一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人

1.本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人。


背景技术：

2.海洋机器人为适应深海环境，其最大的技术难点就是承受环境高压和重量与浮力的平衡。基于“耐压舱+浮力材+框架式结构”设计的传统海洋机器人为克服深海承压和浮力平衡难点，体积重量随着下潜深度增加而大幅增加。一方面，机器人耐压结构随深度增加所提供的浮力降低，例如15l排水体积的钛合金耐压舱在水深达到1200米左右时所能提供的正浮力降为0，要满足所需正浮力，需加装浮力材或者重新设计出更大排水体积耐压舱；另一方面，刚性耐压结构随着深度增加体积几乎不被压缩，而海水密度随深度增加而增加，万米深处海水密度增加7％，因此出现浮力与重量不平衡现象，需要通过主动调节才能抵消剩余浮力。因此随着下潜深度的增加，采用刚性耐压结构的同一型号机器人越发庞大复杂，航行经济性降低，研发和使用成本增加。因此，寻求全新的深海环境适应性方法成为当前海洋机器人领域研究热点，本发明基于此背景产生。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，包括支撑骨架及若干个被动浮力自适应模块，各所述被动浮力自适应模块均包括具有弹性的柔性外壳，每个所述被动浮力自适应模块的柔性外壳的内部均充装有密度比水小且压缩系数比水大的可压缩液体，各所述被动浮力自适应模块的柔性外壳分别安装于所述支撑骨架的外部并组成机器人主体，所述机器人主体的内部形成有分别用于设置电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进模块的模块设置用密封腔体，各所述模块设置用密封腔体中均填充有用于实现模块设置用密封腔体内外压力平衡的液压油。
6.所述电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进模块沿从机器人主体的艏部至艉部方向依次设置于所述机器人主体的内部，所述质心调节模块、转向模块及推进模块分别与所述电子控制模块水密电连接。
7.所述电子控制模块包括分别与所述支撑骨架连接的电源设备电路板、通信定位组件及主控制器。
8.所述机器人主体的艏部开设有若干个用于安装数据采集模块的安装凹槽，所述数据采集模块与所述电子控制模块水密电连接。
9.所述支撑骨架上设有位于所述机器人主体外侧的单垂艉稳定翼，所述单垂艉稳定翼的内部安装有复合通信模块，所述复合通信模块包括卫星通信发射接收单元、无线电通
信发射接收单元及卫星定位发射接收单元，所述复合通信模块与所述电子控制模块水密电连接。
10.所述单垂艉稳定翼设置于所述机器人主体外侧的最高处。
11.所述转向模块包括设置于所述机器人主体内部的舵机，所述机器人主体外部设有转向舵翼，所述转向舵翼的转动轴与所述舵机的驱动端连接，所述舵机与所述支撑骨架固定连接、并与所述电子控制模块水密电连接。
12.所述推进模块包括设置于所述机器人主体内部的螺旋桨驱动件，所述机器人主体外部设有螺旋桨，所述螺旋桨的转动轴与所述螺旋桨驱动件的驱动端连接，所述螺旋桨驱动件与所述支撑骨架固定连接、并与所述电子控制模块水密电连接。
13.各相邻的所述模块设置用密封腔体之间通过液压软管串联。
14.每个所述被动浮力自适应模块的柔性外壳的内部还充装有用于进一步提供机器人所需的正浮力的空心玻璃微珠。
15.本发明的优点与积极效果为：
16.1.本发明通过各被动浮力自适应模块在任意深度的海水压力下改变自身体积，可在任意深度实现压力平衡和浮力平衡，始终保持中性浮力状态，在潜浮过程中无需额外能耗即可具备全海深环境自适应能力。
17.2.本发明相对于传统海洋机器人最大不同是摒弃传统刚性干舱，取而代之采用柔性湿舱，机器人几乎所有功能器件均工作于液态为主的环境中，其重量不随下潜深度增加而增加，从而具备高效的垂直面穿梭和水平面航行能力，可为海洋固碳生态效应观测、中小尺度海洋现象相互作用过程观测等提供全新技术手段。
18.3.本发明在设计理念方面，柔性耐压替代刚性耐压，被动浮力调节替代主动浮力调节，破除传统海洋机器人深海环境适应性设计技术壁垒；在技术引领方面，可为未来海洋机器人设计技术提供新范式，塑造引领未来的海洋机器人新增长极；在推广应用方面，实现海洋空间大潜深宽覆盖高效观测，提升自主海洋观测技术水平。
附图说明
19.图1为本发明的整体的外部结构示意图；
20.图2为本发明的各被动浮力自适应模块的设置位置示意图之一；
21.图3为本发明的各被动浮力自适应模块的设置位置示意图之二；
22.图4为本发明的各被动浮力自适应模块的设置位置示意图之三；
