一种模块化水下蛇形机器人的制作方法

专利2022-05-09  3


本发明涉及一种模块化水下蛇形机器人结构,属于机械设计技术领域。



背景技术:

水下蛇形机器人是一种高冗余度移动机器人,具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度,两自由度多关节结构使得机器人可以灵活改变自身的形状与角度,在水下实现蛇形行动;另外蛇形机器人在水下的工作效率更高。这些特点使得蛇形机器人可在水下人类难以到达的地方进行隐蔽工作,增加了安全系数,同时可减少人类因体力不足等因素引起的一系列误差将人类从繁重、危险的工作环境中解脱出来,由水下蛇形机器人代替人进行复杂工作,在军事侦察、海底资源勘测、输油管道检查清洗、钻井平台水下结构检测与维修、水底电缆检测、海上养殖以及大坝水下坝体检测等领域作用巨大。

为实现水下管线检测及军事侦查等任务需求,本发明设计一款新型模块化蛇形机器人。为满足其水下任务需求,蛇形机器人需具有极高的防水性能、较高的灵活性和移动速度以及一定的续航能力,据此设计水下蛇形机器人相关机械结构。

沈阳自动化研究所研发的一种水陆两栖蛇形机器人(申请号为cn200810229974.1),由多个模块组成,各模块可相对转动地相连接,两相邻模块中的一个可相对另一个水平偏转及俯仰运动,每个模块由两个电动机和减速齿轮以及锥齿轮组成,每个模块具有三个自由度。上述水陆两栖机器人虽可以不受环境约束在陆地和水中运动,但其水中运动能力和运动速度不能水中满足实际任务需求。

苏州大学研发的一种水下蛇形机器人(申请号为cn201410102191.2),由多个模块组成,模块间固定连接,模块包括可多方向偏转的本体及设置在本体两端部的连接部,本体包括多个空心环。空心环均设有四个活动连接点,其中相对的两个活动连接点设置在空心环上表面,另两个活动连接点设置在所述空心环下表面,相邻的空心环通过活动连接点活动连接。上述水下蛇形机器人虽运动灵活,但其水中运动能力较弱,难以实现工程应用。目前现有的水下蛇形机器人,虽然能够特定方式实现水下蛇形蜿蜒运动,并具有一定的运动灵活性,但是单一通过蛇形蜿蜒运动水下能力较弱,续航能力较差,难以满足真正的水下工作任务需求。



技术实现要素:

本发明针对现有水下蛇形机器人存在的缺点,设计相应关节机械结构,使每个关节具有俯仰和偏航两个自由度,满足蛇形机器人运动需求,同时保证蛇形机器人的运动灵活性。同时为满足蛇形机器人水下防水要求,每个舱段连接处均需进行密封处理,并在关节处安装有橡胶波纹管实现防水功能。在上述基础上,为进一步提高蛇形机器人的水下运动和续航能力,安装有多个舱体螺旋桨推进器和舱侧螺旋桨推进器,作为机器人水下运动的动力来源;同时为实现机器人快速上浮下潜等运动,舱侧螺旋桨推进器可根据控制指令旋转一定角度,运动方式更加多样。

为实现蛇形机器人水下灵活运动,并具有具有极高的防水性能、较高的灵活性和移动速度以及一定的续航能力,本发明设计了一种新型模块化水下蛇形机器人。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

本发明由探测舱、主控舱、尾舱以及2个动力舱等5个舱段组成,按照探测舱、动力舱、主控舱、动力舱、尾舱的安装连接顺序通过4个万向关节转向机构将各个舱段依次固定连接,并利用导流罩加以固定,保证机器人连接的紧密性和密封性,同时为减少水下运动阻力,探测头罩采用半球形结构,机器人外壳采用圆柱形结构。

在上述技术方案中,所述探测舱由探测头罩、外壳、摄像头、支架及内部电池组成,探测头罩为透明亚克力板材质;所述中控舱由外壳、各类传感器、支架、电池及内部配重板组成;所述尾舱由外壳、尾罩、电池、电路开关、线缆接口及外部不锈钢连接环组成;所述动力舱由外壳、两个舱体螺旋桨推进器、两个舱侧螺旋桨推进器及内部旋转舵机组成,舱侧螺旋桨推进器通过旋转连杆机构与内部旋转舵机连接,推进角度可以调节。

