技术领域
[0001] 本
发明涉及一种水下机器人，尤其涉及一种多功能的水下机器人及其设计方法，属于
机器人技术领域。
背景技术
[0002] 长期以来，陆上自然资源被大量开采直至枯竭，而海洋中蕴藏着丰富的资源，是有待开发的宝藏。水下机器人具有安全、经济、高效等众多优点，能够代替潜水员在高深度和危险环境中完成高强度、大负荷的工作，是开发海洋资源的一种重要工具。有缆遥控水下机器人(ROV，Remotely Operated Vehicle)是探测和开发海洋的“先锋”，已经成为一种重要的水下作业装备，并广泛应用于内河堤坝检测、海洋工程结构物安装与维修、深海资源探测、海洋管线检修、水下搜救等领域。特别是以ROV与潜水员饱和潜水相结合的水下作业技术已成为海洋工程水下结构检测与清污技术的重要模式。
[0003] 国内外现有的大多数水下机器人只有浮游能力或爬行能力，而既能够浮游也能够爬行的水下机器人较为少见。美国LBC水下机器人是一种可进行浮游和爬行的水下监测机器人，它用四驱小车爬行，使用
涡流发生器来产生
负压吸附力。但是该机器人动力驱动装置众多，需9个
电机，供电系统额定功率大、能耗大，控制对象过多、复杂度高，电机利用率低，制造成本和加工难度较大。
[0004]
专利CN201310214569.3提供了一种模态切换水下机器人的基本物理构造和控制方法，但并没有提供详细的控制系统。专利CN201310545280.X提供了一种浮游爬壁水下机器人基本结构，但没有涉及其控制方法且不具清污功能。专利CN201310273444.8提供了一种水下清污检测机器人，但其只能在水底爬行，不具浮游功能，清污功能实行起来不方便，且其清污刷一只暴露在体外，不具备模态切换功能，影响其行
动能力。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种水下机器人动力推进系统及设计方法，面向海洋工程水下结构检测与清污领域。尤其是具备模态切换与清污结构，在不降低水下机器人灵活度的情况下能够高效进行清污作业。清污作业通过水下
传感器的配合、上位机
数据处理和人为的干预使其能够在水下环境合适的情况下进行自动清污作业，减少操控人员的工作量。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
[0007] 一种水下机器人动力推进系统，包括第一纵向
推进器805、第二纵向推进器806、第一垂向推进器803、第二垂向推进器804，所述第一垂向推进器803、第二垂向推进器804首尾布置，所述第一纵向推进器805、第二纵向推进器806同转速时控制机器人进退，差速时控制机器人转艏运动；所述第一垂向推进器803、第二垂向推进器804同转速时控制机器人升沉及贴壁吸附，所述首尾布置的第一垂向推进器803、第二垂向推进器804差速时调整机器人的纵摇
姿态。
[0008] 一种水下机器人动力推进系统设计方法，进行动力推进单元计算，将ROV看成粘性不可压缩
牛顿
流体，并建立以下连续方程和运动方程：
[0009]
[0010]
[0011] 式中，ui(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的速度分量，uj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的速度分量，xi(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的坐标分量，xj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的坐标分量，p为压力，ρ为流体
密度， 为流体的运动粘性系数，t为时间；在模拟
湍流运动时，需要把式(2)中的变量分解成时均量 和脉动量φ′两个组成部分：
[0012]
[0013] 再对式(2)左右两侧对时间取平均，得到时均的连续方程：
[0014]
[0015] 式中，u′i表示正方向速度分量脉动量，u′i表示负方向速度分量脉动量。将式(4)与式(2)进行比较后发现式(4)只是多了雷诺
应力项，因此再引入湍流模型后就可以解决粘性流体的湍流流动问题；
[0016] 对六
自由度机器人水下运动受力进行分析，得出受力方程式为：
[0017]
[0018] 其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为五个推进器的推力；FTx、FTy、FTz分别表示机器人受到推进器的纵向、横向、垂向推力；MTx、MTy、MTz分别表示机器人受到推进器的横摇、
俯仰、回转力矩，a为水平向推进器与
中轴线距离，b为垂直向推进器与中轴线距离；
[0019] 由于水下机器人以进退为主要运动，所以可以根据纵向阻力来估算推进器的推力，水下机器人的阻力包括两个部分：水下
