CN101870352B

CN101870352B - 水下机器人用变形机构

Info

Publication number: CN101870352B
Application number: CN2010102124922A
Authority: CN
Inventors: 孙汉旭; 贾庆轩; 张延恒; 兰晓娟; 李红义; 史成坤
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: CN101870352A

Abstract

本发明公开了一种水下机器人用变形机构，它包括呈圆环状的伸缩构件，伸缩构件由多个平行四边形机构连接而成，处于伸缩构件外侧的连动杆与前端圆环之间连接有前支杆组件，处于伸缩构件内侧的连动杆与后端圆环之间连接有后支杆组件，前端圆环与后端圆环相对应设置，前后端圆环之间密封连接有滑动构件，滑动构件呈圆筒导管状，滑动构件穿过伸缩构件中间的中空部分，滑动构件的内腔为一个独立空间且通过前、后端圆环与外部相连通，滑动构件连接有一个驱动构件，驱动构件与中央控制器连接。水下机器人的外部形体可通过本发明变形机构而在球体与梭体间变换，梭体结构可减小水下机器人行进中所受水阻力，极大节省了有限的能源。

Description

水下机器人用变形机构

技术领域

本发明涉及一种水下机器人使用的变形机构，具体地说，是涉及一种可提升水下机器人航行速度，从而提高机器人能源利用率的变形机构。

背景技术

由于水下机器人体积较小，内部空间有限，其所能携带的电源等能源设备非常有限，因此，能源问题一直是制约水下机器人发展的一个关键问题。如何使有限的能源发挥最大作用，延长水下机器人的作业时间，提高水下机器人高速航行时的推进效率，是目前的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下机器人用变形机构，水下机器人的外部形体可通过本发明变形机构而在球体与梭体间变换，梭体结构可减小水下机器人在行进中所受水阻力，极大节省了有限的能源。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种水下机器人用变形机构，该变形机构用于水下机器人使用，其特征在于：它包括呈圆环状的伸缩构件、前支杆组件、后支杆组件、前端圆环、后端圆环，其中：该伸缩构件由多个平行四边形机构连接而成，处于该伸缩构件外侧的连动杆与该前端圆环之间连接有该前支杆组件，处于该伸缩构件内侧的连动杆与该后端圆环之间连接有该后支杆组件，该前端圆环与该后端圆环相对应设置，在该前端圆环与该后端圆环之间密封连接有一个滑动构件，该滑动构件呈圆筒导管状，该滑动构件穿过该伸缩构件中间的中空部分，该滑动构件的内腔为一个独立空间且通过该前端圆环、该后端圆环与外部相连通，该滑动构件连接有一个驱动构件，该驱动构件与中央控制器连接，该驱动构件用于带动该滑动构件在水平面内作伸缩动作，以使得该前支杆组件和后支杆组件在该滑动构件的伸缩作用下发生形变并带动该伸缩构件在纵面内进行伸缩动作，从而使得该变形机构的外部形体在球体与梭体间变换。

本发明的优点是：

水下机器人的外部形体可通过本发明变形机构而在球体与梭体间变换。当水下机器人不需高速行驶时，水下机器人的外部形体通过本发明变形机构而变换为球体结构，即变成如申请号为200910084791.X的中国发明专利申请中公开的六自由度水下球形机器人的外壳具有的球体结构，该球体结构在水下的耐压性能好，流体动力学计算无耦合，可实现水中六自由度全方位运动，转向灵活，转弯半径为零。当水下机器人需要在某一方向上高速行驶时，水下机器人的外部形体可通过本发明变形机构由球体变换为梭体(近似梭体)结构，这种梭体结构可明显减小水下机器人在行进过程中所受水阻力，航行时的推进效率明显提高，行进速度明显提升，达到了高速行驶要求，最重要的是，通过减小行进中所受水阻力而节省下来的能源十分珍贵，其可被利用到延长水下机器人作业时间等方面，使有限的能源发挥了最大的作用。

