[發明專利]一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人

在審

• 申請號: 201811340303.2
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109515651A
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 胡橋;丁明杰;蘇文斌;王朝暉;魏昶;孫帥帥;張陽坤
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52;B63G8/08;B63G8/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

1.一種基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，包括集成式矢量推進器(1)、水下機器人艙體(2)、供電模塊(3)、載荷模塊(4)以及通訊模塊(5)，集成式矢量推進器(1)分布在水下機器人艙體(2)的左右兩側，能夠產生多維度方向推力實現航姿、航深測量和自身姿態控制，水下機器人艙體(2)的尾部兩側與背部分別固定有尾鰭與背鰭，供電模塊(3)、載荷模塊(4)以及通訊模塊(5)設置在水下機器人艙體(2)內，供電模塊(3)用于為水下機器人供電，通訊模塊(5)分別與載荷模塊(4)和集成式矢量推進器(1)連接，用于載荷模塊(4)與地面上位機的采集數據傳輸，以及集成式矢量推進器(1)與地面上位機的控制信號傳輸。

2.根據權利要求1所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，集成式矢量推進器(1)包括螺旋槳推進器(8)、矢量偏轉機構(9)和運動控制單元(10)，運動控制單元(10)通過矢量偏轉機構(9)與螺旋槳推進器(8)連接，通過電調驅動螺旋槳推進器(8)。

3.根據權利要求2所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，運動控制單元(10)包括慣性傳感器(11)、深度傳感器(12)和STM32控制板(13)，STM32控制板(13)用于接收地面上位機的動作指令，并根據慣性傳感器(11)和深度傳感器(12)的信息確定水下機器人當前的姿態和深度，輸出PWM信號控制矢量偏轉機構(9)的第一舵機(14)和第二舵機(15)轉動。

4.根據權利要求3所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，運動控制單元(10)的PWM信號控制第一舵機(14)和第二舵機(15)分別轉過相應的角度α和β，舵機驅動矢量偏轉機構(9)進行滾轉和側擺運動，推力在空間的方向由矢量偏轉機構滾轉和側擺的角度θ和決定，具體為：

其中，z₁為第一直齒輪的齒數，z₂為第二直齒輪的齒數，z₃為第一錐齒輪的齒數，z₄為第二齒輪的齒數，z₅為第三錐齒輪的齒數，z₆為第四錐齒輪的齒數，z₇為第五錐齒輪的齒數。

5.根據權利要求4所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，滾轉角度為-90°≤θ≤90°，側擺角度為

6.根據權利要求2所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，矢量偏轉機構(9)由側擺傳動鏈和滾轉傳動鏈耦合而成，在空間具有兩個旋轉自由度，矢量推力在空間形成一個球面。

7.根據權利要求6所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，側擺傳動鏈包括第一舵機(14)，第一舵機(14)依次經過第一直齒輪(16)、第二直齒輪(17)、第一錐齒輪(18)和第二錐齒輪(19)進行傳動，第一舵機(14)轉過角度為α，則側擺角度為：

其中，z₁為第一直齒輪的齒數，z₂為第二直齒輪的齒數，z₃為第一錐齒輪的齒數，z₄為第二齒輪的齒數。

8.根據權利要求6所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，滾轉傳動鏈包括第二舵機(15)，第二舵機(15)依次經過第三錐齒輪(20)、第四錐齒輪(21)和第五錐齒輪(22)形成的周轉輪系進行傳動，第二舵機(15)轉過角度為β，滾轉角度θ為：

其中，z₅為第三錐齒輪的齒數，z₆為第四錐齒輪的齒數，z₇為第五錐齒輪的齒數。

9.根據權利要求1所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，供電模塊(3)的輸入端通過零浮力電纜與地面電源連接，輸出端分別與集成式矢量推進器(1)、載荷模塊(4)以及通訊模塊(5)連接，輸出電壓為5V和12V。

10.根據權利要求1所述的基于集成式矢量推進器的模塊化水下機器人，其特征在于，通訊模塊(5)支持有纜控制和自主巡航，包括導航模塊(6)和電力載波模塊(7)，有纜控制利用零浮力電纜和電力載波模塊(7)進行通訊，自主巡航工作模式利用無線通訊和導航模塊(6)進行通訊和自主巡航。