CN109849022B - 一种水下吸附式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下吸附式机器人，包括机身，所述机身安装有用于带动机身运动的推进机构；用于调节机身在水中姿态的姿态控制机构；用于将机身吸附固定在水下结构的多个吸附带，所述吸附带由多个关节构成，相邻关节转动连接，所述关节固定连接有吸附件，所述吸附件用于吸附水下结构，所述吸附带与调节机构连接，所述调节机构用于调节吸附带的收起和张开；所述机身还安装有用于将水流的机械能转换为电能，为机器人进行供电，同时可用于为机身静音前进提供动力的能量回收机构,所述推进机构、姿态控制机构、调节机构及能量回收机构与控制机构连接，本发明的机器人可长时间在水下工作。

Description

一种水下吸附式机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及一种水下吸附式机器人。

背景技术

机器人是一个复杂的无人系统，用以代替人类进行复杂、艰苦甚至危险的工作，它涉及到多门学科，体现一个国家的综合技术水平。

水下机器人已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作。当前的水下机器人主要有可遥控的ROV和自主的AUV两种形式，发明人发现，在某些有特殊要求的作业场合，现有的水下机器人并不能达到理想的作业效果，如在海洋监测及军事应用中，常常需要水下机器人能长时间在特定区域，且在必要时可机动行进，当前的各种机器人很难满足这种需求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种水下吸附式机器人，可长时间在水下进行工作，完成各种水下任务。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种水下吸附式机器人，包括机身，所述机身安装有用于带动机身运动的推进机构；用于调节机身在水中姿态的姿态控制机构；用于将机身吸附固定在水下结构的多个吸附带，所述吸附带由多个关节构成，相邻关节转动连接，所述关节固定连接有吸附件，所述吸附件用于吸附水下结构，所述吸附带与调节机构连接，所述调节机构用于调节吸附带的收起和张开；所述机身还安装有用于将水流的机械能转换为电能，为机器人进行供电，同时可用于为机身静音前进提供动力的能量回收机构,所述推进机构、姿态控制机构、调节机构及能量回收机构与控制机构连接。

本发明水下吸附式机器人的工作原理为：推进机构可带动机身的前进和转向，姿态控制机构可实现机身的上浮、下潜、翻转及俯仰等动作，所述调节机构可控制吸附带的张开和收起，吸附带收起时，吸附件可吸附固定在水下的大型鱼类、水下岩石、活动船舶的水下部分等水下结构，能量回收机构可将水下水流的机械能转化为电能，为机器人进行供电，保证了机器人长时间在水下进行工作，吸附带收起时，机器人可进行自主运动，同时能量回收机构还为机身静音前进提供动力。

本发明的有益效果：

1.本发明的水下吸附式机器人，具有吸附机构，可吸附在位于水下的相关结构上，并且具有能量回收机构，可利用水下的水流进行发电，对机器人内的各元件进行供电，可以保证机器人在水下较长时间的工作。

2.本发明的水下吸附式机器人，吸附机构可收起和张开，实现了机器人随动和主动运动的切换，吸附机构收起时，机器人通过推进机构和姿态控制机构可实现灵活运动，完成各种水下任务。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例整体结构俯视示意图；

图2为本发明实施例整体结构侧视示意图；

图3为本发明实施例吸附机构结构示意图；

图4为本发明图1中的B处放大图；

图5为本发明图2中的A向示意图；

其中，1.机身，2.推进螺旋桨，3.推进驱动机构，4.控制机构，5.姿控螺旋桨，6.姿控驱动机构，7.吸附带，7-1.关节，7-2.转轴，8.底座，9.收缩轮，10.扩张轮，11.调节电机，12.收缩绳，13.扩张绳，14.吸盘，15.进水管，16.水泵，17.出水管，18.电磁阀，19.第一管段，20.第二管段，21.第一转动电机，22.第二转动电机，23.第一连接轴，24.第一锥齿轮，25.第二锥齿轮，26.第二连接轴，27.发电机，27-1.壳体，27-2.转子，27-3.永磁体，27-4.下极板，27-5.支撑板，27-6.上极板，28.旋转轴承，29.蓄电池，30. 流向流速传感器，31.发电螺旋桨，32.任务机构，33.多通连接件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的水下机器人无法满足长时间在水下某特定区域进行工作并且必要时可机动行进的要求，针对上述问题，本申请提出了一种水下吸附式机器人。

