专利名称：一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水下探测装置的载体，特别是涉及一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人。
背景技术：
带缆遥控水下机器人是一种日益广泛应用于海洋、河流与湖泊等水下环境动态监测的水下探测装置，它在水下地貌与海洋物理特征观测、水下环境调查、水下结构物检查中有着特殊的用途。带缆遥控水下机器人通常由脐带缆、水下机器人和机器人轨迹与姿态控制机构组成。随着世界各国对水下环境快速现场监测能力要求的提高，对带缆遥控水下机器人在控制机构操纵下的轨迹与姿态控制能力的要求也在不断地提高。水下机器人所搭载的水下环境监测传感器的工作性质要求水下机器人工作时姿态稳定，并具有快速灵活的轨迹和姿态调节与控制能力。如何在保证水下机器人姿态稳定的前提下使其能按照所要求的测量轨迹与姿态要求快速灵活地对其进行有效的操纵，是能否开发出一种经济实用、具有市场价值的带缆遥控水下机器人的关键。现有的小型水下机器人一般是采用多个控制螺旋桨实现对其不同自由度的控制， 通常每一个自由度的控制由一个或每一组螺旋桨来实施对其控制。这类控制方式的主要缺陷是需要多个控制螺旋桨和复杂的操纵动作才能实现对机器人不同自由度的轨迹与姿态稳定控制、对这些螺旋桨的操纵动作也需要复杂的控制机构来实现，同时水下机器人电机驱动螺旋桨系统中的机器人内部电机系统和推进螺旋桨之间的轴线接合处，一旦发生漏水，将导致驱动电机无法正常工作。这些因素无疑增大了机器人控制系统设计的复杂程度和使用者作业的风险与难度，使得这些机器人由于控制机构复杂、作业故障率增加和难以具有良好的姿态稳定能力从而限制了其应用的范围。如何在简化水下操纵动作的同时保证其在满足防漏效果的情况下高效运行，这对于实现对机器人进行安全、稳定、高效的操纵控制具有积极的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点和问题，提供一种控制机构简单、通用性好，并且姿态稳定性好的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人。本发明的目的通过如下技术方案实现一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，包括主腔体、潜水泵、喷水推进水管网路、护罩和计算机；潜水泵安装于主腔体内，计算机设置在设置水面工作船上；主腔体为一个长方体的空腔结构，潜水泵安装于主腔体底部的中心位置；主腔体左右两侧设有护罩，护罩为空腔结构，护罩的内部空腔与主腔体的空腔连通，护罩前后方向的长度与主腔体长度相同，在主腔体下部的外壁上设有外部水进出口导管，主腔体空腔内设有水下探测传感器； 脐带缆出口设置在主腔体外壁的顶部；喷水推进水管网路安装在主腔体和护罩的空腔内部；喷水推进水管网路包括电磁阀、喷水管道、水管网路进水口和喷水口 ；水管网路进水口设置在潜水泵顶部的出水口处， 喷水口为十个，其中第一喷水口和第二喷水口位于主腔体顶部左右方向中线，两喷水口关于机器人的垂直纵剖面左右对称；第三喷水口和第四喷水口位于主腔体底部左右方向中线，与第一喷水口和第二喷水口关于主腔体上下对称设置；第五喷水口和第六喷水口分别位于两护罩正后方中心处；第八喷水口和第九喷水口分别位于两护罩正前方中心处；第七喷水口位于主腔体左侧的护罩的左侧中心处；第十喷水口位于主腔体右侧的护罩的右侧中心处；喷水管道包括进水管道、第一水平管道、竖向管道、第二水平管道、第三水平管道，进水管道与水管网路进水口连通，进水管道水平面左右两侧分别与两第一水平管道连通，第一水平管道竖向与竖向管道连通，第一水平管道水平面左右方向与第二水平管道连通，两第二水平管道水平面前后方向分别与第三水平管道连通；电磁阀为十个，各个电磁阀分别设置在连接相应喷水口的管路上的喷水口处；各个电磁阀与潜水泵分别与脐带缆线连接， 脐带缆线通过脐带缆出口连接到设在水面工作船上的计算机。为进一步实现本发明目的，所述主腔体优选为对各边进行了圆角处理的长方体空腔。所述主腔体顶部优选设有吊环，吊环固定在主腔体框架上，用于机器人进出水的吊装操作。所述主腔体的空腔上部优选设有泡沫浮力材，与潜水泵重量配对产生维持水下机器人稳定的稳定力矩。所述潜水泵的入水口优选设置于主腔体前挡板下部。所述护罩优选为椭圆柱形或者对称机翼型。所述护罩左右方向优选伸出的主腔体的高度为50 300mm。所述主腔体下部优选设有主体支架。本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果(1)控制相对简单。