可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人及其操控方法

摘要

本发明涉及水下运载技术领域，提供了一种可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人及其操纵控制方法。该水下机器人包括旋转外壳及内体，其中，旋转外壳包括左碟形外盖、右碟形外盖、观察窗和调整砝码。根据本发明实施例提供的水下机器人提高了水下机器人与工作环境的共融性；不仅提高了水下机器人的多自由度的低速操纵性，而且降低了水下机器人的航行噪声；水下机器人无需任何动密封，保证机器人良好的密封效果；水下机器人体积小、重量轻、结构紧凑、外形简洁，便于水下机器人的运输、携带、释放和回收；水下机器人采用整体旋转外壳方式实现改变推进方向，实现机器人在任何姿态下质心均位于浮心正下方，解决机器人的稳定性与机动性的矛盾。

权利要求

1.一种可调姿的喷水矢量推进圆碟型水下机器人，其特征在于，所述水下机器人包括旋转外壳及内体，其中，旋转外壳的母线为两段相同的圆弧与一条直线，旋转外壳包括左碟形外盖、右碟形外盖、观察窗和调整砝码，观察窗分别与左碟形外盖以及右碟形外盖形成静密封连接，调整砝码安装于左碟形外盖和右碟形外盖的内曲面上，用于保证旋转外壳的质心位于所述两圆弧圆心的连线中点上，左碟形外盖包括左外壳、左喷水推进装置、充电口及左旋转座，其中，左喷水推进装置安装于左外壳内曲面上；充电口安装于左外壳靠上方位置，用密封圈静密封；左旋转座固定在左外壳轴心位置的安装台阶上，用于连接内体；右碟形外盖包括右外壳、右喷水推进装置、脐带缆口及右旋转座，其中，右喷水推进装置安装于右外壳内曲面上；脐带缆口安装于右外壳靠上方位置，用密封圈静密封；右旋转座固定在右外壳轴心位置的安装台阶上，用于连接内体，其中，内体包括姿态调姿装置、测控视觉与能源装置及支架，其中，姿态调姿装置包括舵机、减速器、蜗杆、蜗轮、调姿旋转轴以及调姿安装支架；舵机、减速器、蜗杆、蜗轮、调姿旋转轴均安装在调姿安装支架上，舵机可带动减速器及蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮与调姿旋转轴固定连接，调姿旋转轴两端分别与左旋转座及右旋转座固联；所述水下机器人采用整体旋转外壳方式实现改变推进方向，实现水下机器人在任何姿态下质心均位于浮心正下方。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，旋转外壳还包括把手，把手固定在左碟形外盖和右碟形外盖上。

3.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，在左外壳的回转轴上开有左进水安装孔，在左外壳的回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的左法兰安装台阶；左外壳的外壁上开有左进水前安装孔和左进水后安装孔；左外壳的侧边对称开有左前喷水安装孔和左后喷水安装孔，左前喷水安装孔和左后喷水安装孔的轴线与水下机器人的水平面共面，左前喷水安装孔和左后喷水安装孔与水下机器人的垂直面形成相同角度的夹角。

4.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，在右外壳的回转轴上开有右进水安装孔，在右外壳的回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的右法兰安装台阶；右外壳的外壁上开有右进水前安装孔和右进水后安装孔；右外壳的侧边对称开有右前喷水安装孔和右后喷水安装孔，右前喷水安装孔和右后喷水安装孔的轴线与水下机器人的水平面共面，右前喷水安装孔和右后喷水安装孔与水下机器人的垂直面形成相同角度的夹角。

5.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，观察窗为透明的圆柱体，观察窗两端开有圆周均布的连接螺钉孔，观察窗两端开有O型密封圈的静密封的台阶孔。

6.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于，左喷水推进装置包括左海水泵、左换向阀、左进水口、左海水泵进水管、左海水泵出水管、左换向阀的左进水口和右进水口、左换向阀的左出水管和右出水管、左前喷嘴和左后喷嘴；其中，左喷水推进装置的左进水口安装于左外壳的左进水安装孔内，用环形密封槽和密封圈密封；左换向阀的左进水口和右进水口安装于左外壳的左进水前安装孔和左进水后安装孔内，用O型密封圈倒角密封；左前喷嘴和左后喷嘴对称安装于左前喷水安装孔和左后喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；左海水泵的进水口用左海水泵进水管与左进水口连接；左海水泵的出水口用左海水泵出水管与左换向阀的入水口连接；左换向阀的左进水口与左换向阀的左进水安装孔连接，左换向阀的右进水口与左换向阀的右进水安装孔连接；左换向阀的左出水口用左换向阀的左出水管与左前喷嘴连接，左换向阀的右出水口用左换向阀的右出水管与左后喷嘴连接。

7.根据权利要求4所述的水下机器人，其特征在于，右喷水推进装置包括右海水泵、右换向阀、右进水口、右海水泵进水管、右海水泵出水管、右换向阀的左进水口和右进水口、右换向阀的左出水管和右出水管、右前喷嘴和右后喷嘴；其中，右喷水推进装置的右进水口安装于右外壳的右进水安装孔内，用环形密封槽和密封圈密封；右换向阀的左进水口和右进水口安装于右外壳的右进水前安装孔和右进水后安装孔内，用O型密封圈倒角密封；右前喷嘴和右后喷嘴对称安装于右前喷水安装孔和右后喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；右海水泵的进水口用右海水泵进水管与右进水口连接；右海水泵的出水口用右海水泵出水管与右换向阀的入水口连接；右换向阀的左进水口与右换向阀的左进水安装孔连接，右换向阀的右进水口与右换向阀的右进水安装孔连接；右换向阀的左出水口用右换向阀的左出水管与右前喷嘴连接，右换向阀的右出水口用右换向阀的右出水管与右后喷嘴连接。

