CN114715364A - 一种复合驱动水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合驱动水下机器人，包括机器人本体，所述机器人本体设有波动鳍和连接并驱动所述波动鳍的驱动模块，所述机器人本体还设有旋翼。上述复合驱动水下机器人，具有复合驱动的特点，兼具仿生波动鳍的推进以及旋翼的升降，既能适应复杂的水下环境高速静音运动，又可以在水中定深定向游动和悬停。

Description

一种复合驱动水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种复合驱动水下机器人。

背景技术

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为对水下空间进行探索、观察和应用的工具。

在水下机器人的驱动方式中，传统的无人水下推进器普遍采用螺旋桨，螺旋桨虽然具备稳定推进和快速启停能力，但是在应用于水下机器人时带来了新的缺陷。1、螺旋桨选装产生气泡引起机体振动产生较大的噪声，故而不适于执行隐蔽性较强的侦察任务；2、螺旋桨在水草和杂质较多的复杂水下环境中，容易出现堵塞和破坏导致失效；3、螺旋桨旋转时会产生涡流影响稳定的水下环境，不利于近距离观察海洋生物。新型的仿生水下机器人是借鉴真实水下生物在水中的运动方式的机器人，具备环境适应、隐蔽性高及机动性强等优点，一定程度上解决了上面的问题；但是现有的仿生水下机器人功能有限，不具备高速沉浮和定深悬停的功能。

因此，如何能够提供一种解决上述技术问题的复合驱动水下机器人是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合驱动水下机器人，具有复合驱动的特点，兼具仿生波动鳍的推进以及旋翼的升降，既能适应复杂的水下环境高速静音运动，又可以在水中定深定向游动和悬停。

为实现上述目的，本发明提供一种复合驱动水下机器人，包括机器人本体，所述机器人本体设有波动鳍和连接并驱动所述波动鳍的驱动模块，所述机器人本体还设有旋翼。

优选地，所述旋翼的数量为四个，四个所述旋翼分布于所述机器人本体的四角以构成四旋翼结构。

优选地，所述机器人本体设有供所述波动鳍和所述驱动模块安装的固定件，所述固定件具有调节安装位置的不同孔位。

优选地，所述波动鳍设有一个波动鳍本体，一个所述波动鳍本体设置于所述机器人本体的下侧以构成单波动鳍结构。

优选地，所述波动鳍还设有传动件和若干装设于所述传动件的夹持件，所述驱动模块通过所述传动件驱动所述夹持件运动，若干所述夹持件夹持所述波动鳍本体的不同位置，所述夹持件与所述波动鳍本体可拆卸连接。

优选地，所述驱动模块包括用于驱动所述波动鳍本体摆动的第一驱动模块以及用于调整所述波动鳍的姿态的第二驱动模块。

优选地，所述机器人本体为密封的箱体，所述箱体中设有电源以及与所述第一驱动模块、所述第二驱动模块和所述旋翼连接的控制组，所述控制组具有控制通讯电路板以及电子调速器。

优选地，所述传动件包括凸轮摆动筒、摆动杆和若干凸轮，所述摆动杆转动装设于所述凸轮摆动筒中，若干所述凸轮固定于所述摆动杆的不同位置；所述夹持件的位置与所述凸轮一一对应，所述夹持件包括摆动部、安装部、连接部和夹持部，所述摆动部与所述凸轮接触，所述安装部连接所述摆动部且转动装设于所述凸轮摆动筒，所述连接部安装于所述安装部且连接所述夹持部，所述夹持部夹持所述波动鳍本体。

优选地，相邻的所述夹持件安装的初始角度的差值为^θ _m且与所述摆动杆的最大摆动角度相同。

优选地，若干所述夹持件等间距均匀布置。

相对于上述背景技术，本发明所提供的复合驱动水下机器人包括机器人本体、波动鳍、驱动模块和旋翼，波动鳍、驱动模块和旋翼均设置于机器人本体，驱动模块连接并驱动波动鳍。该复合驱动水下机器人具有复合驱动的特点，由波动鳍提供推进的运动，由旋翼提供升降的运动；上述复合驱动水下机器人既能适应复杂的水下环境高速静音运动，又可以在水中定深定向游动和悬停。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的复合驱动水下机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的波动鳍的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的夹持件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的波动接头的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的摆动接头的结构示意图。