一种水下吸附式机器人，包括机身，所述机身安装有用于带动机身运动的推进机构；用于调节机身在水中姿态的姿态控制机构；用于将机身吸附固定在水下结构的多个吸附带，所述吸附带由多个关节构成，相邻关节转动连接，所述关节固定连接有吸附件，所述吸附件用于吸附水下结构，所述吸附带与调节机构连接，所述调节机构用于调节吸附带的收起和张开；所述机身还安装有用于将水流的机械能转换为电能，为机器人进行供电，同时可用于为机身静音前进提供动力的能量回收机构,所述推进机构、姿态控制机构、调节机构及能量回收机构与控制机构连接。

进一步的，所述推进机构包括设置在机身尾部的多个推进螺旋桨，所述推进螺旋桨与推进驱动机构连接。

进一步的，所述姿态控制机构包括设置在机身顶部的多个姿控螺旋桨，所述姿控螺旋桨与姿控驱动机构连接。

进一步的，所述调节机构包括调节电机，所述调节电机通过第一单向离合器与收缩轮连接，调节电机通过第二单向离合器与扩张轮连接，所述收缩轮、扩张轮与吸附带的数量相匹配，所述收缩轮缠绕有收缩绳，收缩绳穿过与其对应的吸附带的所有关节，并与位于端部的关节固定连接，所述扩张轮缠绕有扩张绳，扩张绳穿过与其对应的吸附带的所有关节，并与位于端部的关节固定连接，所述收缩绳穿过关节上吸附件所在的一侧部位，扩张绳穿过关节的另一侧部位，所述第一单向离合器和第二单向离合器的工作方向相反。

进一步的，所述收缩轮和扩张轮与调节电机输出轴之间安装有扭矩限制器。

进一步的，所述吸附件采用吸盘，所述吸盘通过进水管与水泵的进水端连接，所述水泵的出水端通过排水管与机身外部空间连接。

进一步的，所述进水管安装有电磁阀，所述电磁阀用于控制进水管的导通和断开。

进一步的，所述能量回收机构包括由相互垂直的第一管段及第二管段构成的空心T型管，所述第一管段的一端与第一转动电机的输出轴连接，另一端与第二转动电机的电机壳固定连接，所述第二转动电机的输出轴通过锥齿轮传动与发电机连接，所述发电机连接有发电螺旋桨及蓄电池，发电螺旋桨用于将水流的机械能传输给发电机，发电机用于将机械能转换为电能存储在蓄电池中，蓄电池用于进行供电。

进一步的，所述发电机包括壳体，所述壳体内部转动连接有转子,所述转子的线圈与蓄电池连接，所述转子外周设置有与壳体固定连接的多个永磁体，相邻永磁体的极性相反，所述永磁体外周设置有下极板，所述下极板与壳体固定连接，所述壳体内侧表面固定有上极板，上极板和下极板与蓄电池连接。

进一步的，所述发电机的壳体安装有流向流速传感器，用于检测水流的流动方向和流速。

下面结合附图对本实施例进行进一步说明，如图1-5所示，一种水下吸附式机器人，包括：安装在机身1上的推进机构、姿态控制机构、吸附带、能量回收机构及控制机构，所述控制机构控制推进机构、姿态控制机构、吸附带及能量回收机构的工作。

