CN107651143A - 一种水下帆动力智能球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能持续工作、具备大航程、长续航时间的新型水下帆动力球形机器人，机器人主要由网状球壳、中间带有导管的球体、升降帆机构、重摆驱动姿态调节机构、长轴电机、短轴电机、滚动电机、力矩陀螺、螺旋桨推进机构、蓄电池、控制系统等部分组成。这是一种无燃料消耗的非常长航时水下运动的一种智能机器人，巧妙地将重摆与帆相结合，利用风力和洋流对帆的作用力实现在海面和水下运动，同时给出了灵巧的升降帆机构和重摆驱动航向调整机构。本发明所述的水下帆动力智能球形机器人不仅能在水上、水下运动，也可以在海底滚动，此外利用螺旋桨回生充电功能可以将电能存至电源模块，在海洋监测任务等方面有广阔的应用前景。

Description

一种水下帆动力智能球形机器人

技术领域：

本发明涉及了一种能持续工作、具备大航程、长续航时间的新型水下帆动力球形机器人，在水面或水下依靠风力或水流驱动，因此大大延长了水下机器人在水中执行任务的时长，适用于一些需要长时间水下探测、科考、侦查的场合，涉及新型机器人技术开发领域。

背景技术：

水下机器人种类繁多，一般可以分为载人和无人两大类。其中载人机器人人工操控，便于处理复杂的问题，但危险性大，而且系统复杂、价格昂贵。无人水下机器人则是能实现在恶劣海况下、重污染海域等人类无法胜任的地域完成作业，使用安全，能实现零伤亡的海洋科考作业，越来越多的受到各国海洋科技工作者和军事研究人员的重视。无人水下机器人又分为缆控水下机器人(ROV：Remote Operated Vehicle)和自治水下机器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)两种。ROV是有缆连接的水下无人机器人，通过脐带电缆与母船相连接，母船为其提供电力，机器人可向母船发回视频、音频、各类传感数据等信息，母船的操控人员手动对ROV其进行控制。ROV具有作业时间长、作业灵活、功率大、效率高的优点，但活动范围受到母船限制。AUV自带动力，无需母船供给，因而，与ROV相比，AUV无脐带纠缠，具有活动范围大、不需要庞大水面支持系统、使用和维修费用低等优点。然而AUV自带的动力系统往往不能持续供给能量，AUV的作业范围不超过100km，续航时间也局限在十数小时，世界范围内迫切需要能持续工作、具备大航程、长续航时间的新型水下机器人，而研制新型AUV则成为此热点领域的主要研究方向之一。

水下机器人外形主要分为两种：一种是由鱼雷发展而来，具有圆柱形外壳，依靠单推进器和尾舵机构配合来完成推进和转向；另一种则是开架式的，具有方形的结构，需要配置较多推进器，每一个动作都需要几个推进器协同作用完成。然而两种类型水下机器人都有一定的缺点，前者转向能力较差，转弯半径大。后者由于配置的推进器较多，不但造价高，而且占用机器人宝贵体积空间。水下球形机器人具有运动灵活、零半径转向、抗压性强、结构紧凑等优点，与传统水下机器人相比有很大优越性，在海洋监测任务等方面有着广阔的应用前景。

发明内容：

本专利的发明旨在设计一款能持续工作、具备大航程、长续航时间的新型帆动力水下球形机器人。该机器人创造性地将重摆与帆相结合，可不消耗燃料在海面、水下将帆升起，利用风力或洋流对帆的推力进行长航时航行，并且利用应急驱动螺旋桨充电至蓄电池中。利用重摆的两自由度摆动实现偏航角和俯仰角的控制，配置各种传感器提高环境感知和自身检测能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

