一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人的制作方法

本发明属于海洋勘探设备技术领域，具体涉及一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人。

背景技术：

随着海洋资源开发范围不断扩展，深海矿产资源勘探开发已提升至关乎人类可持续发展的战略地位。常见的海底钻探取样机器人采用螺旋桨推进方式，通过机械手进行探测。在探测机器人的下潜过程中，由于深海洋流状况复杂，常有下潜稳定性不足、续航能力较差等问题；到达海底岩床后，探测机器人由于岩床复杂以及机构整体体积较大且效率较低，不能很好地适应海底岩床环境，大大限制了深海矿产勘探工作的开展。

在下潜过程中为了追求更高的运动性能，开发出多种形式的仿生机器人，水下仿生机器人的模仿对象通常是鱼、水母、鲸豚、海龟、鲼等水生生物，其中仿生水母以其超低噪音、超强隐蔽性及稳定运动性能，在探测侦查中有显著优势。到达海底岩床后，岩心取样工作通常采用冲击、射入、钻进等方式，其中钻机由于高效取样、造价便宜、易于操作等优点已获得了广泛的应用和发展。

技术实现要素：

发明目的：提出一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人，解决现有仿生水母机器人下潜稳定性差，以及适应岩床能力较差的问题。

技术方案：一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人，包括仿水母泳动装置、中央动力舱、锚固钻探装置；所述仿水母泳动装置连接所述中央动力舱，所述中央动力舱驱动所述仿水母泳动装置来产生升力；

所述锚固钻探装置设置于底部，包括锚固支架、三个锚固组件、锚固组件角度调整机构、采样超声波钻；

所述三个锚固组件沿圆周均匀分布于所述锚固支架的周围，所述锚固组件包括锚固超声波钻以及三角形支撑结构；所述三角形支撑结构的底端固定在所述锚固支架外立面上，所述三角形支撑结构的顶端与所述锚固超声波钻的侧面铰接；

所述锚固组件角度调整机构包括第一直线电机、滑块连接件，以及与每个所述锚固组件分别对应的轨道支座、圆柱轨道、角度调节滑块、角度调节连杆；所述圆柱轨道竖直固定在所述锚固支架外立面上的轨道支座上，所述角度调节滑块与圆柱轨道之间通过直线副配合，所述角度调节滑块通过铰链与角度调节连杆一端连接，所述角度调节连杆的另一端通过铰链与锚固超声波钻上部连接；所述第一直线电机固定在所述锚固支架的外立面上，所述第一直线电机驱动所述滑块连接件沿竖直方向运动，所述滑块连接件同时与每个角度调节滑块固定连接；

所述采样超声波钻位于所述锚固支架的内侧，并处于竖直中心轴线上，在所述锚固支架的内立面上相对竖直固定有第二直线电机和第三直线电机，所述采样超声波钻两侧分别与第二直线电机和第三直线电机的动子上固定连接。

进一步的，所述仿水母泳动装置包括基体、均匀分布于所述基体头部周围的若干组触手机构、第一触手驱动滑块、第二触手驱动滑块、中部连接盘；所述触手机构包括柔性触手、触手支撑件、第一触手驱动连杆、第二触手驱动连杆；所述基体包括半球型头部和对称固定于下方的两根立柱，所述第一驱动滑块和第二驱动滑块分别套装在基体的两根立柱上部和下部，并能沿立柱作直线运动；所述柔性触手的端部固定于所述基体的半球型头部，所述触手支撑件通过铰链与柔性触手连接；所述第一触手驱动滑块通过铰链与第一触手驱动连杆的一端相连，所述第二触手驱动滑块通过铰链与第二触手驱动连杆的一端相连，所述第一触手驱动连杆的另一端与第二触手驱动连杆的另一端以及所述触手支撑件通过销轴连接；所述中部连接盘固定于所述基体的两根立柱末端，所述锚固支架的顶部与所述中部连接盘固定连接。

进一步的，所述柔性触手为双层柔性结构，所述触手支撑件包括多个u形件和一个y形件，u形件与y形件并排间隔设置，多个u形件将双层柔性结构连接起来，y形件与的顶端与上层柔性结构固定连接，y形件的末端通过销轴与所述第一触手驱动连杆和第二触手驱动连杆的共用端连接。

