一種水下爬遊式機器人及其工作方法與流程
2024-03-03 13:18:15
本發明屬於海洋技術領域，具體涉及一種水下爬遊式機器人及其工作方法。
背景技術：
海洋是地球上最大的水體，其面積佔地球面積的71％左右。海洋中蘊藏著眾多寶貴的資源，海洋為人類提供了營養豐富、味道鮮美的食物；同時海洋也儲藏著豐富的油氣、礦產及可再生資源，特別是在現在陸上油氣資源面臨枯竭的嚴峻形勢下，海洋中的這些資源是人類賴以生存的寶貴能源。
合理開發利用海洋資源前，需要人類認識海洋，了解海洋。早在史前，人類就已經學會以海洋為生並開始探索海洋，通過在海洋上旅行，從海洋中捕魚，不斷進行著對海洋的探知，然而人類對海洋的認識與海洋整個水域比起來仍然是微不足道的。要深入認識海洋並開發海洋，仍需要獲取海洋大範圍精確的海洋參數數據，同時還需要進行海底勘探、取樣等以對海洋進行深入分析。開展上述研究就需要眾多海洋設備作為支撐，現有的設備中，水下機器人被廣泛應用，並發揮了巨大作用，其中auv和rov是它們的典型代表。現有的水下機器人多擅長在海洋水體中進行觀測，然而並不善於完成大範圍的海底探測和作業任務。當前急需要一種水下機器人，其既可以在海底進行探測或作業，又可以在海洋水體中靈活運動從而在立體觀測的同時進一步擴展海底探測或作業範圍。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種克服以上問題的水下爬遊式機器人及其工作方法，此水下爬遊式機器人既可以通過多條腿支撐在海底行走，又可以將腿收起並通過推進裝置在水中進行遊動。
本發明由機器人機身、機器人腿組、推進裝置組、電池和控制器組成。
機器人機身包括機身底盤和機身上蓋組成。機身上蓋置於機身底盤之上，並通過螺栓連接固定。
機器人腿組包括第一機器人腿、第二機器人腿、第三機器人腿和第四機器人腿。機器人腿組分布於機器人機身兩側，第一機器人腿和第二機器人腿位於機器人機身一側，第三機器人腿和第四機器人腿位於機器人機身另一側，第一機器人腿與第三機器人腿沿機器人機身中心線對稱分布，第二機器人腿與第四機器人腿沿機器人機身中心線對稱分布。四條腿結構相同，每條腿由大腿和小腿組成。
大腿由大腿第一關節電機、大腿第一關節電機連接板組、大腿第二關節電機、大腿第二關節電機連接板組和大腿框架組組成。
大腿第一關節電機與機身底盤之間通過螺栓連接固定。大腿第一關節電機連接板組包括大腿第一關節電機第一連接板和大腿第一關節電機第二連接板；大腿第一關節電機第一連接板的一端與大腿第一關節電機的輸出軸之間通過鍵連接，大腿第一關節電機第二連接板的一端與大腿第一關節電機的機殼之間通過軸承連接；大腿第一關節電機第一連接板和大腿第一關節電機第二連接板的另一端分別與大腿第二關節電機的機殼之間通過螺栓連接固定。大腿第二關節電機連接板組包括大腿第二關節電機第一連接板和大腿第二關節電機第二連接板；大腿第二關節電機第一連接板的一端與大腿第二關節電機的輸出軸之間通過鍵連接，大腿第二關節電機第二連接板的一端與大腿第二關節電機的機殼之間通過軸承連接；大腿第二關節電機第一連接板和大腿第二關節電機第二連接板的另一端分別與大腿框架之間通過螺栓連接固定。大腿框架組包括第一大腿框架和第二大腿框架；第一大腿框架的一端與大腿第二關節電機第一連接板之間通過螺栓連接固定，第二大腿框架的一端與大腿第二關節電機第二連接板之間通過螺栓連接固定；第一大腿框架和第二大腿框架的另一端分別與小腿連接。
