CN113665768A - 一种用于海洋检测的章鱼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于海洋检测的章鱼机器人，包括：头部部分，触手部分，吸盘部分。头部部分由中空硬质壳体部分，双向螺旋桨驱动部分，视觉部分，交叉舵机等组成。触手部分由八只柔性可控触手组成，每只触手内部由多节可控气囊组组成，通过控制气囊的压力来实现触手的任意角度摆动。每只触手表面固定有多个吸盘部分，用于在悬停或静止时固定自身，每个触手上的吸盘由独立的气路控制。本发明是参考章鱼的身体外形而设计的海洋检测机器人，可用于海洋设备检测巡查，水下侦查，以及海洋环境研究和水底勘察等应用。

Description

一种用于海洋检测的章鱼机器人

技术领域

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种用于海洋检测的章鱼机器人。

背景技术

海洋占到地球表面积的70％，海洋中蕴藏着无数的奥秘和资源，随着人类对于海洋资源开发力度的日益加强，越来越多的海洋开发设备被投放到大海中，这些设备需要面临各种各样的复杂海况，在运行过程中也会出现各种各样的问题，需要及时对它们进行检查和维修，但是大海阻挡了人们随时观察和了解各种设备状况的需求。

现有各种海洋检测设备的结构复杂，功能单一，对过程控制要求高，投入成本也很大，制约了人们探测海洋设备状况的需求，同时，海洋设备结构越复杂，在巡检过程中的危险系数越高，对检测设备的要求也越高。但是海洋中无数的生物时时刻刻都在观察着这个世界，如果人类能设计一款机器人可以象海洋中的生物一样任意游动，那将是多么神奇的事情。章鱼在游动过程中，可以随时将猎物用触手抓住，或将自己固定在礁石上一动不动，或通过触手一点一点将自己移动到潜伏的位置，也可以快速游动到任意地方，大大的眼睛敏锐地观察着四周，是天生的观察家和巡检员。如果人类设计的机器人能具备章鱼的本领，海洋设备巡检将变的轻而易举，人类对海洋的开发也将变得更加容易。

发明内容

本发明旨在设计一种用于海洋检测的章鱼机器人，该机器人模拟章鱼的身体结构，可通过触手将自己固定在海洋设备上，或通过触手移动自身，实现对复杂海洋设备的检测。

本发明的目的是这样实现的：包括头部部分、触手部分、吸盘部分，头部部分外形为纺锤型结构且在其中间位置设置有前后贯通的孔，孔的前端安装有两个反向旋转的螺旋桨、后端为两个垂直布置的方向舵；头部部分的空腔内部安装有控制系统、供电系统和蓄电池、感知系统、浮力调节系统、供气系统及其它辅助装置，头部部分前端安装有三个突起的玻璃视窗，视窗内部为三个CCD和照明灯组成的视觉系统；触手部分有8个且设置在头部部分端部，且每个触手为柔性材料制成的前粗后细的管状结构，触手内部由多节中空的气囊组组成，每一节中有四个气囊，四个气囊中间有孔洞，头部的供气装置可向每一个气囊供气，控制系统感知每一个气囊的压力，并控制每一个气囊上供气阀的开启或关闭；吸盘部分包括均布在触手每节的外表面的碗状的吸盘，每个吸盘内部为空腔，通过控制空腔内部气压来实现吸盘的吸附和释放，每一个触手由一个气管控制该触手表面的所有吸盘，头部部分的供气系统通过触手中间的孔洞连接触手表面的吸盘。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.控制系统收集自身信息，并根据指令和自身信息控制章鱼机器人的运动；供电系统利用蓄电池为机器人提供能源，也可以外接电缆，为机器人持续提供能量；感知系统用来感知机器人的空间位置和自身的状态信息；浮力调节系统用于控制机器人的上浮下潜以及悬停等动作，在控制系统的控制和协调下，实现机器人在水下的各种动作和功能；供气系统用于控制触手和吸盘，实现触手和吸盘的预定动作。

