1.本发明涉及水下机器人的技术领域，具体为一种水下无人无缆作业型机器人。
背景技术：
2.常规的无人无缆水下机器人auv主要可以分为如下两类：监测型和作业型，其中监测类水下机器人主要搭载不同的传感器，直接进行相关参数的测量，只对本身的航速、续航里程和传感器安装位置等进行限制即可；后者由于受自身续航能力、自身平恒性及复杂海况等诸多因素的影响，国际上相关产品较少。
3.监测型的机器人如申请号为202020449668.5的中国专利公开的一种用于水下检测的水下机器人，所述机器人的壳体前进方向的垂直面方向薄于水平面，水下通信系统固定在壳体顶部，能源系统、耐压检测系统和耐压控制舱设置在壳体内部；可收放式稳定翼固定在壳体尾部的外表面；四个矢量推进器布置在壳体的两侧；耐压控制舱内装有水下机器人的控制系统；耐压控制舱的外壳包括柱壳和多个肋骨，肋骨分布在柱壳外表面，柱壳包括上壳板、下壳板和减压层；上壳板外侧壁与下壳板内侧壁为平行的斜面，上壳板外侧壁与下壳板内侧壁之间形成空隙，该空隙内减压层；减压层的材料为浮力材料、阻尼材料或吸声材料。
4.作业型的机器人如申请号为201810745727.0的中国专利公开的一种水下机器人
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水下机械臂系统，由三部分组成：水下机器人本体、水下机械臂和辅助调节装置；水下机器人本体为无缆型的自主式水下机器人，其动力系统采用欠驱动方式实现水下机器人的姿态和运动控制，其驱动系统由单推进器和一个十字舵组成，安装在其艉部；本系统采用四自由度五功能的水下机械臂，该水下机械臂由两个回转关节和两个摆动关节和一个机械手抓组成，辅助调节装置安装在水下机器人的正下方，靠近艉部。该装置由丝杠滑块机构，和伺服电机驱动。通过移动滑块，能够实现对水下机器人重心的调节。用来补偿水下机械臂在运动过程中对水下机器人重心纵向变化影响，实现水下机器人姿态稳定。
5.下面着重来讲作业型的水下机器人，由于auv本身自带能源，所以必须考虑其外形的节能减阻，但是由于作业型auv作业过程中，复杂海况下需要稳定悬停，实际上就是增加自身阻力。
6.传统的作业型auv的机械臂直接安装在本体的外部并靠近艏部，由于机械臂本身结构复杂，所以整体受水动力的影响较大，且速度越大阻力越大，难以提高巡航速度，而且还会增加能源消耗。所以传统的作业型auv续航能力差，作业范围不够广，能耗也相对较高。
技术实现要素：
7.本发明的目的是提供一种性能更好的水下无人无缆作业型机器人。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水下无人无缆作业型机器人，包括艏部、中部和艉部，所述艏部、中部和艉部均为中空结构，所述中部设置有机械臂升降装置和舱门开合机构，所述艏部上设置有一个第一水平槽道推进器和一个第一垂
直槽道推进器，所述艉部上设置有两个第二垂直槽道推进器和四个主推进器。
9.作为对本发明的优选，所述机械臂升降装置包括安装在所述中部内的固定底座、所述固定底座上安装有的能上下伸缩的推杆、所述推杆的下端连接有的机械臂以及上下穿设在所述固定底座上并下端与所述机械臂顶部固定连接住的导向轴。
10.作为对本发明的优选，所述导向轴具有四个并围绕在所述推杆的外围呈圆周等间距分布。
11.作为对本发明的优选，所述艉部包括基础部分以及所述基础部分外壁上固定有上垂直尾翼、左水平尾翼、下垂直尾翼和右水平尾翼，所述上垂直尾翼、左水平尾翼、下垂直尾翼和右水平尾翼呈圆周等间距分布且各安装有一个所述主推进器。
12.作为对本发明的优选，所述左水平尾翼和所述右水平尾翼上还分别安装有一个所述第二垂直槽道推进器，所述第二垂直槽道推进器的位置位于所述主推进器的位置的前侧。
