CN220516822U - 一种地下洞穴探测机器人和探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种地下洞穴探测机器人，包括机器人本体和推进单元，机器人本体为回转体结构，包括一个或多个连接段，多个连接段顺次活动连接，推进单元驱动机器人本体按照预设轨迹动作，包括纵向推进器、横向推进器和竖向推进器，纵向推进器对应设置于连接段尾部；横向推进器的数量为两个以上，连接段的数量为一个，两个横向推进器设置于连接段横向一侧、前后两端；连接段的数量为多个，横向推进器对应设置于连接段横向一侧；竖向推进器的数量为两个以上，连接段的数量为一个，两个竖向推进器设置于连接段顶部、前后两端；连接段的数量为多个，竖向推进器对应设置于连接段的顶部。本实用新型机器人运动轨迹可控，保证正常航行状态。

Description

一种地下洞穴探测机器人和探测系统

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种地下洞穴探测机器人和探测系统。

背景技术

随着科学技术的发展，各行各业逐渐使用机器人来代替人员进行各种危险环境下的作业，机器人在石油天然气等矿产资源的开发中也有着越来越重要的作用。

现有技术一种地下洞穴探测机器人包括机器人主体和推进系统，机器人主体包括顺次连接的艏段、中段和艉段，推进系统包括螺旋推进器和槽道推进器，螺旋推进器首尾各布置一个，机器人主体的艏段和艉段各布置一组槽道推进器。

由此可见，现有技术的地下洞穴探测机器人中，推进系统仅设置在艏段和艉段，当中段数量较多时，机器人中段运动轨迹将不受控制，进而影响机器人的正常航行。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种地下洞穴探测机器人，运动轨迹可控，保证机器人的正常航行状态。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种地下洞穴探测机器人，包括机器人本体和推进单元，所述机器人本体为回转体结构，所述机器人本体包括一个或多个连接段，多个所述连接段顺次活动连接，所述推进单元能够驱动所述机器人本体按照预设轨迹动作，所述推进单元包括纵向推进器、横向推进器和竖向推进器，其中：

所述纵向推进器的数量为一个或多个，所述纵向推进器一一对应地设置于所述连接段的尾部；

所述横向推进器的数量为两个以上，所述连接段的数量为一个时，两个所述横向推进器设置于所述连接段的横向一侧、前后两端；所述连接段的数量为多个时，所述横向推进器一一对应地设置于所述连接段的横向一侧；

所述竖向推进器的数量为两个以上，所述连接段的数量为一个时，两个所述竖向推进器设置于所述连接段的顶部、前后两端；所述连接段的数量为多个时，所述竖向推进器一一对应地设置于所述连接段的顶部。

可选地，所述连接段的数量为多个时，在位于艏端的所述连接段中，所述横向推进器和所述竖向推进器设置于靠近前端的位置，除位于艏端的所述连接段外，其余的所述连接段中，所述横向推进器和所述竖向推进器设置于靠近后端的位置。

可选地，所述连接段的数量为多个，还包括转向连接件，所述转向连接件连接相邻两个所述连接段，并且相邻两个所述连接段之间的连接角度可调。

可选地，还包括搜索单元，所述搜索单元包括导航声呐和探测声呐，所述导航声呐和所述探测声呐均设置于所述机器人本体的前端；

所述搜索单元还包括摄像组件，所述摄像组件包括摄像头和照明灯，所述摄像组件设置于所述机器人本体的前端。

可选地，还包括设置于所述机器人本体的导航定位单元，所述导航定位单元包括航姿传感器、深度传感器和速度传感器。

可选地，所述机器人本体在背部重心位置设置有脐带缆挂点，所述脐带缆挂点用于通过脐带缆和母船建立物理连接。

可选地，还包括设置于所述机器人本体的能源单元，所述能源单元与所述地下洞穴探测机器人中的用电设备均电连接，所述能源单元通过所述脐带缆与所述母船中的路基单元电连接；

所述能源单元具有电力转换模块和储能模块，所述电力转换模块用于将来自所述母船的电力转换为各所述用电设备所需的电力，所述储能模块用于将来自所述母船的电力存储起来。

可选地，还包括设置于所述机器人本体的控制单元，所述控制单元与所述路基单元、所述推进单元、所述搜索单元、所述导航定位单元和所述能源单元均电连接，所述控制单元用于将来自所述路基单元的控制指令传输至所述搜索单元、所述推进单元和所述能源单元，并将所述导航定位单元、所述搜索单元采集到的数据信息传输回所述路基单元。

