基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人及其操控方法与流程

2021-02-10 00:02:39|

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本发明属于水下机器人领域，具体而言，基于仿四足动物行走及鸭蹼游走的原理，涉及一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人及其操控方法。

背景技术：

随着我国海洋强国战略的实施，海洋经济和海洋军事都对水下作业型机器人提出了迫切的要求。在海洋经济方面，我国正在大力开展水产养殖、海底资源开采、海底设施建设等活动；在海洋安全方面，我国正在不断提升水下预警、水下猎雷、水下排爆等能力。这些活动的开展和能力的提升，都离不开在海底进行水下作业的机器人。

通常情况下，对于海底作业型的水下机器人通常需要具备三个方面的运动能力：一是具有在水面或水下的大范围巡游能力，以便水下机器人能到达指定的作业海域或者回收海域；二是具有在垂直面内的浮沉能力，以便水下机器人能快速地到达海底的作业区或者水面的回收区；三是具有复杂海底地形的行走能力，以便水下机器人能进行海底作业目标的搜索和定点作业。

相较于悬停式水下作业机器人，游走混合型水下作业具有活动范围大，位置固定性能好，不易受海流和自身动作反作用力影响而发生位置漂移的缺陷。但是，从国内外公开的专利和文献来看，已有的游走混合型海底作业型水下机器人通常采用不同的机构驱动来实现巡游和行走。例如，采用螺旋桨或喷水驱动来实现水面或水下的巡游，采用履带、万向轮或腿足驱动来实现海底行走。这种方式的优点是机理简单、控制容易，缺点是机构过于复杂和庞大，降低了机器人的可靠性，同时大幅度增大了机器人的成本。

技术实现要素：

(1)技术问题

为解决现有技术的不足，本发明的实施例提出了一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人及其操控方法，以满足多个行业领域对海底作业水下机器人的需求。由此本发明提供一种既能在海面和水下进行大范围巡游，也能在垂直面内浮沉，又能在复杂的海底地形和底质上进行行走作业的水下机器人，从而可以完成多种复杂海底作业任务。

(2)技术方案

根据本发明的一方面，一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人，包括：壳体、控制密封舱、浮力调节装置以及仿生四足腿游走装置，壳体包括：尾部浮力块、前部浮力块、底板、右后安装板、右前安装板、左前安装板以及左后安装板，其中，控制密封舱以及浮力调节装置安装在底板上，并位于尾部浮力块以及前部浮力块之间，仿生四足腿游走装置包括仿生鸭蹼、分别安装在左前安装板、右前安装板、右后安装板以及左后安装板上的左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿以及左后仿生四足腿，其中，左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿以及左后仿生四足腿包括：曲柄、摇臂、支脚、摆臂、主动臂、驱动电机、中间齿轮、输出齿轮、输出轴、第一固定轴以及第二固定轴，其中，曲柄一端与主动臂一端铰链连接，曲柄另一端与支脚中部铰链连接，曲柄中部与摇臂一端铰链连接，摆臂一端与支脚一端铰链连接，摆臂另一端与第一固定轴铰链连接，摇臂另一端与第二固定轴铰链连接，中间齿轮分别于驱动电机齿轮以及输出齿轮齿合，输出齿轮与输出轴一端固定连接，输出轴另一端与主动臂固定连接；仿生鸭蹼与支脚另一端固定连接。

根据本发明的示例性实施例，左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿以及左后仿生四足腿还包括：螺环、球轴承以及轴承座，其中，螺环与输出轴固定连接，螺环端面与球轴承接触，轴承座设有球轴承安装面。

根据本发明的示例性实施例，仿生鸭蹼包括：鸭蹼、支架、安装座、主动轮、密封电机、从动轮、连接销以及转轴，鸭蹼与支架固定连接，安装座的台阶上设有连接销以及四方固定孔，密封电机安装在安装座的平板上，主动轮与密封电机输出轴固定连接，主动轮与从动轮齿合，从动轮与转轴固定连接，转轴与支架固定连接。

