一种矢量推进的混合驱动水下机器人
阅读说明：本技术 一种矢量推进的混合驱动水下机器人 (Vector-propelled hybrid drive underwater robot ) 是由 陈鹏云 关通 冯世平 张国兵 王中浩 张坤 宋吉信 陈露 于 2021-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于涉水机器人技术领域,具体为一种矢量推进的混合驱动水下机器人,解决了背景技术中的技术问题,其包括机器人主体、可旋转摄像头、滑翔翼、多个侧部推进装置、水平推进装置、多个尾稳定翼、重心调节机构、控制箱、电源、水平脚架和浮力调节机构。水下机器人在航行时,可以通过调节重心的位置以及浮力的大小,再借助滑翔翼和尾稳定翼,实现水中航行,具有能耗低,噪音小,活动范围大,隐蔽性高等特点；水下机器人的脚架由于可以伸缩,能在复杂的海底地形中实现水底着陆,有利于进行水下作业；水下机器人在进行高精度作业时,可以通过侧部推进装置和尾部推进装置来实现局部推进；若遇到紧急情况,能实现快速转移。(The invention belongs to the technical field of wading robots, in particular to a vector-propelled hybrid-drive underwater robot which solves the technical problems in the background technology and comprises a robot main body, a rotatable camera, a gliding wing, a plurality of lateral propelling devices, a horizontal propelling device, a plurality of tail stabilizing wings, a gravity center adjusting mechanism, a control box, a power supply, a horizontal foot rest and a buoyancy adjusting mechanism. When the underwater robot sails, the underwater navigation can be realized by adjusting the position of the gravity center and the size of the buoyancy and by means of the gliding wing and the tail stabilizing wing, and the underwater robot has the characteristics of low energy consumption, low noise, large moving range, high concealment and the like; the foot stool of the underwater robot can realize underwater landing in complicated submarine topography due to the telescopic function, thus being beneficial to underwater operation; when the underwater robot performs high-precision operation, local propulsion can be realized through the side propulsion device and the tail propulsion device; if an emergency situation occurs, the quick transfer can be realized.)
技术领域
本发明属于涉水机器人技术领域，具体为一种矢量推进的混合驱动水下机器人。
背景技术