13.作为对本发明的优选，所述上垂直尾翼的上侧边部、所述左水平尾翼的左侧边部、所述下垂直尾翼的下侧边部以及右水平尾翼的右侧边部均各自一体成型连接有前后延伸的翼边沿加强导流梭形翅。
14.作为对本发明的优选，所述艏部的长度为750
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1000mm，所述艏部的长度与所述中部的长度比例为0.3至0.6，所述艉部的长度与所述中部的长度比例为0.7至1.0。
15.作为对本发明的优选，所述舱门开合机构包括安装在所述中部内的驱动电机、所述驱动电机上安装有的曲柄，所述曲柄末端安装有的摇杆，所述摇杆另一端连接舱门，所述舱门四个角限定在滑轨中，所述滑轨固定安装在中部，所述舱门关闭时，所述曲柄与所述摇杆共线并关紧所述舱门，所述舱门打开时，所述曲柄与所述摇杆再次共线并使所述舱门保持打开状态。
16.作为对本发明的优选，所述中部内位于所述舱门的周围安装有配重模块。
17.作为对本发明的优选，所述配重模块包括围绕在舱门周围呈圆周等间距分布并呈散射状的条形导流铅块，相邻的条形导流铅块之间形成有供舱门打开或者关闭时对活动的水流进行引流的导流槽。
18.本发明的有益效果：本技术机器人的机械臂安装在伸缩平台上并在其下方安装有舱门，巡航时机械臂收回机器人内部并关闭舱门，以保持流线型以降低水阻力；作业时机械臂通过起落架伸出，保证机械臂作业空间，为增加auv稳定悬停时的作业能力，将其机械臂设计在auv的重心附近，这样不仅能节约本身的能耗，而且也能提升其稳定悬停的阻力。
19.进一步地，该auv的机械臂创新性采用中部开口，相对于传统的前部作业型auv，相同长度的机械臂作业过程中，显著增加了auv机械臂的作业范围。而且该作业型auv的主要巡检是针对水下海缆的巡检。海底电缆一般是敷设在海底的，是在auv身体的正下方，因而，更进一步地提高了水下作业型auv的作业范围。
20.本技术的机器人在作业过程中机械臂来回伸缩和旋转，确实难以将其自身和auv稳定下来，为避免该状况的发生，在设计过程中在艏部和艉部依次添加了一个和两个垂向的推进器结构并配合独特的尾翼设计，以综合控制水下机器人的俯仰角、横滚角和侧翻角，以达到增加其稳定的效果。
附图说明
21.图1为实施例中的机器人上部打开后的立体结构示意图；图2为图1另一视角的立体结构示意图；图3为实施例中的机器人完整的外部轮廓的立体结构示意图；图4为实施例中的机器人在舱门开合机构处的具体结构示意图；图5为实施例中的机器人的机械臂升降装置的立体结构示意图；图6为实施例中的机器人艉部处的立体结构示意图；图7为图3中的机器人机械臂伸出舱外后的左视图；图8为图7中结构的俯视图；图9为机器人的中部具有优化有配重模块后的立体结构示意图。
具体实施方式
22.以下具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
23.实施例，如图1
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9所示，一种水下无人无缆作业型机器人，包括艏部1、中部2和艉部3，所述艏部1、中部2和艉部3均为中空结构，所述中部2设置有机械臂升降装置和舱门开合机构，所述艏部1上设置有一个第一水平槽道推进器11和一个第一垂直槽道推进器12，所述艉部3上设置有两个第二垂直槽道推进器31和四个主推进器32。本实例跟现有技术很大的一个区别在于，带有作业型机械臂的机械臂升降装置是在中部2设置的，并且优选是设置在中部2靠前后中间的位置上，其能收缩存储在中部的内侧空间，又能伸出中部进行作业，这样相比于现有技术中机械臂在舱外设置的，升降的幅度可以很大，作业范围会更宽，由此，也会使得机械臂的动作幅度会很大，通过上述推进器的设计，可以有效改善这一点，并能起到很大的稳定效果。
