專利名稱：一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水下探測裝置的載體，特別是涉及一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人。
背景技術：
帶纜遙控水下機器人是一種日益廣泛應用于海洋、河流與湖泊等水下環境動態監測的水下探測裝置，它在水下地貌與海洋物理特征觀測、水下環境調查、水下結構物檢查中有著特殊的用途。帶纜遙控水下機器人通常由臍帶纜、水下機器人和機器人軌跡與姿態控制機構組成。隨著世界各國對水下環境快速現場監測能力要求的提高，對帶纜遙控水下機器人在控制機構操縱下的軌跡與姿態控制能力的要求也在不斷地提高。水下機器人所搭載的水下環境監測傳感器的工作性質要求水下機器人工作時姿態穩定，并具有快速靈活的軌跡和姿態調節與控制能力。如何在保證水下機器人姿態穩定的前提下使其能按照所要求的測量軌跡與姿態要求快速靈活地對其進行有效的操縱，是能否開發出一種經濟實用、具有市場價值的帶纜遙控水下機器人的關鍵。現有的小型水下機器人一般是采用多個控制螺旋槳實現對其不同自由度的控制， 通常每一個自由度的控制由一個或每一組螺旋槳來實施對其控制。這類控制方式的主要缺陷是需要多個控制螺旋槳和復雜的操縱動作才能實現對機器人不同自由度的軌跡與姿態穩定控制、對這些螺旋槳的操縱動作也需要復雜的控制機構來實現，同時水下機器人電機驅動螺旋槳系統中的機器人內部電機系統和推進螺旋槳之間的軸線接合處，一旦發生漏水，將導致驅動電機無法正常工作。這些因素無疑增大了機器人控制系統設計的復雜程度和使用者作業的風險與難度，使得這些機器人由于控制機構復雜、作業故障率增加和難以具有良好的姿態穩定能力從而限制了其應用的范圍。如何在簡化水下操縱動作的同時保證其在滿足防漏效果的情況下高效運行，這對于實現對機器人進行安全、穩定、高效的操縱控制具有積極的意義。
發明內容
本發明的目的就是為了克服現有技術的缺點和問題，提供一種控制機構簡單、通用性好，并且姿態穩定性好的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人。本發明的目的通過如下技術方案實現一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，包括主腔體、潛水泵、噴水推進水管網路、護罩和計算機；潛水泵安裝于主腔體內，計算機設置在設置水面工作船上；主腔體為一個長方體的空腔結構，潛水泵安裝于主腔體底部的中心位置；主腔體左右兩側設有護罩，護罩為空腔結構，護罩的內部空腔與主腔體的空腔連通，護罩前后方向的長度與主腔體長度相同，在主腔體下部的外壁上設有外部水進出口導管，主腔體空腔內設有水下探測傳感器； 臍帶纜出口設置在主腔體外壁的頂部；噴水推進水管網路安裝在主腔體和護罩的空腔內部；噴水推進水管網路包括電磁閥、噴水管道、水管網路進水口和噴水口 ；水管網路進水口設置在潛水泵頂部的出水口處， 噴水口為十個，其中第一噴水口和第二噴水口位于主腔體頂部左右方向中線，兩噴水口關于機器人的垂直縱剖面左右對稱；第三噴水口和第四噴水口位于主腔體底部左右方向中線，與第一噴水口和第二噴水口關于主腔體上下對稱設置；第五噴水口和第六噴水口分別位于兩護罩正后方中心處；第八噴水口和第九噴水口分別位于兩護罩正前方中心處；第七噴水口位于主腔體左側的護罩的左側中心處；第十噴水口位于主腔體右側的護罩的右側中心處；噴水管道包括進水管道、第一水平管道、豎向管道、第二水平管道、第三水平管道，進水管道與水管網路進水口連通，進水管道水平面左右兩側分別與兩第一水平管道連通，第一水平管道豎向與豎向管道連通，第一水平管道水平面左右方向與第二水平管道連通，兩第二水平管道水平面前后方向分別與第三水平管道連通；電磁閥為十個，各個電磁閥分別設置在連接相應噴水口的管路上的噴水口處；各個電磁閥與潛水泵分別與臍帶纜線連接， 臍帶纜線通過臍帶纜出口連接到設在水面工作船上的計算機。為進一步實現本發明目的，所述主腔體優選為對各邊進行了圓角處理的長方體空腔。所述主腔體頂部優選設有吊環，吊環固定在主腔體框架上，用于機器人進出水的吊裝操作。所述主腔體的空腔上部優選設有泡沫浮力材，與潛水泵重量配對產生維持水下機器人穩定的穩定力矩。所述潛水泵的入水口優選設置于主腔體前擋板下部。所述護罩優選為橢圓柱形或者對稱機翼型。所述護罩左右方向優選伸出的主腔體的高度為50 300mm。所述主腔體下部優選設有主體支架。本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果(1)控制相對簡單。僅僅只需通過開關電磁閥控制噴水組合實現多自由度操作。 