(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN105564615A (43)申请公布日2016.05.11 (21)申请号201511004237.8 (22)申请日2015.12.29 (71)申请人上海大学 地址200444上海市宝山区上大路99号 (72)发明人李恒宇董毅郭石磊杨毅 饶进军谢少荣罗均 (74)专利代理机构上海上大专利事务所（普通 合伙)31205 代理人何文欣 (51)nt.Cl. B63C1152(2006.01) B63H1104(2006.01) 权利要求书1页说明书5页附图5页 (54)发明名称 一种六自由度球形水下机器人仿生眼 (57)摘要 本发明涉及一种六自由度球形水下机器人仿 生眼。本仿生眼主要由包括上半球壳、分流阀、Y 形塑料导管、下半球壳、双向离心泵、控制电机、摄 像头7和喷水口。所述下半球壳与上半球壳组合 成球形六自由度球形水下机器人仿生眼的外壳， 上半球壳有4个喷水口（也是进水口），下半球壳 6-0 有8个喷水口（也是进水口）：所述上半球壳布置 控制和感应装置：所述下半球壳布置其他各零部 件。本发明能够解决在小管道、水下狭小区域等情 况下，普通水下机器人视觉装置由于较大以致无 法正常通行，工作受限等问题
CN105564615A 权利要求书 1/1页 1.一种六自由度球形水下机器人仿生眼，包括上、下半球壳(1、4)、四个分流阀(2-A、2 B、2-C、2-D)、三个双向离心泵(5-A、5-B、5-C)、四个控制电机(6-A、6-B、6-C、6-D)和一个摄 像头(7)，其特征在于：所述四个分流阀(2-A、2-B、2-C、2-D)与三个双向离心泵(5-A、5-B、5 C)通过两个Y形塑料导管(3-A、3-B)组合成具有12个喷水口(8)的多轴喷水系统，两两喷水 口(8)之间的配合实现6个自由度运动。 2.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述多轴 喷水系统的具体结构为：第一双向离心泵(5-A)输出口分别与第一第二分流阀(2-A、2-B)连 接，第二双向离心泵(5-B)输出口分别与第三第四分流阀(2-C、2-D)连接，第三双向离心泵 (5-C)与第一第二两个Y形塑料导管(3-A、3-B)连接：第一控制电机(6-A)通过小塑料挡板控 制第一分流阀(2-A)的两个喷水口，第二控制电机(6-B)通过小塑料挡板控制第二分流阀 (2-B)的两个喷水口，第二控制电机(6-C)通过小塑料挡板第三控制分流阀(2-C)的两个喷 水口，第四控制电机(6-D)通过小塑料挡板控制第四分流阀(2-D)的两个喷水口：第三双向 离心泵(5-C)的一个输出口与第一Y形塑料导管(3-A)连接实现两个喷水口喷水，第三双向 离心泵(5-C)的另外一个输出口与第二Y形塑料导管(3-B)连接实现两个喷水口喷水：每个 双向离心泵工作时，两个口中一个为进水口，一个为喷水口。 3.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述第一 分流阀(2-A)、第二分流阀(2-B)、第三分流阀(2-C)、第四分流阀(2-D)与第一双向离心泵 (5-A)、第二双向离心泵(5-B)、第三双向离心泵(5-C)、第一Y形塑料导管(3-A)、Y形塑料导 管(3-B)组合成具有12个喷水口的多轴喷水系统，两两喷水口(8)之间的配合实现6个自由 度运动。 4.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述上半 球壳(1)上设计有4个喷水口(8)，下半球壳(4)上设计有8个喷水口(8)，球壳内部对称分布， 从而使机器人仿生眼装置质心处于体积中心偏下方，上半球壳(1)中布置控制和感应装置。 