一种导流装置及水下机器人

1.本实用新型涉及流体动力与控制领域，具体涉及一种导流装置及水下机器人。


背景技术：

2.周知，诸如喷气式飞行器、喷水式潜水器等以气流或液流作为动力源的设备，已经在多个领域被广泛应用。其中，以水下机器人（又称无人遥控潜水器）为例，其作为一种可代替人类完成水下作业任务的设备，被广泛应用于诸如海洋资源开发、水下设施检查、水中目标（如石油平台、海底沉船、坝基裂缝）检测等重要领域。
3.目前，常规的水下机器人一般会搭载视觉监测系统和机械手（如高精度刚性机械手或可以与环境进行友好交互的软体机械手）来完成水下作业任务，如样本采集、数据收集、水下环境监测、非结构化水下环境作业等任务。在执行作业任务时，如对同一样本进行多角度地观察及采样时，通常需要频繁地开启和关闭推进器来调整水下机器人的姿态、位置和方位等，以使视觉监测系统或机械手能够处于最佳的作业位置。推进器在频繁地开启和关闭的过程中会搅起诸如水底的泥沙、水中的浮体等等，从而扰动水下作业环境，使得水下作业环境浑浊不清，导致视觉监测系统在执行监测作业时面临着很大的困难。


技术实现要素：

4.本实用新型主要解决的技术问题是提供一种导流装置以及应用该导流装置的水下机器人，以达到减少对作业环境的干扰的目的。
5.根据第一方面，一种实施例中提供一种导流装置，包括：
6.导流件，所述导流件用于布置在流体推进装置的流体喷射端；以及
7.驱动器，所述驱动器与导流件连接，用于驱使所述导流件相对于流体推进装置的流体喷射轴线发生位置偏转，以调整所述流体推进装置喷射出的流体的流向。
8.一个实施例中，所述驱动器包括：
9.伸缩件，所述伸缩件具有流体腔室和流体出入口，所述伸缩件的一端与导流件连接，所述伸缩件的另一端用于固定布置在流体推进装置的流体喷射端的预设位置；以及
10.流体驱动件，所述流体驱动件与伸缩件连接，用于驱使流体经由流体出入口出入流体腔室，以控制所述流体腔室内的流体压强，使所述伸缩件伸展或收缩。
11.一个实施例中，还包括关节连接器，所述关节连接器用于固定在流体推进装置的流体喷射端周侧的预设位置；
12.所述导流件布置在流体推进装置的流体喷射端的周侧，且所述导流件的一端连接关节连接器，所述驱动器驱使导流件绕关节连接器运动，以使所述导流件的另一端靠近或远离流体推进装置的流体喷射轴线。
13.一个实施例中，所述关节连接器为铰接式连接器、弹性体连接件、形状记忆合金连接件中的一种。
14.一个实施例中，还包括定位基座，所述定位基座用于固定布置在流体推进装置的
流体喷射端的预设位置，所述驱动器的一端连接定位基座，所述驱动器的另一端连接导流件，所述定位基座通过关节连接器连接导流件。
15.一个实施例中，所述导流件为板状结构体，所述导流件邻近流体推进装置的流体喷射轴线一侧的表面为曲面、平面、弯折面中的一种。
16.一个实施例中，还包括应力支撑件，所述应力支撑件位于导流件远离流体推进装置的流体喷射轴线的一侧，且所述应力支撑件的延伸方向与导流件的延伸方向呈交叉分布，所述应力支撑件的一端与导流件邻近关节连接器的一端连为一体，所述驱动器通过应力支撑件连接导流件。
17.一个实施例中，所述导流件包括主导流板部和若干个辅导流板部，所述主导流板部连接关节连接器，所述主导流板部与相邻的辅导流板部作挠性连接，且相邻的两个所述辅导流板部作挠性连接；
18.所述主导流板部和辅导流板部一一对应连接有驱动器，或所述驱动器具有多个动力输出端，所述主导流板部和辅导流板部分别与驱动器的一个动力输出端对应连接。
19.一个实施例中，还包括软体连接管，所述导流件为管状结构体，所述导流件的一端通过软体连接管与流体推进装置的流体喷射端作柔性对接连通，所述驱动器驱使导流件相对于流体推进装置的流体喷射端发生位置偏移，以使所述导流件的轴线重合或偏移流体推进装置的流体喷射轴线。