23.图5为本发明的其中一个被动浮力自适应模块的结构示意图；
24.图6为本发明的整体的内部结构示意图。
25.图中：1为支撑骨架、2为柔性外壳、201为注液口、3为可压缩液体、4为空心玻璃微珠、5为电源设备电路板、6为通信定位组件、7为主控制器、8为单垂艉稳定翼、9为卫星通信发射接收单元、10为无线电通信发射接收单元、11为卫星定位发射接收单元、12为舵机、13为转向舵翼、14为螺旋桨驱动件、15为螺旋桨、16为海洋环境参数测量传感器、17为偏心电池组、18为方管轴。
具体实施方式
26.下面结合附图1-6对本发明作进一步详述。
27.在本发明的一个具体的实施例中，如图1-6所示，本发明公开的具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，包括支撑骨架1及十一个被动浮力自适应模块。本实施例中支撑骨架1采用金属材料(如6061铝合金)或者复合材料(如碳纤维)加工而成。各被动浮力自适应模块均包括具有弹性的柔性外壳2。本实施例中柔性外壳2采用聚乙烯pe材料制成。每个被动浮力自适应模块的柔性外壳2的内部均充装有密度比水小且压缩系数比水大的可压缩液体3。各被动浮力自适应模块的柔性外壳2分别安装于支撑骨架1的外部并组成机器人主体。本实施例中十一个被动浮力自适应模块如图2-4所示，通过系统均衡设计均布于机器人的外部；各被动浮力自适应模块与支撑骨架1的安装连接方式均采用现有技术，例如通过螺钉螺栓连接。机器人主体的内部形成有分别用于设置电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进模块的模块设置用密封腔体，各模块设置用密封腔体中均填充有用于实现模块设置用密封腔体内外压力平衡的液压油。
28.在实际使用中不同被动浮力自适应模块中灌装的可压缩液体3可不同，并用于对机器人提供主要的正浮力。本实施例中可压缩液体3采用聚二甲基硅氧烷液体，也可采用其他密度比水小、压缩系数比水大、绝缘性好、无毒、不易挥发、阻燃性好的硅氧烷或矿物油等。通过不同可压缩液体3成份和用量配比优化，可使机器人整体压缩率与海水压缩率达到一致，从而保证在不同水深本发明公开的深海液态机器人的浮力变化量始终为零，即始终保持中性浮力状态。压缩率是指单位体积物体(包括固体、液体、气体等)在环境压力增加1帕时,其体积的减少量。这里机器人整体压缩率，是指机器人各组成部件在海水压力增加1帕时减小的体积之和与压力未增加时机器人体积的比值；同理，海水压缩率是指单位体积海水在压力增加1帕时,其体积的减少量。
29.本发明公开的具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人整体结构具有液态为主、固态为辅的特征，液态体积比例达60％以上，几乎所有功能器件均工作于液态环境中，利用液体的可压缩性自适应浮力的变化；同时封装功能器件的外壳均采用柔性材料，外壳不再承受压力，具有压力自适应性。因此机器人的重量不随深度增加而增加，具有不同深度上环境自适应能力。
30.具体而言，各相邻的模块设置用密封腔体之间可通过液压软管串联，可实现各个模块设置用密封腔体间油路互通、承压一致，进一步保证机器人内部的承压稳定性。
31.具体而言，如图5所示，每个被动浮力自适应模块的柔性外壳2的内部还充装有用于进一步提供机器人所需的正浮力的空心玻璃微珠4。空心玻璃微珠4具有密度小、强度高、吸水和吸油率低等物理特性。本实施例中空心玻璃微珠4采用市购产品，密度在0.15-0.6克/立方厘米之间，粒径在2-120微米之间，抗压强度在3-120兆帕之间。本实施例中每个被动浮力自适应模块的柔性外壳2上均设有注液口201，用于充装可压缩液体3，也可用于充装空心玻璃微珠4；可压缩液体3及空心玻璃微珠4通过注液口201以抽真空方式灌注。注液口201的设置位置均位于机器人的内侧。空心玻璃微珠4用于在可压缩液体3提供的正浮力不足时可提供额外的正浮力。例如针对0-1000米水深环境需求，需在聚二甲基硅氧烷液体中添加体积比55％空心玻璃微珠。
32.具体而言，如图6所示，本实施例中电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进
模块沿从机器人主体的艏部至艉部方向依次设置于机器人主体的内部，质心调节模块、转向模块及推进模块分别与电子控制模块水密电连接。
33.具体而言，如图6所示，本实施例中电子控制模块包括分别与支撑骨架1连接的电源设备电路板5、通信定位组件6及主控制器7；电源设备电路板5、通信定位组件6及主控制器7均为现有技术，且设置结构以及连接方式均为现有技术。