8.根据权利要求6或者7所述的水下机器人，其特征在于，左换向阀和右换向阀包括换向阀左出口、阀体、换向阀右出口、右阀杆、右直线电机、换向阀入口、左直线电机以及左阀杆。

9.根据权利要求8所述的水下机器人，其特征在于，左前喷嘴与右前喷嘴的轴线交点和左后喷嘴与右后喷嘴的轴线交点之间的距离大于零。

10.一种如权利要求1-9任一所述的水下机器人的操控方法，其特征在于，水下机器人的操控由左喷水推进装置、右喷水推进装置以及姿态调姿装置的协同控制来完成，其中，水下机器人通过控制左、右直线电机和左、右海水泵，将左、右海水泵泵入的高压高速海水经由左、右换向阀后，控制其流向水下机器人旋转外壳上的左前喷嘴或左后喷嘴、右前喷嘴或右后喷嘴，用于产生水下机器人运动所需要的推力及推力的方向；其中，姿态调姿装置，经由脐带缆口控制旋转外壳相对于内体旋转，用于改变喷嘴相对于水平面的方向，由此实现水下机器人在水平面的前后运动、横移运动和转向运动以及在垂直平面内的定角度俯冲运动、竖直浮沉运动及转向运动。

说明书

可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人及其操控方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水下运载技术领域，具体而言，涉及一种可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人及其操纵控制方法。

背景技术

[0002] 水下机器人作为专用水下开发工具，在科学研究、资源开发、设施维护、军事等方面都具有巨大的应用前景。水下机器人按照重量和体积来划分，通常可分为大型、中型和小型水下机器人。在这三种水下机器人中，小型水下机器人由于体积小、重量轻，运输、携带、释放和回收方便，并可以在受限的狭小空间进行作业的特点，正成为未来水下机器人的一个不容忽视的发展方向，也是海洋强国发展智能化海洋装备的研究热点，它可广泛应用于海洋牧场渔网的检查和修复、商业打捞潜水、水下设施的监控与维护、水下环境的调查以及核电站冷却水管道系统的检查等。

[0003] 目前国内外正在致力于发展小型水下机器人，但已有的小型水下机器人主要存在以下几个方面的问题：

[0004] (1)目前已有的小型水下机器人，为了提高水下机器人的操纵性，通常采用鳍、舵等机构作为水下机器人的操纵机构，这些机构会凸出水下机器人的壳体，水下机器人作业时这些凸出物容易与作业对象发生缠绕和碰撞，导致水下机器人本身或者作业对象受到损伤或破坏，严重制约了这些小型水下机器人的应用领域。

[0005] (2)目前已有的小型水下机器人，无论采用螺旋浆推进器或喷水推进器，为了提高其在多个自由度上的操纵性，通常都需要在多个方向配置多个推进器，这不仅增加了机器人本身的成本、体积和重量，而且降低了整个水下机器人的可靠性。

[0006] (3)目前已有的小型水下机器人，为了保证水下机器人的操纵性，通常需要解决水下机器人的动密封问题，而长时间运行后的动密封的磨损和泄漏问题是水下机器人安全的最大隐患。

发明内容

[0007] (1)技术问题

[0008] 为解决现有技术的不足，本发明的实施例提出了一种可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人及其操纵控制方法，以满足多个行业领域对小型水下机器人的需求。

[0009] (2)技术方案

[0010] 本发明的水下机器人由旋转外壳及内体等组成。内体悬挂安装于旋转外壳内腔。

[0011] 本发明的水下机器人的旋转外壳由左碟形外盖、右碟形外盖、观察窗、把手和调整砝码等组成。其中，观察窗两端的密封台阶孔与左碟形外盖、右碟形外盖的环形密封槽之间通过放入的O型密封圈进行静密封；观察窗两端的圆周均布的连接螺钉孔与左碟形外盖、右碟形外盖的环形连接槽之间通过卡入连接螺钉进行连接；把手用螺钉固定在左碟形外盖和右碟形外盖上，用于水下机器人的携带；调整砝码安装于左碟形外盖和右碟形外盖的内曲面上，用于保证旋转外壳的质心位于坐标系OXYZ的原点O上。

[0012] 本发明的水下机器人的观察窗是透明的圆柱体，两端开有圆周均布的连接螺钉孔，两端开有O型密封圈的静密封台阶孔。

[0013] 本发明的水下机器人的左碟形外盖由左外壳、左喷水推进装置、充电口及左旋转座等组成。左喷水推进装置安装于左外壳内的曲面上；充电口安装于左外壳靠上方位置，用密封圈静密封；左旋转座用螺钉固定在左外壳轴心位置的安装台阶上，用于连接内体。

[0014] 进一步的，在本发明的水下机器人的左外壳的回转轴上开有左进水安装孔，在回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的左法兰的安装台阶；开有左进水前安装孔和左进水后安装孔；开有左前喷水安装孔和左后喷水安装孔，两个喷水安装孔对称安装，其轴线与水下机器人的水平面共面，与水下机器人的垂直面形成一定的夹角,且两角度相等；在左外壳的圆周上装有两个机械限位装置左挡板；在靠上方位置开有充电孔；在圆柱面上开有环形密封槽和环形连接槽；上部有把手安装的台阶面，下部有机器人摆放的台阶面。

