CN218906814U - 一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，包括舱体、动力系统单元、一个浮力系统单元、第一气囊、供电装置和控制装置，动力系统单元对称设置在舱体的两侧，用于带动舱体运动，浮力系统单元和第一气囊均设置在舱体内腔，浮力系统单元与第一气囊相连通，用于带动舱体在水中上浮和下沉运动，供电装置和控制装置均设置在舱体的内侧，供电装置和控制装置之间电性连接和信号连接，解决现有机器人大多不能同时实现水陆两栖和多种用途，且现有的水下机器人的运动大多采用螺旋桨驱动，进而导致驱动效率低，转弯、上浮、下潜等运动灵活性差，噪音大，隐蔽性差、螺旋桨易被缠绕的问题。

Description

一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人。

背景技术

目前机器人有多种类型和型号，一般分为水下机器人和陆地机器人，现有的水下机器人运动大多采用螺旋桨驱动，驱动效率低，转弯、上浮、下潜等运动灵活性差，噪音大，隐蔽性差、螺旋桨易被缠绕。

发明内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，能够解决现有机器人大多不能同时实现水陆两栖和多种用途，且现有的水下机器人运动大多采用螺旋桨驱动，驱动效率低，转弯、上浮、下潜等运动灵活性差，噪音大，隐蔽性差、螺旋桨易被缠绕的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，包括舱体、动力系统单元、一个浮力系统单元、第一气囊、供电装置和控制装置；

动力系统单元对称设置在舱体的两侧，用于带动舱体运动；

浮力系统单元和第一气囊均设置在舱体内腔，浮力系统单元与第一气囊相连通，用于带动舱体在水中上浮和下沉运动；

供电装置和控制装置均设置在舱体的内侧，供电装置和控制装置之间电性连接和信号连接，供电装置分别与动力系统单元和一个浮力系统单元电性连接，控制装置分别与动力系统单元和一个浮力系统单元信号连接。

可选的，动力系统单元包括第一连接组件、多个防水舵机、多个连接件、多个第二连接组件和柔性仿生鳍；

舱体的两侧对称安装第一连接组件，第一连接组件与舱体的前进方向平行设置，多个防水舵机均匀设置在第一连接组件上，防水舵机的输出端均安装连接件，连接件均通过第二连接组件与柔性仿生鳍相连接，以使防水舵机通过第二连接组件带动柔性仿生鳍摆动，供电装置与防水舵机电性连接，控制装置与防水舵机信号连接。

可选的，第一连接组件包括多个第一连接板、第一连接板骨架和多个第二连接板，第一连接板骨架与舱体前进方向平行，舱体的两侧均通过多个第一连接板与第一连接板骨架的一侧壁相连接，第一连接板骨架的另一侧壁设置有多个第二连接板，第二连接板固定连接防水舵机，第二连接板与防水舵机一一对应连接，多个防水舵机沿着舱体前进方向均匀排布在第一连接板骨架上，防水舵机的输出轴上均连接有连接件。

可选的，第二连接组件包括固定结构和夹持组件，固定结构与连接件相连接，固定结构与连接件一一对应，固定结构的一侧均转动安装夹持组件，夹持组件与固定结构一一对应连接，夹持组件与柔性仿生鳍相连接。

可选的，固定结构包括第一固定板、第三连接板、第四连接板和第一连接柱，夹持组件包括转动件和夹持件；

第一固定板的一侧均与连接件相连接，第一固定板的另一侧壁安装第三连接板，第三连接板与第四连接板相连接，第三连接板和第四连接板相接触侧壁均设置有半球孔，且第三连接板上的半球孔和第四连接板上的半球孔形成球孔，第四连接板的一侧壁连接第一连接柱，第一连接柱内设置有圆柱孔，其中，圆柱孔的中心线与半球孔的中心共线，且圆柱孔与第四连接板上的半球孔相连通；

转动件的一端的为球形体，转动件的另一端与夹持件相连接，转动件一端的球形体与球孔转动连接，夹持件的另一端与柔性仿生鳍相连接。

可选的，舱体包括密封舱和浸水舱，密封舱位于浸水舱下方，密封舱内安装第一气囊，浮力系统单元的一部分设置在密封舱内，浮力系统单元的另一部分包括一个第二气囊，其中，第二气囊设置在浸水舱中央，浮力系统单元的一部分和浮力系统单元的另一部分相连通。

可选的，浮力系统单元的一部分包括气泵、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀、单向节流调速阀、溢流调压阀和管路，浮力系统单元的另一部分包括一个第二气囊；