24.进一步，所述机械臂升降装置包括安装在所述中部2内的固定底座41、所述固定底座41上安装有的能上下伸缩的推杆42、所述推杆42的下端连接有的机械臂43以及上下穿设在所述固定底座41上并下端与所述机械臂43顶部固定连接住的导向轴44。固定底座41可以采用矩形钢板等结构与中部2的内壁固定住即可，例如两者之间固定连接一个固定杆等，推杆42上下穿过固定底座41并能上下伸缩，推杆42可以通过安装在中部的气缸等驱动上下活动，推杆42的下端就能带着机械臂43上下活动了，推杆42本身可以是气缸等升降设备并且其活塞杆向下穿过固定底座41后下端连接机械臂，这些方式都是可以实现的，当然，为了升降的稳定，还需要配置导向轴44，导向轴也是上下穿过固定底座41的，并且导向轴的顶部是要连接有直径尺寸大于其主体直径尺寸的限位头，由于固定底座41上会开设跟导向轴44主体部分直径尺寸一致的孔洞结构，这样限位头就能在这些孔洞上进行上侧的限位，防止导向轴44向下掉落掉出固定底座41。
25.作为优选，所述导向轴44具有四个并围绕在所述推杆42的外围呈圆周等间距分布，如果是四个导向轴44，也就是一个正方形的矩阵排布的结构，结构相对稳定。
26.作为优选，所述艉部3包括基础部分301以及所述基础部分301外壁上固定有上垂直尾翼3021、左水平尾翼3022、下垂直尾翼3023和右水平尾翼3024，所述上垂直尾翼3021、
左水平尾翼3022、下垂直尾翼3023和右水平尾翼3024呈圆周等间距分布且各安装有一个所述主推进器32，这四个尾翼也是呈正方形的矩阵排布的。上垂直尾翼3021上的主推进器32位于其后部靠上的位置，左水平尾翼3022上的主推进器32位于其后部靠左的位置，下垂直尾翼3023上的主推进器32位于其后部靠下的位置，右水平尾翼3024上的主推进器32位于其后部靠右的位置。主推进器32也可以采用槽道推进器，但其方向是在前后方向进行推进和后退的。
27.进一步，所述左水平尾翼3022和所述右水平尾翼3024上还分别安装有一个所述第二垂直槽道推进器31，所述第二垂直槽道推进器31的位置位于所述主推进器32的位置的前侧。优选，所述左水平尾翼3022和所述右水平尾翼3024上的第二垂直槽道推进器31都是在他们的重心位置设置为宜，第二垂直槽道推进器31是垂直作业的，也即是在上下方向进退的。
28.上述结构中，所述左水平尾翼3022和所述右水平尾翼3024及其上的连接结构优选是左右镜像对称的，同样，上垂直尾翼3021和下垂直尾翼3023处的结构设计是优选上下进行对称的。进一步优选，所述上垂直尾翼3021的上侧边部、所述左水平尾翼3022的左侧边部、所述下垂直尾翼3023的下侧边部以及右水平尾翼3024的右侧边部均各自一体成型连接有前后延伸的翼边沿加强导流梭形翅3025。翼边沿加强导流梭形翅3025提升了翼边的结构强度，同时增加了边上的受力面积，在水下作业时，可控性更好，能更好地起到稳定行驶和精确悬停的效果。
29.另外，还有些尺寸设计的要求，尽量是所述艏部1的长度为750
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1000mm，所述艏部1的长度与所述中部2的长度比例为0.3至0.6，所述艉部3的长度与所述中部2的长度比例为0.7至1.0。这种尺寸的结构设计更有利于本实施例这种机器人的实现。