5.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述第一 Y形塑料导管(3-A)、第二Y形塑料导管(3-B)通过分流产生力矩，从而使六自由度球形水下 机器人仿生眼转动。 6.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述六自 由度球形水下机器人仿生眼利用四个分流阀(2-A、2-B、2C、2-D)和三个双向离心式泵(5- A、5-B、5-C)相组合，组合后可在四种切换的射流喷不同的方向，既实现了六自由度又使机 动能力所需要的泵的数目的减少，从而缩小六自由度球形机器人仿生眼的体积，四个分流 阀(2-A、2-B、2-C、2-D)允许喷水流方向快速切换，对机器人产生准确的高带宽推力。 7.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述三个 相同的双向离心泵(5-A、5-B、5-C)同时只能有两个端口喷射，切换泵的方向大约需要100 ms,这和康达效应阀的转换时间相近，由于切换四个方向导致的时间延迟不会导致控制性 能明显恶化。 8.根据权利要求1所述的一种六自由度球形水下机器人仿生眼，其特征在于：所述六自 由度的球形水下机器人仿生眼控制水平方向的喷水口(8)与六自由度的球形水下机器人仿 生眼前进方向的夹角为正30度或负30度。 2
CN105564615A 说明书 1/5页 一种六自由度球形水下机器人仿生眼 技术领域 [0001] 本发明涉及一种水下机器人仿生眼装置，特别地涉及一种六自由度的球形水下机 器人仿生眼。 技术背景 [0002]水下机器人作为一种特殊用途的机器人，可以对各类水域中（湖泊、海洋、下水道、 小沟等)的基础设备进行维护与检修以及在对未知水域的探索中起着很大的作用，它的应 用前景相当广泛。目前所研究的水下球形机器人按姿态控制方式分主要有两种：一种是以 飞轮改变姿态为主，利用多个飞轮的扭矩平衡，以及飞轮扭矩的差动使球壳旋转，从而改变 球壳的姿态，通过单一喷水来实现机器人的运动转换；另一种是利用外置螺旋桨推进器的 组合来改变机器人的姿态。前者运动复杂，精度不高且不灵活、不稳定：后者是机器人表面 不光滑从而容易导致在与复杂的水下环境的交互过程中受到干扰。在小管道、水下狭小区 域等情况下，由于普通水下机器人较大以致无法通行，工作受限，所以迫切需要一种能在小 管道内或者狭小区域进行工作的水下机器人，来更好地完成某些特定的任务。 发明内容 [0003] 本发明的目的在于解决在小管道、水下狭小区域等情况下，普通水下机器人由于 较大以致无法正常通行，工作受限等问题，提供一种体形狭小、紧凑、并能利用双向离心泵 和阀的组合来改变姿态的六自由度的球形水下机器人仿生眼。 [0004]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： 种六自由度球形水下机器人仿生眼，包括球形水下机器人仿生眼的上半球壳、分流 阀、Y形塑料导管、下半球壳、双向离心泵、控制电机、摄像头和喷水口，其特征在于：所述四 个相同的分流阀采用康达效应阀，四个相同的控制电机采用小型直流电机：所述四个相同 的分流阀与三个相同的双向离心泵、两个相同的Y型塑料导管组合成具有12个喷水口的多 轴喷水系统，两两喷水口之间的配合实现6个自由度运动： 所述多轴喷水系统的具体结构为：第一双向离心泵(5-A)输出口分别与第一第二分流 阀(2-A、2-B)连接，第二双向离心泵(5-B)输出口分别与第三第四分流阀(2-C、2-D)连接，第 三双向离心泵(5-C)与第一第二两个Y形塑料导管(3-A、3-B)连接：第一控制电机(6-A)通过 小塑料挡板控制第一分流阀(2-A)的两个喷水口，第二控制电机(6-B)通过小塑料挡板控制 第二分流阀(2-B)的两个喷水口，第二控制电机(6-C)通过小塑料挡板第三控制分流阀(2 C)的两个喷水口，第四控制电机(6-D)通过小塑料挡板控制第四分流阀(2-D)的两个喷水 口：第三双向离心泵(5-C)的一个输出口与第一Y形塑料导管(3-A)连接实现两个喷水口喷 水，第三双向离心泵(5-C)的另外一个输出口与第二Y形塑料导管(3-B)连接实现两个喷水 口喷水：每个双向离心泵工作时，两个口中一个为进水口，一个为喷水口。 [0005]所述上半球壳上设计有4个喷水口，下半球壳上设计有有8个喷水口，球壳内部对 称分布，从而使机器人质心处于体积中心偏下方，上半球壳布置控制和感应装置： 3
CN105564615A 说明书 2/5页 所述Y形塑料导管通过分流产生力矩，从而使六自由度的球形水下机器人仿生眼转动； 所述六自由度的球形水下机器人仿生眼利用分流阀和独特的双向离心式泵相组合，组 合后可在四种切换的射流喷不同的方向，既实现了六自由度又使机动能力所需要的泵的数 目的减少，从而缩小六自由度球形水下机器人仿生眼装置的体积，分流阀允许喷水流方向 快速切换，对形水下机器人仿生眼装置产生准确的高带宽推力： 所述双向泵，同时只能有两个端口喷射，切换泵的方向大约需要100ms,这和康达效应 阀的转换时间相近，因此，由于切换四个方向导致的时间延迟不会导致控制性能明显恶化： 所述六自由度球形水下机器人仿生眼的控制水平方向的喷水口与机器人前进方向的 夹角为正30度或负30度。 [0006]本发明与现有技术相比较，具有以下明显优点及突出性进步： 光滑的球形机器人壳体具有独特的流体特性，使它在低速度时具有更好的灵活性，而 细长的机器人形状需要遵守孟克力矩，其作用是定向六自由度的球形水下机器人仿生眼装 置垂直于流向。针对小管道、狭小的水下区域等情况，本发明所设计的六自由度球形水下机 器人仿生眼装置通过采用三个双向离心泵、四个分流阀和Y型塑料导管组合成具有12个喷 水口的多轴喷水系统，实现6个自由度运动，且合理调整整个机构中零部件的位置分布，使 它们在限定范围内，从而达到工作性能优良、体积小、结构简易、方便安装和拆卸等要求。此 外，使用一个微型直流电动机来操纵一个小塑料挡板。微型直流电机旋转打开一个控制端 口的同时，会关闭另一个，也可使两个端口同时打开。由于流体动力学是双稳态的，只需要 改变阀的方向才会有能量的输入。因为挡板尺寸小、重量轻，所以微型直流电机可以快速来 回切换。在切换过程中，微型直流电机切换比流体动力换向更快，且电机的力对阀的输出力 大小几乎没有明显的影响。 附图说明 [0007]图1是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的整体结构示意图 图2是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的双向离心泵结构示意图 图3是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的分流阀工作原理图 图4是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的微型电机控制结构示意图 图5是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的特殊自由度原理图 图6是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的坐标系示意图 图7是一种六自由度球形水下机器人仿生眼的下半球的结构示意图。 具体实施方式 [0008]下面结合附图和优选实例，详述本发明的具体结构和工作原理。 [0009] 实施例一： 参见图1~图7，本六自由度球形水下机器人仿生眼，包括上半球壳1、下半球壳4、分流阀 2-A、分流阀2-B、分流阀2C、分流阀2-D、双向离心泵5-A、双向离心泵5-B、双向离心泵5-C、 控制电机6-A、控制电机6-B、控制电机6-C、控制电机6-D和一个摄像头7，其特征在于：所述 四个分流阀2-A、2-B、2-C、2-D与三个双向离心泵5-A、5-B、5-C通过Y形塑料导管3-A、Y形塑 料导管3-B组合成具有12个喷水口8的多轴喷水系统，两两喷水口8之间的配合实现6个自由 4
