一种用于海底行走及钻进的机器人

1.本发明涉及海底机器人技术领域，特别是涉及一种用于海底行走及钻进的机器人。


背景技术：

2.随着社会的高速发展以及陆地上战略性资源的不断消耗，人类对深海资源开发与利用已经成为了一种趋势，海底地层的勘探装备愈发重要。
3.在海底地层内部，可能蕴含着诸如天然气水合物等资源。针对这些海底地层内部资源的勘探，人类可以采用的方式有：通过大型钻机，对海底地层进行钻进取样作业，对船载样品进行取样分析；或是采用地层钻探机器人对地层进行原位的监测分析。根据作业情况进而推断其所处地层的资源分布情况，对存在资源的地层区域进行开发。在对海底地层表面，可能富藏着由镍、铜、钴、锰等金属元素构成的多金属核。针对这些海底地层表面的资源的勘探与开发，人类可以采用的方式有使用装备能在地面爬行与行走的机构机器人执行此类任务，对整片区域的资源进行勘探工作。
4.海底地层内部和海底地层表面资源的勘探与开发工作需要采用不同的装备。如果能研发出一种具备海底行走功能和钻进功能为一体的海底机器人，将能在一次性完成对海底地层表面与海底地层内部的资源的勘探作业任务，对于提升资源勘探效率具有重要而深远的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于海底行走及钻进的机器人，以解决上述现有技术存在的问题，集成了海底地层表面直行与转向、海底地层内部直行与转向以及从海底地层表面进入海底地层这些功能为一体。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种用于海底行走及钻进的机器人，包括：驱动装置、钻杆、外行走筒、支撑架、推进装置和锚定机构；所述驱动装置固定设置于所述支撑架上，所述外行走筒绕自身轴线能够转动地套设于所述支撑架外，所述外行走筒的外壁上固定设置有螺旋叶片，所述驱动装置能够驱动所述外行走筒绕自身轴线转动，所述驱动装置连接有线缆，所述线缆与海底地层表面的摩擦力为所述外行走筒的旋转提供旋转支撑；
8.设置有四个所述钻杆，四个所述钻杆绕一圆周均匀排布，四个所述钻杆的一端均位于所述外行走筒内，另一端为钻头端，所述钻头端从所述外行走筒的一端伸出，所述驱动装置能够驱动多个所述钻杆绕自身轴线转动，所述推进装置能够独立驱动各所述钻杆沿着所述钻杆的长度方向移动，且所述推进装置能够对所述钻杆进行二级推进，实现所述钻杆的伸出长度处于“短态”、“中态”、“长态”三种状态；
9.部分所述支撑架位于所述外行走筒内，另一部分所述支撑架从所述外行走筒远离所述钻头端的一端伸出，所述支撑架伸出所述外行走筒的一端固定设置有所述锚定机构，
所述锚定机构的锚杆能够伸出至超过所述外行走筒的外壁所在的圆柱面之外并插入地层中，所述锚定机构也能够从地层中收回锚杆至所述外行走筒外壁所在的圆柱面之内。
10.优选的，所述驱动装置包括驱动电机和谐波减速器，所述谐波减速器用于增大所述驱动电机输出的转动扭矩。
11.优选的，还包括传动内筒，所述传动内筒与所述外行走筒同轴设置，至少部分所述传动内筒位于所述外行走筒内，所述驱动装置的扭矩输出端与所述传动内筒的顶端连接，四个所述钻杆绕所述传动内筒的周向均匀地布设于所述传动内筒外，且所述传动内筒的外壁上设置有三个第一传动部，所述第一传动部为绕所述传动内筒周向设置的一周传动齿，三个所述第一传动部沿着所述传动内筒的长度方向布设；各所述钻杆上均设置有一个第二传动部，所述第二传动部为绕所述钻杆周向设置的一周传动齿，所述外行走筒的内壁上设置有与三个所述第一传动部相对的三个第三传动部，所述第二传动部均能够与各所述第一传动部以及各所述第三传动部啮合；
12.所述钻杆处于“短态”、“中态”和“长态”时，所述钻杆上的第二传动部分别与三个所述第一传动部以及三个所述第三传动部啮合。
13.优选的，所述传动内筒为中空结构，与所述传动内筒顶端相对的一端为底端，所述传动内筒的底端从所述外行走筒的末端伸出，且所述传动内筒的底端设有开口，所述传动内筒内设置有沿长度方向延伸的螺旋，所述传动内筒靠近顶端的部分侧壁开设有多个间隔设置的排泥口，所述排泥口位于所述外行走筒的外侧。
14.优选的，所述锚定机构包括两个电动推杆，两个所述电动推杆的推杆即为所述锚杆，两个所述锚杆能够沿着相反的方向伸出，所述电动推杆固定设置于所述支撑架远离所述外行走筒一端的端部。