其中：

1-机器人本体、2-第一驱动模块、3-第二驱动模块、4-波动鳍、5-固定件、6-旋翼、41-传动件、42-夹持件、43-波动鳍本体、401-凸轮摆动筒、402-摆动杆、403-凸轮、404-波动接头、405-摆动接头、421-摆动部、422-安装部、423-连接部、424-夹持部、4041-波动安装座、4042-波动连接头、4051-摆动安装座、4052-摆动连接头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图5，其中，图1为本发明实施例提供的复合驱动水下机器人的结构示意图，图2为本发明实施例提供的波动鳍的结构示意图，图3为本发明实施例提供的夹持件的结构示意图，图4为本发明实施例提供的波动接头的结构示意图，图5为本发明实施例提供的摆动接头的结构示意图。

在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的复合驱动水下机器人包括机器人本体1、波动鳍4、驱动模块和旋翼6，波动鳍4、驱动模块和旋翼6均设置于机器人本体1，驱动模块连接并驱动波动鳍4。

在本实施例中，波动鳍4的作用在于为水下机器人提供推进的运动，类似于仿生波动鳍；旋翼6的作用在于为水下机器人提供升降的运动，类似于旋翼推进器。

本实施例在现有的仿生水下机器人的基础上进行改进，通过增加旋翼6，从而解决现有的仿生水下机器人不具备高速沉浮和定深悬停功能的问题。本实施例提供的复合驱动水下机器人具有复合驱动的特点，既能适应复杂的水下环境高速静音运动，又可以在水中定深定向游动和悬停，让机器人能够在水中实现高效推进、灵活转向、快速上升下潜及定深悬停等功能。

需要说明的是，本实施例中的旋翼6的设置方式有多种，包括但不限于不同数量的旋翼结构，同应属于本实施例的说明范围。

示例性的，旋翼6的数量为四个，四个旋翼6分布于机器人本体1的四角以构成四旋翼结构。

在本实施例中，复合驱动水下机器人的旋翼部分为四旋翼结构，能够提供稳定的定深悬停作业功能。

与此类似的，本实施例中的波动鳍4的设置方式有多种，包括但不限于不同数量的波动鳍结构，同应属于本实施例的说明范围。

示例性的，波动鳍4设有一个波动鳍本体43，一个波动鳍本体43设置于机器人本体1的下侧以构成单波动鳍结构。

在本实施例中，复合驱动水下机器人的波动鳍部分为单波动鳍结构，实现仿生式前进、后退、转弯运动，能够提供高效和静音运动功能。

需要注意的是，本实施例中的复合驱动水下机器人兼具四旋翼结构和单波动鳍结构，具体为一种四旋翼单波动鳍复合驱动水下机器人，结合了四旋翼和波动鳍二者优点，提高机器人在水下运动的效率和机动性、实现定深悬停作业的功能以及实现静音运动和作业的功能，可应用于军事、资源探索、巡检、物资运输等领域。

现有的水下机器人基于仿生学的方法建立了许多构型，例如仿水母、仿乌贼和仿鱼类等。仿水母机器人结构简单，体积小，但其水下推进效率较低导致稳定推进速度不理想；仿生乌贼的推进速度可以到达一个较为稳定的范围，但其不适合长时间巡航；由于自然界中鱼的种类繁多，因此水下仿生机器人可以模拟的对象众多。

本发明提出的四旋翼单波动鳍复合驱动水下机器人采用了仿生鱼-尼罗河魔鬼的灵感，尼罗河魔鬼通过摆动躯体实现高效的前进后退运动。然而，依赖单一驱动的水下机器人并不具备高速沉浮和定深悬停的功能。所以通过结合四旋翼结构和单波动鳍结构的优点即可实现机器人在水下的高效静音运动和定深悬停等功能。

为了更好的技术效果，机器人本体1采用轻型材料制造，机器人本体1设有固定件5具有调节安装位置的不同孔位，固定件5供波动鳍4和驱动模块安装。

在本实施例中，复合驱动水下机器人的旋翼部分，即旋翼6通过安装旋翼6的安装板安装在机器人本体1上；复合驱动水下机器人的波动鳍部分，即驱动模块和波动鳍4通过固定件5安装在机器人本体1上。固定件5具体为固定杆件，通过固定杆件上的安装孔位进行不同位置的具体安装；通过固定杆件，可以实现波动鳍4与机器人本体1距离的调整、不同长度波动鳍4与机器人本体1的装配。

