CN107054588B - 一种水下爬游式机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下爬游式机器人及其工作方法。本发明包括机器人机身、机器人腿组、推进装置组、电池和控制器。机器人机身包括机身底盘和机身上盖组成。机器人腿组包括四条腿，每条腿结构相同由大腿和小腿组成。大腿由大腿第一关节电机、大腿第一关节电机连接板组、大腿第二关节电机、大腿第二关节电机连接板组和大腿框架组组成；小腿由小腿关节电机、伸缩驱动电机、导向筒、伸缩螺母、限位挡块和小腿杆组成。推进装置组由五个结构相同的推进装置，每个推进装置包括推进驱动电机、螺旋桨和锁紧螺母。本发明可以通过多条腿支撑在海底行走，又可以将腿收起并通过推进装置在水中进行游动，具有广阔的用途。

Description

一种水下爬游式机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于海洋技术领域，具体涉及一种水下爬游式机器人及其工作方法。

背景技术

海洋是地球上最大的水体，其面积占地球面积的71％左右。海洋中蕴藏着众多宝贵的资源，海洋为人类提供了营养丰富、味道鲜美的食物；同时海洋也储藏着丰富的油气、矿产及可再生资源，特别是在现在陆上油气资源面临枯竭的严峻形势下，海洋中的这些资源是人类赖以生存的宝贵能源。

合理开发利用海洋资源前，需要人类认识海洋，了解海洋。早在史前，人类就已经学会以海洋为生并开始探索海洋，通过在海洋上旅行，从海洋中捕鱼，不断进行着对海洋的探知，然而人类对海洋的认识与海洋整个水域比起来仍然是微不足道的。要深入认识海洋并开发海洋，仍需要获取海洋大范围精确的海洋参数数据，同时还需要进行海底勘探、取样等以对海洋进行深入分析。开展上述研究就需要众多海洋设备作为支撑，现有的设备中，水下机器人被广泛应用，并发挥了巨大作用，其中AUV和ROV是它们的典型代表。现有的水下机器人多擅长在海洋水体中进行观测，然而并不善于完成大范围的海底探测和作业任务。当前急需要一种水下机器人，其既可以在海底进行探测或作业，又可以在海洋水体中灵活运动从而在立体观测的同时进一步扩展海底探测或作业范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服以上问题的水下爬游式机器人及其工作方法，此水下爬游式机器人既可以通过多条腿支撑在海底行走，又可以将腿收起并通过推进装置在水中进行游动。

本发明由机器人机身、机器人腿组、推进装置组、电池和控制器组成。

机器人机身包括机身底盘和机身上盖组成。机身上盖置于机身底盘之上，并通过螺栓连接固定。

机器人腿组包括第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿。机器人腿组分布于机器人机身两侧，第一机器人腿和第二机器人腿位于机器人机身一侧，第三机器人腿和第四机器人腿位于机器人机身另一侧，第一机器人腿与第三机器人腿沿机器人机身中心线对称分布，第二机器人腿与第四机器人腿沿机器人机身中心线对称分布。四条腿结构相同，每条腿由大腿和小腿组成。

大腿由大腿第一关节电机、大腿第一关节电机连接板组、大腿第二关节电机、大腿第二关节电机连接板组和大腿框架组组成。

大腿第一关节电机与机身底盘之间通过螺栓连接固定。大腿第一关节电机连接板组包括大腿第一关节电机第一连接板和大腿第一关节电机第二连接板；大腿第一关节电机第一连接板的一端与大腿第一关节电机的输出轴之间通过键连接，大腿第一关节电机第二连接板的一端与大腿第一关节电机的机壳之间通过轴承连接；大腿第一关节电机第一连接板和大腿第一关节电机第二连接板的另一端分别与大腿第二关节电机的机壳之间通过螺栓连接固定。大腿第二关节电机连接板组包括大腿第二关节电机第一连接板和大腿第二关节电机第二连接板；大腿第二关节电机第一连接板的一端与大腿第二关节电机的输出轴之间通过键连接，大腿第二关节电机第二连接板的一端与大腿第二关节电机的机壳之间通过轴承连接；大腿第二关节电机第一连接板和大腿第二关节电机第二连接板的另一端分别与大腿框架之间通过螺栓连接固定。大腿框架组包括第一大腿框架和第二大腿框架；第一大腿框架的一端与大腿第二关节电机第一连接板之间通过螺栓连接固定，第二大腿框架的一端与大腿第二关节电机第二连接板之间通过螺栓连接固定；第一大腿框架和第二大腿框架的另一端分别与小腿连接。

