一种全向碟形水下机器人的制作方法

本发明属于水下潜航器领域与机器人控制领域，特别是涉及一种全向碟形水下机器人，主要是一种采用新型推进器结构的碟形水下机器人。

背景技术：

近几年里，机器人的发展在全球范围内不断加速，随着防水技术与水下通讯技术的快速发展以及水下作业的巨大需求，越来越多的机器人应用于水下作业。机器人在水下移动不同于陆地载具和飞行器，水下机器人要实现三个维度的控制，同时需要考虑湍流对机器人控制的影响。因此申请人想到设计相应机器人在保证全部六个自由度的独立可控的要求下，使用最少的推进器单元。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种全向碟形水下机器人，该机器人在保证全部六个自由度的独立可控的要求下，可以使用最少的推进器单元的水下机器人。该机器人能够携带水下摄像机、机械臂、侧扫声呐、无线/有线通讯设备、水质传感器等外设，从而自动记录或实时回传相关数据给控制人员。

本发明提供一种全向碟形水下机器人，包括上固定板、水密舱、垂直水下推进器、平行水下推进器、下固定板和摄像头半球罩，所述上固定板通过螺栓固定在水密舱的上侧，下固定板通过螺栓固定在水密舱的下侧，摄像头半球罩通过螺栓固定在水密舱下方正中间，所述摄像头半球罩内部安装有可以旋转拍摄的摄像头，所述垂直水下推进器有3个，所述垂直水下推进器垂直于水密舱圆柱面并且所固定的位置正好处于中心在水密舱且平行与水密舱圆柱面的等边三角形的3个顶点中心，所述水平水下推进器有3个，所述水平水下推进器平行于水密舱圆柱面并且所固定的位置正好处于中心在水密舱且平行与水密舱圆柱面的等边三角形的3个顶点中心，所述水平水下推进器对应等边三角形由垂直水下推进器对应等边三角形绕水密舱中轴旋转60度得到。

作为本发明进一步改进，所述水密舱中放置有锂电池组、稳压电源模块、水下推进器驱动器、惯性导航传感器、摄像头、运动控制器与控制电脑，所述控制电脑通过连接线与各电器元件相连并通过锂电池组供电。

作为本发明进一步改进，所述水密舱的上下盖板与水密舱舱体之间填充tpu软性材质法兰并涂抹凡士林，这样设计可以加强水密舱的水密性。

作为本发明进一步改进，所述全向碟形水下机器人还设置有起落架，所述起落架通过螺栓安装于下固定板下侧，起落架长度大于摄像头半球罩凸起的高度，这样可以以确保水下着陆稳定，同时水底地形不会损伤摄像头半球罩。

作为本发明进一步改进，所述上固定板与下固定板留有为垂直水下推进器提供进水、排水的孔位，以及用于安装浮块、配重以及其他设备的固定孔。

作为本发明进一步改进，所述全向碟形水下机器人配套与水下摄像机、机械臂、侧扫声呐、无线/有线通讯设备和水质传感器相配套的安装支架，可以根据实际需要进行适配。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明机器人使用6个推进器实现了对水下机器人x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度的独立控制，提升了水下机器人的机动性、灵活性，同时碟形的外观使下视的摄像头能无死角地观察水下状况而无需调整机体姿态。

2)本发明在全部六个自由度的独立可控的要求下，可以使用最少的推进器单元的水下机器人具有灵活，机动性高，成本低等优点；

3)本发明机器人能够携带水下摄像机、机械臂、侧扫声呐、无线/有线通讯设备、水质传感器等外设，从而自动记录或实时回传相关数据给控制人员；

4)本发明用途广泛可用于水下巡检，水产捕捞，水质采样等多种用途。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明俯视图；

标记说明：

1、上固定板；2、水密舱；3、垂直水下推进器；3-1、第一垂直水下推进器；3-2、第二垂直水下推进器；3-3、第三垂直水下推进器；4、平行水下推进器；5、下固定板；6、起落架；7、摄像头半球罩。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种全向碟形水下机器人，该机器人在保证全部六个自由度的独立可控的要求下，可以使用最少的推进器单元的水下机器人。该机器人能够携带水下摄像机、机械臂、侧扫声呐、无线/有线通讯设备、水质传感器等外设，从而自动记录或实时回传相关数据给控制人员。

作为本发明具体实施例，本发明如图1所示采用了以下的机器人结构和推进器布局：

水下机器人整体呈碟形，上固定板1与下固定板5通过螺栓分别固定在圆柱形的水密舱2的上下圆柱面，用于安装其他外挂的设备以及保护水下推进器不受撞击。

水下机器人的推进器布局如图2所示，其中垂直水下推进器有3个，其中第一垂直水下推进器3-1、第二垂直水下推进器3-2、第三垂直水下推进器3-3围绕水密舱2舱壁固定，出水方向与水密舱上舱盖平面垂直；水平水下推进器有3个，其中第一水平水下推进器4-1、第二水平水下推进器4-2和第三水平水下推进器4-3围绕水密舱2舱壁固定，出水方向与水密舱上舱盖平面平行。

