CN103407562B - 多足水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多足水下机器人，包括：一为中空球体的中心主体，中心主体的表面均匀布设有多个连接孔，中心主体的内部装设有控制装置；每个连接孔都连接有一腿部，腿部包括前段和后段，后段与连接孔连接，前段的一端连接于后段，前段的另一端固定连接有一足部；前段内装设有活塞装置，足部内设有与活塞装置配合的水舱。足部呈球瓣形，且所有的足部可以拼合成一个完整的球形。中心主体的内壁上布设有三条圆形轨道，三条圆形轨道的轴线互相垂直；中心主体内还设有一可转动地支撑于圆形轨道上的球型内舱；控制装置装设于球型内舱内。本发明提供的多足水下机器人通过吸/排水方式在水下推进运动、能源消耗低、操控性好、可适应水下多种环境。

Description

多足水下机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是涉及一种可在水下工作的多足水下机器人。

背景技术

水下机器人是一种进行水下探测研究的工作机构，能潜入水中代替人类完成某些操作。随着人类水下观测开发活动的不断展开，水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，对利用水下机器人来进行水下探测作业的需求不断增加。

为了完成各种复杂的水下作业，水下机器人的控制驱动机构必须能够操纵水下机器人做出各种运动姿态。在水下作业过程中，水下机器人具有进退、侧移、升沉、纵摇、横摇、首摇六个运动自由度。水下机器人作业的性质要求其在作业过程中姿态稳定，并具有快速灵活的轨迹与姿态调节、控制与稳定能力。目前，依靠螺旋桨推进是驱动水下机器人运动的主要形式。

螺旋桨推进的水下机器人虽然结构简单、制作方便，但是体积庞大、操作复杂、难以具有良好的姿态稳定能力。螺旋桨依靠悬浮推进，靠近海底时会出现拖底、坐底等情况，不便于近海底活动。螺旋桨的推进需要靠多螺旋桨差动，桨页旋转时会与水下植物发生缠绕。螺旋桨推进对水产生很大的扰动，因而能源消耗量较大，可有效工作时间较短，推进效率不高。

近年来还出现了大量基于仿生学的仿鱼机器人，仿螃蟹机器人、仿龙虾爬行式机器人，以及喷水推进的水下机器人等。根据仿生学制造的水下机器人虽然较为节能，活动较为灵活，但是水下环境，特别是海洋环境变幻莫测，不仅有风浪流，还有各种悬浮硬物块和海底岩石等，当前的仿生学机器人由于外形的特殊性，在与水下硬物发生碰撞时，会很容易造成不同程度的损坏。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种通过吸/排水方式在水下推进运动、能源消耗低、可适应水下多种环境的多足水下机器人。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多足水下机器人，包括一中心主体，为中空的球体，所述中心主体的表面均匀布设有多个连接孔，所述中心主体的内部装设有控制装置；每个所述连接孔都连接有一腿部，所述腿部包括前段和后段，所述后段与所述连接孔连接，所述前段的一端连接于所述后段，所述前段的另一端固定连接有一足部；所述前段内装设有活塞装置，所述足部内设有与所述活塞装置配合的水舱。

优选地，所述活塞装置包括：固定安装于所述前段内且与所述控制装置连接的驱动电机，连接于所述驱动电机输出轴的转轴，与所述转轴螺旋传动配合的活塞体，所述活塞体的前端与所述水舱滑动配合。

进一步优选地，所述活塞体包括一活塞推杆和固定连接于所述活塞推杆前端且与所述水舱滑动配合的活塞推板；所述活塞推杆与所述转轴螺旋传动配合，所述活塞推杆的后端固定装设有限位块；所述前段上设置有与所述限位块配合的限位凸沿。