第一气囊与气泵之间、气泵和第一电磁换向阀之间、第一电磁换向阀与第二气囊之间、第二气囊与第二电磁换向阀之间、第二电磁换向阀与单向节流调速阀之间、单向节流调速阀与第一气囊之间、第一气囊与溢流调压阀之间、溢流调压阀与第二气囊之间均采用管路连通，其中，管路穿过密封舱与位于浸水舱的第二气囊相连通，供电装置分别与气泵、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀之间电性连接，控制装置分别与气泵、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀之间信号连接。

可选的，密封舱包括密封舱壳体和密封舱盖，密封舱盖与密封舱壳体之间密封连接，浸水舱为非密封结构，设有进出水孔，浸水舱与密封舱外设置有整体外壳，整体外壳包裹在浸水舱与密封舱的左右侧面、上侧面和前后侧面，整体外壳为非密封状态。

可选的，密封舱的外表面和浸水舱的外表面均设置有多个声呐传感器，浸水舱的前表面设置有防水摄像机。

有益效果

本实用新型的实施例中所提供的一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，通过舱体两侧的动力系统单元带动舱体在水中或者陆地上运动，通过安装在舱体中轴线中央处的第二气囊，带动舱体可以在水中进行上浮和下沉运动，进而解决现有机器人大多不能同时实现水陆两栖和多种用途，且现有的水下机器人的运动大多采用螺旋桨驱动，进而导致驱动效率低，转弯、上浮、下潜等运动灵活性差，噪音大，隐蔽性差、螺旋桨易被缠绕的问题。

本实用新型的优点：

(1)采用防水舵机驱动柔性仿生鳍做类正弦波运动的运动模式，可以实现机器人水陆两栖，实现能源高效率利用，实现低噪音、高隐蔽性运动，且不易被缠绕。

(2)采用由一个浮力系统单元组成的浮力系统，可以实现机器人下潜深度的高精度的调整，可以实现快速上浮和下沉，可以保证机器人能浮出水面。

(3)采用密封舱在下和浸水舱在上的组合配置方式，第二气囊位于浸水舱中央，可保证第二气囊充气和排气时机器人整体姿态稳定。

(4)采用常闭式两位两通电磁换向阀，可实现浮力系统的节能。

(5)采用简单的浮力系统，气体作为浮力调节介质，可减轻机器人的自重，减少能耗。且浮力系统自带溢流调压阀旁路，实现对浮力系统的保护。

附图说明

图1为本实用新型实施例的机器人的整体立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的机器人的仰视结构示意图；

图3为本实用新型实施例的去掉整体外壳的整体结构示意图；

图4为本实用新型实施例的浸水舱内部的结构示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)分别为本实用新型实施例的固定结构的整体结构示意图、固定结构状态一结构示意图、固定结构状态二结构示意图和夹持组件整体结构示意图；

图6为本实用新型实施例的柔性仿生鳍的整体结构示意图；

图7为本实用新型实施例的密封舱结构示意图；

图8为本实用新型实施例的舱体布局结构示意图；

图9为本实用新型实施例的第一连接组件的结构示意图；

图10为本实用新型实施例的浮力系统原理图。

附图标记表示为：

1、舱体；110、密封舱；111、密封舱壳体；112、密封舱盖；120、浸水舱；

2、动力系统单元；20、第一连接组件；201、第一连接板；202、第一连接板骨架；203、第二连接板；21、防水舵机；22、第二连接组件；221、固定结构；2211、第一固定板；2212、第四连接板；2213、第一连接柱；2214、第三连接板；222、夹持组件；2221、转动件；2222、夹持件；23、连接件；24、柔性仿生鳍；

3、浮力系统单元；30、第二气囊；31、气泵；32、第一电磁换向阀；33、第二电磁换向阀；34、单向节流调速阀；35、溢流调压阀；36、管路；

4、第一气囊；5、供电装置；6、控制装置；7、整体外壳；8、声呐传感器；9、防水摄像机。

具体实施方式

结合参见图1至图10所示，根据本实用新型的实施例，一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，请参照图1、图7、图8和图10，包括舱体1、动力系统单元2、一个浮力系统单元3、第一气囊4、供电装置5和控制装置6；动力系统单元2对称设置在舱体1的两侧，用于带动舱体1运动，且动力系统单元2与舱体1前行方向平行设置；浮力系统单元3和第一气囊4均设置在舱体1内腔，浮力系统单元3与第一气囊4相连通，用于带动舱体1在水中上浮和下沉运动；供电装置5和控制装置6均设置在舱体1的内侧，供电装置5和控制装置6之间电性连接和信号连接，供电装置5分别与动力系统单元2和一个浮力系统单元3电性连接，控制装置6分别与动力系统单元2和一个浮力系统单元3信号连接。本实用新型通过舱体1两侧的动力系统单元2带动舱体1在水中或者陆地上运动，通过安装在舱体1中轴线中央处的第二气囊30，带动舱体1可以在水中进行上浮和下沉运动，进而解决现有机器人大多不能同时实现水陆两栖和多种用途，且现有的水下机器人的的运动大多采用螺旋桨驱动，进而导致驱动效率低，转弯、上浮、下潜等运动灵活性差，噪音大，隐蔽性差、螺旋桨易被缠绕的问题。本实用新型在舱体1两侧的动力系统单元2为水陆两栖机器人提供动力，同时由于是采用柔性仿生鳍24，具备高的驱动效率和能源利用效率，具备高的转弯、上浮、下潜等运动灵活性，减小了水下运动的噪音，防缠绕，对周围环境扰动小。通过一个浮力系统单元3，进而实现舱体1在水中不会沉底，可以保证机器人能浮出水面，还会很容易的实现上浮和下沉运动，提高水下运动效率和速度。

