一种浅水观察级水下机器人的设计方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103433927 A (43)申请公布日 2013.12.11 CN 103433927 A *CN103433927A* (21)申请号 201310362030.2 (22)申请日 2013.08.19 B25J 11/00(2006.01) B63C 11/52(2006.01) (71)申请人 青岛远创机器人自动化有限公司 地址 266071 山东省青岛市徐州路 2 号 7 号 楼 2 单元 601 户 (72)发明人 牛阿丽 (74)专利代理机构 北京科亿知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11350 代理人 汤东凤 (54) 发明名称 一种浅水观察级。

2、水下机器人的设计方法 (57) 摘要 本发明公开了一种浅水观察级水下机器人 的设计方法， 包括以下步骤 ： 选择合适的浅水观 察级水下机器人形体 ； 根据水下机器人的工作环 境， 设计合适的水密耐压壳体 ； 根据以上四种推 进器布局方式并结合水下机器人的运动性能要 求， 设计水下机器人的动力系统 ； 选择合适的电 池作为水下机器人的系统能源 ； 根据水下机器人 的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统进行 合理的设计 ； 水下机器人各结构之间选择合适的 密封方式 ； 设计调平装置， 保证水下机器人在内 部电路安装完成后可以保持平衡状态。本发明制 备的水下机器人系统， 结构简单， 操作方便， 稳。

3、定 性高， 提高了国内的水下机器人的制作水平。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103433927 A CN 103433927 A *CN103433927A* 1/1 页 2 1. 一种浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 该浅水观察级水下机器人的 设计方法包括以下步骤 ： 选择浅水观察级水下机器人形体 ； 根据水下机器人的工作环境， 设计水密耐压壳体 ； 根据以上四种推进器布局方式并结合水下机器人的运动性能要求， 。

4、设计水下机器人的 动力系统 ； 选择电池作为水下机器人的系统能源 ； 根据水下机器人的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统进行合理的设计 ； 水下机器人各结构之间选择密封方式 ； 设计调平装置， 保证水下机器人在内部电路安装完成后可以保持平衡状态。 2. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 的形体采用流线型。 3. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 的水密耐压壳体选择半球形封头的圆柱形壳体。 4. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 的上浮下潜推进器的布。

5、置则采用单推进器布置方式， 前进后退推进器的布置采用双推进器 平行布置方式。 5. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 系统能源选 择镍氢电池。 6. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 选择两个摄像机， 三个 LED 灯照明， 黑白摄像机安装在水下机器人后视方向， 并且配备一个 LED 灯以供光照补偿， 水下机器人前视方向安装彩色摄像机， 并且配备两个 LED 灯以供光照 补偿， LED 灯安装方向与摄像机方向平行同向。 7. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 耐压。

6、壳体与前后透明导流罩的密封、 耐压壳体与灯罩的密封、 耐压壳体与水下推进器的密 封、 电池筒的密封均采用 O 型圈径向密封， 耐压壳体与前后透明导流罩的密封为单层径向 密封 ； 水下推进器轴与导流罩的密封采用径向动密封的方式 ； 耐压壳体与水密插头的密封 采用单层 O 圈轴向密封的方式。 8. 如权利要求 1 所述的浅水观察级水下机器人的设计方法， 其特征在于， 水下机器人 电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为调平所用， 通过在不同部位安装不同重量的 调平块实现水下机器人的调平。 权 利 要 求 书 CN 103433927 A 2 1/5 页 3 一种浅水观察级水下机器人的设计方法 技术。

7、领域 0001 本发明属于水下机器人技术领域， 尤其涉及一种浅水观察级水下机器人的设计方 法。 背景技术 0002 水下机器人是一种有缆水下机器人。 水下机器人的雏形是几个美国人想要观察神 秘的海底世界， 于是在上世纪 50 年代， 他们将普通摄像机密封在防水壳体内将摄像机送入 了海底， 形成了第一代第一个浮游式有缆浅水器。而世界上真正意义上的第一个水下机器 人是1960年美国研制的 “CURV” 。 “RCV-125” 是世界上第一个商业化的水下机器人,于1975 年问世。 “RCV-125” 属于观察型水下机器人， 因为外形像一只球， 所以又称作 “眼球” 。小型 水下机器人多数是低成本的。

8、水下机器人， 其中大部分是以电力为能源， 正常工作水深在 300 米或300米以下。 这类浅水器主要任务是检测和观察。 目前由于电力能源系统技术的改善， 小型水下机器人得到了快速发展， 在容量、 深度和性能方面得到了显著调高。 目前小型水下 机器人在水下娱乐、 打捞救助、 水产养殖、 科学研究、 大坝和水路及港口检测、 城市地下管道 检测、 水下训练和航运及核设施检查、 近海检查和观测任务等方面得到了广泛的应用。 0003 目前国内小型水下机器人有天津市斯卡特科技有限公司的 MINI75C 和 MINI150C， 上海交通大学水下工程研究所的用于核工业无损检测的水下机器人。 0004 目前， 。