較之傳統的帶纜遙控水下機器人，本發明的控制系統的設計難度大大降低，同時控制的自由度也更多。(2)噴水推進裝置水下工作性能穩定。本發明使用了潛水泵作為機器人噴水推進裝置的動力來源，降低了傳統的螺旋槳推進系統中電機系統和螺旋槳之間的軸線接合處漏水的風險、降低了水下作業的故障率。(3)姿態穩定性好。機器人主腔體上部布置的泡沫浮力材與潛水泵重量配對產生維持水下機器人穩定的穩定力矩從而保證了機器人在作業過程中具有比較強的自主穩定能力，這一特性減少了使用者維持其姿態穩定所要求發出的控制動作，降低了控制系統的設計難度。(4)多自由度，控制起來更為靈活。該發明所述推噴水裝置可產生各個方向的推力，能垂直升降，可后退，可側向移動。
圖1是本發明潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人主視圖；圖2是本發明潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人俯視圖3是本發明潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人左視圖；圖4是本發明噴水推進水管網路主視圖；圖5是本發明噴水推進水管網路俯視圖；圖6是本發明噴水推進水管網路左視圖；圖7是本發明噴水管道裝置產生豎直方向推力時的工作部位示意圖；圖8是本發明噴水管道裝置產生水平方向推力時的工作部位示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明，但本發明要求保護的范圍并不局限于實施方式表述的范圍。為了便于敘述，在圖1 8中，從后擋板17向前擋板16的方向界定為前進方向， 機器人沿著該方向的垂直對稱面為垂直縱剖面，前進方向的右側為右方向，左側為左方向， 上側為上方向，下側為下方向，主腔體2上左方向、右方向、上方向和下方向的擋板分別為左擋板、右擋板、上擋板和下擋板。如圖1 3所示，一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人包括主腔體2、潛水泵 1、噴水推進水管網路6、護罩7和計算機；潛水泵1安裝于主腔體2內，噴水推進水管網路6 安裝于主腔體2和護罩7內，主腔體2和護罩7連通，計算機設置在設置水面工作船上。主腔體2與護罩7板厚優選為2 3mm。主腔體2為一個長方體的空腔結構，優選為對各邊進行了圓角處理的長方體空腔；潛水泵1通過潛水泵支架8的支承固定，安裝于主腔體2底部的中心位置；主腔體2頂部的吊環3固定在主腔體框架上，用于機器人進出水的吊裝操作；主腔體2的空腔上部設有泡沫浮力材4，與潛水泵重量配對產生維持水下機器人穩定的穩定力矩，這一穩定力矩為機器人提供了較大的橫搖、縱搖阻尼，從而保證了機器人作業過程中具有比較強的自主穩定能力；潛水泵1的入水口 12設置于主腔體前擋板16下部，使外部的水能通過入水口 12順利進入到潛水泵1中；主腔體2左右兩側設有護罩7，護罩7優選為橢圓柱形或者對稱機翼型，護罩7為空腔結構，護罩7的內部空腔與主腔體的空腔連通，護罩7前后方向的長度與主腔體2長度相同，護罩7左右方向伸出的主腔體2的高度優選為50 300mm，設置護罩 7可在控制主腔體的體積、避免帶來機器人運動阻力較大的同時，放置及固定伸出主腔體2 外的噴水管道；在主腔體下部的外壁上設有外部水進出口導管13 ；臍帶纜出口 11設置在主腔體外壁的頂部；主腔體2下部設有主體支架9 ；根據不同探測任務，在主腔體2內設有相應類型的水下探測傳感器，水下探測傳感器包括探測外部水化學性能的鹽度、氨氮、硝氨磷、PH值的傳感器，以及探測水下的光線、聲納、溫度、壓力等聲、光物理性能的傳感器。在主腔體搭載了水下化學元素傳感器或相關物理傳感器后，主腔體2上設置的海水進出口導管13可以引導外部水穿過主腔體內的傳感器以實現對相關水下參數的采集。如圖4 7所示，噴水推進水管網路6關于水下機器人的垂直縱剖面對稱，安裝在主腔體2和護罩7的空腔內部；噴水推進水管網路6包括電磁閥5、噴水管道14、水管網路進水口 15和噴水口 10 ；水管網路進水口 15設置在潛水泵1頂部的出水口處，水流由此處導入噴水推進水管網路6 ；噴水口 10為十個，其中第一噴水口 10-1和第二噴水口 10-2位于主腔體2頂部左右方向中線，兩噴水口關于機器人的垂直縱剖面左右對稱；第三噴水口10-3和第四噴水口 10-4位于主腔體2底部左右方向中線，第三噴水口 10-3和第四噴水口 10-4與第一噴水口 10-1和第二噴水口 10-2關于主腔體2上下對稱設置；第五噴水口 10-5 和第六噴水口 10-6分別位于兩護罩7正后方中心處，與后擋板17處在同一平面上；第八噴水口 10-8和第九噴水口 10-9分別位于兩護罩7正前方中心處，與第五噴水口 10-5和第六噴水口 10-6前后對稱設置；第七噴水口 10-7位于主腔體左側的護罩的左側中心處； 第十噴水口 10-10位于主腔體右側的護罩的右側中心處；第十噴水口 10-10與第七噴水口 10-7對稱設置。