CN104875870B - 一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪滑翔机领域，旨在提供一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人。该种利用波浪能驱动的大洋探测机器人包括机械动力部分和探测装置部分，所述机械动力部分包括浮子基体、舵片、翼片、柔性缆索、重块、机器人机架、蓄电池、单片机、舵机，所述探测装置部分采用浮子载体实现，浮子载体与浮子基体连接，用于安装固定太阳能电池板、PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块。本发明完全依靠机械结构将波浪能转换为向前的推力，并利用太阳能电池板为加装的多种传感器供电，不需要提供额外的能量，从而通过简单的改变搭载仪器完成不同的功能需要，实现平台的多功能利用和拓展化利用。

Description

一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人

技术领域

本发明是关于波浪滑翔机领域，特别涉及一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人。

背景技术

波浪滑翔机是一种通过利用浮体随波浪上下浮动，带动下层动力装置上倾斜的机翼片上下移动，通过水流与机翼片的相互作用，将水流的冲击力转换为水平方向的推动力从而实现无能耗自主航行的新型浅海推进平台。广泛应用于海洋水质检测，浅层资源勘探，海洋气象监测等领域。

现有的波浪滑翔机结构由上部船体、下部机械驱动装置与柔性缆索构成。通过波浪使船体上下浮动，所产生的拉力沿柔性缆索传递至下部机械驱动装置从而产生动力。由于波浪运动的随机性，经过船体、缆索后，波浪能效率大大降低。因此波浪滑翔机运动速度受到极大限制。为了提高波浪滑翔机运动速度，可将船体结构设计成阻力小的流线型结构，但这种这种结构的加工成本高昂，现阶段不适合大规模推广运用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用波浪能驱动，能用于海洋探测的机器人。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人，包括机械动力部分和探测装置部分，所述机械动力部分包括浮子基体、舵片、翼片、柔性缆索、重块、机器人机架、蓄电池、单片机、舵机；

所述浮子基体是内部为空腔结构的浮子基体，蓄电池、单片机、舵机分别(通过紧固螺钉)固定在内部空腔中，且单片机至少设有一台；蓄电池通过电线分别与单片机、舵机相连，用于向单片机、舵机供电；浮子基体的外部固定有圆环形结构，圆环形结构上设有圆柱形开孔；

浮子基体的下方刚性连接有连接轴和机器人机架；所述舵片安装在连接轴的一端上，连接轴的另一端与舵机固接，即舵片通过连接轴与舵机相连，通过单片机控制舵机进而控制舵片的轴向转动；所述机器人机架上开有圆柱形通孔，所述翼片通过圆柱形通孔安装在机器人机架上；所述重块通过柔性缆索连接在机器人机架的下方，用于降低大洋探测机器人整个的重心，以及使机器人机架保持竖直状态；

所述探测装置部分采用浮子载体实现，浮子载体是内部为空腔结构的浮子载体，浮子载体通过柔性缆索连接在连接钢环上，连接钢环扣在浮子基体的圆柱形开孔中，进而实现浮子载体与浮子基体的连接；浮子载体上固定有太阳能电池板，浮子载体的内部空腔中分别固定有PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块；

所述太阳能电池板通过密封在柔性缆索和连接钢环内的电线，与浮子基体内部的蓄电池连接，用于向蓄电池供电；所述PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块分别通过密封在柔性缆索和连接钢环内的电线，与浮子基体内部的蓄电池、对应的单片机连接，蓄电池用于为PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块提供电能，单片机用于收集存放PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块传回的数据信息。

在本发明中，所述浮子基体是采用两个半球拼合成的圆球状浮子基体，且两个半球之间设有用于密封的O型密封圈，并利用外部的圆环形结构压紧两个半球的连接处实现拼合。

在本发明中，所述浮子基体下方的连接轴和机器人机架，连接轴设置在机器人机架的正后方向上。

在本发明中，所述重块的内部、浮子载体的内部都能用于装设拓展性实验仪器，重块的下部还能用于挂载拓展性实验仪器；

所述拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器、ADCP(声学多普勒流速剖面仪)，拓展性实验仪器通过电线，与浮子基体内部的蓄电池和对应的单片机连接，蓄电池用于为拓展性实验仪器提供电能，单片机用于收集存放拓展性实验仪器传回的数据信息。