9、国内的水下机器人发展相对比较落后， 水下机器人的种类比较少， 应用型的 水下机器人稳定性较差。 发明内容 0005 本发明实施例的目的在于提供一种浅水观察级水下机器人的设计方法， 旨在解决 国内的水下机器人发展相对比较落后， 水下机器人的种类比较少， 应用型的水下机器人稳 定性较差的问题。 0006 本发明实施例是这样实现的， 一种浅水观察级水下机器人的设计方法， 该浅水观 察级水下机器人的设计方法是这样实现的 ： 0007 选择合适的浅水观察级水下机器人形体 ； 0008 根据水下机器人的工作环境， 设计合适的水密耐压壳体 ； 0009 根据以上四种推进器布局方式并结合水下机器人的运动性能要。

10、求， 设计水下机器 人的动力系统 ； 0010 选择合适的电池作为水下机器人的系统能源 ； 0011 根据水下机器人的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统进行合理的设计 ； 0012 水下机器人各结构之间选择合适的密封方式 ； 0013 设计调平装置， 保证水下机器人在内部电路等安装完成后可以保持平衡状态。 0014 进一步， 水下机器人的形体采用流线型。 0015 进一步， 水下机器人的水密耐压壳体选择半球形封头的圆柱形壳体。 说 明 书 CN 103433927 A 3 2/5 页 4 0016 进一步， 水下机器人的上浮下潜推进器的布置则采用第一种单推进器布置方式， 前进后退推进器的布。

11、置采用第二种双推进器平行布置方式。 0017 进一步， 系统能源选择镍氢电池。 0018 进一步， 水下机器人选择两个摄像机， 三个 LED 灯照明。黑白摄像机安装在水下机 器人后视方向， 并且配备一个 LED 灯以供光照补偿， 水下机器人前视方向安装彩色摄像机， 并且配备两个 LED 灯以供光照补偿。LED 灯安装方向与摄像机方向平行同向。 0019 进一步， 水下机器人耐压壳体与前后透明导流罩的密封、 耐压壳体与灯罩的密封、 耐压壳体与水下推进器的密封、 电池筒的密封均采用 O 型圈径向密封， 其中除耐压壳体与 前后透明导流罩的密封为单层径向密封其余均采用双层径向密封 ； 水下推进器轴与导。

12、流 罩的密封采用径向动密封的方式 ； 耐压壳体与水密插头的密封采用单层 O 圈轴向密封的方 式。 0020 进一步， 水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为调平所用， 通 过在不同部位安装不同重量的调平块实现水下机器人的调平。 0021 本发明提供的浅水观察级水下机器人的设计方法， 保证水下机器人正常工作的情 况下增加了水下机器人的稳定性， 降低了水下机器人的重量， 选择镍氢电池增加了储电量 降低了重量， 延长了了使用寿命， 对环境无污染。 密封装置大大的增加了浅水观察级水下机 器人的密封效果， 水下机器人的上浮下潜推进器的布置则采用第一种单推进器布置方式， 前进后退推进器的布置采。

13、用第二种双推进器平行布置方式降低了不必要的装置， 满足水下 机器人的工作需要同时降低了成本， 解决了目前应用型的水下机器人稳定性较差的问题 , 同时也丰富了水下机器人的种类。本发明制备的水下机器人系统， 结构简单， 操作方便， 稳 定性高， 提高了国内的水下机器人的制作水平。 附图说明 0022 图 1 是本发明实施例提供的浅水观察级水下机器人的设计方法的流程图。 具体实施方式 0023 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合实施例， 对本发明 进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于 限定本发明。 0024 图 1 示出了本。

14、发明提供的浅水观察级水下机器人的设计方法流程。为了便于说 明， 仅仅示出了与本发明相关的部分。 0025 本发明的浅水观察级水下机器人的设计方法， 该浅水观察级水下机器人的设计方 法是这样实现的 ： 0026 选择合适的浅水观察级水下机器人形体 ； 0027 根据水下机器人的工作环境， 设计合适的水密耐压壳体 ； 0028 根据以上四种推进器布局方式并结合水下机器人的运动性能要求， 设计水下机器 人的动力系统 ； 0029 选择合适的电池作为水下机器人的系统能源 ； 0030 根据水下机器人的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统进行合理的设计 ； 说 明 书 CN 103433927 A 4。

