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】本發明的內容在于提供一種可以實現多模式穩定航行與多姿態快速調節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、開鏈結構設計，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動實現。機器人單個推力臂推力的方向可覆蓋半個球面。設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，實現快速轉向；還能多自由度靈活控制機器人姿態并易于達到自穩。平面化的結構布局允許該機器人使用流線型的外形設計，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
【技術領域】
[0001]本發明屬于水下航行器【技術領域】，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構設計、器件布局與技術實現。
[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、環境監測以及軍事作戰等領域發揮著重要的作用，許多軍事強國和技術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，并取得一些應用成果。
[0003]矢量推進系統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與航行狀態的調整提供有力的幫助。由于矢量推進系統的設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。目前應用前景較好的自治式水下機器人(AUV)，其設計大多采用基于噴水驅動原理的矢量推進方式，優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，實現快速轉向。
[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結合起來，制作一種多自由度矢量調節式的水下機器人，但由于在具體的結構設計、器件布局與技術實現等方面缺乏有效統一，效果并不理想，現實需要性能更好、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。
【發明內容】
[0005]本發明的內容在于提供一種可以實現多模式穩定航行與多姿態快速調節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、開鏈結構設計，每個推力臂有兩個自由度(兩個轉動關節)，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動實現。機器人的推力臂分為內臂和外臂兩部分，內臂靠近機器人形體中心，外臂遠離機器人形體中心(附圖4)。其中內臂上的關節由直流角位移伺服電機驅動，可以實現內臂部分在垂直于轉軸的平面內180° (-90°?+90° )范圍內的轉動；而外臂關節則由防水舵機驅動。動力系統由外臂固定，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計和對稱的四推力臂均勻布局設計，簡化了調控時的計算與編程，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，實現快速轉向；還能多自由度靈活控制機器人自身姿態并易于達到自穩。
[0006]其中，單個推力臂的二自由度設計，可實現主推力方向的快速轉換，使得機器人在姿態調節與運動狀態調節時更加靈活與穩定，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計；平面化的結構布局允許使用流線型的外形設計，可減小機器人水下運動時的阻力。該機器人具有結構布局合理、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航行等特點。
[0007]為了實現上述發明目的，機器人的推力臂設計由轉軸、內套筒、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，水泵安裝在水泵固定座內，并通過水泵支撐架與舵機固定座連接。主要設計包括以下結構:①水泵固定結構:根據水泵的尺寸大小，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，從而保證了結構強度以及推力的對中。此外，在設計時預留出了誤差允許范圍的安裝間隙以方便調整。②關節的設計:通過對推力水泵動作的設計要求分析可知，關節共有兩處(附圖4)，通過調整尺寸，使兩個關節轉角正交。③推力臂整體長度設計:推力臂長度影響到機器人穩定性與最大動力矩，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。由此進行外殼設計。
[0008]本發明的優點在于:
[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定、姿態調整以及變向都很迅速，機體平衡控制能力強，機動性和環境適應性好。
[0010](2)單臂二自由度設計。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點，使得該水下機器人可以用不同方式實現多種運動或者姿態，且易于控制。
[0011](3)總體的對稱設計與扁平化，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計裝配圖；
[0018]附圖7為四軸自治水下機器人的運動姿態設計一圖；
[0019]附圖8為四軸自治水下機器人的運動姿態設計二圖；
[0020]附圖9為四軸自治水下機器人的運動姿態設計三圖；
[0021]附圖10為四軸自治水下機器人的軸系結構圖；
[0022]附圖中:1 一轉軸，2—內套筒，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計示意圖。包括主體板上的舵機-1 (21)和外臂關節處的舵機-2 (22)，以及末端的推力水泵(24)。舵機-1 (21)通過內臂固定座(25)固定在中心主板(26)上(附圖2)，通過轉軸(I)控制內臂在垂直于轉軸的平面內進行180°轉動(附圖10)，通過增加內套筒(2)和外套筒(3)提高轉軸(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)所承受的內力。舵機-2 (22)與外臂支撐座(6)實現可轉動連接，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。外臂的結構設計:將轉軸(I)間隙配合嵌入內套筒(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。外臂關節設計: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)實現可轉動的連接。
[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，由此可實現水泵推力在半球域內的任意轉向。
[0026]如圖3所示，安裝推力臂時，先將轉軸(I)與舵機-1 (21)通過螺釘固連。轉軸(I)為階梯軸。通過軸肩與彈性擋圈將內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)的連接應同時進行。先將水泵固定座(11) (12)安裝在水泵相應位置，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。這樣就能實現水泵推力方向在半球域內的轉動。
[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，提高結構的穩定性和強度，并提高整個系統的集成度。通過四根推力臂上的關節轉動與動力大小變換，就可以完成多種姿態與運動。
[0028]如圖7所示，實現了運動姿態設計一，高速上升。
[0029]如圖8所示，實現了運動姿態設計二，前進時偏航。
[0030]如圖9所示，實現了運動姿態設計三，穩定時自旋。
[0031]軸部防水設計: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構，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構，法蘭軸承(20)與套筒(2X3)組成一個小的密封艙，且在這個密封艙內放入足量密封油，形成第二層防水結構，達到第二層防水的目的，這樣在外界水壓作用下，第一層防水結構中的O型圈阻止大部分水進入機器人內部，少部分進入軸內的水很難形成較大水壓，那么第二層防水機構就能完全將水與機器人內部系統完全隔離。
【權利要求】
1.一種可以實現多模式穩定航行與多姿態快速調節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、開鏈結構設計，每個推力臂有兩個自由度(兩個轉動關節)，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動實現。
2.根據權利要求1所述的多模式穩定航行與多姿態快速調節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計，推力臂分為內臂和外臂兩部分，內臂靠近機器人形體中心，外臂遠離機器人形體中心，其中內臂上的關節由直流角位移伺服電機驅動，可以實現內臂部分在垂直于轉軸的平面內180° (-90°?+90° )范圍內的轉動；而外臂關節則由防水舵機驅動，動力系統由外臂固定，單個推力臂推力的方向可覆蓋半個球面。
3.根據權利要求1所述的多模式穩定航行與多姿態快速調節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構，兩層橡膠O型圈與軸承端蓋配合作為第一層防水結構，法蘭軸承(20)與套筒(2) (3)組成一個小的密封艙，且在這個密封艙內放入足量密封油，形成第二層防水結構，達到第二層防水的目的，這樣在外界水壓作用下，第一層防水結構中的橡膠O型圈阻止大部分水進入機器人內部，少部分進入軸內的水很難形成較大水壓，那么第二層防水機構就能完全將水與機器人內部系統完全隔離。
4.根據權利要求1、2、3所述多模式穩定航行與多姿態快速調節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.根據權利要求1、2、3所述多模式穩定航行與多姿態快速調節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，提高機器人結構的穩定性和強度，并提高整個機器人系統的集成度。
【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 優先權日:2013年11月18日
【發明者】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