CN106379505B - 一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，主要分为三个部分：左半球刚性结构部分，中间圆柱柔性结构部分和右半球刚性结构部分；驱动机构主要分为两部分：调节浮力的变形驱动机构和单摆差动式的运动驱动机构；通过单摆差动式的运动驱动机构可以实现机器人在水中或者在水底两栖环境中自由运动，并且调节浮力的变形驱动机构可以使机器人在近似椭球形和正球形之间变换，近似椭球形态受到浮力较大，有利于机器人在水中运动，近似正球形态机器人受到的浮力较小，有利于机器人在水地底滚动；该种机器人运动灵活，控制简单，安全性好，可以作为移动平台，搭载各种侦查和探测传感器在水下执行水中或者水底环境信息采集任务。

Description

一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人

技术领域

本发明涉及特种机器人领域，具体涉及一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人的结构设计。

背景技术

目前，进行水下未知环境信息收集已日益得到世界各国的高度重视，越来越多引起人们的关注。水下石油管道的检测，水下城市遗址的考古和水下矿产资源的探测都与水下未知环境信息收集有关。飞机、轮船等水上运载工具失事沉入水底等情况时有发生，自然灾害引起的海啸和地震也会破坏人工建筑，会造成石油、核燃料和化学物质的泄露到水下，这些灾难性事件不但会对生态环境造成破坏，也会直接危害着人类的生命和财产安全。详尽的收集水下环境信息一方面可以探测水下资源为人类造福，一方面也可以使这种水上灾难发生后的损失降到最小。研制一种环境适应能强，运动灵活，控制方便的小型水下两栖机器人，携带各种传感器，进入到水下人类无法直接去探查的环境中进行信息采集，已经成为了当前水下机器人研究的重要方向，在民用、军用和科考领域都有着广泛的应用前景。由此可见，有必要发明一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人。

随着研究的深入和广泛，小型水下机器人的种类也变得多种多样。从驱动方式上最常见的水下机器人主要分为仿生摆动式，螺旋桨推进式和浮力调节式几大类，其中螺旋桨推进式的水下机器人控制方便，但是多方向运动需要配置较多数量螺旋桨且效率较低，一般采用推进式和其它驱动方式结合的水下机器人更为常见。从结构外形上水下机器人主要可分为仿生式、圆柱式、鱼雷式、框架式和球式几大类，其中鱼雷式水下机器人具有运动阻力小的优点，球形水下机器人具有抗压能力强和自保护安全性高的优点，但是这些水中运动的机器人同时具有水底移动能力的还不多见，有的即使能够进行水底移动，但是在运动灵活性和控制便利性较差。水底作为水下环境的重要组成部分，水底信息的收集又十分重要，因此，为了使水下机器人能够在水中和水底自由移动并靠近水底进行更为细致的水底信息采集，综合各种不同外形和驱动方式的救援机器人的优缺点，研究一种运动灵活，自我保护能力强，控制方便的小型两栖机器人具有重要意义。

与现有的公开的水下机器人技术不同，本专利发明的这种具有两种球形态的小型水下机器人具有变形能力，在水中运动时中间圆柱部分可被柔性拉伸，机器人外形呈近似的椭球形态，机器人受到浮力变大，有利于机器人的水中和上浮运动控制；当机器人中间圆柱部分被柔性压缩时，机器人外形呈近似的正球形态，机器人受到浮力变小，有利于机器人的下沉和水底运动控制，尤其是在水底机器人的单摆驱动球壳滚动时，这种变形使机器人的重力大于浮力，进而增大机器人的球壳与水底的摩擦力，有利控制机器人水底滚动速度；本专利专门设计了调节浮力的变形切换机构和单摆差动式的运动驱动机构，两种机构互相配合充分利用单摆的改变重心能力，螺旋桨推进能力和变形的浮力调节能力，使所发明的机器人可以灵活的在水中和水底两栖环境下自由运动。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人。本发明的技术方案如下：

一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，包括左半球结构和右半球结构，还包括设置于左半球结构和右半球结构之间的中间圆柱结构，其左半球结构、右半球结构和中间圆柱结构对接装配在一起形成近似椭球；所述中间圆柱结构内布置有两栖机器人的结构变形切换机构和单摆机构，所述左半球结构和右半球结构内各布置有导管螺旋桨推进机构，单摆机构和左右对称的导管螺旋桨推进机构形成单摆差动式的运动驱动机构；通过所述变形切换机构使得机器人的外形在近似椭球形和近似正球形之间变换，得机器人在水中处于上浮、悬浮和下沉三种状态，配合单摆差动式的运动驱动机构可使机器人调节到任意姿态，完成转弯和直线运动；近似椭球形态便于机器人在水中进行上浮和指定深度航行，近似正球形态便于机器人下沉航行或在水底滚动，机器人在水中或水底都可以进行姿态和位置的改变，在水中和水底两栖环境中自由运动。