请参照图8、图7、图3、图4，舱体1包括密封舱110和浸水舱120，密封舱110位于浸水舱120下方，密封舱110内安装第一气囊4，浮力系统单元3的一部分设置在密封舱110内，浮力系统单元3的另一部分包括一个第二气囊30，其中，第二气囊30设置在浸水舱120中央，浮力系统单元3的一部分和浮力系统单元3的另一部分相连通。请参照图7，密封舱110内设置有供电装置5和控制装置6，供电装置5用于给予机器人的动力系统单元2、一个浮力系统单元3和控制装置6充电，控制装置6是用于控制动力系统单元2、一个浮力系统单元3和供电装置5。

进一步的，供电装置5为锂电池，供电装置5是可以进行更换的，即便于更换和安装。控制装置6为集成控制器。

进一步的，控制装置6即集成控制器集成有陀螺仪姿态控制系统模块、导航控制系统模块、水声通信控制系统模块、无线电通信控制系统模块、浮力控制系统模块、动力控制系统模块、声呐控制系统模块、摄像控制系统模块。

进一步的，第一气囊4为密封舱气囊，第二气囊30为浸水舱气囊。

进一步的，舱体1内的下部设置为密封舱110，在密封舱110的上方设置为浸水舱120，其中，密封舱110包括密封舱壳体111和密封舱盖112，其中，密封舱壳体111和密封舱盖112及浸水舱120之间用螺栓螺母副固定连接，密封舱壳体111和密封舱盖112配合安装面上都有双密封槽，双密封槽中安装有密封垫，密封垫形状与双密封槽匹配。密封舱壳体111整体呈多面体，密封舱壳体111前方左右两侧有斜面，上方开口，开口一周设有第一外沿，此第一外沿与密封舱盖112配合安装面上都设有螺栓孔和双密封槽。

进一步的，密封舱盖112的外形与密封舱壳体111的外形匹配，配合面呈多边形，密封舱盖112上设置有多个管线孔口，用于穿过浮力系统的管线。密封舱壳体111的左右两侧面设有穿线管口，用于穿过动力系统的导线和信号线。所有的管线孔口和穿线管口都采用大口向外的圆锥孔，并在装配完成后采用防水胶密封。

进一步的，浸水舱120为非密封结构，其中，密封舱盖112上方配合安装有浸水舱120，浸水舱120主体结构呈多面体形，下方开口，并在下方开口一周设有第二外沿，此第二外沿与密封舱盖112配合安装面上都设有多个螺栓孔。浸水舱120的尾部表面开有进水孔，与外界相连。其中，浸水舱120与密封舱110外设置有整体外壳7，整体外壳7包裹在浸水舱120与密封舱110的左右侧面、上侧面和前后，整体外壳7为非密封状态。

进一步的，供电装置5和控制装置6安装在密封舱110内，且通过导线和信号线连接。

进一步的，多个声呐传感器8分布安装在密封舱壳体111的前侧、后侧及下侧、浸水舱的左侧与右侧。声呐传感器8为防水声呐传感器。其中，声呐系统由多个声呐传感器8、供电装置5以及控制装置6中的声呐控制系统模块组成。声呐传感器8、供电装置5、控制装置6之间由导线和信号线连接。

进一步的，浸水舱120的前表面设置有防水摄像机9，摄像系统由防水摄像机9、供电装置5以及控制装置6中的摄像控制系统模块组成。其中，防水摄像机9、供电装置5、控制装置6之间由导线和信号线连接。

进一步的，姿态控制系统由动力系统、浮力系统和控制装置6中的陀螺仪姿态控制系统模块和供电装置5组成。导航系统由控制装置6中导航控制系统模块和供电装置5组成。通讯控制系统由控制装置6中的水声通信控制系统模块、无线电通信控制系统模块、声呐传感器8和供电装置5组成，动力系统包括动力系统单元2、控制装置6中的动力控制系统模块和供电装置5，浮力系统包括一个浮力系统单元3、第一气囊4、控制装置6中的浮力控制系统模块和供电装置5。