小腿由小腿关节电机、伸缩驱动电机、导向筒、伸缩螺母、限位挡块和小腿杆组成。小腿关节电机的输出轴与第一大腿框架之间通过键连接，小腿关节电机的机壳与第二大腿框架之间通过轴承连接。伸缩驱动电机的机壳与小腿关节电机的机壳之间通过螺栓连接固定，伸缩驱动电机的输出轴为具有导向螺纹的伸出螺杆，伸缩驱动电机的靠近伸出螺杆一端的机壳与导向筒之间通过螺栓连接固定；导向筒上沿轴线方向对称开有一定宽度的两个长缺口，伸缩驱动电机的伸出螺杆与伸缩螺母之间通过螺纹连接，伸缩驱动电机的伸出螺杆与伸缩螺母之间可以相对旋转，伸出螺杆的末端与限位挡块通过螺纹连接固定；小腿杆中空，小腿杆一端具有对称突耳结构，伸缩螺母的对称突耳结构与小腿杆突耳结构之间通过螺栓连接固定，伸缩螺母与小腿杆穿过伸出螺杆置于导向筒中，同时伸缩螺母与小腿杆的突耳结构置于导向筒的两个长缺口中。此小腿结构可以实现伸长和缩短变化，伸缩驱动电机工作，当伸缩驱动电机的伸出螺杆沿逆时针方向旋转时，带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿伸出导向筒的方向运动，从而小腿尺寸变长，限位挡块用于限制伸缩螺母位置以防止伸缩螺母从伸出螺杆上脱落；当伸缩驱动电机的伸出螺杆沿顺时针方向旋转时，带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿缩进导向筒的方向运动，从而小腿尺寸变短。

推进装置组包括第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置。第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置分别安装于机身上盖的五个推进空腔中。五个推进装置结构相同，每个推进装置包括推进驱动电机、螺旋桨和锁紧螺母。推进驱动电机的输出轴穿过螺旋桨并与其通过键连接，推进驱动电机的输出轴末端与锁紧螺母通过螺纹连接，锁紧螺母将螺旋桨压紧在推进驱动电机的输出轴上，推进驱动电机的机壳通过螺钉与机身上盖固定连接。

电池和控制器分别通过螺钉固定在机身底盘的内表面上。

水下爬游式机器人的工作方法如下：

水下爬游式机器人工作方法分为两种，一种是爬行工作方式，另一种是游动工作方式。

爬行工作方式的工作过程为：首先，第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿中的关节电机工作，每条腿外摆处于支撑初始状态，每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿逆时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿伸出导向筒的方向运动，当小腿长度达到支撑长度时，小腿停止伸长；然后，控制第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置的运动，水下爬游式机器人慢慢降落直到机器人腿与水底接触；进而，第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置停止工作，水下爬游式机器人完全通过机器人腿支撑，从而在水底进行行走。

游动工作方式的工作过程为：首先，第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置工作，通过控制五个推进装置的运动使水下爬游式机器人离开水底；然后，水下爬游式机器人每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿顺时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿缩进导向筒的方向运动，当小腿长度达到缩进极限时，小腿停止缩短；进而，第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿中的关节电机工作，每条腿侧摆处于游动初始状态，水下爬游式机器人通过五个推进装置推动水下爬游式机器人在水中游动。

本发明可以达到的有益效果：

(1)本发明采用爬游式结构，水下爬游式机器人既可以通过腿支撑在水底行走，又可以通过推进装置在水中游动，从而既可以完成水底任务又可以开展水中的工作，其工作区域可以覆盖整个水体空间，因此水下爬游式机器人具有广阔的用途；

(2)水下爬游式机器人采用两种工作方式：爬行工作方式和游动工作方式，并提出两种工作方式的工作方法，通过合理规划实现了爬行工作方式和游动工作方式的顺畅变换，从而实现了水下爬游式机器人两种工作方式的正常切换和有效工作；

(3)采用伸缩式腿结构，当水下爬游式机器人处于游动工作方式时，其所有腿收起放于机身两侧凹陷空间中，从而有效降低了水下爬游式机器人在游动时水流的阻力，有效降低了推进装置的负载，进而进一步有效降低水下爬游式机器人的能耗；

(4)采用伸缩式腿结构，当水下爬游式机器人处于爬行工作方式时，其可以根据水底地形环境通过改变各条腿的长度调整整个机器人机身与水底的相对位置与姿态，从而提高机器人的稳定性，进而有效提高水下爬游式机器人对水底复杂地形的适应性。