[0015] 本发明的水下机器人的左喷水推进装置由左海水泵、左换向阀、左进水口、左海水泵进水管、左海水泵出水管、左前进水口、左后进水口、左前出水管、左后出水管、左前喷嘴和左后喷嘴等组成。左喷水推进装置安装在左碟形外盖内。左海水泵将海水由左进水口泵入，经加压、加速后由左海水泵出水管进入左换向阀；左换向阀控制高压高速海水按要求流向不同的出水口；左进水口安装于左碟形外盖的左进水安装孔内，用环形密封槽和密封圈密封；左前进水口的一端安装于左进水前安装孔内，另一端接左换向阀，用O型密封圈倒角密封；左后进水口的一端安装于左进水后安装孔内，另一端接左换向阀，用O型密封圈倒角密封；左前喷嘴安装于左前喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；左后喷嘴安装于左后喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；左海水泵进水管一端接左海水泵的进水口，另一端接左进水口；左海水泵出水管一端接左海水泵的出水口，另一端接左换向阀的入水口；左前出水管一端连接左换向阀的左出水口，另一端连接左前喷嘴；左后出水管一端连接左换向阀的右出水口，另一端连接左后喷嘴连接。

[0016] 本发明的水下机器人的充电口由充电座、充电插座及盖板等组成。充电口是外部能源设备对机器人内部的能源充放电及管理的通道，通过充电座与左外壳安装及密封；充电插座及盖板安装于充电座上，通过密封垫及密封圈实现静密封。

[0017] 本发明的水下机器人的右碟形外盖由右外壳、右喷水推进装置、脐带缆口及右旋转座等组成。右喷水推进装置安装于右外壳内曲面上；脐带缆口安装于右外壳靠上方位置，用密封圈静密封；右旋转座用螺钉固定在右外壳轴心位置的安装台阶上，用于连接内体。

[0018] 进一步的，在本发明的水下机器人的右外壳的回转轴上开有右进水安装孔，在回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的右法兰安装台阶；开有右进水前安装孔和右进水后安装孔；开有右前喷水安装孔和右后喷水安装孔，两个喷水安装孔对称安装，其轴线与水下机器人的水平面共面，与水下机器人的垂直面形成一定的夹角,且两角度相等；在右外壳的圆周上装有两个机械限位装置左挡板；在靠上方位置开有脐带缆孔；在圆柱面上开有环形密封槽和环形连接槽；上部有把手安装台阶面，下部有机器人摆放台阶面。

[0019] 本发明的水下机器人的右喷水推进装置由右海水泵、右换向阀、右进水口、右海水泵进水管、右海水泵出水管、右前进水口、右后进水口、右前出水管、右后出水管、右前喷嘴和右后喷嘴等组成。右喷水推进装置安装在右碟形外盖内。右海水泵将海水由右进水口泵入，经加压、加速后由右海水泵出水管进入右换向阀；右换向阀控制高压高速海水按要求流向不同的出水口；右进水口安装于右碟形外盖的右进水安装孔内，用环形密封槽和密封圈密封；右前进水口的一端安装于右进水前安装孔内，另一端接右换向阀，用O型密封圈倒角密封；右后进水口的一端安装于右进水后安装孔内，另一端接右换向阀，用O型密封圈倒角密封；右前喷嘴安装于右前喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；右后喷嘴安装于右后喷水安装孔内，用O型密封圈倒角密封；右海水泵进水管一端接右海水泵的进水口，另一端接右进水口；右海水泵出水管一端接右海水泵的出水口，另一端接右换向阀的入水口；右前出水管一端连接右换向阀的左出水口，另一端连接右前喷嘴；右后出水管一端连接右换向阀的右出水口，另一端连接右后喷嘴连接。

[0020] 本发明的水下机器人的脐带缆口由安装座、插座及脐带缆盖板等组成。脐带缆口是水下机器人与机器人操控设备之间电气连接的通道，通过安装座与右外壳安装及密封；插座及脐带缆盖板安装于安装座上，通过密封垫及密封圈实现静密封。

[0021] 本发明的水下机器人的四个喷嘴，左前喷嘴、左后喷嘴、右前喷嘴、右后喷嘴均布置在水平面内，四个喷嘴的轴线与垂直平面均有相同的夹角A；左前喷嘴与右前喷嘴布置于机器人的前端，且相互关系为关于机器人垂直平面对称；左后喷嘴与右后喷嘴布置于机器人的后端，且相互关系为关于机器人垂直平面对称；左前喷嘴与右前喷嘴的轴线均相相交于X轴同一点，左后喷嘴与右后喷嘴的轴线均相交于X轴同一点,线段长大于零。

[0022] 本发明的机器人的旋转外壳为回转体，回转体的母线为两段相同的圆弧与一条直线，回转轴为两圆弧圆心的连线。因此，旋转外壳的质心、浮心均在坐标系的原点O位置，且机器人浮心位置与旋转外壳的浮心位置为重合关系。采用相同的坐标系，机器人质心位置与内体的质心位置为重合关系，机器人在任何姿态，机器人浮心位置在坐标系的原点O位置，机器人质心位置在Z轴上，且机器人浮心位置均在机器人质心位置的正上方。

