日期：2026-03-13　　阅读()　　发布：小编

　　1.本发明属于仿生水下机器人领域,具体涉及一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人。

　　3.海洋中蕴含着丰富的资源,随着科技的进步,人类对海洋的探索越来越频繁,包括深海资源开发、海底生物科学研究和沿海活动等,这些活动需要新的工具和设备提供支持。

　　4.螺旋桨推进式水下机器人由于其推进速度快在前期得到了广泛应用,但是螺旋桨会产生较大噪声、在沙石、藻类植物环境下容易发生缠绕堵转,并且其机动性能差很难应用于狭窄的水下环境中。仿生水下机器人的设计为此提供了新的有效思路,并且通过将对多种水下动物个体的特点的深刻理解融入到水下机器人系统的设计中,表现出了巨大应用潜力。

　　5.现有设计中,具有头部和尾部结构结构的仿生水下机器人是较为典型的,通过尾部结构的运动能实现前进、转向、下沉和上升等多种不同的游动模式。但是,(1)仅依靠尾部结构的动作难以实现快速的下沉和上升,并且当某条尾部结构出现故障时,由于机器人不再平衡将很难依靠其他方式浮出水面,再或者,当仅有一条尾部结构时机器人也难以实现下沉和上升,(2)此外,尾部结构具有多处关节结构,关节结构处通常采用硅胶管、橡胶管以及其他具有弹性管件进行密封,其主要目的也是为了使关节结构具有挠曲性和自由度以转动来执行各种运动,但是这种弹性管件不能承受高压,限制了机器人水下作业深度,(3)还有,在尾部结构运动过程中遭遇障碍物导致碰撞时,容易引起驱动电机堵转而发生破坏。因此,本领域需要一种改进的仿生水下机器人以克服上述缺陷。

　　6.针对现有技术存在的不足,本发明的目的是提供一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,该机器人不仅可以独立控制水下机器人的深度,而且可以作为所述上升和下沉运动模式的辅助方法,具有耐高压结构和很好的密封性,增强了机器人深水作业能力,避免尾部结构运动过程中遭遇障碍物导致碰撞时,引起驱动电机堵转而发生的破坏。为了实现上述目的,本发明通过如下的技术方案来解决,

　　7.本发明提供了一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,包括头部以及一个或多个尾部结构,其特征在于,所述头部设有浮力调节装置,所述浮力调节装置包括曲线凸轮、多个活塞缸以及与其配合的多个活塞,活塞缸内嵌在头部,通过驱动曲线凸轮同步推拉多个活塞,改变活塞缸的排水体积从而改变浮力大小。

　　8.进一步地,所述一个或多个尾部结构中每一个均包括一个或多个关节结构,所述一个或多个关节结构的每一个均包括执行关节运动的驱动装置,所述驱动装置密封在由

　　中间壳体和两个侧盖组成的密封空间内,所述中间壳体上转动连接有两个互相垂直布置的转动轴,且被所述驱动装置驱动,以实现所述关节结构的偏航运动和俯仰运动。

　　10.进一步地,所述头部由上盖、中间壳体和下盖三部分组成,所述浮力调节装置设置在中间壳体内。

　　11.进一步地,所述曲线凸轮下方转动连接有固定导向盘,所述活塞沿固定导向盘半径方向滑动,所述活塞上固定有销,销穿过所述曲线.进一步地,所述曲线凸轮配置有驱动机构,驱动机构依次由电机、锥齿轮副、蜗轮蜗杆副和齿轮齿圈副组成。

　　13.进一步地,每个尾部结构由头部连杆、一个或多个关节结构、一个或多个中间连杆以及端部连杆组成,端部连杆安装有交叉尾鳍,头部连杆安装在头部,头部连杆和端部连杆上均固定有对称的两个旋转杆,中间连杆前端和后端分别固定有两个旋转杆,且呈十字状,相对称的两个旋转杆其中一个设有孔,与转动轴固定连接,另一个设有定销轴,与关节结构铰接。

　　15.进一步地,所述驱动装置包括电机以及由大弹性齿轮和小齿轮组成的减速系统,大弹性齿轮包括开设弧形槽的基齿轮,弧形槽用于容纳两个所述弹性元件,所述转动轴安装有旋转盘并与基齿轮转动连接,旋转盘上设有弧形楔块,弧形楔块安装在两个所述弹性元件之间。