小腿由小腿關節電機、伸縮驅動電機、導向筒、伸縮螺母、限位擋塊和小腿杆組成。小腿關節電機的輸出軸與第一大腿框架之間通過鍵連接，小腿關節電機的機殼與第二大腿框架之間通過軸承連接。伸縮驅動電機的機殼與小腿關節電機的機殼之間通過螺栓連接固定，伸縮驅動電機的輸出軸為具有導向螺紋的伸出螺杆，伸縮驅動電機的靠近伸出螺杆一端的機殼與導向筒之間通過螺栓連接固定；導向筒上沿軸線方向對稱開有一定寬度的兩個長缺口，伸縮驅動電機的伸出螺杆與伸縮螺母之間通過螺紋連接，伸縮驅動電機的伸出螺杆與伸縮螺母之間可以相對旋轉，伸出螺杆的末端與限位擋塊通過螺紋連接固定；小腿杆中空，小腿杆一端具有對稱突耳結構，伸縮螺母的對稱突耳結構與小腿杆突耳結構之間通過螺栓連接固定，伸縮螺母與小腿杆穿過伸出螺杆置於導向筒中，同時伸縮螺母與小腿杆的突耳結構置於導向筒的兩個長缺口中。此小腿結構可以實現伸長和縮短變化，伸縮驅動電機工作，當伸縮驅動電機的伸出螺杆沿逆時針方向旋轉時，帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿伸出導向筒的方向運動，從而小腿尺寸變長，限位擋塊用於限制伸縮螺母位置以防止伸縮螺母從伸出螺杆上脫落；當伸縮驅動電機的伸出螺杆沿順時針方向旋轉時，帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿縮進導向筒的方向運動，從而小腿尺寸變短。
推進裝置組包括第一推進裝置、第二推進裝置、第三推進裝置、第四推進裝置和第五推進裝置。第一推進裝置、第二推進裝置、第三推進裝置、第四推進裝置和第五推進裝置分別安裝於機身上蓋的五個推進空腔中。五個推進裝置結構相同，每個推進裝置包括推進驅動電機、螺旋槳和鎖緊螺母。推進驅動電機的輸出軸穿過螺旋槳並與其通過鍵連接，推進驅動電機的輸出軸末端與鎖緊螺母通過螺紋連接，鎖緊螺母將螺旋槳壓緊在推進驅動電機的輸出軸上，推進驅動電機的機殼通過螺釘與機身上蓋固定連接。
電池和控制器分別通過螺釘固定在機身底盤的內表面上。
水下爬遊式機器人的工作方法如下：
水下爬遊式機器人工作方法分為兩種，一種是爬行工作方式，另一種是遊動工作方式。
爬行工作方式的工作過程為：首先，第一機器人腿、第二機器人腿、第三機器人腿和第四機器人腿中的關節電機工作，每條腿外擺處於支撐初始狀態，每條腿的小腿的伸縮驅動電機工作，伸縮驅動電機的伸出螺杆沿逆時針方向旋轉帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿伸出導向筒的方向運動，當小腿長度達到支撐長度時，小腿停止伸長；然後，控制第一推進裝置、第二推進裝置、第三推進裝置、第四推進裝置和第五推進裝置的運動，水下爬遊式機器人慢慢降落直到機器人腿與水底接觸；進而，第一推進裝置、第二推進裝置、第三推進裝置、第四推進裝置和第五推進裝置停止工作，水下爬遊式機器人完全通過機器人腿支撐，從而在水底進行行走。
遊動工作方式的工作過程為：首先，第一推進裝置、第二推進裝置、第三推進裝置、第四推進裝置和第五推進裝置工作，通過控制五個推進裝置的運動使水下爬遊式機器人離開水底；然後，水下爬遊式機器人每條腿的小腿的伸縮驅動電機工作，伸縮驅動電機的伸出螺杆沿順時針方向旋轉帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿縮進導向筒的方向運動，當小腿長度達到縮進極限時，小腿停止縮短；進而，第一機器人腿、第二機器人腿、第三機器人腿和第四機器人腿中的關節電機工作，每條腿側擺處於遊動初始狀態，水下爬遊式機器人通過五個推進裝置推動水下爬遊式機器人在水中遊動。
本發明可以達到的有益效果：
(1)本發明採用爬遊式結構，水下爬遊式機器人既可以通過腿支撐在水底行走，又可以通過推進裝置在水中遊動，從而既可以完成水底任務又可以開展水中的工作，其工作區域可以覆蓋整個水體空間，因此水下爬遊式機器人具有廣闊的用途；
(2)水下爬遊式機器人採用兩種工作方式：爬行工作方式和遊動工作方式，並提出兩種工作方式的工作方法，通過合理規劃實現了爬行工作方式和遊動工作方式的順暢變換，從而實現了水下爬遊式機器人兩種工作方式的正常切換和有效工作；
(3)採用伸縮式腿結構，當水下爬遊式機器人處於遊動工作方式時，其所有腿收起放於機身兩側凹陷空間中，從而有效降低了水下爬遊式機器人在遊動時水流的阻力，有效降低了推進裝置的負載，進而進一步有效降低水下爬遊式機器人的能耗；