2.控制系统可控制CCD做一定角度的旋转，通过玻璃视窗观察外部，并将图像传输给海面上的控制系统。

3.游动过程中，两个反向旋转的螺旋桨克服自身旋转扭矩保持身体状态的平衡，水流从前端进入，经螺旋桨推动后，经过垂直布置的方向舵喷出，推动章鱼机器人向前运动，通过控制方向舵实现上下左右运动方向的调整；分别控制每一个气囊中气体的压力，实现当前节触手的偏转，如果同时给四个气囊供气，气囊同时变硬，此时此节触手将保持垂直状态；通过控制每一节中气囊组的供气，实现触手在任意方向的偏转，当触手接触到柱状物体时，可将触手缠绕到柱状物体上，来固定自身的位置；触手表面与物体接触时，此时供气系统抽气，吸盘外表面前端面内凹，此吸盘将自身吸附在物体表面，没有与物体表面接触的吸盘仅仅内凹，不产生吸附作用，当供气系统吹气时，吸盘前端面凸起，吸盘将自身从物体表面分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)模仿章鱼的身体结构，运动时的阻力小，运动速度快，两个螺旋桨反向转动抵消运动系统的反向作用力，使得控制系统容易稳定章鱼的身体，有利于在水下控制章鱼的状态。2)触手采用柔性材料制作，内部气囊采用弹性材料制作，通过控制同一节中四个气囊的充气程度来控制触手的摆动方向，可实现触手任意方向的摆动，多节气囊同步摆动，可实现触手的缠绕功能，便于水下固定自身。3)触手表面吸盘采用自吸式结构，通过控制吸盘内部气囊的真空度，就可以实现吸盘固定在外部物体上，使得触手与物体的接触力度增强。通过向吸盘中的气囊吹气来释放吸盘的吸附。

附图说明

图1a-b均是用于海洋检测的章鱼机器人外形示意图；

图2是章鱼机器人头部内部结构剖视图；

图3是章鱼机器人视觉部分结构；

图4是章鱼机器人带吸盘的触手；

图5a-b均是章鱼机器人触手及截面组成示意图；

图6a-b均是章鱼机器人的吸盘示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本发明的头部部分外形为纺锤型，中间有前后贯通的孔，孔的前端安装有两个反向旋转的螺旋桨，后端为两个垂直布置的方向舵。游动过程中，两个反向旋转的螺旋桨克服自身旋转扭矩保持身体状态的平衡，水流从前端进入，经螺旋桨推动后，经过垂直布置的方向舵喷出，推动章鱼机器人向前运动，通过控制方向舵实现上下左右运动方向的调整。头部空腔内部安装有控制系统，供电系统和蓄电池，感知系统，浮力调节系统，供气系统，及其它辅助装置。控制系统是机器人的大脑，用来收集自身信息，并根据指令和自身信息控制章鱼机器人的运动；供电系统利用蓄电池为机器人提供能源，也可以外接电缆，为机器人持续提供能量；感知系统用来感知机器人的空间位置和自身的状态信息，如压力，温度，运动速度等信息；浮力调节系统用于控制机器人的上浮下潜以及悬停等动作，在控制系统的控制和协调下，实现机器人在水下的各种动作和功能；供气系统用于控制触手和吸盘，实现触手和吸盘的预定动作。头部前端安装有三个突起的玻璃视窗，视窗内部为三个CCD和照明灯组成的视觉系统，控制系统可控制CCD做一定角度的旋转，通过玻璃视窗观察外部，并将图像传输给海面上的控制系统。

触手部分由柔性材料制成管状结构，呈前粗后细结构，触手内部由多节中空的气囊组组成，每一节中有四个气囊，四个气囊中间有孔洞，头部的供气装置可向每一个气囊供气，控制系统可感知每一个气囊的压力，并控制每一个气囊上供气阀的开启或关闭。通过分别控制每一个气囊中气体的压力，就可以实现当前节触手的偏转，如果同时给四个气囊供气，气囊同时变硬，此时此节触手将保持垂直状态。通过控制每一节中气囊组的供气，实现触手在任意方向的偏转，当触手接触到柱状物体时，可将触手缠绕到柱状物体上，来固定自身的位置。