30.具体地，所述舱门开合机构包括安装在所述中部2内的驱动电机51、所述驱动电机上安装有的曲柄52，所述曲柄52末端安装有的摇杆53，所述摇杆53另一端连接舱门54，所述舱门54四个角限定在滑轨55中，所述滑轨55固定安装在中部2，所述舱门54关闭时，所述曲柄52与所述摇杆53共线并关紧所述舱门54，所述舱门54打开时，所述曲柄52与所述摇杆53再次共线并使所述舱门54保持打开状态。具体是，所述舱门54关闭时，所述曲柄52与所述摇杆53共线时，所述曲柄52与所述摇杆53这个连杆机构所形成的死点关紧所述舱门54，所述舱门54打开时，所述曲柄52与所述摇杆53再次共线时连杆机构又回到死点使所述舱门54保持打开状态。舱门54可以是左右移动的，那个中部2开设的舱门门口是需要小于等于舱门尺寸的，滑轨55中前后各一个并左右延伸，滑轨55的左右尺寸是要大于舱门的左右尺寸的，这样可以使得舱门可以具有足够的左右移动空间来封闭舱门门口和打开时存放在滑轨55没有处在舱门门口56处的部分。当然，舱门开合机构可以采用现有其他门开合的结构。
31.下面介绍一种具体的实施案例：一种水下无人无缆作业型机器人，包括艏部1、中部2和艉部3，所述的艏部1、中部2和艉部3均为中空结构，本发明的艏部、中部和艉部中空结构，能够保证内外的压力均衡，使本发明一般能够应用于500米水深。所述艏部长度a为750至1000mm，本实实施例的长度是指艏部1至艉部3前后方向的尺寸，宽度是左右的尺寸；所述的艏部水平截面为半椭圆，其长轴为a为2*a，长轴是上下方向，短轴b为1.2*a 至1.5*a，短轴是左右方向；所述艏部与中部连接处截面为上半椭圆下矩形的曲面结构，其中半椭部分的长轴c为1.3*a 至1.7*a，长轴是
上下方向的，短轴d=b，短轴是左右方向的，矩形部分宽e=d，高f=c/2。所述中部的长度b与艏部的长度a的比例为a/b为0.3至0.6；所述中部的形状为截面为上椭下矩的空心柱体，其中半椭部分长轴为c，长轴也是上下方向的，短轴为d，短轴是左右方向的，矩形部分宽也为e，高也为f。所述艉部长度c与中部长度b的比例c/b为0.7至1.0；所述的艉部外壁上90
°
等间距分布有四个尾翼，分别为上垂直尾翼3021、左水平尾翼3022、下垂直尾翼3023和右水平尾翼3024，左水平尾翼3022和右水平尾翼3024前后长度均为0.3*b至0.5*b，而左水平尾翼3022的最左侧与右水平尾翼3024的最右侧之间的间距为0.6*b至0.7*b，左水平尾翼3022靠左前方的边与前后延伸方向的倾斜角的角度为5
°‑
15
°
，右水平尾翼3024靠右前方的边与前后延伸方向的倾斜角的角度为5
°‑
15
°
。上垂直尾翼3021和下垂直尾翼3023前后长度均为0.2*b至0.4*b，上垂直尾翼3021的最上侧和下垂直尾翼3023的最下侧之间的间距为0.6*b至0.7*b，上垂直尾翼3021的前侧边与前后延伸方向的倾斜角的角度为30
°‑
60
°
，下垂直尾翼3023的前侧边与前后延伸方向的倾斜角的角度为30
°‑
60
°
。
32.第一垂直槽道推进器12安装在艏部的从艏部至艉部方向的1/3处，也即从前向后长度的1/3处，第一水平槽道推进器11安装在艏部的从前向后长度的7/10处，也即水平的推进器是更靠后的。
33.所述机械臂升降装置包括固定底座41、推杆42、导向轴44和机械臂43。所述固定底座41固定于中部从前向后长度的3/5处；所述推杆42安装在固定底座41处并固定底座41上开设与推杆42同心并供推杆42穿过的通孔；所述导向轴44与固定底座41四周的孔洞结构同心并上下穿过这些孔洞，所述导向轴44下端端固定于机械臂上；机械臂具有圆柱形基座40，则该圆柱形基座与推杆42同心并与推杆42下端固定连接；所述机械臂43在中部收纳的时候，机械臂43最低端与关合的舱门5的间距优选为0.03*b。
