整，所以将小砝码片放置在便于调整的位置，将限位螺帽旋下，即可对小砝码片的数量进行调整；

而在调整大砝码数量时，需要先将固定卡扣卸下，再将定位器旋出，才能增减大砝码片数量，最后将固定卡扣与主舱重新连接。

本发明进一步设置为：所述摄像模块包括转动连接于主舱且收纳摄像模组的相机舱、封闭相机舱的第二前盖、开设于第二前盖的透光镜片，其中相机舱远离第二前盖的一端设有螺纹孔，螺纹孔螺纹连接有进线螺栓，进线螺栓沿其轴线开设有进线孔，线材沿进线孔进入相机舱并与摄像模组电连，进线孔与线材之间密封。

通过相机舱来实现对摄像模组的保护，同时，通过相机舱的设计可适配不同类型、大小规格的摄像模组，实现水下机器人对各种摄像模组的兼容；

相机舱通过第二前盖与进线螺栓实现密封，进线螺栓一方面通过增加接触面积的方式，增加了相机舱与线材的连接强度，另一方面也增加了线材与相机舱之间的水密性。

本发明进一步设置为：所述控制板为电路板，所述控制模块还包括远程控制电路板的遥控手柄，遥控手柄与电路板通过通讯接口连接。

遥控手柄用于对电路板进行控制，从而实现对水下机器人上不同功能部件的控制。

一种用于教创型水下机器人的控制系统，包括权利要求中的全部技术特征，还包括电源管理板、主控板，其中电源管理板包括电源输入端、电源输出端、电压转换芯片、对主控板供电的供电端子，电源输入端与电源输出端分别使用公端子与母端子；主控板包括与供电端子配合的供电接口、通讯接口、调试接口、控制照明模块与摄像模块的供电信号输出端、控制推进模块的控制信号输出端。

电源输入端与电源输出端分别使用公端子与母端子，这样可以避免误插等错误操作；

通过电压转换芯片实现电压转换，为不同元器件供电；

主控板通过供电信号输出实现水下摄像机水下照明灯的供电控制；

通过控制信号输出实现水下推进器的控制信号输出；

通过集成传感器实时监控机器运动姿态，并通过调试接口和通讯接口支持外部通讯及程序调试。

本发明进一步设置为：所述电源管理板、主控板均通过机芯架连接于主舱，主舱设有与机芯架配合的锁定架，锁定架与机芯架可拆连接。

通过机芯架的设计，将电源管理板、主控板的位置锁定，防止水下机器人运动过程中，电路板发生晃动。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一，通过各功能模块的结构设计与连接方式，实现各功能模块方便的拆装；