在本发明中，所述柔性缆索与浮子载体的连接处、柔性缆索与机器人机架的连接处、柔性缆索与重块的连接处，都采用铰链形式连接。

在本发明中，所述大洋探测机器人中的所有电线，与大洋机器人相应装置的连接处，都设有密封圈密封，并使用密封胶从内部封闭。

在本发明中，所述翼片的一侧中部设有一个缺口，缺口的底部设有橡胶护套，缺口的开口处设有翼片圆轴。

在本发明中，所述机器人机架上等间距开有六个圆柱形通孔，所述翼片设有六片，六片翼片分别通过翼片圆轴等间距连接在机器人机架上的六个圆柱形通孔内，实现六片翼片在机器人机架上的竖向排列。

在本发明中，所述浮子载体是圆柱状的浮子载体，且浮子载体设有四个，分别为一号浮子载体、二号浮子载体、三号浮子载体、四号浮子载体，浮子基体的圆环形结构上等间距设有四个圆柱形开孔，四个浮子载体分别与四个圆柱形开孔对应连接；所述太阳能电池板设有两块，分别为一号太阳能电池板、二号太阳能电池板；

所述一号浮子载体上通过紧固螺钉固定有二号太阳能电池板；所述二号浮子载体的内部空腔中通过紧固螺钉固定有PH传感器和温度传感器；所述三号浮子载体上通过紧固螺钉固定有一号太阳能电池板；所述四号浮子载体的内部空腔中通过紧固螺钉固定有GPS模块和无线通信模块。

在本发明中，所述GPS模块采用U-BLOX 7代GPS；所述单片机采用k60单片机(C8051F340k60单片机)；所述无线通信模块采用YL-900IW无线通信模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明完全依靠机械结构将波浪能转换为向前的推力，并利用太阳能电池板为加装的多种传感器供电，不需要提供额外的能量，从而通过简单的改变搭载仪器完成不同的功能需要，实现平台的多功能利用和拓展化利用。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明中翼片的细部结构图。

图中的附图标记为：1一号浮子载体；2二号浮子载体；3三号浮子载体；4四号浮子载体；5柔性缆索；6浮子基体；7连接钢环；8舵片；9翼片；10翼片圆轴；11重块；12机器人机架；13橡胶护套；14一号太阳能电池板；15二号太阳能电池板；16PH传感器；17温度传感器；18GPS模块；19无线通信模块；20蓄电池；21单片机；22舵机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人，包括机械动力部分和探测装置部分。

所述机械动力部分包括浮子基体6、舵片8、翼片9、柔性缆索5、重块11、机器人机架12、蓄电池20、单片机21、舵机22，所述单片机21采用k60单片机，本实施例中采用C8051F340k60单片机。

浮子基体6是内部为空腔结构，浮子基体6采用两个半球拼合成圆球状，且两个半球之间设有用于密封的O型密封圈；浮子基体6的外部固定有圆环形结构，圆环形结构能压紧两个半球的连接处实现拼合，圆环形结构上等间距设有四个圆柱形开孔。蓄电池20、单片机21、舵机22分别通过紧固螺钉固定在浮子基体6的内部空腔中，蓄电池20通过电线分别与单片机21、舵机22相连，用于向单片机21、舵机22供电。

浮子基体6的下方刚性连接有连接轴和机器人机架12，连接轴设置在机器人机架12的正后方向上。所述舵片8安装在连接轴的一端上，连接轴的另一端与舵机22固接，即舵片8通过连接轴与舵机22相连，通过单片机21控制舵机22进而控制舵片8的轴向转动。

如图2所示，所述翼片9的一侧中部设有一个缺口，缺口的底部设有橡胶护套13，缺口的开口处设有翼片圆轴10。所述机器人机架12上等间距开有六个圆柱形通孔，翼片9设有六片，六片翼片9分别通过翼片圆轴10等间距连接在机器人机架12上的六个圆柱形通孔内，实现六片翼片9在机器人机架12上的竖向排列。当翼片9摆动过程中撞击在机器人机架12上时，翼片9可沿翼片圆轴10转动一定角度，且转动角最大处为橡胶护套13与机器人机架12直接接触处，橡胶护套13能限制其摆动角度并起到缓冲作用，减轻由于撞击导致的冲击磨损。

所述重块11通过柔性缆索5连接在机器人机架12的下方，用于降低大洋探测机器人整个的重心，以及使机器人机架12保持竖直状态，以便获得最大的动力。重块11形状与体积并不受限于图1所示，可以做成球体等其他形状。重块11也可作为水下平台的一部分装设拓展性实验仪器，比如重块11的内部能用于装设拓展性实验仪器，重块11的下部能用于挂载拓展性实验仪器，并可相应在浮子基体6的内部加装多台单片机21。拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器、ADCP(声学多普勒流速剖面仪)，拓展性实验仪器通过电线，与浮子基体6内部的蓄电池20和对应的单片机21连接，蓄电池20用于为拓展性实验仪器提供电能，单片机21用于收集存放拓展性实验仪器传回的数据信息。整个过程可由太阳能电池板为加装的多种传感器供电，不需要提供额外的能量，从而通过简单的改变搭载仪器完成不同的功能需要，实现平台的多功能利用和拓展化利用。