(4)採用伸縮式腿結構，當水下爬遊式機器人處於爬行工作方式時，其可以根據水底地形環境通過改變各條腿的長度調整整個機器人機身與水底的相對位置與姿態，從而提高機器人的穩定性，進而有效提高水下爬遊式機器人對水底複雜地形的適應性。
附圖說明
圖1本發明的水下爬遊式機器人結構示意圖；
圖2本發明的水下爬遊式機器人的第一機器人腿結構示意圖；
圖3本發明的水下爬遊式機器人的小腿結構剖面圖；
圖4本發明的水下爬遊式機器人左側視圖；
圖5本發明的水下爬遊式機器人右側視圖；
圖6本發明的水下爬遊式機器人剖面視圖；
圖7本發明的水下爬遊式機器人推進裝置示意圖。
圖8本發明的水下爬遊式機器人遊動工作方式示意圖。
圖中：1.第一機器人腿，2.第二機器人腿，3.第三機器人腿，4.第四機器人腿，6.第一推進裝置，7.第二推進裝置，8.第三推進裝置，9.第四推進裝置，10.第五推進裝置，11.大腿第一關節電機，12.大腿第一關節電機連接板組，13.大腿第二關節電機，14.大腿第二關節電機連接板組，15.大腿框架組，21.電池，22.控制器，51.機身底盤，52.機身上蓋，61.推進驅動電機，62.螺旋槳，63.鎖緊螺母，121.大腿第一關節電機第一連接板，122.大腿第一關節電機第二連接板，141.大腿第二關節電機第一連接板，142.大腿第二關節電機第二連接板，151.第一大腿框架，152.第二大腿框架，161.小腿關節電機，162.伸縮驅動電機，163.導向筒，164.伸縮螺母，165.限位擋塊，166.小腿杆
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
一種水下爬遊式機器人,包括機器人機身、機器人腿組、推進裝置組、電池和控制器。
如圖1所示，機器人機身包括機身底盤51和機身上蓋52組成。機身上蓋52置於機身底盤51之上，並通過螺栓連接固定。
機器人腿組包括第一機器人腿1、第二機器人腿2、第三機器人腿3和第四機器人腿4。機器人腿組分布於機器人機身兩側，第一機器人腿1和第二機器人腿2位於機器人機身一側，第三機器人腿3和第四機器人腿4位於機器人機身另一側，第一機器人腿1與第三機器人腿3沿機器人機身中心線對稱分布，第二機器人腿2與第四機器人腿4沿機器人機身中心線對稱分布。四條腿結構相同，每條腿由大腿和小腿組成，以第一機器人腿1為例進行說明。
如圖2所示，第一機器人腿1的大腿由大腿第一關節電機11、大腿第一關節電機連接板組12、大腿第二關節電機13、大腿第二關節電機連接板組14和大腿框架組15組成。
大腿第一關節電機11與機身底盤51之間通過螺栓連接固定。大腿第一關節電機連接板組12包括大腿第一關節電機第一連接板121和大腿第一關節電機第二連接板122；大腿第一關節電機第一連接板121的一端與大腿第一關節電機11的輸出軸之間通過鍵連接，大腿第一關節電機第二連接板122的一端與大腿第一關節電機11的機殼之間通過軸承連接；大腿第一關節電機第一連接板121和大腿第一關節電機第二連接板122的另一端分別與大腿第二關節電機13的機殼之間通過螺栓連接固定。大腿第二關節電機連接板組14包括大腿第二關節電機第一連接板141和大腿第二關節電機第二連接板142；大腿第二關節電機第一連接板141的一端與大腿第二關節電機13的輸出軸之間通過鍵連接，大腿第二關節電機第二連接板142的一端與大腿第二關節電機13的機殼之間通過軸承連接；大腿第二關節電機第一連接板141和大腿第二關節電機第二連接板142的另一端分別與大腿框架15之間通過螺栓連接固定。大腿框架組15包括第一大腿框架151和第二大腿框架152；第一大腿框架151的一端與大腿第二關節電機第一連接板141之間通過螺栓連接固定，第二大腿框架152的一端與大腿第二關節電機第二連接板142之間通過螺栓連接固定；第一大腿框架151和第二大腿框架152的另一端分別與小腿16連接。
