阅读说明：本技术 一种带有变角度螺旋桨的球形水底移动机器人 (Spherical underwater mobile robot with variable-angle propeller ) 是由 李艳生 杨美美 魏博 汪从哲 张毅 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a spherical underwater mobile robot with variable-angle propellers, which comprises: the robot is mainly divided into three parts in the shape layout: a left spherical cap structure, a middle main sphere structure and a right spherical cap structure; the robot is mainly divided into three mechanisms in the aspect of driving: the left variable-angle propeller driving mechanism, the center two-degree-of-freedom pendulum driving mechanism and the right variable-angle propeller driving mechanism; the robot is driven by the heavy pendulum to roll, one part of water bottom moving power is provided by the aid of water bottom friction, the angles and thrust of the propellers in the spherical crowns on two sides are regulated and controlled at the same time, and the other part of water bottom advancing power is provided, so that the water bottom steering capacity, the water bottom climbing capacity and the water bottom obstacle crossing capacity of the robot are greatly improved; the robot is driven by a propeller and a heavy pendulum in a mixed mode, is flexible in underwater motion, sufficient in power and good in safety, can be used as a mobile platform to load a sensor, and executes environment detection and information acquisition tasks at the underwater.)

一种带有变角度螺旋桨的球形水底移动机器人

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

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种运动灵活、动力更足的螺旋桨与重摆混合驱动的球形水底移动机器人。本发明的技术方案如下：

一种带有变角度螺旋桨的球形水底移动机器人，其包括左球冠、中间主球体和右球冠；所述左球冠、中间主球体和右球冠连接并形成机器人球体；所述机器人球体内设置有驱动机构，包括：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；所述左侧变角度螺旋桨驱动机构及右侧变角度螺旋桨驱动机构分别用于驱动左球冠、右球冠旋转，改变左螺旋桨推力角度或右螺旋桨推力角度，提供一部分水底移动的动力；中心两自由度重摆驱动机构用于根据重摆驱动球壳滚动，依靠水底摩擦力提供另一部分水底移动的动力，所述中心两自由度重摆驱动机构和左侧变角度螺旋桨驱动机构及右侧变角度螺旋桨驱动机构通过配合实现混合驱动。

进一步的，所述机器人的左侧变角度螺旋桨驱动机构包括左球冠、左螺旋桨、左球冠电机和左支架，左球冠有导管前后贯穿，左螺旋桨安装在第一导管中心，左球冠的转轴的端部装有第一齿轮，第一齿轮与左球冠电机输出轴端部齿轮啮合，左球冠电机固定安装在左支架上面，在左球冠电机的驱动下，左球冠可以沿着转轴的中心线相对主球体转动，进而改变左螺旋桨的角度；

所述机器人的右侧变角度螺旋桨驱动机构包括右球冠、右螺旋桨、右球冠电机和右支架，右球冠有第二导管前后贯穿，右螺旋桨安装在第二导管中心，右球冠的转轴的端部装有第二齿轮，第二齿轮与右球冠电机输出轴端部齿轮啮合，右球冠电机固定安装在右支架上面，在右球冠电机的驱动下，右球冠可以沿着转轴的中心线相对主球体转动，进而改变右螺旋桨的角度。

进一步的，所述机器人中心两自由度重摆驱动机构主要包括：横轴、摆块、前摆电机和侧摆电机，所述横轴的两端分别与左支架和右支架的中心孔相连接，横轴上有第三齿轮与前摆电机输出轴端部齿轮啮合，摆块位于横轴的下面，摆块转动轴与横轴的转动轴相互垂直，摆块转动轴上的第四齿轮与横轴上的侧摆电机输出轴端部齿轮啮合，在前摆电机的驱动下，摆块可以前后摆动，在侧摆电机的驱动下摆块可以左右摆动。