所述探测装置部分采用浮子载体实现，浮子载体是内部为空腔结构的圆柱状浮子载体，浮子载体设有四个，分别为一号浮子载体1、二号浮子载体2、三号浮子载体3、四号浮子载体4。四个浮子载体通过柔性缆索5连接在连接钢环7上，连接钢环7扣在浮子基体6的对应圆柱形开孔中，进而实现浮子载体与浮子基体6的连接。

浮子载体上固定有太阳能电池板，且太阳能电池板设有两块，分别为一号太阳能电池板14、二号太阳能电池板15；浮子载体的内部空腔中分别固定有PH传感器16、温度传感器17、GPS模块18、无线通信模块19。所述GPS模块18采用U-BLOX 7代GPS；所述无线通信模块19采用YL-900IW无线通信模块。

具体的装载情况如下所述：

一号浮子载体1上通过紧固螺钉固定有二号太阳能电池板15，三号浮子载体3上通过紧固螺钉固定有一号太阳能电池板14；太阳能电池板通过密封在柔性缆索5和连接钢环7内的电线，与浮子基体6内部的蓄电池20连接，用于向蓄电池20供电。二号浮子载体2的内部空腔中通过紧固螺钉固定有PH传感器16和温度传感器17，四号浮子载体4的内部空腔中通过紧固螺钉固定有GPS模块18和无线通信模块19；PH传感器16、温度传感器17、GPS模块18、无线通信模块19分别通过密封在柔性缆索5和连接钢环7内的电线，与浮子基体6内部的蓄电池20、单片机21连接，蓄电池20用于为PH传感器16、温度传感器17、GPS模块18、无线通信模块19提供电能，单片机21用于收集存放PH传感器16、温度传感器17、GPS模块18、无线通信模块19传回的数据信息。

所述浮子载体的内部还能用于装设拓展性实验仪器，并可相应在浮子基体6的内部加装多台单片机21。拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器、ADCP(声学多普勒流速剖面仪)，拓展性实验仪器通过电线，与浮子基体6内部的蓄电池20和对应的单片机21连接，蓄电池20用于为拓展性实验仪器提供电能，单片机21用于收集存放拓展性实验仪器传回的数据信息。整个过程可由太阳能电池板为加装的多种传感器供电，不需要提供额外的能量，从而通过简单的改变搭载仪器完成不同的功能需要，实现平台的多功能利用和拓展化利用。

所述柔性缆索5与浮子载体的连接处、柔性缆索5与机器人机架12的连接处、柔性缆索5与重块11的连接处，都采用铰链形式连接。

所述大洋探测机器人中的所有电线，与大洋机器人相应装置的连接处，都设密封圈密封，并使用密封胶从内部封闭。

所述浮子基体6、一号浮子载体1、二号浮子载体2、三号浮子载体3、四号浮子载体4采用PVC浮力材料；连接钢环7、舵片8、翼片9、翼片圆轴10的材质都采用304不锈钢；所述柔性缆索5采用聚酰胺合成纤维绳索；所述橡胶护套13采用合成橡胶材料；所述重块11可采用多种重力材料，包括不锈钢等。

在大洋探测机器人进行无能耗自主航行时：大洋探测机器人的浮子基体6在遇到波峰时，即水流向上运动，将浮子基体6抬起，浮子基体6通过机器人机架12带动固定在其上的翼片9阵列(即6片翼片9)向下摆动，水流作用于翼片9阵列(即6片翼片9)上表面，对6片翼片9产生斜向下作用力，该作用力的水平方向分量推动大洋探测机器人前进。当翼片9在摆动过程中即将撞到机器人机架12时，翼片9上的橡胶护套13会限制其摆动角度并起到缓冲作用，减轻由于撞击导致的冲击磨损，并阻止翼片9阵列(即6片翼片9)继续撞击机器人机架12，防止发生断裂。

当大洋探测机器人遇到波谷时，所述大洋探测机器人的机械动力部分在重力作用下向下运动，水流相对向上流动，作用于翼片9阵列(即6片翼片9)使之向上转动，水流作用于翼片9阵列(即6片翼片9)下表面，对6片翼片9产生斜向上作用力，该作用力的水平分量推动滑翔机前进。当翼片9在摆动过程中即将撞到机器人机架12时，翼片9上的橡胶护套13会限制其摆动角度并起到缓冲作用，减轻由于撞击导致的冲击磨损，并阻止翼片9阵列(即6片翼片9)继续撞击机器人机架12，防止发生断裂。

