一种水下探测球形变形机器人的制作方法

本发明属于水下探测设备技术领域，尤其涉及一种水下探测球形变形机器人。

背景技术：

随着社会的发展与进步，人类生活水平的提高，陆地的自然资源已被过度的开采，尤其是化石能源的消耗更是超出想象，能源危机日益突出。而占地球表面积71％的海洋是一个富饶而远未得到开发的资源宝库。人类面临着人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展的三大矛盾挑战，要维持发展，就必须充分利用海洋资源，这是无法避免的选择，在现代化的战争中，智能化、无人化的特点非常重要，水下机器人能够以水平舰船为基地，在数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收取和数据通讯，大大地扩大了水面舰艇和潜艇的作战半径，因此水下探测机器人将在海洋资源勘查、海洋环境监测、海洋科学研究中发挥重要作用也会是未来战争中的神兵利器。

水下机器人也称作无人水下潜水器(unmannedunderwatervehicle)简称uuv，是一种可以在水下移动、具有感知系统、通过自主操作方式、使用机械手或其他工具或辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水下机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括有缆遥控水下机器人(remotelyoperatedvehicles)简称(rov)和自主水下机器人(autonomousunderwatervehicles)简称(auv)两大类，rov是拴在宿主舰船上，由操作人员持续控制；auv则是可经过编程航行至一个或多个航点，自带电能，不用缆线，二者比较可知auv优点多。

随着研究的深入，auv的研发种类也越来越多，常见的两种类型，一种是是由鱼雷启发研发的单推进器鱼雷外形，另一种是多推进器开架式，两种auv都有一定的缺点，前者的灵活性较差，后者的动力性较差，所以设计研发一种新型的水下机器人是很有必要的；球形水下潜器是被研究最早的一种结构形式，但是国内外对球形水下机器人的研究很少；球形水下机器人相比于其他种类水下机器人而言有着抗压性好，转动阻力小的独特优点，球形机器人可以很好的适应水下特殊环境。

技术实现要素：

本发明是一种水下探测球形变形机器人，其功能是能在水底下灵活转向，且能满足探测所需要的动力要求；以解决人类无法直接参与水下实验获取实验数据的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种水下探测球形变形机器人，包括左侧球壳、中间球壳以及右侧球壳，左侧球壳、中间球壳以及右侧球壳共同构成一个完整的球形外壳，所述中间球壳内设有密封腔，所述密封腔内安装有驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机、左右且同轴设置的两根齿轮轴、电池以及第一控制装置，左侧的所述齿轮轴上转动安装有左侧球壳，右侧的齿轮轴上转动安装有右侧球壳，两根齿轮轴分别与所述驱动电机传动连接，所述电池为所述驱动电机供电，所述第一控制装置用于控制所述驱动电机旋转，所述左侧球壳和所述右侧球壳采用韧性足且有一定塑性的塑料制成且靠近中间球壳的壁采用硬质抗压塑料制成，所述密封腔内安装有高压瓶，所述左侧球壳和所述右侧球壳的内腔分别通过导气管与所述高压瓶连通，所述导气管上设有第二控制装置，所述左侧球壳与所述中间球壳之间设有安装于左侧所述齿轮轴上的左螺旋桨，所述右侧球壳与所述中间球壳之间设有安装于右侧所述齿轮轴上的右螺旋桨。

作为一种改进的方式，所述左侧半球壳的内壁设置有环形槽，所述右侧半球壳的内壁设置有环形槽,所述左侧球壳内安装有第一电动推杆装置，所述第一电动推杆装置包括机体和推杆，所述第一电动推杆装置的机体固定安装于左侧所述齿轮轴末端，所述第一电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于左侧球壳的环形槽中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽接触传递拉力；所述右侧球壳内安装有第二电动推杆装置，所述第二电动推杆装置包括机体和推杆，所述第二电动推杆装置的机体固定安装于右侧所述齿轮轴末端，所述第二电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于右侧球壳的环形槽中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽接触传递拉力；所述左螺旋桨滑动安装于左侧所述齿轮轴上，所述左螺旋桨与左侧所述齿轮轴之间设有电磁铁，所述右螺旋桨滑动安装于右侧所述齿轮轴上，所述右螺旋桨与右侧所述齿轮轴之间设有电磁铁。

