一種水下機器人沉浮及姿態控制器的製作方法
2023-10-18 01:33:24
本實用新型涉及水下機器人結構設計的技術領域，更具體地，涉及一種水下機器人沉浮及姿態控制器。
背景技術：
目前，主流的中小型水下機器人使用螺旋槳旋轉產生反作用力來實現沉浮及姿態控制。水下機器人在水中共有6個自由度，包括：進退、橫移、沉浮、轉艏、橫搖、縱傾，通常採用一個螺旋槳產生推力控制一個自由度設計方法。這種方法的缺點在於：需要螺旋槳保持工作狀態以維持穩定的推力，產生振動、能耗、噪音的問題；對於需要多自由度控制的水下機器人，常常需要很多個螺旋槳才能達到目的，使得設備結構複雜。
據有關文獻，國內少數研究機構對採用壓縮空氣變體積設計方案的中小型水下無人潛航器進行了研究，經過相關資料的收集，主要存在以下問題：機械結構複雜，可靠性不高；重量大，無法通過自身浮力實現沉浮；僅僅能夠實現沉浮控制的功能。
技術實現要素：
本實用新型為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，本實用新型結合國內中小型相關中小型水下無人潛航器研究，提供一種水下機器人沉浮及姿態控制器，該結構採用壓縮空氣變體積的設計方案，在不使用螺旋槳的情況下，以雙浮筒結構實現水下機器人沉浮及姿態控制。
為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是：一種水下機器人沉浮及姿態控制器，其中，包括框架結構、設於框架結構上的浮筒裝置、固定浮筒裝置的固定裝置，所述的浮筒裝置上設有氣閥裝置，框架結構的側部還設有推進裝置。
本實用新型中，水下機器人主要由兩個並排浮筒、推進裝置、框架組成。浮筒內雙軸步進電機兩端分別連接離合器，再通過齒輪傳動，帶動絲杆轉動，通過連接板上的絲杆螺母，使左右兩端活塞能夠可控地分別或者同時做往復運動， 從而改變平臺重心、浮心位置以及浮力大小，實現水下機器人的沉浮及姿態控制。
優選地，考慮到水下環境的複雜性，浮筒設計應儘量減少開孔，避免應力集中，本新型採用了一體式機架的設計方案，機架底部呈圓弧狀並與浮筒外殼貼合，使得在浮筒外壁開兩個孔即可完成內部機架的固定。
優選地，本新型採用預充氣加內壓的優化方案，針對」浮筒+活塞「的壓縮空氣變體積方案存在動密封困難的問題，採用單向氣閥在浮筒內預加一定的氣壓，通過仿真分析及試驗驗證，得到準確的預加壓力，使浮筒在工作水位內壓略大於水壓，實現有效的防水保護。這一設計的優點有：浮筒在工作水深時內外壓強差小，出現密封故障時進水少；浮筒內外壓強差小；內部結構絲杆基本處於受拉狀態，穩定性好。
優選地，本新型活塞部分採用偏心設計，既絲杆軸心與活塞軸心不在同一位置，可以防止絲杆轉動時活塞轉動。同時活塞部分還設計有抗扭鋼管，用於減少扭力對密封圈密封效果的影響。
優選地，本新型採用內部卸力設計，浮筒內外氣壓差產生對活塞的壓力、拉力通過絲杆傳遞到雙向帶座推力軸承，左右兩端軸承座通過螺杆連接，使得左右兩端活塞上的壓力相互抵消，減少對機架的作用力，提高整體穩定性。
優選地，本新型採用「嵌入式單片機+labview」的控制結構，通過研究機器人的運動性，構建有智能軌跡跟蹤系統。採用傳感器採集六軸和加速度相關數據，通過研究機器人的穩定性與運動控制，建立有姿態控制系統。針對水下機器人六個自由度參數、浮心重心位置及大小、環境水動力，這三者之間難以建立準確的數學聯繫的問題，採用PID控制算法進行動態調節。採用Matlab軟體編程和仿真，通過壓力傳感器等感應器，設計有機械自檢系統。
與現有技術相比，有益效果是：沉浮、橫搖、縱傾是水下機器人水下工作時最常需要控制的3個自由度，本實用新型採用可以使水下機器人在不使用螺旋槳的情況下，實現上述3個自由度的控制，使設備震動小、噪音低、功耗小，適合長時間在水下工作。