CN105564615A 说明书 3/5页 度运动。 [0010] 实施例二： 本实施与例一基本相同，特征之处如下： 所述多轴喷水系统的具体结构为：第一双向离心泵5-A输出口分别与第一分流阀2-A、 第二分流阀2-B连接，第二双向离心泵5-B输出口分别与第三分流阀2C、第四分流阀2-D连 接，第三双向离心泵5-C与第一Y形塑料导管3-A、第二Y形塑料导管3-B连接：第一控制电机 6-A通过小塑料挡板控制第一分流阀2-A的两个喷水口，第二控制电机6-B通过小塑料挡板 控制第二分流阀2-B的两个喷水口，第二控制电机6-C通过小塑料挡板第三控制分流阀2 C的两个喷水口，第四控制电机6-D通过小塑料挡板控制第四分流阀2-D的两个喷水口；第 三双向离心泵5-C的一个输出口与第一Y形塑料导管3-A连接实现两个喷水口喷水，第三 双向离心泵5-C的另外一个输出口与第二Y形塑料导管3-B连接实现两个喷水口喷水：每个 双向离心泵工作时，两个口中一个为进水口，一个为喷水口。 [0011]所述第一分流阀2-A、第二分流阀2-B、第三分流阀2-C、第四分流阀2-D与第一双向 离心泵5-A、第二双向离心泵5-B、第三双向离心泵5-C、第一Y形塑料导管3-A、Y形塑料导管 3-B组合成具有12个喷水口的多轴喷水系统，两两喷水口8之间的配合实现六个自由度运 动。 [0012]所述上半球壳1上设计有4个喷水口8，下半球壳4上设计有八个喷水口8，球壳内部 对称分布，从而使机器人仿生眼装置质心处于体积中心偏下方，上半球壳1中布置控制和感 应装置。 [0013]所述第一Y形塑料导管3-A、第二Y形塑料导管3-B通过分流产生力矩，从而使六自 由度球形水下机器人仿生眼转动。 [0014]所述六自由度球形水下机器人仿生眼利用分流阀2-A、分流阀2-B、分流阀2-C、分 流阀2-D和双向离心式泵5-A、双向离心式泵5-B、双向离心式泵5-C相组合，组合后可在四种 切换的射流喷不同的方向，既实现了六自由度又使机动能力所需要的泵的数目的减少，从 而缩小六自由度球形机器人仿生眼的体积，四个分流阀2-A、2-B、2-C、2-D允许喷水流方向 快速切换，对机器人产生准确的高带宽推力。 [0015]所述三个相同的双向离心泵5-A、5-B、5-C同时只能有两个端口喷射，切换泵的方 向大约需要100ms,这和康达效应阀的转换时间相近，由于切换四个方向导致的时间延迟 不会导致控制性能明显恶化。 [0016]所述六自由度的球形水下机器人仿生眼控制水平方向的喷水口8与六自由度的球 形水下机器人仿生眼前进方向的夹角为正30度或负30度。 [0017]实施例三： 一种六自由度球形水下机器人仿生眼装置，包括上半球壳1、分流阀2-A、分流阀2-B、分 流阀2-C、分流阀2-D、Y形塑料导管3-A、Y形塑料导管3-B、下半球壳4、双向离心泵5-A、双向 离心泵5-B、双向离心泵5-C、控制电机6-A、控制电机6-B、控制电机6-C、控制电机6-D、摄像 头7和喷水口8。所述分流阀2-A、分流阀2-B、分流阀2-C、分流阀2-D采用康达效应阀，控制电 机6-A、6-B、6-C、6-D采用小型直流电机：所述分流阀2-A、分流阀2-B、分流阀2-C、分流阀2-D 与双向离心泵5-A、双向离心泵5-B、双向离心泵5-C、Y形塑料导管3-A、Y形塑料导管3-B组合 成具有12个喷水口的多轴喷水系统，两两喷水口8之间的配合实现6个自由度运动：所述上 5
