一種基于矢量推進的小型四軸自治水下機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種可以實現(xiàn)多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人。機器人采用對稱的四推力臂均勻布局、開鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個推力臂有兩個自由度，這些自由度都由舵機或直流電機驅(qū)動實現(xiàn)。機器人單個推力臂推力的方向可覆蓋半個球面。設(shè)計使運動控制的效果不受機器人航行速度的影響，在低速情況下仍然具有高可控性與高機動性；也有助于機器人迅速改變動力方向，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向；還能多自由度靈活控制機器人姿態(tài)并易于達到自穩(wěn)。平面化的結(jié)構(gòu)布局允許該機器人使用流線型的外形設(shè)計，可減小機器人水下運動時的阻力。該機器人具有可以多種姿態(tài)航行、運動性能突出、抗擾能力強大、外形簡約美觀等特點。
【專利說明】一種基于矢量推進的小型四軸自治水下機器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下航行器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件布局與技術(shù)實現(xiàn)。
[0002]目前，無人水下航行器(UUV，以下簡稱水下航行器)在海洋資源勘探、環(huán)境監(jiān)測以及軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，許多軍事強國和技術(shù)大國都投入大量的人力、物力、財力進行新型水下機器人的研究與開發(fā)，并取得一些應(yīng)用成果。
[0003]矢量推進系統(tǒng)可為水下機器人航行提供強勁的動力，還可為水下機器人自身姿態(tài)與航行狀態(tài)的調(diào)整提供有力的幫助。由于矢量推進系統(tǒng)的設(shè)計水平直接影響著水下機器人的運動性能與控制效果，因而人們研究了很多不同的水下機器人矢量推進方案。目前應(yīng)用前景較好的自治式水下機器人(AUV)，其設(shè)計大多采用基于噴水驅(qū)動原理的矢量推進方式，優(yōu)點一是水下機器人在低速下仍然具有高可控性與高機動性；二是水下機器人能迅速改變航行方向，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。
[0004]目前，許多學者都在探索如何將二自由度推力臂與四軸式矢量推進系統(tǒng)結(jié)合起來，制作一種多自由度矢量調(diào)節(jié)式的水下機器人，但由于在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件布局與技術(shù)實現(xiàn)等方面缺乏有效統(tǒng)一，效果并不理想，現(xiàn)實需要性能更好、功能更強的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種可以實現(xiàn)多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人。機器人采用對稱的四推力臂均勻布局、開鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個推力臂有兩個自由度(兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié))，機器人共有八個主動自由度，這些自由度都由舵機或直流電機驅(qū)動實現(xiàn)。機器人的推力臂分為內(nèi)臂和外臂兩部分，內(nèi)臂靠近機器人形體中心，外臂遠離機器人形體中心(附圖4)。其中內(nèi)臂上的關(guān)節(jié)由直流角位移伺服電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)內(nèi)臂部分在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)180° (-90°?+90° )范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；而外臂關(guān)節(jié)則由防水舵機驅(qū)動。動力系統(tǒng)由外臂固定，單個推力臂推力的方向可覆蓋半個球面。依靠單個推力臂的二自由度設(shè)計和對稱的四推力臂均勻布局設(shè)計，簡化了調(diào)控時的計算與編程，使運動控制的效果不受機器人航行速度的影響，在低速下仍然具有高可控性與高機動性；也有助于機器人迅速改變動力方向，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向；還能多自由度靈活控制機器人自身姿態(tài)并易于達到自穩(wěn)。
[0006]其中，單個推力臂的二自由度設(shè)計，可實現(xiàn)主推力方向的快速轉(zhuǎn)換，使得機器人在姿態(tài)調(diào)節(jié)與運動狀態(tài)調(diào)節(jié)時更加靈活與穩(wěn)定，而這正是水下機器人最重要的性能，同時使得機器人的推力系統(tǒng)具有正交化的特點，從而簡化了控制過程中的計算與算法設(shè)計；平面化的結(jié)構(gòu)布局允許使用流線型的外形設(shè)計，可減小機器人水下運動時的阻力。該機器人具有結(jié)構(gòu)布局合理、外形簡約美觀、運動性能突出、控制簡單高效、抗擾能力強大、可在水下以多種姿態(tài)航行等特點。