在上述技术方案中,所述万向关节转向机构,由舵机保护舱、旋转支撑、旋转框架、齿轮驱动机构、密封连接板组成,其中舵机保护舱包括保护舱外壳、内部旋转舵机、密封连接板以及贯穿保护舱的空心螺栓和空心管,内部旋转舵机通过u字形支架进行固定,并利用外伸传动机构对齿轮驱动机构进行驱动;齿轮驱动机构包括第一动力齿轮、第二动力齿轮、第一连接齿轮、第二连接齿轮及第一~第四转向齿轮,第一、第二动力齿轮分别通过传动机构固定连接于舵机的输出轴,第一动力齿轮与第一连接齿轮正交啮合,第二动力齿轮与第二连接齿轮正交啮合,第一连接齿轮与第一转向齿轮、第二连接齿轮与第二转向齿轮分别通过焊接固定,并对称固定连接于同一旋转杆,第三、四转向齿轮与第一、二转向齿轮均正交啮合,第三转向齿轮与第四转向齿轮对称分布;第一连接齿轮、第二连接齿轮、第三转向齿轮、第四转向齿轮均通过端盖安装在旋转框架上,旋转框架通过端盖安装在旋转支撑上,旋转支撑安装在密封连接板上,整个差速驱动机构各个齿轮连动。

在上述技术方案中,所述关节转向机构,其各方向转向角度30°。

在上述技术方案中,所述关节转向机构为满足防水性能要求外部安装有可伸缩的防水护套,能适应各个方向的伸缩扭曲,不影响关节的运动灵活性。

在上述技术方案中,所述水下蛇形机器人各连接、运动机构设计侧重提高水下密封防水性能,连接机构加入静密封,运动旋转机构加入动密封。

在上述技术方案中,所述密封连接板上设有空心螺栓、空心管,用于各舱段之间走线。

在上述技术方案中,所述水下蛇形机器人为保证运动灵活,各旋转运动机构均安装有轴承。

在上述技术方案中,通过设计两自由度关节旋转机构,使水下蛇形机器人具有较高的运动灵活性;通过舱段内部搭载多个大容量锂电池满足水下蛇形机器人长续航要求;通过8个螺旋桨推进器协同工作使蛇形机器人在水下具有较高的运动能力。

本发明的优点及有益效果为:

1、本发明采用螺旋桨推进器作为水下运动主要的动力来源,舱内携带多块大容量大容量锂电池,同时采用关节旋转和螺旋桨推进器协同工作的方式,在保证机器人水下运动灵活性的基础上,进一步提升了机器人水下运动和续航能力。

2、本发明在连接处安装有动密封和静密封,并在关节处安装有橡胶螺纹管,满足机器人水下防水性能要求。

3、本发明设计采用模块化的思想,各个舱段根据功能可分为不同舱段,实际应用中可根据具体工作需求增加或者减少相应舱段。

本发明机器人舱内预留空间较大,可根据要求添加各种任务载荷。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1为本发明新型模块化水下蛇形机器人的整体机构示意图

图2为本发明新型模块化水下蛇形机器人探测舱示意图

图3为本发明新型模块化水下蛇形机器人中控舱示意图

图4为本发明新型模块化水下蛇形机器人尾舱示意图

图5为本发明新型模块化水下蛇形机器人动力舱示意图

图6为本发明新型模块化水下蛇形机器人关节转向机构示意图

图7为本发明新型模块化水下蛇形机器人齿轮驱动机构示意图

附图中,各标号所代表的部件和参数类型列表如下:1-探测舱;2-中控舱;3-尾舱;4-动力舱;5-万向关节转向机构;6-导流罩;7-探测头罩;8-外壳;9-舵机保护舱;10-旋转支撑;11-旋转框架;12-齿轮驱动机构;13-密封连接板;14-保护舱外壳;15-空心螺栓;16-空心管;17-第一动力齿轮;18-第二动力齿轮;19-第一连接齿轮;20-第二连接齿轮;21-第一转向齿轮;22-第二转向齿轮;23-第三转向齿轮;24-第四转向齿轮;25-端盖;26-防水护套;27-支架;28-尾罩;29-电路开关;30-线缆接口;31-不锈钢连接环;32-舱体螺旋桨推进器,33-舱侧螺旋桨推进器。