所述推进机构包括对称设置在机身尾部的两个推进螺旋桨2，所述推进螺旋桨与位于机身内部的推进驱动机构3连接，所述推进驱动机构采用与控制机构4连接的伺服电机或步进电机，推进驱动机构可直接连接推进螺旋桨，也可通过磁耦合连接推进螺旋桨，推进机构可带动机身的前进和转向。

所述姿态控制机构包括对称设置在机身顶部第二凹槽内的的四个姿控（姿态控制）螺旋桨5，所述姿控螺旋桨与位于机身内部的姿控（姿态控制）驱动机构6连接，所述姿控驱动机构采用与控制机构连接的伺服电机或步进电机，姿控驱动机构可直接连接姿控螺旋桨，也可通过磁耦合连接姿控螺旋桨，姿态控制机构可带动机身进行上浮、下潜、俯仰或翻转运动。

所述吸附机构设置在机身侧部的第一凹槽内，包括多个吸附带7，所述吸附带的底端与转动底座8连接，所述底座安装在第一凹槽内，所述吸附带包括由多个关节7-1构成，相邻的关节通过转轴7-2转动连接，每个关节上均固定有吸附件，所述吸附件用于吸附水下的结构。

所述吸附带与调节机构连接，所述调节机构可控制吸附带收起和张开，所述调节机构包括与每条吸附带配套设置的收缩轮9和扩张轮10，所述收缩轮通过第一单向离合器与调节电机11的输出轴连接，所述扩张轮通过第二单向离合器与调节电机的输出轴连接，所述调节电机固定在机身内部，所述第一单向离合器与第二单向离合器的工作方向相反,所述收缩轮和扩张轮与调节电机的输出轴之间安装有扭矩限制器，所述调节电机与控制机构连接，由控制机构控制其工作。

所述收缩轮上缠绕有收缩绳12，所述收缩绳一端缠绕在收缩轮上，另一端穿过该收缩轮所对应的吸附带的所有关节，并与位于吸附带顶部的关节固定连接，所述扩张轮上缠绕有扩张绳13，所述扩张绳一端缠绕在扩张轮上，另一端穿过该扩张轮所对应的吸附带的所有关节，并与位于吸附带顶部的关节固定连接，所述收缩轮穿过关节上吸附件所在的一侧部位，扩张绳穿过另一侧部位。收缩绳可带动吸附带做收起运动，扩张绳可带动吸附带做张开运动，所述收缩绳和扩张绳可利用设置在底座上的导向环进行运动的导向，使其满足将吸附带进行收起和张开的要求。

调节机构带动吸附带收起和张开的原理为：调节电机的输出轴正转，通过第一单向离合器及扭矩限制器，将动力传输给收缩轮，收缩轮转动，收起收缩绳，收缩绳带动吸附带收起，由于第二单向离合器的存在，调节电机的动力无法传递给扩张轮，扩张轮做被动转动，释放扩张绳，从而实现了吸附带的收起。调节电机的输出轴反转时，通过第二单向离合器及扭矩限制器，将动力传输给扩张轮，扩张轮转动，收起扩张绳，收缩轮由于第一单向离合器的作用，做被动运动，释放收缩绳，完成了吸附带的张开。所述收缩轮和扩张轮内安装有扭矩限制器，吸附带收缩时，可自适应带吸附的水下结构的形状，部分吸附带首先夹持住水下结构，夹持住后，电机输出轴达到一定扭矩后，扭矩限制器打滑，没有夹持住水下结构的关节继续运动，直至所有关节的吸附件均与水下结构接触，多个吸附带的收缩可夹持带吸附的水下结构，通过吸附件实现与水下结构的吸附固定。