15、 3/5 页 5 0031 水下机器人各结构之间选择合适的密封方式 ； 0032 设计调平装置， 保证水下机器人在内部电路等安装完成后可以保持平衡状态。 0033 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机器人的形体采用流线型。 0034 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机器人的水密耐压壳体选择半球形封头的 圆柱形壳体。 0035 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机器人的上浮下潜推进器的布置则采用第 一种单推进器布置方式， 前进后退推进器的布置采用第二种双推进器平行布置方式。 0036 作为本发明实施例的一优化方案， 系统能源选择镍氢电池。 0037 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机。

16、器人选择两个摄像机， 三个 LED 灯照明。 黑白摄像机安装在水下机器人后视方向， 并且配备一个 LED 灯以供光照补偿， 水下机器人 前视方向安装彩色摄像机， 并且配备两个LED灯以供光照补偿。 LED灯安装方向与摄像机方 向平行同向。 0038 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机器人耐压壳体与前后透明导流罩的密 封、 耐压壳体与灯罩的密封、 耐压壳体与水下推进器的密封、 电池筒的密封均采用 O 型圈径 向密封， 其中除耐压壳体与前后透明导流罩的密封为单层径向密封其余均采用双层径向密 封 ； 水下推进器轴与导流罩的密封采用径向动密封的方式 ； 耐压壳体与水密插头的密封采 用单层 O 圈轴。

17、向密封的方式。 0039 作为本发明实施例的一优化方案， 水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔 的作用即为调平所用， 通过在不同部位安装不同重量的调平块实现水下机器人的调平。 0040 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。 0041 如图 1 所示， 本发明实施例的浅水观察级水下机器人的设计方法包括以下步骤 ： 0042 S101 ： 选择合适的浅水观察级水下机器人形体 ； 0043 S102 ： 根据水下机器人的工作环境， 设计合适的水密耐压壳体 ； 0044 S103 ： 根据以上四种推进器布局方式并结合水下机器人的运动性能要求， 设计水 下机器人的动力系统 ； 0。

18、045 S104 ： 选择合适的电池作为水下机器人的系统能源 ； 0046 S105 ： 根据水下机器人的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统进行合理的设 计 ； 0047 S106 ： 水下机器人各结构之间选择合适的密封方式 ； 0048 S107 ： 设计调平装置， 保证水下机器人在内部电路等安装完成后可以保持平衡状 态。 0049 水下机器人的形体采用流线型 ； 水下机器人的水密耐压壳体选择半球形封头的圆 柱形壳体 ； 水下机器人的上浮下潜推进器的布置则采用第一种单推进器布置方式， 前进后 退推进器的布置采用第二种双推进器平行布置方式 ； 系统能源选择镍氢电池 ； 水下机器人 选择两个。

19、摄像机， 三个 LED 灯照明。黑白摄像机安装在水下机器人后视方向， 并且配备一个 LED 灯以供光照补偿， 水下机器人前视方向安装彩色摄像机， 并且配备两个 LED 灯以供光照 补偿。LED 灯安装方向与摄像机方向平行同向 ； 水下机器人耐压壳体与前后透明导流罩的 密封、 耐压壳体与灯罩的密封、 耐压壳体与水下推进器的密封、 电池筒的密封均采用 O 型圈 径向密封， 其中除耐压壳体与前后透明导流罩的密封为单层径向密封其余均采用双层径向 说 明 书 CN 103433927 A 5 4/5 页 6 密封 ； 水下推进器轴与导流罩的密封采用径向动密封的方式 ； 耐压壳体与水密插头的密封 采用单层。

20、 O 圈轴向密封的方式。 0050 本发明提供的一种浅水观察级水下机器人的设计方法通过选择合适的的水下机 器人形体， 根据水下机器人的工作环境， 设计合适的水密耐压壳体， 根据以上四种推进器布 局方式并结合水下机器人的运动性能要求， 设计水下机器人的动力系统， 选择合适的电池 作为水下机器人的系统能源， 根据水下机器人的观测对象和作业任务， 对观测和照明系统 进行合理的设计， 对 OV 各结构之间进行密封， 最后设计调平装置， 保证水下机器人在内部 电路等安装完成后可以保持平衡状态。 0051 本发明的设计主要包括 ： 水下机器人的形体设计、 水密耐压壳体的设计、 动力推进 系统的设计、 电源。

21、方案设计、 观测和照明系统的设计、 水密方案的设计以及调平的设计。 0052 水下机器人的形体设计 ： 设计选择水下机器人外形时需要考虑到耐压壳体是否有 足够的强度、 水下密封是否能达到标准、 航行时阻力应该尽量小且航行性能要良好、 整体安 装时总体布局是否合理以及加工时的工艺性。根据现有的商品化的水下机器人可知， 最常 见的水下机器人外形有流线型和开架式两种。 小型浅水观察级水下机器人流线型的比较多 见。 为了减小小型水下机器人行进中的阻力， 降低能源消耗， 一般将小型水下机器人设计成 类似于鱼雷的流线型。一般情况下水下机器人可通过脐带缆提供电源， 但是小型浅水观察 级水下机器人有时作业环境。