　　16.进一步地,所述转动轴下方设有磁钢,所述基齿轮上设有与所述磁钢配合的磁旋转编码器。

　　18.(1)本发明通过在机器人头部设置基于曲线凸轮设计的浮力控制装置,能够实现仅由一个电机同步推拉多个活塞,改变水下机器人的排水体积而改变浮力,其工作更为省力、节能和高效,既能够独立控制水下机器人的深度,又能够作为水下机器人的升降运动模式的辅助方法,增强水下机器人的运动能力。

　　19.(2)本发明驱动装置密封在由中间壳体和两个侧盖组成的密封空间内,又通过中间壳体上转动连接的两个互相垂直布置的转动轴,将驱动力传递出去,即使不采用柔性连接也可完成关节结构两个自由度的动作,以实现所述关节结构的偏航运动和俯仰运动,克服了为了保证关节结构具有一定柔性而采用弹性管件密封的缺陷,增强了机器人深水作业能力。

　　20.(3)本发明的尾部结构关节中设置有弹性元件,能够实现尾部结构对外界环境的顺服性,防止减速齿轮和伺服电机因为与障碍物的碰撞和堵转而发生的破坏,关节结构内安装的磁旋转编码器,可以实现对关节旋转角度和力的检测反馈,从而能够实现精确的控制。

　　21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的限定。还应当理解,这些附

　　图是为了简化和清楚而示出的,并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明,其中,

　　44.应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

　　45.需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非本发明另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是, 当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

　　46.为了方便叙述,本发明中如果出现“上”、 “下”、 “左”“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用,仅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设备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。

　　47.术语解释部分:本发明中,如出现术语“安装”、 “相连”、 “连接”、 “固定”等,应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或为一体,可以是机械连接,可以是

　　直接连接,也可以是通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部连接,或者两个元件的相互作用关系,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

　　48.下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明一种典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

　　3示出了组装有一个头部结构100、三个尾部结构200和每条尾部结构具有三个关节结构230的仿生水下机器人。某些实施例中,仿生水下机器人可以具有一个、两个、三个、 四个或更多个尾部结构200,其中每个尾部结构200可以具有一个、两个、三个、 四个或更多个关节结构230。尾部结构200的数量和关节结构230的数量上的配置是基于所需的水下任务和相应的水下状况。仿生水下机器人的每个尾部结构200可以具有不同数量的关节结构230。当在开阔海域或恶劣水条件使用时,可以增加尾部结构200的数量以提供更好的稳定性、移动性、敏捷性和负载能力。

　　50.头部100优选地为扁球体, 图1所示,但是显然在不脱离本公开的范围和精神的情况下,头部100也可以为立方体、长方体、棱镜、圆锥、圆锥台、角锥、 多棱锥、圆柱体、椭圆圆柱体或其任何组合的形状。

　　51.图1、 图3、 图4和图7所示,头部100由上盖100、 中间壳体120和下盖110三部分组成,三者组装成扁球体。上盖100和下盖110通过螺丝与中间壳体120相连,分别用o形橡胶圈125和123密封。

　　52.如图2和图5所示,上盖100上有三个防水密封接头103、 104和105,用于充电和有线b用于密封电源开关106c。声呐102a安装在上盖100上,用于避障和水下环境感知。保护罩102b安装在声呐102a上部,提供保护作用。

　　53.如图10所示,下盖110上安装了控制板115、控制板113和电池114。 电池114安装在凹槽110b内。控制板113安装在支撑112上,支撑112用螺钉固定在支架110a上。另一个控制板115安装在支架110c上。下盖110上有两个透明窗口

　　111,用于检查内部情况。盖子111b和橡胶圈111a用于密封窗口111。

　　54.头部设有浮力调节装置,浮力调节装置包括曲线以及与其配合的多个活塞140,活塞缸124内嵌在头部100,通过驱动曲线的排水体积从而改变浮力大小。

　　55.曲线配置有驱动机构,驱动机构依次由电机133、锥齿轮副136、 蜗轮蜗杆副134和齿轮齿圈副138组成。

　　56.曲线下方转动连接有固定导向盘131,活塞140沿固定导向盘131半径方向滑动,活塞140上固定有销130,销130穿过所述曲线所示, 中间壳体120被设计成浮力调节装置。浮力调节装置由6对活塞140和活塞缸124、六根活塞杆139、 曲线、齿轮齿圈副138、蜗轮蜗杆副134、轴146、锥齿轮副136和电机133构成。六个活塞缸124沿中间壳体120的圆周均匀分布,活塞140置于活塞缸124中。活塞140上安装有滑动密封圈,保证密封性。活塞杆139通过螺钉安装在活塞140上。某些实施例中, 活塞140的个数根据调节浮力的大小可相应的增减,例如可设置两个、 四个、八个等。