20.根据第二方面，一种实施例中提供一种水下机器人，包括：
21.机体，所述机体上搭载有视觉监测系统；
22.流体推进装置，所述流体推进装置设置在机体上，用于驱动机体行进和/或调整机体的姿态；以及
23.导流装置，所述导流装置布置在流体推进装置的流体喷射端，且所述导流装置采用第一方面所述的导流装置。
24.依据上述实施例的导流装置，包括导流件以及与导流件连接的驱动器，导流件用于布置在流体推进装置的流体喷射端，驱动器用于驱使导流件相对于流体推进装置的流体喷射轴线发生位置偏转，以调整流体推进装置喷射出的流体的流向。通过将导流件布置在流体推进装置的流体喷射端，利用驱动器来驱使导流件相对于流体推进装置发生位置变动，可改变或调整流体推进装置的流体流动方向，在应用于诸如水下机器人等水下作业设备时，既可以通过降低流体推进装置自身对作业环境的扰动影响，保证作业区域的视觉条件，亦可以扩大作业区域的空间范围，为执行水下视觉监测、样本采样等任务创造有利条件。
附图说明
25.图1为一种实施例的导流装置的结构装配示意图（一）。
26.图2为一种实施例的导流装置的结构装配示意图（二）。
27.图3为一种实施例的导流装置的结构分解示意图。
28.图4为一种实施例的导流装置的导流件的结构参考示意图。
29.图5为一种实施例的导流装置在应用时处于收起状态下的结构示意图。
30.图6为一种实施例的导流装置在应用时处于展开状态下的结构示意图。
31.图7为一种实施例的水下机器人的结构装配示意图（一）。
32.图8为一种实施例的水下机器人的结构装配示意图（二）。
33.图9为现有技术中常规水下机器人在执行任务时作业空间的环境状态参考示意图。
34.图10为一种实施例的水下机器人在执行任务时作业空间的环境状态参考示意图。
35.图11为一种实施例的水下机器人在导流装置收起后的推进行走状态参考示意图。
36.图中：
37.10、导流件；11、主导流板部；12、辅导流板部；20、驱动器；21、伸缩件；a、流体出入口；30、关节连接器；31、第一关节连接端；32、第二关节连接端；40、定位基座；41、第一定位连接部；42、第二定位连接部；50、应力支撑件；a、流体推进装置；b、机体；d、机械手；e、吸水口。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
39.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
40.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
41.以图9所示的一种常规水下机器人为例，其主要由机器人本体、搭载在机器人本体的底部的机械手和视觉监测系统以及若干个设置于机器人本体的底部周侧垂直推进器等机构部件组成，水下机器人在对某一区域（如机器人本体的下方区域）的样本进行多角度观察和采样时，需要通过对垂直推进器的开启、关闭、推进力大小等调控来实现水下机器人的姿态、方位和位置的调整；由于垂直推进器所喷射而出的水流或气流的流动方向是与机器人本体的轴线方向相同的，而高速喷射的水流或气流则会加快机器人本体下方区域的水流速度，从而对该区域的水环境形成扰动效应，使水底的泥沙、水中的浮体等被搅起，导致该区域变得浑浊不清；此时，视觉监测系统因为无法获取当前清晰的作业环境信息，而导致机器人在对该区域的样本进行观察和采样时，面临着很大的困难。
