CN117141686A - 一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人及其工作方法，水下机器人包括依次连接的头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节，其中，头部关节包括头部外壳、前视声纳、负压吸附机构、二自由度胸鳍机构、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳内设置有前视声纳，头部外壳底部设置有负压吸附机构，头部外壳内设置有被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳两侧设置有二自由度胸鳍机构，头部外壳另一端连接有中间关节。本发明实现了多源能量俘获与运动驱控的一体化协同，既能够捕获海洋能给水下机器人供电，又能够控制水下机器人运动，突破能源供给对水下机器人续航和工作时间的限制。

Description

一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人及其工作方法，属于水下机器人技术领域。

背景技术

水下机器人是有效保障海洋资源开发和科学考察活动的关键装备，目前大部分基于螺旋桨推进和仿生原理推进的无缆水下机器人，能量的主要来源为内部携带的电池系统，而通过电机驱动螺旋桨推进器旋转推进或者仿生机构不间断摆动，往往耗能较快，现有的电池容量不足以支撑水下机器人长效供能与作业。

海洋新能源是实现水下机器人长自持运维的重要突破口，因此备受关注。近年来，一些利用海洋能发电装置给水下机器人供电的新颖想法陆续被提出，中国专利文件CN115571263B公开了一种海洋观测波浪能滑翔机，依靠清洁、可再生的波浪能作为前进航行的动力源，以克服设备携带能源有限的不足；中国专利文件CN110371277B公开了一种深海装备浮力调节系统及其工作方法，该系统利用海水的压力能发出电能为深海装备供电，延长装备工作时间；中国专利文件CN113548146B公开了一种基于潮流能的自供能水下机器人，该装置能够通过控制叶轮的伸展和收纳实现潮流能的利用，同时确保了水下机器人航行时不受影响。但是，海洋作业任务复杂性日益增加，水下机器人需具备长航时、多工况、大范围作业的能力，而能源供给水平直接决定水下机器人的续航和作业能力，单一能种难以满足水下机器人的供电需求，因此，亟需一种解决此问题的技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人，采用海洋表层波浪能、深海海流能、剖面压差能三种绿色能源为水下机器人供能，利用扁平细长的鳗鱼结构易捕能的优势，设计具有波浪能、海流能、压差能捕获能力的仿生多关节水下机器人，实现多源能量俘获与运动驱控的一体化协同，既能够捕获海洋能给水下机器人供电，又能够控制水下机器人运动，突破能源供给对水下机器人续航和工作时间的限制。

本发明还提供上述能够俘获多种海洋能源的水下机器人的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人，包括依次连接的头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节，其中，

头部关节包括头部外壳、前视声纳、负压吸附机构、控制系统、二自由度胸鳍机构、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳一端为锥形，锥形头部外壳内设置有前视声纳，头部外壳底部设置有负压吸附机构，头部外壳内设置有控制系统、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳两侧设置有二自由度胸鳍机构，头部外壳另一端连接有中间关节，前视声纳、负压吸附机构、二自由度胸鳍机构、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳均连接有控制系统。控制系统通过天线实现与水面船只的数据互传。

根据本发明优选的，负压吸附机构包括离心泵、旋转电机、负压仓、转轴、固定卡扣和吸盘，离心泵设置于头部外壳内，离心泵出水管延伸至头部外壳外侧，离心泵进水管连接有设置于头部外壳外侧的负压仓，负压仓通过空腔的转轴连接有吸盘，吸盘另一侧连接有固定于头部外壳的旋转电机输出轴，旋转电机输出轴和转轴与吸盘的连接处分别设置有矩形块状的固定卡扣，对吸盘的旋转范围进行限位。旋转电机带动吸盘沿转轴转动调节角度，离心泵配合负压仓吸负压，通过吸盘控制水下机器人主动吸附于海底结构物。