[0023] 本发明的水下机器人的内体由姿态调姿装置、测控视觉与能源装置及支架等组成。姿态调姿装置及测控视觉与能源装置均安装在支架上；机器人内体除搭载机器人航行、探测等必备的能源、控制、视觉等系统外，还通过姿态调姿装置产生旋转力矩，使旋转外壳按要求旋转至需求角度，改变喷头的矢量喷射方向，从而改变机器人航行方向或姿态。

[0024] 本发明的水下机器人的姿态调姿装置由舵机、减速器、蜗杆、蜗轮、调姿旋转轴、调姿安装支架等组成。舵机、减速器、蜗杆、蜗轮、调姿旋转轴均安装在调姿安装支架上；调姿旋转轴两端分别与左旋转座及右旋转座固联。当机器人需要调姿时，控制舵机带动减速器及蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，增大转动力矩，并实现自锁。由于蜗轮与调姿旋转轴、左旋转座及右旋转座为固定连接关系。因此蜗轮转动时，机器人的旋转外壳同步旋转，从而达到机器人调姿的目的。

[0025] 本发明的水下机器人的测控视觉与能源装置由电池组、摄像机、照明灯、测控装置、配重等组成。电池组安装于支架的底部，用于为机器人提供航行及控制的能源；摄像机和照明灯安装于支架的两侧下方，为机器人侦查等作业提供图像；测控装置安装于支架的上方。配重用于调节内体的质心位置。

[0026] 本发明的水下机器人的内体支架由电池组支架、配重支架、摄像机和照明灯支架、姿态调姿装置安装板、机械制动器等组成。支架主要用于电池组、摄像机、照明灯、配重、姿态调姿装置的安装与固定，并用于机器人内体的机械限位。

[0027] 本发明的水下机器人的左换向阀及右换向阀，其结构、功能相同，主要由换向阀左出口、阀体、换向阀右出口、右阀杆、右直线电机、换向阀入口、左直线电机、左阀杆组成。通过控制左、右直线电机之间的切换运动，换向阀可以实现高压高速射流在左出口或右出口进行切换输出的目的。

[0028] 根据本发明的另一方面，根据本发明实施例的水下机器人的操控方法如下：水下机器人的操控由左喷水推进、右喷水推进和姿态调姿三个装置的协同控制来完成。其中的左、右喷水推进装置，水下机器人通过控制左、右直线电机和左、右海水泵，将左、右海水泵泵入的高压高速海水经由左、右换向阀后，控制其流向水下机器人旋转外壳上的左前喷嘴或左后喷嘴、右前喷嘴或右后喷嘴，用于产生水下机器人运动所需要的推力及推力的方向；其中的姿态调姿装置，水下机器人可以通过水面的操控装置，经由脐带缆口控制其旋转外壳相对于内体旋转，用于改变喷嘴相对于水平面的方向；通过对水下机器人的左喷水推进、右喷水推进和姿态调姿三个装置的协同控制，水下机器人可以实现在水平面的前后运动、横移运动和转向运动以及在垂直平面内的定角度俯冲(爬升)运动、竖直浮沉运动及转向运动。

[0029] (3)有益效果

[0030] 本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

[0031] 1.水下机器人整体外形为圆碟型，壳体外无明显凸出物，不易发生水下机器人与周围工作环境缠绕的问题，提高了水下机器人与工作环境的共融性。

[0032] 2.水下机器人采用喷水矢量推进和调姿相结合的方式实现了水下机器人的五个自由度的运动，不仅提高了水下机器人的低速操纵性，而且降低了水下机器人的航行噪声。

[0033] 3.水下机器人整体以圆柱形为基础，仅采用了O型密封圈进行了静密封，无需任何动密封。即保证机器人良好的密封效果，又解决了水下机器人的动密封容易因磨损而泄漏和动密封工作时间短问题。即解决了机器人的安全隐患，又提高了机器人的使用寿命。