随着社会的发展，各国已经认识到海洋在国际竞争中发挥的作用。我国拥有的32000km海岸线和300*104km2以上的蓝色国土，蓝色国土约为我国陆地国土面积的三分之一，蕴含了极其丰富的资源，这些资源是中华民族未来赖以生存和发展的物质基础。水下机器人能够进行水下搜索、监视、侦查、通信、资源开采等用途，因此发展水下机器人在认识海洋、开发海洋、维护海洋安全等方面发挥着巨大作用。
水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，另一类是无缆水下机器人。无缆水下机器人又称为自主式水下航行器。自主式水下航行器能够自带能源，通过预设好的程序进行水下作业。由于具有活动范围大、机动性好、安全、隐蔽等优点，已成为完成各种水下任务的重要工具。
由于现阶段几乎所有的水下机器人都是完全靠螺旋桨等推进装置进行水下活动，消耗的能量大，因此在水下工作时间短。同时由于螺旋桨的工作，使得机器人的隐蔽性受到影响。
申请号为201521125265.0的一种小型水下机器人包括机舱本体、垂直推进器、水平推进器、支撑架、配重仓、气浮舱。所述机舱本体包括中间机舱本体和两端机舱本体，中间机舱本体为圆管体结构，管壁上下设有通孔，中间机舱本体两端设有法兰连接两端机舱本体，两端机舱本体的连接面设有密封板与法兰螺母连接；所述垂直推进器设置于中间机舱本体内，中间机舱本体外壁两侧设置有侧翼，侧翼连接有安装架，安装架的后端安装有水平推进器；所述舱体本体下方设置支撑架，支撑架下端两边设置有配重舱，配重舱上方设置气浮舱。所述水下机器人依靠垂直推进器和左右两边的水平推进器实现前进、后退或者转弯。由于所述水下机器人的水下作业全部由推进装置来完成，因此耗能高，同时隐蔽性差，导致机器人水下作业时间缩短。
发明内容
本发明旨在解决现有水下机器耗能高、隐蔽性差，因而导致机器人下水作业时间短的技术问题，并提供了一种矢量推进的混合驱动水下机器人，通过调节重心位置以及浮力大小来完成水下机器人在海洋中的滑翔，同时在必要的时刻可以通过推进装置进行航行，具有自主航行、低能耗、隐蔽性好、可靠性高的优点，可广泛应用于军用或民用场合。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种矢量推进的混合驱动水下机器人，包括机器人主体，机器人主体的前端通过透明密封罩罩设安装有可旋转摄像头，机器人主体的左右两侧分别对称安装有滑翔翼以及多个侧部推进装置，机器人主体的尾椎上设置安装有水平推进装置和多个尾稳定翼，机器人主体内设置有重心调节机构、控制箱以及用于供电的电源，机器人主体的底部还安装有两个中空柱状且两端开口的水平脚架，水平脚架中安装有浮力调节机构，浮力调节机构包括两个背靠背安装的第一步进电机，第一步进电机的驱动端分别连接有第一丝杠，第一丝杠的自由端安装有可沿第一丝杠轴线运动的套筒，套筒自由端固连有与水平脚架内壁密封配合的活塞，两个活塞的内端之间形成密闭空间，两个活塞的外端分别与水平脚架两端开口之间形成水仓；可旋转摄像头、重心调节机构、侧部推进装置、水平推进装置和第一步进电机的运行均通过控制箱控制。两个第一步进电机背靠背设置，两个步进电机的驱动轴朝向相反的方向，每个第一步进电机上均连接一个第一丝杠，第一步进电机带动第一丝杠转动时，套筒能够沿着第一丝杠轴向来回位移，套筒带动活塞即可实现来回位移进而使得水仓的体积发生改变，实现控制水平脚架进水或者排水。水下机器人的摄像机的作用是观测水下情况，方便机器人对目标进行识别从而作出相应的指令，其次可以对水下情况进行录制，在机器人回收时向作业人员传递信息。设置水平脚架还能防止机器人主体直接磕碰到海底坚硬物体，避免造成损坏，同时可以在复杂海底地形中进行着床，提高了水下机器人的适应能力。水下机器人的滑翔翼的作用是在水下运动时能够为机体提供升力，从而实现滑翔运动。尾稳定翼能够使机器人在运动过程中姿态保持稳定，减少水下扰动带来的影响。
使用时，重心调节机构使水下机器人的重心往后移，同时，安装在两个水平脚架内后边的活塞往前运动，前边的活塞往前运动，使水平脚架后半部分充满水，前半部分排出水，水下机器人的头部向前仰起，配合滑翔翼使水下机器人往上爬升。当水下机器人需要俯冲时，重心调节机构使水下机器人的重心往前移，同时，安装在两个水平脚架内前边的活塞往后运动，后边的活塞往后运动，使水平脚架前半部分充满水，后半部分排出水，水下机器人的头部朝向前下方，在重力的作用下配合滑翔翼完成俯冲。当水平脚架中的前后两个活塞同时向中间运动时，且重心调节机构使重心处于中位时，水下机器人自动下潜；当水平脚架中的前后两个活塞同时向两边运动时，且重心调节机构使重心处于中位时，水下机器人自动上浮。