可选地，还包括设置于所述机器人本体的主通讯板，所述主通讯板与所述控制单元、所述路基单元均电连接，来自所述路基单元的控制指令通过所述主通讯板传输至所述控制单元，所述控制单元接收到的数据信息经所述主通讯板传输至所述路基单元。

本实用新型还提供一种地下洞穴探测系统，包括母船、脐带缆，以及前述地下洞穴探测机器人，所述脐带缆用于连接所述母船和所述地下洞穴探测机器人，在所述母船和所述地下洞穴探测机器人之间建立物理连接、电连接和通讯连接关系。

可选地，所述母船具有路基单元，还包括测控一体化软件，所述路基单元与所述测控一体化软件、所述地下洞穴探测机器人均电连接，所述测控一体化软件用于输入控制指令，所述路基单元能够将所述控制指令传输至所述地下洞穴探测机器人，并将来自所述地下洞穴探测机器人的数据信息传输至所述测控一体化软件。

本实用新型地下洞穴探测机器人和探测系统的技术效果如下：

本实用新型地下洞穴探测机器人中，机器人本体作为搭载传感器的载体，并设置为回转体结构，机器人本体的直径可以设置为不大于300mm，使其具备通过狭小空间进入未知水域的能力，且能够有效降低机器人的航行阻力，提高机器人的续航能力，满足航行深度、速度、结构强度等要求；同时，在每一个连接段均设置推进单元，其中，纵向推进器用于控制对应连接段的纵向移动，横向推进器用于控制对应连接段的横向移动，并调节对应连接段的航向角，竖向推进器用于控制对应连接段的竖向移动，并控制对应连接段的仰俯角，如此，每一个连接段的航行姿态均可控，进而使得机器人本体的整体运动轨迹可控，机器人具备自主航行的能力；正是由于每一个连接段的航行姿态均可控，机器人本体包括连接段的数量可以不受限制，可以搭载多种探测设备完成多种数据采集，适应大范围密闭液体空间的探测需求。

附图说明

图1为本实用新型所提供地下洞穴探测机器人一种具体实施例的结构示意图；

图2为图1地下洞穴探测机器人第二种角度的结构示意图；

图3为图1地下洞穴探测机器人第三种角度的结构示意图；

图4为图1地下洞穴探测机器人第四种角度的结构示意图；

图5为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第一结构示意图；

图6为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第二结构示意图；

图7为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第三结构示意图；

图8为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第四结构示意图；

其中，图1-图8中的附图标记说明如下：

1-机器人本体；11-连接段；

21-纵向推进器；22-横向推进器；23-竖向推进器；

3-转向连接件；

41-导航声呐；42-探测声呐；

5-摄像组件。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本文中所述“多个”通常为两个以上；且当采用“多个”表示某几个部件的数量时，并不表示这些部件在数量上的相互关系。

请参考图1-图4，图1为本实用新型所提供地下洞穴探测机器人一种具体实施例的结构示意图；图2为图1地下洞穴探测机器人第二种角度的结构示意图；图3为图1地下洞穴探测机器人第三种角度的结构示意图；

图4为图1地下洞穴探测机器人第四种角度的结构示意图。

本实用新型提供一种地下洞穴探测机器人，包括机器人本体1和推进单元，机器人本体1为回转体结构，机器人本体1包括一个或多个连接段11，多个连接段11顺次活动连接，推进单元能够驱动机器人本体1按照预设轨迹动作，推进单元包括纵向推进器21、横向推进器22和竖向推进器23，其中：

纵向推进器21的数量为一个或多个，纵向推进器21一一对应地设置于连接段11的尾部；

横向推进器22的数量为两个以上，连接段11的数量为一个时，两个横向推进器22设置于连接段11的横向一侧、前后两端；连接段11的数量为多个时，横向推进器22一一对应地设置于连接段11的横向一侧；

竖向推进器23的数量为两个以上，连接段11的数量为一个时，两个竖向推进器23设置于连接段11的顶部、前后两端；连接段11的数量为多个时，竖向推进器23一一对应地设置于连接段11的顶部。

