专利名称：六自由度水下球形机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，尤指一种六自由度水下球形机器人。
背景技术：
随着地球人口的增加以及人类生活质量的提高，人类的生产和生活需要更 多的自然资源来满足，而目前的陆上资源已被过度地开采，能源危机日益突出。 海洋覆盖了地球三分之二的面积，其内部蕴藏着大量的固体矿物资源和油气资 源，它将是人类生存和发展的最大资源提供者。然而，迄今为止，人类对海洋 的探索还刚起步，对海洋内部及其底部的认识仍停留在初级阶段。在人类对海 洋的认识探索和开发过程中，存在着诸多的限制因素，其中复杂多变的海洋环 境和科技的发展水平是主要的原因。由此可见，水下机器人具有极其重要的意 义。人们借助水下机器人可以进行各种海洋学要素和地球物理学参量的测量， 如海底的考察和摄影、海底铺设电缆、地质取样以及打捞蕴藏在大洋深处的锰 矿球、水下固定工业设施的使用维护和修理等。此外，水下机器人在军事上也 有着广泛的应用。因此，研究出一种可代替人类进行水下探索活动的水下机器 人是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六自由度水下球形机器人，该水下球形机器人 可在水下实现六自由度的运动，其运动灵活，运行效率高。
为了实现上述目的，本发明釆用了以下技术方案 一种六自由度水下球形机器人，其特征在于
它包括一球形外壳，该球形外壳由上半球壳和下半球壳密封拼接而成，在 该球形外壳上开设有两个圆形孔，该两个圆形孔的中心连线贯穿该球形外壳的 中心，该球形外壳内设有一圆筒导管状的长轴，该长轴的两端分别固定在该两 个圆形孔内，该长轴的两端与该球形外壳之间为密封连接，该长轴的空腔通过 该圆形孔与外部相连通，该长轴的空腔内仅设有一水下推进器，该长轴中间部 位的外圆周上套设一旋转方筒，该旋转方筒的一端设有一大齿轮，该大齿轮套 设固定在该长轴上，该旋转方筒的左侧设有一第一电机，该第一电机的输出轴 上设有一小齿轮，该小齿轮与该大齿轮齿合，该第一电机用于通过带动小齿轮 围绕大齿轮转动而使自身带动旋转方筒绕长轴转动，该旋转方筒的前、后侧各活动设有一短杆，该前、后侧的短杆呈对称设置，该短杆与该长轴呈垂直状态， 每一短杆的外端部设有一臂摆，每一臂摆的下端部设有一配重，该旋转方筒的 右侧设有一连杆和一第二电机，该第二电机的输出轴、该连杆一端上设有的链 轮与一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该连杆另一端上设有的链轮与另 一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该第二电机用于通过带动连杆以及连 杆与短杆的连动而使短杆带动配重以短杆为中心转动；该球形外壳内设有活塞 式储水设备，该活塞式储水设备、第一电机、第二电机和水下推进器均与设置 在该球形外壳内的一中央控制器相连。
所述水下推进器为螺旋桨推进器或推进泵。
所述活塞式储水设备包括一活塞式储水箱。
所述球形外壳内安装有侦测设备，该侦测设备与所述中央控制器相连。 本发明的优点是
1、 本发明六自由度水下球形机器人外壳全封闭，易于密封防水。除水下 推进器外，所有设备均封闭于外壳内部，不会发生短路或导线挂擦等问题。
2、 由于重力作用，本发明六自由度水下球形机器人在水中行走时，其外 壳内部设备不存在翻倒问题，抗倾倒性强，便于使用。
3、 本发明六自由度水下球形机器人运动灵活，可在水下进行进退、侧移、 潜浮、回转、横摇、纵倾等运动，本发明仅使用一个水下推进器与球形外壳内 的转向机构相结合便可完全实现水中六自由度全方位运动，转弯半径为零。
总之，本发明六自由度水下球形机器人是一种结构简单、运动灵活、运行 效率高的水下移动机器人，其具有很强的环境适应能力，作业范围广泛，易布 放与回收，可充当侦察设备、水中与水底的操作作业系统、通讯系统的载体， 执行人类无法完成的近海域多种作业任务。
图1是本发明六自由度水下球形机器人的结构示意图； 图2是图1的后视图； 图3是图1的A-A剖面图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