水下帆动力智能球形机器人包括网状球壳、中间带有导管的球体、升降帆机构、重摆驱动姿态调节机构、长轴电机、短轴电机、滚动电机、力矩陀螺、应急螺旋桨、蓄电池、控制系统等。中间带有导管的球体设置在网状球壳的中心，升降帆机构设置在球体上侧，重摆驱动姿态调节机构设置在球体下侧，螺旋桨推进机构设置在球体中间导管处，球体通过力矩陀螺分别与滚动电机和网状球壳相连。

机器人外壳采用网状结构，避免海水中水草等植物缠绕，有效保护机器人内部机构。机器人中心部位设计为一个中间带有导管的球体，帆通过支撑杆与球体顶部固连，重摆通过连杆连接在球体下方。

导管下方安置两个电机，长轴电机通过小齿轮传动与大齿轮啮合，大齿轮与中空重摆连杆固连，底部通过锥齿轮驱动重摆转向进而调整机器人的偏航角，短轴电机通过重摆连杆中间的传动装置提供驱动力矩调节重摆俯仰进而调整机器人的俯仰角。

球体导管上方配置定位声呐系统、超声波测距传感器、深度传感器、陀螺仪等多种传感器以及无线通信设备、高性能二次电池和升降帆机构。升帆时驱动电机拉动绳索带动横杆升起帆布并拉伸弹簧，将电能转换为弹簧的弹性势能，解锁时释放弹簧，降下帆布。

导管中安置螺旋桨，利用二次电池电源提供的能量喷水推进，可以根据任务状况机动调节机器人位置和姿态，增加运动灵活性。此外，在位姿调整的间隙中，螺旋桨可以反向发电并存储至电源模块，延长了机器人的任务执行时间，可以满足长时间(几个月)水下侦查的任务需求。

所述球体内有应急螺旋桨、长轴电机、短轴电机、定位声呐系统、超声波测距传感器、深度传感器、陀螺仪等多种传感器以及无线通信设备、高性能二次电池，短轴电机与小齿轮连接，小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与长轴电机连接，长轴电机与该大齿轮的中心连线通过球体的球心；大齿轮依次连接支架、重摆；长轴电机依次与两个锥齿轮连接，二锥齿轮相互啮合；

在机器人设计结构时不仅要考虑其运动特性，便于控制，还要考虑机器人的续航能力和传感器的安装与布置。为了使机器人具有能够在较深水域执行任务的能力，机器人的壳体应具有一定的抗压能力。壳体一方面要有足够抗压强度，同时也要尽可能减少壳体质量，增加运动灵活度。为了使机器人能够在水面和水下长时间工作，要有足够的动力源供给，同时减少能源消耗。在一定的能源提供条件下，设计机器人可以有效充分利用，尽可能提高运动效率。

本发明设计的水下帆动力智能球形机器人具有以下优点：

驱动与航向控制机构创新大，驱动力来自洋流对帆的推力，航向用重摆的两自由度摆动来实现，机构简单；所带一个应急驱动螺旋桨安装在一个密封的球体内避开了转向时水阻力。

节约能源，可不消耗燃料在海面、海洋水下将帆升起，利用洋流对帆的推力长航时航行；在需要停下作业时，收起帆，让重摆的窄面向着洋流方向，让智能机器人在重摆与应急螺旋桨的联合作用下调整姿态，完成不同方向的作业。