根据本发明优选的，二自由度胸鳍机构包括左胸鳍机构和右胸鳍机构，左胸鳍机构和右胸鳍机构结构相同，左胸鳍机构通过舵机固定板连接有右胸鳍机构，左胸鳍机构包括第一胸鳍舵机、舵机连接板、第二胸鳍舵机和胸鳍摆动板，第一胸鳍舵机输出轴上设置有胸鳍摆动板，第一胸鳍舵机通过舵机连接板连接有第二胸鳍舵机，第二胸鳍舵机固定于舵机固定板，舵机固定板固定于头部外壳内，胸鳍摆动板设置于头部外壳外部，第一胸鳍舵机、舵机连接板和第二胸鳍舵机设置于头部外壳内部。二自由度胸鳍机构提供俯仰和滚转两个自由度，可以辅助水下机器人调整运动姿态或者抑制水下机器人的随波漂移，为其提供虚拟约束。

根据本发明优选的，被动旋转叶轮潮流能俘获机构包括发电机、伸缩调浆机构和被动旋转叶轮，发电机固定于头部外壳内，发电机通过伸缩调浆机构连接有被动旋转叶轮，伸缩调桨机构可以将被动旋转叶轮伸出头部外壳外，深海海流能使被动旋转叶轮旋转做功，进而使海流能转化为机械能，发电机又使机械能转化为电能，被动旋转叶轮潮流能俘获机构配合负压吸附机构自适应调节对流方向可实现俘获海流能辅助供电。本发明的伸缩调桨机构主要功能为控制被动旋转叶轮的伸出和缩回，配合发电机和被动旋转叶轮实现海流能捕获发电，伸缩调桨机构采用中国专利文件CN110775858B公开的一种单缸齿轮齿条多级伸缩机构，采用两级伸缩机构，内部采用小型直线电机为驱动装置，第一节伸缩臂直接连接驱动装置，第二节伸缩臂连接被动旋转叶轮，实现伸缩可调。

根据本发明优选的，中间关节包括中间外壳和重心调节机构，中间外壳内设置有重心调节机构，重心调节机构连接有控制系统，中间外壳一端通过二自由度关节机构连接有头部关节，另一端通过二自由度关节机构连接有浮力调节关节。重心调节机构为现有机构，由小型丝杆电机滑台和配重块组成，配重块固定在丝杆电机滑台的移动滑台上，随着电机驱动滑台运动，固定在其上的配重会改变与机体的相对位置从而调节重心。中国专利文件CN115871903B和中国专利文件CN115071933A公开的水下机器人均采用该种机构来调节装置重心。

根据本发明优选的，浮力调节关节包括浮力调节外壳、浮力油囊、蓄能器、三位四通电液阀和增压缸，浮力调节外壳与中间外壳连接的二自由度关节机构上设置有浮力油囊，浮力油囊通过三位四通电液阀连接有蓄能器，增压缸两端分别连接有三位四通电液阀和浮力外油囊，蓄能器、三位四通电液阀和增压缸组成浮力调节机构，蓄能器、三位四通电液阀和增压缸均连接有控制系统。

浮力调节机构中的三位四通电液阀控制蓄能器向浮力油囊充油或吸油，使其膨胀或收缩。蓄能器向浮力油囊充油使其膨胀，水下机器人排水体积增大，浮力大于重力，机器人执行上浮动作；蓄能器从浮力油囊吸油，使油囊缩小，重力大于浮力，机器人执行下潜动作，随着下潜深度增加，当环境压力大于液压蓄能器压力时，增压缸起到增压作用，增大蓄能器内油液的作用面积，提高输出作用力，实现低能耗有效浮力驱动；当浮力与重力平衡时，机器人悬停。