图l、图2示出了对球形外壳进行半剖后的球形外壳内的结构。如图l至 图3所示，本发明六自由度水下球形机器人包括一球形外壳101，该球形外壳 101由上半球壳1011和下半球壳1012密封拼接而成。在该球形外壳101上开设有两个圆形孔1013、 1014，该两个圆形孔1013、 1014的中心连线贯穿该球 形外壳101的中心。该球形外壳101内设有一圆筒导管状的长轴102，该长轴 102的两端分别固定在该两个圆形孔1013、 1014内，该长轴102的两端与该球 形外壳101之间为密封连接，该长轴102的空腔1021通过该圆形孔1013、 1014 与外部相连通，该长轴102的空腔1021内仅设有一水下推进器103。该长轴 102中间部位的外圆周上套设一旋转方筒104，该旋转方筒104的一端设有一 大齿轮114，该大齿轮114套设固定在该长轴102上，该旋转方筒104的左侧 设有一第一电机112，该第一电机112的输出轴上设有一小齿轮113，该小齿 轮113与该大齿轮114齿合，该第一电机112用于通过带动小齿轮113围绕大 齿轮114转动而使自身带动旋转方筒104绕长轴转动，从而使得配重1071、1072 绕长轴102转动，该旋转方筒104的前、后侧各活动设有一短杆1051、 1052
(每一短杆的一端部与长轴102相活动连接)，两个短杆1051、 1052合称为 短轴，该前、后侧的短杆1051、 1052呈对称设置，该短杆105K 1052与该长 轴102呈垂直状态，每一短杆的外端部设有一臂摆，即短杆1051的外端部设 有一臂摆1061，短杆1052的外端部设有一臂摆1062，每一臂摆的下端部设有 一配重，即臂摆1061的下端部设有一配重1071，臂摆1062的下端部设有一配 重1072，该旋转方筒104的右侧设有一连杆109和一第二电机108，该第二电 机108的输出轴、该连杆109 —端上设有的链轮与一该短杆1051处设有的链 轮通过一链条110相连，该连杆109另一端上设有的链轮与另一该短杆1052 处设有的链轮通过一链条111相连，该第二电机108用于通过带动连杆109以 及连杆109与短杆1051 、 1052的连动而使短杆1051带动配重1071以短杆1051 为中心转动且短杆1052带动配重1072以短杆1052为中心转动。该球形外壳 101内设有活塞式储水设备(图中未示出)，该活塞式储水设备、第一电机112、 第二电机108和水下推进器103均与设置在该球形外壳101内的一中央控制器
(图中未示出)相连。
在实际设计中，水下推进器103可为螺旋桨推进器或推进泵。活塞式储水 设备包括一活塞式储水箱(活塞式储水设备为公知技术，故在这里不详述)。 球形外壳101内可安装有侦测设备，如摄像头等，该侦测设备与中央控制器相 连。
工作时，本发明通过中央控制器命令活塞式储水设备进行注水，当活塞式 储水箱内注入合适的水量后，本发明六自由度水下球形机器人借助自身重力的 增加而下潜到水下，等待实行作业。
5在水下，本发明六自由度水下球形机器人通过对第一电机112、第二电机
108的转速、运行时间的控制来达到对机器人运动方式及方向的控制。具体为
通过中央控制器对第二电机108的运行进行控制，本发明中的配重1071、 1072 可绕各自的短杆实现转动，根据角动量守恒原理，球形外壳101会向着配重 1071、 1072转动的相反方向绕短轴进行转动，当球形外壳101的转动使得长轴 102的长度方向转到目标方向时，中央控制器命令水下推进器103启动，此时， 本发明机器人便会朝着目标方向前进。通过中央控制器对第一电机112的运行 进行控制，本发明中的旋转方筒104可绕长轴102实现转动，从而使得配重 1071、 1072绕长轴102实现转动，根据角动量守恒原理，球形外壳101会向着 配重1071、 1072转动的相反方向绕长轴102进行转动，当球形外壳101的转 动使得长轴102的长度方向转到目标方向时，中央控制器命令水下推进器103 启动，此时，本发明机器人便会朝着目标方向前进。通过中央控制器同时对第 一电机112、第二电机108的运行进行控制，本发明中的配重1071、 1072可实 现绕短轴、长轴102两个方向不同程度的转动，根据角动量守恒原理，球形外 壳101会向着这两个方向的转动合成方向的相反方向进行转动，当球形外壳 101的转动使得长轴102的长度方向转到目标方向时，中央控制器命令水下推 进器103启动，此时，本发明机器人便会朝着目标方向前进。由此可见，由于 球形外壳101具有全向性转动的特点，因此，通过对第一电机112、第二电机 108运行的调节，长轴102的长度方向可转到各个方向，从而本发明机器人也 就具备了在水中向各个不同方向运动的特点。
在本发明机器人运动的过程中或到达目标位置后，中央控制器可控制侦测 设备进行相应的侦测任务。