机器人本体运动阻力和缆绳阻力，水下机器人本体运动阻力计算公式为：
[0020]
[0021] 其中，Cd阻力系数，其取值在0.1-0.2之间，这里取0.12；V为水下机器人运动速度；ρ为水密度，L为特征长度，取水下机器人纵向长度1m；而对于缆绳的阻力，可以通过以下公式估算求得：
[0022]
[0023] 其中，A为特征面积，对于
电缆，A等于电缆直径乘以垂直于水流方向的长度，这里取0.38；由此，根据公式(5)，可以得出单个推进器的输出功率为：
[0024] P＝(F+Rd)·V/2 (8)
[0025] 本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
[0026] 前述水下机器人动力推进系统，还包括模态切换与清污模
块11，进行机器人浮游和爬壁清污两种模态的切换，所述模态切换与清污模块11包括第一步进电机807、第二步进电机808、清污电机809、行程
开关814、运动板815、清污盘刷816、爬行模块
齿轮101、纵向螺旋桨齿轮8101，行程开关814检测机器人的当前模态，在浮游模态时，所述第一纵向推进器805、第二纵向推进器806的电机齿轮与纵向螺旋桨齿轮8101
啮合，驱动纵向螺旋桨进行浮游运动；在爬壁清污模态时，第一步进电机807、第二步进电机808同步运转，驱动运动板815携带 清污电机809、清污盘刷816、第一纵向推进器805、第二纵向推进器806向下运动，第一纵向推进器805、第二纵向推进器806的电机齿轮与爬行模块齿轮101啮合，为
车轮提供动力，进行爬壁，清污电机809驱动清污盘刷816进行清污；当要再切换回浮游模态时，第一步进电机807、第二步进电机808再同步反向运转，清污盘刷816收回。
[0027] 前述水下机器人动力推进系统，其中清污盘刷816采用标准
接口清污刷，根据不同清刷对象可更换清污刷。
[0028] 前述水下机器人动力推进系统，其中清污盘刷816换成螺旋桨，增强机器人水下动力。
[0029] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030] 本发明的水下机器人ROV入水后，机载传感器将水下实时信息反馈到上位机界面。参照传感信息，操控人员利用上位机
软件或操控
手柄来控制ROV水下作业，水下潜航体靠自身装配的推进器进行浮游运动，并利用观察设备进行水下勘察作业。接近目标壁面后，通过模态切换与清污模块改变纵向电机动力作用点，实现浮游和爬行功能的切换：纵向电机与纵向螺旋桨齿合时可实现机器人4自由度浮游运动；纵向电机与车轮传动箱齿合时实现机器人的爬行清污作业；传动箱可以给后置两车轮传输动力，两个垂直推进器在爬行时提供贴壁吸附力。ROV推进器被设计为多重功能，模块化的设计与开发有助于零件的更换与维修，整个系统制造成本低、加工方便简单、供电系统能耗较小；同时可以在壁面爬行和清洁，也可以浮游勘察作业，活动范围广。而且通过模态切换使清污刷收放自如，当巡检时收起清污刷，使得对巡游作业的灵活运动几乎没有影响。当水下环境合适时，配合上位机对下位机传感器信息的识别处理，可以进行一定范围内的自动清污作业，减轻人工操作负担。
附图说明
[0031] 图1为本发明水下机器人动力推进系统结构
框图；
[0032] 图2为本发明水下机器人模态切换与清污模块图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步说明。
[0034] 如图1所示，水下机器人动力推进系统，包括第一纵向推进器805、第二纵向推进器806、第一垂向推进器803、第二垂向推进器804，所述第一垂向推进器803、第二垂向推进器
804首尾布置，所述第一纵向推进器805、第二纵向推进器806同转速时控制机器人进退，差速时控制机器人转艏运动；所述第一垂向推进器803、第二垂向推进器804同转速时控制机器人升沉及贴壁吸附，所述首尾布置的第一垂向推进器803、第二垂向推进器804差速时调整机器人的纵摇姿态。
[0035] 本发明目的ROV控制系统分水面控制系统和水下控制系统两个子系统，两者通过脐带缆连接实现
信号、
能源的传输。水下机器人动力推进系统设计方法为：
[0036] 基于牛顿力学定律、
质量与
能量守恒定理，将ROV看成粘性不可压缩
牛顿流体，并建立以下连续方程和运动方程：
[0037]
[0038]
