CN110125950B - 一种水下变姿的履带式机器人 - Google Patents

Abstract

一种水下变姿的履带式机器人，属于水下机器人领域。本发明为解决现有的水下机器人通过推进器改变工作姿态耗能且不稳定，难以在复杂的水下环境进行灵活作业的问题。本发明包括壳体、监测机构、垂直推进器、水平推进器、两套变姿机构和两套履带行走机构，监测机构设置在壳体前端，用于水下监测，垂直推进器设置在壳体上方两侧的通孔里，用于水下机器人的沉浮及横倾，水平推进器设置在壳体的后端，用于水下机器人的进退及转向，每套履带行走机构分别设置在壳体的两侧的侧壁上，用于水下机器人的爬行，两套变姿机构分别设置在壳体内部的两侧，用于水下机器人的变姿。本发明用于水下作业。

Description

一种水下变姿的履带式机器人

技术领域

本发明涉及一种水下变姿的履带式机器人，属于水下机器人领域。

背景技术

水下机器人是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。目前水下机器人的主要任务有：(1)船底的清理和维修；(2)检查大坝和桥墩上是否安装爆炸物以及大坝和桥墩的结构好坏情况；(3)遥控侦察和检查危险品的靠近情况；(4)协助水下基阵安装或拆卸；(5)帮助公安机关或海关检测船侧和船底是否存在走私物品；(6)水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等；但在复杂的水下环境下，现有的水下机器人只能通过推进器保持原有的姿态进行工作，难以在复杂的水下环境海底、岩缝、水下狭窄的峡谷、船体和大坝等较复杂表面进行灵活作业。

发明内容

本发明是为了解决现有的水下机器人仅通过推进器来改变工作姿态，不仅耗能且工作姿态难以保持稳定，使得水下机器人难以在复杂的水下环境进行灵活作业的问题；现提供一种可水下变姿的履带式机器人。

本发明采用的技术方案是：所述的一种水下变姿的履带式机器人包括壳体、监测机构、垂直推进器、水平推进器和两套履带行走机构，监测机构设置在壳体前端，两个垂直推进器分别设置在壳体上方两侧的通孔里，两个水平推进器设置在壳体的后端，每套履带行走机构分别设置在壳体的两侧侧壁上；

所述壳体的内部设置有一个主控舱和两个侧水密舱，侧水密舱内设置有变姿机构，主控舱设置在壳体内部的中间位置，侧水密舱对称设置在主控舱的两侧；

所述变姿机构包括步进电机、导向板、丝杠、丝杠螺母、软水袋、水泵和水管，步进电机设置在侧水密舱的一端，丝杠的一端固定连接在步进电机的驱动轴上，丝杠的另一端固定在侧水密舱另一端舱壁内的轴承内圈中，导向板的一端固定连接在步进电机上，导向板的另一端固定连接在侧水密舱另一端的舱壁上，丝杠螺母旋接在丝杠上，丝杠螺母与导向板滑动连接，软水袋包裹在丝杠螺母的外表面上，水泵固定在丝杠螺母上并与软水袋相连，水管的一端穿过侧水密舱并与外界相通，水管的另一端与软水袋的内部相通。

进一步地，所述导向板的两个侧壁分别设置有滑道，丝杠螺母下表面的两端分别设置有一个滑轮，滑轮与滑道滑动连接。

进一步地，所述的履带行走机构包括一根履带、两个扭矩电机、两个动力齿轮、两个承重轮、两个履带电机和两张连接板，两个扭矩电机并排横向设置在壳体的侧端，每个扭矩电机的驱动端与一张连接板一侧板面的中间位置固定连接，连接板另一侧板面的一端设置有一个动力齿轮，连接板另一侧板面的另一端设置有一个承重轮，每个履带电机的驱动端与一个动力齿轮相连接，履带套在两个动力齿轮和两个承重轮上。

进一步地，所述的履带为磁性履带。

进一步地，所述的垂直推进器和水平推进器均为螺旋桨推进器。

进一步地，所述的监测机构包括摄像头和二自由度云台，二自由度云台设置在主控舱的前端并与主控舱固连，摄像头与二自由度云台相连接。

进一步地，所述的壳体上方安装有六自由度机械臂，六自由度机械臂的前端安装有作业工具。

进一步地，所述的作业工具为机械手、螺丝刀或焊接设备。

进一步地，所述的壳体的下方安装有水下清理设备或探伤设备。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、水下机器人通过调节两侧的变姿机构来实现水下机器人的多姿态变化：