当工作完成后，本发明通过中央控制器命令活塞式储水设备进行排水。当 活塞式储水箱内的水被排出后，本发明六自由度水下球形机器人便可上浮到水 面，从而结束作业。
实际中，通过控制活塞式储水箱内的水量，可使本发明机器人实现水中、 水底作业。当注入活塞式储水箱内的水使得本发明机器人的总重量与其自身浮 力相等时，本发明机器人可实现在水中悬浮作业。当注入活塞式储水箱内的水 使得本发明机器人的总重量大于其自身浮力时，本发明机器人可实现在水底作 业。
本发明的优点是
1、本发明六自由度水下球形机器人外壳全封闭，易于密封防水。除水下推进器外，所有设备均封闭于外壳内部，不会发生短路或导线挂擦等问题。
2、 由于重力作用，本发明六自由度水下球形机器人在水中行走时，其外 壳内部设备不存在翻倒问题，抗倾倒性强，便于使用。
3、 本发明六自由度水下球形机器人运动灵活，可在水下进行进退、侧移、
潜浮、回转、横摇、纵倾等运动，本发明仅使用一个水下推进器与球形外壳内 的转向机构相结合便可完全实现水中六自由度全方位运动，转弯半径为零。
总之，本发明六自由度水下球形机器人是一种结构简单、运动灵活、运行 效率高的水下移动机器人，其具有很强的环境适应能力，作业范围广泛，易布
放与回收，可充当侦察设备、水中与水底的操作作业系统、通讯系统的载体， 执行人类无法完成的近海域多种作业任务。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技 术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方 案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之 内。
权利要求
1、一种六自由度水下球形机器人，其特征在于它包括一球形外壳，该球形外壳由上半球壳和下半球壳密封拼接而成，在该球形外壳上开设有两个圆形孔，该两个圆形孔的中心连线贯穿该球形外壳的中心，该球形外壳内设有一圆筒导管状的长轴，该长轴的两端分别固定在该两个圆形孔内，该长轴的两端与该球形外壳之间为密封连接，该长轴的空腔通过该圆形孔与外部相连通，该长轴的空腔内仅设有一水下推进器，该长轴中间部位的外圆周上套设一旋转方筒，该旋转方筒的一端设有一大齿轮，该大齿轮套设固定在该长轴上，该旋转方筒的左侧设有一第一电机，该第一电机的输出轴上设有一小齿轮，该小齿轮与该大齿轮齿合，该第一电机用于通过带动小齿轮围绕大齿轮转动而使自身带动旋转方筒绕长轴转动，该旋转方筒的前、后侧各活动设有一短杆，该前、后侧的短杆呈对称设置，该短杆与该长轴呈垂直状态，每一短杆的外端部设有一臂摆，每一臂摆的下端部设有一配重，该旋转方筒的右侧设有一连杆和一第二电机，该第二电机的输出轴、该连杆一端上设有的链轮与一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该连杆另一端上设有的链轮与另一该短杆处设有的链轮通过一链条相连，该第二电机用于通过带动连杆以及连杆与短杆的连动而使短杆带动配重以短杆为中心转动；该球形外壳内设有活塞式储水设备，该活塞式储水设备、第一电机、第二电机和水下推进器均与设置在该球形外壳内的一中央控制器相连。
2、 如权利要求1所述的六自由度水下球形机器人，其特征在于 所述水下推进器为螺旋桨推进器或推进泵。
3、 如权利要求1所述的六自由度水下球形机器人，其特征在于 所述活塞式储水设备包括一活塞式储水箱。
4、 如权利要求1所述的六自由度水下球形机器人，其特征在于 所述球形外壳内安装有侦测设备，该侦测设备与所述中央控制器相连。
全文摘要
本发明公开了一种六自由度水下球形机器人，它包括球形外壳，其内设有长轴、活塞式储水设备，长轴两端固定在两圆形孔内，长轴空腔内仅设有一水下推进器，长轴中部套设旋转方筒，方筒一端设有大齿轮，大齿轮套设固定在长轴上，方筒左侧设有第一电机，第一电机输出轴设有小齿轮，小齿轮与大齿轮齿合，方筒前后侧各活动设有短杆，两短杆对称，每一短杆外端部设有臂摆，每一臂摆下端部设有配重，方筒右侧设有连杆和第二电机，第二电机输出轴、连杆一端的链轮与一短杆的链轮通过一链条相连，连杆另一端的链轮与另一短杆的链轮通过一链条相连，活塞式储水设备、第一、第二电机和水下推进器与中央控制器相连。本发明机器人可实现水中六自由度全方位运动。
文档编号B63H21/17GK101565095SQ20091008479
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者兰晓娟, 平 叶, 周慧玲, 孙汉旭, 张延恒, 李红义, 贾庆轩 申请人:北京邮电大学