目前水下机器人已经可以实现自动对路径进行规划，水中运行路线不需要进行实时操控，依靠机器人的控制系统可以自主实现。当机器人判定电量不够时，会自动返回到指定区域并上浮，向水面工作人员发送位置信息。从而实现机器人的回收。水下机器人在水中的运动轨迹为一个“sin函数”的图像，当水下机器人在轨迹的最高点时，通过调节重心和活塞的位置，使得机器人借助重力和滑翔翼完成俯冲，在最低点时，再通过调节重心和活塞的位置，借助惯性和滑翔翼完成爬升；并重复运动使得水下机器人完成水下运动。当需要进行偏航、遇到危险或者需要运动到精确位置时，可以通过控制箱控制侧部推进装置或尾部推进装置来完成水下机器人的运动方向调整。水下机器人在巡航时均利用重力调节结构和浮力调节机构进行调整，依靠重力与浮力的耦合同时配合滑翔翼进行水下滑翔，因此这种运动方式能够节约能量，提高水下机器人的活动范围，延长水下机器人的作业时间，同时，由于第一丝杠传动噪声小，能够提高水下机器人在水下的隐蔽性 。
优选的，重心调节机构包括滑台和分别连接至滑台两端的两个环形支架，环形支架用于将滑台固定至机器人主体内部，滑台上设置有滑动配合的滑块和第二丝杠，第二丝杠的轴线与机器人主体的轴线平行，滑台上固连有用于调节重心的铅块，第二丝杠连接有第二步进电机，第二步进电机由控制箱控制。第二步进电机驱动第二丝杠转动，进而滑块在第二丝杠带动下沿着第二丝杠在滑台上滑动，滑块上固连铅块是为了增大滑块的重量，以实现重心调节，当铅块随着滑块向前运动，水下机器人的重心也向前移，此时水下机器人向下俯冲，当铅块随着滑块向后运动，水下机器人的重心也向后移，此时水下机器人向上爬升，第二步进电机通过控制箱控制，进而控制第二丝杠正转或反转，使滑块实现滑移。
优选的，侧部推进装置通过支撑臂与机器人主体相连接，每个支撑臂中均设置有用于驱动支撑臂转动的第三步进电机，侧部推进装置和第三步进电机通过控制箱控制。支撑臂在第三步进电机的驱动下能带动侧部推进装置实现转动，所有侧部推进装置均能够绕其支撑臂轴线旋转，当同时朝上时，水下机器人上浮；同时朝后时，水下机器人向前推进；同时向下时，水下机器人向下运动；同时向前时，水下机器人向后运动；当两侧的侧部推进装置的方向相反时，水下机器人可以实现旋转，从而实现矢量推进。
优选的，侧部推进装置的数量为四个或六个,均分为两组分别在机器人主体的两侧对称安装。机器人主体每一侧的侧部推进装置对称且等量设置，是为了推进时机器人主体保证稳定。
优选的，每个水平脚架均通过至少两根电动推杆与机器人主体固定连接，电动推杆通过控制箱控制。当需要进行水底着陆时，水下机器人脚架7上的伸缩架6可以伸长，防止水下机器人主体触碰到海底地形以致造成损坏，提高了水下机器人的适应能力。
优选的，每个水平脚架与机器人主体之间连接有三根电动推杆，机器人主体同一侧的电动推杆在控制箱的控制下同时伸缩，机器人主体不同侧的电动推杆在控制箱的控制下可同时伸缩也可分别伸缩，能够实现复杂海底地形的着床。
优选的，滑翔翼的剖面为NACA翼型结构。该翼形结构有较高的最大升力系数和较低的阻力系数。
优选的，尾稳定翼的数量为四个，呈“+”型安装。该安装方式能够尽可能减小水下扰动带来的影响，保持水下机器人机体稳定。
优选的，位于透明密封罩两侧的机器人主体上设置有前照灯，数量为两个且对称分布，前照灯光源采用蓝绿白三种颜色复合而成。设置两个前照灯，是为了照射视野更广，拍摄更清晰；前照灯光源采用蓝绿白三种颜色复合而成，由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小，可以为水下摄像系统提供更好的视野。
优选的，透明密封罩罩设在机器人主体的前部形成机器人主体的艏部，与机器人主体通过密封垫片以及螺母密封连接，螺母的数量为八个且均匀沿周向均匀分布。透明密封罩能够保护可旋转摄像头不浸水，而且还不会影响拍摄画面的清晰度，能够为水下机器人提供观测服务。螺母沿周向均布，保证了连接结构的稳定性，密封垫片进一步防水，保证了机器人主体艏部的密闭性。
