CN110641657A

CN110641657A - 一种深海爬游机器人

Info

Publication number: CN110641657A
Application number: CN201910781750.XA
Authority: CN
Inventors: 冯鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-01-03

Abstract

本发明涉及一种既可游动又可在海底爬行的新型深海爬游机器人，用于深海复杂海底大范围移动和精确稳定探测作业，深海机器人是深海工程领域的重要装备；包括机械腿单元，多关节结构便于机器人海底更灵活爬行；导航与控制单元，用于爬游机器人水下运动路径导航和运动状态的控制；动力单元，为爬游机器人提供动力支持；监控与气体采样单元，用以观察水下情况和采集指定区域和深度海水中的溶解气体以进行组分检测；通过海底爬游机器人实现海底大范围移动，精确探测，采集溶解气体样品。

Description

一种深海爬游机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，尤其涉及一种深海爬游机器人。

背景技术

由于人类难以在海洋环境条件下生存，因此对海洋的探索和开发离不开各种海洋装备，深海机器人是一类重要的海洋装备，通过搭载的各种电子、机械设备，能够快速、准确地巡游于深海环境，进行深海资源勘探、科学考察、矿产开发以及完成某些特殊任务，深海机器人的技术水平一定程度上标志着一个国家海洋资源勘探、开发的科技水平和海洋权益维护的能力。

目前，水下机器人多为推动器提供推力移动，而在海底，海底的作业环境复杂，推动器机器人很受限制，电缆遥控的水下机器人推动器可稳定推动，精确作业，但作业范围受电缆限制，无电缆遥控的水下机器人作业范围大，但推动器推动不稳定。

参见“深海爬游机器人概念及关键技术分析”，陈虹等，中国舰船研究，第13卷第6期，第19-26页，201812，描述了一种可在深海爬行的机器人，由于设置主推动器和两个垂直推动器和机械腿的原因，重量过大，阻碍灵敏活动，且没有水下采样功能，目前水下机器人溶解气体采样大多采取水下水体采集再进行分离，这使得机器人在水下采样后重量大幅度增加，增加了机器人上升时的难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种可以在深海中爬动和游动两种运动方式的深海爬游机器人，并可以提供水下监测和溶解气体采样的功能。

一种深海爬游机器人，其特征在于，包括：

主体结构；机械腿单元，包括4只机械腿，4只机械腿对称设置在主体结构下方两侧，用于通过机械腿的运动进行海底爬行和水中游动；导航与控制单元，导航与控制单元设置在主体结构的上部，用于爬游机器人水下运动路径导航和控制爬游机器人运动状态；动力单元，包括主电源设置在主体结构中部、推进器和推进器对称设置在主体结构首尾部，用于为爬游机器人提供动力支持；监控与气体采样单元，包括无线监控和气体采集器，无线监控设置在主体结构的前部，气体采集器设置在所述主体结构下部，用于水下监测和溶解气体采样。

进一步地，机械腿设置有2个关节，机械腿包括机械腿前关节、机械前腿、机械腿后关节和机械后腿，机械腿前关节与本体结构连接，机械腿前关节、机械前腿、机械腿后关节和机械后腿依次连接，用以通过机械腿的机械关节角度的调节改变深海爬游机器人的重心高度，并进行本体姿态的调整，从而提高深海爬游机器人在扰流中的稳定性。

进一步地，机械腿前关节和机械腿后关节设置有电机、传感器和驱动器，电机和速度传感器都在浸油环境中运行，驱动器通过静密封结构和电机分隔开。

进一步地，机械腿单元还包括力传感器，力传感器与机械腿底部连接，爬游机器人爬行时，力信号通过机械腿底部的力传感器转化为电信号传输至控制电子舱中的运动控制计算机，控制计算机对信号进行接收和分析，发出命令信号，从而对机器人的爬行过程进行调整和控制。