仅仅只需通过开关电磁阀控制喷水组合实现多自由度操作。 较之传统的带缆遥控水下机器人，本发明的控制系统的设计难度大大降低，同时控制的自由度也更多。(2)喷水推进装置水下工作性能稳定。本发明使用了潜水泵作为机器人喷水推进装置的动力来源，降低了传统的螺旋桨推进系统中电机系统和螺旋桨之间的轴线接合处漏水的风险、降低了水下作业的故障率。(3)姿态稳定性好。机器人主腔体上部布置的泡沫浮力材与潜水泵重量配对产生维持水下机器人稳定的稳定力矩从而保证了机器人在作业过程中具有比较强的自主稳定能力，这一特性减少了使用者维持其姿态稳定所要求发出的控制动作，降低了控制系统的设计难度。(4)多自由度，控制起来更为灵活。该发明所述推喷水装置可产生各个方向的推力，能垂直升降，可后退，可侧向移动。
图1是本发明潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人主视图；图2是本发明潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人俯视图3是本发明潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人左视图；图4是本发明喷水推进水管网路主视图；图5是本发明喷水推进水管网路俯视图；图6是本发明喷水推进水管网路左视图；图7是本发明喷水管道装置产生竖直方向推力时的工作部位示意图；图8是本发明喷水管道装置产生水平方向推力时的工作部位示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。为了便于叙述，在图1 8中，从后挡板17向前挡板16的方向界定为前进方向， 机器人沿着该方向的垂直对称面为垂直纵剖面，前进方向的右侧为右方向，左侧为左方向， 上侧为上方向，下侧为下方向，主腔体2上左方向、右方向、上方向和下方向的挡板分别为左挡板、右挡板、上挡板和下挡板。如图1 3所示，一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人包括主腔体2、潜水泵 1、喷水推进水管网路6、护罩7和计算机；潜水泵1安装于主腔体2内，喷水推进水管网路6 安装于主腔体2和护罩7内，主腔体2和护罩7连通，计算机设置在设置水面工作船上。主腔体2与护罩7板厚优选为2 3mm。主腔体2为一个长方体的空腔结构，优选为对各边进行了圆角处理的长方体空腔；潜水泵1通过潜水泵支架8的支承固定，安装于主腔体2底部的中心位置；主腔体2顶部的吊环3固定在主腔体框架上，用于机器人进出水的吊装操作；主腔体2的空腔上部设有泡沫浮力材4，与潜水泵重量配对产生维持水下机器人稳定的稳定力矩，这一稳定力矩为机器人提供了较大的横摇、纵摇阻尼，从而保证了机器人作业过程中具有比较强的自主稳定能力；潜水泵1的入水口 12设置于主腔体前挡板16下部，使外部的水能通过入水口 12顺利进入到潜水泵1中；主腔体2左右两侧设有护罩7，护罩7优选为椭圆柱形或者对称机翼型，护罩7为空腔结构，护罩7的内部空腔与主腔体的空腔连通，护罩7前后方向的长度与主腔体2长度相同，护罩7左右方向伸出的主腔体2的高度优选为50 300mm，设置护罩 7可在控制主腔体的体积、避免带来机器人运动阻力较大的同时，放置及固定伸出主腔体2 外的喷水管道；在主腔体下部的外壁上设有外部水进出口导管13 ；脐带缆出口 11设置在主腔体外壁的顶部；主腔体2下部设有主体支架9 ；根据不同探测任务，在主腔体2内设有相应类型的水下探测传感器，水下探测传感器包括探测外部水化学性能的盐度、氨氮、硝氨磷、PH值的传感器，以及探测水下的光线、声纳、温度、压力等声、光物理性能的传感器。在主腔体搭载了水下化学元素传感器或相关物理传感器后，主腔体2上设置的海水进出口导管13可以引导外部水穿过主腔体内的传感器以实现对相关水下参数的采集。如图4 7所示，喷水推进水管网路6关于水下机器人的垂直纵剖面对称，安装在主腔体2和护罩7的空腔内部；喷水推进水管网路6包括电磁阀5、喷水管道14、水管网路进水口 15和喷水口 10 ；水管网路进水口 15设置在潜水泵1顶部的出水口处，水流由此处导入喷水推进水管网路6 ；喷水口 10为十个，其中第一喷水口 10-1和第二喷水口 10-2位于主腔体2顶部左右方向中线，两喷水口关于机器人的垂直纵剖面左右对称；第三喷水口10-3和第四喷水口 10-4位于主腔体2底部左右方向中线，第三喷水口 10-3和第四喷水口 10-4与第一喷水口 10-1和第二喷水口 10-2关于主腔体2上下对称设置；第五喷水口 10-5 和第六喷水口 10-6分别位于两护罩7正后方中心处，与后挡板17处在同一平面上；第八喷水口 10-8和第九喷水口 10-9分别位于两护罩7正前方中心处，与第五喷水口 10-5和第六喷水口 10-6前后对称设置；第七喷水口 10-7位于主腔体左侧的护罩的左侧中心处； 第十喷水口 10-10位于主腔体右侧的护罩的右侧中心处；第十喷水口 10-10与第七喷水口 10-7对称设置。