[发明专利]一种带有变角度螺旋桨的球形水底移动机器人

说明书

本发明公开了一种带有变角度螺旋桨的球形水底移动机器人：该种机器人在外形布局上主要分为三部分结构：左球冠结构，中间主球体结构和右球冠结构；该种机器人在驱动上主要分为三部分机构：左侧变角度螺旋桨驱动机构、中心两自由度重摆驱动机构和右侧变角度螺旋桨驱动机构；机器人重摆驱动球壳滚动，依靠水底摩擦力提供一部分水底移动的动力，同时调控两侧球冠内螺旋桨角度和推力，提供另一部分水底前进动力，所以机器人水底转向能力，水底爬坡能力和水底越障能力得到极大提高；该种机器人在螺旋桨与重摆混合驱动下，水底运动灵活，动力充足，安全性好，可以作为移动平台装载传感器，在水底执行环境探测和信息采集任务。

技术领域

本发明属于特种机器人领域，具体属于一种水底移动机器人。

背景技术

目前，进行水底未知环境信息收集已日益得到我国海洋部门的高度重视。水底矿产资源和水底生物的探测都与海洋科学研究和利用密切有关。尤其是详尽的收集水底环境信息一方面可以为海底科学研究提供丰富的原始数据，另一方面可以为水下建筑物选址或矿区安全巡察提供重要地图资料。研制一种水底适应能强和运动灵活的小型水底移动机器人，携带各种传感器，着落在水底长期进行水底环境观测，是当前水底机器人研究的重要内容。由此可见，发明一种球形水底移动机器人有着广泛的应用前景和科学研究意义。

随着小型水底观测机器人的研究逐渐深入，机器人种类也在不断增多，最常见的是螺旋桨驱动的定点观测方式，机器人需要一次性着落水底，才可长期观测，但不具备水底移动能力，观测灵活性受限。还有一种被广泛应用的是可水底移动的机器人，多采用履带式驱动结构，增大水底接触面积来适应水底复杂地形，但是运动效率低，容易翻倒。球形水底移动机器人具有抗压能力强、自保护安全性高和不会翻倒的优点，但是这种水底移动机器人仅靠水底摩擦力提供牵引力，容易产生动力不足，机动性差和越障能力弱问题。因此，为了使球形机器人能够在水底灵活移动，靠近水底进行更为细致的水底信息采集，综合不同驱动方式的水底机器人优缺点，研究一种动力足，运动灵活，水底适应性好和自我保护能力强的小型球形水底移动机器人具有重要意义。

与现有的公开的水底移机器人技术不同，本专利发明的这种具有球形态的小型机器人在水底移动可通过螺旋桨和重摆混合驱动，中间主球体结构外部球壳和内部重摆可以相对转动，球壳受到水底摩擦力作用，牵引机器人水底移动。当机器人需要水底转弯、水底爬坡或水底越障时，机器人两侧的球冠结构可以相对主球体结构转动，进而调节安装在球冠结构内的螺旋桨角度，使螺旋桨推力方向与机器人期望运动方向一致，增大机器人前进驱动力；本专利设计了变角度螺旋桨驱动机构和两自由度重摆驱动机构，两种机构互相配合充分利用重摆驱动球壳转动和螺旋桨推力方向可调节的特点，使所发明的机器人动力更充足、运动更灵活地在水底移动。

经过检索，最接近的现有技术为对比文件1CN103466063B，本发明公开了一种运动灵活的欠驱动球形水下机器人：该新型的球形水下机器人主要包括直线推进的导管螺旋桨机构，水平面飞轮转向机构，垂直面重摆俯仰机构和抗压的密封球壳结构；机器人具有新颖的转向机构，使其在水中可实现零半径转弯；单推进器设计满足造价较低，运行效率高的要求；带支撑架圆形透明外壳能够抵抗一定的深水压力，也可便于内部安装的传感器察探水域信息；可将该机器人作为侦察设备、水中与水底的操作系统和通讯系统的载体，执行人类无法直接完成的近海域多种作业任务。

本发明与专利CN103466063B对比有以下不同：本发明球冠与主球体组成球状，且球冠可以相对主球体转动，可改变螺旋桨相对主球体的推力角度，采用双螺旋桨推进，两自由度摆位于中间主球内。本发明主要优势在于提出一种可以与球壳相对转动的变角度螺旋桨驱动机构，可以改变螺旋桨推力角度，保证螺旋桨推力方向与机器人前进方向一致，这种机构配合重摆可提高机器人在水底越障能力；本发明采用双螺旋桨配置，转向动力充足且控制简单，而飞轮转向机构需要控制飞轮旋转改变角动量来产生力矩，这种机构不容易控制且转向力矩较小，影响机器人转向机动性；本发明采用两自由度重摆位于机器人本体中间位置，比位于两侧的重摆机构摆动空间大，因此能够提供更大的俯仰力矩。

发明内容