整个过程，无外部能量供给，完全依靠机械结构将波浪能转换为向前的推力。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用波浪能驱动的大洋探测机器人，包括机械动力部分和探测装置部分，其特征在于，所述机械动力部分包括浮子基体、舵片、翼片、柔性缆索、重块、机器人机架、蓄电池、单片机、舵机；

所述浮子基体是内部为空腔结构的浮子基体，蓄电池、单片机、舵机分别固定在内部空腔中，且单片机至少设有一台；蓄电池通过电线分别与单片机、舵机相连，用于向单片机、舵机供电；浮子基体的外部固定有圆环形结构，圆环形结构上设有圆柱形开孔；

浮子基体的下方刚性连接有连接轴和机器人机架；所述舵片安装在连接轴的一端上，连接轴的另一端与舵机固接，即舵片通过连接轴与舵机相连，通过单片机控制舵机进而控制舵片的轴向转动；所述机器人机架上开有圆柱形通孔，所述翼片通过圆柱形通孔安装在机器人机架上；所述重块通过柔性缆索连接在机器人机架的下方，用于降低大洋探测机器人整个的重心，以及使机器人机架保持竖直状态；

所述探测装置部分采用浮子载体实现，浮子载体是内部为空腔结构的浮子载体，浮子载体通过柔性缆索连接在连接钢环上，连接钢环扣在浮子基体的圆柱形开孔中，进而实现浮子载体与浮子基体的连接；浮子载体上固定有太阳能电池板，每个浮子载体的内部空腔中分别固定有PH传感器、温度传感器、GPS模块或者无线通信模块中的一种或几种；

所述太阳能电池板通过密封在柔性缆索和连接钢环内的电线，与浮子基体内部的蓄电池连接，用于向蓄电池供电；所述PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块分别通过密封在柔性缆索和连接钢环内的电线，与浮子基体内部的蓄电池、对应的单片机连接，蓄电池用于为PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块提供电能，单片机用于收集存放PH传感器、温度传感器、GPS模块、无线通信模块传回的数据信息。

2.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述浮子基体是采用两个半球拼合成的圆球状浮子基体，且两个半球之间设有用于密封的O型密封圈，并利用外部的圆环形结构压紧两个半球的连接处实现拼合。

3.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述浮子基体下方的连接轴和机器人机架，连接轴设置在机器人机架的正后方向上。

4.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述重块的内部、浮子载体的内部都能用于装设拓展性实验仪器，重块的下部还能用于挂载拓展性实验仪器；

所述拓展性实验仪器包括CTD(海洋温度盐度深度探测传感器)、叶绿素传感器、ADCP(声学多普勒流速剖面仪)，拓展性实验仪器通过电线，与浮子基体内部的蓄电池和对应的单片机连接，蓄电池用于为拓展性实验仪器提供电能，单片机用于收集存放拓展性实验仪器传回的数据信息。

5.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述柔性缆索与浮子载体的连接处、柔性缆索与机器人机架的连接处、柔性缆索与重块的连接处，都采用铰链形式连接。

6.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述大洋探测机器人中的所有电线，与大洋机器人相应装置的连接处，都设有密封圈密封，并使用密封胶从内部封闭。

7.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述翼片的一侧中部设有一个缺口，缺口的底部设有橡胶护套，缺口的开口处设有翼片圆轴。

8.根据权利要求7所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述机器人机架上等间距开有六个圆柱形通孔，所述翼片设有六片，六片翼片分别通过翼片圆轴等间距连接在机器人机架上的六个圆柱形通孔内，实现六片翼片在机器人机架上的竖向排列。

9.根据权利要求1所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述浮子载体是圆柱状的浮子载体，且浮子载体设有四个，分别为一号浮子载体、二号浮子载体、三号浮子载体、四号浮子载体，浮子基体的圆环形结构上等间距设有四个圆柱形开孔，四个浮子载体分别与四个圆柱形开孔对应连接；所述太阳能电池板设有两块，分别为一号太阳能电池板、二号太阳能电池板；

所述一号浮子载体上通过紧固螺钉固定有二号太阳能电池板；所述二号浮子载体的内部空腔中通过紧固螺钉固定有PH传感器和温度传感器；所述三号浮子载体上通过紧固螺钉固定有一号太阳能电池板；所述四号浮子载体的内部空腔中通过紧固螺钉固定有GPS模块和无线通信模块。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的大洋探测机器人，其特征在于，所述GPS模块采用U-BLOX 7代GPS；所述单片机采用k60单片机；所述无线通信模块采用YL-900IW无线通信模块。