进一步的，所述中央动力舱包括第一柔性护套、第一中央舱盖板、第一电动推杆、中央舱体、第二中央舱盖板、第二电动推杆、第二柔性护套、中间隔板；所述中央舱体固定于所述基体的两根立柱中部，所述中间隔板水平固定于所述中央舱体内，所述第一中央舱盖板和第二中央舱盖板分别与中央舱体的上端开口和下端开口连接；所述第一电动推杆固定在所述中间隔板的上侧面，所述第一电动推杆的自由端穿过所述第一中央舱盖板后连接所述第一触手驱动滑块；所述第二电动推杆固定在所述中间隔板的下侧面，所述第二电动推杆的自由端穿过所述第二中央舱盖板后连接所述第二触手驱动滑块；所述第一柔性护套套接在所述第一电动推杆位于所述中央舱体外的部分上，所述第一柔性护套的两端分别与所述第一触手驱动滑块和第一中央舱盖板固定连接；所述第二柔性护套套接在所述第二电动推杆位于所述中央舱体外的部分上，所述第二柔性护套的两端分别与所述第二触手驱动滑块和第二中央舱盖板固定连接。

进一步的，所述第一直线电机、第二直线电机、第三直线电机均为u型槽直线电机。

进一步的，第一柔性护套和第二柔性护套均为采用纤维复合材料制备的波纹筒。

有益效果：本发明公开了一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人，包括仿水母泳动装置、中央动力舱、锚固钻探装置；仿水母泳动装置外形与水母相似，中央动力舱固定于仿水母泳动装置中部，锚固钻探装置固定于仿水母泳动装置下方。中央动力舱内部两个电动推杆驱动仿水母泳动装置外侧柔性触手摆动，以实现钻探取样机器人的游动。锚固钻探装置在游动时处于收起状态，当钻探取样机器人到达海底岩床后，锚固装置外侧直线电机调整锚固机构，使其呈三角支撑状态，锚固超声波钻刺入海底岩床，使整体锚固于海底。钻探超声波钻于下方伸出接近海床开展采样工作，岩石样芯被折断后保持在空心钻杆中，并由机器人带回水面。相对现有仿生水母机器人，具有如下优点：

1、本发明采用钻机角度可调的设计，可使锚固超声波钻具备0°～60°的角度调节范围，使锚固钻探装置同时具有水下泳动时的收起状态和岩床锚固时的张开状态两种工作形态，据岩床锚固地点的可锚固范围调整合适的锚固角度，能较好地适应地形复杂的海底岩床环境，工作状态下可以提供更好的稳定性。

2、本发明中仿水母泳动装置结构简单，通过两个触手驱动滑块带动多个柔性触手进行小幅度规律性摆动，模仿水母的运动模式，推动机器人整体运动，能在一定程度上抵抗海洋湍流的扰动，保持航行稳定。柔性触手的排水动作柔和静音，触手双层结构和触手支撑件的设计增强单个触手的刚性，提高触手的排水效率。该仿生结构具有运行平稳、低功耗、工作效率高的优点，在运行平稳性等方面的性能优于其他仿生结构。

3、本发明中锚固超声波钻和采样超声波钻是基于压电超声振动的原理设计的，具有体积小、功耗低和钻压力小优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中仿水母泳动装置的结构示意图；

图3是本发明中中央动力舱的结构示意图；

图4是本发明中仿水母泳动装置与中央动力舱的传动结构示意图；

图5是本发明中锚固钻探装置变形前的结构示意图；

图6是本发明中锚固钻探装置变形后的示意图；

图7是本发明中锚固钻探装置局部剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人，包括仿水母泳动装置1、中央动力舱2、锚固钻探装置3。

如图1至图4所示，仿水母泳动装置1包括基体101、均匀分布于基体101头部周围的八组触手机构、第一触手驱动滑块106、第二触手驱动滑块107、中部连接盘108。触手机构包括柔性触手102、触手支撑件103、第一触手驱动连杆104、第二触手驱动连杆105。其中，基体101由半球型头部以及对称固定在半球型头部下方的两根立柱构成，中部连接盘108固定于基体101的两根立柱末端。

柔性触手102为双层柔性结构，触手支撑件103包括多个u形件和一个y形件，u形件与y形件并排间隔设置，多个u形件的顶部分别与上层柔性结构固定连接，多个u形件的底部分别与下层柔性结构固定连接，从而将双层柔性结构连接起来。柔性触手102的上层柔性结构的一端部通过螺栓固定于基体101的半球型头部边缘，柔性触手102可相对基体101摆动。

第一驱动滑块106和第二驱动滑块107分别套装在基体101的两根立柱上部和下部，并能沿立柱作直线运动。第一触手驱动滑块106通过铰链与第一触手驱动连杆104的一端相连，第二触手驱动滑块107通过销轴与第二触手驱动连杆105的一端相连，第一触手驱动连杆104的另一端与第二触手驱动连杆105的另一端通过销轴连接。触手支撑件103的y形件与的顶端与上层柔性结构固定连接，y形件的末端通过销轴与第一触手驱动连杆104和第二触手驱动连杆105的共用端连接。