根据本发明优选的，尾部关节包括尾部外壳和水听器，尾部外壳内设置有水听器，尾部外壳通过二自由度关节机构连接有浮力调节关节，水听器连接有控制系统。

根据本发明优选的，二自由度关节机构包括前自由度关节和后自由度关节，前自由度关节和后自由度关节结构相同，前自由度关节包括关节间连接块、前异型固定块A、前异型固定块B、固定基座、发电-电动一体机A、直齿轮、双联齿轮和半齿轮，关节间连接块一侧设置有固定基座、前异型固定块A和前异型固定块B，固定基座为C型座，固定基座内设置有发电-电动一体机A，发电-电动一体机A输出轴上设置有直齿轮，直齿轮通过双联齿轮连接有半齿轮，双联齿轮和半齿轮分别通过齿轮轴A和齿轮轴B设置于固定基座内，前自由度关节和后自由度关节的齿轮轴B交错90°连接，前自由度关节和后自由度关节外侧设置有橡胶套。

当水下机器人主动运动时，发电-电动一体机A为电动机模式，主动驱动关节绕两半齿轮转轴旋转，使水下机器人可模仿鳗鲡型鱼类一样游动；当水下机器人浮到水面时，发电-电动一体机A为发电机模式，利用波浪能发电，二自由度关节在水平和竖直方向都可以有相对运动，当海浪经过时，水下机器人的各个体段就会随着波浪上下起伏，关节处的上下运动与侧向运动通过齿轮传动会使发电机转轴转动从而发电。

根据本发明优选的，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节内均设置有浮体材料。

海洋能俘获与应用过程的运维方案，针对波浪能俘获过程，一方面通过调整二自由度胸鳍机构控制水下机器人在海洋表面随波漂移的运动轨迹，实现虚拟约束；另一方面通过控制水下机器人的滑翔下潜轨迹，使水下机器人主动归位，实现接续作业。针对海流能俘获过程，负压吸附机构通过吸附在海底结构体上，调节机体的对流方向和横滚角，降低流体阻力，提高吸附可靠性，配合海流能俘获机构实现能源转换。针对压差能俘获过程，利用浮力调节机构调节与海水直接接触的浮力油囊的体积，使水下机器人所受浮力发生变化，产生辅助推动水下机器人上浮或下潜的驱动力，同时，当蓄能器内的压差能对外做功时，通过增大蓄能器内油液的作用面积，提高作用力，实现低能耗有效浮力驱动，在深海环境压力大于蓄能器压力的情况下起到增压作用，增大蓄能器内油液的作用面积，提高输出的作用力。整个液压回路通过蓄能器控制液压油被吸入和排出浮力外油囊，从而改变其排水体积，利用压差能对外做功，进而实现低能耗有效浮力驱动。水下机器人通过分别捕获海洋表层波浪能、深海海流能、剖面压差能多种海洋能源，实现自主供电和长效作业，系统的各个捕能装置彼此可独立运维，降低了捕能环节对水下机器人性能的影响，提高供能效果。

上述能够俘获多种海洋能源的水下机器人的工作方法，步骤如下：

(1)当水下机器人横躺在海面时，在波浪激励下，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节之间发生相对运动，驱动二自由度关节机构的半齿轮运动，从动带动发电电动机A发电，将波浪能转换为电能，在波浪供能过程中，水下机器人通过二自由度胸鳍机构的摆动角度实现低能耗虚拟约束，提高波浪能俘获效果，并抑制水下机器人的随波漂移；

(2)海流能俘能过程，水下机器人的头部关节通过负压吸附机构吸附于水下固定物，离心泵抽取吸盘与海底固定物之间的液体，使吸盘与海底固定物之间产生吸力，旋转电机驱动转轴旋转，进而带动吸盘旋转调节角度，适应海流方向，然后伸缩调桨机构将被动旋转叶轮移出至头部关节外，利用深海海流带动被动旋转叶轮做功，将海流能转化为机械能，进而通过发电机转化为电能，实现海流能发电；