进一步的，所述机器人的左半球结构包括左半球壳、左螺旋桨和左电池仓，左半球壳外部还设置有供左螺旋桨固定的左导管；右半球结构包括右半球壳、右螺旋桨和右电池仓，右半球壳外部还设置有供右螺旋桨固定的右导管，左电池仓对称安装于左半球壳内且在左导管的上下两侧，右电池仓对称安装于右半球壳内且在右导管的上下两侧；中间圆柱结构由圆柱橡胶壳、变形切换机构、单摆差动式的运动驱动机构组成。

进一步的，所述左半球壳和右半球壳保持刚性且形状不变，中间圆柱结构具有柔性变形能力，在机器人从近似椭球形态向近似正球形态的变形过程中，左半球结构和右半球结构在调节浮力的变形切换机构作用下整体向中间移动，中间圆柱结构中心截面位置保持不变，体积被压缩变小，直至机器人变成近似正球形态。

进一步的，所述机器人的调节浮力的变形驱动机构包括变形电机、蜗杆、涡轮、丝杠、左螺母支架和右螺母支架；所述左螺母支架安装在左导管外部中间位置，右螺母支架安装在右导管外部中间位置，左螺母支架的右端和右螺母支架的左端都有内螺纹结构，与丝杠的外螺纹配合，丝杠中间安装有涡轮，蜗杆与涡轮啮合，变形电机的输出轴与蜗杆直接连接。

进一步的，所述单摆差动式的运动驱动机构包括俯仰电机、大齿轮、滑轨套筒、摆块；俯仰电机输出端的小齿轮可驱动摆块上方的大齿轮旋转，大齿轮套在滑轨套筒外部可与摆块一起围绕滑轨套筒相对转动。

进一步的，所述滑轨套筒套接设置于丝杠外部，且滑轨套筒对称设置于所述蜗杆两端。

进一步的，所述摆块包括第一固定端、第二固定端和摆锤，其第一固定端、第二固定端分别设置于丝杠的两端，第一固定端、第二固定端均与大齿轮用键固定连接，摆锤设置于变形电机正下方位置。

进一步的，所述俯仰电机设置于变形电机上方，俯仰电机的小齿轮与套在滑轨套筒外的大齿轮啮合。

进一步的，所述左螺母支架与左半球结构固定连接，右螺母支架与右半球壳固定连接。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的目的在于针对现有水下机器人的不足，设计了一种运动灵活、便于控制和具有变形能力的水下两栖机器人，该种机器人具有两种形态，能够适应水中和水底两种环境；机器人采用封闭式的壳体，内部的重要元件被球壳保护，不易受海水侵蚀和水下物体刮碰，具有良好的自我保护能力；在调节浮力的变形驱动机构的作用下，机器人通过拉伸和压缩中间圆柱结构可以柔性地变形成近似椭球或正球形态，在近似椭球形态下更适合水中运动的控制，在近似正球形态下更适合水底运动控制，机器人采用单摆来进行机器人的俯仰角调节和水底滚动的控制，在机器人两侧的左半球结构和右半球结构内布置螺旋桨和电池仓，来提供机器人水中前进和转向的动力；机器人具有自保护性好，运动灵活和便于控制的优点，可作为水下移动平台，搭载传感器在未知水中和水底环境里执行信息采集任务。

根据水中和水底的两栖环境和机器人的运动性能要求，发明了一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人；这种小型水下机器人具有变形能力，在水中运动时机器人外形呈近似的椭球形态，有利于机器人的水中和上浮运动；当机器人外形呈近似的正球形态，有利于机器人的下沉和水底运动，尤其是在水底机器人的单摆驱动球壳滚动时，这种变形增大球壳与水底的摩擦力，便于控制机器人水底滚动速度；设计得调节浮力的变形驱动机构和单摆差动式的运动驱动机构，互相配合充分利用了单摆的改变重心能力，螺旋桨推进能力和变形的浮力调节能力，使所发明的机器人在水中和水底两栖环境下都能够发挥出灵活运动的优势。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例机器人外观示意图