[0034] 4.水下机器人体积小、重量轻、结构紧凑、外形简洁，便于水下机器人的运输、携带、释放和回收。

[0035] 5.水下机器人采用整体旋转外壳方式实现改变推进方向，实现机器人在任何姿态下质心均位于浮心正下方，解决水下机器人的稳定性与机动性的矛盾。

附图说明

[0036] 图1为根据本发明实施例的水下机器人的含坐标系的整体外形结构图；

[0037] 图2为根据本发明实施例的水下机器人的整体外形侧视图；

[0038] 图3为根据本发明实施例的水下机器人的旋转外壳结构局部剖视图；

[0039] 图4为根据本发明实施例的水下机器人的左碟形外盖结构局部剖视图；

[0040] 图5为根据本发明实施例的水下机器人的左外壳结构局部剖视图；

[0041] 图6为根据本发明实施例的水下机器人的左喷水推进装置结构图；

[0042] 图7为根据本发明实施例的水下机器人的充电口结构局部剖视图；

[0043] 图8为根据本发明实施例的水下机器人的右碟形外盖结构局部剖视图；

[0044] 图9为根据本发明实施例的水下机器人的右外壳结构局部剖视图；

[0045] 图10为根据本发明实施例的水下机器人的右喷水推进装置结构图；

[0046] 图11为根据本发明实施例的水下机器人的脐带缆口结构局部剖视图；

[0047] 图12为根据本发明实施例的水下机器人的侧向视图及质心、浮心位置示意和喷嘴布置图；

[0048] 图13为根据本发明实施例的水下机器人的图12的C-C剖视图及喷嘴在水平面上的布置图；

[0049] 图14为根据本发明实施例的水下机器人的图12的D向视图及质心、浮心位置示意和喷嘴布置图；

[0050] 图15为根据本发明实施例的水下机器人的内体结构示意图；

[0051] 图16为根据本发明实施例的水下机器人的姿态调姿装置结构示意图；

[0052] 图17为根据本发明实施例的水下机器人的测控视觉与能源装置结构示意图；

[0053] 图18位根据本发明实施例的水下机器人的内体支架结构示意图；

[0054] 图19为根据本发明实施例的水下机器人的左、右换向阀结构示意图。

[0055] 附图标记说明：1：旋转外壳 2：内体 3：左碟形外盖 4：右碟形外盖 5：左外壳 6：左喷水推进装置 7：充电口 8：右外壳 9：右喷水推进装置 10：脐带缆口 11：姿态调姿装置 
12：测控视觉与能源装置 13：支架 0-1：浮心位置 0-2：质心位置 1-1：观察窗 1-2：把手 
1-3：调整砝码 2-1：换向阀左出口 2-2：阀体 2-3：换向阀右出口 2-4：右阀杆 2-5：右直线电机 2-6：换向阀入口 2-7：左直线电机 2-8：左阀杆 3-1：左旋转座 4-1：右旋转座 5-1：
左进水安装孔 5-2：左法兰 5-3：左进水前安装孔 5-4：左进水后安装孔 5-5：左前喷水安装孔 5-6：左后喷水安装孔 5-7：左挡板 5-8：充电孔6-1：左海水泵 6-2：左换向阀 6-3：左进水口 6-4：左海水泵进水管 6-5：左海水泵出水管 6-6：左前进水口 6-7：左后进水口 6-
8：左前出水管 6-9：左后出水管 6-10：左前喷嘴 6-11：左后喷嘴 7-1：充电座 7-2：充电插座 7-3：盖板 8-1：右进水安装孔 8-2：右法兰 8-3：右进水前安装孔 8-4：右进水后安装孔 
8-5：右前喷水安装孔 8-6：右后喷水安装孔 8-7：左挡板 8-8：脐带缆孔 9-1：右海水泵 9-
2：右换向阀 9-3：右进水口 9-4：右海水泵进水管 9-5：右海水泵出水管 9-6：右前进水口 
9-7：右后进水口 9-8：右前出水管 9-9：右后出水管 9-10：右前喷嘴 9-11：右后喷嘴 10-
1：安装座 10-2：插座 10-3：脐带缆盖板 11-1：舵机 11-2：减速器 11-3：蜗杆 11-4：蜗轮
11-5：调姿旋转轴 11-6：调姿安装支架 12-1：电池组 12-2：摄像机 12-3：照明灯 12-4：测控装置 12-5：配重 13-1：电池组支架 13-2：配重支架 13-3：摄像机和照明灯支架13-4：姿态调姿装置安装板 13-5：机械制动器

具体实施方式

[0056] 本发明的实施例提供了一种可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人(以下也可简称为“水下机器人”)及其操纵控制方法，下面结合附图1-19对本发明实施例进行详细阐述，并对本发明具体实施方式作进一步说明。

[0057] 参照图1，本发明的水下机器人主要由旋转外壳1及内体2组成，其中，内体2悬挂安装于旋转外壳1内腔。

[0058] 参照图1和图2，原点O为外壳1的两圆弧圆心的连线的中点；X轴垂直于YOZ平面；Y轴与回转轴共线；Z轴垂直于地面坐标系的水平面。

[0059] 参照图2，可调姿的喷水矢量推进圆碟形水下机器人的外形为回转体，其外型主要取决于旋转外壳1的形状。从图2可见，外壳1的顶部和底部呈平面，外壳1的两侧呈对称的圆弧面。换句话说，回转体的母线为两段相同的圆弧与一条直线，回转轴为两圆弧圆心的连线。

[0060] 参照图3，本发明的水下机器人的旋转外壳1主要由左碟形外盖3、右碟形外盖4、观察窗1-1、把手1-2和调整砝码1-3组成。

[0061] 观察窗1-1两端的密封台阶孔与左碟形外盖3、右碟形外盖4的环形密封槽之间通过放入的O型密封圈进行静密封；观察窗1-1两端的圆周均布的连接螺钉孔与左碟形外盖3、右碟形外盖4的环形连接槽之间通过卡入连接螺钉的方式进行连接。

[0062] 把手1-2用螺钉固定在左碟形外盖3和右碟形外盖4上，便于水下机器人的携带。

[0063] 调整砝码1-3安装于左碟形外盖3和右碟形外盖4的内曲面上，用于保证旋转外壳1的质心在坐标系OXYZ的原点O上。

[0064] 参照图1-3，本发明的水下机器人的观察窗1-1可以是透明的圆柱体，其两端开有圆周均布的连接螺钉孔，并且其两端开有可容纳O型密封圈的静密封的台阶孔。

[0065] 参照图4，本发明的水下机器人的左碟形外盖3主要由左外壳5、左喷水推进装置6、充电口7及左旋转座3-1组成。左喷水推进装置6安装于左外壳5内曲面上；充电口7安装于左外壳5靠上方位置，并采用密封圈静密封；左旋转座3-1用螺钉固定在左外壳5轴心位置的安装台阶上，用于连接内体2。