附图说明

图1本发明的水下爬游式机器人结构示意图；

图2本发明的水下爬游式机器人的第一机器人腿结构示意图；

图3本发明的水下爬游式机器人的小腿结构剖面图；

图4本发明的水下爬游式机器人左侧视图；

图5本发明的水下爬游式机器人右侧视图；

图6本发明的水下爬游式机器人剖面视图；

图7本发明的水下爬游式机器人推进装置示意图。

图8本发明的水下爬游式机器人游动工作方式示意图。

图中：1.第一机器人腿，2.第二机器人腿，3.第三机器人腿，4.第四机器人腿，6.第一推进装置，7.第二推进装置，8.第三推进装置，9.第四推进装置，10.第五推进装置，11.大腿第一关节电机，12.大腿第一关节电机连接板组，13.大腿第二关节电机，14.大腿第二关节电机连接板组，15.大腿框架组，21.电池，22.控制器，51.机身底盘，52.机身上盖，61.推进驱动电机，62.螺旋桨，63.锁紧螺母，121.大腿第一关节电机第一连接板，122.大腿第一关节电机第二连接板，141.大腿第二关节电机第一连接板，142.大腿第二关节电机第二连接板，151.第一大腿框架，152.第二大腿框架，161.小腿关节电机，162.伸缩驱动电机，163.导向筒，164.伸缩螺母，165.限位挡块，166.小腿杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种水下爬游式机器人,包括机器人机身、机器人腿组、推进装置组、电池和控制器。

如图1所示，机器人机身包括机身底盘51和机身上盖52组成。机身上盖52置于机身底盘51之上，并通过螺栓连接固定。

机器人腿组包括第一机器人腿1、第二机器人腿2、第三机器人腿3和第四机器人腿4。机器人腿组分布于机器人机身两侧，第一机器人腿1和第二机器人腿2位于机器人机身一侧，第三机器人腿3和第四机器人腿4位于机器人机身另一侧，第一机器人腿1与第三机器人腿3沿机器人机身中心线对称分布，第二机器人腿2与第四机器人腿4沿机器人机身中心线对称分布。四条腿结构相同，每条腿由大腿和小腿组成，以第一机器人腿1为例进行说明。

如图2所示，第一机器人腿1的大腿由大腿第一关节电机11、大腿第一关节电机连接板组12、大腿第二关节电机13、大腿第二关节电机连接板组14和大腿框架组15组成。

大腿第一关节电机11与机身底盘51之间通过螺栓连接固定。大腿第一关节电机连接板组12包括大腿第一关节电机第一连接板121和大腿第一关节电机第二连接板122；大腿第一关节电机第一连接板121的一端与大腿第一关节电机11的输出轴之间通过键连接，大腿第一关节电机第二连接板122的一端与大腿第一关节电机11的机壳之间通过轴承连接；大腿第一关节电机第一连接板121和大腿第一关节电机第二连接板122的另一端分别与大腿第二关节电机13的机壳之间通过螺栓连接固定。大腿第二关节电机连接板组14包括大腿第二关节电机第一连接板141和大腿第二关节电机第二连接板142；大腿第二关节电机第一连接板141的一端与大腿第二关节电机13的输出轴之间通过键连接，大腿第二关节电机第二连接板142的一端与大腿第二关节电机13的机壳之间通过轴承连接；大腿第二关节电机第一连接板141和大腿第二关节电机第二连接板142的另一端分别与大腿框架15之间通过螺栓连接固定。大腿框架组15包括第一大腿框架151和第二大腿框架152；第一大腿框架151的一端与大腿第二关节电机第一连接板141之间通过螺栓连接固定，第二大腿框架152的一端与大腿第二关节电机第二连接板142之间通过螺栓连接固定；第一大腿框架151和第二大腿框架152的另一端分别与小腿16连接。