根据本发明的示例性实施例，鸭蹼包括：右骨架、左骨架、铰链销、脚蹼以及转轴，其中，铰链销与右骨架以及左骨架的一组铰链孔铰链连接，脚蹼置于右骨架以及左骨架内，转轴与右骨架以及左骨架的另一组铰链孔铰链连接。具体地，仿生鸭蹼沿中轴线对称分为两体，之间采用铰链连接，相互之间可以折叠及展开；在仿生水下机器人游走时，仿生鸭蹼在仿生四足腿游走装置工作行程阶段，即做功阶段，仿生鸭蹼靠水阻力自动展开，以此来增大滑行迎水面积，增大前进动力；仿生鸭蹼在仿生四足腿游走装置空回行程阶段，即非做功阶段，仿生鸭蹼靠水阻力自动折叠，以此来减少滑行迎水面积，减少滑行阻力，从而减少非做功功耗。

根据本发明的示例性实施例，底板两侧为前后圆弧，中间部为前小后大的锥形板。

根据本发明的示例性实施例，所述仿生水下机器人还包括：深度和高度一体化传感器，深度和高度一体化传感器安装于尾部浮力块内。

根据本发明的示例性实施例，所述仿生水下机器人还包括：视觉装置，视觉装置安装于前部浮力块内。

根据本发明的示例性实施例，所述仿生水下机器人通过仿生四足腿游走装置前后往复摆动以及仿生鸭蹼(6)的折叠与展开相结合的操纵控制方式，模仿四足动物的行走及游泳动作以及模仿鸭子的鸭蹼的折叠与展开动作，可以实现水下机器人在海底、海面、海中水平面内的前后运动、转向运动以及越障运动。

根据本发明的另一方面，一种如上所述的仿生水下机器人的操控方法，当所述仿生水下机器人处于海面及水下水平面内巡游时的前后运动时，仿生鸭蹼的密封电机顺时针旋转，带动主动轮顺时针旋转，带动从动轮逆时针方向旋转，从而将鸭蹼从水平姿态旋转至垂直姿态；左前、右前仿生四足腿的主动臂顺时针旋转360°，其支脚完成“后蹬”和“前划”两个阶段的动作，右后、左后仿生四足腿的主动臂逆时针旋转360°，其支脚完成“后蹬”和“前划”两个阶段的动作；机器人前后运动时需控制左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿及左后仿生四足腿的运动速度及运动次序；运动速度控制：控制密封舱通过控制编码器的输出转速，使左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿及左后仿生四足腿的运动速度一致；运动次序控制：左前、右前仿生四足腿处于第一阶段是向后“后蹬”的工作行程，此时右后、左后仿生四足腿处于第二阶段是向前“前划”的空回行程；左前、右前仿生四足腿处于第二阶段是向前“前划”的空回行程，此时右后、左后仿生四足腿处于第一阶段是向后“后蹬”的工作行程；如此交替滑行，即可完成机器人在海中及海面水平面内的前后运动。

根据本发明的示例性实施例，当所述仿生水下机器人处于海底行走时的前后运动时，仿生鸭蹼的密封电机逆时针旋转，带动主动轮逆时针旋转，带动从动轮顺时针方向旋转，从而将鸭蹼从垂直姿态转至水平姿态；左前仿生四足腿的主动臂顺时针旋转360°，右后仿生四足腿的主动臂逆时针旋转360°，左前仿生四足腿以及右后仿生四足腿的支脚完成“回拉”和“迈及跨”两个阶段的动作；左后仿生四足腿的主动臂顺时针旋转360°，右前仿生四足腿的主动臂(8-5)逆时针旋转360°，左后仿生四足腿和右前仿生四足腿的支脚完成“回拉”和“迈及跨”两个阶段的动作；机器人完成海底行走时的前后运动需控制同一对角线布置的一对左前、右后仿生四足腿及另一对角线布置的一对左后、右前仿生四足腿的运动速度及运动次序；运动速度控制：控制密封舱通过控制编码器的输出转速，使左前仿生四足腿、右前仿生四足腿、右后仿生四足腿及左后仿生四足腿的运动速度一致；运动次序控制：左前、右后仿生四足腿处于第一阶段是向后的“回拉”的工作行程，此时左后、右前仿生四足腿处于第二阶段是向前的“迈及跨”的空回行程；左前、右后仿生四足腿处于第二阶段是向前的“迈及跨”的空回行程，此时左后、右前仿生四足腿处于第一阶段是向后的“回拉”的工作行程；如此交替行走，即可完成机器人在海底的前后运动。