喷水口伸出水下机器人表面的长度为0 4mm。喷水管道14包括进水管道14-1、第一水平管道14-2、竖向管道14-3、第二水平管道14_4、第三水平管道14_5，进水管道14-1与水管网路进水口 15连通，进水管道14-1水平面左右两侧分别与两第一水平管道14-2连通，第一水平管道14-2竖向与竖向管道14-3连通，竖向管道14_3水平面左右方向与第二水平管道14-4连通，两第二水平管道14-4水平面前后方向分别与第三水平管道 14-5连通；水平管道和竖向管道用于连通不同位置的喷水口 ；电磁阀10为十个，分别为第一电磁阀5-1、第二电磁阀5-2、第三电磁阀5-3、第四电磁阀5-4、第五电磁阀5_5、第六电磁阀5-6、第七电磁阀5-7、第八电磁阀5-8、第九电磁阀5-9和第十电磁阀5_10 ；各个电磁阀分别设置在连接相应喷水口的管路上的喷水口处；各个电磁阀分别控制不同管道水流的开启和闭合；水流通过喷水口 10喷射出主腔体外部，根据不同自由度控制的需要，为水下机器人提供不同方向的推进力。例如，当需要机器人产生上或下方向推进力时，可以通过控制管道上的不同电磁阀的开启和闭合使水流依次沿进水口 15、进水管道14-1、第一水平管道 14-2、竖向管道14-3流通，最后从上或下方向的喷水口喷出，即可产生向下或上方向的推进力；若需要机器人产生前后或左右推进力时，通过控制管道上的不同电磁阀的开启和闭合使水流依次沿进水口 15、进水管道14-1、第一水平管道14-2、竖向管道14-3、第二水平管道14-4、第三水平管道14-5流通，最后从相应的喷水口喷出，即可产生前后或左右推进力。各个电磁阀与潜水泵1分别与脐带缆线连接，脐带缆通过脐带缆出口 11连接到设在水面工作船上的计算机，计算机通过脐带缆实现控制各个电磁阀的开启闭合、调节潜水泵1转速。在工作过程中，可以以不同的方式驱动潜水泵1和电磁阀5，调整不同出水方向以获得不同方向的推进力；通过调节潜水泵1的运转速度以改变出水强度，进而改变机器人的运动速度。如图7所示，当需要潜水泵出水推进水下机器人竖直向上运动时，启动潜水泵1， 潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第三电磁阀5-3和第四电磁阀5-4，关闭其余电磁阀，导致水流只从第三喷水口 10-3和第四喷水口 10-4喷出，由第三喷水口 10-3和第四喷水口 10-4喷射出的水流产生合力，推动水下机器人往竖直向上方向运动。如图7所示，当需要潜水泵出水推进水下机器人竖直向下运动时，启动潜水泵1， 潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第一电磁阀5-1和第二电磁阀5-2，关闭其余电磁阀，水流只从第一喷水口 10-1和第二喷水口 10-2 喷出，由第一喷水口 10-1和第二喷水口 10-2射出的水流产生合力，推动水下机器人往竖直向下方向运动。如图8所示，当需要潜水泵喷水推进水下机器人水平向前运动时，启动潜水泵1，潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第五电磁阀5-5和第六电磁阀5-6，关闭其余电磁阀，导致水流只从第五喷水口 10-5和第六喷水口 10-6喷出；由第五喷水口 10-5和第六喷水口 10-6喷射出的水流产生合力，推动水下机器人往水平向前运动。当潜水泵喷水推进水下机器人需要水平向后运动时，启动潜水泵1，潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第八电磁阀5-8和第九电磁阀5-9，关闭其余电磁阀，导致水流只从第八喷水口 10-8和第九喷水口 10-9喷出；由第八喷水口 10-8和第九喷水口 10-9射出的水流产生合力，推动水下机器人往水平向后运动。当潜水泵喷水推进水下机器人需要水平向右运动时，启动潜水泵1，潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第十电磁阀5-10，关闭其余电磁阀，导致水流只从第十喷水口 10-10喷出；由第十喷水口 10-10喷射出水流产生的推力推动水下机器人往水平向右运动。当潜水泵喷水推进水下机器人需要水平向左运动时，启动潜水泵1，潜水泵从外部抽取水，水流从水管网路进水口 15进入喷水推进水管网路6 ；开启第七电磁阀5-7，关闭其余电磁阀，导致水流只从第七喷水口 10-7喷出；由第七喷水口 10-7喷射出水流产生的推力，推动水下机器人往水平向左运动。在实际运用中，可控制多个电磁阀5的开启和闭合，并控制潜水泵1的转速，通过轴向和侧向不同大小不同方向的推力叠加，理论上可以获得任意方向的推力。综上所述，可较好实现本发明。