噴水口伸出水下機器人表面的長度為0 4mm。噴水管道14包括進水管道14-1、第一水平管道14-2、豎向管道14-3、第二水平管道14_4、第三水平管道14_5，進水管道14-1與水管網路進水口 15連通，進水管道14-1水平面左右兩側分別與兩第一水平管道14-2連通，第一水平管道14-2豎向與豎向管道14-3連通，豎向管道14_3水平面左右方向與第二水平管道14-4連通，兩第二水平管道14-4水平面前后方向分別與第三水平管道 14-5連通；水平管道和豎向管道用于連通不同位置的噴水口 ；電磁閥10為十個，分別為第一電磁閥5-1、第二電磁閥5-2、第三電磁閥5-3、第四電磁閥5-4、第五電磁閥5_5、第六電磁閥5-6、第七電磁閥5-7、第八電磁閥5-8、第九電磁閥5-9和第十電磁閥5_10 ；各個電磁閥分別設置在連接相應噴水口的管路上的噴水口處；各個電磁閥分別控制不同管道水流的開啟和閉合；水流通過噴水口 10噴射出主腔體外部，根據不同自由度控制的需要，為水下機器人提供不同方向的推進力。例如，當需要機器人產生上或下方向推進力時，可以通過控制管道上的不同電磁閥的開啟和閉合使水流依次沿進水口 15、進水管道14-1、第一水平管道 14-2、豎向管道14-3流通，最后從上或下方向的噴水口噴出，即可產生向下或上方向的推進力；若需要機器人產生前后或左右推進力時，通過控制管道上的不同電磁閥的開啟和閉合使水流依次沿進水口 15、進水管道14-1、第一水平管道14-2、豎向管道14-3、第二水平管道14-4、第三水平管道14-5流通，最后從相應的噴水口噴出，即可產生前后或左右推進力。各個電磁閥與潛水泵1分別與臍帶纜線連接，臍帶纜通過臍帶纜出口 11連接到設在水面工作船上的計算機，計算機通過臍帶纜實現控制各個電磁閥的開啟閉合、調節潛水泵1轉速。在工作過程中，可以以不同的方式驅動潛水泵1和電磁閥5，調整不同出水方向以獲得不同方向的推進力；通過調節潛水泵1的運轉速度以改變出水強度，進而改變機器人的運動速度。如圖7所示，當需要潛水泵出水推進水下機器人豎直向上運動時，啟動潛水泵1， 潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第三電磁閥5-3和第四電磁閥5-4，關閉其余電磁閥，導致水流只從第三噴水口 10-3和第四噴水口 10-4噴出，由第三噴水口 10-3和第四噴水口 10-4噴射出的水流產生合力，推動水下機器人往豎直向上方向運動。如圖7所示，當需要潛水泵出水推進水下機器人豎直向下運動時，啟動潛水泵1， 潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第一電磁閥5-1和第二電磁閥5-2，關閉其余電磁閥，水流只從第一噴水口 10-1和第二噴水口 10-2 噴出，由第一噴水口 10-1和第二噴水口 10-2射出的水流產生合力，推動水下機器人往豎直向下方向運動。如圖8所示，當需要潛水泵噴水推進水下機器人水平向前運動時，啟動潛水泵1，潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第五電磁閥5-5和第六電磁閥5-6，關閉其余電磁閥，導致水流只從第五噴水口 10-5和第六噴水口 10-6噴出；由第五噴水口 10-5和第六噴水口 10-6噴射出的水流產生合力，推動水下機器人往水平向前運動。當潛水泵噴水推進水下機器人需要水平向后運動時，啟動潛水泵1，潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第八電磁閥5-8和第九電磁閥5-9，關閉其余電磁閥，導致水流只從第八噴水口 10-8和第九噴水口 10-9噴出；由第八噴水口 10-8和第九噴水口 10-9射出的水流產生合力，推動水下機器人往水平向后運動。當潛水泵噴水推進水下機器人需要水平向右運動時，啟動潛水泵1，潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第十電磁閥5-10，關閉其余電磁閥，導致水流只從第十噴水口 10-10噴出；由第十噴水口 10-10噴射出水流產生的推力推動水下機器人往水平向右運動。當潛水泵噴水推進水下機器人需要水平向左運動時，啟動潛水泵1，潛水泵從外部抽取水，水流從水管網路進水口 15進入噴水推進水管網路6 ；開啟第七電磁閥5-7，關閉其余電磁閥，導致水流只從第七噴水口 10-7噴出；由第七噴水口 10-7噴射出水流產生的推力，推動水下機器人往水平向左運動。在實際運用中，可控制多個電磁閥5的開啟和閉合，并控制潛水泵1的轉速，通過軸向和側向不同大小不同方向的推力疊加，理論上可以獲得任意方向的推力。綜上所述，可較好實現本發明。