(3)压差能俘能过程，水下机器人下潜，下潜过程中，通过机载CTD传感器监测水深，通过侧扫声纳和前视声纳对海底复杂构造区域进行探测，水下机器人在下潜过程中处于微负浮力状态，机体加速下潜，当达到指定水深时，随着海水密度增大，机体受到的浮力增加，机体中性悬浮，此时开启浮力调节机构中的三位四通电液阀，利用深层海水与表层海水之间的压力差使浮力油囊收缩俘获压差能，并将压差能以高压液压油的方式存储于蓄能器中，当利用蓄能器中的压差能时，通过增压缸增大蓄能器中液压油的作用面积成倍放大输出力，实现所蓄积压差能在深海高压环境下的有效做功。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用海洋表层波浪能、深海海流能、剖面压差能三种绿色能源为水下机器人供能，利用扁平细长的鳗鱼结构易捕能的优势，设计具有波浪能、海流能、压差能捕获能力的仿生多关节水下机器人，实现多源能量俘获与运动驱控的一体化协同，既能够捕获海洋能给水下机器人供电，又能够控制水下机器人运动，突破能源供给对水下机器人续航和工作时间的限制。

2、本发明的水下机器人融合了多源俘能能力与灵活机动能力，能够执行海洋立体综合调查任务，为构建面向海洋综合调查任务的水下机器人多源供能可靠运维机制，以及海洋能源在复杂作业场景中的实际应用奠定基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的头部关节结构示意图；

图3为本发明的尾部关节结构示意图

图4为本发明的负压吸附机构结构示意图；

图5为本发明的二自由度胸鳍机构结构示意图；

图6为本发明的被动旋转叶轮潮流能俘获机构；

图7为本发明的二自由度关节机构结构示意图；

图8为本发明的运维方案示意图；

图9为本发明浮力调节机构的蓄能器工作回路示意图；

图10为本发明的工作状态示意图；

其中：1-前视声纳；2-负压吸附机构，3-控制系统，4-二自由度胸鳍机构，5-被动旋转叶轮潮流能俘获机构，6-CTD传感器，7-侧扫声纳，8-二自由度关节机构，9-重心调节机构，10-浮力油囊，11-浮力调节机构，12-水听器，13-浮体材料，14-尾部外壳，15-头部关节，16-中间关节，17-浮力调节关节，18-尾部关节；

201-离心泵，202-负压仓，203-转轴，204-固定卡扣，205-吸盘；206-旋转电机；

401-第一胸鳍舵机，402-舵机连接板，403-舵机固定板，404-胸鳍摆动板，405-第二胸鳍舵机；

501-发电机，502-伸缩调桨机构，503-被动旋转叶轮；

801-关节间连接块，802-前异型固定块A，803-前异型固定块B，804-直齿轮，805-发电-电动一体机A，806-齿轮轴A，807-双联齿轮，808-半齿轮，809-齿轮轴B，810-橡胶套，811-固定基座，812-发电-电动一体机B，813-后异型固定块A，814-后异型固定块B；

1101-蓄能器，1102-三位四通电液阀，1103-增压缸。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-7所示，本实施例提供一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人，包括依次连接的头部关节15、中间关节16、浮力调节关节17和尾部关节18，其中，

头部关节包括头部外壳、前视声纳1、负压吸附机构2、控制系统3、二自由度胸鳍机构4、被动旋转叶轮潮流能俘获机构5、CTD传感器6和侧扫声纳7，头部外壳一端为锥形，锥形头部外壳内设置有前视声纳1，头部外壳底部设置有负压吸附机构2，头部外壳内设置有控制系统3、被动旋转叶轮潮流能俘获机构5、CTD传感器6和侧扫声纳7，头部外壳两侧设置有二自由度胸鳍机构4，头部外壳另一端连接有中间关节16，前视声纳1、负压吸附机构2、二自由度胸鳍机构4、被动旋转叶轮潮流能俘获机构5、CTD传感器6和侧扫声纳7均连接有控制系统。控制系统通过天线实现与水面船只的数据互传，控制系统还连接有蓄电池，用于存储俘获电能。