(1)、水下机器人同时调节两侧变姿机构中软水袋的吸水量或排水量来控制水下机器人的重力与浮力的关系，从而可以操控水下机器人的下沉或上浮；

(2)、水下机器人同时调节两侧变姿机构中软水袋不同的吸水量或排水量来改变水下机器人的重心位置，从而可以操控水下机器人发生横倾；

(3)、变姿机构通过丝杠的旋转不断的调节软水袋在水下机器人内的位置，来改变水下机器人的重心位置，从而可以操控水下机器人发生纵倾。

2、当水下机器人进行水下作业时，水下机器人可以不通过水平推进器和垂直推进器来进行变姿，仅利用变姿机构来改变水下机器人的重力与浮力关系以及水下机器人的重心位置，实现水下机器人稳定在某一任意姿态状态下，从而实现水下机器人的水下稳定作业。

3、水下机器人可根据地形平坦程度，改变履带与工作表面的面积和履带的形状，使水下机器人在平坦表面或凹凸不平的表面更适于前进。

附图说明

图1为水下变姿的履带式机器人的俯视图；

图2为去掉水下变姿的履带式机器人壳体的示意图；

图3为变姿机构的结构示意图；

图4为履带行走机构的结构示意图；

图5为连接板处于水平状态下的履带行走机构结构示意图；

图6为连接板逆时针旋转的状态下履带行走机构结构示意图；

图7为连接板顺时针旋转的状态下履带行走机构结构示意图；

图8为单一水下机器人发生故障被救助时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

具体实施方式一：参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种水下变姿的履带式机器人包括壳体1、监测机构、垂直推进器14、水平推进器15和两套履带行走机构，监测机构设置在壳体1前端，用于水下监测，两个垂直推进器14分别设置在壳体1上方两侧的通孔里，用于水下机器人的沉浮及横倾，当两个垂直推进器14产生同方向力时，水下机器人上浮或下潜，当两个垂直推进器14产生不同方向力时，水下机器人发生横倾；两个水平推进器15设置在壳体1的后端，用于水下机器人的进退及转向，当两个水平推进器15产生同方向力时，水下机器人前进或后退，当两个水平推进器15产生不同方向力时，水下机器人发生转向；两套履带行走机构分别设置在壳体1的两侧侧壁上，用于水下机器人的爬行；

所述的壳体的外形设置为流线型，以减小水下机器人在水下的阻力；

如图2所示，所述壳体1的内部设置有一个主控舱2和两个侧水密舱3，侧水密舱3内设置有变姿机构，主控舱2设置在壳体1内部的中间位置，侧水密舱3对称设置在主控舱2的两侧并处于同一平面内，主控舱前端设置有半球罩，半球罩设置成流线型，半球罩与壳体外形相适应，以保证水下机器人整体阻力较低；

如图2和图3所示，所述变姿机构包括步进电机5、导向板6、丝杠7、丝杠螺母8、软水袋9、水泵11和水管13，步进电机5设置在侧水密舱3的一端，丝杠7的一端固定连接在步进电机5的驱动轴上，丝杠7的另一端固定在侧水密舱3另一端舱壁内的轴承内圈中，步进电机5驱动丝杠7旋转，导向板6的一端固定连接在步进电机5上，导向板6的另一端固定连接在侧水密舱3另一端的舱壁上，丝杠螺母8旋接在丝杠7上，丝杠螺母8与导向板6滑动连接，在丝杠7旋转的状态下，丝杠螺母8在导向板6的作用下沿着丝杠7的轴向方向直线运动，软水袋9包裹在丝杠螺母8的外表面上，水泵11固定在丝杠螺母8上并与软水袋9相连，水管13的一端穿过侧水密舱3并与外界相通，水管13的另一端与软水袋9的内部相通；

所述的变姿机构可以不仅可以协助操控水下机器人的下沉或上浮，还可以实现变姿控制。所述的水泵11为双向泵，软水袋9在水泵11的作用下吸水和排水，同时改变了机器人的重力与浮力关系，当两个侧水密舱内的软水袋9吸水量或排水量相同时，水下机器人无声下沉或上浮，当两个侧水密舱内的软水袋9吸水量不同时，水下机器人向吸水量多的侧水密舱侧倾斜(调节了水下机器人的重心位置)，并稳定在一个倾斜状态；同时通过步进电机5可以不断的调节软水袋9在水下机器人内的位置，来改变水下机器人的重心位置，再通过控制两个软水袋的排水和吸水量，从而实现水下机器人的多姿态变化，并且可以实现水下机器人稳定在某一任意姿态状态下，能够较好的实现水下机器人水下稳定作业；水下机器人在工作、上浮或下潜时更加安静，不易对其他声学设备造成干扰，且不易被其他目标如船舶、潜艇等发现。