进一步的，动力系统单元2是对称安装在密封舱壳体111的两侧，动力系统单元2的方向与舱体1前进的方向相同，实现通过动力系统单元2带动舱体1运动。

进一步的，浮力系统单元3的另一部分包括第二气囊30，其中第二气囊30设置在浸水舱120内，浮力系统单元3中的其余部分设置在密封舱110内，浮力系统单元3中的其余部分即浮力系统单元3中的一部分，用于实现舱体1在水中上浮和下沉运动。

请参照图1、图3和图9，动力系统单元2包括第一连接组件20、多个防水舵机21、多个连接件23、多个第二连接组件22和柔性仿生鳍24，密封舱110的两侧对称安装第一连接组件20，第一连接组件20与舱体1的前进方向平行设置，多个防水舵机21均匀设置在第一连接组件20上，防水舵机21的输出端均安装连接件23，连接件23均通过第二连接组件22与柔性仿生鳍24相连接，以使防水舵机21通过第二连接组件22带动柔性仿生鳍24摆动，供电装置5与防水舵机21电性连接，控制装置6与防水舵机21信号连接。第一连接组件20包括多个第一连接板201、第一连接板骨架202和多个第二连接板203。

进一步的，密封舱壳体111左右两侧面通过焊接、粘接或螺钉等连接方式与多个第一连接板201连接，其中，第一连接板201为动力系统连接板，根据实际使用进行选择连接方式。其中，第一连接板201的横截面呈矩形，第一连接板201通过焊接或粘接等连接方式与第一连接板骨架202连接，第一连接板骨架202与舱体1前进方向平行。第一连接板骨架202呈长条形，多个第一连接板201均匀分布在第一连接板骨架202的一侧。

进一步的，第一连接板骨架202另一侧通过螺纹紧固件与第二连接板203连接，其中，第二连接板203为舵机固定板，具体的连接方式根据实际使用进行选择。第二连接板203呈U形，通过螺纹连接方式固定防水舵机21，一个第二连接板203对应固定一个防水舵机21。防水舵机21为多个，且沿着第一连接板骨架202均匀并排设置，防水舵机21的输出轴上均连接有连接件23，通过螺钉与连接件23连接，带动连接件23以舵机输出轴的轴线为轴线进行摆动，舵机输出轴的连接件23呈U形。舵机输出轴的连接件23通过螺纹紧固件与第二连接组件22连接，其中，第二连接组件22为柔性仿生鳍24连接部件。防水舵机21、供电装置5、控制装置6之间有导线和信号线相连。

进一步的，柔性仿生鳍24采用特殊的柔性材质和工艺制造，具备柔性，也有一定的硬度，其硬度可以支撑起整个机器人陆地行走。

请参照图5，第二连接组件22包括多个固定结构221和夹持组件222，多个固定结构221均与连接件23相连接，固定结构221与连接件23一一对应，固定结构221的一侧均转动安装夹持组件222，夹持组件222与固定结构221一一对应连接，夹持组件222与柔性仿生鳍24相连接。固定结构221包括第一固定板2211和第三连接板2214、第四连接板2212和第一连接柱2213，第一固定板2211和第三连接板2214是一个零件，一体制成，第四连接板2212和第一连接柱2213是一个零件，一体制成，其中，第一固定板2211、第四连接板2212和第三连接板2214截面形状均是矩形形状。

进一步的，第一固定板2211与舵机输出轴的连接件23配合安装，通过螺纹连接，具体的连接方式根据实际使用进行选择。第一固定板2211上设有螺栓孔，其一侧设有圆柱形结构，圆柱形结构另一侧设有第三连接板2214，第三连接板2214上设置有螺栓孔，在第三连接板2214远离圆柱形结构的端面上设置有半球孔，即半球孔为安装孔。第四连接板2212与第三连接板2214相互接触配合连接，第四连接板2212连接配合面上同样设置有半球孔，第三连接板2214上的半球孔和第四连接板2212上的半球孔的尺寸相同，且第三连接板2214和第四连接板2212相配合后，第三连接板2214上的半球孔和第四连接板2212上的半球孔的中心重合，形成球孔，一个完整的球孔，即球形安装孔。

进一步的，第四连接板2212另一侧设有第一连接柱2213，第一连接柱2213内设有圆柱孔，圆柱孔的中心线和第四连接板2212上的半球孔的中心共线。便于夹持组件222穿过圆柱孔与形成的球孔相互转动连接。

夹持组件222包括转动件2221和夹持件2222，转动件2221的一端为球形体，转动件2221的另一端与夹持件2222相连接，转动件2221为球形体的一端的球形体与球孔转动连接，夹持件2222的另一端与柔性仿生鳍24相连接。