　　58.固定导向盘131和齿轮支撑架通过螺钉固定在中间壳体120上。六个销130通过轴承151安装在活塞杆139上,并与固定导向盘131和曲线上,并可相对固定导向盘131旋转。小齿轮138b与固定在曲线a通过螺钉固定安装在小齿轮138b上,并与蜗杆134b相啮合。轴146的一端与蜗杆134b 固定连接,其另一端与锥齿轮136a固定连接。锥齿轮136a与电机133上的锥齿轮136b相啮合。三个接头122通过螺钉固定安装在中间壳体120上。 电线上的透明窗口121用于安装摄像头和红外探测器等传感器,并由透明密封盖121a和橡胶圈121b进行密封。

　　59.电机133通过电机支架148和132安装在中间壳体120上。轴146的一端通过轴承147支撑在中间壳体120的孔内,另一端与蜗杆134b固定相连。蜗杆134b的两端分别通过轴承143和144安装在支撑142和支撑145上。支撑142和支撑145通过螺钉固定在齿轮固定架135上。蜗轮134a的轴通过轴承137安装在齿轮固定架135上。小齿轮138b的轴通过轴承149安装在支撑150上,进而固定在齿轮固定架135上。

　　60.当活塞140从活塞缸124的中间位置被向外推动时,活塞缸中水向外排出, 活塞缸的排水体积增大,从而其浮力比重力大,水下机器人开始上升。当活塞140从活塞缸124的中间位置被向内拉动时,水进入活塞缸,活塞缸的排水体积减小,从而其重力比浮力大,机器人开始下沉。

　　61.通过在机器人头部设置基于曲线设计的浮力控制装置,能够实现仅由一个电机133同步推拉多个活塞140,改变活塞缸排水体积而改变水下机器人的浮力,其工作更为省力、节能和高效,既能够独立控制水下机器人的深度,又能够作为水下机器人的升降运动模式的辅助方法,增强水下机器人的运动能力。

　　62.图7、 图11、 图12、 图14和图15所示,一个或多个关节结构230的每一个均包括执行关节运动的驱动装置,驱动装置密封在由中间壳体235和两个侧盖231组成的密封空间内, 中间壳体235上转动连接有两个互相垂直布置的转动轴240f,且被驱动装置驱动, 以实现关节结构230的偏航运动和俯仰运动。驱动装置通过弹性元件驱动转动轴240f旋转,本实施例中弹性元件为压缩弹簧240d。 驱动装置包括电机以及由大弹性齿轮和小齿轮241组成的减速系统,大弹性齿轮包括开设弧形槽的基齿轮240c,弧形槽用于容纳两个压缩弹簧240d,转动轴240f安装有旋转盘240e并与基齿轮240c转动连接,旋转盘240e上设有弧形楔块, 弧形楔块安装在两个压缩弹簧240d之间。转动轴240f下方设有磁钢240b,基齿轮240c上设有与磁钢240b配合的磁旋转编码器240a。

　　63.每个尾部结构由头部连杆201、一个或多个关节结构230、一个或多个中间连杆210以及端部连杆221组成,端部连杆221安装有交叉尾鳍220,头部连杆201安装在头部100,头部连杆201和端部连杆221上均固定有对称的两个旋转杆203,中间连杆210前端和后端分别固定有两个旋转杆203,且呈十字状,相对称的两个旋转杆203其中一个设有孔,本实施例中,旋转杆203上的孔为六边形孔,转动旋转轴240f上设有六边形齿与之相啮合,实现与转动轴240f固定连接,另一个设有定销轴204a,与关节结构230铰接。交叉尾鳍220是具有尾鳍形状的仿生鱼尾。

　　64.以下进行具体说明,每条尾部结构200由三部分构成,头部连杆201、 中间连杆210

　　和端部连杆221、交叉尾鳍220和三个关节结构230。通过头部连杆201与三个固定安装在头部100的接头122之间的连接,三条尾部结构200与头部100连接起来。

　　65.头部连杆201和中间连杆210通过固定在其上的旋转杆203和旋转杆204与三个关节结构230相连接。旋转杆203上的六边形孔与转动旋转轴240f上的六边形齿相啮合。旋转杆204上的定销轴204a通过轴承238安装在中间壳体235上的孔235b内。交叉尾鳍220通过螺钉固定安装在端部连杆221的末端。端部连杆221也通过旋转杆203和旋转杆204与关节结构230相连接。

