專利名稱：水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下機(jī)器人技術(shù)，特別是一種水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水下機(jī)器人有著十分廣闊的應(yīng)用前景，這也是多年來各國(guó)都在大力發(fā)展水下機(jī)器人技術(shù)的原因。隨著全球溫室效應(yīng)加劇，科學(xué)家們急需用水下機(jī)器人來采集大量的海洋數(shù)據(jù)以便檢測(cè)環(huán)境變化；軍事上，水下機(jī)器人可以用來大大降低艦船受到的水雷威脅，以及去一些隱蔽的或船只不可到達(dá)地方偵查；同樣，淺水區(qū)例如河道、港口、沿海等水域中水下機(jī)器人也發(fā)揮了很大的作用，執(zhí)行水下安保、堤壩檢查等任務(wù)。然而，在執(zhí)行水下、水面任務(wù)時(shí)，水流、波浪和涌流擾動(dòng)，以及包括母船在內(nèi)的其它 附近船只帶起的浪涌，水流中的旋轉(zhuǎn)渦流等時(shí)常使水下機(jī)器人偏離設(shè)定航向、搖擺、監(jiān)控視頻模糊、無法保持設(shè)定深度等。水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，即受干擾后自行回到初始狀態(tài)的能力是水下機(jī)器人航向控制系統(tǒng)和深度控制系統(tǒng)精度的前提。若水下機(jī)器人自動(dòng)穩(wěn)定性能太差，則推進(jìn)器必須頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)，以改變推力大小和方向來保持設(shè)定的航向和深度。不僅會(huì)對(duì)推進(jìn)器造成損傷，過多消耗電能，還將增加周圍流體的擾動(dòng)，進(jìn)一步加劇水下機(jī)器人的不穩(wěn)定，甚至無法保持航向和定深。
本發(fā)明設(shè)計(jì)了水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來解決上述難題。按照牛頓定理，物體達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)合力矩為零。當(dāng)水下機(jī)器人受到波浪力等外力干擾時(shí)，通過該姿態(tài)平衡系統(tǒng)給水下機(jī)器人施加與干擾力矩方向相反的主動(dòng)平衡力矩，來抵消干擾力矩的作用，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人姿態(tài)的主動(dòng)平衡調(diào)整，有利于減小推進(jìn)系統(tǒng)的損耗和故障率，減小螺旋槳流旋轉(zhuǎn)帶來的流體擾動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的不足，提供一種水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足提高水下機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定性要求。本發(fā)明的構(gòu)思是水下機(jī)器人受到的干擾力具有高度的非線性和時(shí)變性，為了能夠快速響應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，提供平衡力矩，將該姿態(tài)平衡系統(tǒng)分為上下兩個(gè)部分。上半部分是滑塊平臺(tái)滑塊在滑塊平臺(tái)上作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；下半部分是固定平臺(tái)為滑塊平臺(tái)提供動(dòng)力，使得整個(gè)滑塊平臺(tái)繞固定軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。則滑塊最終運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合，它將快速達(dá)到姿態(tài)調(diào)整平面上的每一點(diǎn)?；瑝K所處位置到固定軸形成一個(gè)力臂，滑塊質(zhì)量與這個(gè)力臂之積就是為水下機(jī)器人提供的平衡力矩。這套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧緊湊，尺寸僅為長(zhǎng)405毫米，寬160毫米，高205毫米，可以安裝帶到實(shí)際的水下機(jī)器人上。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括一個(gè)滑塊平臺(tái)(I)和一個(gè)固定平臺(tái)(14)，其特征在于所述滑塊平臺(tái)(I)上裝有一根螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠(2)，其兩端通過絲杠支撐架
(3)支撐，并由定位塊(4)固定；所述滑塊平臺(tái)上裝有一根直線導(dǎo)軌(5)，帶兩個(gè)導(dǎo)軌滑塊(20);滑塊(9)安裝在呈L形的負(fù)載臺(tái)(8)上；所述負(fù)載臺(tái)(8)上預(yù)留了滑塊安裝空間，可以通過增減滑塊質(zhì)量來改變?cè)撟藨B(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供的力矩大?。凰鲐?fù)載臺(tái)(8)與螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠(2)的螺母(7)連接；所述螺母(7)上安轉(zhuǎn)同步帶輪①(6);所述負(fù)載臺(tái)(8)上安裝電機(jī)①(10)及其減速器①(11);所述減速器①(11)上安轉(zhuǎn)同步帶輪②(13);所述電機(jī)①(10)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過所述減速器①(11)及所述同步帶輪①(6)和②(13)帶動(dòng)所述螺母(7)旋轉(zhuǎn)，則所述螺母(7)、所述負(fù)載臺(tái)(8)、所述電機(jī)①(10)及減速器①(11)、所述滑塊(9)在所述直線導(dǎo)軌(5)上作往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)。所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)與固定平臺(tái)(14)通過中心軸(23)連接；所述中心軸(23)與所述固定平臺(tái)(14)通過交叉滾子軸環(huán)(15)固定和支撐，安裝有蝸輪(16);所述固定平臺(tái)上