22、不能提供交流电源只能依靠自身携带的蓄电池提供电源， 这时 水下机器人的流线形设计可以增加水下机器人的续航能力。 综合以上特点选择流线型作为 水下机器人外形。 0053 水密耐压壳体的设计 ： 目前常见的水下机器人的耐压壳体为球壳圆柱形外壳两 种。球壳的内部空间利用率不高， 但是前进中阻力比较小， 圆柱形壳体的内部空间利用率 高， 所以选择半球形封头的圆柱形壳体作为水下机器人的水密耐压壳体。 0054 动力推进系统的设计 ： 常见的推进器布局有单推进器布置、 双推进器平行布置、 双 推进器交叉布置和四推进器环形布置。 根据以上四种推进器布局方式并结合水下机器人的 运动性能要求， 由于水下机器人体。

23、积小巧转向方便不需要侧向推进器， 上浮下潜推进器的 布置则采用第一种单推进器布置方式， 前进后退推进器的布置采用第二种双推进器平行布 置方式。 0055 电源方案设计 ： 在水下机器人上利用的电池一般有镍氢电池、 锂离子电池， 其中各 有优缺点。考虑到电池放电电流、 电池充电复杂程度、 电池工作环境、 电池能量密度以及电 池成本， 选择镍氢电池作为系统能源。 0056 观测和照明系统的设计 ： 水下机器人常用的光源为 LED 灯， LED 灯节能、 寿命长、 色 彩丰富饱满、 启动时间短。水下机器人常用的摄像机为 CCD 摄像机， CCD 摄像机可靠性高、 抗震能力强、 光谱响应宽， 还不会出。

24、现烧伤现象。CCD 摄像机可分为彩色摄像机和黑白摄像 机， 一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高， 比较适合用于光线不足的地方， 如果使用的目的 只是监视景物的位置和移动， 可采用黑白摄像机 ； 如果要分辨被摄像物体的细节， 比如分辨 水下物体的颜色， 则采用彩色的比较好。 由于黑白摄像机灵敏度比彩色摄像机高， 水下机器 人在工作过程中先打开黑白摄像机寻找要观察或者寻找的目标， 定位好目标所在位置， 并 且引导操作员将水下机器人移动到目标附近， 然后关闭黑白摄像机打开彩色摄像机， 用彩 色摄像机观察目标的细节， 必要时记录下目标的彩色图像。 鉴于上述分析， 本设计的水下机 说 明 书 CN 103。

25、433927 A 6 5/5 页 7 器人选择两个摄像机， 三个 LED 灯照明。黑白摄像机安装在水下机器人后视方向， 并且配备 一个LED灯以供光照补偿， 水下机器人前视方向安装彩色摄像机， 并且配备两个LED灯以供 光照补偿。LED 灯安装方向与摄像机方向平行同向。 0057 水密方案的设计 ： 目前， 耐压壳体的密封可以使用机械强度高、 弹性大和恢复能力 强的材质的物体加紧在两个密封面之间， 通过此物体密封住间隙， 防止海水进入耐压壳体， 即所谓的 “接触密封法” 。 对于接触性密封， 无论动密封还是静密封都是固体间的接触密封， 其中 O 圈密封就属于典型的接触密封。耐压壳体封头的密封结。

26、构通常有轴向密封、 径向密 封、 轴向径向双重密封以及角密封。 0058 结合以上密封原理以及密封方法的介绍， 本发明的水下机器人耐压壳体与前后透 明导流罩的密封、 耐压壳体与灯罩的密封、 耐压壳体与水下推进器的密封、 电池筒的密封均 采用 O 型圈径向密封， 其中除耐压壳体与前后透明导流罩的密封为单层径向密封其余均采 用双层径向密封 ； 水下推进器轴与导流罩的密封采用径向动密封的方式 ； 耐压壳体与水密 插头的密封采用单层 O 圈轴向密封的方式。 0059 调平的设计 ： 水下机器人采用流线型设计， 机械结构布局基本对称， 结构上可以做 到平衡， 但是水下机器人在装配过程中会出现很多情况 （。

27、比如布线每次不可能完全相同） ， 为了解决每次组装完成后水下机器人可能存在不平衡的问题， 需要设计调平机构。水下机 器人搭载不同负荷时重力和浮力也不完全相同， 为了调节水下机器人的重力也需要设计调 平机构。水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为调平所用， 通过在不同 部位安装不同重量的调平块实现水下机器人的调平， 此方法简单易行。 0060 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103433927 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103433927 A 8 。