權利要求
1.一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于包括主腔體、潛水泵、噴水推進水管網路、護罩和計算機；潛水泵安裝于主腔體內，計算機設置在水面工作船上；主腔體為一個長方體的空腔結構，潛水泵安裝于主腔體底部的中心位置；主腔體左右兩側設有護罩，護罩為空腔結構，護罩的內部空腔與主腔體的空腔連通，護罩前后方向的長度與主腔體長度相同，在主腔體下部的外壁上設有外部水進出口導管，主腔體空腔內設有水下探測傳感器；臍帶纜出口設置在主腔體外壁的頂部；噴水推進水管網路安裝在主腔體和護罩的空腔內部；噴水推進水管網路包括電磁閥、 噴水管道、水管網路進水口和噴水口 ；水管網路進水口設置在潛水泵頂部的出水口處，噴水口為十個，其中第一噴水口和第二噴水口位于主腔體頂部左右方向中線，兩噴水口關于機器人的垂直縱剖面左右對稱；第三噴水口和第四噴水口位于主腔體底部左右方向中線，與第一噴水口和第二噴水口關于主腔體上下對稱設置；第五噴水口和第六噴水口分別位于兩護罩正后方中心處；第八噴水口和第九噴水口分別位于兩護罩正前方中心處；第七噴水口位于主腔體左側的護罩的左側中心處；第十噴水口位于主腔體右側的護罩的右側中心處； 噴水管道包括進水管道、第一水平管道、豎向管道、第二水平管道、第三水平管道，進水管道與水管網路進水口連通，進水管道水平面左右兩側分別與兩第一水平管道連通，第一水平管道豎向與豎向管道連通，第一水平管道水平面左右方向與第二水平管道連通，兩第二水平管道水平面前后方向分別與第三水平管道連通；電磁閥為十個，各個電磁閥分別設置在連接相應噴水口的管路上的噴水口處；各個電磁閥與潛水泵分別與臍帶纜線連接，臍帶纜線通過臍帶纜出口連接到設在水面工作船上的計算機。
2.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述主腔體為對各邊進行了圓角處理的長方體空腔。
3.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述主腔體頂部設有吊環，吊環固定在主腔體框架上，用于機器人進出水的吊裝操作。
4.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述主腔體的空腔上部設有泡沫浮力材，與潛水泵重量配對產生維持水下機器人穩定的穩定力矩。
5.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述潛水泵的入水口設置于主腔體前擋板下部。
6.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述護罩為橢圓柱形或者對稱機翼型。
7.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述主腔體下部設有主體支架。
8.根據權利要求1所述的潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，其特征在于所述護罩左右方向伸出的主腔體的高度為50 300mm。
全文摘要
本發明公開了一種潛水泵噴水推進帶纜遙控水下機器人，包括主腔體、潛水泵、噴水推進水管網路、護罩和計算機；潛水泵安裝于主腔體內，計算機設置在設置水面工作船上；主腔體為一個長方體的空腔結構，潛水泵安裝于主腔體底部的中心位置；噴水推進水管網路包括電磁閥、噴水管道、水管網路進水口和噴水口；水管網路進水口設置在潛水泵頂部的出水口處，噴水口為十個，電磁閥為十個，各個電磁閥分別設置在連接相應噴水口的管路上的噴水口處；各個電磁閥與潛水泵分別與臍帶纜線連接，臍帶纜線通過臍帶纜出口連接到設在水面工作船上的計算機。本發明噴水推進裝置水下工作性能穩定，自主穩定能力較強，操縱范圍大、自由度多，控制機構簡單。
文檔編號B63H11/04GK102285435SQ20111014582
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月1日 優先權日2011年6月1日
發明者葉勁華, 吳家鳴, 吳沙萍, 唐建軍, 楊國為, 甘曉, 谷男男, 趙鍇瑜, 黃志科 申請人:華南理工大學, 廣州市番禺靈山造船廠有限公司