CN112810786B - 一种用于潜器近底推进的双足撑行装置及其撑行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于潜器近底推进的双足撑行装置及其撑行方法，包括载荷框架，载荷框架上固定有水下潜器；载荷框架前端头的中部通过支承关节转动安装有支撑腿，载荷框架后端间隔安装有两个撑行腿，两个撑行腿分别通过撑行关节转动安装于载荷框架后端的两侧，构成撑行的双足；停驻时支撑腿和两个撑行腿分别与水底面接触构成三点支撑结构使得潜器稳定于近底；运动时则收起支撑腿，由两个撑行腿同时向后蹬开从而向潜器施加向前的反作用力，实现撑行；本发明结构简单巧妙，构思新颖合理，有效依托于近海底的重力、浮力和流体阻力，实现了水下潜器在近海底的高效、低环境扰动推进，大大助力于提升水下潜器的工作使用效率，实用性好。

Description

一种用于潜器近底推进的双足撑行装置及其撑行方法
技术领域
本发明涉及水下行走机器人技术领域，尤其是一种用于潜器近底推进的双足撑行装置及其撑行方法。
背景技术
缆控潜水器（ROV）是深海生物研究中进行观察、采样及其他作业必不可少的重要平台。现有技术中，多数缆控潜水器均采用螺旋桨类推进器提供水下运动所需要的力，但在一些需要近底观察或操作时，由推进器产生的水流很容易将海底淤泥冲刷起来，由此引起的局部污浊状态严重影响了观察及相关操作，常常需要很长时间的静置才能使污浊物再次沉淀，恢复清澈环境，非常影响生物研究的效率。
针对这一现状，现有技术中也有一些采用多足爬行的水下机器人被研制出来，以避免推进器泵水时对环境的扰动影响。现有的水下机器人，多将陆上多足爬行机构，如六足或八足等爬行机器人直接移植到水下环境；多足爬行机构具有载荷大、运行稳定等优点，对复杂地形也能较好的适应，但是其系统复杂，每条脚都有多个可独立运动的自由度，控制也更复杂，并不适宜用于水下行走。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的用于潜器近底推进的双足撑行装置及其撑行方法，从而实现了水下潜器在近海底的高效、低环境扰动推进，大大助力于提升水下潜器的工作使用效率，构思巧妙，实用性好。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于潜器近底推进的双足撑行装置，包括载荷框架，载荷框架上固定有水下潜器；所述载荷框架前端头的中部通过支承关节转动安装有支撑腿，载荷框架后端间隔安装有两个撑行腿，两个撑行腿分别通过撑行关节转动安装于载荷框架后端的两侧，构成撑行的双足；
单个撑行腿的结构为：包括一端与载荷框架转动连接的撑行上肢，撑行上肢另一端通过蹬腿关节转动安装有撑行下肢；
所述撑行关节和蹬腿关节均为由独立液压系统提供动力的摆动机构。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述支撑腿的结构为：包括一端与载荷框架转动连接的支撑上肢，支撑上肢另一端通过支撑关节转动安装有支撑下肢。
所述支撑关节为由液压缸驱动的摆动机构。
所述支撑腿的结构与单个撑行腿的结构相同。
所述支撑腿位于载荷框架的前方，两个撑行腿对称位于后方，支撑腿和两个撑行腿共同与水底面接触构成三脚架形式的三点支撑。
所述撑行腿和支撑腿分别位于纵向平面内。
所述载荷框架为平面框架结构。
一种所述的用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，包括如下步骤：
停驻时，前方的支撑腿和后方的两个撑行腿分别与水底面接触构成三点支撑结构；
从停驻状态向运动状态切换时，将支撑腿离地收起，同时通过撑行关节和蹬腿关节带动撑行腿产生连续的蹬地动作，实现双足撑行；
撑行时，通过独立液压系统释放撑行关节的液压作用，使得撑行关节处于自由状态，同时通过独立液压系统控制蹬腿关节使得撑行腿向后张开，撑行下肢蹬地，向载荷框架上的水下潜器产生向上向前的反作用力，水下潜器产生向前的运动加速度；直至撑行腿的撑行下肢后张至最大，通过独立液压系统控制撑行关节向后抬起撑行腿，同时通过独立液压系统控制蹬腿关节使得撑行下肢向前回摆，撑行腿向前收缩；至撑行腿收缩至最小时，释放撑行关节使得撑行腿自由下落并着地，完成一次撑行动作周期。