水下机器人的姿态主要通过水密舱2中搭载的惯导器件如陀螺仪等获得。机体水平移动与航向的旋转主要由第一水平水下推进器4-1、第二水平水下推进器4-2和第三水平水下推进器4-3调节和和控制。机体上浮、下潜、横滚、俯仰主要由第一垂直水下推进器3-1、第二垂直水下推进器3-2、第三垂直水下推进器3-3调节和控制。

本发明如图2所示，全向碟式水下机器人主要包括上固定板1、水密舱2、垂直水下推进器3、平行水下推进器4、下固定板5、起落架6、摄像头半球罩7。水密舱中放置有锂电池组、稳压电源模块、水下推进器驱动器、惯性导航传感器、摄像头、运动控制器与控制电脑。锂电池组通过稳压电源模块为运动控制器、控制电脑和水下推进器驱动器供电。运动控制器读取惯性导航传感器数据计算得到水下机器人的当前姿态与航速。通过控制水下推机器驱动器对垂直水下推进器3与平行水下推进器4的推力进行调节，达到闭环控制的目的。起落架6在水下机器人在水下着陆时用于保护摄像头半球罩7不与水底直接接触。摄像头半球罩7内部装置带有旋转云台的摄像头，摄像头获取的数据经由控制电脑处理，为水下机器人的上层控制提供信息。

本发明使用6个推进器实现了对水下机器人x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度的独立控制，提升了水下机器人的机动性、灵活性，同时碟形的外观使下视的摄像头能无死角地观察水下状况而无需调整机体姿态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：

1.一种全向碟形水下机器人，包括上固定板(1)、水密舱(2)、垂直水下推进器(3)、平行水下推进器(4)、下固定板(5)和摄像头半球罩(7)，其特征是：所述上固定板(1)通过螺栓固定在水密舱(2)的上侧，下固定板(5)通过螺栓固定在水密舱(2)的下侧，摄像头半球罩(7)通过螺栓固定在水密舱(2)下方正中间，所述摄像头半球罩(7)内部安装有可以旋转拍摄的摄像头，所述垂直水下推进器(3)有3个，所述垂直水下推进器(3)垂直于水密舱(1)圆柱面并且所固定的位置正好处于中心在水密舱(3)且平行与水密舱圆柱面的等边三角形的3个顶点中心，所述水平水下推进器(4)有3个，所述水平水下推进器(4)平行于水密舱(1)圆柱面并且所固定的位置正好处于中心在水密舱(3)且平行与水密舱圆柱面的等边三角形的3个顶点中心，所述水平水下推进器(4)对应等边三角形由垂直水下推进器(3)对应等边三角形绕水密舱(1)中轴旋转60度得到。

2.根据权利要求1所述的一种全向碟形水下机器人，其特征是：所述水密舱(2)中放置有锂电池组、稳压电源模块、水下推进器驱动器、惯性导航传感器、摄像头、运动控制器与控制电脑，所述控制电脑通过连接线与各电器元件相连并通过锂电池组供电。

3.根据权利要求1所述的一种全向碟形水下机器人，其特征是：所述水密舱(2)的上下盖板与水密舱舱体之间填充tpu软性材质法兰并涂抹凡士林。

4.根据权利要求1所述的一种全向碟形水下机器人，其特征是：所述全向碟形水下机器人还设置有起落架(6)，所述起落架(6)通过螺栓安装于下固定板(5)下侧，起落架长度大于摄像头半球罩(7)凸起的高度。

5.根据权利要求1所述的一种全向碟形水下机器人，其特征是：所述上固定板(1)与下固定板(5)留有为垂直水下推进器(3)提供进水、排水的孔位，以及用于安装浮块、配重以及其他设备的固定孔。

6.根据权利要求1所述的一种全向碟形水下机器人人，其特征是：所述全向碟形水下机器人配套与水下摄像机、机械臂、侧扫声呐、无线/有线通讯设备和水质传感器相配套的安装支架。

技术总结
本发明涉及一种全向碟形水下机器人结构设计及其控制算法，属于水下潜航器领域与机器人控制领域。机械部分包含结构架双向水下推进器、水密舱、起落架等。控制部分使用陀螺仪，水压计等传感器计算机器人姿态。使用嵌入式控制器调节水下推进器推力实现对水下机器人姿态和速度的控制。本发明中机器人仅使用六个推进器即可实现全部六个自由度的独立控制，具有灵活，机动性高，成本低等优点。可用于水下巡检，水产捕捞，水质采样等多种用途。

技术研发人员：孙长银;许一航;刘剑
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2021.07.07
技术公布日：2021.08.20