吸盘部分由大量碗状的小吸盘组成，均布在每一个触手的外表面，每个吸盘内部为空腔，通过控制空腔内部气压来实现吸盘的吸附和释放，每一个触手由一个气管控制该触手表面的所有吸盘，头部部分的供气系统通过触手中间的孔洞连接触手表面的吸盘。触手表面与物体接触时，此时供气系统抽气，吸盘外表面前端面内凹，此吸盘将自身吸附在物体表面，没有与物体表面接触的吸盘仅仅内凹，不产生吸附作用，当供气系统吹气时，吸盘前端面凸起，吸盘将自身从物体表面分离。

下面参考附图来详细描述本发明所述的一种用于海洋检测的章鱼机器人的组成和结构。

章鱼机器人外形如图1所示，由三大部分组成，头部部分100，触手部分200，吸盘部分300。章鱼机器人头部前端有三个均布的视觉系统，后端均布有8个柔软的触手，每个触手表面均匀布置有许多小吸盘。

章鱼机器人的头部部分外形类似纺锤，前端均布三个凸起的视觉窗口，内部结构如图2所示，头部部分安装有视觉系统110，头部中间为一通孔122，前后贯通，且直径相等，水流可从前端进入后端流出。前端支架上固定两个旋转方向相反的螺旋桨120，两个螺旋桨转动时可相互抵消扭矩，以保持章鱼机器人的空间状态平衡，水流经过通孔后端的两个相互垂直的舵机121，通过控制舵机的摆动角度来控制章鱼上下左右方向的运动。头部壳体内部安装有机器人运行所需的各个子系统，如控制系统130，电力系统和蓄电池140，浮力系统150，感知系统160.控制系统130采集章鱼机器人的实时状态信息并根据指令发出控制信号，实现章鱼机器人的运动，悬停和实时图像采集。

章鱼的视觉系统110如图3所示，凸起的视觉窗口111为透明玻璃，CCD112位于凸起视觉窗口的焦点位置，CCD背部固定在一个可转动的关节113上，可通过控制关节113来带动CCD 112转动，观察外部周围环境的状况。

章鱼的触手200为一个外部为柔性材料204的多环节长条状物体，如图4所示，触手靠近头部部分较粗，远离头部部分逐渐变细，每一环节201内部由四个气囊202组成，中间为空腔203，气管及各种控制信号线经空腔203伸向触手尾部。每一环节中的4个气囊如图5所示，每个气囊为扇形，靠近中心部分的气囊高度较低，且壁厚较厚，靠近边部分的气囊高度较高，且壁厚较薄，当给其中一个气囊充气后，气囊边缘部分高度较高，中间部分较低，此环节的触手将相应倾斜，通过同时控制四个气囊的充气状态，可实现该环节触手向任意方向的旋转，如同时给四个气囊充相同压力的空气，该环节触手将保持垂直状态。

章鱼每一个触手200的表面都布置有大量的吸盘300，吸盘300外形如图6所示，吸盘内部为中空结构，301和302分别为吸盘处于吸附状态和释放状态时的内部结构，每个吸盘的尾部与经过触手中间空腔203的气管相连，当控制系统130抽取出盘的空气时，吸盘300将变为图6所示的状态，此时如吸盘表面与外部物体接触，吸盘表面将吸附在物体表面并将触手固定，当控制系统130释放空气时，吸盘表面将恢复原状，并脱离与物体表面的接触。

综上，本发明的头部部分由中空硬质壳体部分，双向螺旋桨驱动部分，视觉部分，交叉舵机等组成。触手部分由八只柔性可控触手组成，每只触手内部由多节可控气囊组组成，通过控制气囊的压力来实现触手的任意角度摆动。每只触手表面固定有多个吸盘部分，用于在悬停或静止时固定自身，每个触手上的吸盘由独立的气路控制。本发明是参考章鱼的身体外形而设计的海洋检测机器人，可用于海洋设备检测巡查，水下侦查，以及海洋环境研究和水底勘察等应用。

