一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统及方法与流程

本发明属属于特种机器人领域，具体为一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统及方法。

背景技术：

目前，进行海洋环境的信息收集已日益得到世界各国的科研人员的重视。海洋环境中具有丰富的矿产资源、生物资源和空间资源等，但是由于海洋的环境复杂，面积辽阔，不适合人类自身作业，环境的特殊性给科研人员顺利执行环境信息收集任务带来了困难。近年来，应用水下机器人技术进行海洋观测越来越受到人们的关注，但是由于海洋环境远离人类生活和工作的场所，并且机器人携带的能源有限，因此机器人在这种环境下的长期工作受到了限制。因此发明一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，并结合机器人结构特点提出复用工作方式，为实现机器人长期执行水下观测任务有着重要的意义。

发明一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，这就要求机器人要具有能量捕获能力。目前能够将水中环境的能量转换为电能的水下机器人当中，以太阳能发电较为常见，但是水下机器人观测范围被限制在水面上。另外还有一种具有能量收集能力的被动式移动机器人，在环境外力作用下以滚动方式移动，降滚动动能转化为电能，但这种能量收集方法要求机器人与地面接触，不适合水中能量的捕获。因此综合分析，水中环境波浪能较为丰富，结合水下观测需求，研究一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，对于提升水下机器人长时间观测的能力具有重要意义。

与现有的公开的水下机器人技术不同，本专利发明的这种能量捕获系统，与球形机器人结构密切结合，利用机器人自身的惯性摆和发电装置，就实现波浪能捕获；机器人在能量捕获和主动运动之间可以自由切换，以复用方式工作，对水下机器人执行观测任务影响极小，同时机器人在浪流扰动环境中能够自给部分能源，为水中观测的传感设备供电，比常规电池供电的水下机器人具有更强的长时间观测能力。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有水下观测机器人的不足，设计了一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，该系统利用环境中的波浪能来发电；机器人采用封闭式的球状壳体，内部惯性摆安装在壳体内，发电机安装在惯性摆的转轴端部；机器人利用惯性摆将波浪能捕获为机械能，发电机可将机械能转化为稳定的电能，为传感设备提供电；惯性摆和发电机可以采用复用方式工作，不用额外设计其它结构，能量捕获的过程易实现，使机器人具有在浪流水域长时间执行观测任务的能力。提出了一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统及方法。本发明的技术方案如下：

一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，其包括：

球状壳体、惯性摆、推进器和发电机和锚定绳索，所述球状壳体通过一支撑隔板将球状壳体内部空间分割成三部分，左右对称的两个空间安装推进器，中间的空间作为惯性摆的摆荡空间，与惯性摆固连的摆轴的两端与支撑隔板通过轴承连接，发电机固定在支撑隔板上，球状壳体的下面绑定锚定绳索；

所述球状壳体与外部流体接触，惯性摆用于捕获波浪能，推进器用于调节机器人偏航角，发电装置用于将捕获的波浪能转化为电能；锚定绳索用于将机器人锚定在波浪能丰富的水域，在绳索约束下将波浪能捕获为机械能并通过发电机发电，输出电能供传感设备使用；球形水下机器人的惯性摆既用来捕获波浪能，同时也用来调节俯仰角。

进一步的，所述惯性摆和发电机可以复用方式工作；在能量捕获过程中，惯性力在惯性力作用下摆往复摆荡，将波浪能转化为摆动机械能，发电机用来将机械能转化为电能；球形水下机器人主动运动时，惯性摆和发电机采用复用方式工作，发电机作为电动机使用，用来驱动球状壳体转动，同时惯性摆作为重力摆使用，可改变机器人重心来调节机器人俯仰角。

进一步的，所述发电机轴端的小齿轮与摆轴上的大齿轮啮合，组装成的增速齿轮将摆轴的转速放大，驱动发电机以较高的速度转动发电，球状壳体下面设计有穿绳孔，用来绑定锚定绳索。

进一步的，所述发电机主要部分包括整流电路、滤波电容、设备双向开关和电池双向开关；设备双向开关和电池双向开关可在上触点和下触点之间切换，设备双向开关和电池双向开关切换到上触点，在惯性摆摆荡，摆轴带动发电机输出的电能为交流形式，经过整流电路后变成正向脉冲电能，整流电路是由四个二极管组成的桥式电路，脉冲电能经过滤波电容后变得相对平稳，直流电能经过设备双向开关和电池双向开关输入蓄电池中存储起来或给电子设备供电；当设备双向开关和电池双向开关切换到下触点时，蓄电池的电能可直接输入到发电机，发电机作为电动机使用驱动球状壳体相对惯性摆转动，惯性摆作为重力摆使用，通过调整机器人重心位置来改变机器人俯仰角。

进一步的，所述锚定绳索的一端固定在水底锚定点，另一端绑定在球壳的穿绳孔上，绳索重力略大于浮力，处于锚定状态时机器人受流体力f，锚定绳索拉力t，自身重力g，球转壳体浮力b的共同作用，由于水面波浪的流体力f是变化的，所以机器人球状壳体1会在水面下发生振荡运动。