进一步优选地，所述控制装置通过无线局域网控制所述驱动电机。

优选地，所述前段与所述后段通过带有锁紧装置的万向节连接。

优选地，所述后段与所述连接孔通过带有锁紧装置的万向节连接。

优选地，所述足部呈球瓣形，且所有的足部可以拼合成一个完整的球形。

优选地，所述中心主体的内壁上布设有三条圆形轨道，三条圆形轨道的轴线互相垂直；所述中心主体内还设有一可转动地支撑于所述圆形轨道上的球型内舱；所述控制装置装设于所述球型内舱内。

优选地，所述连接孔的数目设为八个，所述足部和所述腿部的数目也均相应地的设为八个。

如上所述，本发明的多足水下机器人，具有以下有益效果：

1.通过活塞装置的抽吸、推送实现水舱中的吸水、排水，进而改变整个多足水下机器人的重量和重心位置，实现水下机器人的浮沉或滚动前进；还可以通过控制活塞推板的抽/推速度和位置保证多足水下机器人浮沉或滚动前进的速度。

2.可以调节腿部的前段与后段之间，腿部与中心主体之间的相对位置，使多足机器人适应水下各种环境，并能起到自我保护作用。

3.装载有控制装置的球形内舱可以在中心主体内自由旋转，球形内舱的整体重心始终位于中心主体的球心以下，多足水下机器人滚动前进的过程中，使球形内舱始终保持直立状态，保证内部设备能够正常工作。

附图说明

图1显示为本发明多足水下机器人的示意图。

图2显示为本发明多足水下机器人的中心主体外部的示意图。

图3显示为本发明多足水下机器人的前段的示意图。

图4显示为本发明多足水下机器人的足部的示意图。

图5显示为本发明多足水下机器人的活塞体的示意图。

图6显示为本发明多足水下机器人的活塞装置的剖视图。

图7显示为本发明多足水下机器人的中心主体内部的示意图。

图8显示为本发明多足水下机器人的球形内舱的示意图。

元件标号说明

1     中心主体

11    连接孔

12    控制装置

13    球型内舱

14    圆形轨道

2     足部

21    水舱

3     腿部

31    前段

311   限位凸沿

312   固定架

32    后段

33    活塞装置

331   活塞体

3311  活塞推杆

3312  活塞推板

3313  限位块

332   驱动电机

333   转轴

3331  外螺纹

334   电机固定架

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1所示为本发明多足水下机器人的外形示意图，如图1所示，该多足水下机器人包括一中心主体1、腿部3和足部2。图2所示为中心主体1外部的示意图，如图1和2所示，该中心主体1是一个中空的球体，在中心主体1的表面上均匀布设有多个连接孔11，每个连接孔11都连接有一个腿部3。腿部3包括前段31和后段32，后段32连接于连接孔11，前段31的一端连接于后段32，另一端连接有一个足部2。如图3所示，前段31的前端设置有与足部2固定连接的固定架312。

连接孔11的分布位置确定了多足水下机器人腿部3和足部2的分布位置，腿部3和足部2需要均匀地分布在中心主体1上，可以通过控制各个足部2的重量改变多足水下机器人的行动方向。连接孔11的数目决定了腿部3和足部2的数目。于实施例中，连接孔11的数目根据中心主体内接正六面体的八个顶角设为八个，相应地，腿部3和足部2的数目也均设为八个，这样可以充分考虑多足水下机器人前进的方向，操纵控制更为灵活，最方便的实现多足水下机器人的前进、后退、转向等。连接孔11的数目最少可设为六个，分布在中心主体内接正六面体六个面的中心，腿部3和足部2的数目也相应的为六个。足部2呈球瓣形，且所有的足部2可以拼合成一个完整的球形，这样的变形可以最大程度地抵抗水下的恶劣环境，有效地减小腿部3和足部2与海洋中硬物碰撞而造成的损坏程度。