附图说明

图1是本发明变形机构的外部形体呈球体时的结构示意图；

图2是从G方向看图1所示本发明变形机构时的伸缩构件的结构形态示意图；

图3是本发明变形机构的外部形体呈梭体时的结构示意图；

图4是从H方向看图3所示本发明变形机构时的伸缩构件的结构形态示意图；

图5是本发明变形机构的外部形体呈梭体时的立体示意图(省略滑动构件、蒙皮)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图5所示，本发明水下机器人用变形机构用于水下机器人使用，它包括呈圆环状的伸缩构件100(如图2和图4)、前支杆组件、后支杆组件、前端圆环203、后端圆环204。该伸缩构件100由多个平行四边形机构101连接而成，处于该伸缩构件100外侧的连动杆与该前端圆环203之间连接有该前支杆组件，处于该伸缩构件100内侧的连动杆与该后端圆环204之间连接有该后支杆组件，该前端圆环203与该后端圆环204相对应设置，在该前端圆环203与该后端圆环204之间密封连接有一个滑动构件207，该滑动构件207呈圆筒导管状，该滑动构件207穿过该伸缩构件100中间的中空部分，该滑动构件207的内腔为一个独立空间且通过该前端圆环203、该后端圆环204与外部相连通，该滑动构件207连接有一个驱动构件(图中未示出，属于现有技术，不再进行描述)，该驱动构件与中央控制器(图中未示出)连接，该驱动构件用于带动该滑动构件207在水平面内作伸缩动作(直线运动)，以使得该前支杆组件和后支杆组件在该滑动构件207的伸缩作用下发生形变并带动该伸缩构件100在纵面内进行伸缩动作，从而使得该变形机构的外部形体在球体与梭体间变换。

在本发明中，平行四边形机构101具有四个铰接端，与其他平行四边形机构连接的铰接端定义为平行四边形机构的左、右侧的铰接端，位于伸缩构件100外侧的铰接端定义为平行四边形机构的外侧的铰接端，例如图2示出的铰接端A-F，位于伸缩构件100内侧的铰接端定义为平行四边形机构的内侧的铰接端，例如图2示出的铰接端A’-F’。

如图2和图4，相邻的两个平行四边形机构101的左、右侧的铰接端相连接构成伸缩构件100。如图1、图3，前支杆组件包括多个前支杆201，该前支杆201为弹性杆状结构；对于每个该前支杆201，该前支杆201的一端与伸缩构件100中的相应平行四边形机构101的外侧的铰接端连接且该前支杆201的另一端与前端圆环203连接。如图1、图3，后支杆组件包括多个后支杆202，该后支杆202为弹性杆状结构；对于每个该后支杆202，该后支杆202的一端与伸缩构件100中的相应平行四边形机构101的内侧的铰接端连接且该后支杆202的另一端与后端圆环204连接。

在本发明中，本发明变形机构的初始状态为其外部形体呈球体，也就是说，前支杆201和后支杆202的初始状态呈四分之一圆弧状。

如图5，图中示出了三个前支杆201和三个后支杆202与伸缩构件100、前、后端圆环203、304的连接情况。在实际设计中，较佳地，前支杆201的数量可为6个，且相应地，后支杆202的数量为6个。更进一步地，前支杆201的数量可设计为6的倍数个，相应地，后支杆202的数量也设计为6的倍数个。另外，较佳地，前支杆组件中的所有前支杆201设计为呈均匀分布，且后支杆组件中的所有后支杆202设计为呈均匀分布。该均匀分布包括前支杆201在伸缩构件100上的分布、前支杆201在前端圆环203上的分布以及后支杆202在伸缩构件100上的分布、后支杆202在后端圆环204上的分布。当然，根据前支杆201和后支杆202的数量，伸缩构件100的平行四边形机构101的数量应相应设定。

例如，如图2和图4所示，图中的伸缩构件100上连接有六个前支杆201和六个后支杆202，该六个前支杆201与六个后支杆202构成六对，每对中的前支杆201、后支杆202分别与相应的一个平行四边形机构101的外、内侧的铰接端连接。如图，该六个前支杆201的一端分别与A、B、C、D、E、F点位置的铰接端连接，该六个点A-F以伸缩构件100的圆心呈均匀分布状态，该六个后支杆202的一端分别与A’、B’、C’、D’、E’、F’点位置的铰接端连接，该六个点A’-F’以伸缩构件100的圆心呈均匀分布状态。

如图1和图3，滑动构件207包括内侧导管205和外侧导管206，该内侧导管205的两个端部分别与前端圆环203、后端圆环204连接，该外侧导管206密封滑动安装在该内侧导管205上，驱动构件用于使该内侧导管205在该外侧导管206上作滑移运动(直线运动)。

