本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于海洋石油開發(fā)中的水下機器人。

背景技術(shù)：

海洋中蘊藏著豐富的生物資源和礦產(chǎn)資源, 隨著陸地資源的枯竭, 海洋資源的開發(fā)利用對人類發(fā)展和社會進步的推動作用越趨明顯。隨著石油、天然氣等海洋資源的開發(fā)從近海延伸到深海, 有纜水下機器人因其安全、高效、作業(yè)深度大、能在水下長時間工作而日益成為開發(fā)海洋資源的重要工具。但在應(yīng)用過程中也暴露出問題，由于ROV多數(shù)依賴于螺旋槳的驅(qū)動，遇到猛烈海浪和強勁暗涌的沖擊時往往無能為力，難以正常工作，而且它們能夠開展水下作業(yè)的地方也受到一定的限制，多數(shù)都是水中懸浮。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中所提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于ROV本體可多模式運動的多足水下機器人。該種裝置根據(jù)工作需要可以依靠螺旋槳懸浮，也可以依靠多足在海底步行，還可以依靠輪子在海底滾動滑行，這種多模式的工作提高了工作的穩(wěn)定性，而且可以適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，對ROV在油田領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用具有深遠的意義。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：該種海洋石油開發(fā)自適應(yīng)多足水下機器人，包括一個ROV本體，所述ROV本體為整個水下機器人的載體，其獨特之處在于：所述水下機器人具有多足機構(gòu)；

所述多足機構(gòu)包括腿部結(jié)構(gòu)和足端結(jié)構(gòu)；其中，腿部結(jié)構(gòu)共有6條腿，分布在所述ROV本體的兩側(cè)；腿部結(jié)構(gòu)靠與其連接的擺動液壓缸與所述ROV本體連接；每條腿由基節(jié)、大腿和小腿三個關(guān)節(jié)組成，相鄰關(guān)節(jié)之間采用鉸接連接，運動靠液壓缸驅(qū)動；基節(jié)、大腿、小腿和足端結(jié)構(gòu)以及第一液壓缸、第二液壓缸、第三液壓缸和第四液壓缸構(gòu)成了實現(xiàn)多足水下機器人海底運動的基本單元。其中，基節(jié)與大腿、大腿與小腿以及小腿與足端結(jié)構(gòu)之間順次利用三個鉸接銷串聯(lián)起來構(gòu)成腿部結(jié)構(gòu)的基本框架，這些銷軸在肢體運動時充當轉(zhuǎn)軸，是多足水下機器人實際的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。所述第一、第二、第三、第四液壓缸分別連接在本體與基節(jié)、基節(jié)與大腿、大腿與小腿、小腿與足端結(jié)構(gòu)之間。

基節(jié)靠近機身；大腿和小腿的長度均長于所述基節(jié)；基節(jié)的中段與本體連接第一液壓缸，以實現(xiàn)基節(jié)的中段平衡位置接近水平；基節(jié)的末段與大腿的末端連接有第二液壓缸，以使得大腿的運動范圍達到最大；大腿與小腿之間的第三液壓缸連接在大腿的中部和小腿的中部。

足端結(jié)構(gòu)包括相互連接的吸盤式的輪子、輪子連接架、第四液壓缸、液壓馬達和液壓馬達安裝架；其中，輪子的足面為吸盤狀，第四液壓缸連接在輪子連接架上部和液壓馬達安裝架的吊耳上，通過所述第四液壓缸的伸縮可使所述足端結(jié)構(gòu)在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，從而使水下多足機器人在海底運動時其運動狀態(tài)能夠在行走和滾動之間轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)輪換功能；輪子連接架由連接架法蘭盤和連接桿組成，連接桿上部分設(shè)有吊耳，用來和第四液壓缸的耳環(huán)銷軸連接，連接桿下部分是開孔的U型架，用來和液壓馬達安裝架銷軸連接，輪子連接架和液壓馬達安裝架也通過銷軸進行連接；第四液壓缸的缸筒末端與液壓馬達安裝架的吊耳通過銷軸進行連接；液壓馬達安裝在液壓馬達安裝架內(nèi)，吸盤式的輪子與液壓馬達相連；在足端結(jié)構(gòu)處于輪換模式中時，輪子連接架始終保持固定不動，當?shù)谒囊簤焊咨扉L時，帶動液壓馬達安裝架繞第一銷軸進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動所連接的吸盤式的輪子隨其旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到吸盤式的輪子與地面垂直時，第四液壓缸停止伸長，從而切換到了滾動前行模式；當?shù)谒囊簤焊资湛s時，帶動液壓馬達安裝架繞第一銷軸進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動所連接的吸盤式的輪子隨其旋轉(zhuǎn)，當?shù)谒囊簤焊淄耆栈貢r，便切換到了水下行走模式，此時輪子面向地面；輪換模式中，當輪子面向著地面時可實現(xiàn)在水下行走；當輪子與地面垂直時可實現(xiàn)滾動前進。