42.对此，业界普遍采用的解决方案是优化视觉监测系统，即：通过改进视觉监测系统的性能或者选择高性能的视觉监测系统，来提升其在扰动环境下的视觉清晰度。然而，此类解决方案不但无法有效地解决水下机器人自身对水下环境的扰动影响，反而还会增加水下
机器人的设计难度、系统配置及使用成本。
43.本技术提供的导流装置，其应用场景包括但不限于以气流或液流作为动力源的诸如水下机器人、飞行器等设备；以应用于水下机器人为例；通过将导流件布置在水下机器人的垂直推进器的流体喷射端，利用驱动器来驱使导流件相对于垂直驱动器的流体喷射端发生位置偏移，可改变或调整垂直推进器所喷射的流体的原始流动方向，既可以通过降低流体对水下机器人下方环境区域的扰动影响，使作业区域的视觉条件得到优化，又可以扩展作业区域的空间范围，为水下机器人执行视觉监测和采样等任务创造有利的条件。相较于现有的解决方案，导流装置的应用可以有效地解决水下机器人自身对水下环境的扰动影响，提升水下机器人在扰动环境下的视觉清晰度。
44.实施例一
45.请参考图1、图2、图3、图5、图6、图10和图11，本实施例提供一种导流装置，主要安装在流体推进装置a的流体喷射端，可用于改变由流体推进装置a喷射出的流体的流动方向，该导流装置主要包括导流件10、驱动器20、关节连接器30和定位基座40；其中，流体推进装置a可以为水下机器人、飞行器等设备中以气流或液流作为动力源的推进器；下面以水下机器人的垂直驱动器作为示例对导流装置的各组成部分分别说明。
46.定位基座40主要作为整个导流装置的各组成部件的安装载体来使用，即：将导流件10、驱动件20和关节连接器30通过定位基座40进行结构关联并连接为一体，同时利用定位基座40将整个导流装置与诸如流体推进装置a进行结构关联；定位基座40固定布置在流体推进装置a的流体喷射端的预设位置，如固定安装在流体推进装置a的流体喷射端的周侧区域。
47.本实施例中，定位基座40包括第一定位连接部41和第二定位连接部42，第一定位连接部41主要作为关节连接器30的装配载体，第一定位连接部41沿垂直于流体推进装置a的流体喷射轴线的方向（亦可以理解为是沿水平方向）固定在流体推进装置a的流体喷射端的周侧；第二定位连接部42由第一定位连接部41远离流体推进装置a的一端作倾斜向下弯折后形成，主要作为驱动件20的装配载体。
48.关节连接器30主要作为导流件10与定位基座40之间的挠性连接部件来使用，以使导流件10与定位基座40之间具备产生一定的相对位移量的条件；具体为：利用关节连接器30所具备的转动、弯折等特点，使导流件10具备相对于定位基座40进行一定角度偏转运动的条件。需要说明的的是：所述及的“挠性连接”又称可曲挠连接或柔性连接，是指允许连接部位发生弯折、转动、伸缩等运动以产生一定位移量的连接方式。
49.本实施例中，关节连接器30为诸如折页等铰接连接器，其具有第一关节连接端31和第二关节连接端32，第一关节连接端31固定连接在第一定位连接部41上，第二关节连接端32则与导流件10的一端连接，从而使导流件10能够相对于定位基座40进行一定角度的翻转。其他实施例中，关节连接器30既可以由多个铰接构件作逐级连接后成型，有利于使导流件10能够具备更大范围或多角度的运动条件，也可采用弹性体连接件或者形状记忆合金连接件等，以通过弯折等方式使导流件10具备相对运动的条件。
50.导流件10主要是通过与由流体推进装置a所喷射出的水流的直接接触，对水流产生阻挡效果，从而改变或调整水流的流动方向或流动路径，使由流体推进装置a所喷射出的水流偏离流体推进装置a的流体喷射轴线（即：原始流动方向），从而降低或减少对流体推进
装置a的流体喷射轴线所对应环境区域的干扰或扰动；导流件10布置在流体推进装置a的流体喷射端的周侧，导流件10的一端通过关节连接器30连接定位基座40。
