CN114180010B - 一种海底地层空间布缆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术，旨在提供一种海底地层空间布缆机器人。该机器人主体结构包括：一个伸缩电推杆体节，由两个防尘套筒相对嵌装，空腔内设有驱动电机和伸缩电推杆；四个结构相同的前进支撑单臂体节；每个单臂体节两端对称地由内向外依次布置转板支撑件、减速器、电机和连接法兰，外部设有转板结构；四个单臂体节分为两组，每组以相邻端活动串接，并以各自外端与伸缩电推杆体节的连接器实现活动连接；两组串接单臂体节以伸缩电推杆体节为轴对称布置，使机器人主体结构整体呈菱形。本发明通过单臂体节的组合作用，提出蠕动式机器人运动方式；可完成与实现前进与转弯的任务。支撑单臂体节的旋转切换运动能提高前进运动的效率，减低前进阻力。

Description

一种海底地层空间布缆机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体涉及能够在海底沉积物地层土壤中蠕动式前进的机器人，用于海底地层空间布缆。

背景技术

广袤的海底蕴藏着丰富的战略性资源，为完成海底地层空间勘探与作业这一任务需求，首先应将所需的电缆或传感器缆布放至海底地层空间中，以实现对海底地层空间的作业或海底地层环境的监测。

目前针对海底地层空间布缆这一领域，最为常用的布缆手段是采用钻井船进行。虽然钻井船在钻探深度和作业可控性好，可以快速的完成任务；但是其局限性也是比较明显的，钻井船每次作业仅能单个点位作业，不便于灵活移动；钻井船在钻深过程持续对地层进行扰动，破坏性较强。此外，每次钻探需要钻井船持续原位工作，更适用于大范围的开采作业，而不适用于小范围的布缆作业。

因此，本发明旨在提出可用于海底地层空间布缆的小型机器人，以机器人本体作为牵引布放机构，尾部拖动电缆在地层内运动，通过既定运动轨迹规划方案到达指定位置后即完成布缆工作。该机器人将填补海底地层空间布缆领域技术设备的空白，具有广泛的应用场景和重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种海底地层空间布缆机器人。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种海底地层空间布缆机器人，包括用作牵引工具的机器人主体结构，其尾端设有用于连接供能控制线缆的接头端子，以及用于挂接布放线缆的锁扣机构；该机器人主体结构包括：

一个伸缩电推杆体节，包括以开口端相对嵌装的两个防尘套筒，两者共同构成封闭的内部空腔；空腔内设有驱动电机和伸缩电推杆，能使两个防尘套筒沿轴向相对位移；在防尘套筒的两个封闭端分别设有连接器；

四个结构相同的前进支撑单臂体节；每个单臂体节均包括中空的单臂筒，其两端对称地由内向外依次布置转板支撑件、减速器、电机和连接法兰；单臂筒外部设有转板结构，后者具有沿轴对称布置的转板构件；

所述四个单臂体节分为两组，每组以相邻端的连接法兰实现活动串接，并以各自外端的连接法兰与伸缩电推杆体节的连接器实现活动连接；两组串接单臂体节以伸缩电推杆体节为轴对称布置，使机器人主体结构整体呈菱形。

作为本发明的优选方案，所述转板构件呈梳齿状或筛板状，与之配合地设有挡板；所述挡板是齿状挡板或筛孔挡板，能在驱动部件带动下发生位移，使齿间间隙或筛孔被遮挡。

作为本发明的优选方案，所述驱动部件是设于单臂筒腔体中的电推杆，挡板与电推杆相连，并能在电推杆带动下沿轴向位移，用于遮挡转板构件的齿间空隙或筛孔；所述挡板具有与转板构件相适应的结构和外形，并包覆在其外部；或者在转板构件的中间设有轴向的凹槽，挡板设于凹槽中。

作为本发明的优选方案，在垂直于对称轴的方向上，所述转板结构和挡板的横截面的外形大致呈菱形。

作为本发明的优选方案，所述转板结构包括呈轴向对称布置的两个单体结构，单体结构的中心具有用于安装单臂筒的半圆槽且相对地实现安装，单体结构和单臂筒的两端均固定在转板支撑件上；或者，所述转板结构的轴向中心具有管状空腔，单臂筒套装在转板结构之中，转板结构或单臂筒的两端固定在转板支撑件上；或者，所述转板结构与单臂筒为一体式构造，其两端固定在转板支撑件上。

