本實(shí)用新型涉及水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種水下機(jī)器人沉浮及姿態(tài)控制器。

背景技術(shù)：

目前，主流的中小型水下機(jī)器人使用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)沉浮及姿態(tài)控制。水下機(jī)器人在水中共有6個(gè)自由度，包括：進(jìn)退、橫移、沉浮、轉(zhuǎn)艏、橫搖、縱傾，通常采用一個(gè)螺旋槳產(chǎn)生推力控制一個(gè)自由度設(shè)計(jì)方法。這種方法的缺點(diǎn)在于：需要螺旋槳保持工作狀態(tài)以維持穩(wěn)定的推力，產(chǎn)生振動(dòng)、能耗、噪音的問(wèn)題；對(duì)于需要多自由度控制的水下機(jī)器人，常常需要很多個(gè)螺旋槳才能達(dá)到目的，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)少數(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)采用壓縮空氣變體積設(shè)計(jì)方案的中小型水下無(wú)人潛航器進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)相關(guān)資料的收集，主要存在以下問(wèn)題：機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高；重量大，無(wú)法通過(guò)自身浮力實(shí)現(xiàn)沉??；僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)沉浮控制的功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷，本實(shí)用新型結(jié)合國(guó)內(nèi)中小型相關(guān)中小型水下無(wú)人潛航器研究，提供一種水下機(jī)器人沉浮及姿態(tài)控制器，該結(jié)構(gòu)采用壓縮空氣變體積的設(shè)計(jì)方案，在不使用螺旋槳的情況下，以雙浮筒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人沉浮及姿態(tài)控制。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種水下機(jī)器人沉浮及姿態(tài)控制器，其中，包括框架結(jié)構(gòu)、設(shè)于框架結(jié)構(gòu)上的浮筒裝置、固定浮筒裝置的固定裝置，所述的浮筒裝置上設(shè)有氣閥裝置，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)部還設(shè)有推進(jìn)裝置。

本實(shí)用新型中，水下機(jī)器人主要由兩個(gè)并排浮筒、推進(jìn)裝置、框架組成。浮筒內(nèi)雙軸步進(jìn)電機(jī)兩端分別連接離合器，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連接板上的絲桿螺母，使左右兩端活塞能夠可控地分別或者同時(shí)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 從而改變平臺(tái)重心、浮心位置以及浮力大小，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的沉浮及姿態(tài)控制。

優(yōu)選地，考慮到水下環(huán)境的復(fù)雜性，浮筒設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少開孔，避免應(yīng)力集中，本新型采用了一體式機(jī)架的設(shè)計(jì)方案，機(jī)架底部呈圓弧狀并與浮筒外殼貼合，使得在浮筒外壁開兩個(gè)孔即可完成內(nèi)部機(jī)架的固定。

優(yōu)選地，本新型采用預(yù)充氣加內(nèi)壓的優(yōu)化方案，針對(duì)”浮筒+活塞“的壓縮空氣變體積方案存在動(dòng)密封困難的問(wèn)題，采用單向氣閥在浮筒內(nèi)預(yù)加一定的氣壓，通過(guò)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到準(zhǔn)確的預(yù)加壓力，使浮筒在工作水位內(nèi)壓略大于水壓，實(shí)現(xiàn)有效的防水保護(hù)。這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有：浮筒在工作水深時(shí)內(nèi)外壓強(qiáng)差小，出現(xiàn)密封故障時(shí)進(jìn)水少；浮筒內(nèi)外壓強(qiáng)差小；內(nèi)部結(jié)構(gòu)絲桿基本處于受拉狀態(tài)，穩(wěn)定性好。

優(yōu)選地，本新型活塞部分采用偏心設(shè)計(jì)，既絲桿軸心與活塞軸心不在同一位置，可以防止絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)活塞轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)活塞部分還設(shè)計(jì)有抗扭鋼管，用于減少扭力對(duì)密封圈密封效果的影響。

優(yōu)選地，本新型采用內(nèi)部卸力設(shè)計(jì)，浮筒內(nèi)外氣壓差產(chǎn)生對(duì)活塞的壓力、拉力通過(guò)絲桿傳遞到雙向帶座推力軸承，左右兩端軸承座通過(guò)螺桿連接，使得左右兩端活塞上的壓力相互抵消，減少對(duì)機(jī)架的作用力，提高整體穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，本新型采用“嵌入式單片機(jī)+labview”的控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性，構(gòu)建有智能軌跡跟蹤系統(tǒng)。采用傳感器采集六軸和加速度相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)研究機(jī)器人的穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)控制，建立有姿態(tài)控制系統(tǒng)。針對(duì)水下機(jī)器人六個(gè)自由度參數(shù)、浮心重心位置及大小、環(huán)境水動(dòng)力，這三者之間難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)聯(lián)系的問(wèn)題，采用PID控制算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。采用Matlab軟件編程和仿真，通過(guò)壓力傳感器等感應(yīng)器，設(shè)計(jì)有機(jī)械自檢系統(tǒng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：沉浮、橫搖、縱傾是水下機(jī)器人水下工作時(shí)最常需要控制的3個(gè)自由度，本實(shí)用新型采用可以使水下機(jī)器人在不使用螺旋槳的情況下，實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)自由度的控制，使設(shè)備震動(dòng)小、噪音低、功耗小，適合長(zhǎng)時(shí)間在水下工作。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的主體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實(shí)用新型剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型坐標(biāo)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型第一沉浮、姿態(tài)控制示意圖。