进一步地，所述机器人在海底转向运动动作，仿生鸭蹼的密封电机逆时针旋转，带动主动轮逆时针旋转，带动从动轮顺时针方向旋转，从而将鸭蹼从垂直姿态转至水平姿态；机器人完成海底行走时的转向运动需控制同一侧(例如，左侧或者右侧)主动臂的旋转速度相对另一侧(例如，右侧后者左侧)主动臂旋转速度有一定的转速差，实现机器人在海底向主动臂旋转速度少的一侧转向，转速差越大，机器人的转弯半径越小，反之越大。详细说明，即左前仿生四足腿、左后仿生四足腿的运动速度大于右前仿生四足腿、右后仿生四足腿的运动速度(即左前仿生四足腿、左后仿生四足腿的主动臂旋转速度大于右前仿生四足腿、右后仿生四足腿的主动臂旋转速度)则机器人向右转向，反之向左转向。

进一步地，所述机器人处于海面及水下水平面内巡游时的转向运动动作，仿生鸭蹼的密封电机顺时针旋转，带动主动轮顺时针旋转，带动从动轮逆时针方向旋转，从而将鸭蹼从水平姿态旋转至垂直姿态；机器人完成海面及水下水平面内巡游时的转向运动需控制同一侧(例如，左侧或者右侧)主动臂的旋转速度相对另一侧(例如，右侧后者左侧)主动臂旋转速度有一定的转速差，实现机器人在海中及海面水平面内向主动臂旋转速度少的一侧转向，转速差越大，机器人的转弯半径越小，反之越大。详细说明，即左前仿生四足腿、左后仿生四足腿的运动速度大于右前仿生四足腿、右后仿生四足腿的运动速度(即左前仿生四足腿、左后仿生四足腿的主动臂旋转速度大于右前仿生四足腿、右后仿生四足腿的主动臂旋转速度)则机器人向右转向，反之向左转向。

本发明提供一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人，结构简单，密封性好，质心下移量大，静稳定性高，机动性强，扩展能力强，不易受海流和自身动作反作用力影响，可以在复杂的海底地形和底质上进行步行、越障，同时具备在海面、水下航行及沉浮等多自由度游走功能，从而可以完成多种复杂海底作业任务。

(3)有益效果

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

(1)水下机器人同时具有水面/水下巡游、快速下潜/上浮和复杂海底地形和底质下的行走能力；

(2)水下机器人采用同一机构驱动实现巡游和行走，结构简单，成本低；

(3)水下机器人采用仿生四足腿和仿生鸭蹼，提升了在海底行走时的越障能力和地形适应能力。

附图说明

图1为根据本发明实施例的机器人的整体外形结构图；

图2为根据本发明实施例的机器人的整体外形结构图及坐标系示意图(不含顶部浮力块)；

图3为根据本发明实施例的机器人的壳体的部分结构图；

图4为根据本发明实施例的机器人的仿生四足腿结构图；

图5为根据本发明实施例的机器人的图4的a-a剖视图；

图6a、6b为根据本发明实施例的机器人的图4的b-b、c-c剖视图；

图7为根据本发明实施例的机器人的驱动电机结构图；

图8为根据本发明实施例的机器人的仿生鸭蹼等侧视图(游泳模式)；

图9a、9b为根据本发明实施例的机器人的仿生鸭蹼侧视图和正视图(游泳模式)；

图10为根据本发明实施例的机器人的图9a的a-a剖视图；

图11为根据本发明实施例的机器人的仿生鸭蹼等侧视图(行走模式)；

图12为根据本发明实施例的机器人的鸭蹼展开状态结构图；

图13为根据本发明实施例的机器人的鸭蹼折叠状态结构图。

具体实施方式

(1)详细说明

本发明为一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人及其操制方法，下面结合附图对本发明实施例进行详细阐述。

参照图1和图2，一种基于同一机构驱动游走的仿生水下机器人，包括壳体1、控制密封舱2、深度和高度一体化传感器3、视觉装置4、仿生四足腿游走装置5、仿生鸭蹼6、浮力调节装置7。

参照图2，为准确阐述本发明实施例，本发明的实施例中建立了坐标系。其中，原点o为壳体1的底板1-4(参见图3)上的任一点。xoz平面为地面坐标系的水平面；x轴为机器人前进方向，例如“前”、“后”、“前进”、“后退”；y轴为机器人沉浮方向，例如“沉”、“浮”、“上”、“下”；z轴为机器人侧方向，例如“左”、“右”。