51.本实施例中，导流件10为一邻近流体推进装置a的流体喷射端一侧的表面为曲面（或弧面）的扇形板状结构体，亦可以理解为导流件10的整体为一弧形板，以利用该侧表面或该曲面作为导流件10的导流面，且导流件10的圆心端连接第二关节连接端32；在导流件10处于收起状态时（即：未启用时），导流件10沿竖直方向平行于流体推进装置a分布在流体推进装置a的流体喷射端的周侧的某一区域，在流体推进装置a启动后，则不会改变水流的流动方向；而在导流件10展开后，导流件10则会朝流体推进装置a的流体喷射轴线所在方向偏移，从而在水流的原始流动方向上产生阻挡效应，使水流朝背离导流件10的一侧进行流动，实现对水流流动方向的改变或调整；而采用弧形板的结构形态则可在改变水流流动方向的同时，避免因水流过于分散而对水下环境产生过多的扰动。
52.其他实施例中，导流件10也可采用邻近流体推进装置a的流体喷射端一侧的表面为平面或弯折面的板状结构体，即导流件10的整体形状也可为直型板或弯折板，以适应不同的水流形态、不同结构的流体推进装置a或者以不同方式对水流方向进行调整和改变。当然，导流件10也可依据实际情况（如导流装置的具体应用场景或者流体推进装置a的结构形态等等）采用非板状结构体。
53.驱动器20主要作为驱使导流件10展开或收起的动力部件来使用，使导流件10能够在关节连接器30的作用下相对于定位基座40或者流体推进装置a发生位置偏转，从而使得导流件10能够靠近或远离流体推进装置a的流体喷射轴线，进而完成对水流方向的调整或改变；驱动器20的一端连接在第二定位连接部42上，驱动器20的另一端则连接在导流件10上；此时，亦可利用第二定位连接部42与第一定位连接部41之间的相对位置关系来缩短驱动器20动力行程。
54.本实施例中，驱动器20采用软体驱动器，具体地，驱动器20包括伸缩件21和流体驱动件（图中未示出），伸缩件21可采用由弹性材料或塑胶材料经如吹塑、注塑、3d打印等工艺一体制作成型的管状结构体，如波纹式、折纸型或其他具有一定伸缩性能的管状结构构造，伸缩件21具有流体腔室（图中未示出）和流体出入口a，并且伸缩件21的一端与导流件10固定连接、另一端与第二定位连接部42固定连接；流体驱动件为诸如水泵等动力部件，流体驱动件安装在伸缩件21的外部并与流体出入口a连通（如安装在流体推进装置a的周围区域的预定位置，并通过管路与伸缩件21进行连通），利用流体驱动件可以从导流装置所处的环境空间内（即：水环境内）直接将水经由流体出入口a抽送至流体腔室内，从而通过对流体腔室内的流体压强的调节控制，使伸缩件21伸展或收缩，进而通过伸缩件21带动导流件10绕关节连接器30进行偏移动作。如此，可以使整个导流装置的本体不具备任何电子元件，直接利用作业环境内的水作为驱动器20的动力源来实现驱动器20的液压驱动效果，无需针对导流装置本身特殊设计水密措施和考虑水下压强的影响。
55.其他实施例中，驱动器20也可采用现有的闭环液压驱动器、如电动推杆等电机驱动器以及其他形式的驱动机构（如具有动力输出功能的连杆传动机构等），此时仅需将驱动器20的本体端与动力输出端分别与导流件10和定位基座40进行适配连接即可，利用驱动器20所输出的动力直接推动或拉动导流件10；由于导流件10的一端是与关节连接器30进行连接的，故驱动器20在驱使导流件10进行偏移动作时会产生直线行程或转动行程；因此，所述
及的适配连接可以为转动连接或滑动连接。
56.其一，基于驱动器20对导流件10的驱动作用，可适时调整导流件10相对于流体推进装置a的偏转角度，从而对流体推进装置a的水流方向产生影响，实现对水流方向的改变和调整。