气体采集器包括真空泵、采气装置、集气管、下口瓶、固定台、水泵。

进一步地，采气装置顶部设置有三个气孔，左部气孔和中部气孔与真空泵分别通过紫铜管连接，采气装置右部气孔与集气管通过紫铜管连接，采气装置顶部的三个气孔上分别设置有换气阀。

进一步地，集气管和下口瓶通过紫铜管连接，集气管上下部分别设置有换气阀；水泵与采气装置通过水管连接，水泵另一端伸出于所述的机器人腹部中部。

进一步地，集气装置内部设置有橡皮球胆，橡皮球胆与真空泵通过紫铜管连接，用于通过橡皮球胆气压的变化获得溶解气体。

进一步地，监控与气体采样单元还包括探照灯、天线，探照灯设置在主体结构的顶部中部，用于为无线监控的摄像提供光源，使得监控摄像头在深海黑暗环境下能正常摄像，天线设置在主体结构的顶部后部，无线监控利用无线电波将水下影像通过天线传输，用于为工作人员提供实时的水下影像。

本体结构外形上部宽，下部窄，正面呈倒三角形，底部为半椭圆形，外形连接处为光滑圆弧，减少水流阻力；这样的外形设计可将重量较重的电源、机械腿等装置放置于下部，将浮力材料布置于上部，提高爬游机器人稳心高度，有利于提高水下静稳定性；同时，较窄的底部结构可使腿部获得较大的活动空间。

本发明提供了一种可以在深海爬行和游动两种运动方式的深海爬游机器人，它包括主体结构、机械腿单元、导航与控制单元、动力单元、监控与气体采样单元，通过机械腿单元机械腿的运动实现海底爬行运动，导航与控制单元为爬游机器人水下运动路径导航，并控制爬游机器人的运动状态，动力单元为爬游机器人提供了动力支持，监控与气体采样单元使工作人员通过监控摄像头观察水下情况以进行样本采集，气体采集器实现了采集指定区域和深度海水中的溶解气体以进行组分检测，通过气体采集器实现水下采集溶解气体，减少了样本的重量，进而减少了水下爬游机器人的重量增加，使得机器人更加灵活，更易于上升；通过这些单元结构和功能，实现了爬游机器人在深海中爬行和游动两种运动方式，通过摄像监控单元，工作人员可以对水下情况进行实时监控，在机器人到达特定区域通过气体采集器进行溶解气体采样。

附图说明

图1为本发明一种深海爬游机器人的整体结构示意图；

其中：10-主体结构：11-本体框架； 200-机械腿单元：210-机械腿、220-力传感器；30-导航与控制单元：31-导航系统、32-控制电子舱；40-动力单元：41-主电源、42-推进器、43-推进器；500-监控与气体采样单元：510-无线监控、520-气体采集器、530-探照灯、540-天线。

图2为本发明一种深海爬游机器人的机械腿结构示意图；

其中：21-机械腿：211-机械腿前关节、212-机械前腿、213-机械腿后关节、214-机械后腿。

图3为本发明一种深海爬游机器人的气体采集器结构图；

其中：520-气体采集器：521-真空泵、522-采气装置、523-集气管、524-下口瓶、525-固定台、526-橡皮球胆、527-水泵。

具体实施方案

参照附图与实施例使本发明的优点、特征以及实现这些优点的方法更加明确,但本发明并不仅限于公开的实施例，而是能够以不同的各种实施方式实现，本实施例仅使本发明的公开更加完整，向本发明所属技术领域的普通技术人员提供更加完整的发明范畴而提供，并根据发明要求保护范围而定义。

