一种六自由度水下机器人的制作方法

本实用新型涉及一种水下机器人技术，具体地说是涉及一种采用多推进器实现六自由动作的开源水下机器人。

背景技术：

近年来我国探索海洋不断深入，无论是在科学研究还是商业用途，水下机器人始终是探索海洋重要的设备，其中运用比较多的是带有缆线的遥控水下机器人其中。遥控水下机器人的大致结构为机架，浮力材料，推进器，控制舱，缆线和水面设备组成。常见的遥控水下机器人主要有以下几类：

第一类为简易的水下机器人，推进器放置方式为水平两个平行放置或者四个对角放置及垂直放置一个，能够实现简单的前进后退和上浮下沉。但这种形式的水下机器人转弯不便，下潜深度低，水下移动不灵活。

第二类为科研级别的深海水下机器人，其推进器的布置方式多种多样，能够在水下自由的移动，操纵方便，移动灵活。但是这种类型的水下机器人体积庞大，成本高昂，只能实现四自由度的动作，只有少数的一些科研机构能负担使用。

现有的水下机器人中，主要问题是水下作业时的运动自由度不够，制造和维护成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服了原有技术中的不足，提供了一种可以六自由度运动，成本相对低廉的水下机器人。

一种六自由度水下机器人，所述的水下机器人包括机架、浮力模块、水下舱体、水下耐压灯和动力系统，水下舱体安装在机架的中间位置，浮力模块安装在机架两侧且位于机架的上部位置，水下耐压灯安装在机架的下部；动力系统包括水平安装在机架上的水平推进器和垂直安装在机架上的垂直推进器，垂直推进器垂直安装在机架的两侧，水平推进器水平安装在机架的内侧。在机架左右两侧对称的安装浮力模块，使得机器人在水下时能处于水平平衡状态，浮力模块采用浮力材料，可以支撑整个机器人在水下悬停。水下耐压灯安装在机架的前端，通过电池舱内的电池供电，用于水下作业时照明使用。推进器的外壳固定在机架上，通过电池舱内的电池供电。

作为优选，机架包括底板、侧板、侧保护板、前撑板，侧板垂直的固定在底板的左右两侧，侧保护板固定在左右两侧底板的外侧，前撑板固定在左右两侧底板的内侧。水下机器人采用模块化设计，机架上设置多个孔洞，便于浮力模块、水下舱体、水下耐压灯和动力系统的可拆卸安装。

作为优选，机架还包括后撑板，后撑板固定在左右两侧底板的内侧，后撑板位于前撑板的后端。通过在前撑板和后撑板上设置浮力模块，便于根据机器人的前后质量配置不同浮力的浮力模块，从而便于保持水下机器人的平衡。

作为优选，机架还包括电池舱固定环和控制舱固定环，圆弧形控制舱固定环固定在前撑板或后撑板上，电池舱固定环固定在底板上。通过电池舱固定环便于将电池舱固定。在前撑板和后撑板之间都有控制舱固定环，便于固定控制舱和保证结构的稳定性。

作为优选，所述的水平推进器包括左前推进器、右前推进器、左后推进器、右后推进器，左前推进器、右前推进器、左后推进器、右后推进器分别固定在左侧前撑板、右侧前撑板、左侧后撑板、右侧后撑板上，且左前推进器、右前推进器安装角度为由前向中间偏转一定角度，左后推进器、右后推进器安装角度为由后向中间偏转一定角度。左前推进器、右前推进器、左后推进器、右后推进器与竖直中心线呈一定相同的锐角，通过左前推进器、右前推进器、左后推进器、右后推进器不同的组合启动，使得机器人可以在水平面内向前、前后、向左、向右的平移，还能围绕上下方向的轴线正向或反向旋转。

作为优选，所述的垂直推进器包括前左推进器、前右推进器、后左推进器、后右推进器，前左推进器、前右推进器固定在左侧的侧保护板上，后左推进器、后右推进器固定在右侧的侧保护板上。本申请中通过前左推进器、前右推进器、后左推进器、后右推进器的相互配合，使得水下机器人可以向上或向下运动，还可以沿前后方向或左右方向的轴线翻转运动。

作为优选，浮力模块固定在前撑板或后撑板上，在浮力模块的外面设置用于保护浮力模块的导流罩。机器人在水下运动时，容易受到水下树枝或水草的影响，为避免浮力模块受损，在机架上安装导流罩，用于保护浮力模块。导流罩可通过螺栓可拆卸的安装在机架上。

作为优选，在同侧的前、后导流罩之间安装连接罩。连接罩可通过卡扣插接的方式或者螺栓固定的方式搭接在前后导流罩之间，使得导流罩前后平稳过度，减小运行时的阻力。

作为优选，在底板上设置用于平衡重力的配重块。配重块通过螺钉固定在底板上。在底板的前后左右四个角度上设置多个螺丝孔以此可在不同的位置安装配重块，以达到水下机器人在自由状态下处于水平状态。