57.其二，基于对驱动器20的选择可以使整个导流装置的本体不具备任何电子元件，方便快捷地对导流装置进行加工制作、拆装使用；并且直接通过对环境内的水进行抽吸即可实现驱动器20的液压驱动效果，使导流件10的运动能够不受水下压强的影响。
58.其三，以将导流装置应用于水下机器人上并配合垂直推进器为例，在驱动器20驱动导流件10收起后，可消除导流件10对垂直推进器水流方向的改变作用，为实现水下机器人的全力推进创造条件（请参阅图5、图7、图8和图11）；反之，驱动器20驱动导流件10展开后，则可改变垂直推进器的水流方向，使水流朝水下机器人的周边区域进行流动（请参阅图6、图7、图8和图10），从而由于水下机器人的正下方区域受到水流扰动效应较小，水底的泥沙、水中的浮体等等在垂直推进器频繁地开启和关闭的过程中不会被搅起，从而既可以确保该区域的视觉清晰度，又可以扩展该区域的空间，达到改善水下机器人的作业环境和扩大作业空间的效果。
59.其四，基于整个导流装置的结构形式以及所具备的功能特点，可以适用于多种应用场景，如：前述的以喷水式推进器为动力装置的水下机器人、以喷气式推进器为动力装置的飞行器、以喷水式或喷气式推进器为动力装置的其他动力设备等等。
60.需要指出的是：一些实施例中，也可省略定位基座40，直接利用流体推进装置a或者相关设备的本体作为导流件10、驱动器20和关节连接器30的安装载体。
61.请参阅图1、图2、图3、图5和图6，一个具体实施例提供的一种导流装置还包括应力支撑件50，应力支撑件50位于导流件10远离流体推进装置a的流体喷射轴线的一侧，并且应力支撑件50的延伸方向与导流件10的延伸方向呈交叉分布，应力支撑件50的一端与导流件10邻近关节连接器30的一端连为一体，以在导流件10与应力支撑件50之间形成一定的夹角（如45
°
），而驱动器20则通过应力支撑件50连接导流件10。如此，可利用应力支撑件50作为导流件10与驱动器20之间的衔接部件，实现对驱动器20所输出动力的传递；其一，利用应力支撑件50与导流件10之间的夹角，可进一步缩短驱动器20的动力行程（或伸展长度），为增强整个导流装置的结构紧凑性以及驱动器20对导流件10的驱动效果创造有利条件。其二，因导流件10在对水流导流的过程中需要承载强大的流体冲击力，此时，应力支撑件50的存在则可有效分散导流件10所承受的流体压力和驱动器20所施加的动力。
62.一个具体实施例中，请参阅图4，导流件10可以由多个单元构件拼装组合而成，以在需要改变或调整水流的流动方向或流动路径的过程中，能够因应实际需要将一部分单元构件展开或全部展开，从而通过改变导流件10的导流面的面积、形态和方位等来实现对水流方向的具体调整；具体地，导流件10包括主导流板部11和若干个辅导流板部12，主导流板部11连接关节连接器30，而主导流板部11与相邻的辅导流板部12之间以及相邻的两个辅导流板部12之间则采用类似于关节连接器30等结构部件进行挠性连接，以使主导流板部11与辅导流板部12具备相对的折叠收纳或相对展开的功能条件；主导流板部11和辅导流板部12一一对应连接有驱动器20（即：驱动器20为多个，并且与主导流板部11和辅导流板部12一一对应），以利用主导流板部11所对应的驱动器20可驱使主导流板部11带动辅导流板部12相
对于定位基座40或流体推进装置a产生同步的位置偏移，而利用辅导流板部12所对应的驱动器20则可驱动辅导流板部12相对于主导流板部11进行展开或收纳，以便缩减或扩展整个导流件10的导流面的面积、形态和方位等等，从而因应实际的需要对流体的流动方向进行调整。当然，也可采用具有多个动力输出端的驱动器20，使主导流板部11和辅导流板部12分别与驱动器20的一个动力输出端对应连接，从而通过对驱动器20的每个动力输出端输出力矩的调控，亦可实现对主导流板部11和辅导流板部12的驱动控制。