图2为本发明的机器人装配示意图

图3为本发明的机器人内部结构后视图

图4为本发明的机器人内部结构俯视图

图5为本发明的机器人内部结构侧视图

图6为本发明的机器人变形传动机构示意图

图中标号：1：左半球壳，2：圆柱橡胶壳，3：右半球壳，4：左导管，5：右导管，6：左电池仓，7：右电池仓，8：右螺旋桨，9：摆块，10：左螺母支架，11：右螺母支架，12：蜗杆，13：变形电机，14：俯仰电机，15：滑轨套筒，16：左螺旋桨，17：丝杠，18：涡轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明的技术方案如下：

图1为发明的机器人外观示意图：从图中可以看到左导管4从左半球壳1中穿过，右导管5从右半球壳3中穿过，左螺旋桨16安装在左导管4中间，右螺旋桨8安装在右导管5中间；左半球壳1、圆柱橡胶壳2和右半球壳3，对接装配在一起，整个外形近似椭球形，这种密闭结构可以很好的保护机器人内部元件，免受海水侵蚀和水中物体刮碰。

图2为本发明的机器人装配示意图，图3为本发明的机器人内部结构后视图，图4为本发明的机器人内部结构俯视图，图5为本发明的机器人内部结构侧视图：图中左电池仓6对称安装于左半球壳1内且在左导管4的上下两侧，右电池仓7对称安装于右半球壳3内且在右导管5的上下两侧；左螺母支架10安装在左导管4外部中间位置，右螺母支架11安装在右导管5外部中间位置，左螺母支架10的右端和右螺母支架11的左端都有内螺纹结构，与丝杠17的外螺纹配合，丝杠17中间安装有涡轮18，蜗杆12与涡轮18啮合，变形电机13的输出轴与蜗杆12直接连接；变形电机13固定在滑轨套筒15外部中间上方，在滑轨套筒15内部中间是涡轮18和蜗杆12结构，滑轨套筒15两端是内方形结构与左螺母支架10右端的外方形放结构和右螺母支架11左端的外方形结构配对安装且可以相对滑动；摆块9位于机器人中间圆柱橡胶壳2内部空间的正下方，位于滑轨套筒15上方的俯仰电机14驱动的小齿轮与摆块9上方的大齿轮啮合，大齿轮套在滑轨套筒15外部可围绕滑轨套筒15相对转动，摆块9与大齿轮固定连接。

图6为本发明的机器人变形传动机构示意图，图中左螺母支架10的右端有左旋内螺纹结构，右螺母支架11的左端有右旋内螺纹结构，与丝杠17的外螺纹配合，丝杠17的两端的螺纹旋向相反，丝杠17的中间安装有涡轮18，蜗杆12与涡轮18啮合，变形电机13的输出轴与蜗杆12直接连接。

机器人可浮力调节的变形驱动机构运动过程：机器人在近似的椭球形态下机器人受到浮力较大，在变形电机13驱动下，蜗杆12转动，带动与其啮合的涡轮18转动，丝杠17也跟随转动，由于丝杠17两端的螺纹旋向相反，左螺母支架10和右螺母支架11在丝杠7的驱动下对称的向中间移动，由于左螺母支架10与左半球壳部分结构固定连接，右螺母支架11与右半球壳部分固定连接，所以机器人左半球部分结构和右半球部分结构向中间移动，压缩中间的圆柱橡胶壳2，机器人变形成近似的正球形态，体积减小，受到的浮力也变小；反变换过程中，变形电机13反转，机器人左半球结构部分和右半球结构部分向两边移动，拉伸中间的圆柱橡胶壳2，机器人变形成近似的椭球形态，体积增大，受到的浮力也变大。

机器人的单摆差动式运动驱动机构的运动过程：在俯仰电机14驱动下，其输出端的小齿轮带动摆块9上方的大齿轮旋转，大齿轮套在滑轨套筒15外部可围绕滑轨套筒15相对转动，大齿轮与摆块9固定连接，由于摆块9受到重力很大，机器人受到的旋转水阻力相对很小，所以摆块9的转动很小角度，根据相对运动原理，机器人俯仰角就会有很大的改变；机器人左螺旋桨16安装在左导管4中间，右螺旋桨8安装在右导管5中间；当左螺旋桨16与右螺旋桨8转动方向和转速一致时，机器人可在水中直线运动，当左螺旋桨16与右螺旋桨8转动方向和转速不一致时，机器人可在水中或者水底改变航向角；当机器人浮力变小，降落到水底时，由于球壳与水底存在摩擦力，控制俯仰电机14不停地转动，驱动单摆摆块的反作用力矩就被施加到机器人的球壳上，迫使球壳在水底滚动，实现机器人的水底移动。

