水下机器人姿态控制及浮潜调节装置的制作方法

本发明属于水下机器人领域，具体是水下机器人姿态控制及浮潜调节装置。

背景技术：

在如今的水下机器人领域中，各种水下机器人逐步被应用到实际当中，并且都取得了较好的成绩。我们所熟知的水下机器人，包括传统水下机器人，如螺旋桨式机器人、auv、rov等，采用的是螺旋桨的方式产生推进力，还包括仿生水下机器人，如仿生鱼机器人、仿生青蛙机器人，它们可以代替人在海洋中完成一些高难度的水下探测以及水下作业等任务，所以在很多领域中都用到了水下机器人技术。

水下机器人自主作业涉及到诸多问题,如何控制水下机器人的浮潜并保证水下机器人机体的姿态平衡是需要解决的技术之一，在潮汐、暗流等复杂多变的水下环境中，水下机器人姿态能否保持平衡非常重要，是其能否正常操作的前提。现有的水下机器人在水下作业的平衡性控制方法有很多种，如通过控制舵叶的转向姿态等，但是控制过程比较复杂，控制结果并不能达到预期的效果。另外，水下机器人浮潜时，通常采用气阀油泵等方式控制浮力来实现，但这些方法实现复杂，并且占用空间大，难以应用在一些中小型机器人上。

技术实现要素：

本发明的目的是解决水下机器人姿态控制与浮潜调节难的问题，提供一种水下机器人姿态控制及浮潜调节装置，该装置可搭载在水下机器人上，实现水下机器人俯仰和翻滚的平衡以及上浮和下潜功能，具有结构简单、控制方便、占用空间小的特点。

本发明提供的技术方案是：

水下机器人姿态控制及浮潜调节装置，其特征在于：包括与水下机器人固定连接的十字型支架、安装在十字型支架上以检测水下机器人运动姿态的陀螺仪传感器、分别安装在十字型支架前、后两个外端部以调节水下机器人前后方向运动姿态的前压缩罐和后压缩罐、分别安装在十字型支架左、右两个外端部以调节水下机器人左右方向运动姿态的左压缩罐和右压缩罐、沿前后方向设置在十字型支架上的纵向滑轨、沿左右方向设置在十字型支架上的横向滑轨、安装在十字型支架上并与纵向滑轨相配合以驱动前压缩罐和后压缩罐的第一驱动组件以及安装在十字型支架上并与横向滑轨相配合以驱动左压缩罐和右压缩罐的第二驱动组件。

所述第一驱动组件和第二驱动组件结构相同；每组驱动组件均包括可滑动地定位在对应滑轨上的齿条、安装在十字型支架上的驱动电机以及固定在驱动电机的电机轴末端并与齿条相啮合以带动齿条运动的齿轮。

各压缩罐结构相同；每个压缩罐均包括设置成筒状的罐体、盖合在罐体一端并与十字型支架对应的外端部固定连接的内盖、盖合在罐体另一端的外盖、沿罐体的轴线方向可滑动地定位在罐体内的活塞以及一端固定在活塞上且另一端穿过内盖后与对应驱动组件中的齿条固定连接的连杆；所述活塞与外盖之间填充有碳海绵。

所述碳海绵内部设置有弹簧，以保证被压缩的碳海绵顺利伸展。

所述横向滑轨和纵向滑轨分别设置在十字型支架的上下两侧，以避免第一驱动组件与第二驱动组件在运动时发生干涉。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过产生转矩来抵消水下机器人姿态变化时所产生的力矩，当水下机器人两端受力不平衡时，根据水下机器人的倾斜方向，对相应方向上的两个压缩罐进行调整，使一端的压缩罐吸水而另一端的压缩罐排水，从而改变两个压缩罐的配重，使水下机器人的姿态得以调整并在水中保持平衡，整体控制方式简单，控制效果好，并且利用外部环境中的水来改变压缩罐配重，无需其他配重装置，整体结构轻便，占用空间小，可适用于中小型水下机器人。

2)本发明设置有四个压缩罐，通过前压缩罐和后压缩罐可调节水下机器人的俯仰力矩，通过左压缩罐和右压缩罐可调节水下机器人的翻滚力矩，从而全方位调节水下机器人的运动姿态。

3)本发明通过前压缩罐和后压缩罐还可以调节水下机器人的头部姿态，从而改变水下机器人的运动方向，配合水下机器人本体的推进力从而实现水下机器人的上浮与下潜，并且在浮潜时不影响翻滚力矩的平衡，保证了水下机器人的正常运动。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的俯视结构示意图。

图3为本发明中各压缩罐的内部结构示意图。

附图标记：

1、十字型支架；2、陀螺仪传感器；3、前压缩罐；4、后压缩罐；5、左压缩罐；6、右压缩罐；7、纵向滑轨；8、横向滑轨；9、罐体；10、内盖；11、外盖；12、活塞；13、连杆；14、碳海绵；15、弹簧；16、齿条；17、驱动电机；18、齿轮。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

为方便描述，以图2的左右方向为左右方向，以图2的上下方向为前后方向，以图2垂直纸面的方向为上下方向。

如图1、图2所示的水下机器人姿态控制及浮潜调节装置，包括十字型支架1、陀螺仪传感器2、前压缩罐3和后压缩罐4、左压缩罐5和右压缩罐6、纵向滑轨7、横向滑轨8、第一驱动组件和第二驱动组件。所述十字型支架与水下机器人(图中未显示)固定连接，以便将本发明搭载在水下机器人上。所述陀螺仪传感器安装在十字型支架上，用于检测水下机器人的运动姿态。