作为一种改进的方式，所述中间球壳由两个部分半球壳通过法兰连接加o垫片密封而成，所述中间球壳上设置平台，所述平台上安装有探测设备。

作为一种改进的方式，所述左侧球壳和所述右侧球壳内均安装压力传感器。

作为一种改进的方式，所述驱动电机为伺服电机，所述驱动电机的输出轴上安装有联轴器。

作为一种改进的方式，所述齿轮轴与所述驱动电机的输出轴之间为多级齿轮传动，包括锥齿轮和传动齿轮。

作为一种改进的方式，所述密封腔内设有一个盒体，所述第二控制装置、驱动电机、电池、高压瓶以及联轴器安装于所述盒体内，所述四个高压瓶其中的两个高压瓶安装于所述密封腔内且位于所述盒体之外，另外两个高压瓶安装于腔内。

作为一种改进方式所述左右两侧的变形球壳内壁设置有环形槽和环形电磁铁，电动推杆末端设置为l钩状，用来传递半球壳收缩、伸张的动力。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明采用的圆球状外形，和常见的开放式和鱼雷式外形的机器人相比，圆球状能够更好的适应水下环境，本发明机器人利用伺服电机和控制装置可以完成螺旋桨的正反转，从而达到前进、后退的目的；该机器人能够利用海水的浮力和机器人本身重力的关系满足机器人下潜深度的要求；利用左右可变形球壳的充气速度不同完成转向；利用左右可变形球壳充气体积的多少控制浮力大小，用来提供机器人垂直方向运动的动力。

由于所述左侧球壳内安装有第一电动推杆装置，所述第一电动推杆装置包括机体和推杆，所述第一电动推杆装置的机体固定安装于左侧所述齿轮轴末端，所述第一电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于左侧球壳的环形槽中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽接触传递拉力；所述右侧球壳内安装有第二电动推杆装置，所述第二电动推杆装置包括机体和推杆，所述第二电动推杆装置的机体固定安装于右侧所述齿轮轴末端，所述第二电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于右侧球壳的环形槽中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽接触传递拉力；所述左螺旋桨滑动安装于左侧所述齿轮轴上，所述左螺旋桨与左侧所述齿轮轴之间设有电磁铁，所述右螺旋桨滑动安装于右侧所述齿轮轴上，所述右螺旋桨与右侧所述齿轮轴之间设有电磁铁，通过控制装置控制安放在齿轮轴末端的电动推杆通电，齿轮轴上的电磁铁断电收缩，使得两边可变形球壳向中间部分移动，将螺旋桨和半球壳向中间推动，最终合并为球体，在上浮下潜运动时，机器人三个部分合并变成一个完整的球体，不需要伸出传动轴来为螺旋桨提供动力，只需要两边可变形球壳充放气来提供上浮下潜的浮力，避免了出现被水草等水下植物绊住的情况。

由于所述中间球壳由两个部分半球壳通过法兰连接加o垫片密封而成，所述中间球壳上设置平台，所述平台上安装有测试设备，同时将测试设备安装在球壳外侧可以更精确的收集数据。

由于所述左侧球壳和所述右侧球壳内均安装压力传感器，通过在两边可变形半球壳里都安装压力传感器，更好的控制两边半球壳的气体多少和压强大小，从而实现左右半球壳的充气速度不同，配合螺旋桨实现转向功能。