负压吸附机构2包括离心泵201、旋转电机206、负压仓202、转轴203、固定卡扣204和吸盘205，离心泵201设置于头部外壳内，离心泵201出水管延伸至头部外壳外侧，离心泵201进水管连接有设置于头部外壳外侧的负压仓202，负压仓202通过空腔的转轴203连接有吸盘205，吸盘205另一侧连接有固定于头部外壳的旋转电机206输出轴，旋转电机输出轴和转轴203与吸盘205的连接处分别设置有矩形块状的固定卡扣204，对吸盘的旋转范围进行限位。旋转电机带动吸盘沿转轴转动调节角度，离心泵配合负压仓吸负压，通过吸盘控制水下机器人主动吸附于海底结构物。

二自由度胸鳍机构4包括左胸鳍机构和右胸鳍机构，左胸鳍机构和右胸鳍机构结构相同，左胸鳍机构通过舵机固定板403连接有右胸鳍机构，左胸鳍机构包括第一胸鳍舵机401、舵机连接板402、第二胸鳍舵机405和胸鳍摆动板404，第一胸鳍舵机401输出轴上设置有胸鳍摆动板404，第一胸鳍舵机401通过舵机连接板402连接有第二胸鳍舵机405，第二胸鳍舵机405固定于舵机固定板403，舵机固定板403固定于头部外壳内，胸鳍摆动板404设置于头部外壳外部，第一胸鳍舵机401、舵机连接板和第二胸鳍舵机405设置于头部外壳内部。二自由度胸鳍机构提供俯仰和滚转两个自由度，可以辅助水下机器人调整运动姿态或者抑制水下机器人的随波漂移，为其提供虚拟约束。

被动旋转叶轮潮流能俘获机构5包括发电机501、伸缩调浆机构502和被动旋转叶轮503，发电机501固定于头部外壳内，发电机501通过伸缩调浆机构502连接有被动旋转叶轮503，伸缩调桨机构可以将被动旋转叶轮伸出头部外壳外，深海海流能使被动旋转叶轮旋转做功，进而使海流能转化为机械能，发电机又使机械能转化为电能，被动旋转叶轮潮流能俘获机构配合负压吸附机构自适应调节对流方向可实现俘获海流能辅助供电。本发明的伸缩调桨机构主要功能为控制被动旋转叶轮的伸出和缩回，配合发电机和被动旋转叶轮实现海流能捕获发电，伸缩调桨机构采用中国专利文件CN110775858B公开的一种单缸齿轮齿条多级伸缩机构，采用两级伸缩机构，内部采用小型直线电机(图中未示出)为驱动装置，第一节伸缩臂直接连接驱动装置，第二节伸缩臂连接被动旋转叶轮，实现伸缩可调。

中间关节16包括中间外壳和重心调节机构9，中间外壳内设置有重心调节机构9，重心调节机构9连接有控制系统，中间外壳一端通过二自由度关节机构8连接有头部关节15，另一端通过二自由度关节机构8连接有浮力调节关节17。重心调节机构为现有机构，由小型丝杆电机滑台和配重块组成，配重块固定在丝杆电机滑台的移动滑台上，随着电机驱动滑台运动，固定在其上的配重会改变与机体的相对位置从而调节重心。中国专利文件CN115871903B和中国专利文件CN115071933A公开的水下机器人均采用该种机构来调节装置重心。

浮力调节关节17包括浮力调节外壳、浮力油囊10、蓄能器1101、三位四通电液阀1102和增压缸1103，浮力调节外壳与中间外壳连接的二自由度关节机构上设置有浮力油囊10，浮力油囊10通过三位四通电液阀1102连接有蓄能器1101，增压缸1103两端分别连接有三位四通电液阀1102和浮力外油囊10，蓄能器1101、三位四通电液阀1102和增压缸1103组成浮力调节机构11，蓄能器1101、三位四通电液阀1102和增压缸1103均连接有控制系统。