具体实施方式

参见图1,本发明为一种新型模块化水下蛇形机器人机构,该机构由探测舱(1)、中控舱(2)、尾舱(3)以及2个动力舱(4)等5个舱段组成,按照探测舱(1)、动力舱(4)、主控舱(2)、动力舱(4)、尾舱(3)的安装连接顺序通过4个万向关节转向机构(5)将各个舱段依次固定连接,并利用导流罩(6)加以固定,保证机器人连接的紧密性和密封性,为减少水下运动阻力,探测头罩(7)采用半球形结构,机器人外壳(8)采用圆柱形结构。

参见图2,所述为水下蛇形机器人探测舱段示意图,根据权利要求1所述的一种新型模块化水下蛇形机器人机构,其特征在于:所述探测舱(1)由探测头罩(7)、外壳(8)、内部摄像头、支架(27)及内部电池组成,探测头罩(7)为透明亚克力板材质,满足摄像头水下视频采集的功能需求,支架用于放置实现蛇形机器人水下工作的各类电子器件,内部电池为各电子器件、后续舵机及螺旋桨推进器供电。

参见图3,所述为水下蛇形机器人中控舱段示意图,中控舱(2)由外壳(8)、各类传感器、控制器、支架(27)、电池及内部配重块组成,所述控制器整合各个传感器采集到的信息,获取蛇形机器人的水下运动状态,并将之发送给上位机,上位机发出相应控制指令进而通过控制器实现对蛇形机器人的各种控制,所述配重板用于平衡蛇形机器人的浮力及平衡状态。

参见图4,所述为水下蛇形机器人尾舱舱段示意图,尾舱(3)由外壳(8)、尾罩(28)、电池、电路开关(29)、线缆接口(30)及外部不锈钢连接环(31)组成,所述电路开关(29)为整个水下蛇形机器人电气系统的总开关,控制电路的通断;所述充电线缆接口(30)用于水下蛇形机器人内部电池的充电;所述外部不锈钢连接环(31)用于固定连接绳,实现水下蛇形机器人的回收。

参见图5,所述为水下蛇形机器人动力舱段示意图,动力舱(4)由外壳(8)、两个舱体螺旋桨推进器(32)、两个舱侧螺旋桨推进器(33)及内部旋转舵机组成,舱侧螺旋桨推进器(33)通过旋转连杆机构与内部旋转舵机连接,推进角度可以调节;通过控制内部旋转舵机调节舱侧螺旋桨推进器(33)的旋转角度实现不同的水下运动状态。

参见图6-7,所述为水下蛇形机器人万向关节转向机构示意图及齿轮机构示意图,万向关节转向机构(5),由舵机保护舱(9)、旋转板(10)、旋转支架(11)、齿轮驱动机构(12)、密封连接板(13)组成,所述舵机保护舱包括保护舱外壳(14)、内部旋转舵机、密封连接板(13)以及贯穿保护舱的空心螺栓(15)和空心管(16),内部旋转舵机通过u字形支架进行固定,并利用外伸传动机构对齿轮驱动机构进行驱动;齿轮驱动机构(12)包括第一动力齿轮(17)、第二动力齿轮(18)、第一连接齿轮(19)、第二连接齿轮(20)及第一~第四转向齿轮(21-24),第一、第二动力齿轮(17、18)分别通过传动机构固定连接于舵机的输出轴,第一动力齿轮(17)与第一连接齿轮(19)正交啮合,第二动力齿轮(18)与第二连接齿轮(20)正交啮合,第一连接齿轮(19)与第一转向齿轮(21)、第二连接齿轮(20)与第二转向齿轮(22)分别通过焊接固定,并对称固定连接于同一旋转杆,第三、四转向齿轮(23、24)与第一、二转向齿轮(21、22)均正交啮合,第三转向齿轮(23)与第四转向齿轮(24)对称分布;第一连接齿轮(19)、第二连接齿轮(20)、第三转向齿轮(23)、第四转向齿轮(24)均通过端盖(25)安装在旋转框架(11)上,旋转框架通过端盖(25)安装在旋转支撑上,旋转支撑安装在密封连接板上(13),整个差速驱动机构各个齿轮连动;所述万向关节转向机构(5),其俯仰、偏航转向角度为30°;所述万向关节转向机构(5)为满足防水性能要求外部安装有可伸缩的防水护套(26),能适应各个方向的伸缩扭曲,不影响关节的运动灵活性。

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