其二，通过控制模块的设计，实现对各功能模块的控制；

其三，通过各功能模块的穿舱进线及水密结构，保证水下机器人的水密性能；

其四，通过摄像模块的设计，兼容多种摄像头，便于使用者更换调试；

其五，通过平衡机构的设计，使得水下机器人拆装后能够对水下平衡性进行调整，便于水下机器人的再次使用；

其六，通过调试接口的设计，使得使用者不必拆卸主舱，即可实现对控制板的调试。

附图说明

图1为本实施例一的结构示意图一；

图2为图1的局部放大图；

图3为电池舱的结构示意图；

图4为图1的a部放大图；

图5为实施例一的结构示意图二；

图6为图5的b部放大图；

图7为平衡机构的结构示意图；

图8为电源管理板的结构示意图；

图9为主控板的结构示意图；

图10为机芯架的结构示意图。

图中：1、主舱；11、通讯接口；12、调试接口；121、中空螺栓；122、中空走线孔；123、安装槽；13、深度传感器；14、舱筒；15、舱盖；151、密封柱；152、径向密封水密件；153、轴向密封水密件；154、锁定架；16、固定环；2、控制模块；21、遥控手柄；22、摇杆；23、显示屏；24、模式切换按键；25、功率切换按键；26、运动控制按键；3、电池舱；31、支脚；32、三通接头；33、舱体；34、管帽；35、铜螺丝母头；36、第一前盖；4、照明模块；41、水下照明灯；42、固定块；43、卡箍；44、连接螺栓；5、摄像模块；51、相机舱；52、第二前盖；53、透光镜片；54、限位器；541、限位座；542、限位块；543、抵紧螺母；6、推进模块；61、水平推进器；62、垂直推进器；7、平衡机构；71、平衡螺柱；72、固定卡扣；73、小砝码片；74、大砝码片；75、限位螺帽；76、定位器；8、电源管理板；81、电源输入端；82、电源输出端；83、电压转换芯片；84、供电端子；9、主控板；91、控制信号输出端；92、供电信号输出端；93、供电接口；94、调试连接端；95、通讯连接端；96、集成传感器；97、机芯架；98、固定孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：一种教创型水下机器人，采用模块化的方式组装，如图1所示，包括主舱1、能源模块、推进模块6、照明模块4、摄像模块5、通讯及传感器接口，其中能源模块通过电池舱3来实现供电，推进模块6通过水下推进器实现推进，各功能模块与主舱1之间均为可拆连接，且具有水密结构，主舱1还设有控制各功能模块的控制模块2，控制模块2包括控制板、遥控手柄21，各功能模块均通过线材电连于控制板。

通讯及传感器接口包括包括通讯接口11、调试接口12、深度传感器13，这三个接口依次排布于主舱1的顶部。其中调试接口12与控制板耦接并延伸外接到主舱1外，从而通过使用外部硬件调试接口12，即可实现对主舱1内部控制板的调试。

调试接口12包括连接于主舱1的中空螺栓121、安装于中空螺栓121的调试头，其中中空螺纹的螺纹段顶部安装有水密橡胶圈，中空螺栓121穿过舱筒14，并在舱筒14内部使用螺帽旋紧，从而实现中空螺栓121与主舱1之间的水密密封。

调试头采用microusb调试口，中空螺栓121沿其轴向开设有中空走线孔122，中空走线孔122连通有安装槽123，安装槽123暴露于主舱1外，调试头置于安装槽123处，并通过灌胶处理实现调试头与中空螺栓121的水密。线材沿中空走线孔122穿入主舱1并电连于控制板，从而实现对控制板的控制。

控制板为电路板，遥控手柄21通过通讯接口11实现与运动主机的连接，遥控手柄21上具体设有运动控制按键26、模式切换按键24、功率切换按键25、摇杆22、显示屏23等，实现摄像模块5、照明模块4的开关控制及水下机器人的运动控制，具体布局和结构考虑用户的使用习惯及方便性，将摇杆22及控制按键置于手柄两侧，显示屏23置于手柄中间。

如图1、图2所示，主舱1包括连接各功能模块的舱筒14、固定于舱筒14开口处的固定环16、可拆连接于固定环16的舱盖15，其中舱筒14使用较轻的材料制成，如pe制成，固定环16使用刚性材料，如6061铝合金制成。舱盖15沿轴向开设有八个螺丝固定通孔，八个螺丝固定通孔均布于舱盖15的端面，固定环16的对应位置具有与螺丝匹配的螺纹孔，螺丝穿过螺丝固定通孔与螺纹孔，实现舱盖15与固定环16的锁定。

舱盖15的端面中央位置设有与舱筒14内壁配合的密封柱151，从而使得舱盖15整体呈“凸”形。当舱盖15与舱筒14的端面贴合时，密封柱151会穿入舱筒14并与舱筒14内壁抵紧，从而使水流难以流入主舱1内。舱盖15上还设有阻碍水流沿舱盖15径向流入舱筒14的径向密封水密件152、阻碍水流沿舱盖15轴向流入舱筒14的轴向密封水密件153，径向密封水密件152与轴向密封水密件153均使用固定于舱盖15的“o”形橡胶密封圈，轴向密封水密件153位于密封柱151与舱盖15端面的连接处，径向密封水密件152位于密封柱151的周壁。