圖6是本實(shí)用新型第二沉浮、姿態(tài)控制示意圖。

圖7是本實(shí)用新型第三沉浮、姿態(tài)控制示意圖。

具體實(shí)施方式

附圖僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好說(shuō)明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關(guān)系僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制。

為方便描述，本新型結(jié)合圖4－7沉浮、姿態(tài)控制原理示意圖。對(duì)以下術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義：進(jìn)退：沿x軸的直線運(yùn)動(dòng)，沿X軸正向運(yùn)動(dòng)稱為前進(jìn)，反之為后退。橫移：沿Y軸的直線運(yùn)動(dòng)，沿Y軸正向運(yùn)動(dòng)稱為右移，反之為左移。沉?。貉豨軸的直線運(yùn)動(dòng)，沿g軸正向運(yùn)動(dòng)稱為下潛，反之為上浮。轉(zhuǎn)艏：以Z軸為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，符合右手法則為正，反之為負(fù)。橫搖：以x軸為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，符合右手法則為正，反之為負(fù)?？v傾：以Y軸為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，符合右手法則為正，反之為負(fù)。

如圖1－3所示，一種水下機(jī)器人沉浮及姿態(tài)控制器，其中，包括框架結(jié)構(gòu)5、設(shè)于框架結(jié)構(gòu)5上的浮筒裝置4、固定浮筒裝置4的固定裝置1，浮筒裝置4上設(shè)有氣閥裝置3，框架結(jié)構(gòu)5的側(cè)部還設(shè)有推進(jìn)裝置2。

浮筒裝置4由兩個(gè)相同浮筒構(gòu)成，浮筒并排放置于框架結(jié)構(gòu)5上，并用固定裝置1進(jìn)行固定。浮筒結(jié)構(gòu)用于控制機(jī)器人平臺(tái)沉浮及姿態(tài)。浮筒結(jié)構(gòu)上設(shè)有氣閥裝置3，氣閥裝置用于向浮筒結(jié)構(gòu)內(nèi)充氣加壓?？蚣芙Y(jié)構(gòu)上裝有推進(jìn)裝置2，為機(jī)器人平臺(tái)水下運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

浮筒裝置4包括機(jī)架15，設(shè)于機(jī)架15上的動(dòng)力機(jī)構(gòu)、與動(dòng)力機(jī)構(gòu)連接的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，浮筒裝置4的端部設(shè)有過(guò)濾裝置6。

本實(shí)施例中，浮筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)左右基本對(duì)稱，雙軸步進(jìn)電機(jī)14上電機(jī)軸一端通過(guò)法蘭件與離合器13連接，離合器13與傳動(dòng)軸20連接，傳動(dòng)軸通過(guò)與嵌在機(jī)架上的軸承配合進(jìn)行定位。傳動(dòng)軸20上裝有小齒輪21，絲桿9上裝有大齒輪11，兩齒輪嚙合將扭力傳遞到絲桿9上。同理，雙軸步進(jìn)14上另一端電機(jī)軸也通過(guò)同樣的方式將扭力傳遞到絲桿9上。

絲桿9一端通過(guò)絲桿螺母與活塞機(jī)構(gòu)7連接，另一端通過(guò)雙向推力球軸承裝置18固定，同時(shí)通過(guò)與嵌在機(jī)架上的軸承配合進(jìn)行定位。雙向推力球軸承裝置18一端通過(guò)支撐柱固定到機(jī)架上，同時(shí)連接桿19通過(guò)雙向推力球軸承裝置18內(nèi)部并固定，將浮筒兩端雙向推力球軸承裝置18進(jìn)行連接固定，從而抵消浮筒內(nèi)活塞裝置傳遞過(guò)來(lái)的拉力與壓力。

活塞結(jié)構(gòu)7上裝有密封圈與浮筒外殼緊密配合，通過(guò)連接桿、抗扭鋼管8與連接板10固定，抗扭鋼管8可以降低連接板與活塞之間的扭轉(zhuǎn)變形。連接板上裝有絲桿螺母，將絲桿9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。連接板上嵌有滑動(dòng)軸承，機(jī)架上焊接有導(dǎo)向桿17，導(dǎo)向桿通過(guò)滑動(dòng)軸承與連接桿連接，可以扭力對(duì)連接板的影響。

機(jī)架采用一體式結(jié)構(gòu)，機(jī)架底部呈圓弧狀并與浮筒外殼貼合，通過(guò)兩個(gè)直角固定件12與浮筒外殼固定。

如圖4－7所示，浮筒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沉浮、姿態(tài)控制原理為：

1.兩浮筒兩端活塞同時(shí)壓縮或擴(kuò)張同樣的體積（如圖5所示），則可以設(shè)備保持重心、浮心位置不變，浮力大小改變，使平臺(tái)穩(wěn)定上浮或下潛。

2.一個(gè)浮筒兩端活塞壓縮體積，另一個(gè)浮筒擴(kuò)張同樣的體積（如圖6所示），則可以保持重力、浮力大小不變，同時(shí)，浮心位置沿Y軸反方向位移，使平臺(tái)橫搖。

3.兩浮筒一端活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，另一端活塞向外運(yùn)動(dòng)，（如圖7所示），兩端的運(yùn)動(dòng)量保持一致，則重力、浮力大小不變。同理，平臺(tái)縱傾。

顯然，本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。