附圖說明
圖1是本實用新型的主體結構示意圖。
圖2是本實用新型的浮筒內部結構圖。
圖3是本實用新型剖面結構示意圖。
圖4是本實用新型坐標示意圖。
圖5是本實用新型第一沉浮、姿態控制示意圖。
圖6是本實用新型第二沉浮、姿態控制示意圖。
圖7是本實用新型第三沉浮、姿態控制示意圖。
具體實施方式
附圖僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，並不代表實際產品的尺寸；對於本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關係僅用於示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
為方便描述，本新型結合圖4－7沉浮、姿態控制原理示意圖。對以下術語進行定義：進退：沿x軸的直線運動，沿X軸正向運動稱為前進，反之為後退。橫移：沿Y軸的直線運動，沿Y軸正向運動稱為右移，反之為左移。沉浮：沿g軸的直線運動，沿g軸正向運動稱為下潛，反之為上浮。轉艏：以Z軸為轉軸的轉動，符合右手法則為正，反之為負。橫搖：以x軸為轉軸的轉動，符合右手法則為正，反之為負。縱傾：以Y軸為轉軸的轉動，符合右手法則為正，反之為負。
如圖1－3所示，一種水下機器人沉浮及姿態控制器，其中，包括框架結構5、設於框架結構5上的浮筒裝置4、固定浮筒裝置4的固定裝置1，浮筒裝置4上設有氣閥裝置3，框架結構5的側部還設有推進裝置2。
浮筒裝置4由兩個相同浮筒構成，浮筒並排放置於框架結構5上，並用固定裝置1進行固定。浮筒結構用於控制機器人平臺沉浮及姿態。浮筒結構上設有氣閥裝置3，氣閥裝置用於向浮筒結構內充氣加壓。框架結構上裝有推進裝置2，為機器人平臺水下運動提供動力。
浮筒裝置4包括機架15，設於機架15上的動力機構、與動力機構連接的傳動機構，浮筒裝置4的端部設有過濾裝置6。
本實施例中，浮筒內部結構左右基本對稱，雙軸步進電機14上電機軸一端通過法蘭件與離合器13連接，離合器13與傳動軸20連接，傳動軸通過與嵌在機架上的軸承配合進行定位。傳動軸20上裝有小齒輪21，絲杆9上裝有大齒輪11，兩齒輪嚙合將扭力傳遞到絲杆9上。同理，雙軸步進14上另一端電機軸也通過同樣的方式將扭力傳遞到絲杆9上。
絲杆9一端通過絲杆螺母與活塞機構7連接，另一端通過雙向推力球軸承裝置18固定，同時通過與嵌在機架上的軸承配合進行定位。雙向推力球軸承裝置18一端通過支撐柱固定到機架上，同時連接杆19通過雙向推力球軸承裝置18內部並固定，將浮筒兩端雙向推力球軸承裝置18進行連接固定，從而抵消浮筒內活塞裝置傳遞過來的拉力與壓力。
活塞結構7上裝有密封圈與浮筒外殼緊密配合，通過連接杆、抗扭鋼管8與連接板10固定，抗扭鋼管8可以降低連接板與活塞之間的扭轉變形。連接板上裝有絲杆螺母，將絲杆9的旋轉運動轉化為活塞的往復運動。連接板上嵌有滑動軸承，機架上焊接有導向杆17，導向杆通過滑動軸承與連接杆連接，可以扭力對連接板的影響。
機架採用一體式結構，機架底部呈圓弧狀並與浮筒外殼貼合，通過兩個直角固定件12與浮筒外殼固定。
如圖4－7所示，浮筒結構實現沉浮、姿態控制原理為：
1.兩浮筒兩端活塞同時壓縮或擴張同樣的體積（如圖5所示），則可以設備保持重心、浮心位置不變，浮力大小改變，使平臺穩定上浮或下潛。
2.一個浮筒兩端活塞壓縮體積，另一個浮筒擴張同樣的體積（如圖6所示），則可以保持重力、浮力大小不變，同時，浮心位置沿Y軸反方向位移，使平臺橫搖。
3.兩浮筒一端活塞向內運動，另一端活塞向外運動，（如圖7所示），兩端的運動量保持一致，則重力、浮力大小不變。同理，平臺縱傾。
顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型權利要求的保護範圍之內。