63.实施例二
64.本实施例提供了一种导流装置，其与实施例一提供的导流装置的差异在于：导流件10的结构形式和应用方式不同。
65.本实施例中，导流件10采用管状结构体，其通过一软体连接管与流体推进装置a的流体喷射端作柔性对接连通；其中，软体连接管可采用波纹管或者其他同时具备一定的弯折性能和复原能力的管体结构；从而可利用软体连接管本身的柔软性或变向性，将水流导入至导流件10内，以最终通过对导流件10的方向调整实现对水流方向的调整；具体地，驱动器20与导流件10直接连接或间接连接，利用驱动器20驱使导流件10相对于流体推进装置a的流体喷射端发生位置偏移，以使导流件10的轴线重合或偏移流体推进装置a的流体喷射轴线，在导流件10的轴线与流体推进装置a的流体喷射轴线相重合的情况下，则相当于撤销导流件10对流体推进装置a的水流方向的影响；而在导流件10的轴线偏离流体喷射轴线的情况下，则导流件10即会起到改变或调整水流方向的作用。
66.实施例三
67.请参阅图7和图8，本实施例提供了一种水下机器人，该水下机器人应用了前述任一实施例的导流装置，以便在其执行水下作业任务时，能够通过导流装置的作用来改善作业区域的水下环境，具体地，该水下机器人包括机体b、流体推进装置a和导流装置；其中：
68.机体b是整个水下机器人的主体部分，在机体b上搭载有诸如视觉监测系统（图中未示出）、机械手d等部件，利用视觉监测系统来实时观察水下环境和待处理样本的状况等，以便在获取水下环境信息和样本图像信息的同时，能够为水下机器人的行进、姿态调整以及机械手d的动作提供信息支持；本实施例中，机械手d和视觉监测系统均位于机体b的底部；当然，机械手d和视觉监测系统也可设置在机体b的其他位置，如前方侧或左右两侧；由于机体b、机械手d和视觉监测系统等均可采用现有技术，故在此不作赘述。
69.流体推进装置a为若干个且均匀地设置在机体b的底部周侧，流体推进装置a作为机体b的垂直推进器来使用，可通过流体推进装置a的开启、关闭或推进力大小的调控，使整个水下机器人在水下环境内能够行进或姿态调整；本实施例中，在机体b上开设有用于与流体推进装置a的流体吸入端相连通的吸水口e，流体推进装置a采用环境内的水作为动力源，从而可以就地取材，通过抽取环境空间的水并将水高速喷射而出来产生动力。导流装置则采用前述任一实施例的导流装置，以机体b的底部为中心，流体推进装置a均匀分布在机体b的外周侧，而导流装置则与流体推进装置a相对应并分布在机体b的内周侧，可利用导流装置对流体推进装置a所喷射出的水流的流动方向进行改变或调整。
70.基于此，请参阅图11，在驱动器20驱动导流件10收起时，可消除导流件10对流体推进装置a的水流方向的改变作用，使流体推进装置a所喷射出的水流的流动方向与流体推进装置a的流体喷射轴线相重合的，即与机体b的中轴线保持平行，此时流体推进装置a相当于
起到垂直推进的效果，为保证水下机器人的全力行进创造条件。请参阅图10，当驱动器20驱动导流件10相对于流体推进装置a的流体喷射端发生位置偏转时，则可使水流的流动方向发生改变，将水流朝机体b的外周方向进行导流；而由于水流方向的改变，则可减少机体b正下方区域的水流扰动，避免该区域的泥沙、浮体被搅起；如此，既可以确保该区域的环境视觉清晰度，为视觉监测系统和机械手d等执行作业任务提供良好的工作环境，又可以起到扩大作业空间的效果。
71.以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。