如图3所示，小腿16由小腿关节电机161、伸缩驱动电机162、导向筒163、伸缩螺母164、限位挡块165和小腿杆166组成。小腿关节电机161的输出轴与第一大腿框架151之间通过键连接，小腿关节电机161的机壳与第二大腿框架152之间通过轴承连接。伸缩驱动电机162的机壳与小腿关节电机161的机壳之间通过螺栓连接固定，伸缩驱动电机162的输出轴为具有导向螺纹的伸出螺杆，伸缩驱动电机162的靠近伸出螺杆一端的机壳与导向筒163之间通过螺栓连接固定；导向筒163上沿轴线方向对称开有一定宽度的两个长缺口，伸缩驱动电机162的伸出螺杆与伸缩螺母164之间通过螺纹连接，伸缩驱动电机162的伸出螺杆与伸缩螺母164之间可以相对旋转，伸出螺杆的末端与限位挡块165通过螺纹连接固定；小腿杆166为中空结构，小腿杆166一端具有对称突耳结构，伸缩螺母164的对称突耳结构与小腿杆166的突耳结构之间通过螺栓连接固定，伸缩螺母164与小腿杆166穿过伸出螺杆置于导向筒163中，同时伸缩螺母164与小腿杆166的突耳结构置于导向筒163的两个长缺口中。此小腿结构可以实现伸长和缩短变化，伸缩驱动电机162工作，当伸缩驱动电机162的伸出螺杆沿逆时针方向旋转时，带动伸缩螺母164沿导向筒163运动，伸缩螺母164带动小腿杆166沿伸出导向筒163的方向运动，从而小腿尺寸变长，限位挡块165用于限制伸缩螺母164的位置以防止伸缩螺母164从伸出螺杆上脱落；当伸缩驱动电机162的伸出螺杆沿顺时针方向旋转时，带动伸缩螺母164沿导向筒163运动，伸缩螺母164带动小腿杆166沿缩进导向筒163的方向运动，从而小腿尺寸变短。

如图4、5所示，推进装置组包括第一推进装置6、第二推进装置7、第三推进装置8、第四推进装置9和第五推进装置10。第一推进装置6、第二推进装置7、第三推进装置8、第四推进装置9和第五推进装置10分别安装于机身上盖的五个推进空腔中。五个推进装置结构相同，以第一推进装置6为例进行说明，如图7所示，第一推进装置6包括推进驱动电机61、螺旋桨62和锁紧螺母63。推进驱动电机61的输出轴穿过螺旋桨62并与其通过键连接，推进驱动电机61的输出轴末端与锁紧螺母63通过螺纹连接，锁紧螺母63将螺旋桨62压紧在推进驱动电机61的输出轴上，推进驱动电机61的机壳通过螺钉与机身上盖52固定连接。

如图6所示，电池21和控制器22分别通过螺钉固定在机身底盘的内表面上。

水下爬游式机器人的工作方法如下：

水下爬游式机器人工作方法分为两种，一种是爬行工作方式，另一种是游动工作方式。

爬行工作方式的工作过程为：如图1所示，首先，第一机器人腿1、第二机器人腿2、第三机器人腿3和第四机器人腿4中的关节电机工作，每条腿外摆处于支撑初始状态，每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿逆时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿伸出导向筒的方向运动，当小腿长度达到支撑长度时，小腿停止伸长；然后，控制第一推进装置6、第二推进装置7、第三推进装置8、第四推进装置9和第五推进装置10的运动，水下爬游式机器人慢慢降落直到机器人腿与水底接触；进而，第一推进装置6、第二推进装置7、第三推进装置8、第四推进装置9和第五推进装置10停止工作，水下爬游式机器人完全通过机器人腿支撑，从而在水底进行行走。

游动工作方式的工作过程为：如图8所示，首先，第一推进装置6、第二推进装置7、第三推进装置8、第四推进装置9和第五推进装置10工作，通过控制五个推进装置的运动使水下爬游式机器人离开水底；然后，水下爬游式机器人每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿顺时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿缩进导向筒的方向运动，当小腿长度达到缩进极限时，小腿停止缩短；进而，第一机器人腿1、第二机器人腿2、第三机器人腿3和第四机器人腿4中的关节电机工作，每条腿侧摆处于游动初始状态，水下爬游式机器人通过五个推进装置推动水下爬游式机器人在水中游动。

Claims (2)

1.一种水下爬游式机器人，包括机器人机身、机器人腿组、推进装置组、电池和控制器；其中，机器人机身包括机身底盘和机身上盖组成；机器人腿组包括第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿；推进装置组包括第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置；其特征在于：

机身上盖置于机身底盘之上，并通过螺栓连接固定；

机器人腿组分布于机器人机身两侧，第一机器人腿和第二机器人腿位于机器人机身一侧，第三机器人腿和第四机器人腿位于机器人机身另一侧，第一机器人腿与第三机器人腿沿机器人机身中心线对称分布，第二机器人腿与第四机器人腿沿机器人机身中心线对称分布；四条腿结构相同，每条腿由大腿和小腿组成；

第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置分别安装于机身上盖的五个推进空腔中；五个推进装置结构相同，每个推进装置包括推进驱动电机、螺旋桨和锁紧螺母；推进驱动电机的输出轴穿过螺旋桨并与其通过键连接，推进驱动电机的输出轴末端与锁紧螺母通过螺纹连接，锁紧螺母将螺旋桨压紧在推进驱动电机的输出轴上，推进驱动电机的机壳通过螺钉与机身上盖固定连接；