作为上述技术方案的进一步改进：
直线行走时，后方两个撑行腿的动作保持一致，控制其蹬腿关节动作的独立液压系统的液压趋势保持一致，两个撑行腿通过蹬地反作用于水下潜器的力一致；
转弯时，通过独立液压系统工作时液压升、降速率的控制，使得两个撑行腿在同一个撑行动作周期中施加于水下潜器的反作用力产生差异，使得水下潜器因向左或向右的分力而产生转弯加速度，实现转弯。
运动状态时，收起的支撑腿与载荷框架位于同一平面内，均位于水平平面内。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，停驻时支撑腿和两个撑行腿分别与水底面接触构成三点支撑结构使得潜器稳定于近底；运动时则收起支撑腿，由两个撑行腿同时向后蹬开从而向潜器施加向前的反作用力，实现撑行，从而有效依托于近海底的重力、浮力和流体阻力，实现了水下潜器在近海底的高效、低环境扰动推进，大大助力于提升水下潜器的工作使用效率，实用性好。
本发明还包括如下优点：
近海底的水下潜器大部分重力被浮力平衡，有效减弱了双足撑行装置对水下潜器的支撑需求，撑行的双足通过蹬腿动作反作用于水下潜器，该反作用的主要分量用于克服前进时的流体阻力，反作用的小部分分量用于克服水下潜器剩余的重力；
在停驻时，由支撑腿和撑行腿共同构成三点支撑结构来支承水下潜器，从而在有效平衡水下潜器剩余重力的同时亦平衡了海流引起的扰动，使得水下潜器能够稳定于近海底；
本发明中，双足撑行装置结构简单，撑行过程中的撑行腿直接作用于海底底面，海底地面的“静止”特性使得撑行腿所作的功均用于水下潜器的前行上；而现有的螺旋桨类推进器中，推进器的输出功率一部分体现于前行推动上，另有重要的一部分则随着尾流运动带走；因此，本发明双足撑行装置的推进效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图（停驻状态）。
图2为本发明在撑行过程中的示意图（支撑腿收起、撑行腿收缩的状态）。
图3为本发明在撑行过程中的示意图（支撑腿收起、撑行腿后张蹬开状态）。
图4为本发明在撑行瞬间的受力示意图。
图5为本发明撑行腿撑行位置不同时的受力对比示意图。
其中：1、撑行腿；2、撑行关节；3、载荷框架；4、支撑腿；5、支承关节；6、水下潜器；11、撑行下肢；12、蹬腿关节；13、撑行上肢；41、支撑上肢；42、支撑下肢。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置，包括载荷框架3，载荷框架3上固定有水下潜器6；载荷框架3前端头的中部通过支承关节5转动安装有支撑腿4，载荷框架3后端间隔安装有两个撑行腿1，两个撑行腿1分别通过撑行关节2转动安装于载荷框架3后端的两侧，构成撑行的双足；
单个撑行腿1的结构为：包括一端与载荷框架3转动连接的撑行上肢13，撑行上肢13另一端通过蹬腿关节12转动安装有撑行下肢11；
撑行关节2和蹬腿关节12均为由独立液压系统提供动力的摆动机构。
如图1和图2、图3所示，停驻时支撑腿4和两个撑行腿1分别与水底面接触构成三点支撑结构使得潜器稳定于近底；运动时则收起支撑腿4，由两个撑行腿1同时向后蹬开从而向水下潜器6施加向前的反作用力，实现撑行，从而有效依托于近海底的重力、浮力和流体阻力，实现了水下潜器6在近海底的高效、低环境扰动推进。
支撑腿4的结构为：包括一端与载荷框架3转动连接的支撑上肢41，支撑上肢41另一端通过支撑关节转动安装有支撑下肢42。
支撑关节为由液压缸驱动的摆动机构。
支撑腿4的结构与单个撑行腿1的结构相同。
支撑腿4位于载荷框架3的前方，两个撑行腿1对称位于后方，支撑腿4和两个撑行腿1共同与水底面接触构成三脚架形式的三点支撑。
撑行腿1和支撑腿4分别位于纵向平面内。
载荷框架3为平面框架结构。