　　66.关节结构230的密封腔体由两个侧盖231和一个中间壳体235组成,其材料均为轻质铝合金。 中间壳体235和两个侧盖231之间通过o形橡胶圈密封。关节结构230中的电线中。 关节间的电线和环氧树脂胶进行密封。密封盖233将橡胶塞232固定在侧盖231上,橡胶塞232内注入环氧树脂胶,保证足够的防水性能。

　　67.如图14和图15所示,每个关节结构230具有两个自由度,分别由两个伺服电机243控制。两个伺服电机243通过支架242和支架244相互垂直安装在支撑架245上。支撑架245通过螺钉固定在中间壳体235内。减速系统由安装在伺服电机243上的小齿轮241和通过轴承246安装在支撑架245上的大弹性齿轮构成。 大弹性齿轮240由一个磁旋转编码器240a、磁钢240b、齿轮240c、两个压缩弹簧240d、旋转盘240e、旋转轴240f和固定盖240g组成。齿轮240c和旋转盘240e上都由一个弧形楔块。磁旋转编码器240a通过两个螺丝安装在支撑架245上, 位于旋转轴240f下方。磁钢240b采用胶水固定在旋转轴240f的末端。基齿轮240c通过轴承246固定在支撑架245上。两个压缩弹簧240d分别放置在基齿轮240c的弧形槽中,通过基齿轮240c和旋转盘240e上的两个弧形楔块固定。旋转轴240f安装在基齿轮240c中间的孔中,与旋转盘240e通过花键连接。固定盖240g通过螺丝安装在基齿轮240c上,用以固定旋转盘240e。当旋转轴240f受到外力扭矩作用时,旋转轴240f和旋转盘240e可以压缩弹簧240d,相对于基齿轮240c旋转。旋转轴240f的上端穿过孔235a, 由轴承239支撑。格莱圈237是一种旋转密封圈,安装在旋转轴240f上,对其进行密封。密封盖236安装在孔235a上,用于固定格莱圈237。

　　68.当外力作用于尾部结构200上,关节结构230受阻时,力从旋转杆203传递到旋转轴240f。在伺服电机243和小齿轮241的驱动下,基齿轮240c上的弧形楔块能够继续压缩弹簧240d转动。因此, 当尾部结构200与障碍物相撞时,可以避免齿轮240c、小齿轮241和伺服电机243因堵转而发生的损坏。 由于弹性齿轮的存在, 当外力作用于尾部结构200时,旋转轴240f和基齿轮240c的旋转角度会不同。所以在旋转轴240f的下端安装了磁钢240b和磁旋转编码器240a,用以检测并反馈旋转轴240f的实际旋转角度,从而实现精确的控制。

　　69.通过三条尾部结构200的协调配合,本发明的仿生水下机器人能够在水中实现前进、转向、下沉和上升等多种游动模式。不同游动模式之间的灵活转换,保证了机器人具有较高的稳定性、 良好的机动性和适应能力,能够在水下完成困难较大的任务。

　　70.仿生水下机器人的三尾前进游动模式如图16a所示。所述发明的水下机器人的三条尾部结构200由行进波驱动, 以相同的摆动幅度模仿鱼类尾部的动作。三条尾部结构200都能够产生前进方向的推力。 中间尾部结构产生主要推进力,而另外两条侧尾产生小一些的辅助推进力。通过三尾前进游动模式,仿生水下机器人能够获得较快的前游速度。

　　71.仿生水下机器人的双尾游动模式如图16b所示。在这种游动模式下,所述发明的水下机器人可以通过同步地伸展它的两条尾部结构200,模仿青蛙的划水动作进行游动。相应地,尾部结构200就像青蛙的后肢,其末端的尾鳍220模仿青蛙的蹼足。双尾游动模式能在拥挤环境中产生强力而敏捷的游泳动作,可用于在狭窄复杂的水下环境中执行任务。

　　72.仿生水下机器人的大半径转向运动模式如图17a所示。在三尾前进游动过程中,所述发明的水下机器人通过将两条尾部结构200同步偏向一侧并以c形摆动来实现转向动作。大半径转向运动模式可用于仿生水下机器人在前游时进行微调方向。