在实际设计时，前支杆组件和后支杆组件构成的框架外表面覆盖一层防水弹性蒙皮300，该蒙皮300用于使得前支杆组件和后支杆组件构成的框架内部为一个密闭空间，该密闭空间与滑动构件207的内腔为相互独立的空间。也就是说，当具有该变形机构的水下机器人在水下作业的过程中，滑动构件207的内腔是与水相贯通的，而前支杆组件和后支杆组件构成的框架与滑动构件207之间的空间不与水相接触，是密封的，除了水下推进器，所有的器件都安装在前支杆组件和后支杆组件构成的框架与滑动构件207之间的密闭空间内。

在本发明中，变形机构的外部形体呈现的梭体的体积大小是中央控制器经由驱动构件控制的。变形机构的外部形体在由球体向梭体变换的过程中，该变形机构的伸缩构件100构成的圆面积由最大圆面积逐渐变小，该变形机构在水平方向(与伸缩构件构成的圆相垂直)上的长度逐渐变长，最终变换成设定体积大小的梭体时停止变换。变形机构的外部形体由梭体向球体变换的过程与上述球体向梭体变换的过程相反。

在本发明变形机构的前支杆组件和后支杆组件构成的框架与滑动构件207之间的密闭空间内可安装各种类型的水下机器人器件，例如，其内可装配申请号为200910084791.X的中国发明专利申请(发明名称为“六自由度水下球形机器人”，申请日为2009年5月22日)中所公开的水下机器人器件。结合上述申请号为200910084791.X的中国发明专利申请来理解，具体地，对于与本发明适配的水下机器人而言，该水下机器人包括一个水下推进器(螺旋桨推进器或推进泵)，该水下推进器设于滑动构件207的内腔中，外侧导管206中间部位的外圆周上套设一旋转方筒，该旋转方筒的一端设有一大齿轮，该大齿轮套设固定在外侧导管206上，该旋转方筒的左侧设有一第一电机，该第一电机的输出轴上设有一小齿轮，该小齿轮与该大齿轮齿合，该第一电机用于通过带动小齿轮围绕大齿轮转动而使自身带动旋转方筒绕外侧导管206转动，该旋转方筒的前、后侧各活动设有一短杆，该前、后侧的短杆呈对称设置，该短杆与外侧导管206呈垂直状态，每一短杆的外端部设有一臂摆，每一臂摆的下端部设有一配重，该旋转方筒的右侧设有一连杆和一第二电机，该第二电机的输出轴、该连杆一端上设有的链轮与一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该连杆另一端上设有的链轮与另一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该第二电机用于通过带动连杆以及连杆与短杆的连动而使短杆带动配重以短杆为中心转动；该水下机器人设有活塞式储水设备，该活塞式储水设备、第一电机、第二电机和水下推进器均与中央控制器相连。该活塞式储水设备包括一活塞式储水箱。该水下机器人还可安装有侦测设备，该侦测设备与中央控制器相连。

本发明的变化过程和原理为：

当水下机器人不需高速行驶时，水下机器人的外部形体通过本发明变形机构而变换为球体，如图1所示。水下机器人的外部形体由梭体变换为球体的具体过程为：中央控制器经由对该驱动构件的控制而使得内侧导管205在外侧导管206上向内滑移，由于内侧导管205的移动，内侧导管205带动前、后端圆环203、204向内运动，前、后端圆环203、204分别带动前支杆201、后支杆202向内作推压形变，在前支杆201、后支杆202发生推压形变的作用下，该伸缩构件100在纵面内进行伸展动作(例如，伸缩构件100由图4变成图2所示形态)，当伸缩构件100伸展成最大圆环状时，伸展动作停止，此时，具有该变形机构的水下机器人的外部形体便呈现出球体结构，如图1所示。对呈球体结构的水下机器人的控制参见申请号为200910084791.X的中国发明专利申请公开的内容。

当水下机器人需要在某一方向上高速行驶时，水下机器人的外部形体通过本发明变形机构由球体变换为梭体(近似梭体)。具体地，中央控制器经由对该驱动构件的控制而使得内侧导管205在外侧导管206上向外侧导管206端部滑移(即向外滑移)，由于内侧导管205的移动，内侧导管205带动前、后端圆环203、204向外运动，前、后端圆环203、204分别带动前支杆201、后支杆202向外作拉伸形变，在前支杆201、后支杆202发生拉伸形变的作用下，该伸缩构件100在纵面内进行收缩动作(例如，伸缩构件100由图2变成图4所示形态)，当伸缩构件100收缩到预设位置时，中央控制器控制该驱动构件，使得收缩动作停止，此时，具有该变形机构的水下机器人的外部形体便呈现出类似鱼形的梭体结构，如图3和图5所示。