近海底的水下潜器6大部分重力被浮力平衡，有效减弱了双足撑行装置对水下潜器6的支撑需求，撑行的双足通过蹬腿动作反作用于水下潜器6，该反作用的主要分量用于克服前进时的流体阻力，反作用的小部分分量用于克服水下潜器剩余的重力；
在停驻时，由支撑腿4和撑行腿1共同构成三点支撑结构来支承水下潜器6，从而在有效平衡水下潜器6剩余重力的同时亦平衡了海流引起的扰动，使得水下潜器6能够稳定于近海底。
本实施例的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，包括如下步骤：
停驻时，前方的支撑腿4和后方的两个撑行腿1分别与水底面接触构成三点支撑结构，如图1所示；即支撑腿4相对于载荷框架3向前向下张开，撑行腿1相对于载荷框架3向后向下张开，从而构成三角架式的有效可靠支承；
从停驻状态向运动状态切换时，将支撑腿4离地收起，同时通过撑行关节2和蹬腿关节12带动撑行腿1产生连续的蹬地动作，实现双足撑行，如图2和图3所示；在支撑腿4离地收起的瞬间，水下潜器6将会在剩余重力的作用下存在较小的向下运动的加速度，在撑行腿1蹬地撑行之后，该向下的剩余重力被平衡。
撑行时，通过独立液压系统释放撑行关节2的液压作用，使得撑行关节2处于自由状态，同时通过独立液压系统控制蹬腿关节12使得撑行腿1向后张开，撑行下肢11蹬地，向载荷框架3上的水下潜器6产生向上向前的反作用力，水下潜器6产生向前的运动加速度，如图3和图4所示；直至撑行腿1的撑行下肢11后张至最大，通过独立液压系统控制撑行关节2向后抬起撑行腿1，同时通过独立液压系统控制蹬腿关节12使得撑行下肢11向前回摆，撑行腿1向前收缩，如图2所示；至撑行腿1收缩至最小时，释放撑行关节2使得撑行腿1自由下落并着地，完成一次撑行动作周期。
直线行走时，后方两个撑行腿1的动作保持一致，控制其蹬腿关节12动作的独立液压系统的液压趋势保持一致，两个撑行腿1通过蹬地反作用于水下潜器6的力一致；
转弯时，通过独立液压系统工作时液压升、降速率的控制，使得两个撑行腿1在同一个撑行动作周期中施加于水下潜器6的反作用力产生差异，使得水下潜器6因向左或向右的分力而产生转弯加速度，实现转弯。
运动状态时，收起的支撑腿4与载荷框架3位于同一平面内，均位于水平平面内；
收起的支撑腿4中，支撑下肢42通过支撑关节相对于支撑上肢41反向折合至接近平行状态，支撑上肢41则通过支承关节5运动至相对于载荷框架3向前水平伸出，从而有效减小前进时的流体阻力。
如图4所示，在撑行过程中，间歇作用的撑行力F与浮力平衡后剩余的重力G、以及流体阻力Cd，三者平衡，从而维持水下作业装置的近底前进。
由于流体阻力与水下作业装置前进速度相关，流体阻力大约与速度的平方成正比，而剩余重力的大小是不变的，因此在不同前进速度时，流体阻力与该重力的合力方向也是变化的。因此，随着撑行速度的变化，双足撑行机构在撑行推进时关节角度（θ）的范围是不同的，以产生不同方向的撑行力来与流体阻力及重力平衡，如图5所示。
由撑行运行状态向停驻状态切换时，先调整撑行腿1运行的参数，减小蹬地产生的向前的推力分量，以减小水下潜器6的前进速度；直到前进速度很小的时候，控制支承关节5及支撑腿4的支撑关节，使得支撑腿4的支撑上肢41、支撑下肢42均向前张开，并在重力作用下使得水下潜器6自然落下，直至通过支撑腿4着落于海底上。
在特定的前进速度情况下，流体阻力确定，则作用于水下潜器6上的剩余重力、流体阻力均保持不变；而在一个撑行动作周期里，撑行腿1蹬地方向在变化，蹬地反作用力F的方向也在变化，且其大小也会有所变化；按整个撑行动作周期内的总冲量来分析，撑行蹬地反作用力的冲量与水下潜器6剩余重力和流体阻力的冲量形成总的平衡，因此，撑行腿1蹬地过程中，蹬地点位于水下潜器6剩余重力和流体阻力的合力方向上，从而使得水下潜器维持稳定的近底前进运动。
本实施例的双足撑行装置结构简单，主动关节少，有效减少了系统故障点；并且，撑行过程中的撑行腿1直接作用于海底底面，海底地面的“静止”特性使得撑行腿1所作的功均用于水下潜器的前行上；而现有的螺旋桨类推进器中，推进器的输出功率一部分体现于前行推动上，另有重要的一部分则随着尾流运动带走；因此，本发明双足撑行装置的推进效率更高。