下面将参照附图说明对本发明的一种深海爬游机器人进行详细的说明。

如图1所示，一种深海爬游机器人，其特征在于，包括：

主体结构10；机械腿单元200，包括4只机械腿210，4只机械腿210对称设置在主体结构10下方两侧，用于通过机械腿210的运动进行海底爬行和水中游动；导航与控制单元30，导航与控制单元30设置在主体结构10的上部，用于爬游机器人水下运动路径导航和控制爬游机器人运动状态；动力单元40，包括主电源41设置在主体结构10中部、推进器42和推进器43对称设置在主体结构10首尾部，用于为爬游机器人提供动力支持；监控与气体采样单元500，包括无线监控510和气体采集器520，无线监控510设置在主体结构10的前部，气体采集器520设置在所述主体结构10下部，用于水下监测和溶解气体采样。

如图2所示，机械腿210设置有2个关节，机械腿210包括机械腿前关节211、机械前腿212、机械腿后关节213和机械后腿214，机械腿前关节211与本体结构10连接，机械腿前关节211、机械前腿212、机械腿后关节213和机械后腿214依次连接，用以通过机械腿210的机械关节角度的调节改变深海爬游机器人的重心高度，并进行本体姿态的调整，从而提高深海爬游机器人在扰流中的稳定性。

机械腿前关节211和机械腿后关节213设置有电机、传感器和驱动器，电机和速度传感器都在浸油环境中运行，驱动器通过静密封结构和电机分隔开。

机械腿单元200还包括力传感器220，力传感器220与机械腿210底部连接，爬游机器人爬行时，力信号通过机械腿210底部的力传感器220转化为电信号传输至控制电子舱32中的运动控制计算机，控制计算机对信号进行接收和分析，发出命令信号，从而对机器人的爬行过程进行调整和控制。

如图3所示，气体采集器520包括真空泵521、采气装置522、集气管523、下口瓶524、固定台525、水泵527。

采气装置522顶部设置有三个气孔，左部气孔和中部气孔与真空泵521分别通过紫铜管连接，采气装置522右部气孔与集气管523通过紫铜管连接，采气装置522顶部的三个气孔上分别设置有换气阀。

集气管523和下口瓶524通过紫铜管连接，集气管523上下部分别设置有换气阀；水泵527与采气装置522通过水管连接，水泵527另一端伸出于所述的机器人腹部中部。

集气装置523内部设置有橡皮球胆526，橡皮球胆526与真空泵521通过紫铜管连接，用于通过橡皮球胆526气压的变化获得溶解气体。

监控与气体采样单元500还包括探照灯530、天线540，探照灯530设置在主体结构10的顶部中部，用于为无线监控510的摄像提供光源，使得监控摄像头在深海黑暗环境下能正常摄像，天线540设置在主体结构10的顶部后部，无线监控510利用无线电波将水下影像通过天线540传输，用于为工作人员提供实时的水下影像。

体结构10外形上部宽，下部窄，正面呈倒三角形，底部为半椭圆形，外形连接处为光滑圆弧，减少水流阻力；这样的外形设计可将重量较重的电源、机械腿等装置放置于下部，将浮力材料布置于上部，提高爬游机器人稳心高度，有利于提高水下静稳定性；同时，较窄的底部结构可使腿部获得较大的活动空间。

实施例二：

本发明的一种深海爬游机器人设置有推进器和机械腿两种行进装置，由于螺旋桨的推进会使海底的泥土搅进周围海水中漂浮，以及导致需要采集的区域溶解气体成分及各组分的浓度改变，从而影响溶解气体的采集；且螺旋桨搅起的海底泥土会漂浮在机器人周围，导致周围的水变浑浊，影响探照灯和无线监控的正常工作，因此当爬游机器人到达指定区域附近时，由推进器推动转换为机械腿爬行运动，从而解决上述由于螺旋桨移动带来的问题。

本发明的一种深海爬游机器人，本体结构10外形上部宽，下部窄，正面呈倒三角形，底部为半椭圆形，外形连接处为光滑圆弧，减少水流阻力；这样的外形设计可将重量较重的电源、机械腿等装置放置于下部，将浮力材料布置于上部，提高爬游机器人稳心高度，有利于提高水下静稳定性；同时，较窄的底部结构可使腿部获得较大的活动空间。