作为本发明的优选方案，所述转板支撑件与减速器固定连接，减速器与电机的输出端相连，电机与连接法兰固定连接。

作为本发明的优选方案，伸缩电推杆的两端与防尘套筒的端部相连。

作为本发明的优选方案，所述两个防尘套筒之间为间隙配合，两者通过O形密封圈实现密封。

作为本发明的优选方案，所述防尘套筒的两端分别设有两个连接器，两组单臂体节的连接法兰分别与其同侧的连接器相连。

作为本发明的优选方案，所述连接器和连接法兰上分别设有通孔，连接器和连接法兰之间、连接法兰和连接法兰之间以通孔相对并由销钉实现安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用模块化的设计结构，各体节间相互独立，具有灵活的运动能力。

(2)本发明通过四个单臂体节之间的组合作用，提出了创新式的蠕动式机器人运动方式。各前进支撑单臂体节分别执行前进或支撑功能，在这些体节组合作用下，机器人可以完成与实现前进与转弯的任务。当两根单臂体节在支撑且两根单臂体节在前进时，可以实现海底地层空间布缆机器人的前进；当一根单臂体节在支撑且三根单臂体节在前进时，可以实现海底地层空间布缆机器人的转弯。

(3)本发明采用创新式的蠕动前进方式，在两组由谐波减速器与电机所组成的旋转机构的驱动下，支撑单臂体节的旋转切换运动状态，不仅提高了前进运动的效率，还减低了前进过程中所遇到的阻力。

(4)本发明采用了创新式的结构设计方式，前部的两根单臂体节和后部的两根单臂体节都采用了V型的结构设计，并且在前进运动的过程中，随着伸缩推杆的伸长，两根单臂体节之间的夹角不断减少，极大地减小了运动过程中的阻力大小。

(5)该海底地层空间布缆机器人具有良好的可移植性与可扩展性，在海底地层前进以及海底地层传感器布放等都具有广泛的应用场景。在海洋技术、海洋工程、海洋科学等研究领域都具有广阔的应用空间。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是机器人主体伸缩前进体节的部分剖视放大图；

图3是单臂体节的剖视放大图；

图4是转板结构中的一个单体结构的示意图；

图5是用于适配图4中转板结构的齿状挡板的示意图；

图6是机器人完全展开态和完全收缩态的效果图；

图7是机器人单臂体节旋转态与运动态的效果图；

图8是机器人钻机与支撑单臂水平态与垂直态转换过程的示意图；

图9是机器人单臂体节前进运动的示意图；

图10是机器人单臂体节左转向运动的示意图。

图中附图标记：1-前部连接器；2-后部连接器；3-左侧伸缩电推杆；4-右侧伸缩电推杆；5-下防尘套筒；6-上防尘套筒；7-上侧连接法兰；8-上侧电机；9-上侧谐波减速器；10-上转板支撑件；11-单臂筒；12-电推杆；13-转板结构；14-齿状挡板；15-下转板支撑件；16-下侧谐波减速器；17-下侧电机；18-下侧连接法兰。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，本发明中的海底地层空间布缆机器人包括用作牵引工具的机器人主体结构，该机器人主体结构包括一个伸缩电推杆体节和四个结构相同的前进支撑单臂体节(以下简称单臂体节)。在伸缩电推杆体节的尾端设有用于连接供能控制线缆的接头端子，以及用于挂接布放线缆的锁扣机构(图中未示出)。

伸缩电推杆体节包括以开口端相对嵌装的下防尘套筒5和上防尘套筒6，两者共同构成封闭的内部空腔；两个防尘套筒之间为间隙配合，两者通过O形密封圈实现密封，保护电推杆机构不受淤泥或土壤微粒的侵害。空腔内设有驱动电机、左侧伸缩电推杆3和右侧伸缩电推杆4，左侧伸缩电推杆3与右侧伸缩电推杆4沿中轴线对称分布，组合成双电推杆机构。伸缩电推杆的两端与防尘套筒的端部相连，使下防尘套筒5和上防尘套筒6能沿轴向相对位移；在防尘套筒的两个封闭端外侧分别设有两个连接器，连接器上设有用于插入销钉的通孔。