如圖3所示，小腿16由小腿關節電機161、伸縮驅動電機162、導向筒163、伸縮螺母164、限位擋塊165和小腿杆166組成。小腿關節電機161的輸出軸與第一大腿框架151之間通過鍵連接，小腿關節電機161的機殼與第二大腿框架152之間通過軸承連接。伸縮驅動電機162的機殼與小腿關節電機161的機殼之間通過螺栓連接固定，伸縮驅動電機162的輸出軸為具有導向螺紋的伸出螺杆，伸縮驅動電機162的靠近伸出螺杆一端的機殼與導向筒163之間通過螺栓連接固定；導向筒163上沿軸線方向對稱開有一定寬度的兩個長缺口，伸縮驅動電機162的伸出螺杆與伸縮螺母164之間通過螺紋連接，伸縮驅動電機162的伸出螺杆與伸縮螺母164之間可以相對旋轉，伸出螺杆的末端與限位擋塊165通過螺紋連接固定；小腿杆166為中空結構，小腿杆166一端具有對稱突耳結構，伸縮螺母164的對稱突耳結構與小腿杆166的突耳結構之間通過螺栓連接固定，伸縮螺母164與小腿杆166穿過伸出螺杆置於導向筒163中，同時伸縮螺母164與小腿杆166的突耳結構置於導向筒163的兩個長缺口中。此小腿結構可以實現伸長和縮短變化，伸縮驅動電機162工作，當伸縮驅動電機162的伸出螺杆沿逆時針方向旋轉時，帶動伸縮螺母164沿導向筒163運動，伸縮螺母164帶動小腿杆166沿伸出導向筒163的方向運動，從而小腿尺寸變長，限位擋塊165用於限制伸縮螺母164的位置以防止伸縮螺母164從伸出螺杆上脫落；當伸縮驅動電機162的伸出螺杆沿順時針方向旋轉時，帶動伸縮螺母164沿導向筒163運動，伸縮螺母164帶動小腿杆166沿縮進導向筒163的方向運動，從而小腿尺寸變短。
如圖4、5所示，推進裝置組包括第一推進裝置6、第二推進裝置7、第三推進裝置8、第四推進裝置9和第五推進裝置10。第一推進裝置6、第二推進裝置7、第三推進裝置8、第四推進裝置9和第五推進裝置10分別安裝於機身上蓋的五個推進空腔中。五個推進裝置結構相同，以第一推進裝置6為例進行說明，如圖7所示，第一推進裝置6包括推進驅動電機61、螺旋槳62和鎖緊螺母63。推進驅動電機61的輸出軸穿過螺旋槳62並與其通過鍵連接，推進驅動電機61的輸出軸末端與鎖緊螺母63通過螺紋連接，鎖緊螺母63將螺旋槳62壓緊在推進驅動電機61的輸出軸上，推進驅動電機61的機殼通過螺釘與機身上蓋52固定連接。
如圖6所示，電池21和控制器22分別通過螺釘固定在機身底盤的內表面上。
水下爬遊式機器人的工作方法如下：
水下爬遊式機器人工作方法分為兩種，一種是爬行工作方式，另一種是遊動工作方式。
爬行工作方式的工作過程為：如圖1所示，首先，第一機器人腿1、第二機器人腿2、第三機器人腿3和第四機器人腿4中的關節電機工作，每條腿外擺處於支撐初始狀態，每條腿的小腿的伸縮驅動電機工作，伸縮驅動電機的伸出螺杆沿逆時針方向旋轉帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿伸出導向筒的方向運動，當小腿長度達到支撐長度時，小腿停止伸長；然後，控制第一推進裝置6、第二推進裝置7、第三推進裝置8、第四推進裝置9和第五推進裝置10的運動，水下爬遊式機器人慢慢降落直到機器人腿與水底接觸；進而，第一推進裝置6、第二推進裝置7、第三推進裝置8、第四推進裝置9和第五推進裝置10停止工作，水下爬遊式機器人完全通過機器人腿支撐，從而在水底進行行走。
遊動工作方式的工作過程為：如圖8所示，首先，第一推進裝置6、第二推進裝置7、第三推進裝置8、第四推進裝置9和第五推進裝置10工作，通過控制五個推進裝置的運動使水下爬遊式機器人離開水底；然後，水下爬遊式機器人每條腿的小腿的伸縮驅動電機工作，伸縮驅動電機的伸出螺杆沿順時針方向旋轉帶動伸縮螺母沿導向筒運動，伸縮螺母帶動小腿杆沿縮進導向筒的方向運動，當小腿長度達到縮進極限時，小腿停止縮短；進而，第一機器人腿1、第二機器人腿2、第三機器人腿3和第四機器人腿4中的關節電機工作，每條腿側擺處於遊動初始狀態，水下爬遊式機器人通過五個推進裝置推動水下爬遊式機器人在水中遊動。