一种基于所述系统的机器人波浪能捕获方法，其包括以下包括五个步骤；

步骤一，机器人通过锚定绳索锚定在浪流区水底，在浪流区水面通过控制双推进器输出转向力矩来调整偏航角，使惯性摆的摆轴与流体波动速度最大方向保持垂直；

步骤二，将发电装置调理电路通过开关切换到发电模式；

步骤三，在锚定绳索约束下，机器人受到波动的浪流力作用而发生振荡运动，在惯性力作用下内部的惯性摆绕着旋转轴往复摆荡，浪能转化为惯性摆的摆荡机械能；

步骤四，惯性摆往复摆荡的过程中，带动旋转轴相对壳体转动，为发电机将惯性摆机械能转化为交流电能；

步骤五，输出的交流电能经过发电装置调理电路，输出为平稳的直流电能供传感设备使用，机器人最终实现波浪能的捕获、转化和使用。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对机器人执行水下观测任务时间长，对能源需求比较大问题，发明了一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统，主要创新在于这种水下机器人的能量捕获系统与球形机器人结构密切结合，设计了由惯性摆、增速齿轮、发电机、支撑隔板和调理电路组成的能量捕获系统，其突出优点是仅设计一套装置就实现了驱动和发电两种功能，惯性摆结构和发电机都是以复用方式工作，不需要额外设计其它结构，机器人可以在能量捕获和主动运动之间可以自由切换，保证机器人原有运动性能不受影响；本发明使水下机器人增强在波浪环境中执行观测任务的能力，通过惯性摆捕获波浪能来自给部分能源，为自身携带的传感设备供电，摆脱了能量限制，比常规电池供电的水下机器人具有更强的长时间观测能力。

附图说明

图1是本发明的球形水下机器人能量捕获系统结构示意图

图2为本发明的调理电路示意图

图3为本发明的球形水下机器人锚定状态示意图

图4为本发明的机械能到电能的转换机构示意图

图5为本发明的球形水下机器人波浪能捕获系统工作流程图

图中标号：1：球状壳体，2：发电机，3：增速齿轮，4：惯性摆，5：推进器，6：摆轴，7：支撑隔板，8：穿绳孔，9：整流电路，10：二极管，11：滤波电容，12：电池双向开关，13：设备双向开关,14：锚定绳索。

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为发明的球形水下机器人能量捕获系统结构示意图，图中球状壳体1是封闭的，支撑隔板将球壳内部空间分割成三部分，左右对称的两个空间安装推进器5，中间的空间作为惯性摆4的摆荡空间，与惯性摆4固连的摆轴6的两端与隔板支撑7通过轴承连接，发电机2位固定在支撑隔板7上，发电机轴端的小齿轮与摆轴上的大齿轮啮合，组装成的增速齿轮3可以将摆轴6的转速放大，驱动发电机2以较高的速度转动发电，球状壳体1下面设计有穿绳孔8，用来绑定锚定绳索14。

图2为本发明的发电机调理电路示意图，设备双向开关13和电池双向开关12切换到上触点，在惯性摆4摆荡，摆轴带动发电机2输出的电能为交流形式，经过整流电路9后变成正向脉冲电能，整流电路9是由四个二极管10组成的桥式电路，脉冲电能经过滤波电容11后变得相对平稳，直流电能经过设备双向开关13和电池双向开关12输入蓄电池中存储起来或给电子设备供电；当设备双向开关13和电池双向开关12切换到下触点时，蓄电池的电能可直接输入到发电机2，发电机2作为电动机使用驱动球状壳体1相对惯性摆4转动，惯性摆4作为重力摆使用，通过调整机器人重心位置来改变机器人俯仰角。

图3为本发明的球形水下机器人锚定状态示意图，为了保证机器人在浪流水域工作的安全性，需要通过锚定绳索14将其系泊在水底，锚定绳索14的一端固定在水底锚定点，两一端绑定在球壳的穿绳孔8上，绳索重力略大于浮力，处于锚定状态时机器人受流体力f，锚定绳索拉力t，自身重力g，球转壳体浮力b的共同作用，由于水面波浪的流体力f是变化的，所以机器人球状壳体1会在水面下发生振荡运动。

图4为本发明的机械能到电能的转换机构示意图，当球状壳体1发生振荡运动时，内部的惯性摆4在惯性力作用下会发生摆荡运动，将水面波浪能转换为惯性摆4的摆荡机械能，摆荡运动带动摆轴6转动，通过增速齿轮3输入到发电机2中，电机2输出电能，发电机2将摆荡机械能转化为可使用的电能。

图5为本发明的球形水下机器人波浪能捕获系统工作流程图：机器人先通过锚定绳索14系泊在水底，然后运动到波浪能丰富的浪流水域，控制推进器调整航向角，直至摆轴与波浪运动方向垂直，然后通过调理电路的设备双向开关13和电池双向开关切换到上触点，惯性摆4将波浪能转化为机械能，发电机2将机械能转化为交流电能，交流电能经过整流电路9变为正向脉冲能，正向脉冲能经过滤波电容10变为稳定的直流电能，通过双向开关触点输入到机器人的电子设备和蓄电池中，完成了波浪能的捕获和转化，这就是球形水下机器人波浪能捕获的主要流程。

综上所述：本专利发明了一种基于惯性摆的球形水下机器人波浪能捕获系统：该系统主要分为五个部分：球状壳体、惯性摆、推进器、发电装置和锚定绳索组成；球状壳体与外部流体接触，惯性摆用来捕获波浪能，推进器用来调节机器人偏航角，发电装置主要用来将捕获的波浪能转化为电能；锚定绳索用来将机器人锚定在波浪能丰富水域的水底；该种基于惯性摆的球形水下机器人能量捕获系，在绳索约束下将波浪能捕获为机械能并通过发电机发电，输出电能可供传感设备使用；球形水下机器人的惯性摆既用来捕获波浪能，同时也用来调节俯仰角，这种惯性摆复用方式不需要额外设计其它结构，保证了机器人的水下运动性能，能够实现在波浪能丰富的水域长期执行水下观测任务，具有较高的应用价值。

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。