进一步的，转动件2221的一端部为球形结构，此球形结构与第三连接板2214和第四连接板2212构成的封闭球形孔配合安装。转动件2221的中间段为圆柱形结构，此圆柱形结构与第一连接柱2213内的圆柱孔配合安装。转动件2221的另一端为扁榫头，扁榫头整体呈长方体形。扁榫头上表面设有圆形的榫头销孔，此榫头销孔为通孔，用于与夹持件2222相连接。

进一步的，夹持件2222整体呈U形，夹持件2222靠近转动件2221的一侧壁上设置有U形夹榫孔，此U形夹榫孔呈矩形。用于将扁榫头插入到U形夹榫孔内，同时夹持件2222的端面上设置有同样的U形夹销孔，即与扁榫头销孔大小和尺寸一样，将扁榫头插入到U形夹榫孔内，通过U形夹销依次穿过U形夹销孔和榫头销孔，将夹持件2222和转动件2221相连接。

进一步的，夹持件2222另一端的上下表面设有U形夹螺栓孔，此孔为通孔。用于连接柔性仿生鳍24。夹持件2222采用铜基耐磨自润滑材料制造。

进一步的，请参照图6，柔性仿生鳍24呈柔软片状，自然状态下整体呈圆环形，安装侧设有螺栓安装孔。装配状态下夹持件2222通过螺栓螺母副将柔性仿生鳍24夹持安装。

请参照图4和图7、图10，一个浮力系统单元3的一部分包括气泵31、第一电磁换向阀32、第二电磁换向阀33、单向节流调速阀34、溢流调压阀35和管路36，浮力系统单元3的另一部分包括一个第二气囊30。

请参照图4和图7、图10，第一气囊4与气泵31之间、气泵31和第一电磁换向阀32之间、第一电磁换向阀32与第二气囊30之间、第二气囊30与第二电磁换向阀33之间、第二电磁换向阀33与单向节流调速阀34之间、单向节流调速阀34与第一气囊4之间、第二气囊30与溢流调压阀35之间、溢流调压阀35与第一气囊4之间均采用管路36连通，其中，管路36穿过密封舱110与位于浸水舱120的第二气囊30相连通，供电装置5分别与气泵31、第一电磁换向阀32、第二电磁换向阀33之间电性连接，控制装置6分别与气泵31、第一电磁换向阀32、第二电磁换向阀33之间信号连接。

进一步的，请参照图10，第二气囊30的进气端与第一电磁换向阀32以及气泵31串联连通，第二气囊30的出气端分别与第二电磁换向阀33和溢流调压阀35连通，第二电磁换向阀33的一端与单向节流调速阀34串联，溢流调压阀35与单向节流调速阀34的一端并联，即第二电磁换向阀33与单向节流调速阀34串联，溢流调压阀35并联在第二电磁换向阀33与单向节流调速阀34串联后的两端，单向节流调速阀34和溢流调压阀35都与气泵31的入口端相互连通，并共同与第一气囊4连通，进而实现第一气囊4和第二气囊30的相互配合下，通过驱动气体介质在第一气囊4和第二气囊30中的转移，带动舱体1在水中上浮和下沉。

进一步的，第一气囊4的的大小型号根据实际使用进行选择，气泵31和第一电磁换向阀32、第二电磁换向阀33都由供电装置5供电，并由控制装置6中浮力控制系统模块控制。

进一步的，第一电磁换向阀32为进气用常闭式两位两通电磁换向阀，第二电磁换向阀33为排气用常闭式两位两通电磁换向阀。

进一步的，管路36通过密封舱盖112上的管线孔进入，穿过密封舱盖112，与位于浸水舱120的第二气囊30连通。

进一步的，浮力系统介质可以是气体，也可以是轻质油。当介质是轻质油时，对应地，气泵31换成油泵即可。

本实用新型机器人的运动方式为：

1、动力系统单元2运动，即动力系统工作：

(1)当在水中运动时：

多个防水舵机21在控制装置6控制下，通过连接件23和第二连接组件22带动柔性仿生鳍24按照规律上下摆动，使柔性仿生鳍24做类正弦波动。防水舵机21的摆动角度和摆动速度可调，进而保证柔性仿生鳍24的摆动角度和摆动速度可调，以调节实现水陆两栖机器人在水中的前进、后退、抬头、低头、上升、下沉、转向、悬停等运动。其中，防水舵机21、供电装置5、控制装置6之间有导线和信号线相连，由供电装置5对防水舵机21供电，控制装置6控制防水舵机21输出轴的启停、正反转运动。

当需要水平前进时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行有相位差的摆动，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，对称同步运动，实现类正弦波摆动，在鳍面上形成了由前往后的类正弦推进波，即在水中产生行波，在鳍推进波推动流体向后运动的同时，利用水行波的反推动力推动柔性仿生鳍24和机器人前进。