参照图1、图2，控制密封舱2、浮力调节装置7安装于底板1-4上。深度和高度一体化传感器3安装于尾部浮力块1-2内；视觉装置4安装于前部浮力块1-3内。其中，尾部浮力块1-2与控制密封舱2可以一体成型。尾部浮力块1-2以及前部浮力块1-3位于壳体1内部两侧。

参照图1、图2及图3，所述的壳体1由顶部浮力块1-1、尾部浮力块1-2(图3中未示出)、前部浮力块1-3(图3中未示出)、底板1-4、右后安装板1-5、右前安装板1-6、左前安装板1-7、左后安装板1-8及整流板1-9等组成。底板1-4使用铝合金制作并进行阳极氧化处理，为机器人的主要受力零件。底板1-4两侧为前后圆弧，中间部为前小后大的锥形板状零件，主要目的为减少机器人的流体阻力、防腐及减重。

右后安装板1-5、右前安装板1-6、左前安装板1-7、左后安装板1-8及整流板1-9为聚丙烯板材，分别对称地安装于底板1-4的左右两侧。右后安装板1-5、右前安装板1-6、左前安装板1-7及左后安装板1-8上均开有安装仿生四足腿游走装置5的安装孔。

顶部浮力块1-1、尾部浮力块1-2及前部浮力块1-3可使用空心玻璃微珠材料，有效减轻重量，采用流线型设计减少水下运动阻力及提供足够的浮力。其中，前部浮力块1-3置于机器人的前端，安装于底板1-4上，尾部浮力块1-2置于机器人的尾端，安装于底板1-4上，顶部浮力块1-1置于机器人的顶部，安装于壳体1内侧。

参照图2，所述仿生四足腿游走装置5由四组左前、右前、右后、左后仿生四足腿5-1、5-2、5-3、5-4组成，四组仿生四足腿的结构完全相同，分别安装于壳体1的左前、右前、右后、左后安装板1-7、1-6、1-5、1-8上。其中，左前、右前仿生四足腿5-1、5-2与左后、右后仿生四足腿5-4、5-3的两组同前后仿生四足腿相互位置为关于yoz平面的镜像关系；左前、左后仿生四足腿5-1、5-4与右前、右后仿生四足腿5-2、5-3的两组同侧仿生四足腿相互位置为关于xoy平面的对称关系。

参照图4、图5及图6a、6b，所述左前、右前、右后、左后仿生四足腿5-1、5-2、5-3、5-4由于结构完全相同，本发明实施例以右前仿生四足腿5-2为例对仿生四足腿做详细说明，其余仿生四足腿其机构及装配关系以此相同。所述右前仿生四足腿5-2由曲柄8-1、摇臂8-2、支脚8-3、摆臂8-4、主动臂8-5、驱动电机8-6、中间齿轮8-7、齿轮轴8-8、输出齿轮8-9、螺环8-10、输出轴8-11、球轴承8-12、轴承座8-13、输出轴衬套8-14、多个铰链轴8-15、多个固定轴衬套8-16、多个固定轴8-17等组成。

其中，曲柄8-1为带有三个铰链孔的连杆，一端铰链孔通过铰链轴8-15与主动臂8-5的铰链孔铰链连接，另一端铰链孔通过铰链轴8-15与支脚8-3中部的铰链孔铰链连接，曲柄8-1的中部铰链孔通过铰链轴8-15与摇臂8-2的铰链孔铰链连接。摇臂8-2为两端各带有一个铰链孔的连杆，一端铰链孔通过铰链轴8-15与摇臂8-2的中部铰链孔铰链连接，另一端铰链孔与固定轴8-17铰链连接。

支脚8-3为一端及中部各带有一个铰链孔及另一端带有固定方孔的连杆，其中一端铰链孔通过铰链轴8-15与摆臂8-4的一端铰链孔铰链连接，中部铰链孔通过铰链轴8-15与曲柄8-1的一端铰链孔铰链连接，另一端固定方孔与仿生鸭蹼6固定连接。