[0039] 式中，ui(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的速度分量，uj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的速度分量，xi(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的坐标分量，xj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的坐标分量，p为压力，ρ为流体密度，ν为流体的运动粘性系数，t为时间。在模拟湍流运动时，需要把式(2)中的变量分解成时均量 和脉动量φ′两个组成部分：
[0040]
[0041] 再对式(2)左右两侧对时间取平均，得到时均的连续方程：
[0042]
[0043] 式中，u′i表示正方向速度分量脉动量，u′i表示负方向速度分量脉动量。将式(4)与式(2)进行比较后发现式(4)只是多了雷诺应力项，因此再引入湍流模型后就可以解决粘性流体的湍流流动问题。
[0044] 对六自由度机器人水下运动受力进行分析，得出受力方程式为：
[0045]
[0046] 其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为五个推进器的推力；FTx、FTy、FTz分别表示机器人受到推进器的纵向、横向、垂向推力；MTx、MTy、MTz分别表示机器人受到推进器的横摇、俯仰、 回转力矩，a为水平向推进器与中轴线距离，b为垂直向推进器与中轴线距离。
[0047] 由于水下机器人以进退为主要运动，所以可以根据纵向阻力来估算推进器的推力。水下机器人的阻力包括两个部分：水下机器人本体运动阻力和缆绳阻力。MC-ROV水下机器人本体运动阻力计算公式为：
[0048]
[0049] 其中，Cd阻力系数，其取值在0.1-0.2之间，这里取0.12；V为水下机器人运动速度；ρ为水密度，L为特征长度，取MC-ROV水下机器人纵向长度1m。而对于缆绳的阻力，可以通过以下公式估算求得：
[0050]
[0051] 其中，A为特征面积，对于电缆，A等于电缆直径乘以垂直于水流方向的长度，这里取0.38。由此，根据公式(5)，可以得出单个推进器的输出功率为：
[0052] P＝(F+Rd)·V/2 (8)
[0053] 水下动力推进单元包括垂向推进模块、纵向推进模块、模态切换模块、爬行模块。动力推进系统设计方案如下：设计四个推进器实现水下机器人升沉、进退、转艏、纵摇四个自由度的浮游运动以及爬行清污作业，其中垂直向推进模块的两个推进器实现升沉或纵摇运动及贴壁吸附；浮游时，模态切换模块的两个纵向推进器分别驱动纵向推进模块的两个纵向螺旋桨实现进退、转艏运动。两个垂向推进器实现升沉或纵摇运动；爬行时，两个垂向推进器实现贴壁吸附作用。两个纵向推进器驱动爬行模块的两个后置小车轮，与清污模块一起实现爬行清污作业；模态切换与清污模块的模态切换过程由两个步进电机带动
丝杆驱动。设计出的模态切换与清污模块如图2所示。
[0054] 模态切换与清污模块11进行机器人浮游和爬壁清污两种模态的切换，所述模态切换与清污模块11包括第一步进电机807、第二步进电机808、清污电机809、行程开关814、运动板815、清污盘刷816、爬行模块齿轮101、纵向螺旋桨齿轮8101，行程开关814检测机器人的当前模态，在浮游模态时，所述第一纵向推进器805、第二纵向推进器806的电机齿轮与纵向螺旋桨齿轮8101啮合，驱动纵向螺旋桨812进行浮游运动；在爬壁清污模态时，第一步进电机807、第二步进电机808同步运转，驱动运动板815携带清污电机809、清污盘刷816、第一纵向推进器805、第二纵向推进器806向下运动，第一纵向推进器805、第二纵向推进器 806的电机齿轮与爬行模块齿轮101啮合，为车轮10提供动力，进行爬壁，清污电机809驱动清污盘刷816进行清污；当要再切换回浮游模态时，第一步进电机807、第二步进电机808再同步反向运转，清污盘刷816收回。所述清污盘刷816采用标准接口清污刷，根据不同清刷对象可更换清污刷。在特殊情况下可将清污盘刷816换成螺旋桨，增强机器人水下动力。
[0055] 模态切换过程如下：
[0056] 当需要由浮游状态切换到爬行或清污作业时就需要进行模态切换。模态切换时，同步开启两个步进电机807,808，带动丝杆转动，因为丝杆上的
法兰和运动板固定在一起，所以，当丝杆转动的时候，法兰和丝杆产生相对运动，则运动板带动两个纵向电机和清污电机向下运动，当纵向电机上的齿轮和车轮箱的齿
轮齿合时，运动板正好
接触行程开关，则模态切换过程结束。此时清污盘刷正好由水下机器人本体内部露出。开启两个垂向电机，增加本体与
墙壁的吸附力，则可以开启两个纵向电机和清污电机进行爬行清污作业。当清污作业完成后，两个步进电机再同步反转，当运动板接触到上部行程开关时，两个纵向电机齿轮正好同纵向螺旋桨齿轮齿合，则切换到了浮游模式。同时清污电机和清污盘刷收回本体内部。
[0057] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