Claims (5)

1.一种用于海洋检测的章鱼机器人，其特征在于：包括头部部分、触手部分、吸盘部分，头部部分外形为纺锤型结构且在其中间位置设置有前后贯通的孔，孔的前端安装有两个反向旋转的螺旋桨、后端为两个垂直布置的方向舵；头部部分的空腔内部安装有控制系统、供电系统和蓄电池、感知系统、浮力调节系统、供气系统及其它辅助装置，头部部分前端安装有三个突起的玻璃视窗，视窗内部为三个CCD和照明灯组成的视觉系统；触手部分有8个且设置在头部部分端部，且每个触手为柔性材料制成的前粗后细的管状结构，触手内部由多节中空的气囊组组成，每一节中有四个气囊，四个气囊中间有孔洞，头部的供气装置可向每一个气囊供气，控制系统感知每一个气囊的压力，并控制每一个气囊上供气阀的开启或关闭；吸盘部分包括均布在触手每节的外表面的碗状的吸盘，每个吸盘内部为空腔，通过控制空腔内部气压来实现吸盘的吸附和释放，每一个触手由一个气管控制该触手表面的所有吸盘，头部部分的供气系统通过触手中间的孔洞连接触手表面的吸盘。

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋检测的章鱼机器人，其特征在于：控制系统收集自身信息，并根据指令和自身信息控制章鱼机器人的运动；供电系统利用蓄电池为机器人提供能源，也可以外接电缆，为机器人持续提供能量；感知系统用来感知机器人的空间位置和自身的状态信息；浮力调节系统用于控制机器人的上浮下潜以及悬停等动作，在控制系统的控制和协调下，实现机器人在水下的各种动作和功能；供气系统用于控制触手和吸盘，实现触手和吸盘的预定动作。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于海洋检测的章鱼机器人，其特征在于：控制系统可控制CCD做一定角度的旋转，通过玻璃视窗观察外部，并将图像传输给海面上的控制系统。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于海洋检测的章鱼机器人，其特征在于：游动过程中，两个反向旋转的螺旋桨克服自身旋转扭矩保持身体状态的平衡，水流从前端进入，经螺旋桨推动后，经过垂直布置的方向舵喷出，推动章鱼机器人向前运动，通过控制方向舵实现上下左右运动方向的调整；分别控制每一个气囊中气体的压力，实现当前节触手的偏转，如果同时给四个气囊供气，气囊同时变硬，此时此节触手将保持垂直状态；通过控制每一节中气囊组的供气，实现触手在任意方向的偏转，当触手接触到柱状物体时，可将触手缠绕到柱状物体上，来固定自身的位置；触手表面与物体接触时，此时供气系统抽气，吸盘外表面前端面内凹，此吸盘将自身吸附在物体表面，没有与物体表面接触的吸盘仅仅内凹，不产生吸附作用，当供气系统吹气时，吸盘前端面凸起，吸盘将自身从物体表面分离。

5.根据权利要求3所述的一种用于海洋检测的章鱼机器人，其特征在于：游动过程中，两个反向旋转的螺旋桨克服自身旋转扭矩保持身体状态的平衡，水流从前端进入，经螺旋桨推动后，经过垂直布置的方向舵喷出，推动章鱼机器人向前运动，通过控制方向舵实现上下左右运动方向的调整；分别控制每一个气囊中气体的压力，实现当前节触手的偏转，如果同时给四个气囊供气，气囊同时变硬，此时此节触手将保持垂直状态；通过控制每一节中气囊组的供气，实现触手在任意方向的偏转，当触手接触到柱状物体时，可将触手缠绕到柱状物体上，来固定自身的位置；触手表面与物体接触时，此时供气系统抽气，吸盘外表面前端面内凹，此吸盘将自身吸附在物体表面，没有与物体表面接触的吸盘仅仅内凹，不产生吸附作用，当供气系统吹气时，吸盘前端面凸起，吸盘将自身从物体表面分离。

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