权利要求
1.一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于包括主腔体、潜水泵、喷水推进水管网路、护罩和计算机；潜水泵安装于主腔体内，计算机设置在水面工作船上；主腔体为一个长方体的空腔结构，潜水泵安装于主腔体底部的中心位置；主腔体左右两侧设有护罩，护罩为空腔结构，护罩的内部空腔与主腔体的空腔连通，护罩前后方向的长度与主腔体长度相同，在主腔体下部的外壁上设有外部水进出口导管，主腔体空腔内设有水下探测传感器；脐带缆出口设置在主腔体外壁的顶部；喷水推进水管网路安装在主腔体和护罩的空腔内部；喷水推进水管网路包括电磁阀、 喷水管道、水管网路进水口和喷水口 ；水管网路进水口设置在潜水泵顶部的出水口处，喷水口为十个，其中第一喷水口和第二喷水口位于主腔体顶部左右方向中线，两喷水口关于机器人的垂直纵剖面左右对称；第三喷水口和第四喷水口位于主腔体底部左右方向中线，与第一喷水口和第二喷水口关于主腔体上下对称设置；第五喷水口和第六喷水口分别位于两护罩正后方中心处；第八喷水口和第九喷水口分别位于两护罩正前方中心处；第七喷水口位于主腔体左侧的护罩的左侧中心处；第十喷水口位于主腔体右侧的护罩的右侧中心处； 喷水管道包括进水管道、第一水平管道、竖向管道、第二水平管道、第三水平管道，进水管道与水管网路进水口连通，进水管道水平面左右两侧分别与两第一水平管道连通，第一水平管道竖向与竖向管道连通，第一水平管道水平面左右方向与第二水平管道连通，两第二水平管道水平面前后方向分别与第三水平管道连通；电磁阀为十个，各个电磁阀分别设置在连接相应喷水口的管路上的喷水口处；各个电磁阀与潜水泵分别与脐带缆线连接，脐带缆线通过脐带缆出口连接到设在水面工作船上的计算机。
2.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述主腔体为对各边进行了圆角处理的长方体空腔。
3.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述主腔体顶部设有吊环，吊环固定在主腔体框架上，用于机器人进出水的吊装操作。
4.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述主腔体的空腔上部设有泡沫浮力材，与潜水泵重量配对产生维持水下机器人稳定的稳定力矩。
5.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述潜水泵的入水口设置于主腔体前挡板下部。
6.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述护罩为椭圆柱形或者对称机翼型。
7.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述主腔体下部设有主体支架。
8.根据权利要求1所述的潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，其特征在于所述护罩左右方向伸出的主腔体的高度为50 300mm。
全文摘要
本发明公开了一种潜水泵喷水推进带缆遥控水下机器人，包括主腔体、潜水泵、喷水推进水管网路、护罩和计算机；潜水泵安装于主腔体内，计算机设置在设置水面工作船上；主腔体为一个长方体的空腔结构，潜水泵安装于主腔体底部的中心位置；喷水推进水管网路包括电磁阀、喷水管道、水管网路进水口和喷水口；水管网路进水口设置在潜水泵顶部的出水口处，喷水口为十个，电磁阀为十个，各个电磁阀分别设置在连接相应喷水口的管路上的喷水口处；各个电磁阀与潜水泵分别与脐带缆线连接，脐带缆线通过脐带缆出口连接到设在水面工作船上的计算机。本发明喷水推进装置水下工作性能稳定，自主稳定能力较强，操纵范围大、自由度多，控制机构简单。
文档编号B63H11/04GK102285435SQ20111014582
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者叶劲华, 吴家鸣, 吴沙萍, 唐建军, 杨国为, 甘晓, 谷男男, 赵锴瑜, 黄志科 申请人:华南理工大学, 广州市番禺灵山造船厂有限公司