本发明提供的多足水下机器人可以在水下行进，相对于螺旋桨的悬浮推进方式，该多足水下机器人通过改变整体重量和控制重心位置的方式来实现在水中的升沉和行进。

图4至图6分别显示为足部2、活塞装置33和活塞体331的示意图。如图4至图6所示，本发明提供的多足水下机器人腿部3的前段31内装设有活塞装置33，足部2内设有与活塞装置33配合的水舱21。通过控制活塞装置33的运动，可实现多足水下机器人足部2内水舱21的排水和吸水，从而调节多足水下机器人的重量、重心位置，进而依靠重力和浮力联合作用实现多足水下机器人的垂直升沉和滚动行进。

具体的，如图5和图6所示，活塞装置33包括：固定安装于前段31内且与控制装置12连接的驱动电机332、连接于驱动电机332输出轴的转轴333，与转轴333螺旋传动配合的活塞体331，活塞体331的前端与水舱21滑动配合。活塞体331包括一活塞推杆3311和固定连接于活塞推杆3311前端且与水舱21滑动配合的活塞推板3312。活塞推杆3311与转轴333螺旋传动配合。活塞推杆3311的后端固定装设有限位块3313。前段31上设置有与限位块3313配合的限位凸沿311。

驱动电机332通过电机固定架334固定在前段31内部，前段31内还设有供驱动电机332工作的电源等设备。驱动电机332在控制装置12的控制下开始工作，带动转轴333转动。转轴333具有外螺纹3331，活塞推杆3311具有内螺纹，转轴333与活塞推杆3311构成螺旋传动配合。转轴333的转动带动活塞推杆3311在前段31内轴向滑动，而活塞推杆3311前端的活塞推板3312则与水舱21滑动配合。控制装置12通过控制驱动电机332输出轴的顺时针或逆时针旋转即可实现活塞推板3312在水舱21内的轴向抽/推动作。活塞推杆3311上的限位块3313与前段31上的限位凸沿311配合，限制了活塞推杆3311的行程，防止活塞推杆3311在运动过程中从前段31中脱离。

上升时，控制所有的活塞推板3312全部向外推动，排空水舱21中的水，多足水下机器人重量减小，依靠水的浮力上升。下沉时，控制所有的活塞推板3312全部向内抽动，使水进入水舱21，机器人重量增加，依靠重力下沉。根据具体情况，可通过控制所有的活塞推板3312的抽/推速度和位置，进而控制多足水下机器人上升或下沉的速度。

行进时，控制处于前进方向上的足部2内的活塞推板3312向内抽动，使水进入水舱21；控制与前进方向相反的足部2内的活塞推板3312向外推动，将水排出水舱21。这样，多足水下机器人的整体重量保持不变，重心的位置向前进方向倾斜，使多足水下机器人能够滚动前进。为了使多足水下机器人在行进过程中不会上升或下沉，还应保证处于对角线上的两个足部2的进水量和排水量相同。同样，通过控制各个活塞推板3312的抽/推速度和位置，可以控制多足水下机器人的行进速度。

由于水下行进需要克服来流阻力，因而会产生很大的压差阻力。一般水下机器人靠螺旋桨推进，对水体的扰动很大，因此能源消耗量也较大、推进效率较低。本发明提供的多足水下机器人通过吸/排水方式在水下滚动行进，受到的阻力相对较小；由于驱动电机332的转速不高，并且不需要带动螺旋桨，对水体的扰动轻微，能源消耗量较小；多个足部2均匀地分布在各个方位，因而具有更好的操纵性和更高的推进效率。

为了使多足水下机器人的活动更为灵活，具有更高的可调节性，后段32与连接孔11的相对位置(腿部3相对于中心主体1的位置)以及前段31与后段32的相对位置都是全方位旋转可调的。于实施例中，后段32与连接孔11通过带有锁紧装置的万向节连接，前段31与后段32之间也通过带有锁紧装置的万向节连接。机器人下水前，专业人员可根据具体任务或水况对后段32与连接孔11的相对位置以及前段31与后段32的相对位置进行调整，调整好后通过锁紧装置进行固定。