[0007]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，機器人的推力臂設(shè)計由轉(zhuǎn)軸、內(nèi)套筒、外套筒、軸承端蓋、金屬舵盤、外臂支撐座、舵機支柱、舵機固定座、水泵支撐架-1、水泵支撐架-2、水泵固定座-1、水泵固定座_2、彈性擋圈、法蘭軸承、舵機-1、舵機_2、推力水泵組成。舵機安裝在舵機固定座內(nèi)，水泵安裝在水泵固定座內(nèi)，并通過水泵支撐架與舵機固定座連接。主要設(shè)計包括以下結(jié)構(gòu):①水泵固定結(jié)構(gòu):根據(jù)水泵的尺寸大小，來確定水泵支撐架和水泵固定座的尺寸，并通過精細測量和模型仿真來確定支撐架的強度以及推力水泵與舵機-2的相對位置，從而保證了結(jié)構(gòu)強度以及推力的對中。此外，在設(shè)計時預留出了誤差允許范圍的安裝間隙以方便調(diào)整。②關(guān)節(jié)的設(shè)計:通過對推力水泵動作的設(shè)計要求分析可知，關(guān)節(jié)共有兩處(附圖4)，通過調(diào)整尺寸，使兩個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角正交。③推力臂整體長度設(shè)計:推力臂長度影響到機器人穩(wěn)定性與最大動力矩，從機器人整體考慮來計算，得到合理的推力臂長度。④機器人外殼設(shè)計:外殼起到密封與提供主要浮力的作用，它即可保證水下機器人浮力中心與動力推進作用點距離合適，以保證機器人航行時的穩(wěn)定性，又可做成流線型，使得機器人水下航行時的阻力盡可能小。由此進行外殼設(shè)計。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0009](I)采用四軸矢量推進，正交化布局。水下機器人整體在四軸推進下易于穩(wěn)定、姿態(tài)調(diào)整以及變向都很迅速，機體平衡控制能力強，機動性和環(huán)境適應(yīng)性好。
[0010](2)單臂二自由度設(shè)計。單個推力臂具有便于控制、運動靈活、推進方向覆蓋面廣等優(yōu)點，使得該水下機器人可以用不同方式實現(xiàn)多種運動或者姿態(tài)，且易于控制。
[0011](3)總體的對稱設(shè)計與扁平化，使得該水下機器人擁有流線型外殼，減小運動阻力，提高抗水壓強度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖1為四軸自治水下機器人的整體設(shè)計示意圖；
[0013]附圖2為四軸自治水下機器人的整體無外殼設(shè)計示意圖；
[0014]附圖3為四軸自治水下機器人的二自由度運動臂設(shè)計示意圖；
[0015]附圖4為四軸自治水下機器人的二自由度運動臂設(shè)計主視圖；
[0016]附圖5為四軸自治水下機器人的二自由度運動臂設(shè)計俯視圖；
[0017]附圖6為四軸自治水下機器人的二自由度運動臂設(shè)計裝配圖；
[0018]附圖7為四軸自治水下機器人的運動姿態(tài)設(shè)計一圖；
[0019]附圖8為四軸自治水下機器人的運動姿態(tài)設(shè)計二圖；
[0020]附圖9為四軸自治水下機器人的運動姿態(tài)設(shè)計三圖；
[0021]附圖10為四軸自治水下機器人的軸系結(jié)構(gòu)圖；
[0022]附圖中:1 一轉(zhuǎn)軸，2—內(nèi)套筒，3—外套筒，4一軸承端蓋，5—金屬舵盤，6—外臂支撐座，7—舵機支柱，8—舵機固定座，9一水泵支撐架-1，10—水泵支撐架-2，11一水泵固定座-1，12—水泵固定座-2，13—螺栓，14一螺栓，15—螺母，16—螺母，17—螺釘，18—彈性擋圈，19一銷，20—法蘭軸承，21—航機-1,22—航機-2,23—連接螺釘，24—推力水栗，25—內(nèi)臂固定座，26—中心主板，27—外殼。
【具體實施方式】
[0023]圖3為四軸自治水下機器人的二自由度推動臂設(shè)計示意圖。包括主體板上的舵機-1 (21)和外臂關(guān)節(jié)處的舵機-2 (22)，以及末端的推力水泵(24)。舵機-1 (21)通過內(nèi)臂固定座(25)固定在中心主板(26)上(附圖2)，通過轉(zhuǎn)軸(I)控制內(nèi)臂在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)進行180°轉(zhuǎn)動(附圖10)，通過增加內(nèi)套筒(2)和外套筒(3)提高轉(zhuǎn)軸(I)的強度，其中外套筒(3)可以將推力臂上的彎矩傳遞到外殼(27)上，減輕舵機-1 (21)所承受的內(nèi)力。舵機-2 (22)與外臂支撐座(6)實現(xiàn)可轉(zhuǎn)動連接，通過螺釘分別與水泵支撐架-1和水泵支撐架-2 (10)固連，直接控制推力水泵的姿態(tài)。外臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計:將轉(zhuǎn)軸(I)間隙配合嵌入內(nèi)套筒(2)，連接舵機-1 (21)與外臂支撐座(6)，并用軸肩進行軸向定位，用銷(19)進行周向定位。外臂關(guān)節(jié)設(shè)計:舵機-2 (22)與水泵支撐架-1和水泵支撐架-2 (10)通過螺釘固連，與外臂支撐座(6)通過金屬舵盤(5)實現(xiàn)可轉(zhuǎn)動的連接。
[0024]如圖4所示，可看到舵機-1 (21)通過軸對推力臂進行控制，并通過加套筒增大軸的強度。
[0025]如圖5所示，可看到舵機-2 (22)與外臂支撐座(6)的連接方式，由此可實現(xiàn)水泵推力在半球域內(nèi)的任意轉(zhuǎn)向。