由于所述驱动电机为伺服电机，所述驱动电机的输出轴上安装有联轴器，可以避免出现在水下因为阻力大电机无法运转的情况，电机采用伺服电机控制装置，通过控制输入信号，实现电机的正反转，从而控制螺旋桨正反转，实现机器人前进后退运动。

由于所述齿轮轴与所述驱动电机的输出轴之间为多级齿轮传动，包括锥齿轮和传动齿轮，采用多级齿轮传动，实现更大传动比的动力传输，保证为螺旋桨提供足够大的动力。

由于在左右侧半球壳内壁安装有环形电磁铁，如果机器人在水底下想要展开左右球壳，利用螺旋桨提供动力运动时，这时可以通过中间球壳的控制装置来控制两侧变形球壳内壁安装的环形电磁铁通电产生吸引涡轮的磁力，同时控制两侧电动推杆通电开始工作，通过环形电磁铁和涡轮之间的磁力来将涡轮和半球壳吸引在一起，通过电动推杆的收缩来将半球壳和涡轮同时向两侧拉伸，控制装置通过电动推杆的行程和收缩速度来计算涡轮移动距离，当移动到设置的距离后，控制齿轮轴上的电磁铁通电，使螺旋桨和齿轮轴连接固定，然后两侧变形球壳内壁处的环形电磁铁断电，从而消除球壳和涡轮之间的磁力，至此涡轮停留在齿轮轴电磁铁处，而两侧半球壳在电动推杆的作用下继续向外侧移动，直至达到程序在控制装置设置的距离，最后通过控制装置控制电动推杆的末端的位置，使其在半球壳的环形槽中，而不与两侧球壳接触。

附图说明

图1是本发明工作时的整体外观示意图。

图2是本发明传动轴收缩时的整体结构示意图。

图3是本发明工作时正视图。

图4是本发明剖视图。

图5是本发明两侧球壳的剖视图。

图6是本发明两侧球壳的局部放大图。

图7是本发明两侧球壳与齿轮轴接触部分的局部放大图。

图中，1-中间球壳、2-第一控制装置、3-螺旋桨、4-电动推杆装置、5-齿轮轴、6-压力传感器、71-左侧球壳、72-右侧球壳、8-伺服电机，9-电池、10-高压瓶、11-联轴器、12-导气管、13-电动推杆安装平台，14-电磁铁，15-齿轮传动装置，16-高压瓶，17-探测装置，18-环形电磁铁，19-环形凹槽。

具体实施方式

下面结合本发明视图对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。

如图1、图3以及图4所示，一种水下探测变形球形机器人，包括左侧球壳71、中间球壳1以及右侧球壳72，左侧球壳71、中间球壳1以及右侧球壳72共同拼接成一个完整的球形外壳，抗压部分密封中间球壳1的材料使用高强度钢材料，强度适中，可设计性好，可装配性好，经济且可生产性好。中间球壳1由两个部分半球壳通过法兰连接加o垫片密封而成，通过螺栓连接，属于静密封。中间球壳1上设置平台，平台上安装有探测设备，同时将测试设备安装在球壳外侧可以更精确的收集数据。中间球壳1内设有密封腔，密封腔内安装有驱动装置，驱动装置包括驱动电机、左右且同轴设置的两根齿轮轴5、电池9以及第一控制装置2，左侧的齿轮轴5上通过轴承转动安装有左侧球壳71，右侧的齿轮轴5上通过轴承转动安装有右侧球壳72，两根齿轮轴5分别与驱动电机传动连接，齿轮轴5与驱动电机的输出轴之间为多级齿轮传动15，包括锥齿轮和传动齿轮，采用多级齿轮传动，实现更大传动比的动力传输，保证为螺旋桨3提供足够大的动力。电池9为驱动电机供电，第一控制装置用于控制驱动电机旋转，驱动电机为伺服电机8，驱动电机的输出轴上安装有联轴器11，可以避免出现在水下因为阻力大电机无法运转的情况，驱动电机采用伺服电机控制装置，通过控制输入信号，实现电机的正反转，从而控制螺旋桨3正反转，实现机器人前进后退运动。