所述第四液壓缸采用可連續(xù)穩(wěn)定伸縮的液壓缸，以實現(xiàn)切換流暢；在足端結(jié)構(gòu)與腿部結(jié)構(gòu)之間連接有減震裝置；減震裝置包括上端蓋和下端蓋以及安裝在兩者之間的彈簧。其中，上端蓋上方有上端蓋法蘭盤，用來和小腿下方的小腿連接法蘭盤連接，從而實現(xiàn)減震裝置和腿部結(jié)構(gòu)的連接；下端蓋下方有下端蓋法蘭盤，用來連接輪子連接架上端的連接架法蘭盤，從而實現(xiàn)減震裝置和足端結(jié)構(gòu)的連接。

本發(fā)明具有如下有益效果：首先，當焊接用水下機器人采取本發(fā)明所述方案后，以ROV為載體對施工而言是非常有利的。因為目前ROV技術(shù)已經(jīng)相對成熟，無論是在結(jié)構(gòu)還是控制上。而且ROV有它獨特的優(yōu)點，機動靈活，水下工作時間長，減少了回收機器人的次數(shù)，相當于增加了工作效率。

其次，本發(fā)明所述方案給出的帶有轉(zhuǎn)換模式的足端結(jié)構(gòu)和多足機構(gòu)，有效的提高了整套裝置的運動能力，可以實現(xiàn)多模式自適應(yīng)運動。

另外，本發(fā)明所述方案的液壓系統(tǒng)采用雙聯(lián)齒輪泵供油，把等量的油分別輸入兩個尺寸相同的液壓缸，確保需要同步作業(yè)的兩個液壓缸動作同步，使作業(yè)更加平穩(wěn)。

綜上所述，本發(fā)明提供的這種多模式工作的水下機器人，可以提高工作的穩(wěn)定性，適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境以及不同的管道直徑，改善了水下機器人的運動性能，大大提高了水下機器人的工作效率。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明海洋石油開發(fā)自適應(yīng)多足水下機器人總裝圖。

圖2是本發(fā)明ROV本體總體結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明ROV本體后視圖。

圖4是本發(fā)明ROV本體主視圖

圖5是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人單條腿機構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人擺動液壓缸示意圖。

圖7是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人腿部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人擺動液壓缸與腿的連接頭示意圖。

圖9是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人腿的基節(jié)示意圖。

圖10是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人大腿示意圖。

圖11是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人小腿示意圖。

圖12是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人足端整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人輪子連接架示意圖。

圖14是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人輪子裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖15是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人液壓馬達示意圖。

圖16是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人液壓馬達安裝框示意圖。

圖17是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人吸盤式輪子示意圖。

圖18是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人減震裝置示意圖。

圖19是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人減震裝置的上端蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖20是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人減震裝置的彈簧示意圖。

圖21是本發(fā)明自適應(yīng)多足水下機器人減震裝置的下端蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中1-ROV機器人，2-多足機構(gòu)，3-載體框架，4-浮力模塊，5-垂直推進器，6-水平推進器，7-五自由度機械手，8-七自由度機械手，9-照明攝像系統(tǒng)，10-電子艙，11-液壓動力單元，12-腿部結(jié)構(gòu)，13-足端結(jié)構(gòu)，14-擺動液壓缸，15-基節(jié)，16-大腿，17-小腿，18-液壓缸，19-輪子，20-輪子連接架，21-液壓馬達，22-液壓馬達安裝架，23-減震裝置，24-減震裝置上端蓋，25-減震裝置下端蓋，26-減震裝置彈簧,27-上端蓋法蘭盤,28-小腿連接法蘭盤，29-下端蓋法蘭盤,30-連接架法蘭盤,31-連接桿,32-連接桿上的吊耳，33-U型架,34-液壓馬達安裝架吊耳，35-第一銷軸。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：

