CN105735391B - 一种水底掘进软体机器人 - Google Patents

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刘效
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Abstract

本发明公开了一种水底掘进软体机器人，包括基座、楔形块、壳体、联接弹簧和软体足部，所述壳体由两瓣镜像对称的单片壳体通过联接弹簧连接组成，所述壳体安装在基座上，所述机器人软体足部包括伸缩软体和膨胀软体，所述楔形块连接在伸缩软体上，所述楔形块与壳体上的楔形相配合。本发明安全可靠、降低了作业能耗、实现了作业自动化，具备自掘进和自复位功能，低能耗、结构紧凑，可用于海底资源勘探、石油工业、海底通讯等行业设备的锚固和系泊中，为保障设备的安全性和作业效率提供了新的手段和装备。

Description

一种水底掘进软体机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体是一种水底掘进软体机器人。
背景技术
海洋面积占地球总面积的71%，空间广阔，资源丰富，是自然界主要的地理形态，也是人类生存支持系统的重要组成部分，对海洋的不断探索促进了海洋装备技术的发展。水底掘进技术可广泛应用于海底资源勘探、石油工业、海底通讯等行业设备的锚固和系泊中，对设备的安全性和作业效率有着重要的影响。
水下自主机器人(AUV)广泛应用于科考、国防和地质勘探等领域，有时AUV需要在洋流环境中定位，由于自身所带能量有限，所以目前采取的方法是将AUV着陆在海底并使其不能上浮，这种方式具有安全隐患：可能使AUV陷入泥沼、被海洋植物缠住或由于应急体系的失败而不能上浮。而一种低功耗、具备自掘进和自复位功能的机器人可使AUV在与海底保持安全距离的同时将其锚固于某一位置。
现有的海洋石油开采设备用的锚重量大，运输和操作困难；而且必须通过人为干涉进行下锚、起锚，不能应用于超深水作业设备(如4000m超深水油井钻探)的系泊，所以一种能够独立粘附和自动回收的小型机器人在石油工业具有极高的应用价值。
目前20m以下浅海区域的电缆必须通过潜水员手动掩埋，这种掩埋方式不但效率低(25m/天)而且成本极高。所以一种能够固定在电缆上并自动锚固于海底的机器人对于浅水和沿海区域的电缆铺设实现自动化具有重要意义。
由以上分析可以看出，海底资源勘探、石油工业、海底通讯等行业的设备亟需一种具备自掘进和自复位功能、低能耗、结构紧凑的机器人，以确保设备安全、降低作业能耗、实现作业自动化。
贝壳已经进化出高效、紧凑的水底掘进方法，它们的掘进机理为我们的仿生学设计提供了素材。双壳类生物几乎能够在任何种类的颗粒底层存活，而且其掘进时所消耗的能量相对较小，所以引起了仿生机器人研究者的注意。苏黎世大学的Germann等用电机-拉索拉动两个3D打印的壳体开发了仿双壳贝机器人，用以探索贝壳外形和掘进效率之间的关系。该系统只是论证了贝壳外形与掘进效率间的关系，并没有设计出具有自行掘进功能的机器人。麻省理工学院的AmosG.Winter等人模拟竹蛏开发出了水底锚固机器人。该机器人采取气动双活塞和楔形机构实现机构的下探和壳体的横向运动，利用一个半球形的探头模拟竹蛏软体足部下探功能，掘进到一定深度后实现锚固。但该机器人将竹蛏的软体简化为刚体，忽略了竹蛏软体的变形在掘进过程中的作用，导致下探距离短；该机器人通过活塞驱动，需要将机器人通过活塞杆连接在设备上，在实际海洋作业时就需要很长的活塞杆，这也会设备的制造、运输带来困难；且探头形状固定，收缩时阻力大，掘进效率有待进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全可靠、效率高的水底掘进软体机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水底掘进软体机器人，包括基座、楔形块、壳体、联接弹簧和软体足部，所述壳体由两瓣镜像对称的单片壳体通过联接弹簧连接组成，所述壳体安装在基座上，所述机器人软体足部包括伸缩软体和膨胀软体，所述楔形块连接在伸缩软体上。
作为本发明再进一步的方案：所述楔形块与壳体上的楔形相配合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明安全可靠、降低了作业能耗、实现了作业自动化，具备自掘进和自复位功能，低能耗、结构紧凑，可用于海底资源勘探、石油工业、海底通讯等行业设备的锚固和系泊中，为保障设备的安全性和作业效率提供了新的手段和装备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为使用本发明时的掘进周期示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1-2，一种水底掘进软体机器人，包括基座1、楔形块2、壳体3、联接弹簧4和软体足部5，所述壳体3由两瓣镜像对称的单片壳体通过联接弹簧4连接组成，所述壳体3安装在基座1上，壳体3可在基座上水平滑动；所述机器人软体足部5包括伸缩软体6和膨胀软体7，机器人软体足部5由气体驱动，伸缩软体6为足部5的下探部分，充气时伸长，实现下探功能，放气时缩短，实现向下拉动壳体的功能；膨胀软体7为足部的锚固部分，充气时膨胀成接近球形，实现足部锚固功能；所述楔形块2连接在伸缩软体6上，所述楔形块2与壳体3上的楔形相配合，软体足部5下探时壳体3在联接弹簧4的作用下闭合，软体足部5收缩时推动壳体3张开，通过壳体3的开合实现周围土层的流化，将软体机器人技术应用于水底掘进领域，综合软体机器人和刚性机器人的优点，实现了快速高效的水底掘进。
所述水底掘进软体机器人的主要由机械部分和软体部分组成，根据竹蛏海底掘进运动学机理研究，拟利用软体气动执行器模拟竹蛏的软体足部功能，机器人硬质壳体拟模拟竹蛏外壳形状进行设计，水底掘进软体机器人的掘进周期运动如图2所示，初始阶段为图2A所示，当软体足部5的伸缩软体6充气时，软体足部5向下移动，带动楔形块2相对于壳体3向下移动，壳体3在联接弹簧4的作用下收缩，同时土壤对软体足部5的反作用力传输到壳体3上，壳体3上移一小段距离，如图2B所示；软体足部5下探结束后，膨胀软体7开始充气，锚固于土壤内，如图2C所示；软体足部5的伸缩软体6开始放气，由于膨胀软体7锚固在土壤内，伸缩软体6向下拉动壳体3，同时楔形块2相对壳体3向上运动，导致壳体3张开，如图2D所示；最后，膨胀软体7放气，为下一掘进周期做准备，如图2E所示。
本发明安全可靠、降低了作业能耗、实现了作业自动化，具备自掘进和自复位功能，低能耗、结构紧凑，可用于海底资源勘探、石油工业、海底通讯等行业设备的锚固和系泊中，为保障设备的安全性和作业效率提供了新的手段和装备。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种水底掘进软体机器人，其特征在于，包括基座（1）、楔形块（2）、壳体（3）、联接弹簧（4）和软体足部（5），所述壳体（3）由两瓣镜像对称的单片壳体通过联接弹簧（4）连接组成，所述壳体（3）安装在基座（1）上，所述机器人软体足部（5）包括伸缩软体（6）和膨胀软体（7），所述楔形块（2）连接在伸缩软体（6）上。
2.据权利要求1所述的水底掘进软体机器人，其特征在于，所述楔形块（2）与壳体（3）上的楔形相配合。
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