[0026]如圖3所示，安裝推力臂時，先將轉(zhuǎn)軸(I)與舵機-1 (21)通過螺釘固連。轉(zhuǎn)軸(I)為階梯軸。通過軸肩與彈性擋圈將內(nèi)外套筒以及法蘭軸承固定在軸上。而后，將軸末端嵌入外臂支撐座(6)，用銷、螺母、軸肩、套筒進行定位。現(xiàn)在，為便于安裝，先將舵機-2 (22)與推力水泵(24)的固連完成。由圖3可看出推力水泵(24)、舵機-2 (22)與水泵支撐架-1和水泵支撐架-2 (10)的連接應(yīng)同時進行。先將水泵固定座(11) (12)安裝在水泵相應(yīng)位置，接著用螺釘將水泵(24)、舵機-2 (22)與水泵支撐架-1和水泵支撐架-2 (10)同時固連。將連接好的舵機-2 (22)通過螺釘、金屬舵盤(5)與外臂支撐座(6)進行連接。這樣就能實現(xiàn)水泵推力方向在半球域內(nèi)的轉(zhuǎn)動。
[0027]如圖2所示，將安裝好的四個推力臂安裝到主板(26)上，加上外殼(27)，由外套筒
(3)與外殼(27)配合，有利于縮短懸臂長度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度，并提高整個系統(tǒng)的集成度。通過四根推力臂上的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動與動力大小變換，就可以完成多種姿態(tài)與運動。
[0028]如圖7所示，實現(xiàn)了運動姿態(tài)設(shè)計一，高速上升。
[0029]如圖8所示，實現(xiàn)了運動姿態(tài)設(shè)計二，前進時偏航。
[0030]如圖9所示，實現(xiàn)了運動姿態(tài)設(shè)計三，穩(wěn)定時自旋。
[0031]軸部防水設(shè)計:如圖10所示，軸部采用雙層O型圈加法蘭軸承的兩層防水結(jié)構(gòu)，A處為橡膠圈位置，兩層O型圈與軸承端蓋配合作為第一層防水結(jié)構(gòu)，法蘭軸承(20)與套筒(2X3)組成一個小的密封艙，且在這個密封艙內(nèi)放入足量密封油，形成第二層防水結(jié)構(gòu)，達到第二層防水的目的，這樣在外界水壓作用下，第一層防水結(jié)構(gòu)中的O型圈阻止大部分水進入機器人內(nèi)部，少部分進入軸內(nèi)的水很難形成較大水壓，那么第二層防水機構(gòu)就能完全將水與機器人內(nèi)部系統(tǒng)完全隔離。
【權(quán)利要求】
1.一種可以實現(xiàn)多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人，其特征在于采用對稱的四推力臂均勻布局、開鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個推力臂有兩個自由度(兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié))，機器人共有八個主動自由度，每個自由度都由舵機或直流電機驅(qū)動實現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人，其特征在于單個推力臂的二自由度設(shè)計，推力臂分為內(nèi)臂和外臂兩部分，內(nèi)臂靠近機器人形體中心，外臂遠離機器人形體中心，其中內(nèi)臂上的關(guān)節(jié)由直流角位移伺服電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)內(nèi)臂部分在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)180° (-90°?+90° )范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；而外臂關(guān)節(jié)則由防水舵機驅(qū)動，動力系統(tǒng)由外臂固定，單個推力臂推力的方向可覆蓋半個球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人，其特征在于其軸部采用雙層O型圈加法蘭軸承的兩層防水結(jié)構(gòu)，兩層橡膠O型圈與軸承端蓋配合作為第一層防水結(jié)構(gòu)，法蘭軸承(20)與套筒(2) (3)組成一個小的密封艙，且在這個密封艙內(nèi)放入足量密封油，形成第二層防水結(jié)構(gòu)，達到第二層防水的目的，這樣在外界水壓作用下，第一層防水結(jié)構(gòu)中的橡膠O型圈阻止大部分水進入機器人內(nèi)部，少部分進入軸內(nèi)的水很難形成較大水壓，那么第二層防水機構(gòu)就能完全將水與機器人內(nèi)部系統(tǒng)完全隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人，其特征在于其外殼(27)的設(shè)計能夠起到密封與提供主要浮力的作用，它即可保證水下機器人浮力中心與動力推進作用點距離合適，以保證機器人航行時的穩(wěn)定性，又可做成流線型，使得機器人航行時的阻力盡可能小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述多模式穩(wěn)定航行與多姿態(tài)快速調(diào)節(jié)的多自由度矢量推進的小型四軸自治水下機器人，其特征在于其外套筒(3)與外殼(27)配合，有利于縮短懸臂長度，提高機器人結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度，并提高整個機器人系統(tǒng)的集成度。
【文檔編號】B63H5/00GK103552679SQ201310581033
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】羅慶生, 金誠, 張 浩, 梁偉棟, 許珂, 陳怡然, 李陽 申請人:北京理工大學