(14)安轉(zhuǎn)電機(jī)②(22)，通過減速器②(21)、聯(lián)軸器(19)與蝸桿軸(18)的一端連接；所述蝸桿軸(18)另一端由軸承(24)和軸承架(17)固定和支撐；所述電機(jī)②(22)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過減速器②(21)輸出力矩通過蝸輪蝸桿裝置帶動(dòng)所述滑動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省安裝空間，便于安裝在水下機(jī)器人上面；
(2)滑塊運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的耦合，滿足水下機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)性；
(3)定位精度高、控制方便。


圖I是本發(fā)明軸測(cè)圖。圖2是本發(fā)明正視圖。圖3是圖2的底視圖。圖4是圖2的左視圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例一
參見圖I 圖4，本水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括一個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)(I)和一個(gè)固定平臺(tái)(14)，其特征在于
1)所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)通過一個(gè)中心軸(23)和一個(gè)交叉滾子軸環(huán)(15)與所述固定平臺(tái)
(14)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述交叉滾子軸環(huán)(15)支撐滑動(dòng)平臺(tái)(I);
2)所述中心軸(23)上固定安裝有蝸輪(16)，與所述固定平臺(tái)(14)上安裝的一個(gè)蝸輪軸(18)嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)；
3)所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)上裝有一根螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠(2):該滾珠絲杠(2)兩端的兩個(gè)通過絲杠支撐架(3)支撐在滑動(dòng)平臺(tái)(1)，并兩端分別各由一塊定位塊(4)固定在絲桿支撐架(3)上；
所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)上裝有一個(gè)L形負(fù)載臺(tái)(8)，所述負(fù)載臺(tái)(8)與螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠
(2)的螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，而通過一塊滑塊(9)與滑動(dòng)平臺(tái)(I)上固定的一根直線導(dǎo)軌(5)所帶的兩塊導(dǎo)軌滑塊(20)固定連接；
實(shí)施例二 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于
所述負(fù)載臺(tái)(8) 上直接固定安裝一個(gè)電機(jī)①(10),通過一個(gè)減速器11 (11)、一個(gè)同步帶知、(13)、一個(gè)同步帶輪①(6)和一根同步帶，帶動(dòng)螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)負(fù)載臺(tái)(8)、滑塊(9)以及電機(jī)I (10)、減速器①(11)、同步帶輪②(13)、同步帶輪①(6) —起在直線導(dǎo)軌(5)上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所述滑塊(9)固定安裝在負(fù)載臺(tái)(8)上，并預(yù)留了空間，滑塊數(shù)量可增減。所述驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在滑動(dòng)平臺(tái)(I)下方，節(jié)約了安裝空間。所述固定平臺(tái)(14)上固定安裝一個(gè)電機(jī) (22)，通過一個(gè)聯(lián)軸器(19)與所述蝸桿軸(18)連接；所述蝸桿軸(18)另一端由一個(gè)軸承架(24)支撐，軸承架(24)通過一個(gè)支架(17)固定在固定平臺(tái)(14)上。 工作原理如下
將本系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)聯(lián)接后安裝在水下機(jī)器人上，當(dāng)受到波浪力等干擾影響時(shí)，其姿態(tài)發(fā)生改變，偏離平衡位置?？刂葡到y(tǒng)將姿態(tài)角偏差信號(hào)發(fā)送到電氣控制系統(tǒng)的處理器，計(jì)算出所需的平衡力矩的大小和方向，再將信號(hào)發(fā)送到本水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出主動(dòng)平衡力矩。電機(jī)②(22)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器②(21)、聯(lián)軸器(19)、蝸桿軸(18)以及蝸輪16，帶動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)(I)轉(zhuǎn)到與干擾力矩作用線共線的位置；在滑動(dòng)臺(tái)繞中心軸(23)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī)①(I)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器①(11)、同步帶輪②(13)、同步帶輪①(6)、螺母(7)帶動(dòng)負(fù)載臺(tái)