左侧球壳71与中间球壳1之间设有安装于左侧齿轮轴5上的左螺旋桨3，右侧球壳72与中间球壳1之间设有安装于右侧齿轮轴5上的右螺旋桨3。两个螺旋桨3推进器对称的安放在中间壳体两边，在收缩的时候也可以被中间和两边球壳所设计的螺旋桨放置腔包围起来；两边的左侧壳体和右侧壳体与传动轴通过轴承和密封装置连接在一起，在连接处有排气机构，且每个可变形球壳和两个高压瓶10、16通过导气管12连接，本实施例中，左右两侧的齿轮轴均为空心轴，导气管11从齿轮轴的中心孔穿过到达左侧球壳71或右侧球壳72。左侧球壳71和右侧球壳72的内壁为硬质抗压塑料制成，可变形壳体采用韧性足且有一定塑性的塑料制成。密封腔内安装有高压瓶10，腔外有高压瓶16，左侧球壳71和右侧球壳72的内腔分别通过导气管12与高压瓶10、16连通，导气管12上设有第二控制装置，左侧球壳71和右侧球壳72内均安装有压力传感器6，通过在两边可变形半球壳里都安装压力传感器6，更好的控制两边半球壳的气体多少和压强大小，从而实现左右半球壳的充气速度不同，配合螺旋桨3实现转向功能。

结合图1、图2、图4至图7所示，左侧球壳71内安装有第一电动推杆装置4，第一电动推杆装置4包括机体和推杆，第一电动推杆装置4的机体固定安装于左侧齿轮轴5末端，所述第一电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于左侧球壳的环形槽19中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽19接触传递拉力；右侧球壳72内安装有第二电动推杆装置4，第二电动推杆装置4包括机体和推杆，第二电动推杆装置4的机体固定安装于右侧齿轮轴5末端，所述第二电动推杆装置的推杆末端设置l型钩状，在不工作的时候位于右侧球壳的环形槽19中，在半球壳收缩的时候，通过推杆末端与球壳壁接触传递动力，在伸张的时候，通过电动推杆末端的l形部分与环形槽19接触传递拉力。左螺旋桨3滑动安装于左侧齿轮轴5上，左螺旋桨3与左侧齿轮轴5之间设有电磁铁14，右螺旋桨3滑动安装于右侧齿轮轴5上，右螺旋桨3与右侧齿轮轴5之间设有电磁铁14，通过控制装置控制安放在齿轮轴5末端的电动推杆装置通电，齿轮轴5上的电磁铁14断电收缩，使得两边可变形球壳向中间部分移动，将螺旋桨3和半球壳向中间推动，最终合并为球体，在上浮下潜运动时，机器人三个部分合并变成一个完整的球体，不需要伸出传动轴来为螺旋桨3提供动力，只需要两边可变形球壳充放气来提供上浮下潜的浮力，避免了出现被水草等水下植物绊住的情况，由于在左右侧半球壳内壁安装有环形电磁铁18，如果机器人在水底下想要展开左右球壳，利用螺旋桨提供动力运动时，这时可以通过中间球壳的控制装置来控制两侧变形球壳内壁安装的环形电磁铁18通电产生吸引涡轮的磁力，同时控制两侧电动推杆通电开始工作，通过环形电磁铁18和涡轮之间的磁力来将涡轮和半球壳吸引在一起，通过电动推杆的收缩来将半球壳和涡轮向两侧拉伸，控制装置通过电动推杆的行程和收缩速度来计算涡轮移动距离，当移动到设置的距离后，控制齿轮轴上的电磁铁通电，使螺旋桨和齿轮轴连接固定，然后两侧变形球壳内壁处的环形电磁铁18断电，从而消除球壳和涡轮之间的磁力，至此涡轮停留在齿轮轴电磁铁处，而两侧半球壳在电动推杆的作用下继续向外侧移动，直至达到程序在控制装置设置的距离，最后通过控制装置控制电动推杆的末端的位置，使其在半球壳的环形槽19中，而不与两侧球壳接触，这样机器人便可以开始转动齿轮轴来带动螺旋桨为机器人提供动力。