具体实施方式二：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式中，所述导向板6的两个侧壁分别设置有滑道6-1，丝杠螺母8下表面的两端分别设置有一个滑轮4，滑轮4与滑道6-1滑动连接。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：参照图4至图7具体说明本实施方式，本实施方式中，每套履带行走机构包括一根履带23、两个扭矩电机24、两个动力齿轮25、两个承重轮26、两个履带电机27和两张连接板28，两个扭矩电机24并排横向设置在壳体1的侧端，每个扭矩电机24的驱动端与一张连接板28一侧板面的中间位置固定连接，连接板28另一侧板面的一端设置有一个动力齿轮25，且与动力齿轮25转动连接，连接板28另一侧板面的另一端设置有一个承重轮26，且与承重轮26转动连接；具体结构为，连接板28的两端分别开有一个圆孔，每个圆孔内设置有一个轴承，分别为第一轴承和第二轴承；履带电机27与连接板28固定连接，履带电机27的驱动轴穿过第一轴承的内圈且与动力齿轮25固定连接；第二轴承内圈中设有转动轴，转动轴的一端设置承重轮26；

每套履带行走机构也可以由一个履带电机27进行驱动，具体为：每套履带行走机构包括一根履带23、一个履带电机27、两个扭矩电机24、两个动力齿轮25、两个承重轮26和两张连接板28，两个扭矩电机24并排横向设置在壳体1的侧端，每个扭矩电机24的驱动端与一张连接板28一侧板面的中间位置固定连接，连接板28另一侧板面的一端设置有一个动力齿轮25，且与动力齿轮25转动连接，连接板28另一侧板面的另一端设置有一个承重轮26，且与承重轮26转动连接；具体结构为，其中一张连接板28的两端分别开有一个圆孔，每个圆孔内设置有一个轴承，分别为第一轴承和第二轴承；履带电机27与所述的其中一张连接板28固定连接，履带电机27的驱动轴穿过第一轴承的内圈且与动力齿轮25固定连接；第二轴承的内圈中设有转动轴，转动轴的一端设置承重轮26；另一张连接板28的两端分别开有一个圆孔，每个圆孔内设置有一个轴承，两个轴承的内圈中均设有转动轴，其中一个转动轴的一端设置承重轮26，另一个转动轴的一端设置动力齿轮25。

如图6和图7所示，履带23套在两个动力齿轮25和两个承重轮26上，且履带23与动力齿轮25相啮合，壳体同侧的两个扭矩电机24分别反向驱动各自连接的连接板28转动，改变两个连接板28的方向，使得两个连接板28倾斜设置，改变动力齿轮25及承重轮26的位置，履带23通过两个动力齿轮25和两个承重轮26进行支撑变形，当履带行走机构设置有两个履带电机27时，两个履带电机27同时驱动两个动力齿轮25同向转动，动力齿轮25带动履带23转动，并在物体表面前行，当履带行走机构设置有一个履带电机27时，履带电机27驱动其所连接的动力齿轮25转动，动力齿轮25带动履带23转动，并在物体表面前行；

水下机器人可根据地形平坦程度，改变履带与工作表面的面积和履带形状，使机器人在平坦表面或凹凸不平的表面更适于前进，如图7所示，当履带形状为上宽下窄时，水下机器人在凹凸不平的环境下适应性好，水下机器人能够更好的在凹凸不平的环境下前行，此时履带电机在水下机器人上方不易磕碰损坏；如图6所示，当履带形状为上窄下宽时，水下机器人在平坦表面有更大的受力面积，抗流能力强，能够稳定地在平面爬行；