四个单臂体节分别布置在机器人的左前部、右前部、左后部和右后部，每个单臂体节结构完全相同。以左前部的单臂体节为例，包括一个中空的单臂筒11，其两端具有对称布置的以下结构：一端由内向外依次布置上转板支撑件10、上侧谐波减速器9、上侧电机8、上侧连接法兰7，另一端由内向外依次布置下转板支撑件15、下侧谐波减速器16、下侧电机17、下侧连接法兰18，连接法兰上设有用于插入销钉的通孔。

四个单臂体节分为两组，每组以相邻端的连接法兰实现活动串接，并以各自外端的连接法兰与伸缩电推杆体节的同侧连接器实现活动连接；连接器和连接法兰之间、连接法兰和连接法兰之间以通孔相对并由销钉实现安装。两组串接的单臂体节以伸缩电推杆体节为轴对称布置，使机器人主体结构整体呈菱形。

单臂筒外部设有转板结构。在垂直于对称轴的方向上，转板结构的横截面大致呈菱形，具有沿轴对称布置的转板构件13。转板构件呈梳齿状，与之配合地设有相适应结构和外形的齿状挡板14；齿状挡板14包覆在与转板构件外部且能在驱动部件带动下发生位移，使齿间间隙被遮挡。或者，也可以在转板构件的中间沿轴向设置凹槽，挡板布置在凹槽中。驱动部件可选是设于单臂筒11腔体中的电推杆12，齿状挡板14与电推杆12相连，并能在电推杆12带动下沿轴向位移，用于遮挡转板构件13的齿间空隙。转板构件也可选择使用筛板状，可位移的筛孔挡板在驱动部件带动下用于遮挡筛孔。

转板结构有多种实现方式可选。如图3、4中所示，转板结构包括呈轴向对称布置的两个单体结构，每个单体结构的中心具有用于安装单臂筒11的半圆槽且两者相对地布置在单臂筒11的外侧，单体结构和单臂筒11的两端均固定在转板支撑件上；或者，在转板结构的轴向中心设管状空腔，单臂筒11套装在转板结构之中，转板结构或单臂筒11的两端固定在转板支撑件上；或者，转板结构与单臂筒为一体式构造，其两端固定在转板支撑件上。转板支撑件与减速器固定连接，减速器与电机的输出端相连，电机与连接法兰固定连接。

本发明中，海底地层空间布缆机器人的主体结构由四个前进支撑单臂体节与一个伸缩电推杆体节组成。以伸缩电推杆体节为对称轴中心，四个单臂体节呈四边菱形布局，在该四边菱形的对角处实现活动连接。布缆机器人是在单臂体节和伸缩电推杆体节的共同配合下进行运动的。当伸缩电推杆伸长至最长时，机器人处于完全展开态，当伸缩电推杆缩短至最短时，机器人处于完全收缩态。可以通过控制四个单臂体节使其处于不同的空间状态，分别承担前进与支撑功能。在单臂体节和伸缩电推杆体节的组合作用下，实现机器人的前进与转弯。

伸缩电推杆可在机器人前进或转向运动时提供推力。防尘套筒在伸缩电推杆进行运动时可以保护伸缩电推杆不受杂物影响。电机与减速器组成的旋转机构能驱动单臂筒进行旋转，进而带动转板单臂进行旋转。利用减速器可降低电机的转速以增加扭矩，减速器可选谐波减速器。单臂筒中间设有电推杆，能推动挡板沿单臂轴向进行位移运动；在单臂体节的两端各装有连接法兰一个，用于连接其他单臂体节或伸缩电推杆体节。

在单臂体节中，通过电推杆带动挡板位移能使转板结构在旋转态与运动态进行切换，分别对应在执行不同功能时的梳齿或筛孔的开合状态。旋转态时，梳齿间距或筛孔是打开的，允许淤泥通过以减小单臂体节在旋转过程中的阻力；运动态时，梳齿间距或筛孔是关闭的，用于增加阻力以避免单臂体节在淤泥中发生位移。

以梳齿状的转板结构为例解析动作方式：在旋转态时，电推杆收缩并拉动齿状挡板达到“一分二”的效果，使转板结构的齿状间距露出以减小转板结构的有效面积；然后由单臂体节的电机驱带动转板结构绕轴旋转，此时淤泥能够从齿间间隙中通过，避免对转板结构的旋转造成阻碍。在运动态时，电推杆伸开并推动齿状挡板移动，遮挡住转板结构的齿状间距，此时齿状挡板与转板结构达到“二合一”的效果；在伸缩电推杆体节驱动机器人运动时，该单臂体节能够很好地起到在淤泥中定位的作用。