本实施例中，密封腔内设有一个盒体，第二控制装置、驱动电机、电池9、高压瓶10以及联轴器11安装于盒体内，高压瓶10、16安装于密封腔内和腔外各两个，提供足够的气体。盒体与中间部分球壳通过胶固定，这样好固定且结构紧凑；在小空隙放泡沫固定。

本发明的两个螺旋桨3推进器和两个可变形半球壳提供机器人水平运动以及上浮下潜转弯所需要的动力，通过控制装置控制伺服电机8和高压瓶10、16瓶口阀门开度大小，通过协调控制来满足机器人在水底下的灵活运动。

本发明的工作过程：

操控者将控制编程程序录入控制装置中，控制装置通过机器人外部传感器收集的信息反馈，用来控制电机的启动和转向，实现机器人的前进与后退；利用机器人水下浮力和重力的关系信息反馈给控制装置，用来决定高压瓶10、16阀口的关闭与开启，通过外界反馈是否需要转弯的信息，用来控制两边可变形球壳充气速度的大小，从而决定左右浮力的大小，达到转弯的目的，实现机器人水下灵活运动。通过控制装置控制安放在齿轮轴5末端的电动推杆通电工作，齿轮轴5上的电磁铁14断电收缩，使得两边可变形球壳向中间部分移动，将螺旋桨3和半球壳向中间推动，最终合并为球体，这样使得机器人运动更加符合流体力学，减少阻力和被水下植物缠绕的风险。如果机器人在水底下想要展开左右球壳，利用螺旋桨提供动力运动时，这时可以通过中间球壳的控制装置来控制两侧变形球壳内壁安装的环形电磁铁18通电产生吸引涡轮的磁力，同时控制两侧电动推杆通电开始工作，通过环形电磁铁18和涡轮之间的磁力来将涡轮和半球壳吸引在一起，通过电动推杆的收缩来将半球壳和涡轮向两侧拉伸，控制装置通过电动推杆的行程和收缩速度来计算涡轮移动距离，当移动到设置的距离后，控制齿轮轴上的电磁铁通电，使螺旋桨和齿轮轴连接固定，然后两侧变形球壳内壁处的环形电磁铁18断电，从而消除球壳和涡轮之间的磁力，至此涡轮停留在齿轮轴电磁铁处，而两侧半球壳在电动推杆的作用下继续向外侧移动，直至达到程序在控制装置设置的距离，最后通过控制装置控制电动推杆的末端的位置，使其在半球壳的环形槽中，而不与两侧球壳接触，这样机器人便可以开始转动齿轮轴来带动螺旋桨为机器人提供动力。

本发明的中间部分采用法兰、垫片，通过螺栓连接密封，并且可以在螺栓连接处设置探测装置17的安放平台，用来放置声呐、传感器等装备，用来进行水下探测任务。本发明可以用来完成人类无法直接完成的水下探测且灵活性好，应用前景好。

本机器人采用可分离的球形外壳结构设计，动力装置螺旋桨3可以存放在中间部分和两边可变形半球设计的螺旋桨放置腔内，减少机器人在水下运动的阻力，更加符合流体力学设计。中间半球壳部分采用高强度钢，通过法兰连接，可以达到抗压、密封的目的，并且在外部的螺栓连接处设置平台安放微型探测装置17，使探测结果更加精确，避免了内部电机对探测装置17的影响。两边的可变形半球壳与传动轴之间采用轴承松连接，实现在螺旋桨3转动的同时，而两边半球壳不跟着转动，从而减少阻力。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。