15.优选的，所述外行走筒通过一轴承设置于所述支撑架上。
16.优选的，所述钻杆包括杆体和钻头，所述钻头设置于所述杆体的一端，所述钻头呈锥形，所述钻头外布设有螺旋，所述杆体为中空杆。
17.优选的，所述传动内筒与所述外行走筒之间的环形间隙的两端均设置有环形的密封端盖，所述第二传动部、所述第一传动部以及所述第三传动部均位于两个所述密封端盖之间的腔体内。
18.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
19.本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人包括驱动装置、钻杆、外行走筒、支撑架、推进装置和锚定机构；在上述机构的组合作用下，机器人集成了海底地层表面直行与转向、海底地层内部直行与转向以及从海底地层表面进入海底地层这些功能为一体。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人的结构示意图；
22.图2是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人的内部结构示意图；
23.图3是图1的仰视图；
24.图4是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人在海底行走时，锚杆处于“原始态”的结构示意图；
25.图5是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人在海底行走时，锚杆处于“固定态”的结构示意图；
26.图6～图8是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人由海底地层表面进入海底地层之内的模式切换示意图；
27.图9～图13是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人在地层内直行钻进的模式切换示意图；
28.图14～图17是本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人在地层内转向钻的模式切换示意图；
29.图中：
30.1、锚定机构；3、底部端盖；4、支撑架；5、驱动装置；6、后端密封盖；7、传动内筒；8、轴承；9、前端密封盖；10、外行走筒；11、第一传动部；12、推进装置；13、第二传动部；14、杆体；15、钻头；d1～d4、钻杆。
具体实施方式
31.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明的目的是提供一种用于海底行走及钻进的机器人，以解决现有技术存在的问题，集成了海底地层表面直行与转向、海底地层内部直行与转向以及从海底地层表面进入海底地层这些功能为一体。
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
34.本发明提供一种用于海底行走及钻进的机器人，如图1～图3所示，包括：驱动装置5、钻杆、外行走筒10、支撑架4、推进装置12和锚定机构1；驱动装置5固定设置于支撑架4上，外行走筒10绕自身轴线能够转动地套设于支撑架4外，外行走筒10的外壁上固定设置有螺旋叶片，驱动装置5能够驱动外行走筒10绕自身轴线转动，驱动装置5连接有线缆，线缆与海底地层表面的摩擦力为外行走筒10的旋转提供旋转支撑；
35.设置有四个钻杆，分别为钻杆d1、钻杆d2、钻杆d3和钻杆d4，四个钻杆绕一圆周均匀排布，四个钻杆的一端均位于外行走筒10内，另一端为钻头15端，钻头15端从外行走筒10的一端伸出，驱动装置5能够驱动多个钻杆绕自身轴线转动，推进装置12能够独立驱动各钻杆沿着钻杆的长度方向移动，且推进装置12能够对钻杆进行二级推进，实现钻杆的伸出长度处于“短态”、“中态”、“长态”三种状态；
36.部分支撑架4位于外行走筒10内，另一部分支撑架4从外行走筒10远离钻头15端的一端伸出，支撑架4伸出外行走筒10的一端固定设置有锚定机构1，锚定机构1的锚杆能够伸出至超过外行走筒10的外壁所在的圆柱面之外并插入地层中，锚定机构1也能够从地层中
收回锚杆至外行走筒10外壁所在的圆柱面之内。