水下机器人在球体与梭体间变换的过程中，因蒙皮300具有弹性，其可随着变形机构的外部形体的改变而进行伸缩。实际中，本发明变形机构在球体与梭体间变换的过程中的自由度为1。

对于具有本发明变形机构的水下机器人，水下机器人的行进由水下推进器完成，水下机器人的其他各种运动由内部的器件控制完成。

本发明的优点是：

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims

1.一种水下机器人用变形机构，该变形机构用于水下机器人使用，其特征在于：它包括呈圆环状的伸缩构件、前支杆组件、后支杆组件、前端圆环、后端圆环，其中：

该伸缩构件由多个平行四边形机构连接而成，处于该伸缩构件外侧的连动杆与该前端圆环之间连接有该前支杆组件，处于该伸缩构件内侧的连动杆与该后端圆环之间连接有该后支杆组件，该前端圆环与该后端圆环相对应设置，在该前端圆环与该后端圆环之间密封连接有一个滑动构件，该滑动构件呈圆筒导管状，该滑动构件穿过该伸缩构件中间的中空部分，该滑动构件的内腔为一个独立空间且通过该前端圆环、该后端圆环与外部相连通，该滑动构件连接有一个驱动构件，该驱动构件与中央控制器连接，该驱动构件用于带动该滑动构件在水平面内作伸缩动作，以使得该前支杆组件和后支杆组件在该滑动构件的伸缩作用下发生形变并带动该伸缩构件在纵面内进行伸缩动作，从而使得该变形机构的外部形体在球体与梭体间变换。

2.如权利要求1所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

相邻的两个所述平行四边形机构的左、右侧的铰接端相连接构成所述伸缩构件；

所述前支杆组件包括多个前支杆，该前支杆为弹性杆状结构；对于每个该前支杆，该前支杆的一端与所述伸缩构件中的相应所述平行四边形机构的外侧的铰接端连接且该前支杆的另一端与所述前端圆环连接；

所述后支杆组件包括多个后支杆，该后支杆为弹性杆状结构；对于每个该后支杆，该后支杆的一端与所述伸缩构件中的相应所述平行四边形机构的内侧的铰接端连接且该后支杆的另一端与所述后端圆环连接。

3.如权利要求2所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述前支杆的数量为6个，所述后支杆的数量为6个。

4.如权利要求2所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述前支杆的数量为6的倍数个，所述后支杆的数量为6的倍数个。

5.如权利要求3或4所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述前支杆组件中的所有前支杆呈均匀分布，所述后支杆组件中的所有后支杆呈均匀分布。

6.如权利要求1或2所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述滑动构件包括内侧导管和外侧导管，该内侧导管的两个端部分别与所述前端圆环、所述后端圆环连接，该外侧导管密封滑动安装在该内侧导管上，所述驱动构件用于使该内侧导管在该外侧导管上作滑移运动。

7.如权利要求1或2或3所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述前支杆组件和所述后支杆组件构成的框架外表面覆盖一层防水弹性蒙皮，该蒙皮用于使得所述前支杆组件和所述后支杆组件构成的框架内部为一个密闭空间，该密闭空间与所述滑动构件的内腔为相互独立的空间。

8.如权利要求6所述的水下机器人用变形机构，其特征在于：

所述水下机器人包括一个水下推进器，该水下推进器设于所述滑动构件的内腔中，所述外侧导管中间部位的外圆周上套设一旋转方筒，该旋转方筒的一端设有一大齿轮，该大齿轮套设固定在所述外侧导管上，该旋转方筒的左侧设有一第一电机，该第一电机的输出轴上设有一小齿轮，该小齿轮与该大齿轮齿合，该第一电机用于通过带动小齿轮围绕大齿轮转动而使自身带动旋转方筒绕所述外侧导管转动，该旋转方筒的前、后侧各活动设有一短杆，该前、后侧的短杆呈对称设置，该前、后侧的短杆与所述外侧导管呈垂直状态，每一短杆的外端部设有一臂摆，每一臂摆的下端部设有一配重，该旋转方筒的右侧设有一连杆和一第二电机，该第二电机的输出轴、该连杆一端上设有的链轮与一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该连杆另一端上设有的链轮与另一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该第二电机用于通过带动连杆以及连杆与短杆的连动而使短杆带动配重以短杆为中心转动；所述水下机器人设有活塞式储水设备，该活塞式储水设备、第一电机、第二电机和水下推进器均与所述中央控制器相连。