CN105564615A 说明书 4/5页 半球壳1上设计有4个喷水口8，下半球壳4上设计有8个喷水口8，球壳内部对称分布，从而使 六自由度球形水下机器人仿生眼质心处于体积中心偏下方，上半球壳1布置控制和感应装 置：所述Y形塑料导管3-A、Y形塑料导管3-B通过分流产生力矩，从而使一种六自由度球形水 下机器人仿生眼转动；所述六自由度球形水下机器人仿生眼利用四个分流阀2-A、2-B、2-C、 2-D和三个双向离心式泵5-A、5-B、5-C相组合，组合后可在四种切换的射流喷不同的方向， 既实现了六自由度又使机动能力所需要的泵的数目的减少，从而缩小六自由度球形水下机 器人仿生眼的体积，四个分流阀2-A、2-B、2C、2-D允许喷水流方向快速切换，对六自由度球 形水下机器人仿生眼产生准确的高带宽推力：所述三个相同的双向离心泵5-A、5-B、5-C同 时只能有两个端口喷射，切换泵的方向大约需要100ms,这和康达效应阀的转换时间相近， 因此，由于切换四个方向导致的时间延迟不会导致控制性能明显恶化：所述眼球型水下机 器人控制水平方向的喷水口8与机器人前进方向的夹角为正30度或负30度。 [0018]如图2所示，三个相同的双向离心泵5-A、5-B、5-C叶片顺时针方向旋转则E2口为输 出口，逆时针方向旋转则为E1口为输出口：为了方便讨论，其中分流阀2-A、2C相对于六自 由度球形水下机器人仿生眼来讲，分流阀2-A、2-C向左的输出口为“+”，分流阀2-A、2-C向右 的输出口为“”：分流阀2-B、2-D向上的输出口为“+”，分流阀2-B、2-D向下的输出口为“”： 图中箭头方向为简易的水流的输出流向。 [0019]如图7所示建立坐标系，z轴正方向为机器人下沉方向：基于传统海洋工程符号术 语，我们用±u,±v和±w分别代表沿着主体x、y和z轴正负方向平移的速度；类似地，±p, ±q和±r是分别代表绕x、y和z轴的顺逆时针方向旋转角速度：当双向离心泵5-A、5-B的叶 片在顺时针旋转，双向离心泵5-C不工作，分流阀2-A、2-C的输入口皆得到输出，控制电机6 A、控制电机6-B工作控制小塑料挡板，使喷射水流分别从-1、+3两个喷水口8输出，从而使六 自由度球形水下机器人仿生眼受到一个转矩，由于其它分力由圆的对称性相抵消，因此机 器人绕z轴顺时针旋转。同理，六自由度球形水下机器人仿生眼还可以做其他自由度的运 动，其元器件工作情况如下表一所示： 6
CN105564615A 说明书 5/5页 表一六自由度球形水下机器人仿生眼实现每个动作时元件工作情况表 双向离心泵双向离心泵 双向离记泵分流阀输出 分流阀输 5-A 5-B 5-C 口① 出口② fu CW CW OFF +1 +3 -u CW CW OFF -1 -3 tv OFF C羽 OFF 士3 N/A CW OFF OFF 土1 N/A +w CCW CCW FF +2 +4 w CCW CCW OFF -2 -4 C四 CW OFF +1 -3 CW C OFF -1 +3 +9 CCW CCW OFF -2 -4 -q CCW CCW OFF +2 -4 +p OFF OFF CCW N/A N/A p OFF OFF CR N/A N/A 附：“CW”:双向离心泵顺势针转：“CCW”:双向离心泵逆时针转；“OFF”:双向离心泵不工 作： “±N/A”:第N个分流阀的输出口关闭。 7
CN105564615A 说明书附图 1/5页 1 2-A3-A 2-B 5-C 38 58 6-0 2-0 876-8 5-A 图1 8
CN105564615A 说明书附图 2/5页 El E2 图2
CN105564615A 说明书附图 3/5页 ① @ N 图3 图4 10