后段32与连接孔11的相对位置、前段31与后段32相对位置的调整主要是用于改变整个腿部3的长度、足部2之间的开合度，使多足水下机器人能更好地适应不同的水下环境。在水底比较崎岖的情况下，较长的腿部3比较利于行走；在水底不断有杂物流动冲击的情况下，较短的腿部3可以有效地保护内部结构免于撞击损坏。腿部3长度的改变可以改变整个多足水下机器人的重力矩，进而改变多足水下机器人的行进速度。足部2之间的开合度在一定程度上也决定了多足水下机器人的行进速度。

驱动电机332的运转是由控制装置12通过无线局域网进行控制的。控制装置12和仪器设备都装设在中心主体1的内部，为了保证控制装置12和这些仪器设备在多足水下机器人滚动行进的过程中能够正常工作，中心主体1内部设置有一个始终保持直立的球型内舱13，控制装置12和仪器设备则装设在球型内舱13中。

具体的，如图7和图8所示，图7和图8分别显示为中心主体1内部和球型内舱13的示意图。中心主体1的内壁上布设有三条圆形轨道14，这三条圆形轨道14向中心主体1的内部凸出，它们的轴线互相垂直。装设有控制装置12和仪器设备的球型内舱13可转动地支撑于这三条圆形轨道14上，可以相对中心主体1的外壳做三个自由度的旋转。球型内舱13的整体重心位置始终位于球型内舱13的球心以下，在中心主体1滚动时球型内舱13始终保持直立姿态，为内部的控制装置12和仪器设备提供了一个稳定的操作平台。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种多足水下机器人，其特征在于，包括：

一中心主体（1），为中空的球体，所述中心主体（1）的表面均匀布设有多个连接孔（11），所述中心主体（1）的内部装设有控制装置（12）；每个所述连接孔（11）都连接有一腿部（3），所述腿部（3）包括前段（31）和后段（32），所述后段（32）与所述连接孔（11）连接，所述前段（31）的一端连接于所述后段（32），所述前段（31）的另一端固定连接有一足部（2）；所述前段（31）内装设有活塞装置（33），所述足部（2）内设有与所述活塞装置（33）配合的水舱（21）。

2.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于，所述活塞装置（33）包括：固定安装于所述前段（31）内且与所述控制装置（12）连接的驱动电机（332），连接于所述驱动电机（332）输出轴的转轴（333），与所述转轴（333）螺旋传动配合的活塞体（331），所述活塞体（331）的前端与所述水舱（21）滑动配合。

3.根据权利要求2所述的多足水下机器人，其特征在于：所述活塞体（331）包括一活塞推杆（3311）和固定连接于所述活塞推杆（3311）前端且与所述水舱（21）滑动配合的活塞推板（3312）；所述活塞推杆（3311）与所述转轴（333）螺旋传动配合，所述活塞推杆（3311）的后端固定装设有限位块（3313）；所述前段（31）上设置有与所述限位块（3313）配合的限位凸沿（311）。

4.根据权利要求2所述的多足水下机器人，其特征在于：所述控制装置（12）通过无线局域网控制所述驱动电机（332）。

5.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于：所述前段（31）与所述后段（32）通过带有锁紧装置的万向节连接。

6.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于：所述后段（32）与所述连接孔（11）通过带有锁紧装置的万向节连接。

7.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于：所述足部（2）呈球瓣形，且所有的足部（2）可以拼合成一个完整的球形。

8.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于：所述中心主体（1）的内壁上布设有三条圆形轨道（14），三条圆形轨道（14）的轴线互相垂直；所述中心主体（1）内还设有一可转动地支撑于所述圆形轨道（14）上的球型内舱（13）；所述控制装置（12）装设于所述球型内舱（13）内。

9.根据权利要求1所述的多足水下机器人，其特征在于：所述连接孔（11）的数目设为八个，所述足部（2）和所述腿部（3）的数目也均相应地设为八个。