水下推进器包括连接于主舱1的水平推进器61及垂直推进器62，水平推进器61分为左右两个推进器，皆置于主舱1后部；垂直推进器62同样分为左右两个推进器，位于主舱1中部。

如图1、图3所示，电池舱3于主舱1两侧各设有一个，且置于主舱1底部，两电池舱3与主舱1间距相同，不仅提供了能源的供给，也能起到平衡水下机器人的作用。主舱1与电池舱3通过支脚31连接，支脚31呈中空设计且两端均设有螺纹，主舱1设有与支脚31配合的第一连接通孔，电池舱3设有三通接头32，三通接头32的一个接口与支脚31螺纹配合。在进行连接时，先将支脚31的下螺纹与三通接头32螺纹连接，再将支脚31的上螺纹插入舱筒14的第一连接通孔内，在舱筒14内部使用螺帽进行旋紧。每个电池舱3上都通过两个支脚31实现稳定连接，主舱1与电池舱3之间的线材从支脚31的中空部分穿过。

电池舱3包括舱体33、抵接于舱体33内的内包、连接于舱体33一端的管帽34、连接于舱体33另一端的铜螺丝母头35、螺纹连接于铜螺丝母头35的第一前盖36。其中通电线缆位于内包与舱体33之间，通过内包对通电线缆进行限位，使通电线缆沿壁固定。同时，内包的设计也能保证电池在舱体33内部不会乱晃。第一前盖36尾部具有螺纹，且外壁呈外六角结构，便于使用工具进行拆装，并与铜螺丝母头35进行螺纹连接固定。

在连接时，首先将管帽34与舱体33一端进行刚性连接，然后将舱体33穿入两个三通接头32内，然后将内包插入抵紧于舱体33内壁，然后将铜螺丝母头35安装于舱体33的另一端，最终将电池依次放入舱体33内部，并旋紧第一前盖36封闭电池舱3。

如图1、图4所示，照明模块4使用水下照明灯41，水下照明灯41于主舱1两侧各设有一个，并通过固定块42与舱筒14连接。固定块42一侧为平面，另一侧为弧形面，且开设有螺栓孔位、锁定孔位，其中弧形面与主舱1外壁配合抵紧，主舱1开设有与螺栓孔位配合的通孔，从而通过螺栓实现固定块42与舱筒14的固定。在水下照明灯41周壁环绕有卡箍43，卡箍43将水下照明灯41抵紧于固定块42的平面，卡箍43设有与锁定孔位配合的通孔，通过穿过锁定孔位与通过的螺丝，来实现卡箍43与固定块42的连接，达到锁定水下照明灯41的目的。

水下照明灯41的供电线与控制线通过开设于主舱1的水下照明灯41连接孔穿入主舱1，水下照明灯41连接孔通过连接螺栓44实现密封，连接螺栓44沿轴线设有中空孔，线材沿中空孔走线。固定块42开设有与连接螺栓44大小配合的收纳孔，连接螺栓44的一端与水下照明灯41连接孔螺纹连接，另一端穿过固定块42的通孔并连接于水下照明灯41内。

如图5、图6所示，摄像模块5包括转动连接于主舱1且收纳摄像模组的相机舱51、封闭相机舱51的第二前盖52、开设于第二前盖52的透光镜片53，其中相机舱51的尾部设有固定孔位，固定孔位上螺纹连接有进线螺栓，进线螺栓沿其轴线开设有进线孔，线材沿进线孔进入相机舱51并与摄像模组电连，进线孔与线材之间通过胶液密封。

相机舱51用于保护摄像模组，同时，相机舱51内部空间的大小兼顾不同尺寸的相机模组，并预留有不同的接线端口，通过相机舱51的设计可适配不同类型、大小规格的摄像模组，实现水下机器人对多种摄像模组的兼容。