浮力调节机构中的三位四通电液阀控制蓄能器向浮力油囊充油或吸油，使其膨胀或收缩。蓄能器向浮力油囊充油使其膨胀，水下机器人排水体积增大，浮力大于重力，机器人执行上浮动作；蓄能器从浮力油囊吸油，使油囊缩小，重力大于浮力，机器人执行下潜动作，随着下潜深度增加，当环境压力大于液压蓄能器压力时，增压缸起到增压作用，增大蓄能器内油液的作用面积，提高输出作用力，实现低能耗有效浮力驱动；当浮力与重力平衡时，机器人悬停。

尾部关节18包括尾部外壳14和水听器12，尾部外壳内设置有水听器，尾部外壳通过二自由度关节机构8连接有浮力调节关节，水听器12连接有控制系统。

二自由度关节机构8包括前自由度关节和后自由度关节，前自由度关节包括关节间连接块801、前异型固定块A802、前异型固定块B803、固定基座811、发电-电动一体机A805、直齿轮804、双联齿轮807和半齿轮808，关节间连接块801一侧设置有固定基座811、前异型固定块A802和前异型固定块B803，固定基座811为C型座，固定基座811内设置有发电-电动一体机A805，发电-电动一体机A805输出轴上设置有直齿轮804，直齿轮804通过双联齿轮807连接有半齿轮808，双联齿轮807和半齿轮808分别通过齿轮轴A806和齿轮轴B809设置于固定基座811内，前自由度关节和后自由度关节结构相同，后自由度关节包括发电-电动一体机B812、后异型固定块A813、后异型固定块B814等部件，前自由度关节和后自由度关节的齿轮轴B交错90°连接，前自由度关节和后自由度关节外侧设置有橡胶套810，

当水下机器人主动运动时，发电-电动一体机A为电动机模式，主动驱动关节绕两半齿轮转轴旋转，使水下机器人可模仿鳗鲡型鱼类一样游动；当水下机器人浮到水面时，发电-电动一体机A为发电机模式，利用波浪能发电，二自由度关节在水平和竖直方向都可以有相对运动，当海浪经过时，水下机器人的各个体段就会随着波浪上下起伏，关节处的上下运动与侧向运动通过齿轮传动会使发电机转轴转动从而发电。

海洋能俘获与应用过程的运维方案如图8所示，针对波浪能俘获过程，一方面通过调整二自由度胸鳍机构控制水下机器人在海洋表面随波漂移的运动轨迹，实现虚拟约束；另一方面通过控制水下机器人的滑翔下潜轨迹，使水下机器人主动归位，实现接续作业。针对海流能俘获过程，负压吸附机构通过吸附在海底结构体上，调节机体的对流方向和横滚角，降低流体阻力，提高吸附可靠性，配合海流能俘获机构实现能源转换。针对压差能俘获过程，利用浮力调节机构调节与海水直接接触的浮力油囊的体积，使水下机器人所受浮力发生变化，产生辅助推动水下机器人上浮或下潜的驱动力，同时，当蓄能器内的压差能对外做功时，通过增大蓄能器内油液的作用面积，提高作用力，实现低能耗有效浮力驱动，在深海环境压力大于蓄能器压力的情况下起到增压作用，增大蓄能器内油液的作用面积，提高输出的作用力。整个液压回路通过蓄能器控制液压油被吸入和排出浮力外油囊，从而改变其排水体积，利用压差能对外做功，进而实现低能耗有效浮力驱动。水下机器人通过分别捕获海洋表层波浪能、深海海流能、剖面压差能多种海洋能源，实现自主供电和长效作业，系统的各个捕能装置彼此可独立运维，降低了捕能环节对水下机器人性能的影响，提高供能效果。