37.本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人包括驱动装置5、钻杆、外行走筒10、支撑架4、推进装置12和锚定机构1；在上述机构的组合作用下，机器人集成了海底地层表面直行与转向、海底地层内部直行与转向以及从海底地层表面进入海底地层这些功能为一体，机器人控制系统控制各机构的工作。
38.本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人可以根据实际作业任务的不同，携带不同的传感器阵列，以实现操作者的实际需求。
39.进一步的，驱动装置5包括驱动电机和谐波减速器，谐波减速器用于增大驱动电机输出的转动扭矩。
40.进一步的，本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人还包括传动内筒7，传动内筒7与外行走筒10同轴设置，至少部分传动内筒7位于外行走筒10内，驱动装置5的扭矩输出端与传动内筒7的顶端连接，四个钻杆绕传动内筒7的周向均匀地布设于传动内筒7外，且传动内筒7的外壁上设置有三个第一传动部11，第一传动部11为绕传动内筒7周向设置的一周传动齿，三个第一传动部11沿着传动内筒7的长度方向布设；各钻杆上均设置有一个第二传动部13，第二传动部13为绕钻杆周向设置的一周传动齿，外行走筒10的内壁上设置有与三个第一传动部11相对的三个第三传动部，第二传动部13均能够与各第一传动部11以及各第三传动部啮合；
41.钻杆处于“短态”、“中态”和“长态”时，钻杆上的第二传动部13分别与三个第一传动部11以及三个第三传动部啮合。
42.本发明提供的用于海底行走及钻进的机器人通过相互啮合的各传动部即可实现单个电机驱动四个钻杆、外行走筒10以及传动内筒7的运动，驱动装置5简单，所实现的功能多样复杂。
43.进一步的，传动内筒7中空结构，与传动内筒7顶端相对的一端为底端，传动内筒7的底端从外行走筒10的末端伸出，且传动内筒7的底端设有开口，传动内筒7内设置有沿长度方向延伸的螺旋，传动内筒7靠近顶端的部分侧壁开设有多个间隔设置的排泥口，排泥口位于外行走筒10的外侧，传动内筒7能够实现主体内部的排泥功能，外行走筒10外壁上的螺旋实现了海底行走以及主体外部排泥的功能。
44.进一步的，锚定机构1包括两个电动推杆，两个电动推杆的推杆即为锚杆，两个锚杆能够沿着相反的方向伸出，电动推杆固定设置于支撑架4远离外行走筒10一端的端部，锚杆的顶部设置为锥形结构，便于其插入锚固于地层内，两个电动推杆的推杆均具备两档伸长的功能，推杆处于缩回状态时，属于“原始态”，处于一级伸长状态时属于“固定态”，处于二级伸长状态时属于“支撑态”。
45.进一步的，外行走筒10通过一轴承8设置于支撑架4上。
46.进一步的，钻杆包括杆体14和钻头15，钻头15设置于杆体14的一端，钻头15呈锥形，钻头15外布设有螺旋，杆体14为中空杆，减轻整体的重量，减小驱动装置5的驱动负担。
47.进一步的，传动内筒7与外行走筒10之间的环形间隙的两端均设置有环形的密封端盖，第二传动部13、第一传动部11以及第三传动部均位于两个密封端盖之间的腔体内，两个密封端盖分别为后端密封盖6和前端密封盖9，防止传动结构内进入污泥或其他杂质。
48.具体使用过程如下：
49.当机器人执行在海底地层表面直行行走的指令时，如图4所示，机器人尾部锚定机构1的锚杆处于缩回状态，此为“原始态”，四个钻杆长度状态都处于“短态”，控制系统控制驱动装置5驱动外行走筒10绕自身轴线转动，当驱动装置5中电机的电机轴顺时针转动时，机器人在海底地层表面向前方直行运动；当驱动装置5中电机的电机轴逆时针转动时，机器人在海底地层表面向后方直行运动，机器人在实际工作时，尾部会拖带线缆，所携带线缆与地面的摩擦力为机器人旋转提供旋转支撑。
50.当机器人执行在海底地层表面转向行走的指令时，如图5所示，机器人尾部锚定机构1中的一个锚杆进行一级伸长，锚杆此时的状态为“固定态”，此状态的下机器人的一端的位置保持不变，当驱动装置5中电机的电机轴顺时针转动时，机器人即会绕固定支撑点做逆时针的圆周运动，即机器人在海底地层表面进行左转向运动；当驱动装置5中电机的电机轴逆时针转动时，机器人即会绕固定支撑点做顺时针的圆周运动，即机器人在海底地层表面进行右转向运动。当机器人转向达到设定角度后，控制系统控制驱动装置5停止工作，机器人尾部锚定机构1的锚杆缩回，锚杆从“固定态”变为“原始态”，此时即完成地层表面的转向。