进一步的，所述机器人总体受到的重力大于所受浮力，机器人球壳与水底接触，在前摆电机的驱动下，摆块向前摆动，中间主球体部分受到反作用力矩会发生转动，球壳与水底产生摩擦力，牵引机器人在水底以滚动方式移动，在侧摆电机的驱动下，摆块左右摆动，用于改变摩擦力方向，实现机器人转向，在左球冠电机和右球冠电机的驱动下，左球冠和右球冠转动，调整左螺旋桨和右螺旋桨的推力方向与机器人期望的运动方向相同。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的优点在于根据水底环境和水底观测机器人的运动要求，发明了一种带有变角度螺旋桨的水底移动机器人；这种小型水底机器人具有球状壳体，在水底运动时抗压能力强，有利于保护内部电子元件，水底地形通过能力好，尤其是在不改变球形机器人原有外形结构的基础上，创新性提出变角度螺旋桨驱动机构，其中变角度螺旋桨驱动机构包括球冠、螺旋桨、球冠电机和支架，球冠有导管前后贯穿，螺旋桨安装在导管中心，球冠的转轴的端部装有齿轮，齿轮与球冠电机输出轴端部齿轮啮合，球冠电机固定安装在支架上面，在球冠电机的驱动下，球冠可以沿着转轴的中心线相对主球体转动，进而改变螺旋桨的角度。这种球形机器人在水底移动时不但可以通过重摆驱动球壳滚动，还可以在变角度螺旋桨驱动机构作用下，调节螺旋桨相对主球体的的推力方向，使其与机器人滚动方向始终保持一致，为机器人转向、爬坡和越障提供更充足的动力，使所发明的机器人在复杂水底环境下执行观测任务的安全性和可靠性得到保证。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的机器人外观示意图

图2为本发明的机器人装配示意图

图3为本发明的机器人左侧变角度螺旋桨驱动装置示意图

图4为本发明的机器人两自由度重摆驱动装置示意图

图中标号：1：左半球壳，2：右半球壳，3：左球冠，4：右球冠，5：左螺旋浆，6：右螺旋浆，7：左支架，8：右支架，9：摆轴，10：摆块，11：左球冠电机，12：右球冠电机，13：前摆电机，14：侧摆电机。

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

图1为发明的机器人外观示意图：从图中可以看到左螺旋浆5安装在左球冠3的导管中间内部，右螺旋浆6安装在右球冠4的导管中间内部，左半球壳1与右半球壳2固连在一起组成中间主球体,主球体与左球冠3和右球冠4组成机器人正球外形。

图2为本发明的机器人装配示意图：为了便于说明内部结构，图中右球冠4的转轴由右半球2的端面中心孔支撑，右球冠4的转轴端部装有齿轮，与右球冠电机12输出轴端部齿轮啮合，右球冠电机12固定安装在右支架8上面，右支架8固定在右半球壳2内部端面。同理，根据机器人对称结构设计和安装，左球冠3、左半球壳1、左支架7和左球冠电机11的装配方式与机器人右半部分相同。横轴9的两端由左支架7和右支架8的中心孔支撑，横轴9上右侧的齿轮与前摆电机13输出轴端部齿轮啮合，摆块10位于横轴9的下面，摆块10转动轴与横轴9轴转动相互垂直，摆块10转动轴上的齿轮与横轴9上的侧摆电机14输出轴端部齿轮啮合。

图3为本发明的机器人左侧变角度螺旋桨驱动装置示意图：左球冠3有导管前后贯穿，左螺旋桨5安装在导管中心，左球冠3的转轴的端部装有齿轮，与左球冠电机11输出轴端部齿轮啮合，左球冠电机11固定安装在左支架7上面，在左球冠电机11的驱动下，左球冠3可以沿着转轴的中心线相对左半球1转动，进而调整左螺旋桨5的角度。

图4为本发明的机器人两自由度重摆驱动装置示意图：横轴9的两端由左支架7和右支架8的中心孔支撑，横轴9上有齿轮与前摆电机13输出轴端部齿轮啮合，摆块10位于横轴9的下面，摆块10转动轴与横轴9的转动轴相互垂直，摆块10转动轴上的齿轮与横轴9上的侧摆电机14输出轴端部齿轮啮合，在前摆电机13的驱动下，摆块10可以前后摆动，在侧摆电机14的驱动下摆块可以左右摆动。

机器人螺旋桨与重摆混合驱动的水底移动过程：机器人的总体受到的重力大于所受浮力，机器人球壳与水底接触，在前摆电机13的驱动下，摆块10向前摆动，中间主球体部分受到反作用力矩会发生转动，球壳与水底产生摩擦力，牵引机器人在水底以滚动方式移动，在侧摆电机14的驱动下，摆块10左右摆动，可以改变摩擦力方向，实现机器人转向，在左球冠电机11和右球冠电机12的驱动下，左球冠3和右球冠4转动，调整左螺旋桨5和右螺旋桨6的推力方向与机器人期望的运动方向相同，可增加机器人的驱动力，进而提高机器人水底移动，转弯和越障的能力。

综上所述：所发明的一种球形水底移动机器人，具有左球冠结构，中间主球体结构和右球冠结构三部分外形结构。水底运动由右侧变角度螺旋桨、左侧变角度螺旋桨和中心两自由度重摆来驱动，依靠球可滚动在水底产生的摩擦力提供一部分动力，同时调控两侧球冠内螺旋桨推力方向，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，在螺旋桨与重摆混合驱动下，机器人水底运动灵活，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。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。