外围的网状球壳可使得该智能机器人可在重舵驱动下实现海底滚动行走。另一方面，网状球壳也保护了驱动帆和航向控制重舵不被水中杂物缠绕而灵活工作。

帆动力驱动智能机器人在海水中依靠洋流对帆推动动力航行时，应急驱动螺旋桨发电，电能存回蓄电池中，以备重舵调航向、各种传感器、通讯和应急驱动的用电使用。

该种智能机器人可单机工作，也可在通讯设备的组网在海洋中形成团队协调作业，完成复杂任务。各种传感器协同可提高智能机器人的感知环境和自身检测能力。

该机器人携带不同的工具可完成不同水中、水面和海底作业任务。航行速度可达约37km/h。

附图说明

图1为水下帆动力智能球形机器人三维结构图；

图2为水下帆动力智能球形机器人主视图；

图3为水下帆动力智能球形机器人侧视图；

图4为水下帆动力智能球形机器人俯视图；

图中标号：1：升降帆机构；2:力矩陀螺；3：横滚电机；4：小齿轮；5：大齿轮；6：锥齿轮1；7：锥齿轮2；8：支架；9：重摆；10：带有导管的球体；11：网状结构外壳；12：控制电路；13：电源模块；14：长轴电机；15：短轴电机；16：应急螺旋桨；17：升降帆电机；18：弹簧。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步描述。

如图1所示为水下帆动力智能球形机器人三维结构图。图2为水下帆动力智能球形机器人主视图。图3为水下帆动力智能球形机器人侧视图。图4为水下帆动力智能球形机器人俯视图。如图所示，1作为升降帆结构，通过杆件连接在中心的球体10上；升降帆电机17固定在结构1上，连接弹簧18；3作为横滚电机，与网状外壳11连接；2是两个力矩陀螺，连接外壳11或电机和中心的球体10；4、5两个齿轮与球体内部的电机连接；9是两个重摆，与8支架连接。两个锥齿轮6,7分别通过轴连接在球体10内部电机与8支架上。

网状球壳11的内表面连接有长轴电机14以及长轴转动支撑套，长轴电机14与长轴转动支撑套的中心连线通过网状球壳11的球心；长轴电机14的定子与所述网状球壳11固定，长轴电机14的转子前段与力矩陀螺2连接，力矩陀螺2与带中心导管的球体10连接，力矩陀螺2与球体10的中心连线通过该网状球壳11的球心，所述长轴转动支撑套与力矩陀螺2连接，力矩陀螺2与该长轴转动支撑套的中心连线通过网状球壳11的球心。

本发明水下帆动力智能球形机器人，不仅可以在水上航行，而且可以在水下航行，也可以在水底自由滚动。定位声纳系统可以根据机器人自身坐标与参考坐标系确定自身位置，利用超声波测距传感器可以有效探测与障碍物距离进而主动避障，实现安全工作。深度传感器、陀螺仪、水速传感器等可以实时检测机器人自身状态和所处环境并反馈至控制系统，也通过无线通讯设备与控制中心相联系。

水下帆动力智能球形机器人利用帆的升降机构实现帆的升降，升降帆机构主要由两侧的中空套杆、中空套杆中间的支撑杆、升降电机、强力弹簧、带动帆布的横杆、与球体相连接的连接杆等组成。升帆时驱动电机拉动绳索带动横杆升起帆布并拉伸弹簧，将电能转换为弹簧的弹性势能，解锁时释放弹簧，降下帆布。根据风力风向或洋流流向，通过帆和重摆的协调控制调整帆布升降以及受力方向，在水面借助风力驱动，在水下借助洋流驱动。

水下帆动力智能球形机器人想要调整自身的俯仰角和偏航角时，短轴电机15驱动小齿轮4转动，小齿轮4驱动与其啮合的大齿轮5转动，因为大齿轮与支架8固连，所以大齿轮会驱动重摆绕竖直轴转动进而调整机器人的偏航角。长轴电机14驱动锥齿轮6转动，锥齿轮6驱动与其啮合的锥齿轮7转动，锥齿轮7驱动重摆绕水平轴转动进而调整机器人的俯仰角。在需要停下作业时，收起帆，让重摆的窄面向着洋流方向，让智能机器人在重摆与应急螺旋桨的联合作用下调整姿态，完成不同方向的作业。横滚电机3驱动力矩陀螺2及重摆9使得水下帆动力智能球形机器人可以在海底全方位自由滚动。

应急螺旋桨16一般不作为动力驱动，但可以根据任务状况机动调节机器人位置和姿态，增加运动灵活性。在位姿调整的间隙中，螺旋桨可以反向发电并存储至电源模块13，保证了应急螺旋桨16、长轴电机15、短轴电机14、滚动电机3、升降电机17的能源供应，延长了机器人的任务执行时间。