综上所述：所发明的一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，在水中运动时机器人外形呈近似的椭球形态，有利于机器人的水中和上浮运动；当机器人外形呈近似的正球形态，有利于机器人的下沉和水底运动，尤其是在水底机器人的单摆驱动球壳滚动时，这种变形增大球壳与水底的摩擦力，便于控制机器人水底滚动速度；在设计中充分考虑了机器人单摆的改变重心能力，螺旋桨推进能力和变形的浮力调节能力，使所发明的机器人在水中和水底两栖环境下都能够发挥出灵活运动的优势；机器人电子元件全部封装在球壳内，具有良好的自我保护能力；机器人可以作为水下移动平台，搭载各种侦查和探测传感，在水中和水底两栖环境中执行信息收集任务。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，包括左半球结构和右半球结构，其特征在于，还包括设置于左半球结构和右半球结构之间的中间圆柱结构，所述左半球结构、右半球结构和中间圆柱结构对接装配在一起形成近似椭球；所述中间圆柱结构内布置有两栖机器人的结构变形切换机构和单摆机构，所述左半球结构和右半球结构内各布置有导管螺旋桨推进机构，单摆机构和左右对称的导管螺旋桨推进机构形成单摆差动式的运动驱动机构；通过所述变形切换机构使得机器人的外形在近似椭球形和近似正球形之间变换，使得机器人在水中处于上浮、悬浮和下沉三种状态，配合单摆差动式的运动驱动机构可使机器人调节到任意姿态，完成转弯和直线运动；近似椭球形态便于机器人在水中进行上浮和指定深度航行，近似正球形态便于机器人下沉航行或在水底滚动，机器人在水中或水底都可以进行姿态和位置的改变，在水中和水底两栖环境中自由运动。

2.根据权利要求1所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述机器人的左半球结构包括左半球壳(1)、左螺旋桨(16)和左电池仓(6)，左半球壳(1)外部还设置有供左螺旋桨(16)固定的左导管(4)；右半球结构包括右半球壳(3)、右螺旋桨(8)和右电池仓(7)，右半球壳(3)外部还设置有供右螺旋桨(8)固定的右导管(5)，左电池仓(6)对称安装于左半球壳(1)内且在左导管(4)的上下两侧，右电池仓(7)对称安装于右半球壳(3)内且在右导管(5)的上下两侧；中间圆柱结构由圆柱橡胶壳(2)、变形驱动机构、单摆差动式的运动驱动机构组成。

3.根据权利要求2所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述左半球壳(1)和右半球壳(3)保持刚性且形状不变，中间圆柱结构具有柔性变形能力，在机器人从近似椭球形态向近似正球形态的变形过程中，左半球结构和右半球结构在调节浮力的变形驱动机构作用下整体向中间移动，中间圆柱结构中心截面位置保持不变，体积被压缩变小，直至机器人变成近似正球形态。

4.根据权利要求2或3所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述机器人的调节浮力的变形驱动机构包括变形电机(13)、蜗杆(12)、涡轮(18)、丝杠(17)、左螺母支架(10)和右螺母支架(11)；所述左螺母支架(10)安装在左导管(4)外部中间位置，右螺母支架(11)安装在右导管(5)外部中间位置，左螺母支架(10)的右端和右螺母支架(11)的左端都有内螺纹结构，与丝杠(17)的外螺纹配合，丝杠(17)中间安装有涡轮(18)，蜗杆(12)与涡轮(18)啮合，变形电机(13)的输出轴与蜗杆(12)直接连接。

5.根据权利要求4所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述单摆差动式的运动驱动机构包括俯仰电机(14)、大齿轮、滑轨套筒(15)、摆块(9)；俯仰电机(14)输出端的小齿轮可驱动摆块(9)上方的大齿轮旋转，大齿轮套在滑轨套筒(15)外部可与摆块(9)一起围绕滑轨套筒(15)相对转动。

6.根据权利要求5所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述滑轨套筒(15)套接设置于丝杠(17)外部，且滑轨套筒(15)对称设置于蜗杆(12)两端。

7.根据权利要求5或6所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述摆块(9)包括第一固定端、第二固定端和摆锤，其第一固定端、第二固定端分别设置于丝杠(17)的两端，第一固定端、第二固定端均与大齿轮用键固定连接，摆锤设置于变形电机(13)正下方位置。

8.根据权利要求7所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述俯仰电机(14)设置于变形电机(13)上方，俯仰电机(14)的小齿轮与套在滑轨套筒(15)外的大齿轮啮合。

9.根据权利要求4所述的具有变形能力的单摆差动式水下两栖机器人，其特征在于，所述左螺母支架(10)与左半球结构固定连接，右螺母支架(11)与右半球壳固定连接。