[0066] 参照图5，在本发明的水下机器人的左外壳5的回转轴Y轴上开有左进水安装孔5-1，在回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的左法兰5-2的安装台阶。

[0067] 左外壳5在沿Y轴方向的侧壁上开有左进水前安装孔5-3和左进水后安装孔5-4，这两个安装孔与左换向阀6-2的C1入口和C2入口同轴。左外壳5在其侧边开有左前喷水安装孔5-5和左后喷水安装孔5-6，左前喷水安装孔5-5和左后喷水安装孔5-6两个喷水安装孔对称安装，其轴线与水下机器人的水平面XOY共面，左前喷水安装孔5-5和左后喷水安装孔5-6与水下机器人的垂直面XOZ形成一定的夹角,且两角度相等。

[0068] 在左外壳5的圆周上装有两个机械限位装置左挡板5-7，用于姿态调姿装置11的机械限位；在靠上方位置开有充电孔5-8。在圆柱面上开有环形密封槽和环形连接槽，观察窗1-1两端与那周均布的连接螺钉孔与左碟形外盖3、右碟形外盖4的环形连接槽之间通过卡入连接螺钉进行连接。上部有把手1-2安装的台阶面，下部有机器人摆放的台阶面。

[0069] 参照图6，本发明的左喷水推进装置6主要由左海水泵6-1、左换向阀6-2、左进水口6-3、左海水泵进水管6-4、左海水泵出水管6-5、左前进水口6-6、左后进水口6-7、左前出水管6-8、左后出水管6-9、左前喷嘴6-10和左后喷嘴6-11组成。左喷水推进装置6安装在左碟形外盖3内。

[0070] 左进水口6-3安装于左碟形外盖3的左进水安装孔5-1内，安装时采用环形密封槽和密封圈密封。左前进水口6-6的一端安装于左进水前安装孔5-3内，另一端接左换向阀6-2，用O型密封圈倒角密封。左后进水口6-7的一端安装于左进水后安装孔5-4内，另一端接左换向阀6-2，其用O型密封圈倒角密封。左前喷嘴6-10安装于左前喷水安装孔5-5内，其用O型密封圈倒角密封。左后喷嘴6-11安装于左后喷水安装孔5-6内，用O型密封圈倒角密封。左海水泵进水管6-4一端接左海水泵6-1的进水口，另一端接左进水口6-3；左海水泵出水管6-5一端接左海水泵6-1的出水口，另一端接左换向阀6-2的入水口；左前出水管6-8一端连接左换向阀6-2的左出水口，另一端连接左前喷嘴6-10；左后出水管6-9一端连接左换向阀6-2的右出水口，另一端连接左后喷嘴6-11连接。实际运作时，左海水泵6-1将海水由左进水口6-3泵入，经加压、加速后由左海水泵出水管6-5进入左换向阀6-2；左换向阀6-2控制高压高速海水按要求流向不同的出水口。

[0071] 参照图7，本发明的水下机器人的充电口7由充电座7-1、充电插座7-2及盖板7-3等组成。充电口7是外部能源设备对机器人内部的能源充放电及管理的通道，通过充电座7-1与左外壳5安装及密封；充电插座7-2及盖板7-3安装于充电座7-1上，通过密封垫及密封圈实现静密封。

[0072] 参照图8，在本发明的水下机器人的右碟形外盖4主要由右外壳8、右喷水推进装置9、脐带缆口10及右旋转座4-1组成。脐带缆口10通过脐带缆与水面的操控装置连接，是水下机器人与水面的操控装置之间进行信息传输与控制的通道。需要说明的是，左碟形外盖3和右碟形外盖4基本上呈对称设置，二者的不同主要在于充电口7和脐带缆口10的设置上。对于左碟形外盖3和右碟形外盖4设计上相同的部分此处不再赘述。

[0073] 简言之，右喷水推进装置9安装于右外壳8内曲面上；脐带缆口10安装于右外壳8靠上方位置，用密封圈静密封。右旋转座4-1用螺钉固定在右外壳8轴心位置的安装台阶上，用于连接内体2。

[0074] 参照图9，在本发明的水下机器人的右外壳8的回转轴Y轴上开有右进水安装孔8-1，在回转轴上有安装调姿旋转轴安装支架的右法兰8-2的安装台阶。

[0075] 右外壳8在沿Y轴方向的侧壁上开有右进水前安装孔8-3和右进水后安装孔8-4；右外壳8在其侧边开有右前喷水安装孔8-5和右后喷水安装孔8-6，右前喷水安装孔8-5和右后喷水安装孔8-6两个喷水安装孔对称安装，其轴线与水下机器人的水平面XOY共面，右前喷水安装孔8-5和右后喷水安装孔8-6与水下机器人的垂直面XOZ形成一定的夹角,且两角度相等。同样地，在右外壳8的圆周上装有两个机械限位装置左挡板8-7；在靠上方位置开有脐带缆孔8-8；在圆柱面上开有环形密封槽和环形连接槽。上部有把手1-2安装的台阶面，下部有机器人摆放的台阶面。

[0076] 图10中的右喷水推进装置9与图6中的左喷水推进装置6结构相同。为了从不同角度对本发明的喷水推进装置进行叙述，以下将对右喷水推进装置9进行详细的叙述。

[0077] 参照图10，本发明的右喷水推进装置9主要由右海水泵9-1、右换向阀9-2、右进水口9-3、右海水泵进水管9-4、右海水泵出水管9-5、右前进水口9-6、右后进水口9-7、右前出水管9-8、右后出水管9-9、右前喷嘴9-10和右后喷嘴9-11组成。右喷水推进装置9安装在右碟形外盖4内。