上述能够俘获多种海洋能源的水下机器人的工作方法，如图10所示，以波浪能作为主要供能方式，以浅层海水与深层海水之间的压力差所蕴含的压差能、机体与海水相对运动中所蕴含的海流能作为补充供能方式，具体步骤如下：

(1)当水下机器人横躺在海面时，在波浪激励下，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节之间发生相对运动，驱动二自由度关节机构的半齿轮运动，从动带动发电电动机A发电，将波浪能转换为电能，在波浪供能过程中，水下机器人通过二自由度胸鳍机构的摆动角度实现低能耗虚拟约束，提高波浪能俘获效果，并抑制水下机器人的随波漂移；

(2)海流能俘能过程，水下机器人的头部关节通过负压吸附机构吸附于水下固定物，离心泵抽取吸盘与海底固定物之间的液体，使吸盘与海底固定物之间产生吸力，旋转电机驱动转轴旋转，进而带动吸盘旋转调节角度，适应海流方向，然后伸缩调桨机构将被动旋转叶轮移出至头部关节外，利用深海海流带动被动旋转叶轮做功，将海流能转化为机械能，进而通过发电机转化为电能，实现海流能发电；

(3)压差能俘能过程，水下机器人下潜，下潜过程中，通过机载CTD传感器监测水深，通过侧扫声纳和前视声纳对海底复杂构造区域进行探测，水下机器人在下潜过程中处于微负浮力状态，机体加速下潜，当达到指定水深时，随着海水密度增大，机体受到的浮力增加，机体中性悬浮，此时开启浮力调节机构中的三位四通电液阀，利用深层海水与表层海水之间的压力差使浮力油囊收缩俘获压差能，并将压差能以高压液压油的方式存储于蓄能器中，当利用蓄能器中的压差能时，通过增压缸增大蓄能器中液压油的作用面积成倍放大输出力，实现所蓄积压差能在深海高压环境下的有效做功。

实施例2：

一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人，结构如实施例1所述，不同之处在于，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节内均设置有浮体材料13。

本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，包括依次连接的头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节，其中，

头部关节包括头部外壳、前视声纳、负压吸附机构、控制系统、二自由度胸鳍机构、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳一端为锥形，锥形头部外壳内设置有前视声纳，头部外壳底部设置有负压吸附机构，头部外壳内设置有控制系统、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳，头部外壳两侧设置有二自由度胸鳍机构，头部外壳另一端连接有中间关节，前视声纳、负压吸附机构、二自由度胸鳍机构、被动旋转叶轮潮流能俘获机构、CTD传感器和侧扫声纳均连接有控制系统。

2.如权利要求1所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，负压吸附机构包括离心泵、旋转电机、负压仓、转轴、固定卡扣和吸盘，离心泵设置于头部外壳内，离心泵出水管延伸至头部外壳外侧，离心泵进水管连接有设置于头部外壳外侧的负压仓，负压仓通过空腔的转轴连接有吸盘，吸盘另一侧连接有固定于头部外壳的旋转电机输出轴，旋转电机输出轴和转轴与吸盘的连接处分别设置有矩形块状的固定卡扣，对吸盘的旋转范围进行限位。

3.如权利要求2所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，二自由度胸鳍机构包括左胸鳍机构和右胸鳍机构，左胸鳍机构和右胸鳍机构结构相同，左胸鳍机构通过舵机固定板连接有右胸鳍机构，左胸鳍机构包括第一胸鳍舵机、舵机连接板、第二胸鳍舵机和胸鳍摆动板，第一胸鳍舵机输出轴上设置有胸鳍摆动板，第一胸鳍舵机通过舵机连接板连接有第二胸鳍舵机，第二胸鳍舵机固定于舵机固定板，舵机固定板固定于头部外壳内，胸鳍摆动板设置于头部外壳外部，第一胸鳍舵机、舵机连接板和第二胸鳍舵机设置于头部外壳内部。