中央动力舱2包括第一柔性护套201、第一中央舱盖板202、第一电动推杆203、中央舱体204、第二中央舱盖板205、第二电动推杆206、第二柔性护套207、中间隔板208。中央舱体204通过焊接固定于基体101的两根立柱中部，中间隔板208水平固定于中央舱体204内。第一中央舱盖板202和第二中央舱盖板205分别通过螺栓与中央舱体204的上端开口和下端开口连接。第一电动推杆203固定在中间隔板208的上侧面，第一电动推杆203的自由端穿过第一中央舱盖板202后连接第一触手驱动滑块106。第二电动推杆206固定在中间隔板208的下侧面，第二电动推杆206的自由端穿过第二中央舱盖板205后连接第二触手驱动滑块107。第一柔性护套201套接在第一电动推杆203位于中央舱体204外的部分上，第一柔性护套201的两端分别通过螺栓与第一触手驱动滑块106的端面和第一中央舱盖板202固定连接。第二柔性护套207套接在第二电动推杆206位于中央舱体204外的部分上，第二柔性护套207的两端分别与第二触手驱动滑块107的端面和第二中央舱盖板205固定连接。中央动力舱2的各连接部件处均做防水处理。

如图5至图7所示，锚固钻探装置3设置于机器人整体结构的底部，包括锚固支架301、三个锚固组件、锚固组件角度调整机构、采样超声波钻310。三个锚固组件沿圆周均匀分布于锚固支架301的周围，锚固组件包括锚固超声波钻308以及三角形支撑结构312。三角形支撑结构312的底端固定在锚固支架301外立面上，三角形支撑结构312的顶端与锚固超声波钻308的侧面铰接。

锚固组件角度调整机构包括第一直线电机304、滑块连接件305，以及与每个锚固组件分别对应的轨道支座302、圆柱轨道303、角度调节滑块306、角度调节连杆307。圆柱轨道303竖直固定在锚固支架301外立面上的轨道支座302上，角度调节滑块306与圆柱轨道303之间通过直线副配合，角度调节滑块306通过铰链与角度调节连杆307一端连接，角度调节连杆307的另一端通过铰链与锚固超声波钻308上部连接。第一直线电机304通过螺钉固定在锚固支架301的外立面上，第一直线电机304驱动滑块连接件305沿竖直方向运动，滑块连接件305同时与每个角度调节滑块306固定连接。

采样超声波钻310位于锚固支架301的内侧，并处于竖直中心轴线上，在锚固支架301的内立面上相对竖直固定有第二直线电机309和第三直线电机311，采样超声波钻310两侧分别通过螺栓与第二直线电机309和第三直线电机311的动子上固定连接。

中间连接盘108通过螺栓与锚固支架301的顶部固定，将仿水母泳动装置1和锚固钻探装置3连接起来。

其中，锚固超声波钻308和采样超声波钻310是基于压电超声振动的高频率低功耗原理设计的。第一直线电机304、第二直线电机309、第三直线电机311均为u型槽直线电机。柔性触手102由柔性材料制作，可以产生一定程度的形变。第一柔性护套201和第二柔性护套207均为波纹状圆筒结构，采用纤维复合材料制备。

由于水下及海底岩床环境的复杂性，海底钻探采样机器人需要有更强的适应能力及灵活性，为了更好地完成勘探取样任务，其包括以下运动形态：

水下泳动：在下潜或上浮过程中，第一直线电机304驱动滑块连接件305向上移动，带动角度调节滑块306移动，从而角度调节连杆摆动307，使三个锚固超声波钻308摆动至竖直状态并保持。第一电动推杆203驱动第一触手控制滑块106竖直滑动，从而带动第一触手驱动连杆104摆动，第二电动推杆206驱动第二触手控制滑块107竖直滑动，从而带动第二触手驱动连杆105摆动，进而使柔性触手102产生摆动，为整体提供升力。

海底岩床锚固钻探：下潜至接近海底岩床时，第一直线电机304驱动滑块连接件305向下移动，从而使三个锚固超声波钻308同时摆动，直到摆动至预定角度，之后三个锚固超声波钻308刺入岩床，锚固完成；第二直线电机309和第三直线电机311同时向下移动，使采样超声波钻310伸出并接近岩床，进行钻探取样。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。