　　73.仿生水下机器人的原地转向运动模式如图17b所示。通过三条尾部结构200在同一水平面上同步的c形摆动,所述发明的水下机器人可以依靠每条尾部结构200产生的相同的旋转力绕其结构中心进行旋转。该转向模式的转向半径很小, 可以用于仿生三尾水下机器人在狭窄复杂的水下环境中的方向调整。这种模式对于信息捕获类传感器的工作有很大的帮助, 比如摄像机的360度全方位摄影等。

　　74.仿生水下机器人的上升和下沉运动模式分别如图18a、 图18b所示。这种模式是通过所述发明的水下机器人的三条尾部结构200模仿章鱼或水母的运动方式来实现的。通过三条尾部结构200在垂直方向上的连续摆动,该水下机器人能够在垂直方向上获得较大的推进力。因此,仿生水下机器人能够实现其深度的控制。

　　75.除了所述的上升和下沉运动模式外,所述机器人的深度调节还可以通过中间壳体120中的浮力调节装置来实现。 电机133的输出转矩通过一对锥齿轮136、 轴

　　146、蜗轮蜗杆副134、齿轮齿圈138传递到曲线,进而驱动曲线的减速比为13:6, 电机133的额定转矩为1.2 nm。因此, 中间壳体120的浮力控制装置的额定转矩为60nm。 曲线上有六个弧形槽, 当曲线转动时,通过所述的弧形槽和六根销130,可以同步推拉六根活塞杆139。固定导向盘131上有六个直线的横向载荷,保证活塞缸124中的六个活塞140平滑的直线的中间位置时,所述发明的仿生水下机器人由于其中性浮力状态可以悬浮在任一水下深度。当活塞140从活塞缸124的中间位置被向外推动时,水下机器人的排水体积增大,从而其浮力比重力大,机器人开始上升。当活塞140从活塞缸124的中间位置被向内拉动时, 水下机器人的排水体积减小,从而其重力比浮力大,机器人开始下沉。所述的浮力调节装置不仅可以独立控制水下机器人的深度,而且可以作为所述升降运动模式的辅助方法。

　　76.本发明虽然己以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改, 因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。

　　1.一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,包括头部以及一个或多个尾部结构,其特征在于,所述头部设有浮力调节装置,所述浮力调节装置包括曲线凸轮、多个活塞缸以及与其配合的多个活塞,活塞缸内嵌在头部,通过驱动曲线凸轮同步推拉多个活塞,改变活塞缸的排水体积从而改变浮力大小。 2.如权利要求1所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述一个或多个尾部结构中每一个均包括一个或多个关节结构,所述一个或多个关节结构的每一个均包括执行关节运动的驱动装置,所述驱动装置密封在由中间壳体和两个侧盖组成的密封空间内,所述中间壳体上转动连接有两个互相垂直布置的转动轴,且被所述驱动装置驱动, 以实现所述关节结构的偏航运动和俯仰运动。 3.如权利要求2所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述驱动装置通过弹性元件驱动所述转动轴旋转。 4.如权利要求1所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述头部由上盖、 中间壳体和下盖三部分组成,所述浮力调节装置设置在中间壳体内。 5.如权利要求1述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述曲线凸轮下方转动连接有固定导向盘,所述活塞沿固定导向盘半径方向滑动,所述活塞上固定有销,销穿过所述曲线述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述曲线凸轮配置有驱动机构,驱动机构依次由电机、锥齿轮副、蜗轮蜗杆副和齿轮齿圈副组成。 7.如权利要求2述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,每个尾部结构由头部连杆、一个或多个关节结构、一个或多个中间连杆以及端部连杆组成,端部连杆安装有交叉尾鳍,头部连杆安装在头部,头部连杆和端部连杆上均固定有对称的两个旋转杆, 中间连杆前端和后端分别固定有两个旋转杆,且呈十字状,相对称的两个旋转杆其中一个设有孔,与转动轴固定连接,另一个设有定销轴,与关节结构铰接。 8.如权利要求7所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述交叉尾鳍是具有尾鳍形状的仿生鱼尾。 9.如权利要求3所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述驱动装置包括电机以及由大弹性齿轮和小齿轮组成的减速系统,大弹性齿轮包括开设弧形槽的基齿轮,弧形槽用于容纳两个所述弹性元件,所述转动轴安装有旋转盘并与基齿轮转动连接,旋转盘上设有弧形楔块,弧形楔块安装在两个所述弹性元件之间。 10.如权利要求9所述的一种设有浮力调节装置的仿生水下机器人,其特征在于,所述转动轴下方设有磁钢,所述基齿轮上设有与所述磁钢配合的磁旋转编码器。