一种水下机器人沉浮及姿态控制器制造技术

本实用新型专利技术涉及水下机器人结构设计的技术领域，更具体地，涉及一种水下机器人沉浮及姿态控制器。一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其中，包括框架结构、设于框架结构上的浮筒装置、固定浮筒装置的固定装置，所述的浮筒装置上设有气阀装置，框架结构的侧部还设有推进装置。沉浮、横摇、纵倾是水下机器人水下工作时最常需要控制的3个自由度，本实用新型专利技术采用可以使水下机器人在不使用螺旋桨的情况下，实现上述3个自由度的控制，使设备震动小、噪音低、功耗小，适合长时间在水下工作。

A floating and attitude controller for underwater vehicle

The utility model relates to the technical field of the structure design of the underwater robot, more specifically, relates to a floating and attitude controller for the underwater robot. A kind of ups and downs and attitude controller of underwater robot which comprises a frame structure and a frame structure of the buoy buoy device and a fixing device fixed on the device, the valve device is provided with a float device is arranged on the side of the frame is also provided with a propulsion device. The ups and downs, roll and pitch is the underwater robot work most often need to control the 3 degrees of freedom, the utility model can make the underwater robot without using the propeller under the condition of realizing the 3 degree of freedom control, make small equipment, low noise, small vibration power, suitable for long time to work under water.