示例性的，波动鳍4还设有传动件41和若干装设于传动件41的夹持件42，若干夹持件42夹持波动鳍本体43的不同位置，夹持件42与波动鳍本体43可拆卸连接。

在本实施例中，传动件41安装于机器人本体1，驱动模块与传动件41连接，驱动模块通过传动件41驱动夹持件42运动，夹持件42再带动波动鳍本体43运动，从而实现复合驱动水下机器人的波动鳍部分的动作。

进一步的，驱动模块包括用于驱动波动鳍本体43摆动的第一驱动模块2以及用于调整波动鳍4的姿态的第二驱动模块3。

在本实施例中，驱动模块分为两种，第一驱动模块2用于提供复合驱动水下机器人的波动鳍部分的动作中推进所需的动力，具体体现在使波动鳍本体43波动产生推进机器人本体1的动力；第二驱动模块3用于提供复合驱动水下机器人的波动鳍部分的动作中调姿所需的动力，具体体现在使波动鳍4姿态调整如左右方向的角度转动。

适应性的，传动件41包括传动本体以及装设于传动本体的波动接头404和摆动接头405，传动本体分为固定的部分和活动的部分，活动的部分装设于固定的部分，夹持波动鳍4的夹持件42装设于活动的部分，固定的部分安装于机器人本体1；波动接头404与第一驱动模块2匹配且与活动的部分相连，摆动接头405与第二驱动模块3匹配且与传动本体固定的部分相连。在工作中，第一驱动模块2通过波动接头404驱动传动本体中活动的部分，使夹持件42及其夹持的波动鳍4运动；第二驱动模块3通过摆动接头405驱动传动本体中固定的部分，使传动本体整体运动。

简而言之，第一驱动模块2驱动夹持件42带动波动鳍本体43运动，此时夹持件42和波动鳍本体43的动作是相对传动件41而言的；第二驱动模块3驱动波动鳍4运动，此时传动件41、夹持件42和波动鳍本体43的动作是相对机器人本体1而言的。

示例性的，机器人本体1为密封的箱体，箱体四周留有带孔矩形长条通过螺栓紧固可扩展各种功能性装置，箱体中设有电源以及与第一驱动模块2、第二驱动模块3和旋翼6连接的控制组，控制组具有控制通讯电路板以及电子调速器。

在本实施例中，第一驱动模块2具体为波动鳍电机模块，第二驱动模块3具体为波动鳍舵机模块，电源为电池，控制组为控制通讯电路板、旋翼水下推进器电调、波动鳍调姿舵机电调。波动鳍舵机模块与波动鳍电机模块均通过各自的导线与控制组连接，波动鳍舵机模块用来控制机器人运动方向，波动鳍电机模块通过电机带动波动鳍运动驱动机器人，控制通讯电路板用来交换机器人的各种信息，水下机器人通过优化控制算法精确调整机器人在水中的运动方式和姿态。波动鳍舵机模块与波动鳍电机模块内的电机通过简单的减速机构与传动件41紧固连接，实现有效传动。

在一种具体的实施方式中，传动件41中的传动本体包括凸轮摆动筒401、摆动杆402和若干凸轮403，凸轮摆动筒401作为传动本体中固定的部分，摆动杆402和若干凸轮403作为传动本体中活动的部分。

其中，波动接头404和摆动接头405分别装设于凸轮摆动筒401的前后两端，波动接头404具有固定于凸轮摆动筒401端部的波动安装座4041和波动连接头4042，波动连接头4042活动装配于波动安装座4041，波动连接头4042可转动，波动连接头4042使摆动杆402和第一驱动模块2相连，实现第一驱动模块2对摆动杆402的驱动；摆动接头405具有固定于凸轮摆动筒401端部的摆动安装座4051和摆动连接头4052，摆动连接头4052与摆动安装座4051固定为一体，摆动连接头4052使凸轮摆动筒401和第二驱动模块3，实现第二驱动模块3对凸轮摆动筒401的驱动。