Claims (6)

1.一种水下帆动力智能球形机器人，主要由网状球壳、中间带有导管的球体、升降帆机构、重摆驱动姿态调节机构、长轴电机、短轴电机、滚动电机、力矩陀螺、应急螺旋桨、蓄电池、控制系统、多传感器系统等部分组成，其特征在于：

所述球壳采用网状结构，中间带有导管的球体设置在网状球壳的中心，升降帆机构设置在球体上侧，重摆驱动姿态调节机构设置在球体下侧，螺旋桨推进机构设置在球体中间导管处，球体通过力矩陀螺分别与滚动电机和网状球壳相连，网状球壳的内表面连接有长轴电机以及长轴转动支撑套，长轴电机与长轴转动支撑套的中心连线通过网状球壳的球心；力矩陀螺与带中心导管的球体连接，力矩陀螺与球体的中心连线通过该网状球壳的球心，该水下帆动力智能球形机器人不仅可以在水上航行，而且可以在水下航行，也可以在水底自由滚动。

2.根据权利要求1所述的升降帆机构，其特征在于：

升降帆机构主要由两侧的中空套杆、中空套杆中间的支撑杆、升降电机、强力弹簧、带动帆布的横杆、与球体相连接的连接杆等组成，升帆时驱动电机拉动绳索带动横杆升起帆布并拉伸弹簧，将电能转换为弹簧的弹性势能，解锁时释放弹簧，帆布在强力弹簧的拉动作用下降至与球体相连接的连接杆处，该水下帆动力智能球形机器人根据风力风向或洋流流向，通过帆和重摆的协调控制调整帆布升降以及受力方向，在水面借助风力驱动，在水下借助洋流驱动，节约能源，可不消耗燃料进行长航时航行。

3.根据权利要求1所述的重摆驱动姿态调节机构，其特征在于：

水下帆动力智能球形机器人想要调整自身的俯仰角和偏航角时，短轴电机驱动小齿轮转动，小齿轮驱动与其啮合的大齿轮转动，因为大齿轮与支架固连，所以大齿轮会驱动重摆绕竖直轴转动进而调整机器人的偏航角；长轴电机驱动横置的锥齿轮转动，横置的锥齿轮驱动与其啮合的竖置锥齿轮转动，竖置锥齿轮驱动重摆绕水平轴转动进而调整机器人的俯仰角。

4.根据权利要求1所述的球壳，其特征在于：

所述球壳由两个半球壳通过连接片和螺栓连接形成一个完整网状球壳，便于内部机构的安装与放置，保护驱动帆和重摆驱动姿态调节机构不被水中杂物缠绕而灵活工作，网状结构也不影响螺旋桨工作，在海底滚动时提供较大摩擦力，也起到一定防撞保护作用。

5.根据权利要求1所述的应急螺旋桨和蓄电池，其特征在于：

导管中安置有螺旋桨，利用蓄电池电源提供的能量喷水推进，可以根据任务状况机动调节机器人位置和姿态，增加运动灵活性，该螺旋桨除可应急三自由度驱动外，也兼有驱动该智能机器人上浮、下降的作用，此外，在位姿调整的间隙中，螺旋桨可以反向发电并存储至电源模块，延长了机器人的任务执行时间，可以满足长时间水下侦查的任务需求。

6.根据权利要求1所述的中间带有导管的球体，其特征在于：

球体中间有一通透导管，球体外壳由两个半球壳通过良好密封措施连在一起，两个半球壳的接缝所在平面经过导管中心并且与导管长度方向垂直，球壳有效的保护了长轴电机、短轴电机、蓄电池、控制系统、定位声呐系统、超声波测距传感器、深度传感器、陀螺仪等多种传感器以及无线通信设备。