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式中，所述的履带23为磁性履带。

履带由电磁铁组成，可通过通电的方式使其具有磁性，能够吸附到铁质结构的物体上，进行稳定作业；

如图8所示，该水下机器人可集群作业，工作时履带通电使得水下机器人履带磁性相同，能够避免水下机器人之间发生碰撞；当单一水下机器人设备出现问题无法工作或移动，改变电流方向，履带磁性改变，可由其他水下机器人履带吸引，并在水下机器人的携带下进行上浮，从而带离工作区域，返回岸基；当水下机器人彻底失去功能时，因履带的材质为铁钴镍，可由其他水下机器人吸引携带。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式中，所述的垂直推进器14和水平推进器15均为螺旋桨推进器。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式中，所述的监测机构包括摄像头和二自由度云台，二自由度云台设置在主控舱前端的半球罩内，并与主控舱固连，摄像头与二自由度云台相连接，二自由度云台使摄像头能够绕x轴及z轴旋转，摄像环境方向不变，保证当机器人在水下变姿时摄像状态的稳定性。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：参照图5、图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式中，所述的壳体1上方安装有六自由度机械臂12，六自由度机械臂12的前端安装有作业工具。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式中，所述的作业工具为机械手、螺丝刀或焊接设备等，水下机器人上方的六自由度机械臂能够实现灵活运动，可搭配不同的作业工具，可完成水下装配、拾取和焊接等工作。

其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式中，所述的壳体1的下方安装有水下清理设备或探伤设备等，水下机器人下方安装清理设备可实现网箱及船底清理，水下机器人下方安装探伤设备，可完成大坝和桥墩等探伤工作。

其它组成和连接方式与具体实施方式一至八任一项相同。

Claims (9)

1.一种水下变姿的履带式机器人，其包括壳体(1)、监测机构、垂直推进器(14)、水平推进器(15)和两套履带行走机构，监测机构设置在壳体(1)前端，两个垂直推进器(14)分别设置在壳体(1)上方两侧的通孔里，两个水平推进器(15)设置在壳体(1)的后端，两套履带行走机构分别设置在壳体(1)的两侧侧壁上；

所述壳体(1)的内部设置有一个主控舱(2)和两个侧水密舱(3)，侧水密舱(3)内设置有变姿机构，主控舱(2)设置在壳体(1)内部的中间位置，侧水密舱(3)对称设置在主控舱(2)的两侧；

其特征在于：所述变姿机构包括步进电机(5)、导向板(6)、丝杠(7)、丝杠螺母(8)、软水袋(9)、水泵(11)和水管(13)，步进电机(5)设置在侧水密舱(3)的一端，丝杠(7)的一端固定连接在步进电机(5)的驱动轴上，丝杠(7)的另一端固定在侧水密舱(3)另一端舱壁内的轴承内圈中，导向板(6)的一端固定连接在步进电机(5)上，导向板(6)的另一端固定连接在侧水密舱(3)另一端的舱壁上，丝杠螺母(8)旋接在丝杠(7)上，丝杠螺母(8)与导向板(6)滑动连接，软水袋(9)包裹在丝杠螺母(8)的外表面上，水泵(11)固定在丝杠螺母(8)上并与软水袋(9)相连，水管(13)的一端穿过侧水密舱(3)并与外界相通，水管(13)的另一端与软水袋(9)的内部相通。

2.根据权利要求1所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述导向板(6)的两个侧壁分别设置有滑道(6-1)，丝杠螺母(8)下表面的两端分别设置有一个滑轮(4)，滑轮(4)与滑道(6-1)滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：每套履带行走机构包括一根履带(23)、两个扭矩电机(24)、两个动力齿轮(25)、两个承重轮(26)、两个履带电机(27)和两张连接板(28)，两个扭矩电机(24)并排横向设置在壳体(1)的侧端，每个扭矩电机(24)的驱动端与一张连接板(28)一侧板面的中间位置固定连接，连接板(28)另一侧板面的一端设置有一个动力齿轮(25)，连接板(28)另一侧板面的另一端设置有一个承重轮(26)，每个履带电机(27)的驱动端与一个动力齿轮(25)相连接，履带(23)套在两个动力齿轮(25)和两个承重轮(26)上。

4.根据权利要求3所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的履带(23)为磁性履带。

5.根据权利要求1所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的垂直推进器(14)和水平推进器(15)均为螺旋桨推进器。

6.根据权利要求1所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的监测机构包括摄像头和二自由度云台，二自由度云台设置在主控舱的前端并与主控舱固连，摄像头与二自由度云台相连接。

7.根据权利要求1所述一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的壳体(1)上方安装有六自由度机械臂(12)，六自由度机械臂(12)的前端安装有作业工具。

8.根据权利要求7所述一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的作业工具为机械手、螺丝刀或焊接设备。

9.根据权利要求1至8任一项权利要求所述的一种水下变姿的履带式机器人，其特征在于：所述的壳体(1)的下方安装有水下清理设备或探伤设备。

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