摆臂8-4为两端各带有一个铰链孔的连杆，一端铰链孔通过铰链轴8-15与支脚8-3的一端铰链孔铰链连接，另一端铰链孔与固定轴8-17铰链连接。主动臂8-5为一端带有铰链孔，另一端带有方形固定孔的连杆，在驱动电机8-6带动下做圆周运动，一端铰链孔通过铰链轴8-15与曲柄8-1的一端铰链孔铰链连接，另一端方形固定孔与输出轴8-11固定连接。

中间齿轮8-7为中心带有铰链孔的渐开线直齿轮，在驱动电机8-6的带动下，将旋转运动传递至输出齿轮8-9，通过中心铰链孔与齿轮轴8-8铰链连接，并分别与驱动电机8-6齿轮及输出齿轮8-9啮合。齿轮轴8-8为带有铰链轴及固定螺纹的回转体，一端与中间齿轮8-7铰链连接，另一端与右前安装板固定连接。

输出齿轮8-9为中心带有四方固定孔的渐开线直齿轮，通过四方固定孔与输出轴8-11固定连接，并与中间齿轮8-7啮合。所述螺环8-10为中心带有固定螺纹的回转体，中心螺纹与输出轴8-11固定连接，端面与球轴承8-12接触，限制球轴承8-12窜动。输出轴8-11为带有与输出齿轮8-9四方固定孔连接的四方轴、与螺环8-10连接的固定螺纹、与球轴承8-12安装面及与主动臂8-5固定的四方轴的回转体。球轴承8-12为单列向心球轴承，主要为减少旋转损耗的目的。轴承座8-13为带有球轴承8-12安装面的回转体，与右前安装板1-6固定连接。输出轴衬套8-14为一端与球轴承8-12接触、另一端与主动臂8-5接触的回转体，主要目的为限位。

铰链轴8-15为带有台阶面的回转体，与带有铰链孔的连杆铰链连接。固定轴衬套8-16为一端与固定轴8-17接触、另一端与摇臂8-2或者摆臂8-4接触的回转体，主要目的为限位。固定轴8-17为带有与右前安装板1-6固定连接孔的回转体，一端与右前安装板1-6固定连接，另一端与摇臂8-2或者摆臂8-4铰链连接。

参照图2、图4、图5及图6a、6b，以下阐述仿生四足腿游走装置的运动原理。左前、右前仿生四足腿5-1、5-2的主动臂8-5顺时针旋转360°，支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“回拉”的工作行程，第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程。第一阶段是向后“回拉”动作为机器人的做功阶段，支脚8-3向后的回拉动作，由于海底作用于机器人的反摩擦力及海水作用于机器人的反作用力为大小相等及方向相反，因此机器人获得相等及向前的作用力，机器人向前移动一个步距的距离。第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程，为机器人的非做功阶段，支脚8-3做向前的迈及跨动作，由于机器人的动作为腿抬高及向前迈，机器人脚掌与海底不接触，没有海底作用于机器人的反摩擦力；由于机器人脚掌在空回行程为折叠状态，迎水面积较小，因此海水作用于机器人的反作用力较小，因此机器人的腿向前迈一个步距的距离。

同理，右后、左后仿生四足腿5-3、5-4的主动臂8-5逆时针旋转360°，支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“后蹬”的工作行程，第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程。第一阶段是向后“后蹬”动作为机器人的做功阶段，支脚8-3向后的后蹬动作，由于海底作用于机器人的反摩擦力及海水作用于机器人的反作用力为大小相等及方向相反，因此机器人获得相等及向前的作用力，机器人向前移动一个步距的距离。第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程，为机器人的非做功阶段，支脚8-3做向前的迈及跨动作，由于机器人的动作为腿抬高及向前迈，机器人脚掌与海底不接触，没有海底作用于机器人的反摩擦力；由于机器人脚掌在空回行程为折叠状态，迎水面积较小，因此海水作用于机器人的反作用力较小，因此机器人的腿向前迈一个步距的距离。

仿生四足腿游走装置的摇杆往复摆动具有“急回特性”的运动性质，平均角速度不相等；工作行程具有较快的运动速度且运动轨迹较平滑，因此工作行程阶段，机器人可以获得较大的驱动力及移动更平稳，而空回行程具有较慢运动速度且运动轨迹的步幅较大，因此空回行程阶段，机器人可以减少运动阻力及具有较大的越障能力。