34.具体而言，如图1和图6所示，本实施例中机器人主体的艏部开设有两个用于安装数据采集模块的安装凹槽，数据采集模块与电子控制模块水密电连接。本实施例中数据采集模块为市购的海洋环境参数测量传感器16，具体可以为市购的ctd温盐深传感器以及高度计等，安装方式均为现有技术。本实施例中数据采集模块与电子控制模块的连接方式为现有技术，数据采集模块与电子控制模块的连接线路等的穿过处保证密封以防止液压油流出，使用的密封结构采用现有技术。
35.具体而言，如图6所示，本实施例中支撑骨架1上设有位于机器人主体外侧的单垂艉稳定翼8，单垂艉稳定翼8的内部安装有复合通信模块，复合通信模块包括卫星通信发射接收单元9、无线电通信发射接收单元10及卫星定位发射接收单元11，复合通信模块与电子控制模块水密电连接。本实施例中单垂艉稳定翼8采用流线型共形硫化设计，且设置于机器人主体外侧的最高处，有利于露出水面通信。本实施例中卫星通信发射接收单元9、无线电通信发射接收单元10及卫星定位发射接收单元11均为市购产品，卫星通信发射接收单元9、无线电通信发射接收单元10、卫星定位发射接收单元11与电子控制模块之间的连接方式也均为现有技术。
36.具体而言，如图6所示，本实施例中质心调节模块的具体结构采用现有技术的质心调节装置的结构，例如授权公开号为cn106926997b公开的一种水下机器人用质心调节装置，包括偏心电池组17、方管轴18、直线电位计、横倾驱动装置及俯仰驱动装置等，具体内容不再详述。质心调节模块与电子控制模块之间的连接方式也均为现有技术。
37.具体而言，如图6所示，本实施例中转向模块包括设置于机器人主体内部的舵机12，机器人主体外部设有转向舵翼13，转向舵翼13的转动轴与舵机12的驱动端连接，舵机12与支撑骨架1固定连接、并与电子控制模块水密电连接。本实施例中舵机12为市购产品，与电子控制模块之间的连接方式也均为现有技术。转向舵翼13的转动轴穿过机器人主体上邻近的柔性外壳2处保证密封以防止液压油流出，使用的密封结构采用现有技术。
38.具体而言，如图6所示，本实施例中推进模块包括设置于机器人主体内部的螺旋桨驱动件14，机器人主体外部设有螺旋桨15，螺旋桨15的转动轴与螺旋桨驱动件14的驱动端连接，螺旋桨驱动件14与支撑骨架1固定连接、并与电子控制模块水密电连接。本实施例中螺旋桨驱动件14为现有技术，包括驱动电机及减速器；螺旋桨驱动件14与电子控制模块之间的连接方式也均为现有技术。螺旋桨15的转动轴穿过机器人主体上邻近的柔性外壳2处保证密封以防止液压油流出，使用的密封结构采用现有技术。
39.全新的设计理念和特异的结构特征赋予了本发明公开的具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人优异的环境适应能力，从而具备了与传统采用刚性耐压结构的不同种类海洋机器人几乎所有机动能力，包括auv的快速水平推进和水下滑翔机的低功耗锯齿航行等功能，以及二者共有的极低功耗休眠式悬浮功能，同时还具有自身独特的快速垂直下潜功能，可快速响应，在未知的复杂海洋环境下大深度远距离自主航行，满足多场景多任
务灵活作业需求。
40.工作原理：
41.本发明通过各被动浮力自适应模块在任意深度的海水压力下改变自身体积，可在任意深度实现压力平衡和浮力平衡，始终保持中性浮力状态，在潜浮过程中无需额外能耗即可具备全海深环境自适应能力。本发明公开的具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人一般在水面通过复合通信模块与地面控制中心进行通信连接，实现机器人的导航与定位，以及原地实现命令数据的下载和上传。通过调节不同模式下推进模块的螺旋桨15转速和质心调节模块的偏心电池组17位置，可实现多模式航行，包括垂直下潜模式、水平推进模式、锯齿航行模式及休眠悬浮模式。
42.所谓垂直下潜模式是指根据下潜速度需求，调节质心调节模块的偏心电池组17位置使俯仰角达到一定角度，同时开启推进模块的螺旋桨15至一定转速，实现机器人从水面到水下的垂直快速下潜。
43.所谓水平推进模式是指根据作业需求，调节质心调节模块的偏心电池组17位置使俯仰角为零，同时开启推进模块的螺旋桨15至一定转速，实现机器人以类似auv的水平巡航方式直线航行。
44.所谓锯齿航行模式是指根据下行和上行需求，分别前后调节质心调节模块的偏心电池组17位置使俯仰角达到一定角度，同时开启推进模块的螺旋桨15至一定转速，实现机器人以类似水下滑翔机剖面滑翔方式沿锯齿状轨迹航行。
45.所谓休眠悬浮模式是指根据机器人水下驻留或大范围漂流观测需求，调节调节质心调节模块的偏心电池组17位置使机器人俯仰角至一定角度或为零，同时关闭推进模块的螺旋桨驱动件14，使机器人以低功耗休眠状态随波逐流，等待被唤醒，具有悬浮漂流功能；此时机器人大部分耗能元件处于关闭状态，尽可能降低系统功耗。