4.如权利要求3所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，被动旋转叶轮潮流能俘获机构包括发电机、伸缩调浆机构和被动旋转叶轮，发电机固定于头部外壳内，发电机通过伸缩调浆机构连接有被动旋转叶轮。

5.如权利要求4所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，中间关节包括中间外壳和重心调节机构，中间外壳内设置有重心调节机构，重心调节机构连接有控制系统，中间外壳一端通过二自由度关节机构连接有头部关节，另一端通过二自由度关节机构连接有浮力调节关节。

6.如权利要求5所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，浮力调节关节包括浮力调节外壳、浮力油囊、蓄能器、三位四通电液阀和增压缸，浮力调节外壳与中间外壳连接的二自由度关节机构上设置有浮力油囊，浮力油囊通过三位四通电液阀连接有蓄能器，增压缸两端分别连接有三位四通电液阀和浮力外油囊，蓄能器、三位四通电液阀和增压缸组成浮力调节机构，蓄能器、三位四通电液阀和增压缸均连接有控制系统。

7.如权利要求6所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，尾部关节包括尾部外壳和水听器，尾部外壳内设置有水听器，尾部外壳通过二自由度关节机构连接有浮力调节关节，水听器连接有控制系统。

8.如权利要求7所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，二自由度关节机构包括前自由度关节和后自由度关节，前自由度关节和后自由度关节结构相同，前自由度关节包括关节间连接块、前异型固定块A、前异型固定块B、固定基座、发电-电动一体机A、直齿轮、双联齿轮和半齿轮，关节间连接块一侧设置有固定基座、前异型固定块A和前异型固定块B，固定基座为C型座，固定基座内设置有发电-电动一体机A，发电-电动一体机A输出轴上设置有直齿轮，直齿轮通过双联齿轮连接有半齿轮，双联齿轮和半齿轮分别通过齿轮轴A和齿轮轴B设置于固定基座内，前自由度关节和后自由度关节的齿轮轴B交错90°连接，前自由度关节和后自由度关节外侧设置有橡胶套。

9.如权利要求1所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人，其特征在于，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节内均设置有浮体材料。

10.如权利要求8所述的能够俘获多种海洋能源的水下机器人的工作方法，其特征在于，步骤如下：

(1)当水下机器人横躺在海面时，在波浪激励下，头部关节、中间关节、浮力调节关节和尾部关节之间发生相对运动，驱动二自由度关节机构的半齿轮运动，从动带动发电电动机A发电，将波浪能转换为电能，在波浪供能过程中，水下机器人通过二自由度胸鳍机构的摆动角度实现低能耗虚拟约束；

(2)海流能俘能过程，水下机器人的头部关节通过负压吸附机构吸附于水下固定物，离心泵抽取吸盘与海底固定物之间的液体，使吸盘与海底固定物之间产生吸力，旋转电机驱动转轴旋转，进而带动吸盘旋转调节角度，适应海流方向，然后伸缩调桨机构将被动旋转叶轮移出至头部关节外，利用深海海流带动被动旋转叶轮做功，将海流能转化为机械能，进而通过发电机转化为电能，实现海流能发电；

(3)压差能俘能过程，水下机器人下潜，下潜过程中，通过机载CTD传感器监测水深，通过侧扫声纳和前视声纳对海底复杂构造区域进行探测，水下机器人在下潜过程中处于微负浮力状态，机体加速下潜，当达到指定水深时，随着海水密度增大，机体受到的浮力增加，机体中性悬浮，此时开启浮力调节机构中的三位四通电液阀，利用深层海水与表层海水之间的压力差使浮力油囊收缩俘获压差能，并将压差能以高压液压油的方式存储于蓄能器中，当利用蓄能器中的压差能时，通过增压缸增大蓄能器中液压油的作用面积成倍放大输出力，实现所蓄积压差能在深海高压环境下的有效做功。