参照图7，所述驱动电机8-6由编码器9-1、耐压插座9-2、壳体9-3、静密封圈9-4、电机齿轮9-5、动密封圈9-6、安装座9-7、电机9-8等组成。所述编码器9-1采用绝对式旋转编码器，实现对电机9-8的转速及旋转位置闭环控制，安装于电机9-8尾部的输出轴上。所述耐压插座9-2是外部能源传输、检查及管理的通道，安装于壳体9-3上。所述壳体9-3使用铝合金制作并进行阳极氧化处理，为带有耐压插座9-2安装孔、静密封的径向密封面及安装座9-7连接孔的回转体。所述静密封圈9-4采用标准的0型密封圈，安装于安装座9-7外环形槽内，外圆与壳体9-3的径向密封面实现静密封。所述电机齿轮9-5为中心带有四方固定孔的渐开线直齿轮，通过四方固定孔与电机9-8输出轴固定连接，并与中间齿轮8-7啮合。所述动密封圈9-6采用标准的0型密封圈，安装于安装座9-7内环形槽内，内圆与电机9-8输出轴的径向密封面实现动密封。所述安装座9-7为带有电机9-8安装孔、壳体9-3安装孔、内孔有静密封圈9-4密封槽、外圆有动密封圈9-6密封槽的回转体，安装于壳体9-3上。所述电机9-8采用无刷直流电机，安装于安装座9-7上，带动电机齿轮9-5旋转。

参照图8、图9a、9b、图10，该状态为机器人处于巡游状态，且仿生四足腿游走装置5在向后滑动阶段时仿生鸭蹼6所处的状态。所述仿生鸭蹼6由鸭蹼10-1、支架10-2、安装座10-3、主动轮10-4、密封电机10-5、定位销10-6、从动轮10-7、连接销10-8、转轴10-9等组成。所述支架10-2为u形零件，其底部有鸭蹼10-1的安装孔，腰部有安装转轴10-9的四方固定孔，工作时随转轴10-9一起转动。所述安装座10-3为有台阶的金属板，在台阶上有与连接销10-8及支脚8-3固定连接的四方固定孔，在平板上有密封电机10-5安装孔，两个定位销10-6安装螺孔及转轴10-9铰链孔，工作时安装座10-3与支脚8-3固定连接，并随其一起摆动。

主动轮10-4为中心带有四方固定孔的渐开线直齿轮，通过四方固定孔与密封电机10-5输出轴固定连接，并与从动轮10-7啮合。密封电机10-5采用无刷直流电机，安装于安装座10-3上，带动主动轮10-4旋转。所述定位销10-6为一端带螺纹的回转体，安装于安装座10-3两个定位销安装螺孔上，作用是在鸭蹼10-1处于两个工作位置时，起限位及定位作用。

从动轮10-7为中心带有四方固定孔的渐开线直齿轮，通过四方固定孔与转轴10-9输出轴固定连接，并与主动轮10-4啮合，带动转轴10-9及支架10-2转动。连接销10-8为带有四方台阶的固定连接轴，通过四方台阶将安装座10-3及支脚8-3连接为一整体。所述转轴10-9为带有铰链轴、三个四方台阶的回转体，安装于安装座10-3的铰链孔内，通过三个四方台阶将从动轮10-7及支架10-2连接为一整体。

参照图11，该状态为机器人处于海底行走状态，所述仿生鸭蹼6的密封电机10-5逆时针旋转，带动主动轮10-4逆时针旋转，带动从动轮10-7顺时针方向旋转，从而将鸭蹼10-1从垂直姿态旋转至水平姿态。

参照图12，该状态为机器人处于行走状态或巡游状态时仿生四足腿游走装置5在向后滑动阶段(即做功阶段)。所述鸭蹼10-1的整体外形模仿鸭子脚蹼，具有尽量大的展开面积及流线型，材料模仿鸭子脚蹼特性，具有较高弹性、弯曲强度、柔性及延展性。

鸭蹼10-1由右骨架11-1、左骨架11-2、铰链销11-3、脚蹼11-4、转轴11-5、定位块11-6等组成。所述右骨架11-1、左骨架11-2为由鸭蹼10-1中轴线对称的两体，中轴线位置有两组相互交错的铰链孔，具有仿鸭蹼的流线型，中轴线位置有当鸭蹼10-1在折叠状态时的限位斜面。