本实用新型地下洞穴探测机器人中，机器人本体1作为搭载传感器的载体，并设置为回转体结构，机器人本体1的直径可以设置为不大于300mm，使其具备通过狭小空间进入未知水域的能力，且能够有效降低机器人的航行阻力，提高机器人的续航能力，满足航行深度、速度、结构强度等要求，还具备适应高温、高湿、高盐等环境下长时间使用的能力；同时，在每一个连接段11均设置推进单元，其中，纵向推进器21用于控制对应连接段11的纵向移动，横向推进器22用于控制对应连接段11的横向移动，并调节对应连接段11的航向角，竖向推进器23用于控制对应连接段11的竖向移动，并控制对应连接段11的仰俯角，如此，每一个连接段11的航行姿态均可控，进而使得机器人本体1的整体运动轨迹可控，机器人具备自主航行的能力；正是由于每一个连接段11的航行姿态均可控，机器人本体1包括连接段11的数量可以不受限制，可以搭载多种探测设备完成多种数据采集，适应大范围密闭液体空间的探测需求。

此外，当机器人需要沿纵向移动时，各个纵向推进器21可以共同工作，增大推动力，使得机器人快速纵向移动至指定区域；当机器人处于水平状态，并需要沿横向移动时，各个横向推进器22可以共同工作，增大推动力，使得机器人快速横向移动至指定区域；当需要对机器人的航行角进行调节时，由艏端至尾端的方向，各个横向推进器22可以提供逐渐减小的横向力，以调节机器人的航行角；当机器人在探测区域正常航行时，可以利用各个竖向推进器23的相互配合完成机器人的深度控制和航行姿态控制，具体地：

当各个竖向推进器23均提供向上的升力时，机器人可以快速向上移动；当各个竖向推进器23均提供向下的压力时，机器人可以快速向下移动，实现机器人的深度控制；

当艏端的竖向推进器23提供向上的升力，同时艉端的竖向推进器23提供向下的压力，中部的竖向推进器23根据提供不同的升力/压力时，机器人成一定仰角仰头，再利用各个纵向推进器21提供向前的推力，实现快速上浮运动；相反地，当艏端竖向推进器23提供向下的压力，同时艉端竖向推进器23提供向上的升力，中部的竖向推进器23提供不同的升力/压力时，机器人成一定俯角低头，再利用各个纵向推进器21提供向前的推力，实现快速下沉运动，以此实现机器人的航行姿态控制。

实际应用中，机器人本体1顶部还可以设置浮力材料，实现零浮力，使其在管道和目标空间中都有很好的航行稳定性。通过选配不同规格的浮力材料，可实现机器人的浮力可调。

如图1所示，本实施例中，连接段11的数量为三个，在位于艏端的连接段11中，横向推进器22和竖向推进器23设置于靠近前端的位置，除位于艏端的连接段11外，其余的连接段11中，横向推进器22和竖向推进器23设置于靠近后端的位置。

当然，实际应用中，横向推进器22和竖向推进器23的前后位置并不做限制，只要通过调节作用力大小，使得机器人能够按照预设轨迹航行即可。

请参考图5-图8，图5为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第一结构示意图；图6为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第二结构示意图；图7为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第三结构示意图；图8为图1地下洞穴探测机器人在弯曲状态下的第四结构示意图。

如前所述，多个连接段11顺次活动连接，具体到结构中，地下洞穴探测机器人还可以包括转向连接件3，转向连接件3连接相邻两个连接段11，以使相邻两个连接段11之间的连接角度可调，进而机器人可以处于如图5-图7所示的弯曲状态，便于通过狭小弯曲空间。

转向连接件3的具体结构不做限制，如转向连接件3还可以为万向节、万向球头或波纹管的形式；转向连接件3与连接段11的连接方式也不做限制，可以焊接固定，或者也可以采用可拆卸的连接方式，如螺纹连接等，便于拆装。

请继续参考图1，本申请中，地下洞穴探测机器人还包括搜索单元，搜索单元包括导航声呐41和探测声呐42，导航声呐41和探测声呐42均设置于机器人本体1的前端，导航声呐41进行避碰导航，保证机器人的航行安全，探测声呐42进行360°全覆盖扫测，对地下洞穴内的地形地貌、声学结构和物质性质等进行分析，完成海底声学探测作业。

此外，搜索单元还包括摄像组件5，摄像组件5包括摄像头和照明灯，摄像组件5设置于机器人本体1的前端，借助摄像组件5能够进行海底光学探测作业。

进一步地，本申请地下洞穴探测机器人还包括设置于机器人本体1的导航定位单元，导航定位单元包括航姿传感器、深度传感器和速度传感器。

其中，航姿传感器用于实时采集该机器人的航姿信号，深度传感器和速度传感器用于实时采集该机器人的深度和航行速度，采集到的信息均传输至母船，便于探测人员对机器人的工作状态进行精准控制。速度传感器一般为DVL(Doppler Velocity Log，多普勒计程仪)。