作为优选，所述的水下耐压灯包括左水下耐压灯和右水下耐压灯，左水下耐压灯和右水下耐压灯通过灯架安装在侧板的调节槽上。起到调节照明角度的作用。

与现有技术比，本实用新型的有益效果是：动力系统采用多方位布置，可以增加水下机器人的运动方式及运动方向，极大地提高了水下机器人在水下的灵活性。

附图说明

图1为本实用新型水下机器人前视结构斜视图。

图2为本实用新型水下机器人结构前视图。

图3为本实用新型水下机器人结构俯视图。

图4为本实用新型水下机器人机架结构斜视图。

图5为本实用新型水下机器人机架结构主视图。

图6为本实用新型水下机器人后视结构斜视图。

其中，固定控制舱-1、电池舱-2、灯架-3、左水下耐压灯-4、连接罩-5、浮力模块-7、机架-10、右水下耐压灯-12、侧保护板-13、前撑板-14、侧板-15、底板-18、后撑板-19、控制舱固定环-20、电池舱固定环-22、配重块-27、螺钉-29、水下舱体-32、水下耐压灯-33、动力系统-34、导流罩-35、水平推进器-30、垂直推进器-31、左前推进器-301、右前推进器-302、左后推进器-303、右后推进器-304、前左推进器-311、前右推进器-312、后左推进器-313、后右推进器-314。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型主要实现的水下运动方式主要有以下一些：平面运动、垂直运动、翻转运动和定角度运动，以及这些运动的相互结合。

如图1、图2所示，一种六自由度水下机器人，所述的水下机器人包括机架10、浮力模块7、水下舱体32、水下耐压灯33和动力系统34，水下舱体32安装在机架10的中间位置，浮力模块7安装在机架10两侧且位于机架10的上部位置，水下耐压灯33安装在机架10的下部；动力系统34包括水平安装在机架10上的水平推进器30和垂直安装在机架10上的垂直推进器31，垂直推进器31垂直安装在机架10的两侧，水平推进器30水平安装在机架10的内侧。机架10左右对称设计。在机架10左右两侧对称的安装浮力模块7，使得机器人在水下时能处于水平平衡状态，浮力模块7采用浮力材料，可以支撑整个机器人在水下悬停。水下舱体32用于容纳固定控制舱1和电池舱2。水下耐压灯安装在机架10的前端，通过电池舱2内的电池供电，用于水下作业时照明使用。动力系统34采用涵道风扇，风扇的外壳固定在机架10上，通过电池舱2内的电池供电。机架10采用金属材料或者工程塑料制作。

本实施例中，如图4所示，机架10包括底板18、侧板15、侧保护板13、前撑板14，侧板15垂直的固定在底板18的左右两侧，侧保护板13固定在左右两侧底板18的外侧，前撑板14固定在左右两侧底板18的内侧。机架10采用模块板件拼接的方式制作，可以大大降低生产工艺难度。机架10采用金属材料时，可采用焊接的方式进行固定。当机架10采用塑料材料时，可采用超声波焊接或者强力胶水加以固定。其中侧板15和前撑板14上设置用于固定浮力模块7的孔洞，浮力模块7可通过扎带捆绑在机架10上，或者通过抱箍固定。在侧版护板13上设置上下方向的大孔，用于按方垂直推进器31。

本实施例中，如图4所示，机架10还包括后撑板19，后撑板19固定在左右两侧底板18的内侧，后撑板19位于前撑板14的后端。机架10的左侧和右侧各设置一块前撑板14和后撑板19，其中前撑板14位于后撑板19的前端，左右两侧的前撑板14和后撑板19上各安装一块浮力模块7。其中左右前撑板14上的浮力模块7体积质量相同，左右后撑板19上的浮力模块7体积质量相同，以此保证机架10的左右浮力值相同。前撑板14和后撑板19上的浮力模块7体积质量可以不同，其根据机器人的整体重量来设置，进而保证机器人在水下能处于水平状态。另外，浮力模块7整体处于机架10的上方，从而可保证机器人处于平稳状态，避免翻车。

本实施例中，如图4所示，机架10还包括电池舱固定环22和控制舱固定环20，圆弧形控制舱固定环20固定在前撑板14或后撑板19上，电池舱固定环22固定在底板18上。电池舱固定环22可通过焊接或者螺栓紧固的方式固定在底板18上。控制舱固定环20可通过焊接或者螺栓紧固的方式固定在前撑板14或后撑板19上。电池舱固定环22，主要作用是将电池舱2固定在底板18上；在前撑板14和后撑板19之间都有控制舱固定环20，其作用是固定控制舱1和保证结构的稳定性。