如图1所示，两个主推进器：推进器42和推进器43对称设置在机器人头部和尾部，推进器42和推进器43可以九十度旋转，在水平运动时推进器42平行于机器人，在竖直运动时，推进器42和推进器43垂直于机器人，推进器42和推进器43共同工作，保证机器人平稳上升下降，另外，推进器42和推进器43也可在水平和竖直之间自由变换角度以调整机器人在水中的运动和姿态，推进器42和推进器43用于在潜入、浮出海底和离指定区域较远距离状态下推进机器人移动，推进器为螺旋桨推进器，螺旋桨推进器结构简单，应用方便，螺旋桨推进器为现有技术，无需赘言，本发明保护内容亦不涉及螺旋桨推进器的结构和工作原理的改进。

机械腿单元包括机械腿210、力传感器220，4只机械腿对称分布在机器人主体两侧，如图2所示，机械腿为多肢多关节结构，机械腿210包括有2个关节：机械腿前关节211、机械腿后关节213，机械腿前关节211与本体结构10连接，机械腿210还包括：机械前腿212、和机械后腿214，机械腿前关节211、机械前腿212、机械腿后关节213和机械后腿214依次连接，用以通过机械腿210的机械关节角度的调节改变深海爬游机器人的重心高度，并进行本体姿态的调整，从而提高深海爬游机器人在扰流中的稳定性。

机械腿前关节211和机械腿后关节213设置有电机、传感器和驱动器，电机和速度传感器都在浸油环境中运行，驱动器通过静密封结构和电机分隔开；机械腿单元200还包括力传感器220，力传感器220与机械腿210底部连接，爬游机器人爬行时，力信号通过机械腿210底部的力传感器220转化为电信号传输至控制电子舱32中的运动控制计算机，控制计算机对信号进行接收和分析，发出命令信号，从而对机器人的爬行过程进行调整和控制。

导航与控制单元30包括导航系统31，采用水下声学导航定位系统，水下声学导航定位系统为现有技术，无需赘言，本发明保护内容亦不涉及水下声学导航定位系统的结构和工作原理的改进；导航与控制单元30还包括控制电子舱32，控制电子舱中接收单元可以通过天线接收海面发出的信号，控制单元下达指令，指令动作单元进行相应的作业。

监控与气体采样单元500，监控摄像设置在机器人头部，为无线监控510，摄制的图像转换成视频信号加载到载波上通过天线540传输给工作人员实现对海底情况的监控，天线540设置在主体结构10的顶部后部；摄像监控单元还包括探照灯530，为多关节结构，置于爬游机器人的顶部，通过调整关节的角度调节光的高度和方向，用于全方位为无线监控的摄像提供光源，使得监控摄像头在深海黑暗环境下能正常摄像，且在遇到顶部有障碍物时，多关节探照灯530可以调整关节角度以躲避障碍。

气体采集器520设置于机器人底部，如图3所示，气体采集器520包括真空泵521气口与采气装置522气孔通过紫铜管连接采气装置522顶部设置有三个气孔，左部气孔和中部气孔与真空泵521分别通过紫铜管连接，用于通过真空泵521抽气使采气装置522和橡皮球胆526内部呈真空或充气状态，采气装置522右部气孔与集气管523通过紫铜管连接，在采气装置522顶部的三个气孔上分别设置有换气阀，通过控制电子舱32中的控制单元控制其开关状态；集气管523和下口瓶524通过紫铜管连接，集气管523上下部分别设置有换气阀；水泵527与采气装置522通过水管连接，水泵527另一端伸出机器人腹部中部。

