一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人

1.本发明涉及水下仿生机器人技术领域，具体指一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人。

背景技术：

2.随着海洋经济的发展以及仿生学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理论等学科的不断进步，探索海洋成为人类认识海洋、利用海洋资源、保护海洋环境的必然之举。但由于海洋中环境的复杂性，海洋工程作业(巡线、水质检测等)、水下救援受到阻碍，从而不利于海洋产业的发展，在救援时降低效率。
3.因此，水下仿生机器人应运而生。但是，传统的水下机器人普遍具有体积大、灵活度低等缺陷，大大降低了在复杂环境下完成各种任务的效率和精度，加大了作业难度。比如沉船内部、海底管道内部、海底钻井内部、珊瑚礁、水下溶洞、水库堤坝等等场景，如果水下机器人需要进入内部进行探测，那么如何通过狭小的通道进行内部，显然体积庞大的水下机器人无法做到的。因此，大量仿生机器人进入人们的视眼，这类仿生机器人缩小的体积，但是结构非常复杂，容易损坏，尤其是这类仿生机器人通常是通过摆动产生动力，在经过狭小的通道时，容易因为摆动导致碰撞。
4.水下蛇类机器人具有体积小、机动性能好、灵活性强、隐蔽性能好等优点，为水下探测工作提供了极大的便利，减少了不必要的能源损失。因此，探究水下蛇类运动机理，研制仿蛇机器人，具有十分重要的科学意义和应用前景。
5.本文提出了水下仿蛇机器人的构想以及基本设计方案，利用蛇的行为方式(蜿蜒前行)来改善现行水下机器人低灵活度、低自由度的缺陷。该系统通过视觉引导实现运动轨迹的控制，并主要实现以下两大功能：一是可以在复杂地形下实现多自由度的自主灵活运动控制，比如沉船内部、海底管道内部、海底钻井内部、珊瑚礁、水下溶洞、水库堤坝等等场景下的游动；二是机器蛇搭载了各类探测传感器，可以实时探测并记录多种水下数据，对于水下搜救、海洋探测、水下考古等领域具有重要价值。