本发明实现了水下潜器6在近海底的高效、低环境扰动推进，大大助力于水下潜器6工作使用效率的有效提升，结构巧妙，构思新颖，实用性好。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述双足撑行装置包括载荷框架（3），载荷框架（3）上固定有水下潜器（6）；所述载荷框架（3）前端头的中部通过支承关节（5）转动安装有支撑腿（4），载荷框架（3）后端间隔安装有两个撑行腿（1），两个撑行腿（1）分别通过撑行关节（2）转动安装于载荷框架（3）后端的两侧，构成撑行的双足；
单个撑行腿（1）的结构为：包括一端与载荷框架（3）转动连接的撑行上肢（13），撑行上肢（13）另一端通过蹬腿关节（12）转动安装有撑行下肢（11）；
所述撑行关节（2）和蹬腿关节（12）均为由独立液压系统提供动力的摆动机构；
所述支撑腿（4）位于载荷框架（3）的前方，两个撑行腿（1）对称位于后方，支撑腿（4）和两个撑行腿（1）共同与水底面接触构成三脚架形式的三点支撑；
所述的用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，包括如下步骤：
停驻时，前方的支撑腿（4）和后方的两个撑行腿（1）分别与水底面接触构成三点支撑结构；
从停驻状态向运动状态切换时，将支撑腿（4）离地收起，同时通过撑行关节（2）和蹬腿关节（12）带动撑行腿（1）产生连续的蹬地动作，实现双足撑行；
撑行时，通过独立液压系统释放撑行关节（2）的液压作用，使得撑行关节（2）处于自由状态，同时通过独立液压系统控制蹬腿关节（12）使得撑行腿（1）向后张开，撑行下肢（11）蹬地，向载荷框架（3）上的水下潜器（6）产生向上向前的反作用力，水下潜器（6）产生向前的运动加速度；直至撑行腿（1）的撑行下肢（11）后张至最大，通过独立液压系统控制撑行关节（2）向后抬起撑行腿（1），同时通过独立液压系统控制蹬腿关节（12）使得撑行下肢（11）向前回摆，撑行腿（1）向前收缩；至撑行腿（1）收缩至最小时，释放撑行关节（2）使得撑行腿（1）自由下落并着地，完成一次撑行动作周期；
直线行走时，后方两个撑行腿（1）的动作保持一致，控制其蹬腿关节（12）动作的独立液压系统的液压趋势保持一致，两个撑行腿（1）通过蹬地反作用于水下潜器（6）的力一致；
转弯时，通过独立液压系统工作时液压升、降速率的控制，使得两个撑行腿（1）在同一个撑行动作周期中施加于水下潜器（6）的反作用力产生差异，使得水下潜器（6）因向左或向右的分力而产生转弯加速度，实现转弯；
运动状态时，收起的支撑腿（4）与载荷框架（3）位于同一平面内，均位于水平平面内。
2.如权利要求1所述的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述支撑腿（4）的结构为：包括一端与载荷框架（3）转动连接的支撑上肢（41），支撑上肢（41）另一端通过支撑关节转动安装有支撑下肢（42）。
3.如权利要求2所述的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述支撑关节为由液压缸驱动的摆动机构。
4.如权利要求1所述的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述支撑腿（4）的结构与单个撑行腿（1）的结构相同。
5.如权利要求1所述的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述撑行腿（1）和支撑腿（4）分别位于纵向平面内。
6.如权利要求1所述的一种用于潜器近底推进的双足撑行装置的撑行方法，其特征在于：所述载荷框架（3）为平面框架结构。
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