当爬游机器人到达指定位置后，海水通过水泵527伸出腹部部分进入采气装置522，控制单元控制真空泵521抽气，使得采气装置522和橡皮球胆526内部呈真空状态，然后关闭采气装置522的左部气孔和中部气孔换气阀，然后给橡皮球胆526充气，使溶解气体溢出，打开采气装置522右部气孔，使溢出的溶解气体通过紫铜管进入集气管523，控制关闭集气管523上下部的换气阀，溶解气体就储存在集气管523中，然后通过水泵527将采气装置522中的海水排出气体采集器520中，完成溶解气体采集过程，通过气体采集器520，实现在水下采集溶解气体，并只保存溶解气体而将海水排出，减少了爬游机器人重量，提高了爬游机器人的灵活性。

以上虽然通过例举部分实施例对本发明的优选实施例进行了说明，但是上述说明仅是举例，不能以任何形式用于限制本发明，本发明所属的技术领域中普通技术人员清楚基于上述说明对本发明可进行变形、修改和替换后进行实施，或可进行等同于本发明的实施。

Claims

1.一种深海爬游机器人，其特征在于，包括：

主体结构（10）；机械腿单元（200），包括4只机械腿（210），所述的4只机械腿（210）对称设置在所述的主体结构（10）下方两侧，用于通过所述的机械腿（210）的运动进行海底爬行和水中游动；导航与控制单元（30），所述的导航与控制单元（30）设置在所述的主体结构（10）的上部，用于爬游机器人水下运动路径导航和控制爬游机器人运动状态；动力单元（40），包括主电源（41）设置在所述的主体结构（10）后部、推进器（42）和推进器（43）对称设置在所述的主体结构（10）首尾部，用于为爬游机器人提供动力支持；监控与气体采样单元（500），包括无线监控（510）和气体采集器（520），所述的无线监控（510）设置在所述的主体结构（10）的前部，所述的气体采集器（520）设置在所述主体结构（10）下部，用于水下监测和水溶性气体采样。

2.根据权利要求1所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的机械腿（210）设置有2个关节，所述的机械腿（210）包括机械腿前关节（211）、机械前腿（212）、机械腿后关节（213）和机械后腿（214），所述的机械腿前关节（211）与所述的本体结构（10）连接，所述的机械腿前关节（211）、机械前腿（212）、机械腿后关节（213）和机械后腿（214）依次连接。

3.根据权利要求2所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的机械腿前关节（211）和机械腿后关节（213）设置有电机、传感器和驱动器，所述的电机和速度传感器都在浸油环境中运行。

4.根据权利要求1所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的机械腿单元（200）还包括力传感器（220），所述的力传感器（220）与所述的机械腿（210）底部连接。

5.根据权利要求1所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的气体采集器（520）包括真空泵（521）、采气装置（522）、集气管（523）、下口瓶（524）、固定台（525）、水泵（527）。

6.根据权利要求5所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的采气装置（522）顶部设置有三个气孔，左部气孔和中部气孔与所述的真空泵（521）分别通过紫铜管连接，所述的采气装置（522）右部气孔与所述的集气管（523）通过紫铜管连接，所述的采气装置（522）顶部的三个气孔上分别设置有换气阀。

7.根据权利要求5所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的集气管（523）和所述的下口瓶（524）通过紫铜管连接，所述的集气管（523）上下部分别设置有换气阀；所述的水泵（527）与所述的采气装置（522）通过水管连接，所述的水泵（527）另一端伸出于所述的机器人腹部中部。

8.根据权利要求5所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的采气装置（522）内部设置有橡皮球胆（526），所述的橡皮球胆（526）与所述的真空泵（521）通过紫铜管连接。

9.根据权利要求1所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的监控与气体采样单元（500）还包括探照灯（530）、天线（540），所述的探照灯（530）设置在所述的主体结构（10）的顶部中部，所述的天线（540）设置在所述的主体结构（10）的顶部后部。

10.根据权利要求1所述的一种深海爬游机器人，其特征在于，所述的本体结构（10）外形上部宽，下部窄，正面呈倒三角形，底部为半椭圆形，外形连接处为光滑圆弧，减少水流阻力。