除此以外，摆动杆402转动装设于凸轮摆动筒401中，若干凸轮403固定于摆动杆402的不同位置；夹持件42的位置与凸轮403一一对应，夹持件42包括摆动部421、安装部422、连接部423和夹持部424，摆动部421与凸轮403接触，安装部422连接摆动部421且转动装设于凸轮摆动筒401，连接部423安装于安装部422且连接夹持部424，夹持部424夹持波动鳍本体43。

在本实施例中，第一驱动模块2通过波动接头404与凸轮摆动筒401中的摆动杆402传动连接，第一驱动模块2驱动摆动杆402转动，摆动杆402带动凸轮403转动，凸轮403在不同角度时外径变化，摆动部421受凸轮403作用动作，摆动部421使夹持件42以安装部422为轴转动，夹持件42使连接部423和夹持部424动作，从而实现对波动鳍本体43的驱动。

另外，第二驱动模块3通过摆动接头405与凸轮摆动筒401连接，第二驱动模块3驱动凸轮摆动筒401转动，进而调整波动鳍4的姿态。

示例性的，若干夹持件42等间距均匀布置。

在本实施例中，波动鳍4置于机器人本体1下部，波动鳍本体43通过多个等距间隔布置的夹持件42安装在传动件41上。

进一步的，相邻的夹持件42安装的初始角度的差值为θ_m且与摆动杆402的最大摆动角度相同。

在本实施例中，相邻的夹持件42安装的初始角度的差值为θ_m，θ_m为最大摆动角度，传动件41为凸轮摆盘组合，采用凸轮403拟合正弦曲线。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的复合驱动水下机器人进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合驱动水下机器人，其特征在于，包括机器人本体(1)，所述机器人本体(1)设有波动鳍(4)和连接并驱动所述波动鳍(4)的驱动模块，所述机器人本体(1)还设有旋翼(6)。

2.根据权利要求1所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述旋翼(6)的数量为四个，四个所述旋翼(6)分布于所述机器人本体(1)的四角以构成四旋翼结构。

3.根据权利要求1所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)设有供所述波动鳍(4)和所述驱动模块安装的固定件(5)，所述固定件(5)具有调节安装位置的不同孔位。

4.根据权利要求1至3任一项所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述波动鳍(4)设有一个波动鳍本体(43)，一个所述波动鳍本体(43)设置于所述机器人本体(1)的下侧以构成单波动鳍结构。

5.根据权利要求4所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述波动鳍(4)还设有传动件(41)和若干装设于所述传动件(41)的夹持件(42)，所述驱动模块通过所述传动件(41)驱动所述夹持件(42)运动，若干所述夹持件(42)夹持所述波动鳍本体(43)的不同位置，所述夹持件(42)与所述波动鳍本体(43)可拆卸连接。

6.根据权利要求5所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述驱动模块包括用于驱动所述波动鳍本体(43)摆动的第一驱动模块(2)以及用于调整所述波动鳍(4)的姿态的第二驱动模块(3)。

7.根据权利要求6所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)为密封的箱体，所述箱体中设有电源以及与所述第一驱动模块(2)、所述第二驱动模块(3)和所述旋翼(6)连接的控制组，所述控制组具有控制通讯电路板以及电子调速器。

8.根据权利要求6所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，所述传动件(41)包括凸轮摆动筒(401)、摆动杆(402)和若干凸轮(403)，所述摆动杆(402)转动装设于所述凸轮摆动筒(401)中，若干所述凸轮(403)固定于所述摆动杆(402)的不同位置；所述夹持件(42)的位置与所述凸轮(403)一一对应，所述夹持件(42)包括摆动部(421)、安装部(422)、连接部(423)和夹持部(424)，所述摆动部(421)与所述凸轮(403)接触，所述安装部(422)连接所述摆动部(421)且转动装设于所述凸轮摆动筒(401)，所述连接部(423)安装于所述安装部(422)且连接所述夹持部(424)，所述夹持部(424)夹持所述波动鳍本体(43)。

9.根据权利要求8所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，相邻的所述夹持件(42)安装的初始角度的差值为_θm且与所述摆动杆(402)的最大摆动角度相同。

10.根据权利要求8所述的复合驱动水下机器人，其特征在于，若干所述夹持件(42)等间距均匀布置。

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