51.下面，将结合图6～图8具体说明海底行走及钻进机器人从海底地层表面进入海底地层的过程，具体步骤如下所示：
52.s301：机器人在准备进入海底地层前，控制系统控制驱动装置5驱动机身(外行走筒10)转动，使钻杆d2与d3的轴线所在的平面与地层平面相平行，使钻杆d1与d4的轴线所在的平面与地层平面相垂直(为了便于区分将四个钻杆分为钻杆d1、钻杆d2、钻杆d3和钻杆d4)，两个锚杆的轴线在钻杆d1与d4的轴线所在的平面上；
53.s302：机器人尾部锚定机构1的锚杆进行二级伸长，从“原始态”变为“支撑态”，将机器人的一端抬高。控制系统控制推进装置12调节四根钻杆的形态，钻杆d1保持“短态”，钻杆d2、d3调整为“中态”，钻杆d4调整为“长态”，如图6所示；
54.s303：控制系统控制驱动装置5驱动各钻杆向地层钻进，当部分机器人主体进入地层后，机器人尾部锚定机构1的锚杆缩回，从“支撑态”变为“原始态”，如图7所示；
55.s304：机器人以s303中的形态继续钻进工作，当机器人轴线与地层表面垂直时，钻杆d2、d3与d4均调整回“短态”，完成进入地层的操作，如图8所示。
56.下面，将结合图9～图13，具体说明海底行走及钻进机器人在海底地层内部直行的周期性过程，具体如下所示：
57.s401：在机器人进入地层后，它的形态如图9所示；
58.s402：尾部锚定机构1的两个锚杆均进行一级伸长，插入地层，从“原始态”变为“固定态”，起到固定支撑机器人尾部的作用，如图10所示；
59.s403：控制系统控制驱动装置5驱动钻杆d1、d2、d3和d4工作。当机器人前侧土层被钻进到一定程度后，驱动装置5停止工作，控制系统控制推进机构推动钻杆d1、d2、d3和d4，使得四个钻杆均从“短态”变为“中态”，推动机器人前侧前进，如图11所示；
60.s404：控制系统控制驱动装置5驱动钻杆d1、d2、d3和d4工作。当机器人前侧土层被钻进到一定程度后，驱动装置5停止工作，控制系统控制推进机构推动钻杆d1、d2、d3和d4，使得四个钻杆均从“中态”变为“长态”，再一步推动机器人前侧前进，如图12所示；
61.s405：尾部锚定机构1的两个锚杆均从地层拔出并收回，从“固定态”变为“原始
态”，如图13所示；
62.s406：控制系统控制推进机构收回钻杆d1、d2、d3和d4，从“长态”变为“短态”，拉动机器人尾部前进，即完成了一次周期性运动过程；
63.重复s401～s406过程即可完成海底行走及钻进机器人在海底地层内部直行的过程。
64.下面，将结合图14～图17，具体说明海底行走及钻进机器人在海底地层内部转向的过程，具体如下所示(以向钻杆d1方向为例进行介绍)：
65.s501：在机器人在准备转向前，它的形态如图14所示；
66.s502：调整四根钻杆的形态，钻杆d1保持“短态”，钻杆d2、d3调整为“中态”，钻杆d4调整为“长态”，如图15所示；
67.s503：控制系统控制驱动装置5工作，驱动机器人开始转向钻进，当机器人转向达到设定角度后，驱动装置5停止工作，如图16所示；
68.s504：机器人钻杆d2、d3与d4均调整回“短态”，完成地层转向操作，如图17所示。
69.对上述使用过程中的s304以及s503过程原理进行解析，解析如下(以向钻杆d1方向为例进行介绍)：
70.四个钻杆呈现三种状态，短态、中态和长态。当驱动装置开始驱动机器人运动时，四个钻杆将会开始运动，对前方土层进行松动，钻杆d1运动至“短态”停止，钻杆d2、d3运动至“中态”停止，钻杆d4运动至“长态”停止。同时，外行走筒也将开始转动，对侧向土层起到松动作用。随着机器人整体钻进的进行，呈长态的钻杆前部土层状态将会最松，呈中态状态次之，短态最少。机器人进入地层的转向过程中，由于重力的作用，机器人将会向松动的位置移动，进而完成转向。机器人在地层中运动转向的过程中，在排至机器人尾部的泥土的推动下，向松动位置移动，进而完成转向。
71.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。