所述吸附件采用吸盘14，所述吸盘与关节固定连接，所述吸盘通过进水管15与及多通连接件33与位于机身内部的水泵16的进水端连接，所述水泵的出水端通过出水管与设置在机身上的出水口连接，水泵可将吸盘内部的水抽出，并通过出水管17和出水口排出至机身外部，吸盘在水压的作用下可吸附固定相应的水下结构，所述进水管上安装有电磁阀18，所述电磁阀可控制进水管的导通和关闭，所述多通连接件包括一个总管及与总管连通的多个分管，所述分管与相对应的吸盘通过进水管连接，所述总管通过进水管与电磁阀连接。

本实施例进行吸附操作时，首先将机身靠近运动至带吸附的水下结构，调节电机带动收缩轮转动，多个吸附带做收缩运动，自适应夹持住带吸附的水下结构，水泵将吸盘内的水排除，吸盘与水下结构吸附固定，实现了机身与水下结构的吸附固定。调节电机带动扩张轮转动，多个吸附带做张开运动，在扩张绳的作用力下，吸盘与水下结构脱离，实现了吸附机构和水下结构的脱离。

所述机身的前侧上下部安装有能量回收机构，所述能量回收机构包括位于机身上部和下部设置的第三凹槽内的空心T型管，所述空心T型管包括垂直连接的第一管段19及第二管段20，所送第一管段一端与位于机身内部的第一转动电机21的输出轴连接，另一端与位于机身内部的第二转动电机22的电机壳固定连接，所述第二转动电机的输出轴与位于第一管段的内部的第一连接轴23连接，第一连接轴端部固定连接有第一锥齿轮24，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮25相啮合，所述第二锥齿轮与第二连接轴26的一端固定连接，第二连接轴的另一端与发电机27的壳体固定连接，所述第二连接轴位于第二管段的空腔内部，所述发电机的壳体与旋转轴承28的外圈部分固定连接，旋转轴承的内圈部分与第二管段连接，所述发电机与发电螺旋桨31及蓄电池29连接，所述蓄电池安装在机身内部，发电螺旋桨可将水流产生的机械能传输给发电机，所述发电机可将机械能转换为电能，传给蓄电池进行存储，所述蓄电池可为机器人的各个元件进行供电，通过第一转动电机和第二转动电机，可以实现发电螺旋桨的角度调节，从而使其角度满足水流流向的要求，最大程度的利用水流产生的机械能，提高发电效率。

所述发电机的壳体上安装有流向流速传感器30，所述流向流速传感器可采集水流的流向和流速信息，传递给控制机构，控制机构可控制第一转动电机和第二转动电机的工作，使发电螺旋桨的方向满足最高的发电效率需求。

所述发电机包括壳体27-1，所述壳体的中心位置转动连接有转子27-2，所述转子与发电螺旋桨连接，转子上的线圈与蓄电池连接，所述转子外周设置有多个永磁体27-3，相邻永磁体的极性相反，所述永磁体通过支撑板27-5与壳体固定连接，所述永磁体外周设置有下极板27-4，所述下极板与壳体固定连接，所述壳体内侧面固定有上极板27-6，所述上极板外侧面与壳体的内侧面固定连接，水流带动发电螺旋桨转动，转子转动，切割永磁体产生的磁场磁感线，产生电流并通过转子上的线圈传输给蓄电池存储，作为另一种发电方式，所述上极板和下极板与蓄电池连接，外部的水作为导体，其流过上极板、下极板和永磁体之间，其运动切割永磁体的磁感线，在上、下极板间产生电流，送入蓄电池进行存储，实现磁流体发电，蓄电池在上极板和下极板之间通入电流，外部的水作为导体受力，从而推动机身运动，采用此种前进方式，可作为机器人需要静音前进时进行，通过第一转动电机和第二转动电机壳调节机器人运动姿态。

所述流向流速传感器采用现有的海洋探测设备领域常用的流向流速传感器，所述流向流速传感器可采集水流的流速和流向信息，传输给控制机构，控制机构可控制第一转动电机和第二转动电机工作，调节发电螺旋桨的角度，满足最高的发电效率需求。