本发明的有益效果是： 1、水下机器人在航行时，可以通过调节重心的位置以及浮力的大小，再借助滑翔翼和尾稳定翼，实现低能耗的水中航行，能耗低，噪音小，增加活动范围，同时能够提高隐蔽性；2、水下机器人的脚架由于可以伸缩，因此可以在复杂的海底地形中实现水底着陆，有利于进行水下作业；3、水下机器人在进行高精度作业时，可以通过侧部推进装置和尾部推进装置来实现，同时，若遇到紧急情况，可以通过侧部推进装置、尾部推进装置、重心调节机构、浮力调节机构，实现快速转移，同时也提高了水下机器人的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种矢量推进的混合驱动水下机器人的正面结构示意图。
图2为本发明所述一种矢量推进的混合驱动水下机器人的侧面结构示意图。
图3为本发明所述一种矢量推进的混合驱动水下机器人的俯视结构示意图。
图4为本发明所述重心调节机构的结构示意图。
图5为本发明所述浮力调节机构的结构示意图。
图6为本发明所述一种矢量推进的混合驱动水下机器人的轴测图（整体图）。
图中：1、机器人主体；2、透明密封罩；3、可旋转摄像头；4、滑翔翼；5、侧部推进装置；6、水平推进装置；7、尾稳定翼；8、水平脚架；9、第一步进电机；10、第一丝杠；11、套筒；12、活塞；13、滑台；14、环形支架；15、滑块；16、第二丝杠；17、铅块；18、支撑臂；19、电动推杆；20、前照灯；21、螺母；22、联轴器；23、第二步进电机；24、第三步进电机；25、固定架。
具体实施方式
下面将结合附图图1至图6，对本发明所述的一种矢量推进的混合驱动水下机器人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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。
一种矢量推进的混合驱动水下机器人，包括机器人主体1，机器人主体1的前端通过透明密封罩2罩设安装有可旋转摄像头3，机器人主体1的左右两侧分别对称安装有滑翔翼4以及多个侧部推进装置5，滑翔翼4的剖面为NACA翼型结构，侧部推进装置5通过支撑臂18与机器人主体1相连接，每个支撑臂18中均设置有用于驱动支撑臂18转动的第三步进电机24，第三步进电机24通过联轴器22与支撑臂18相连接，侧部推进装置5的数量为四个或六个,均分为两组分别在机器人主体1的两侧对称安装；机器人主体1的尾椎上设置安装有水平推进装置6和多个尾稳定翼7，尾稳定翼7的数量为四个，呈“+”型安装，机器人主体1内设置有重心调节机构、控制箱以及用于为水下机器人整体供电的电源，电源为锂离子电池，重心调节机构包括滑台13和分别连接至滑台13两端的两个环形支架14，环形支架14用于将滑台13固定至机器人主体1内部，滑台13上设置有滑动配合的滑块15和第二丝杠16，第二丝杠16的轴线与机器人主体1的轴线平行，滑台13上固连有用于调节重心的铅块17，第二丝杠16通过联轴器22连接有第二步进电机23，第二步进电机23由控制箱控制，侧部推进装置5和第三步进电机24通过控制箱控制；机器人主体1的底部还安装有两个中空柱状且两端开口的水平脚架8；每个水平脚架8均通过至少两根电动推杆19与机器人主体1固定连接，每个水平脚架8与机器人主体1之间连接有三根电动推杆19，机器人主体1同一侧的电动推杆19在控制箱的控制下同时伸缩，机器人主体1不同侧的电动推杆19在控制箱的控制下可同时伸缩也可分别伸缩；电动推杆19通过控制箱控制；水平脚架8中安装有浮力调节机构，浮力调节机构包括两个背靠背安装的第一步进电机9，第一步进电机9的驱动端分别通过联轴器22连接有第一丝杠10，第一丝杠10的自由端安装有可沿第一丝杠10轴线运动的套筒11，套筒11自由端固连有与水平脚架8内壁密封配合的活塞12，两个活塞12的内端之间形成密闭空间，两个活塞12的外端分别与水平脚架8两端开口之间形成水仓；可旋转摄像头3、重心调节机构、侧部推进装置5、水平推进装置6和第一步进电机9的运行均通过控制箱控制；位于透明密封罩2两侧的机器人主体1上通过固定架25固定连接有前照灯20，数量为两个且对称分布，前照灯20光源采用蓝绿白三种颜色复合而成，透明密封罩2罩设在机器人主体1的前部形成机器人主体1的艏部，与机器人主体1通过密封垫片以及螺母21密封连接，螺母21的数量为八个且均匀沿周向均匀分布。