电池和控制器分别通过螺钉固定在机身底盘的内表面上；

大腿由大腿第一关节电机、大腿第一关节电机连接板组、大腿第二关节电机、大腿第二关节电机连接板组和大腿框架组组成；大腿第一关节电机与机身底盘之间通过螺栓连接固定；大腿第一关节电机连接板组包括大腿第一关节电机第一连接板和大腿第一关节电机第二连接板；大腿第一关节电机第一连接板的一端与大腿第一关节电机的输出轴之间通过键连接，大腿第一关节电机第二连接板的一端与大腿第一关节电机的机壳之间通过轴承连接；大腿第一关节电机第一连接板和大腿第一关节电机第二连接板的另一端分别与大腿第二关节电机的机壳之间通过螺栓连接固定；大腿第二关节电机连接板组包括大腿第二关节电机第一连接板和大腿第二关节电机第二连接板；大腿第二关节电机第一连接板的一端与大腿第二关节电机的输出轴之间通过键连接，大腿第二关节电机第二连接板的一端与大腿第二关节电机的机壳之间通过轴承连接；大腿第二关节电机第一连接板和大腿第二关节电机第二连接板的另一端分别与大腿框架之间通过螺栓连接固定；大腿框架组包括第一大腿框架和第二大腿框架；第一大腿框架的一端与大腿第二关节电机第一连接板之间通过螺栓连接固定，第二大腿框架的一端与大腿第二关节电机第二连接板之间通过螺栓连接固定；第一大腿框架和第二大腿框架的另一端分别与小腿连接；

小腿由小腿关节电机、伸缩驱动电机、导向筒、伸缩螺母、限位挡块和小腿杆组成；小腿关节电机的输出轴与第一大腿框架之间通过键连接，小腿关节电机的机壳与第二大腿框架之间通过轴承连接；伸缩驱动电机的机壳与小腿关节电机的机壳之间通过螺栓连接固定，伸缩驱动电机的输出轴为具有导向螺纹的伸出螺杆，伸缩驱动电机的靠近伸出螺杆一端的机壳与导向筒之间通过螺栓连接固定；导向筒上沿轴线方向对称开有一定宽度的两个长缺口，伸缩驱动电机的伸出螺杆与伸缩螺母之间通过螺纹连接，伸缩驱动电机的伸出螺杆与伸缩螺母之间可以相对旋转，伸出螺杆的末端与限位挡块通过螺纹连接固定；小腿杆中空，小腿杆一端具有对称突耳结构，伸缩螺母的对称突耳结构与小腿杆突耳结构之间通过螺栓连接固定，伸缩螺母与小腿杆穿过伸出螺杆置于导向筒中，同时伸缩螺母与小腿杆的突耳结构置于导向筒的两个长缺口中；此小腿结构可以实现伸长和缩短变化，伸缩驱动电机工作，当伸缩驱动电机的伸出螺杆沿逆时针方向旋转时，带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿伸出导向筒的方向运动，从而小腿尺寸变长，限位挡块用于限制伸缩螺母位置以防止伸缩螺母从伸出螺杆上脱落；当伸缩驱动电机的伸出螺杆沿顺时针方向旋转时，带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿缩进导向筒的方向运动，从而小腿尺寸变短；

该水下爬游式机器人的爬行的工作方式具体过程为：

首先，第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿中的关节电机工作，每条腿外摆处于支撑初始状态，每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿逆时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿伸出导向筒的方向运动，当小腿长度达到支撑长度时，小腿停止伸长；然后，控制第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置的运动，水下爬游式机器人慢慢降落直到机器人腿与水底接触；进而，第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置停止工作，水下爬游式机器人完全通过机器人腿支撑，从而在水底进行行走。

2.根据权利要求1所述的一种水下爬游式机器人的工作方法，其特征在于游动工作方式的工作过程为：

首先，第一推进装置、第二推进装置、第三推进装置、第四推进装置和第五推进装置工作，通过控制五个推进装置的运动使水下爬游式机器人离开水底；然后，水下爬游式机器人每条腿的小腿的伸缩驱动电机工作，伸缩驱动电机的伸出螺杆沿顺时针方向旋转带动伸缩螺母沿导向筒运动，伸缩螺母带动小腿杆沿缩进导向筒的方向运动，当小腿长度达到缩进极限时，小腿停止缩短；进而，第一机器人腿、第二机器人腿、第三机器人腿和第四机器人腿中的关节电机工作，每条腿侧摆处于游动初始状态，水下爬游式机器人通过五个推进装置推动水下爬游式机器人在水中游动。