如圖1至圖21所示，本種海洋石油開發(fā)自適應(yīng)多足水下機器人，包括機體，以及為機體提供動力和控制信號的液壓和電控系統(tǒng)，其中機體由ROV本體、多足機構(gòu)兩大部分組成。

所述ROV本體為整個系統(tǒng)的載體，在本發(fā)明應(yīng)用時，采用通用的ROV本體即可。主要由所述ROV本體1為整個系統(tǒng)的載體，如圖2所示，主要由載體框架3，浮力模塊4，4個水平推進器6，2個垂直推進器5，照明攝像系統(tǒng)7，一個5自由度機械手9和一個7自由度機械手8、電子艙10、液壓動力單元11組成。其中，載體框架3既是主要承重裝置，也是主要搭載裝置；浮力模塊4通過螺栓連接安裝在載體框架3的上方，為整套裝置提供向上的浮力；6個推進器實現(xiàn)整套裝置在水下6個自由度的運動；照明攝像系統(tǒng)9安裝在載體框架3的前上方；兩個機械手安裝在載體框架3的前下方，其中5自由度機械手7主要實現(xiàn)定位功能和一些輔助功能，7自由度機械手8負責精細的操作工作。電子艙10安裝在載體框架3的中間位置，主要為ROV提供電力。液壓動力單元11安裝在載體框架3底部，為ROV的4個水平推進器6和2個垂直推進器5以及兩個不同自由度的機械手提供液壓動力。

本發(fā)明的獨特之處在于，給出了與ROV本體配合的多足機構(gòu)2，如圖5所示。

所述多足機構(gòu)2，包括腿部結(jié)構(gòu)12和足端結(jié)構(gòu)13。其中腿部結(jié)構(gòu)12共設(shè)計有6條腿，分布在ROV本體的兩側(cè)。與四足機器人相比，六足機器人具有更好的穩(wěn)定性、更高的承載能力，且步態(tài)多樣化，同時由于其冗余的結(jié)構(gòu)可以使其在有一條腿踏空或者折斷的情況下身體仍然保持穩(wěn)定；相比于八足機器人，其具有結(jié)構(gòu)簡單控制容易的特點。因此六足機器人是復(fù)雜地形下移動作業(yè)的理想平臺。腿部結(jié)構(gòu)12靠與其連接的擺動液壓缸14與ROV本體連接，每條腿由基節(jié)15、大腿16、小腿17三個關(guān)節(jié)組成，相鄰關(guān)節(jié)之間采用鉸接連接，運動靠液壓缸驅(qū)動。腿和足是實現(xiàn)多足水下機器人海底運動的基本單元，每個單元主要包括：基節(jié)15、大腿16、小腿17、足端結(jié)構(gòu)13以及第一、第二、第三、第四液壓缸1801、1802、1803和1804?；?jié)14與大腿15、大腿15與小腿16、小腿16與足端結(jié)構(gòu)13之間順次利用三個鉸接銷串聯(lián)起來構(gòu)成腿部結(jié)構(gòu)的基本框架，這些銷軸在肢體運動時充當轉(zhuǎn)軸，是多足水下機器人實際上的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。第一、第二、第三、第四液壓缸分別連接在本體與基節(jié)、基節(jié)與大腿、大腿與小腿、小腿與足端結(jié)構(gòu)之間。

多足水下機器人的基節(jié)粗短，靠近機身；大腿和小腿較長?；?jié)的中段與本體連接有第一液壓缸1801，其平衡位置接近水平；基節(jié)15的的末段與大腿15的末端連接有第二液壓缸1802，這樣設(shè)計可使大腿16的運動范圍達到最大，增加機構(gòu)的靈活性；大腿16與小腿17之間的第三液壓缸1803連接在大腿16的中部和小腿17的中部，結(jié)構(gòu)緊湊簡約。本種多足水下機器人腿部的液壓缸有明確的分工：基節(jié)與主體連接的液壓缸擺幅通常較小，是核心驅(qū)動器；基節(jié)與大腿之間和大腿與小腿之間的液壓缸主要負責調(diào)整機身姿態(tài)，同時因其擺幅大，是機器人縱向邁步和增大步伐的主要機構(gòu)，采用液壓輸出的方式控制，行動靈活。