[0078] 右进水口9-3安装于右碟形外盖4的右进水安装孔8-1内，用环形密封槽和密封圈密封。右前进水口9-6的一端安装于右进水前安装孔8-3内，另一端接右换向阀9-2，用O型密封圈倒角密封。右后进水口9-7的一端安装于右进水后安装孔8-4内，另一端接右换向阀9-2，用O型密封圈倒角密封。右前喷嘴9-10安装于右前喷水安装孔8-5内，用O型密封圈倒角密封；右后喷嘴9-11安装于右后喷水安装孔8-6内，用O型密封圈倒角密封。

[0079] 右海水泵进水管9-4一端接右海水泵9-1的进水口，另一端接右进水口9-3；右海水泵出水管9-5一端接右海水泵9-1的出水口，另一端接右换向阀9-2的入水口；右前出水管9-8一端连接右换向阀9-2的左出水口，另一端连接右前喷嘴9-10；右后出水管9-9一端连接右换向阀9-2的右出水口，另一端连接右后喷嘴9-11连接。

[0080] 实际运作时，右海水泵9-1将海水由右进水口9-3泵入，经加压、加速后由右海水泵出水管9-5进入右换向阀9-2；右换向阀9-2控制高压高速海水按要求流向不同的出水口。

[0081] 参照图11，本发明的脐带缆口10由安装座10-1、插座10-2及脐带缆盖板10-3等组成。脐带缆口10是水下机器人与操控装置之间电气连接的通道，通过安装座10-1与右外壳8安装及密封。插座10-2及脐带缆盖板10-3安装于安装座10-1上，通过密封垫及密封圈实现静密封。

[0082] 参照图12、图13、图14，本发明的机器人的四个喷嘴，左前喷嘴6-10、左后喷嘴6-11、右前喷嘴9-10、右后喷嘴9-11均布置在水平面XOY平面内，四个喷嘴的轴线与垂直平面XOZ均有相同的夹角A。左前喷嘴6-10与右前喷嘴9-10布置于机器人的前端，且相互关系为关于垂直平面XOZ对称；左后喷嘴6-11与右后喷嘴9-11布置于机器人的后端，且相互关系为关于垂直平面XOZ对称。左前喷嘴6-10与右前喷嘴9-10的轴线均相相交于X轴E点，左后喷嘴
6-11与右后喷嘴9-11的轴线均相相交于X轴F点,EF线段长为B且大于零，即左前喷嘴6-10与右前喷嘴9-10的轴线交点与左后喷嘴6-11与右后喷嘴9-11的轴线交点之间的距离大于零。

[0083] 参照图12、图13、图14，本发明的机器人的旋转外壳1为回转体，回转体的母线(曲面图形可看成动线运动时的轨迹，形成曲面的动线称之为母线)为两段相同的圆弧与一条直线，回转轴为两圆弧圆心的连线。因此，旋转外壳1的质心、浮心均在坐标系OXYZ的原点O位置，且机器人浮心位置0-1即旋转外壳1的浮心位置为重合关系。

[0084] 采用相同的坐标系，机器人质心位置0-2与内体2的质心位置为重合关系，机器人质心位置0-2在Z轴上。机器人在任何姿态，机器人浮心位置0-1在坐标系OXYZ的原点O位置，机器人质心位置0-2在Z轴上，且机器人浮心位置0-1均在机器人质心位置0-2的正上方。

[0085] 参照图15，本发明的机器人内体2主要由姿态调姿装置11、测控视觉与能源装置12及支架13组成。姿态调姿装置11及测控视觉与能源装置12均安装在支架13上；机器人内体2除搭载机器人航行、探测等必备的能源、控制、视觉等系统外，还通过姿态调姿装置11产生旋转力矩，使旋转外壳1按要求旋转至需求角度，改变喷头的矢量喷射方向，从而改变机器人航行方向或姿态。

[0086] 参照图16，本发明的姿态调姿装置11由舵机11-1、减速器11-2、蜗杆11-3、蜗轮11-4、调姿旋转轴11-5、调姿安装支架11-6等组成。舵机11-1、减速器11-2、蜗杆11-3、蜗轮11-
4、调姿旋转轴11-5均安装在调姿安装支架8-6上；调姿旋转轴11-5两端分别与左旋转座3-1及右旋转座4-1固联。

[0087] 当机器人需要调姿时，控制舵机11-1带动减速器11-2及蜗杆11-3转动，蜗杆(11-3)带动蜗轮11-4转动，增大转动力矩，并实现自锁。由于蜗轮11-4与调姿旋转轴11-5、左旋转座3-1及右旋转座4-1为固定连接关系。因此蜗轮转动时，机器人的旋转外壳1同步旋转，从而达到机器人调姿的目的。

[0088] 参照图17，本发明的水下机器人的测控视觉与能源装置12主要由电池组12-1、摄像机12-2、照明灯12-3、测控装置12-4、配重12-5组成。电池组12-1安装于支架13的底部，用于为机器人提供航行及控制的能源。摄像机12-2和照明灯12-3安装于支架13的两侧下方，为机器人侦查等作业提供图像；测控装置12-4安装于支架13的上方。配重12-5用于调节内体7的质心位置。