右骨架11-1开有安装定位块11-6的安装孔，骨架材料采用具有较高弹性及弯曲强度的弹簧钢材质。所述铰链销11-3为带有安装法兰的铰链销，安装法兰上有与支架10-2连接的连接孔及定位轴，铰链销11-3与支架10-2固定连接，铰链销11-3与右骨架11-1、左骨架11-2铰链连接。所述脚蹼11-4采用具有较高柔性及延展性的丁晴橡胶材质，置于右骨架11-1、左骨架11-2内，以此来增大行走接触摩擦力和游走接触面积。转轴11-5为带有台阶及螺纹的回转轴，与右骨架11-1、左骨架11-2的另一组铰链孔铰链连接。所述定位块11-6为带有安装孔的平板，安装于右骨架11-1的安装孔上，通过定位块11-6的限位，使鸭蹼10-1保持在最大展开面积位置。

参照图13，该状态为机器人处于巡游状态时仿生四足腿游走装置5在向前滑动阶段(即非做功阶段)，所述鸭蹼10-1向前运动时，由于水阻力的作用，两半鸭蹼在水阻力的作用会自动折叠，减少迎水面积，进而减少非做功阶段的功耗。

需要说明的是，根据本发明实施例的一种浮力调节装置7可以采用现有的浮力调节装置，其具体结构在此不再赘述。

根据本发明的其它实施例，可以根据作业需要，加装作业扩展模块，比如可以在前端侧板上安装机械臂，具备抓取作业能力；稍加改装，具备水陆两栖运动能力。

水下机器人操制的原理如下：

本发明的水下机器人操制的原理包括在海面和水下水平面内巡游时的前后运动和转向运动，在海底行走时的前后运动和转向运动，在垂直面内的浮沉运动，以下对各个主要工作模式展开说明：

海面及水下水平面内巡游时的前后运动

在此运动阶段，仿生鸭蹼6的密封电机10-5顺时针旋转，带动主动轮10-4顺时针旋转，带动从动轮10-7逆时针方向旋转，从而将鸭蹼10-1从水平姿态旋转至垂直姿态。左前、右前仿生四足腿5-1、5-2的主动臂8-5顺时针旋转360°，支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“后蹬”的工作行程，第二阶段是向前“前划”的空回行程。

第一阶段是向后“后蹬”动作为机器人的做功阶段，支脚8-3向后的后蹬动作，由于鸭蹼10-1的两半鸭蹼在水阻力的作用会自动展开，增大迎水面积，机器人获得较大海水反作用力。海水作用于机器人的反作用力为大小相等及方向相反，因此机器人获得相等及向前的作用力，机器人向前移动。

第二阶段是向前“前划”的空回行程，为机器人的非做功阶段，支脚8-3做向前的前划动作，由于机器人脚掌在空回行程为折叠状态，迎水面积较小，且空回行程阶段，鸭蹼10-1的运动速度较慢，因此海水作用于机器人的反作用力较小，因此机器人的腿向前迈一个步距的距离。

同理，右后、左后仿生四足腿5-3、5-4的主动臂8-5逆时针旋转360°，支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“后蹬”的工作行程，第二阶段是向前“前划”的空回行程。第一阶段是向后“后蹬”动作为机器人的做功阶段，支脚8-3向后的后蹬动作，由于鸭蹼10-1的两半鸭蹼在水阻力的作用会自动展开，增大迎水面积，机器人获得较大海水反作用力。海水作用于机器人的反作用力为大小相等及方向相反，因此机器人获得相等及向前的作用力，机器人向前移动。第二阶段是向前“前划”的空回行程，为机器人的非做功阶段，支脚8-3做向前的前划动作，由于机器人脚掌在空回行程为折叠状态，迎水面积较小，且空回行程阶段，鸭蹼10-1的运动速度较慢，因此海水作用于机器人的反作用力较小，因此机器人的腿向前迈一个步距的距离。

