一种基于全自由度的浅水水下机器人

本发明涉及潜水水域探测设备，更具体地说是涉及一种基于全自由度的浅水水下机器人。

背景技术：

1、现如今随着社会的进步，经济的发展，水下作业的设备也是达到了一定的高度。目前水下作业中出现了一种全自由度的水下机器人，此机器人是一种基于rov系统的浅水水域机器人，所谓rov就是一种通过缆线遥控操作的无人水下潜水器，该系统主要由甲板单元，绞车收放系统以及rov本体组成。命令通过线缆将指令传递给机器人本体，本体对命令做出反应，再由各种传感器将运动参数反馈给操作人员。基于全自由度的水下机器人，可以根据指令在水域空间内做任何运动方式的转换。

2、但是目前对于全自由度的水下机器人所要实现的俯仰、横滚运动，并没有很好的解决方案，缺少对俯仰、横滚运动方式控制系统的实现方式。

3、因此，如何提供一种不但能够使得水下机器人能够实现俯仰、横滚运动方式控制，且能够有效提高工作量效率的基于全自由度的浅水水下机器人是本领域亟需解决的技术问题之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于全自由度的浅水水下机器人。目的就是为了解决上述之不足而提供。

2、为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：

3、分析此浅水水域机器人所要实现的功能，进行分步分块设计，建立运动学公式，分析动力装置的推力以及力矩，提出了螺旋桨推进器的布置方式，云台的设计充分考虑到水下机器人要实现俯仰，横滚这两种运动方式，提出了一种具有互相垂直的俯仰轴和横滚轴地平式t型结构的云台设计方式。然后逐步解决目前浅水水下机器人设计上的不足并针对性的提出改进方法。主要包括控制系统设计，动力驱动系统设计，机械结构设计，浮体材料的选择，以及最后的建模与仿真，证明了该机器人能够实现所要求的功能。具体包括：选用以rov系统为设计模型的水下机器人。

4、具体的，一种基于全自由度的浅水水下机器人，包括主体框架、底座、上壳、动力驱动系统、云台、观测和照明系统和机械臂；所述底座固定连接于所述主体框架下端，所述上壳固定连接于所述主体框架上端；所述云台通过安装槽板固定连接于所述主体框架内部；所述观测和照明系统通过安装板固定连接于所述主体框架一侧上端；所述机械臂通过连接板固定连接于所述主体框架的下端且位于所述观测和照明系统的下方设置；

5、所述动力驱动系统包括第一推进器和第二推进器；所述第一推进器固定设置于所述上壳内，所述第二推进器固定连接于所述主体框架上端下方。

6、优选地，所述第一推进器为采用双推平行布置方式布置的四个运动方向互相平行的螺旋桨推进器。

7、优选地，所述第二推进器采用环形布置方式布置的四个螺旋桨推进器，且四个螺旋桨推进器可旋转角度；每个螺旋桨推进器均通过一个连接件固定连接于所述主体框架上端下方。

8、此方案的有益效果是：设计的可转动角度的螺旋桨推进器，能够让水下机器人在进行倾斜运动时，控制该螺旋桨推进器发生角度的变化，使得水下机器人可以恢复正常的水下运动方式。

9、优选地，所述云台采用的是地平式t型设计结构；所述云台包括微机械陀螺仪固定板、俯仰轴和横滚轴；所述横滚轴固定连接于所述安装槽板上；所述俯仰轴上端与所述横滚轴连接，其下端与所述微机械陀螺仪固定板活动连接；所述微机械陀螺仪固定板上设置有微机械陀螺仪，用于感知机器人本体位置及其角度的变化，并将位置改变产生信号传递给所述动力驱动系统的驱动电路板，来改变相应的方位。此时整个控制系统会将微机械陀螺仪现在偏转后的状态认为是与地面平行状态，而水下机器人本体方位是与地面倾斜的，为了重新调节回平行状态，驱动电路板会驱动水下机器人的中左、中右推进器运转，使整个水下机器人本体向右做横滚运动，进而实现机器人的横滚运动。

10、优选地，所述横滚轴和所述俯仰轴垂直设置。

11、上述技术方案的有益效果是：利用微机械陀螺仪的位置偏移和驱动电路板对螺旋桨的控制，可以实现横滚轴或者俯仰轴的转动，以此来达到控制水下机器人本体做出俯仰或者横滚这两个自由度的运动。

12、优选地，还包括超短基线，所述超短基线设置于所述上壳中部。

13、优选地，所述机械臂包括肩部、大臂、小臂、腕部和手爪；所述肩部一端与所述连接板固定连接，另一端与所述大臂一端轴接连接；所述大臂另一端与所述小臂一端轴接连接；所述小臂另一端与所述腕部轴接连接；所述手爪活动连接于所述腕部的前端。

14、优选地，所述手爪包括丝杆、手腕、2个手指连杆、移动螺母、2个手指拉杆和2个平动手指；所述丝杆一端与所述腕部固定连接，另一端穿过所述手腕并通过所述移动螺母连接；所述手腕的四周边通过导向光杆与所述腕部滑动连接；2个所述手指拉杆的一端分别轴接于所述移动螺母的两端侧；2个所述手指连杆的一端分别轴接于所述手腕的两端，中部分别与对应的1个所述手指拉杆的另一端铰接，2个所述手指连杆的另一端分别固定连接1个所述平动手指。