进一步地，机器人本体1在背部重心位置还设置有脐带缆挂点，脐带缆挂点用于通过脐带缆和母船建立物理连接。

如此，脐带缆能够提供对机器人本体1的拖拽拉力，在拖拽模式下，母船可以带动机器人进行高速航行；在机器人自主航行过程中，脐带缆还可以对机器人的航迹进行修正，在长航时最大限度减少累计误差；此外，脐带缆还可以起到辅助机器人回收的作用。

本实施例中，脐带缆也为零浮力线缆。

本申请中，机器人还包括设置于机器人本体1的能源单元，能源单元与地下洞穴探测机器人中的用电设备均电连接，能源单元通过脐带缆与母船中的路基单元电连接；

能源单元具有电力转换模块和储能模块，电力转换模块用于将来自母船2的电力转换为各用电设备所需的电力，储能模块用于将来自母船2的电力存储起来。

如此，脐带缆还能够在母船与机器人之间建立电连接关系，来自母船2的电力能够通过脐带缆传递至能源单元，然后，经电力转换模块转换为各用电设备所需的电力，最后供给至各用电设备，保证各用电设备的正常运行；同时，储能模块的设置使得能源单元还具备短时间应急供电能力，满足当脐带缆供电中断时的应急工作要求。

进一步地，本申请地下洞穴探测机器人中，还包括设置于机器人本体1的控制单元，控制单元与路基单元、推进单元、搜索单元、导航定位单元和能源单元均电连接，控制单元用于将来自路基单元的控制指令传输至搜索单元、推进单元和能源单元，并将导航定位单元、搜索单元采集到的数据信息传输回路基单元。

如此，当控制单元接收到来自母船下发的控制指令后，能够根据控制算法并参考当前航行状态，生成对各个推进器的控制指令，实现机器人下潜、前进、倒退、转向等航行动作；同时，控制单元还担任实时监控能源使用情况，并依据母船发来的通讯指令，进行能源分配管理的职责。此外，控制单元将导航定位单元、搜索单元采集到的数据信息传输回路基单元，路基单元可以实时获取机器人当前的航行状态，并基于机器人当前航行状态，生成更加准确的控制指令，保证对机器人的精准控制。

其中，控制单元与推进单元、搜索单元、导航定位单元和能源单元之间可直接采用工业以太网连接方式进行高带宽数据通讯。

最后，本申请地下洞穴探测机器人还包括设置于机器人本体1的主通讯板，主通讯板与控制单元、路基单元均电连接，主通讯板起到数据存储的作用，来自路基单元的控制指令通过主通讯板传输至控制单元，控制单元接收到的数据信息经主通讯板传输至路基单元。

其中，脐带缆中包含一路光纤通讯通道，该光纤通讯通道在主通讯板与路基单元之间建立通讯连接关系，为机器人提供足够的通讯带宽，确保大量测量数据能够实时传输到路基单元。

实际应用中，本发明地下洞穴探测机器人可适应不低于100℃的工作环境，航时不低于300小时，航行深度不低于3000m，工作半径不低于3500m。

本实用新型还提供一种地下洞穴探测系统，包括母船、脐带缆，以及前述地下洞穴探测机器人，脐带缆用于连接母船和地下洞穴探测机器人，在母船和地下洞穴探测机器人之间建立物理连接、电连接和通讯连接关系。

本实用新型地下洞穴探测系统，包括前述地下洞穴探测机器人，因此具有与前述地下洞穴探测机器人相同的技术效果，在此不再赘述。

这里所说的物理连接关系即母船通过脐带缆为机器人提供拖拽力；电连接关系即母船通过脐带缆为机器人的各用电设备供电；通讯连接关系即母船通过脐带缆与机器人进行数据通讯。

其中，母船具有路基单元，还包括测控一体化软件，路基单元与测控一体化软件、地下洞穴探测机器人均电连接，测控一体化软件负责监控地下洞穴探测机器人的实时工作状态，并下发控制指令到控制单元实现特定航行任务，完成数据采集、同步处理、事件标记处理、数据存储与回放等任务；路基单元为数据通讯中转站，能够将测控一体化软件的控制指令传输至地下洞穴探测机器人，以对推进单元、搜索单元、导航定位单元和能源单元进行控制，并将来自地下洞穴探测机器人的数据信息传输至测控一体化软件。