足端結(jié)構(gòu)13設(shè)計為多功能輪換模式，如圖16所示。主要由吸盤式輪子19、連接輪子連接架20、第四液壓缸1804、液壓馬達21、液壓馬達安裝架22組成。輪子連接架20由連接架法蘭盤30和連接桿31組成，連接桿31上部分設(shè)有吊耳32，用來和第四液壓缸的耳環(huán)銷軸連接，連接桿31下部分是開孔的U型架33，用來和液壓馬達安裝架22銷軸連接，輪子連接架20和液壓馬達安裝架22也通過銷軸進行連接；第四液壓缸的缸筒末端與液壓馬達安裝架的吊耳34通過銷軸進行連接；液壓馬達21安裝在液壓馬達安裝架22內(nèi)，吸盤式輪子19與液壓馬達21相連。

在輪換模式中連接輪子連接架20始終保持固定不動，當?shù)谒囊簤焊咨扉L時，帶動液壓馬達安裝架22繞其第一銷軸35進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動所連接的吸盤式的輪子隨其旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到吸盤式的輪子19與地面垂直時，第四液壓缸停止伸長，從而切換到了滾動前行模式；當?shù)谒囊簤焊资湛s時，帶動液壓馬達安裝架22繞其銷軸進行旋轉(zhuǎn)，從而帶動所連接的吸盤式的輪子19隨其旋轉(zhuǎn)，當?shù)谒囊簤焊淄耆栈貢r，便切換到了水下行走模式，此時吸盤式的輪子19是面向地面的。足端結(jié)構(gòu)13不同形式的切換通過第四液壓缸1804來完成，第四液壓缸1804的伸縮具有連續(xù)穩(wěn)定性，能夠使切換流暢。對于起伏程度較大、海底情況復(fù)雜的環(huán)境，易采用行走的方式，此時輪子19圓面與海底平行，行走過程具有穩(wěn)定性，且停止時方便；對于較為平穩(wěn)的海底環(huán)境，且需要長距離行走時，易采用輪子19滾動的方式前進，運行速度快。

足端結(jié)構(gòu)13的足面采用吸盤狀，一方面能夠使運動或靜止狀態(tài)時水下多足機器人更加平穩(wěn)，不易于發(fā)生側(cè)翻；另一方面可以吸附管柱。

在足端結(jié)構(gòu)13與腿部結(jié)構(gòu)12之間有減震裝置23,如圖18所示，減震裝置23包括上端蓋24和下端蓋25,以及安裝在兩者之間的彈簧26。其中，上端蓋24上方有上端蓋法蘭盤27，用來和小腿下方的小腿連接法蘭盤28連接，從而實現(xiàn)減震裝置23和腿部結(jié)構(gòu)12的連接；下端蓋25下方有下端蓋法蘭盤29，用來連接輪子連接架20上端的連接架法蘭盤30，從而實現(xiàn)減震裝置23和足端結(jié)構(gòu)13的連接。足端結(jié)構(gòu)13上方的減震裝置23能夠使水下多足機器人在運動過程中產(chǎn)生的阻力降低，尤其是對于機器人行走過程中顛簸產(chǎn)生的振動有很好的減弱效果。水下設(shè)備在其運動過程中往往會由于振動而對工作造成不良影響，此減震裝置的設(shè)計克服了多足機器人運動時受振動而影響其正常運行的缺點。

利用本裝置可實現(xiàn)懸浮、步行、滾動前行和抱管吸附四項運動。其中，懸浮適用于一定深度的水下運動，以及下潛和上升過程；步行適用于裝置已經(jīng)下潛入海底后，海底路面變化比較復(fù)雜，或是海底管線復(fù)雜的情況；滾動前行適用于海底作業(yè)時比較平坦的環(huán)境；抱管吸附則為依靠足端吸盤結(jié)構(gòu)吸附不同尺寸的油管。