[0089] 参照图18，本发明的水下机器人的内体的支架13主要由电池组支架13-1、配重支架13-2、摄像机和照明灯支架13-3、姿态调姿装置安装板13-4、机械制动器13-5组成。支架13主要用于电池组12-1、摄像机12-2、照明灯12-3、配重12-5、姿态调姿装置11的安装与固定，并用于机器人内体2的机械限位。

[0090] 参照图19，本发明的水下机器人的喷水矢量推进的左换向阀6-2及右换向阀9-2，其结构、功能相同，主要由换向阀左出口2-1、阀体2-2、换向阀右出口2-3、右阀杆2-4、右直线电机2-5、换向阀入口2-6、左直线电机2-7、左阀杆2-8组成。

[0091] 通过控制左、右直线电机2-7以及2-5的切换运动，左、右换向阀6-2和9-2可以实现C1、C2入口的切换开合，达到切换高压高速射流通向换向阀左出口2-1或换向阀右出口2-3的目的。其中左换向阀6-2的C1、C2入口分别与左前进水口6-6和左后进水口6-7连接，右换向阀9-2的C1、C2入口分别与右前进水口9-6和右后进水口9-7连接。

[0092] 具体工作原理如下：当左直线电机2-7工作，带动左阀杆2-8运动，右直线电机2-5不工作，C2入口打开，C1入口关闭，从而左海水泵6-1或右海水泵9-2泵入的海水在流体作用下由换向阀入口2-6流向换向阀右出口2-3；反之，当右直线电机2-5工作，带动由阀杆2-4运动，左直线电机2-7不工作，C1入口打开，C2入口关闭，从而左海水泵6-1或右海水泵9-2泵入的海水在流体作用下由换向阀入口2-6流向换向阀左出口2-1。通过切换高速高压射流方向，达到换向阀换向的目的。

[0093] 本发明的水下机器人操纵控制的原理包括在水平面内的前后运动、转向运动、横移运动以及在垂直面内的定角度俯冲(爬升)运动、竖直浮沉运动及转向运动，以下对各个主要工作模式展开说明：

[0094] 1、在水平面内的前后运动：当机器人姿态定姿的角度为0度时，喷水推进的喷嘴方向在地面坐标系的水平内。当机器人需要向前运动时，左海水泵6-1和右海水泵9-1以同样的流量和流速工作，从左进水口6-3和右进水口9-3吸入相同水流，加速加压后泵入左换向阀6-2和右换向阀9-2，分别通过左换向阀6-2和右换向阀9-2的控制端口C1和C2，使左换向阀6-2内的水流流向左后喷嘴6-11，使右换向阀9-2内的水流流向右后喷嘴9-11，从而实现向前运动；反之，使左换向阀6-2内的水流流向左前喷嘴6-10，使右换向阀9-2内的水流流向右前喷嘴9-10，从而实现向后运动。

[0095] 2、在水平面内的转向运动：当机器人姿态定姿的角度为0度时，喷水推进的喷嘴方向在地面坐标系的水平内。当机器人需要左旋运动时，左海水泵6-1和右海水泵9-1以同样的流量和流速工作，从左进水口6-3和右进水口9-3吸入相同水流，加速加压后泵入左换向阀6-2和右换向阀9-2，分别通过左换向阀6-2和右换向阀9-2的控制端口C1和C2，使左换向阀6-2内的水流流向左前喷嘴6-10，使右换向阀9-2内的水流流向右后喷嘴9-11，从而实现左旋运动(从上向下看，逆时针方向旋转)；反之，使左换向阀6-2内的水流流向左后喷嘴6-11，使右换向阀9-2内的水流流向右前喷嘴9-10，从而实现右旋运动(从上向下看，顺时针方向旋转)。

[0096] 3、在水平面内的横移运动：当机器人姿态定姿的角度为0度时，喷水推进的喷嘴方向在地面坐标系的水平内。当机器人需要左移运动时，右海水泵9-1工作，从右进水口9-3吸入水流，加速加压后泵入右换向阀9-2，通过均匀切换右换向阀9-2的控制端口C1和C2，使右换向阀9-2内的水流间歇性流向右前喷嘴9-10和右后喷嘴9-11，从而实现左移运动；反之，左海水泵6-1工作，从左进水口6-3吸入水流，加速加压后泵入做换向阀6-2，通过均匀切换左换向阀6-2的控制端口C1和C2，使左换向阀6-2内的水流间歇性流向左前喷嘴6-10和左后喷嘴6-11，从而实现右移运动。

[0097] 4、在垂直面内的定角度俯冲(爬升)运动：当机器人姿态定姿的角度为某个角度度时，喷水推进的喷嘴方向与地面坐标系水平面的夹角就为某个角度，这时原先在机器人姿态定姿的角度为0度时的前后运动，就变成了在垂直面内的定角度俯冲(爬升)运动。

[0098] 5、在垂直面内的竖直浮沉运动：当机器人姿态定姿的角度为±90度时，喷水推进的喷嘴方向与地面坐标系水平面的夹角就为±90度，这时原先在机器人姿态定姿的角度为0度时的前后运动，就变成了在垂直面内的竖直浮沉运动。

[0099] 6、在垂直面内的转向运动：当机器人姿态定姿的角度为某个角度度时，喷水推进的喷嘴方向与地面坐标系水平面的夹角就为某个角度，这时原先在机器人姿态定姿的角度为0度时的转向运动，就变成了在垂直面内的转向运动。

[0100] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。