(8)和滑塊(9)，以及導(dǎo)軌滑塊(20)在直線導(dǎo)軌(5)上滑動(dòng)到與干擾力矩作用方向相反的位置，并根據(jù)所需平衡力矩的大小，調(diào)節(jié)負(fù)載臺(tái)(8)到中心軸(23)距離大小。通過這種方式，滑動(dòng)臺(tái)(I)只需轉(zhuǎn)動(dòng)180度，即可提供360度方向上的平衡力矩，大大減少了姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。且可在負(fù)載臺(tái)(8)調(diào)整滑塊(9)數(shù)量，從而增加或減少系統(tǒng)能提供的平衡力矩，使安裝了該系統(tǒng)的水下機(jī)器人能夠在不同海況下穩(wěn)定工作。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落在本方面的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括一個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)(I)和一個(gè)固定平臺(tái)(14)，其特征在于 1)所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)通過一個(gè)中心軸(23)和一個(gè)交叉滾子軸環(huán)(15)與所述固定平臺(tái)(14)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述交叉滾子軸環(huán)(15)支撐滑動(dòng)平臺(tái)(I); 2)所述中心軸(23)上固定安裝有蝸輪(16)，與所述固定平臺(tái)(14)上安裝的一個(gè)蝸輪軸(18)嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)； 3)所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)上裝有一根螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠(2):該滾珠絲杠(2)兩端的兩個(gè)通過絲杠支撐架(3)支撐在滑動(dòng)平臺(tái)(1)，并兩端分別各由一塊定位塊(4)固定在絲桿支撐架(3)上； 4)所述滑動(dòng)平臺(tái)(I)上裝有一個(gè)L形負(fù)載臺(tái)(8)，所述負(fù)載臺(tái)(8)與螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠(2)的螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，而通過一塊滑塊(9)與滑動(dòng)平臺(tái)(I)上固定的一根直線導(dǎo)軌(5)所帶的兩塊導(dǎo)軌滑塊(20)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述負(fù)載臺(tái)(8)上直接固定安裝一個(gè)電機(jī)①(10)，通過一個(gè)減速器①(11)、一個(gè)同步帶輪②(13)、一個(gè)同步帶輪①(6)和一根同步帶,帶動(dòng)螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母(7)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)負(fù)載臺(tái)(8)、滑塊(9)以及電機(jī)ω( 10)、減速器①(11)、同步帶輪②(13)、同步帶輪①(6) —起在直線導(dǎo)軌(5)上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述滑塊(9)固定安裝在負(fù)載臺(tái)(8)上，并預(yù)留了空間，滑塊數(shù)量可增減。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)(I)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在滑動(dòng)平臺(tái)(I)下方，節(jié)約了安裝空間。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于所述固定平臺(tái)(14)上固定安裝一個(gè)電機(jī)②(22)，通過一個(gè)聯(lián)軸器(19)與所述蝸桿軸(18)連接；所述蝸桿軸(18)另一端由一個(gè)軸承架(24)支撐，軸承架(24)通過一個(gè)支架(17)固定在固定平臺(tái)(14)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水下機(jī)器人姿態(tài)主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它包括一個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)?；瑒?dòng)平臺(tái)上的電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠的螺母旋轉(zhuǎn)，螺母再帶動(dòng)電機(jī)、負(fù)載臺(tái)及滑塊一起在直線導(dǎo)軌上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)平通過中心軸和交叉滾子軸承與固定平臺(tái)連接在一起，中心軸上裝有蝸輪。固定平臺(tái)上裝有電機(jī)和蝸桿軸，驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)繞中心軸旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)通過滑塊移動(dòng)能夠快速高效的為受到干擾的水下機(jī)器人提供一個(gè)平衡力矩以抵消干擾力矩的作用，且結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝在水下機(jī)器人上。
文檔編號(hào)B63C11/52GK102717884SQ20121019679
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者劉治湘, 李慶梅, 石劍峰, 羅均, 謝少榮 申請(qǐng)人:上海大學(xué)