技术特征：
1.一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：包括支撑骨架(1)及若干个被动浮力自适应模块，各所述被动浮力自适应模块均包括具有弹性的柔性外壳(2)，每个所述被动浮力自适应模块的柔性外壳(2)的内部均充装有密度比水小且压缩系数比水大的可压缩液体(3)，各所述被动浮力自适应模块的柔性外壳(2)分别安装于所述支撑骨架(1)的外部并组成机器人主体，所述机器人主体的内部形成有分别用于设置电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进模块的模块设置用密封腔体，各所述模块设置用密封腔体中均填充有用于实现模块设置用密封腔体内外压力平衡的液压油。2.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述电子控制模块、质心调节模块、转向模块及推进模块沿从机器人主体的艏部至艉部方向依次设置于所述机器人主体的内部，所述质心调节模块、转向模块及推进模块分别与所述电子控制模块水密电连接。3.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述电子控制模块包括分别与所述支撑骨架(1)连接的电源设备电路板(5)、通信定位组件(6)及主控制器(7)。4.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述机器人主体的艏部开设有若干个用于安装数据采集模块的安装凹槽，所述数据采集模块与所述电子控制模块水密电连接。5.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述支撑骨架(1)上设有位于所述机器人主体外侧的单垂艉稳定翼(8)，所述单垂艉稳定翼(8)的内部安装有复合通信模块，所述复合通信模块包括卫星通信发射接收单元(9)、无线电通信发射接收单元(10)及卫星定位发射接收单元(11)，所述复合通信模块与所述电子控制模块水密电连接。6.根据权利要求5所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述单垂艉稳定翼(8)设置于所述机器人主体外侧的最高处。7.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述转向模块包括设置于所述机器人主体内部的舵机(12)，所述机器人主体外部设有转向舵翼(13)，所述转向舵翼(13)的转动轴与所述舵机(12)的驱动端连接，所述舵机(12)与所述支撑骨架(1)固定连接、并与所述电子控制模块水密电连接。8.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：所述推进模块包括设置于所述机器人主体内部的螺旋桨驱动件(14)，所述机器人主体外部设有螺旋桨(15)，所述螺旋桨(15)的转动轴与所述螺旋桨驱动件(14)的驱动端连接，所述螺旋桨驱动件(14)与所述支撑骨架(1)固定连接、并与所述电子控制模块水密电连接。9.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：各相邻的所述模块设置用密封腔体之间通过液压软管串联。10.根据权利要求1所述的一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，其特征在于：每个所述被动浮力自适应模块的柔性外壳(2)的内部还充装有用于进一步提供机器人所需的正浮力的空心玻璃微珠(4)。

技术总结
本发明属于新概念海洋机器人领域，具体地说是一种具有全海深环境自适应能力的深海液态机器人，包括支撑骨架及若干个被动浮力自适应模块，每个被动浮力自适应模块的柔性外壳的内部均充装有可压缩液体，各被动浮力自适应模块的柔性外壳分别安装于支撑骨架的外部并组成机器人主体，机器人主体的内部形成有分别用于设置各功能器件的模块设置用密封腔体，各模块设置用密封腔体中均填充有用于实现模块设置用密封腔体内外压力平衡的液压油。本发明通过各被动浮力自适应模块在任意深度的海水压力下改变自身体积，可在任意深度实现压力平衡和浮力平衡，始终保持中性浮力状态，在潜浮过程中无需额外能耗即可具备全海深环境自适应能力。能力。能力。


技术研发人员：陈质二 俞建成 任楷 张行健 谭智铎 胡峰 黄琰 孙朝阳 李宏博
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/28