所述前压缩罐和后压缩罐分别安装在十字型支架前、后两个外端部，以调节水下机器人前后方向的运动姿态。所述左压缩罐和右压缩罐分别安装在十字型支架左、右两个外端部，以调节水下机器人左右方向的运动姿态。

各压缩罐结构相同，其中前压缩罐和后压缩罐的轴线方向均沿前后方向布置，左压缩罐和右压缩罐的轴线方向均沿左右方向布置。如图3所示，每个压缩罐均包括罐体9、内盖10、外盖11、活塞12和连杆13。所述罐体设置成筒状；所述内盖盖合在罐体一端并与十字型支架对应的外端部固定连接；所述外盖盖合在罐体另一端；所述活塞沿罐体的轴线方向可滑动地定位在罐体内；所述连杆一端固定在活塞上，另一端穿过内盖上的通孔后与对应驱动组件中的齿条固定连接(明显地，内盖上还开设有通水孔)。所述活塞与外盖之间填充有碳海绵14，碳海绵与罐体内壁紧密贴合。工作过程中，当活塞向外盖方向运动时，碳海绵被压缩，外部环境中的水经内盖的通水孔吸入罐体中，压缩罐重量增加；当活塞向内盖方向运动时，碳海绵回弹伸展，罐体中的水经通水孔被排出，压缩罐重量减小，从而通过吸水和排水来改变压缩罐的配重。为了避免碳海绵在经过多次压缩伸展后弹性下降，所述碳海绵内部设置有弹簧15，以保证被压缩的碳海绵顺利伸展。

所述纵向滑轨沿前后方向设置在十字型支架上；所述横向滑轨沿左右方向设置在十字型支架上。所述第一驱动组件安装在十字型支架上并与纵向滑轨相配合，以调整前压缩罐和后压缩罐的配重，从而产生俯仰转矩，对水下机器人前后方向的运动姿态进行调整。所述第二驱动组件安装在十字型支架上并与横向滑轨相配合，以调整左压缩罐和右压缩罐的配重，从而产生翻滚转矩，对水下机器人左右方向的运动姿态进行调整。本实施例中横向滑轨和纵向滑轨分别设置在十字型支架的上下两侧；对应地，第一驱动组件和第二驱动组件也分别设置在十字型支架的上下两侧，从而避免第一驱动组件与第二驱动组件在运动时发生干涉。

所述第一驱动组件和第二驱动组件结构相同；每组驱动组件均包括可滑动地定位在对应滑轨上的齿条16、安装在十字型支架上的驱动电机17以及固定在驱动电机的电机轴末端并与齿条相啮合以带动齿条运动的齿轮18。其中，齿条的两端分别与对应的两个压缩罐中的连杆固定连接(即前压缩罐和后压缩罐中的连杆分别固定在第一驱动组件的齿条两端，左压缩罐和右压缩罐中的连杆分别固定在第二驱动组件的齿条两端)。工作时，压缩罐中活塞的行程与对应连接的齿条行程相同。

本发明还设置有控制器(可外购获得，图中未显示)，以控制装置的整体工作配合。

本发明对水下机器人的姿态控制及浮潜调节方式如下：

当陀螺仪传感器检测到水下机器人的前端抬起时，第一驱动组件中的驱动电机正向转动，带动齿条沿纵向滑轨向前运动，此时前压缩罐吸水使重量增加，后压缩罐排水使重量减小，从而使装置产生后端上抬的转矩，抵消水下机器人因外力产生的俯仰力矩，使水下机器人恢复至水平姿态。同理，当陀螺仪传感器检测到水下机器人的后端抬起时，第一驱动组件中的驱动电机反向转动，带动齿条沿纵向滑轨向后运动，此时前压缩罐排水使重量减小，后压缩罐吸水使重量增加，从而使装置产生前端上抬的转矩，抵消水下机器人因外力产生的俯仰力矩，使水下机器人恢复至水平姿态。

当陀螺仪传感器检测到水下机器人的左端抬起时，第二驱动组件中的驱动电机正向转动，带动齿条沿横向滑轨向左运动，此时左压缩罐吸水使重量增加，右压缩罐排水使重量减小，从而使装置产生右端上抬的转矩，抵消水下机器人因外力产生的翻滚力矩，使水下机器人恢复至水平姿态；同理，当陀螺仪传感器检测到水下机器人的右端抬起时，第二驱动组件中的驱动电机反向转动，带动齿条沿纵向滑轨向右运动，此时左压缩罐排水使重量减小，右压缩罐吸水使重量增加，从而使装置产生左端上抬的转矩，抵消水下机器人因外力产生的俯仰力矩，使水下机器人恢复至水平姿态。

当水下机器人需要下潜时，通过前压缩罐和后压缩罐调节水下机器人的姿态使其头部朝下，水下机器人在自身的推进力作用下，便会向斜向下的方向运动，从而实现下潜；当水下机器人需要上浮时，通过前压缩罐和后压缩罐调节水下机器人的姿态使其头部朝上，水下机器人在自身的推进力作用下，便会向斜向上的方向运动，从而实现上浮。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。