所述机身还安装有任务机构32，比如相机、声纳等，用于执行水下的各种任务。

本实施例中，相应位置进行防水处理，可采用现有的水下机器人防水技术，在此不进行详细叙述。

本实施例的机器人需要长时间在水下进行工作时，可以利用吸附机构吸附在大型鱼类、水下岩石、活动船舶底面等水下结构上，吸附时可处于跟踪、停机或待机状态，本发明机器人还可以利用发电机构将水流的机械能转换为电能存储在蓄电池中，利用蓄电池对机器人的各元件进行供电，解决了机器人长时间在水下进行工作的缺电问题，当吸附机构不工作时，机器人可利用推进机构即姿态控制机构进行灵活的运动，完成各种水下任务，在必要时实现了机动行进。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种水下吸附式机器人，其特征在于，包括机身，所述机身安装有用于带动机身运动的推进机构；用于调节机身在水中姿态的姿态控制机构；用于将机身吸附固定在水下结构的多个吸附带，吸附带自适应夹持住待吸附的水下结构；所述吸附带由多个关节构成，相邻关节转动连接，所述关节固定连接有吸附件，所述吸附件用于吸附大型鱼类、水下岩石、活动船舶底面，所述吸附带与调节机构连接，所述调节机构用于调节吸附带的收起和张开；所述机身还安装有用于将水流的机械能转换为电能，为机器人进行供电，同时可用于为机身静音前进提供动力的能量回收机构,所述推进机构、姿态控制机构、调节机构及能量回收机构与控制机构连接；

所述调节机构包括调节电机，所述调节电机通过第一单向离合器与收缩轮连接，调节电机通过第二单向离合器与扩张轮连接，所述收缩轮、扩张轮与吸附带的数量相匹配，所述收缩轮缠绕有收缩绳，收缩绳穿过与其对应的吸附带的所有关节，并与位于端部的关节固定连接；所述扩张轮缠绕有扩张绳，扩张绳穿过与其对应的吸附带的所有关节，并与位于端部的关节固定连接，所述收缩绳穿过关节上吸附件所在的一侧部位，扩张绳穿过关节的另一侧部位，所述第一单向离合器和第二单向离合器的工作方向相反；所述收缩轮和扩张轮与调节电机输出轴之间安装有扭矩限制器；所述吸附件采用吸盘，所述吸盘通过进水管与水泵的进水端连接，所述水泵的出水端通过排水管与机身外部空间连接；

发电机包括壳体，所述壳体内部转动连接有转子,所述转子的线圈与蓄电池连接，所述转子外周设置有与壳体通过支撑板固定连接的多个永磁体，相邻永磁体的极性相反，所述永磁体外周设置有下极板，所述下极板与壳体固定连接，所述壳体内侧表面固定有上极板，上极板和下极板与蓄电池连接。

2.如权利要求1所述的一种水下吸附式机器人，其特征在于，所述进水管安装有电磁阀，所述电磁阀用于控制进水管的导通和断开。

3.如权利要求1所述的一种水下吸附式机器人，其特征在于，所述姿态控制机构包括设置在机身顶部的多个姿控螺旋桨，所述姿控螺旋桨与姿控驱动机构连接。

4.如权利要求1所述的一种水下吸附式机器人，其特征在于，所述能量回收机构包括由相互垂直的第一管段及第二管段构成的空心T型管，所述第一管段的一端与第一转动电机的输出轴连接，另一端与第二转动电机的电机壳固定连接，所述第二转动电机的输出轴通过锥齿轮传动与发电机连接，所述发电机连接有发电螺旋桨及蓄电池，发电螺旋桨用于将水流的机械能传输给发电机，发电机用于将机械能转换为电能存储在蓄电池中，蓄电池用于进行供电。

5.如权利要求1所述的一种水下吸附式机器人，其特征在于，所述发电机的壳体安装有流向流速传感器，用于检测水流的流动方向和流速。

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