技术实现要素：

6.本发明根据现有技术的不足，提出一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，具有体积小、机动性能好、灵活性强、隐蔽性能好等优点，为水下探测工作提供了极大的便利，减少了不必要的能源损失。因此，探究水下蛇类运动机理，研制仿蛇机器人，具有十分重要的科学意义和应用前景。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
8.一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，包括前舱、中间舱和尾舱，所述前舱、中间舱和尾舱结构相同且通过转向连接机构依次连接的，所述尾舱的尾部设置有推进机构，所述前舱包括舱体和舱盖，所述舱体两端相通，所述舱盖盖接在舱体的两端，所述舱体内设有重心调节结构，所述转向连接机构包括舵机、舵机固定架和转向架，所述舵机固定架
固定后侧舱体的头部，所述舵机固定安装在舵机固定架上，所述转向架固定设置在前侧舱体的尾部，所述转向架通过铰接件与舵机的输出端铰接。
9.作为优选，所述舱盖的外侧固定设置有压板，所述压板通过螺栓固定连接至舱体，所述舱盖的内侧固定设置有法兰，所述法兰的径向外壁设置有环形的凹槽，所述凹槽内设置有密封圈。
10.作为优选，所述密封圈上涂敷有硅脂。
11.作为优选，所述重心调节机构包括前连接板、连杆、配重块和后连接板，所述前连接板和后连接板分别固定在舱体前后两侧的法兰内壁，所述前后连接板的中心处均安装有轴承，所述连杆的两端分别连接至轴承，所述后连接板上安装有电机，所述电机的输出端通过联轴器与连杆的一端相连接，所述配重块固定安装在连杆上。
12.作为优选，所述连杆呈u型连接。
13.作为优选，所述所述前连接板和后连接板之间固定设置有分隔板。
14.作为优选，所述前舱的头部设置有透明的整流罩，所述整流罩内设置有探测设备。
15.作为优选，所述舱盖上设置有水密接插件。
16.作为优选，所述舱体内的电机为伺服电机，且同步运行。
17.作为优选，所述前舱和尾舱之间可设置若干中间舱。
18.本发明具有以下的特点和有益效果：
19.采用上述技术方案，水下蛇类机器人具有体积小、机动性能好、灵活性强、隐蔽性能好等优点，为水下探测工作提供了极大的便利，减少了不必要的能源损失。因此，探究水下蛇类运动机理，研制仿蛇机器人，具有十分重要的科学意义和应用前景。
20.水下仿蛇机器人的构想以及基本设计方案，结构简单，内部空间更多，可搭载更多的探测设备，从而可胜任更多探测、侦察等水下作业。
21.利用蛇的行为方式(蜿蜒前行)来改善现行水下机器人低灵活度、低自由度的缺陷。该系统通过视觉引导实现运动轨迹的控制，并主要实现以下两大功能：一是可以在复杂地形下实现多自由度的自主灵活运动控制，比如沉船内部、海底管道内部、海底钻井内部、珊瑚礁、水下溶洞、水库堤坝等等场景下的游动；二是机器蛇搭载了各类探测传感器，可以实时探测并记录多种水下数据，对于水下搜救、海洋探测、水下考古等领域具有重要价值。
22.另外，本发明的仿生机器人通过舵机的摆动实现机器人运行的变向，另外，通过带动配重块转动90
°
，进而配重块在重力的作用下可带动舱体转动90
°
，最终使得用于转向的舵机摆动方向也会随之转变90
°
，从而可实现任意方向的变向运动。而且每一节舱体之间都设置的转向连接机构，从而在整个变向运动过程更加顺畅。
附图说明
23.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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人的结构示意图。
25.图2为图1的内部透视图。
26.图3为图1中重心调节机构的结构示意图。
27.图中，1-前舱、101-压板、102-法兰、103-舱体、104-分隔板、105-舱盖、106-后连接板、107-连杆、108-配重块、109-前连接板、110-电机、111-联轴器、112-轴承、2-中间舱、3-尾舱、4-推进机构、401-推进器整流罩、402-推进器、5-转向连接机构、501-舵机、502-舵机固定架、503-转向架、6-整流罩。
具体实施方式
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.本发明提供了一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，如图1和图2所示，包括前舱1、中间舱2和尾舱3，所述前舱1、中间舱2和尾舱3结构相同且通过转向连接机5构依次连接的，其中中间舱2可根据实现水下作业的需求设置若干个。
32.进一步的，所述尾舱3的尾部设置有推进机构4，该推进机构作为防蛇形机器人的动力，其包括推进器整流罩401和推进器402，具体的，推进器整流罩呈圆筒状结构，其通过螺栓固定安装在尾舱的尾部，其推进器整流罩的筒壁上呈等分设置有若干通孔，所述推进器安装在推进器整流罩内。
33.本实施例的进一步设置，所述前舱1包括舱体103和舱盖105，所述舱体两端相通，所述舱盖盖接在舱体的两端。舱体呈圆筒状结构，因此在水下游动阻力更下，对于动力的需求更小。另外，圆筒状结构的设置，内部空间更大，可装在更多的设备。需要说明的是，舱体的材料是由亚克力材质制成，因此可通过机器人的整体体积和重量计算出机器人在水下产生的浮力，因此在实际应用时，计算出机器人的浮力后，可通过在所有舱体内增加配重块，使得每个舱体在重力与在水中产生的浮力相同，从而可在水中任意位置游动。
34.进一步的，所述舱盖的外侧固定设置有压板101，所述压板101通过螺栓固定连接至舱体103，所述舱盖的内侧固定设置有法兰102，具体的，所述的压板、舱盖和法兰的外圈均匀布置有6个通孔，压板、舱盖和法兰的外圈通过螺栓连接，且固定连接至舱体的端部。另外，所述法兰102的径向外壁设置有环形的凹槽，所述凹槽内设置有密封圈。进而确保舱体
两端的密封效果，避免舱体内进水，进一步的，在密封圈上涂敷有硅脂，更好的起到密封效果，不仅对舱体的设备起到保护作用，避免避免改变舱体的自身重量，确保舱体的浮力与重力相同。
35.本发明的进一步设置，所述舱体内设有重心调节结构。重心调节结构设置，从而可通过重心的变换，带动舱体的转动，进而配合转向连接机构5，从而实现机器人任意方向的变向。