单臂体节在使用过程中，由于其与空间的相对位置关系不同，也分别垂直态与水平态这两个不同的空间状态。在垂直态时，转板结构最长对角线所在平面是垂直于机器人的行进方向的，由于增加了有效阻挡面积，此时该单臂体节在行进方向上阻力最大，可以利用淤泥更好地进行定位支撑。在水平态时，转板结构最长对角线所在平面是与机器人的行进方向保持平行的，此时该单臂体节在行进方向上阻力最小，可以更好地在沉积物中前进。

下面对机器人工作时所涉及的状态变化进行详细的描述：

当伸缩推杆体节在电推杆的作用力下伸长至最长状态时，此时机器人为完全展开态，如图6-a所示。当伸缩推杆体节在电推杆的作用力下收缩至最短状态时，此时机器人为完全收缩态，如图6-b所示。

单臂体节具有两个不同的姿态状态，定义为旋转态(如图7-a所示)与运动态(如图7-b所示)。在执行不同的功能时候，通过电推杆12带动挡板的推动进行切换，将会调整成为相应的姿态以适应作业动作需求。旋转态的有效面积更小，利于单臂体节的旋转动作；运动态的有效面积更大，在单臂体节行进时能避免淤泥阻碍，在单臂体节定位时能增大阻力。

单臂体节在与空间的相对位置关系不同时，也分别具有两个不同的空间状态，定义为水平态(如图8中a、b所示)与垂直态(如图8中c、d所示)。垂直态下单臂体节可以更好地在淤泥或土壤中实现支撑，水平态下的单臂体节可以更好地在淤泥或土壤中实现前进。

在机器人的运行过程中，垂直态和水平态的两个空间状态切换会结合单臂体节的旋转态与运动态这两个姿态状态的切换。由此，在单臂体节与伸缩电推杆体节的共同作用力下，机器人能够实现向前推进和转弯动作。

单臂体节的空间状态与姿态状态的联动切换方式描述如下：

(1)如图8-a所示的时刻，单臂体节的空间状态处于水平态，姿态状态处于运动态；该状态适用于阻挡定位，不应执行原地旋转的动作；

(2)如图8-b所示的时刻，为减少旋转时所遇到的阻力，在电推杆的作用下移动挡板露出齿间间隙，从运动态切换至旋转态，此时单臂体节可执行旋转动作。

(3)如图8-c所示的时刻，单臂体节已经完成旋转，空间状态转换为垂直态，姿态状态仍处于旋转态。

(4)如图8-d所示的时刻，单臂体节将执行前进动作，为减少淤泥或土壤阻碍需改变姿态状态；在电推杆作用下推动挡板遮挡齿间间隙，从旋转态切换至运动态。

当机器人进行前进时：

(1)如图9-a所示的时刻，为机器人前进运动时的初始状态。

(2)如图9-b所示的时刻，当机器人将准备进行前进运动。左后部和右后部的单臂体节切换至垂直态，以起到支撑作用；左前部和右前部的单臂体节仍保持水平态，以起到前进作用。

(3)如图9-c所示的时刻，在伸缩电推杆体节、左前部和右前部的单臂体节的共同作用下，机器人进行前进运动，当机器人达到完全展开态时，此次前进操作完成。

(4)如图9-d所示的时刻，当机器人将准备进行收缩复原，机器人左前部和右前部的单臂体节切换至垂直态，以起到支撑作用；左后部和右后部的单臂体节切换至水平态，以起到前进作用。

(5)如图9-e所示的时刻，在伸缩电推杆体节、左后部单臂体节和右后部单臂体节的共同作用下，机器人进行收缩运动，当机器人达到完全收缩态时，此次收缩操作完成。

(6)如图9-f所示的时刻，在完成一轮伸长与收缩操作后，机器人各体节均恢复原状，若要进行长距离的前进操作，重复(1)至(5)的操作即可。

当机器人进行转向时(以左转向为例进行描述，右转向同理)：

(1)如图10-a所示的时刻，为机器人转向运动时的初始状态。

(2)如图10-b所示的时刻，当机器人将准备进行左转向运动。左后部的单臂体节切换至垂直态，以起到支撑作用；左前部、右前部和右后部的单臂体节仍保持水平态，以起到前进作用。