当需要水平后退时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行与前进时相反相位差的摆动，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，对称同步运动，实现类正弦波摆动，可在水中产生行波，利用水的行波的推动力推动柔性仿生鳍24和机器人后退。

当需要转弯时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行不同幅度不同频率的有相位差的摆动，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，不对称不同步运动，实现类正弦波摆动，可在密封舱110左右两侧水中产生不对称行波，利用水的行波的推动力推动柔性仿生鳍24和机器人做转弯运动。

当需要实现向前抬头上升运动时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行有相位差的摆动，从前往后的摆动幅度递减，向下摆动比向上摆动的加速度更大，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，左右对称同步运动，实现类正弦波摆动，可在水中产生行波，利用水的行波的推动力推动柔性仿生鳍24向前抬头上升运动。

当需要实现向前低头下沉运动时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行有相位差的摆动，从前往后的摆动幅度递减，向上摆动比向下摆动的加速度更大，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，左右对称同步运动，实现类正弦波摆动，可在水中产生行波，利用水的行波的推动力推动柔性仿生鳍24向前低头下沉运动。

当需要实现机器人整体保持水平并沿竖直方向上浮时：

可由密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行没有相位差的同步摆动，向下摆动比向上摆动的加速度更大，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的同步驱动下，左右对称同步上下摆动，利用水的反推力推动柔性仿生鳍24实现机器人整体保持水平并竖直上浮。

当需要实现机器人整体保持水平并沿竖直方向下沉时：

可由密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下进行没有相位差的同步摆动，向上摆动比向下摆动的加速度更大，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的同步驱动下，左右对称同步上下摆动，利用水的反推力推动柔性仿生鳍24实现机器人整体保持水平并竖直下沉。

当需要实现静止或悬停时：

密封舱110左右两侧的防水舵机21在控制装置6控制下静止或做与整体运动方向相反的有相位差的摆动，柔性仿生鳍24在多个防水舵机21的串联驱动下，实现静止或做与整体运动方向相反的低频、小幅度类正弦波摆动可实现静止或悬停。

此外，机器人需要上浮运动时，可以通过控制装置6控制浮力系统运行，使密封舱110中的气泵31工作，并打开密封舱110中的第一电磁换向阀32通路，第二电磁换向阀33处于关闭状态，使密封舱110中的第一气囊4中的气体向浸水舱120中的第二气囊30充气，辅助实现机器人的上浮运动。

机器人需要下沉运动时，可以通过控制装置6控制浮力系统运行，使密封舱110中的气泵31停止工作，关闭密封舱110中的第一电磁换向阀32通路，同时打开密封舱110中的第二电磁换向阀33通路，利用外界水的压力，使浸水舱120中的第二气囊30中的气体排放到密封舱110中的第一气囊4中，辅助实现机器人的下沉运动。

其中，通过夹持件2222与转动件2221之间的球体形与球形孔相互配合，使得夹持件2222可以绕自己的轴线转动，保证了第二连接组件22与柔性仿生鳍24的连部位具有旋转自由度。使柔性仿生鳍24的运动曲线更平滑，阻力更小，驱动效率更高。

(2)当在陆地运动时：

机器人在陆地上的运动原理与水中运动原理基本相同，区别在于陆地上的运动只有前进、后退、转弯几种运动形式。浮力系统不参与工作。

当机器人需要在陆地前进时：

在控制装置6控制下由防水舵机21输出轴控制柔性仿生鳍24末端着地支撑，并使柔性仿生鳍24按类正弦规律摆动，两侧的鳍同步运动，利用地面的摩擦反力推动自己向前移动。

当机器人需要在陆地后退时：

在控制装置6控制下由防水舵机21输出轴控制柔性仿生鳍24末端着地支撑，并使柔性仿生鳍24按与前进时相反的动作做类正弦规律摆动，两侧的鳍同步运动，利用地面的摩擦反力推动自己向后移动。

当机器人需要在陆地转弯时：

在控制装置6控制下由防水舵机21输出轴控制柔性仿生鳍24末端着地支撑，并使两侧柔性仿生鳍24做不同幅度和频率的类正弦规律摆动，利用地面的摩擦反力推动自己向运动幅度和频率较小的一侧转弯移动。防水舵机21有锂电池供电。

2、一个浮力系统单元3工作时，即浮力系统工作时：

当机器人需要借助增加浮力上浮时：

请参照图10，由控制装置6控制气泵31启动、第一电磁换向阀32即进气用两位两通电磁换向阀处于通路打开状态，控制气泵31启动将第一气囊4中的气体抽吸到第二气囊30中。同时，控制装置6控制第二电磁换向阀33即排气用两位两通电磁换向阀处于常闭状态。这样就可以使第二气囊30处于充气状态，增加了机器人的整体浮力，打破了重力和浮力的平衡状态，使机器人借助浮力上浮。用这种方法可以控制浸水舱120中的第二气囊30充气，实现不同浮力大小的切换。