36.具体的，如图3所示，所述重心调节机构包括前连接板106、连杆107、配重块108和后连接板109，所述前连接板和后连接板分别固定在舱体前后两侧的法兰内壁，所述前后连接板的中心处均安装有轴承112，所述连杆的两端分别连接至轴承，所述后连接板上安装有电机110，所述电机的输出端通过联轴器与连杆的一端相连接，所述配重块固定安装在连杆上。所述连杆呈u型连接。
37.另外，所述转向连接机构5包括舵机501、舵机固定架502和转向架503，所述舵机固定架固定后侧舱体的头部，所述舵机固定安装在舵机固定架上，所述转向架固定设置在前侧舱体的尾部，所述转向架通过铰接件与舵机的输出端铰接。具体的，舵机固定架502和转向架503可通过设置为u型支架实现。
38.上述技术方案中，连杆设置为u型机构，并将配重块安装在连杆上，从而确保舱体的重心位于舱体底部。工作时，通过电机带动连杆转动，从而配重块随之转动，同时配重块在重力的作用下，重新回落至舱体的底部，使得舱体的重心保持的底部，在这种过程重带动了舱体的转动。
39.可以想到的，舵机的运行是摆动，初始转动下，舵机水平沿x轴方向摆动，从而可实现前舱左右摆动，即在推进机构的配合下实现左右的变向，若需要上下摆动是，通过电机带动连杆转动90
°
，从而在配重块的作用下，舱体会反向转动90
°
，如此，舵机也会随之转动90
°
，进而舵机的运动则转变为沿y轴方向实现上下摆动，即在推进机构的配合下实现上下的变向。其中电机采用伺服电机，能够实现任意角度的转动，且同步运行。从而在整个变向和游动过程更加顺畅，并且减小了单个电机运动的负载。
40.可以理解的，通过电机驱动转动不同的角度，即可实现任意方向的变向。另外，在配合蛇形的机器人结构，从而能够通过任意狭小空间的通道。
41.本发明的进一步设置，所述所述前连接板和后连接板之间固定设置有分隔板104。通过设置分隔板上设置有通孔，用于固定主控板以及其他传感器以及各种电控模块。为后期的控制机构的安装提供了基础。所述舱盖上设置有水密接插件。通过水密接插件接入舱体内，从而进行信号的传输的同时，确保舱体内的密封性。
42.进一步的，所述前舱的头部设置有透明的整流罩，所述整流罩内设置有探测设备。在实际应用重，探测设备主要包括照明设置和视觉识别设备。
43.通过上述技术方案，可以想到的，通过本实施例利用蛇的行为方式(蜿蜒前行)来改善现行水下机器人低灵活度、低自由度的缺陷。另外再视觉引导实现运动轨迹的控制，并主要实现以下两大功能：一是可以在复杂地形下实现多自由度的自主灵活运动控制，比如沉船内部、海底管道内部、海底钻井内部、珊瑚礁、水下溶洞、水库堤坝等等场景下的游动；二是机器蛇搭载了各类探测传感器，可以实时探测并记录多种水下数据，对于水下搜救、海洋探测、水下考古等领域具有重要价值。
44.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，包括前舱、中间舱和尾舱，所述前舱、中间舱和尾舱结构相同且通过转向连接机构依次连接的，所述尾舱的尾部设置有推进机构，所述前舱包括舱体和舱盖，所述舱体两端相通，所述舱盖盖接在舱体的两端，所述舱体内设有重心调节结构，所述转向连接机构包括舵机、舵机固定架和转向架，所述舵机固定架固定后侧舱体的头部，所述舵机固定安装在舵机固定架上，所述转向架固定设置在前侧舱体的尾部，所述转向架通过铰接件与舵机的输出端铰接。2.根据权利要求1所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述舱盖的外侧固定设置有压板，所述压板通过螺栓固定连接至舱体，所述舱盖的内侧固定设置有法兰，所述法兰的径向外壁设置有环形的凹槽，所述凹槽内设置有密封圈。3.根据权利要求2所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述密封圈上涂敷有硅脂。4.根据权利要求1所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述重心调节机构包括前连接板、连杆、配重块和后连接板，所述前连接板和后连接板分别固定在舱体前后两侧的法兰内壁，所述前后连接板的中心处均安装有轴承，所述连杆的两端分别连接至轴承，所述后连接板上安装有电机，所述电机的输出端通过联轴器与连杆的一端相连接，所述配重块固定安装在连杆上。5.根据权利要求4所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述连杆呈u型连接。6.根据权利要求4所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述所述前连接板和后连接板之间固定设置有分隔板。7.根据权利要求1所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述前舱的头部设置有透明的整流罩，所述整流罩内设置有探测设备。8.根据权利要求1所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述舱盖上设置有水密接插件。9.根据权利要求4所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述舱体内的电机为伺服电机，且同步运行。10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，其特征在于，所述前舱和尾舱之间可设置若干中间舱。

技术总结

本发明公开了一种基于重心可调节的水下仿蛇型机器人，包括前舱、中间舱和尾舱，前舱、中间舱和尾舱结构相同且通过转向连接机构依次连接的，尾舱的尾部设置有推进机构，前舱包括舱体和舱盖，舱体两端相通，舱盖盖接在舱体的两端，舱体内设有重心调节结构，转向连接机构包括舵机、舵机固定架和转向架，舵机固定架固定后侧舱体的头部，舵机固定安装在舵机固定架上，转向架固定设置在前侧舱体的尾部，转向架通过铰接件与舵机的输出端铰接。该机器人具有体积小、机动性能好、灵活性强、隐蔽性能好等优点，为水下探测工作提供了极大的便利，减少了不必要的能源损失。因此，探究水下蛇类运动机理，研制仿蛇机器人，具有十分重要的科学意义和应用前景。义和应用前景。义和应用前景。