(3)如图10-c所示的时刻，在伸缩电推杆体节、左前部、右前部和右后部单臂体节的共同作用下，机器人进行左转向运动，当机器人达到完全展开态时，此次左转向操作完成。

(4)如图10-d所示的时刻，当机器人将准备进行收缩复原，机器人左前部单臂体节切换至水平态，以起到前进作用；左后部、右后部和右前部的单臂体节切换至垂直态，以起到支撑作用。

(5)如图10-e所示的时刻，在伸缩电推杆体节、左前部、右前部单臂体节的共同作用下，机器人进行收缩运动，当机器人达到完全收缩态时，此次收缩操作完成。

(6)如图10-f所示的时刻，在完成一轮伸长与收缩操作后，机器人各体节均恢复原状，若要进行更大角度的转向操作，重复(1)至(5)即可。

接下来，将介绍海底地层空间布缆机器人的具体应用方法。

1、在船上将供能控制线缆连接到机器人尾端的接头端子上，用于对机器人的电机供电并传送控制信号；将拟布放的线缆固定在机器人尾端的锁扣机构中。

2、利用船上另外配置的释放器，将机器人整体压入海底地层内。

3、在船上利用控制器对机器人进行控制，使其执行前进与转向的操作。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种海底地层空间布缆机器人，包括用作牵引工具的机器人主体结构，其尾端设有用于连接供能控制线缆的接头端子，以及用于挂接布放线缆的锁扣机构；其特征在于，该机器人主体结构包括：

一个伸缩电推杆体节，包括以开口端相对嵌装的两个防尘套筒，两者共同构成封闭的内部空腔；空腔内设有驱动电机和伸缩电推杆，能使两个防尘套筒沿轴向相对位移；在防尘套筒的两个封闭端分别设有连接器；

四个结构相同的前进支撑单臂体节；每个单臂体节均包括中空的单臂筒，其两端对称地由内向外依次布置转板支撑件、减速器、电机和连接法兰；单臂筒外部设有转板结构，后者具有沿轴对称布置的转板构件；

所述转板构件呈梳齿状或筛板状，与之配合地设有挡板；所述挡板是齿状挡板或筛孔挡板，能在驱动部件带动下发生位移，使齿间间隙或筛孔被遮挡；所述驱动部件是设于单臂筒腔体中的电推杆，挡板与电推杆相连，并能在电推杆带动下沿轴向位移，用于遮挡转板构件的齿间空隙或筛孔；所述挡板具有与转板构件相适应的结构和外形，并包覆在其外部；或者在转板构件的中间设有轴向的凹槽，挡板设于凹槽中；

所述四个单臂体节分为两组，每组以相邻端的连接法兰实现活动串接，并以各自外端的连接法兰与伸缩电推杆体节的连接器实现活动连接；两组串接单臂体节以伸缩电推杆体节为轴对称布置，使机器人主体结构整体呈菱形。

2.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，在垂直于对称轴的方向上，所述转板结构和挡板的横截面的外形大致呈菱形。

3.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，所述转板结构包括呈轴向对称布置的两个单体结构，单体结构的中心具有用于安装单臂筒的半圆槽且相对地实现安装，单体结构和单臂筒的两端均固定在转板支撑件上；或者，所述转板结构的轴向中心具有管状空腔，单臂筒套装在转板结构之中，转板结构或单臂筒的两端固定在转板支撑件上；或者，所述转板结构与单臂筒为一体式构造，其两端固定在转板支撑件上。

4.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，所述转板支撑件与减速器固定连接，减速器与电机的输出端相连，电机与连接法兰固定连接。

5.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，伸缩电推杆的两端与防尘套筒的端部相连。

6.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，所述两个防尘套筒之间为间隙配合，两者通过O形密封圈实现密封。

7.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，所述防尘套筒的两端分别设有两个连接器，两组单臂体节的连接法兰分别与其同侧的连接器相连。

8.根据权利要求1所述的海底地层空间布缆机器人，其特征在于，所述连接器和连接法兰上分别设有通孔，连接器和连接法兰之间、连接法兰和连接法兰之间以通孔相对并由销钉实现安装。

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