当机器人需要借助减小浮力下沉时：

由控制装置6控制气泵31停机、第一电磁换向阀32即进气用两位两通电磁换向阀处于通路闭合状态，同时，控制装置6控制第二电磁换向阀33即排气用两位两通电磁换向阀处于通路打开状态。这样就可以借助外界水的压力使第二气囊30中的气体通过第二电磁换向阀33即排气用两位两通电磁换向阀和单向节流调速阀34排入第一气囊4中。这样就减小了机器人的整体浮力，打破了重力和浮力的平衡状态，使机器人下沉。用这种方法可以控制浸水舱120中的第二气囊30排气，实现不同浮力大小的切换。可以通过单向节流调速阀34调节排气的速度。还可以通过溢流调压阀35实现对第二气囊30的保护。当第二气囊30中的压力超过溢流调压阀35的设定最高压力阈值时，第二气囊30中的气体通过溢流调压阀35通路排入到第一气囊4中。浸水舱120的尾部表面开有进水孔，使浸水舱120与外界水相通。

此外，此套浮力系统所用的调节介质也可以是密度比水小的油，对应地，气泵31换成油泵即可。所有气囊和油囊都是采用非刚性材质制造。整个浮力系统的电器由供电装置5供电。

3、声呐探测、环境信号采集回传与避障工作原理：

由多个声呐传感器8实现对前方、后方、左侧、右侧、下方目标环境的位置、形状、运动速度探测与信号采集，有控制装置6对声呐传感器进行控制，并控制动力系统和浮力系动作，对前方障碍物目标实施避障运动。同时，可对采集的信号通过水声通信系统或无线电通信系统与接收终端传输。接收终端可以是专用的信号接收器、专用手机、专用电脑。声呐传感器和集成控制器都由锂电池供电。

4、摄像、环境信号采集回传工作原理：

防水摄像机9对前方的目标环境进行摄像和录像，摄像视频通过水声通信系统或无线电通信系统与接收终端传输。接收终端可以是专用的信号接收器、专用手机、专用电脑。防水摄像机和集成控制器都由锂电池供电。

5、姿态控制原理：

姿态控制由控制装置6中的陀螺仪姿态控制系统模块感知机器人的姿态，如果需要调整姿态则可通过动力系统控制防水舵机21的运动，借助柔性仿生鳍24的运动进行姿态调整，也可以同时借助浮力系统进行姿态调整。动力系统包括动力系统单元2、控制装置6中的动力控制系统模块和供电装置5，浮力系统包括一个浮力系统单元3、第一气囊4、控制装置6中的浮力控制系统模块和供电装置5。

6、通讯控制原理：

通讯系统由控制装置6中的水声通信控制系统模块、无线电通信控制系统模块、声呐传感器8、供电装置5组成。通过声呐和集成控制器的水声通信控制系统模块实现与接收终端进行水声通信。通过集成控制器的无线电通信控制系统模块实现与接收终端进行无线电通信。

7、定位和导航原理：

机器人的定位和导航由声呐传感器、控制装置6中导航控制系统模块和通讯系统共同协同完成。控制装置6中的导航控制系统模块含有惯性导航模块、GPS定位导航模块、计程仪模块。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

Claims (9)

1.一种舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，包括舱体(1)、动力系统单元(2)、一个浮力系统单元(3)、第一气囊(4)、供电装置(5)和控制装置(6)；

动力系统单元(2)对称设置在舱体(1)的两侧，用于带动舱体(1)运动；

浮力系统单元(3)和第一气囊(4)均设置在舱体(1)内腔，浮力系统单元(3)与第一气囊(4)相连通，用于带动舱体(1)在水中上浮和下沉运动；

供电装置(5)和控制装置(6)均设置在舱体(1)的内侧，供电装置(5)和控制装置(6)之间电性连接和信号连接，供电装置(5)分别与动力系统单元(2)和一个浮力系统单元(3)电性连接，控制装置(6)分别与动力系统单元(2)和一个浮力系统单元(3)信号连接。

2.根据权利要求1所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，动力系统单元(2)包括第一连接组件(20)、多个防水舵机(21)、多个连接件(23)、多个第二连接组件(22)和柔性仿生鳍(24)；