两个第一步进电机9背靠背设置，且两个步进电机的驱动轴朝向相反的方向，每个第一步进电机9上均连接一个第一丝杠10，第一步进电机9带动第一丝杠10转动时，套筒11能够沿着第一丝杠10轴向来回位移，套筒11带动活塞12即可实现来回位移进而水仓的体积随之改变，实现控制水平脚架8进水或者排水。水下机器人的摄像机的作用是观测水下情况，方便机器人对目标进行识别从而做出相应的指令，其次可以对水下情况进行录制，在机器人回收时向作业人员传递信息。设置水平脚架8还能防止机器人主体1直接磕碰到海底坚硬物体，避免造成损坏，提高了水下机器人的适应能力。第二步进电机23驱动第二丝杠16转动，进而滑块15在第二丝杠16带动下沿着第二丝杠16在滑台13上滑动，滑块15上固连铅块17是为了增大滑块15的重量，以实现重心调节。当铅块17随着滑块15向前运动，水下机器人的重心也向前移，此时水下机器人向下俯冲，当铅块17随着滑块15向后运动，水下机器人的重心也向后移，此时水下机器人向上爬升。第二步进电机23通过控制箱控制，进而控制第二丝杠16正转或反转，使滑块15实现滑移。支撑臂18在第三步进电机24的驱动下能带动侧部推进装置5实现转动，所有侧部推进装置5均能够绕其支撑臂18轴线旋转，当同时朝上时，水下机器人上浮；同时朝后时，水下机器人向前推进；同时向下时，水下机器人向下运动；同时向前时，水下机器人向后运动；当两侧的侧部推进装置5的方向相反时，水下机器人可以实现旋转，从而实现矢量推进。机器人主体1每一侧的侧部推进装置5对称且等量设置，是为了推进时机器人主体1保证稳定。当需要进行水底着陆时，水下机器人脚架7上的伸缩架6可以伸长，防止水下机器人主体1触碰到海底地形以致造成损坏，提高了水下机器人的适应能力。设置两个前照灯20，是为了照射视野更广，拍摄更清晰；前照灯20光源采用蓝绿白三种颜色复合而成，由于海水对蓝绿波段的可见光吸收损耗极小，可以为水下摄像系统提供更好的视野。透明密封罩2能够保护可旋转摄像头3不浸水，而且不会影响拍摄画面的清晰度，能够为水下机器人提供观测服务。螺母21沿周向均布，保证了连接结构的稳定性，密封垫片进一步防水，保证了机器人主体1艏部的密闭性。
使用时，重心调节机构使水下机器人的重心往后移，同时，安装在两个水平脚架8内后边的活塞12往前运动，前边的活塞12往前运动，使水平脚架8后半部分充满水，前半部分排出水，水下机器人的头部向前仰起，配合滑翔翼4使水下机器人往上爬升。当水下机器人需要俯冲时，重心调节机构使水下机器人的重心往前移，同时，安装在两个水平脚架8内前边的活塞12往后运动，后边的活塞12往后移动，使水平脚架8前半部分充满水，后半部分排出水，水下机器人的头部朝向前下方，在重力的作用下配合滑翔翼4完成俯冲。当水平脚架8中的前后两个活塞12同时向中间运动时，且重心调节机构使重心处于中位时，水下机器人自动下潜；当水平脚架8中的前后两个活塞12同时向两边运动时，且重心调节机构使重心处于中位时，水下机器人自动上浮。
目前水下机器人已经可以实现自动对路径进行规划，水中运行路线不需要进行实时操控，依靠机器人的控制系统可以自主实现。当机器人判定电量不够时，会自动返回到指定区域并上浮，向水面工作人员发送位置信息。从而实现机器人的回收。水下机器人在水中的运动轨迹为一个“sin函数”的图像，当水下机器人在轨迹的最高点时，通过调节重心和活塞12的位置，使得机器人借助重力和滑翔翼4完成俯冲，在最低点时，再通过调节重心和活塞12的位置，借助惯性和滑翔翼4完成爬升；并重复运动使得水下机器人完成水下运动。当需要进行偏航、遇到危险或者需要运动到精确位置时，可以通过控制箱控制侧部推进装置5或尾部推进装置来完成水下机器人的运动方向调整。水下机器人在巡航时均利用重力调节结构和浮力调节机构进行调整，靠重力与浮力的耦合同时配合滑翔翼进行水下滑翔，因此这种运动方式能够节约能量，提高水下机器人的活动范围，延长水下机器人的作业时间，同时，由于第一丝杠10传动噪声小，能够提高水下机器人在水下的隐蔽性 。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。