15、优选地，主体框架采用钛合金材料。主体框架要求能够满足水下机器人需要搭载各种的仪器设备的同时，又能够最大限度的减小水下机器人的总体重量，故综合比较分析，通过比较铝合金，钢材，钛合金等材料的弹性模量，质量密度，屈服力等参数，兼顾材料的强度和刚度以及材料质量对水下机器人整体稳定性的影响，选择了钛合金作为机器人的主体框架制作材料。对材料的选取完毕之后，还要进一步分析所选材料能否符合水下工作强度要求，通过solidworks仿真，证明了水下机器人的稳定性得到了良好的保证。

16、优选地，对于控制通信系统，采用的是线缆传输的方式实现人机的交互，岸上操作人员通过线缆向机器人本体传递各种指令，让水下机器人做出相应的动作；水下的各种情况通过摄像元器件，将视频图像信号通过线缆回传到主控制台；线缆在操作人员和水下机体之间架起了一座沟通的桥梁。

17、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

18、本发明可以实现水下机器人全自由度的动力驱动方式，能够保证机器人实现上升、下沉、前进、后退、横移、横滚、俯仰、偏航等运动方式，采用的基于rov系统的浅水水下机器人的设计模型，保证了在结构和控制系统设计上的稳固和便捷。同时机体所采用的钛合金材料，既能大幅度降低水下机器人本身的重力之外，同时也能满足自己的机械强度。机械臂的使用，能够在水里进行抓取，打捞等一些可以代替人工的操作，远远提升了在水下作业的安全性和可靠性。放置在云台上的摄像机可以实时回传水下的情况给操作人员，以便于操作人员下达下一步的指令。对上述浅水水域机器人的使用，能提高水下作业的效率。

技术特征：

1.一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，包括主体框架(1)、底座(2)、上壳(3)、动力驱动系统、云台(7)、观测和照明系统(8)和机械臂(9)；所述底座(2)固定连接于所述主体框架(1)下端，所述上壳(3)固定连接于所述主体框架(1)上端；所述云台(7)通过安装槽板(11)固定连接于所述主体框架(1)内部；所述观测和照明系统(8)通过安装板固定连接于所述主体框架(1)一侧上端；所述机械臂(9)通过连接板(12)固定连接于所述主体框架(1)的下端且位于所述观测和照明系统(8)的下方设置；

2.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述第一推进器(5)为采用双推平行布置方式布置的四个运动方向互相平行的螺旋桨推进器。

3.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述第二推进器(6)采用环形布置方式布置的四个螺旋桨推进器，且四个螺旋桨推进器可旋转角度；每个螺旋桨推进器均通过一个连接件(61)固定连接于所述主体框架(1)上端下方。

4.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述云台(7)采用的是地平式t型设计结构；所述云台(7)包括微机械陀螺仪固定板(71)、俯仰轴(72)和横滚轴(73)；所述横滚轴(73)固定连接于所述安装槽板(11)上；所述俯仰轴(72)上端与所述横滚轴(73)连接，其下端与所述微机械陀螺仪固定板(71)活动连接；所述微机械陀螺仪固定板(71)上设置有微机械陀螺仪，用于感知机器人本体位置及其角度的变化，并将位置改变产生信号传递给所述动力驱动系统的驱动电路板，来改变相应的方位。

5.根据权利要求4所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述横滚轴(73)和所述俯仰轴(72)垂直设置。

6.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，还包括超短基线(4)，所述超短基线(4)设置于所述上壳(3)中部。

7.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述机械臂(9)包括肩部(91)、大臂(92)、小臂(93)、腕部(94)和手爪(95)；所述肩部(91)一端与所述连接板(12)固定连接，另一端与所述大臂(92)一端轴接连接；所述大臂(92)另一端与所述小臂(93)一端轴接连接；所述小臂(93)另一端与所述腕部(94)轴接连接；所述手爪(95)活动连接于所述腕部(94)的前端。

8.根据权利要求7所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述手爪(95)包括丝杆(951)、手腕(952)、2个手指连杆(953)、移动螺母(954)、2个手指拉杆(955)和2个平动手指(956)；所述丝杆(951)一端与所述腕部(94)固定连接，另一端穿过所述手腕(952)并通过所述移动螺母(954)连接；所述手腕(952)的四周边通过导向光杆与所述腕部(94)滑动连接；2个所述手指拉杆(955)的一端分别轴接于所述移动螺母(954)的两端侧；2个所述手指连杆(953)的一端分别轴接于所述手腕(952)的两端，中部分别与对应的1个所述手指拉杆(955)的另一端铰接，2个所述手指连杆(953)的另一端分别固定连接1个所述平动手指(956)。

技术总结
本发明公开了一种基于全自由度的浅水水下机器人，包括主体框架、底座、上壳、动力驱动系统、云台、观测和照明系统和机械臂；底座固定连接于主体框架下端，上壳固定连接于主体框架上端；云台通过安装槽板固定连接于主体框架内部；观测和照明系统通过安装板固定连接于主体框架一侧上端；机械臂通过连接板固定连接于主体框架的下端且位于观测和照明系统的下方设置；动力驱动系统包括第一推进器和第二推进器。本发明实现了水下机器人的全自由度运动，能够保证机器人实现上升、下沉、前进、后退、横移、横滚、俯仰、偏航等运动方式，保证了整体的稳固和便捷，高效提高了水下作业的效率。

技术研发人员：钱俊兵,王迪,黄国勇,张威,张瑶,邓为权,肖蘅
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12