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人沉浮及姿态控制器
本技术涉及水下机器人结构设计的
，更具体地，涉及一种水下机器人沉浮及姿态控制器。
技术介绍
目前，主流的中小型水下机器人使用螺旋桨旋转产生反作用力来实现沉浮及姿态控制。水下机器人在水中共有6个自由度，包括：进退、横移、沉浮、转艏、横摇、纵倾，通常采用一个螺旋桨产生推力控制一个自由度设计方法。这种方法的缺点在于：需要螺旋桨保持工作状态以维持稳定的推力，产生振动、能耗、噪音的问题；对于需要多自由度控制的水下机器人，常常需要很多个螺旋桨才能达到目的，使得设备结构复杂。据有关文献，国内少数研究机构对采用压缩空气变体积设计方案的中小型水下无人潜航器进行了研究，经过相关资料的收集，主要存在以下问题：机械结构复杂，可靠性不高；重量大，无法通过自身浮力实现沉浮；仅仅能够实现沉浮控制的功能。
技术实现思路
本技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，本技术结合国内中小型相关中小型水下无人潜航器研究，提供一种水下机器人沉浮及姿态控制器，该结构采用压缩空气变体积的设计方案，在不使用螺旋桨的情况下，以双浮筒结构实现水下机器人沉浮及姿态控制。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是：一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其中，包括框架结构、设于框架结构上的浮筒装置、固定浮筒装置的固定装置，所述的浮筒装置上设有气阀装置，框架结构的侧部还设有推进装置。本技术中，水下机器人主要由两个并排浮筒、推进装置、框架组成。浮筒内双轴步进电机两端分别连接离合器，再通过齿轮传动，带动丝杆转动，通过连接板上的丝杆螺母，使左右两端活塞能够可控地分别或者同时做往复运动，从而改变平台重心、浮心位置以及浮力大小，实现水下机器人的沉浮及姿态控制。优选地，考虑到水下环境的复杂性，浮筒设计应尽量减少开孔，避免应力集中，本新型采用了一体式机架的设计方案，机架底部呈圆弧状并与浮筒外壳贴合，使得在浮筒外壁开两个孔即可完成内部机架的固定。优选地，本新型采用预充气加内压的优化方案，针对”浮筒+活塞“的压缩空气变体积方案存在动密封困难的问题，采用单向气阀在浮筒内预加一定的气压，通过仿真分析及试验验证，得到准确的预加压力，使浮筒在工作水位内压略大于水压，实现有效的防水保护。这一设计的优点有：浮筒在工作水深时内外压强差小，出现密封故障时进水少；浮筒内外压强差小；内部结构丝杆基本处于受拉状态，稳定性好。优选地，本新型活塞部分采用偏心设计，既丝杆轴心与活塞轴心不在同一位置，可以防止丝杆转动时活塞转动。同时活塞部分还设计有抗扭钢管，用于减少扭力对密封圈密封效果的影响。优选地，本新型采用内部卸力设计，浮筒内外气压差产生对活塞的压力、拉力通过丝杆传递到双向带座推力轴承，左右两端轴承座通过螺杆连接，使得左右两端活塞上的压力相互抵消，减少对机架的作用力，提高整体稳定性。优选地，本新型采用“嵌入式单片机+labview”的控制结构，通过研究机器人的运动性，构建有智能轨迹跟踪系统。采用传感器采集六轴和加速度相关数据，通过研究机器人的稳定性与运动控制，建立有姿态控制系统。针对水下机器人六个自由度参数、浮心重心位置及大小、环境水动力，这三者之间难以建立准确的数学联系的问题，采用PID控制算法进行动态调节。采用Matlab软件编程和仿真，通过压力传感器等感应器，设计有机械自检系统。与现有技术相比，有益效果是：沉浮、横摇、纵倾是水下机器人水下工作时最常需要控制的3个自由度，本技术采用可以使水下机器人在不使用螺旋桨的情况下，实现上述3个自由度的控制，使设备震动小、噪音低、功耗小，适合长时间在水下工作。附图说明图1是本技术的主体结构示意图。图2是本技术的浮筒内部结构图。图3是本技术剖面结构示意图。图4是本技术坐标示意图。图5是本技术第一沉浮、姿态控制示意图。图6是本技术第二沉浮、姿态控制示意图。图7是本技术第三沉浮、姿态控制示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。为方便描述，本新型结合图4－7沉浮、姿态控制原理示意图。对以下术语进行定义：进退：沿x轴的直线运动，沿X轴正向运动称为前进，反之为后退。横移：沿Y轴的直线运动，沿Y轴正向运动称为右移，反之为左移。沉浮：沿g轴的直线运动，沿g轴正向运动称为下潜，反之为上浮。转艏：以Z轴为转轴的转动，符合右手法则为正，反之为负。横摇：以x轴为转轴的转动，符合右手法则为正，反之为负。纵倾：以Y轴为转轴的转动，符合右手法则为正，反之为负。如图1－3所示，一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其中，包括框架结构5、设于框架结构5上的浮筒装置4、固定浮筒装置4的固定装置1，浮筒装置4上设有气阀装置3，框架结构5的侧部还设有推进装置2。浮筒装置4由两个相同浮筒构成，浮筒并排放置于框架结构5上，并用固定装置1进行固定。浮筒结构用于控制机器人平台沉浮及姿态。浮筒结构上设有气阀装置3，气阀装置用于向浮筒结构内充气加压。框架结构上装有推进装置2，为机器人平台水下运动提供动力。浮筒装置4包括机架15，设于机架15上的动力机构、与动力机构连接的传动机构，浮筒装置4的端部设有过滤装置6。本实施例中，浮筒内部结构左右基本对称，双轴步进电机14上电机轴一端通过法兰件与离合器13连接，离合器13与传动轴20连接，传动轴通过与嵌在机架上的轴承配合进行定位。传动轴20上装有小齿轮21，丝杆9上装有大齿轮11，两齿轮啮合将扭力传递到丝杆9上。同理，双轴步进14上另一端电机轴也通过同样的方式将扭力传递到丝杆9上。丝杆9一端通过丝杆螺母与活塞机构7连接，另一端通过双向推力球轴承装置18固定，同时通过与嵌在机架上的轴承配合进行定位。双向推力球轴承装置18一端通过支撑柱固定到机架上，同时连接杆19通过双向推力球轴承装置18内部并固定，将浮筒两端双向推力球轴承装置18进行连接固定，从而抵消浮筒内活塞装置传递过来的拉力与压力。活塞结构7上装有密封圈与浮筒外壳紧密配合，通过连接杆、抗扭钢管8与连接板10固定，抗扭钢管8可以降低连接板与活塞之间的扭转变形。连接板上装有丝杆螺母，将丝杆9的旋转运动转化为活塞的往复运动。连接板上嵌有滑动轴承，机架上焊接有导向杆17，导向杆通过滑动轴承与连接杆连接，可以扭力对连接板的影响。机架采用一体式结构，机架底部呈圆弧状并与浮筒外壳贴合，通过两个直角固定件12与浮筒外壳固定。如图4－7所示，浮筒结构实现沉浮、姿态控制原理为：1.两浮筒两端活塞同时压缩或扩张同样的体积（如图5所示），则可以设备保持重心、浮心位置不变，浮力大小改变，使平台稳定上浮或下潜。2.一个浮筒两端活塞压缩体积，另一个浮筒扩张同样的体积（如图6所示），则可以保持重力、浮力大小不变，同时，浮心位置沿Y轴反方向位移，使平台横摇。3.两浮筒一端活塞向内运动，另一端活塞向外运动，（如图7所示），两端的运动量保持一致，则重力、浮力大小不变。同理，平台纵倾。显然，本技术的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于，包括框架结构（5）、设于框架结构（5）上的浮筒装置（4）、固定浮筒装置（4）的固定装置（1），所述的浮筒装置（4）上设有气阀装置（3），框架结构（5）的侧部还设有推进装置（2）。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于，包括框架结构（5）、设于框架结构（5）上的浮筒装置（4）、固定浮筒装置（4）的固定装置（1），所述的浮筒装置（4）上设有气阀装置（3），框架结构（5）的侧部还设有推进装置（2）。2.根据权利要求1所述的一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于：所述的浮筒装置（4）由两个相同浮筒构成，浮筒并排放置于框架结构（5）上，并用固定装置（1）进行固定。3.根据权利要求2所述的一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于：所述的浮筒装置（4）包括机架（15），设于机架（15）上的动力机构、与动力机构连接的传动机构，浮筒装置（4）的端部设有过滤装置（6）。4.根据权利要求3所述的一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于：所述的动力机构包括双轴步进电机（14），双轴步进电机（14）的电机轴一端通过法兰件与离合器（13）连接。5.根据权利要求4所述的一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特征在于：所述的传动机构包括传动轴（20），离合器（13）与传动轴（20）连接，传动轴（20）通过与嵌在机架上的轴承（16）配合进行定位。6.根据权利要求5所述的一种水下机器人沉浮及姿态控制器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨芳，刘子浪，庄集超，张德立，张立群，庞洪臣，俞国燕，
申请(专利权)人：广东海洋大学，
类型：新型
国别省市：广东,44