本实施例中，如图5所示，所述的水平推进器30包括左前推进器301、右前推进器302、左后推进器303、右后推进器304，左前推进器301、右前推进器302、左后推进器303、右后推进器304分别固定在左侧前撑板14、右侧前撑板14、左侧后撑板19、右侧后撑板19上，且左前推进器301、右前推进器302安装角度为由前向中间偏转一定角度，左后推进器303、右后推进器304安装角度为由后向中间偏转一定角度。本申请中水平推进器30内总共设置四个推进器，分别是左前推进器301、右前推进器302、左后推进器303、右后推进器304，其中左前推进器301、右前推进器302方向为向前且向中间偏转一定的角度，且左前推进器301和右前推进器302方向以中心对称。左后推进器303、右后推进器304方向为向后且向中间偏转一定的角度，优选45°，左后推进器303和右后推进器304的朝向以中心线对称。机器人向前推进时，左前推进器301和右前推进器302启动，且左前推进器301和右前推进器302的推力相同，使得机器人在反向推力的作用下向前移动。机器人向后推进时，左后推进器303和右后推进器304启动，且左后推进器303和右后推进器304的推力相同，使得机器人在反向推力的作用下向后移动。本申请的机器人还能水平旋转。当左前推进器301和右后推进器304启动时，机器人能顺时针方向旋转。当右前推进器302和左后推进器303启动时，机器人能逆时针方向旋转。当左前推进器301和左后推进器303启动时，机器人向左平移。当右前推进器302和右后推进器304启动时，机器人向右平移。

本实施例中，如图5所示，所述的垂直推进器31包括前左推进器311、前右推进器312、后左推进器313、后右推进器314，前左推进器311、前右推进器312固定在左侧的侧保护板13上，后左推进器313、后右推进器314固定在右侧的侧保护板13上。本申请中的垂直推进器31也设置四个，分别是前左推进器311、前右推进器312、后左推进器313、后右推进器314。当前左推进器311、前右推进器312、后左推进器313、后右推进器314同时正向启动时，机器人垂直向上运动；当前左推进器311、前右推进器312、后左推进器313、后右推进器314同时方向启动时，机器人垂直向下运动。当前左推进器311和后左推进器313产生向下推力，前右推进器312和后右推进器314产生向上推力时，机器人产生沿前后方向中心线正向翻转；相反，则产生反向翻转。当前左推进器311和前右推进器312产生向下推力，后左推进器313和后右推进器314产生向上推力时，机器人产生沿左右方向中心线正向翻转，相反，则产生反向翻转。

本实施例中，如图5所示，浮力模块7固定在前撑板14或后撑板19上，在浮力模块7的外面设置用于保护浮力模块7的导流罩35。浮力模块7可以采用内部中空的容器或者泡沫。机器人在水下运动时，容易受到水下树枝或水草的影响，为避免浮力模块7受损，在机架10上安装导流罩35，用于保护浮力模块7。导流罩35可通过螺栓可拆卸的安装在机架10上。

本实施例中，如图5所示，在同侧的前、后导流罩35之间安装连接罩5。连接罩5可通过卡扣插接的方式或者螺栓固定的方式搭接在前后导流罩35之间，使得导流罩35前后平稳过度，减小运行时的阻力。

本实施例中，如图3所示，在底板18上设置用于平衡重力的配重块27。配重块27通过螺钉29固定在底板18上。在底板18的前后左右四个角度上设置多个螺丝孔以此可在不同的位置安装配重块2，以达到水下机器人在自由状态下处于水平状态。

本实施例中，如图1、图3所示，所述的水下耐压灯33包括左水下耐压灯4和右水下耐压灯12，左水下耐压灯4和右水下耐压灯12通过灯架3安装在侧板15的调节槽上。起到调节照明角度的作用。

本申请的水下机器人的功能如下：

第一类：平面运动，平面运动是水下机器人的最基本运动，采用现有技术实现所需运动。

第二类：垂直运动，垂直推进器31同时向z轴正向推动水流时，便可产生z轴反向的推力，使水下机器人沿z轴反向运动。反之，这些推进器向z轴反向推动水流，即可使得水下机器人下潜。

第三类：翻转运动，前左推进器311和后左推进器313向z轴正向排出水流，水下机器人右侧受到一个z轴反向的力，而前右推进器312和后右推进器314向z轴反向排出水流，则左侧就受到一个z轴正向的力，在操控下就可以进行绕x轴的逆时针翻转。同理，后左推进器313、后右推进器314向z轴反向排出水流，则前侧就受到一个z轴正向的力，前左推进器311、前右推进器312向z轴正向排出水流，后侧受到一个z轴反向的力，就可以沿y轴顺时针翻转。由上述可知，通过垂直安装的四个推进器不同方式的运作，就可以形成翻转运动。

第四类：定角度运动，如图5所示，通过控制，可以将水下机器人与水平呈一定运动，且在前行侧移等过程中可以保持此姿势不变。前左推进器311和后左推进器313向后排出水流，产生一个向上的力f2，同时前右推进器312和后右推进器314向上排出水流，产生一个向下的推力f1，这两个推力就形成一个逆时针的转矩mf，通过控制，将mf与水下机器人回复自身状态的转矩mg相平衡，就可以将水下机器人平衡在一定的角度。在本实用新型中，可以实现0°到90°的定角度运动，这极大地增加了水下机器人的工作方式。

本实用新型中设计的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。