以上对本实用新型所提供的一种地下洞穴探测机器人和探测系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种地下洞穴探测机器人，其特征在于，包括机器人本体(1)和推进单元，所述机器人本体(1)为回转体结构，所述机器人本体(1)包括一个或多个连接段(11)，多个所述连接段(11)顺次活动连接，所述推进单元能够驱动所述机器人本体(1)按照预设轨迹动作，所述推进单元包括纵向推进器(21)、横向推进器(22)和竖向推进器(23)，其中：

所述纵向推进器(21)的数量为一个或多个，所述纵向推进器(21)一一对应地设置于所述连接段(11)的尾部；

所述横向推进器(22)的数量为两个以上，所述连接段(11)的数量为一个时，两个所述横向推进器(22)设置于所述连接段(11)的横向一侧、前后两端；所述连接段(11)的数量为多个时，所述横向推进器(22)一一对应地设置于所述连接段(11)的横向一侧；

所述竖向推进器(23)的数量为两个以上，所述连接段(11)的数量为一个时，两个所述竖向推进器(23)设置于所述连接段(11)的顶部、前后两端；所述连接段(11)的数量为多个时，所述竖向推进器(23)一一对应地设置于所述连接段(11)的顶部。

2.根据权利要求1所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，所述连接段(11)的数量为多个时，在位于艏端的所述连接段(11)中，所述横向推进器(22)和所述竖向推进器(23)设置于靠近前端的位置，除位于艏端的所述连接段(11)外，其余的所述连接段(11)中，所述横向推进器(22)和所述竖向推进器(23)设置于靠近后端的位置。

3.根据权利要求1所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，所述连接段(11)的数量为多个时，还包括转向连接件(3)，所述转向连接件(3)连接相邻两个所述连接段(11)，并且相邻两个所述连接段(11)之间的连接角度可调。

4.根据权利要求1所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，还包括搜索单元，所述搜索单元包括导航声呐(41)和探测声呐(42)，所述导航声呐(41)和所述探测声呐(42)均设置于所述机器人本体(1)的前端；

所述搜索单元还包括摄像组件(5)，所述摄像组件(5)包括摄像头和照明灯，所述摄像组件(5)设置于所述机器人本体(1)的前端。

5.根据权利要求4所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，还包括设置于所述机器人本体(1)的导航定位单元，所述导航定位单元包括航姿传感器、深度传感器和速度传感器。

6.根据权利要求5所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)在背部重心位置设置有脐带缆挂点，所述脐带缆挂点用于通过脐带缆和母船建立物理连接。

7.根据权利要求6所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，还包括设置于所述机器人本体(1)的能源单元，所述能源单元与所述地下洞穴探测机器人中的用电设备均电连接，所述能源单元通过所述脐带缆与所述母船中的路基单元电连接；

所述能源单元具有电力转换模块和储能模块，所述电力转换模块用于将来自所述母船(2)的电力转换为各所述用电设备所需的电力，所述储能模块用于将来自所述母船(2)的电力存储起来。

8.根据权利要求7所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，还包括设置于所述机器人本体(1)的控制单元，所述控制单元与所述路基单元、所述推进单元、所述搜索单元、所述导航定位单元和所述能源单元均电连接，所述控制单元用于将来自所述路基单元的控制指令传输至所述搜索单元、所述推进单元和所述能源单元，并将所述导航定位单元、所述搜索单元采集到的数据信息传输回所述路基单元。

9.根据权利要求8所述地下洞穴探测机器人，其特征在于，还包括设置于所述机器人本体(1)的主通讯板，所述主通讯板与所述控制单元、所述路基单元均电连接，来自所述路基单元的控制指令通过所述主通讯板传输至所述控制单元，所述控制单元接收到的数据信息经所述主通讯板传输至所述路基单元。

10.一种地下洞穴探测系统，其特征在于，包括母船、脐带缆，以及权利要求1-9任一项所述地下洞穴探测机器人，所述脐带缆用于连接所述母船和所述地下洞穴探测机器人，在所述母船和所述地下洞穴探测机器人之间建立物理连接、电连接和通讯连接关系。

11.根据权利要求10所述地下洞穴探测系统，其特征在于，所述母船具有路基单元，还包括测控一体化软件，所述路基单元与所述测控一体化软件、所述地下洞穴探测机器人均电连接，所述测控一体化软件用于输入控制指令，所述路基单元能够将所述控制指令传输至所述地下洞穴探测机器人，并将来自所述地下洞穴探测机器人的数据信息传输至所述测控一体化软件。