机器人完成海面及水下水平面内巡游时的前后运动需控制左前仿生四足腿5-1、右前仿生四足腿5-2、右后仿生四足腿5-3及左后仿生四足腿5-4的运动速度及运动次序；运动速度控制：控制密封舱2通过控制编码器9-1的输出转速，使左前仿生四足腿5-1、右前仿生四足腿5-2、右后仿生四足腿5-3及左后仿生四足腿5-4的运动速度一致；运动次序控制：左前、右前仿生四足腿5-1、5-2处于第一阶段是向后“后蹬”的工作行程，此时右后、左后仿生四足腿5-3、5-4处于第二阶段是向前“前划”的空回行程；左前、右前仿生四足腿5-1、5-2处于第二阶段是向前“前划”的空回行程，此时右后、左后仿生四足腿5-3、5-4处于第一阶段是向后“后蹬”的工作行程；如此交替滑行，即可完成机器人在海中及海面水平面内的前后运动。

海面及水下水平面内巡游时的转向运动

机器人完成海面及水下水平面内巡游时的转向运动需控制同一侧主动臂的旋转速度相对另一侧主动臂旋转速度有一定的转速差，实现机器人在海中及海面水平面内向主动臂旋转速度少的一侧转向，转速差越大，机器人的转弯半径越小，反之越大。详细说明，即左前仿生四足腿5-1、左后仿生四足腿5-4的运动速度大于右前仿生四足腿5-2、右后仿生四足腿5-3的运动速度则机器人向右转向，反之向左转向。

海底行走时的前后运动

在此运动阶段，仿生鸭蹼6的密封电机10-5逆时针旋转，带动主动轮10-4逆时针旋转，带动从动轮10-7顺时针方向旋转，从而将鸭蹼10-1从垂直姿态转至水平姿态。

左前仿生四足腿5-1的主动臂8-5顺时针旋转360°，右后仿生四足腿5-3的主动臂8-5逆时针旋转360°，二者支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“回拉”的工作行程，第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程。

第一阶段是向后“回拉”动作为机器人的做功阶段，支脚8-3向后的回拉动作，由于海底作用于机器人的反摩擦力及海水作用于机器人的反作用力为大小相等及方向相反，因此机器人获得相等及向前的作用力，机器人向前移动一个步距的距离。

第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程，为机器人的非做功阶段，支脚8-3做向前的迈及跨动作，由于机器人的动作为腿抬高及向前迈，机器人脚掌与海底不接触，没有海底作用于机器人的反摩擦力；由于机器人脚掌在空回行程为折叠状态，迎水面积较小，因此海水作用于机器人的反作用力较小，因此机器人的腿向前迈一个步距的距离。

同理，左后仿生四足腿5-4的主动臂8-5顺时针旋转360°，右前仿生四足腿5-2的主动臂8-5逆时针旋转360°，二者支脚8-3完成一个周期的动作，即完成两个阶段的动作，第一阶段是向后“回拉”的工作行程，第二阶段是向前“迈及跨”的空回行程。

机器人完成海底行走时的前后运动需控制左前、右后仿生四足腿5-1、5-3及左后、右前仿生四足腿5-4、5-2的运动速度及运动次序；运动速度控制：控制密封舱2通过控制编码器9-1的输出转速，使左前仿生四足腿5-1、右前仿生四足腿5-2、右后仿生四足腿5-3及左后仿生四足腿5-4的运动速度一致；运动次序控制：左前、右后仿生四足腿5-1、5-3处于第一阶段是向后的“回拉”的工作行程，此时左后、右前仿生四足腿5-4、5-2处于第二阶段是向前的“迈及跨”的空回行程；左前、右后仿生四足腿5-1、5-3处于第二阶段是向前的“迈及跨”的空回行程，此时左后、右前仿生四足腿5-4、5-2处于第一阶段是向后的“回拉”的工作行程；如此交替行走，即可完成机器人在海底的前后运动。

海底行走时的转向运动

机器人完成海底行走时的转向运动需控制同一侧主动臂的旋转速度相对另一侧主动臂旋转速度有一定的转速差，实现机器人在海底向主动臂旋转速度少的一侧转向，转速差越大，机器人的转弯半径越小，反之越大。详细说明，即左前仿生四足腿5-1、左后仿生四足腿5-4的运动速度大于右前仿生四足腿5-2、右后仿生四足腿5-3的运动速度则机器人向右转向，反之向左转向。

垂直面内的浮沉运动

本领域技术人员不难理解，通过操控浮力调节装置7即可实现根据本发明实施例的仿生水下机器人的浮沉运动。根据本发明实施例的仿生水下机器人的沉浮运动的具体控制方式此处不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

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