34.第二垂直槽道推进器31优选在艉部从前向后长度的3/5处，左水平尾翼3022的第二垂直槽道推进器31与右水平尾翼3024的第二垂直槽道推进器31之间的间距优选为0.75*b；另外，四个主推进器分布于四个尾翼末端，左水平尾翼3022的主推进器32与右水平尾翼3024的主推进器32之间的间距优选为0.53*b，上垂直尾翼3021的主推进器32与下垂直尾翼3023的主推进器32之间的间距也优选为0.53*b本发明整体长度与中部空间可根据装载设备数量进行调整，整体能耗可根据传感器工作时间与巡航时间进行估算，确定合理的电池搭载体积，中部的类似长方体设计一方面有利于搭载传感器、电池、操控装置等，另一方面也可以提高自主式水下航行器的稳定性，艉部较大的水平和垂直尾翼有利于高速巡航时保持姿态稳定，工作时有利于水下自主航行器快速对准来流方向，具体调整方式举例如下：设工作区域洋流在作业型水下机器人的左上方，则上垂直尾翼3021的m面收到的冲击力将大于其n面，m面为左侧面，n面为其翼边沿加强导流梭形翅3025的表面，此时作业型水下机器人将绕其自身的特定转轴进行旋转，直至尾翼m、n面受力相同；与此同时，左水平尾翼3022的h面收到的冲击力大于其g面, h面其上侧面，g面为其翼边沿加强导流梭形翅3025的表面，作业型水下机器人将绕其自身的特定转轴进行旋转直至h、g两面受力相同。当上述m、n面受力相同，h、g面受力相同时，作业型水下机器人艏部将对准洋流来流方向，主推进器的推力一部分将用于抵抗洋流，余下部分用于航行至作业区域。三点式垂直槽道推进器易于保障作业时自主式水下航行器的悬停精度，其工作方式如下：作业型水下机器人到达工作范围后，三个垂直槽道推进器产生推力，
使作业型水下机器人到达指定深度，当机械臂伸出舱工作时导致作业型水下机器人重心位置发生改变，重心与浮心的位置差，使得重力与浮力产生滚动力矩，此时水平尾翼的两个垂直槽道推进器反向增加相同推力以抵消重心改变产生的滚动力矩来维持作业型水下机器人的作业姿态。
35.本发明中作业型水下机器人设计为略微正浮力，采用动力下潜。高速巡航时，艏部的特殊曲面设计和中部平滑的形状有利于降低巡航时的阻力，艉部的水平和垂直尾翼可提高稳定性。作业时，艉部的水平和垂直尾翼有利于水下自主航行器快速对准洋流方向并采用主推进器对抗洋流，中部伸出机械臂，增大作业范围，三点式垂直槽道推进器可以保证悬停的高度和稳定度。
36.进一步优化，所述中部2内位于所述舱门54的周围安装有配重模块。这里先介绍一下，水下机器人大部分是透水型的，也即水会机器人内部存在，本发明的机器人也是如此，是透水型的。但即便是这样的机器人，由于打开舱门后，特别是机械臂升降或者作业过程中，会有较大动作幅度从机械臂会带动水活动，受动的水流会对机器人的稳定性产生影响，特别是对悬停会有不小的影响，所以在该处设置配置模块可以有效保证机械臂动作带来的水流影响，更好地提升稳定性。
37.更进一步，所述配重模块包括围绕在舱门54周围呈圆周等间距分布并呈散射状的条形导流铅块551，相邻的条形导流铅块551之间形成有供舱门打开或者关闭时对活动的水流进行引流的导流槽552，导流槽552使得受动的活动水流可以较为均为的向四周扩散，尽量保证机器人的稳定性。更为优选的是，在条形导流铅块551的表面固定有些缓冲垫500，例如海绵等带有多孔的结构，减少活动水流的影响。更为优化的是，在条形导流铅块551上安装连接有放线滚筒501，放线滚筒501是能回转的滚筒，例如通过扭簧结构安装在条形导流铅块551上，或者其他现有能让放线滚筒501转动之后又能回转的滚筒结构即可，最好是在转动方向有上述扭簧这样能有缓冲性能的，然后，放线滚筒上缠绕有不锈钢丝线或者其他尼龙线或者弹性线的线体502，所述线体502一端缠绕在放线滚筒501上，另一端为拉出的线头并跟机械臂连接住，使得机械臂在升降和作业的过程中，有线体的牵拉，使得机械臂不仅有导向轴的导向，推杆的驱动，还有舱门扣周围的线体的牵拉，形成一个立体的支撑和伸缩驱动机构，能够使得机械臂的动作更加稳定，从而使得整个机器人的结构也更加稳定，悬停效果也更加好。当然，放线滚筒501需要保证出线的流畅，不要影响机械臂升降和作业时转动等即可。线体502的线头可以安装连接到机械臂的基座上。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。