舱体(1)的两侧对称安装第一连接组件(20)，第一连接组件(20)与舱体(1)的前进方向平行设置，多个防水舵机(21)均匀设置在第一连接组件(20)上，防水舵机(21)的输出端均安装连接件(23)，连接件(23)均通过第二连接组件(22)与柔性仿生鳍(24)相连接，以使防水舵机(21)通过第二连接组件(22)带动柔性仿生鳍(24)摆动，供电装置(5)与防水舵机(21)电性连接，控制装置(6)与防水舵机(21)信号连接。

3.根据权利要求2所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，第一连接组件(20)包括多个第一连接板(201)、第一连接板骨架(202)和多个第二连接板(203)，第一连接板骨架(202)与舱体(1)前进方向平行，舱体(1)的两侧均通过多个第一连接板(201)与第一连接板骨架(202)的一侧壁相连接，第一连接板骨架(202)的另一侧壁设置有多个第二连接板(203)，第二连接板(203)固定连接防水舵机(21)，第二连接板(203)与防水舵机(21)一一对应连接，多个防水舵机(21)沿着舱体(1)前进方向均匀排布在第一连接板骨架(202)上，防水舵机(21)的输出轴上均连接有连接件(23)。

4.根据权利要求3所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，第二连接组件(22)包括固定结构(221)和夹持组件(222)，固定结构(221)与连接件(23)相连接，固定结构(221)与连接件(23)一一对应，固定结构(221)的一侧均转动安装夹持组件(222)，夹持组件(222)与固定结构(221)一一对应连接，夹持组件(222)与柔性仿生鳍(24)相连接。

5.根据权利要求4所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，固定结构(221)包括第一固定板(2211)、第三连接板(2214)、第四连接板(2212)和第一连接柱(2213)，夹持组件(222)包括转动件(2221)和夹持件(2222)；

第一固定板(2211)的一侧均与连接件(23)相连接，第一固定板(2211)的另一侧壁安装第三连接板(2214)，第三连接板(2214)与第四连接板(2212)相连接，第三连接板(2214)和第四连接板(2212)相接触侧壁均设置有半球孔，且第三连接板(2214)上的半球孔和第四连接板(2212)上的半球孔形成球孔，第四连接板(2212)的一侧壁连接第一连接柱(2213)，第一连接柱(2213)内设置有圆柱孔，其中，圆柱孔的中心线与半球孔的中心共线，且圆柱孔与第四连接板(2212)上的半球孔相连通；

转动件(2221)的一端为球形体，转动件(2221)的另一端与夹持件(2222)相连接，转动件(2221)一端的球形体与球孔转动连接，夹持件(2222)的另一端与柔性仿生鳍(24)相连接。

6.根据权利要求1所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，舱体(1)包括密封舱(110)和浸水舱(120)，密封舱(110)位于浸水舱(120)下方，密封舱(110)内安装第一气囊(4)，浮力系统单元(3)的一部分设置在密封舱(110)内，浮力系统单元(3)的另一部分包括一个第二气囊(30)，其中，第二气囊(30)设置在浸水舱(120)中央，浮力系统单元(3)的一部分和浮力系统单元(3)的另一部分相连通。

7.根据权利要求6所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，浮力系统单元(3)的一部分包括气泵(31)、第一电磁换向阀(32)、第二电磁换向阀(33)、单向节流调速阀(34)、溢流调压阀(35)和管路(36)，浮力系统单元(3)的另一部分包括一个第二气囊(30)；

第一气囊(4)与气泵(31)之间、气泵(31)和第一电磁换向阀(32)之间、第一电磁换向阀(32)与第二气囊(30)之间、第二气囊(30)与第二电磁换向阀(33)之间、第二电磁换向阀(33)与单向节流调速阀(34)之间、单向节流调速阀(34)与第一气囊(4)之间、第一气囊(4)与溢流调压阀(35)之间、溢流调压阀(35)与第二气囊(30)之间均采用管路(36)连通，其中，管路(36)穿过密封舱(110)与位于浸水舱(120)的第二气囊(30)相连通，供电装置(5)分别与气泵(31)、第一电磁换向阀(32)、第二电磁换向阀(33)之间电性连接，控制装置(6)分别与气泵(31)、第一电磁换向阀(32)、第二电磁换向阀(33)之间信号连接。

8.根据权利要求6所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，密封舱(110)包括密封舱壳体(111)和密封舱盖(112)，密封舱盖(112)与密封舱壳体(111)之间密封连接，浸水舱(120)为非密封结构，设有进出水孔，浸水舱(120)与密封舱(110)外设置有整体外壳(7)，整体外壳(7)包裹在浸水舱(120)与密封舱(110)的左右侧面、上侧面和前后侧面，整体外壳(7)为非密封状态。

9.根据权利要求8所述的舱体垂直分布式水陆两栖机器人，其特征在于，密封舱(110)的外表面和浸水舱(120)的外表面均设置有多个声呐传感器(8)，浸水舱(120)的前表面设置有防水摄像机(9)。

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