相机舱51的头部与第二前盖52螺纹连接，尾部与进线螺栓螺纹连接，从而实现对相机舱51的密封。进线螺栓一方面通过增加与线材接触面积的方式，增加了相机舱51与线材的连接强度，另一方面也通过螺纹增加了线材与相机舱51之间的水密性。为了进一步增加水密性，前盖与相机舱51之间、透光镜片53与前盖之间均设有防水橡胶圈。

相机舱51与主舱1通过可调角度的限位器54固定，限位器54包括固定于主舱1的限位座541、转动连接于限位座541的转动轴、连接于转动轴且固定于相机舱51的限位块542，其中转动轴的两端均设有螺纹，并螺纹连接有抵紧螺母543。当抵紧螺母543拧紧时，抵紧螺母543、限位块542、限位座541抵紧，从而使得相机舱51与主舱1无法相对转动。

如图5、图7所示，由于本发明中的水下机器人作为一种教具，在使用时可预期的会经过多次拆装、更换各个部件，所以在主舱1底部还通过固定卡扣72连接有平衡机构7。平衡机构7包括平衡螺柱71、连接于平衡螺柱71的平衡块，其中平衡螺柱71与主舱1平行，并通过固定卡扣72连接于主舱1，平衡块包括小砝码片73、大砝码片74。在拆装后，通过平衡块重新完成水下机器人的平衡，小砝码片73在重量轻微调整时使用，大砝码片74适用于机器人外扩设备，重量有较大变化时使用。

由于平衡螺柱71需要有较长的长度，才能收纳较多的平衡块，所以平衡螺柱71的两端都设有一个固定卡扣72，以保证平衡螺柱71的稳定。平衡螺柱71沿其长度方向依次连接有限位螺帽75、小砝码片73、第一固定卡扣72、大砝码片74、定位器76、第二固定卡扣72，其中定位器76螺纹连接于平衡螺柱71且与大砝码片74抵紧，限位螺帽75螺纹连接于平衡螺柱71且与小砝码片73抵紧。

在进行平衡块的调整时，将限位螺帽75旋下，即可对小砝码片73的数量进行调整；在调整大砝码数量时，首先将固定卡扣72卸下，再将定位器76旋出，随后对大砝码片74的数量进行调整，最后将固定卡扣72与主舱1重新连接。

工作过程：在使用前，首先将各功能模块拼装，然后使用平衡机构7调平，保证水下机器人不会在运动时因重心发生偏斜；

在使用时，通过遥控手柄21对各功能部分进行控制，从而实现不用的功能。

实施例二：一种用于教创型水下机器人的控制系统，如图8、图9所示，与实施例一的不同点在于：还包括电源管理板8、主控板9，其中电源管理板8包括电源输入端81、电源输出端82、电压转换芯片83、对主控板9供电的供电端子84，电源管理板8与主控板9通过供电端子84与主控板9的供电接口93相连，实现对主控板9的供电。电源管理板8的电源输入端81使用公端子，电源输出端82使用母端子，这样可以避免误插等错误操作，并通过电压转换芯片83实现电压转换，为不同元器件供电。

如图9所示，主控板9通过供电信号输出端92实现水下摄像机水下照明灯41的供电控制，通过控制信号输出端91实现水下推进器的控制信号输出，并通过集成传感器96接收深度信号，实时监控机器运动姿态，并通过调试连接端94和通讯连接端95支持外部通讯及程序调试。

如图10所示，电源管理板8（图8）、主控板9（图9）均通过机芯架97连接于主舱1的舱盖15，舱盖15的密封柱151上设有锁定架154，锁定架154呈“l”形，其中锁定架154“l”形的一条边连接于密封柱151，“l”形的另一条边悬空，机芯架97通过螺栓连接于悬空的这一条边上。

机芯架97呈长条形，一端与锁定架154连接，从而实现初步锁定，同时，机芯架97的底部与穿入舱筒14的支脚31抵接，从而进一步进行限位，使得机芯架97整体保持稳定。

电源管理板8、主控板9均设有与机芯架97配合的固定孔98，通过螺栓穿过固定孔98，实现各个电路板与机芯架97的锁定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。