（本文素材源于专利US20240025523A1）一种用于执行海底作业的水下蛇形机器人200，该机器人200包括：一系列通过一个或多个被动关节模块201互相连接的链接件202、204，用于使机器人200产生弯曲运动；以及多个推进装置203，用于为机器人200提供推进力、生成弯曲运动并控制链接件202、204的方向和位置。翻译而来供参考，亦可阅读英文原版、中文版本（见文末）。
参照图1a和图1b，展示了一种用于执行海底作业的蛇形机器人100。该机器人100包括多个被动关节模块101，这些模块连接了一系列六个链接件102。被动关节模块允许机器人100产生弯曲运动。
机器人100还包括推进装置103，这些装置是推进模块104的一部分。推进模块104位于机器人两端的链接件102中。
推进装置103采用了隧道推进器的形式，安装在推进模块的主体中，并且其外部延伸出螺旋桨。螺旋桨能够通过旋转改变其相对于机器人的方向，从而调整施加的推进力方向。每个推进模块104的推进装置103可以施加任意方向的推进力，从而实现机器人100所需的运动和定向。此外，也可以采用其他形式的推进装置，或者在其他链接件中增加额外的推进装置/推进模块。
在该特定机器人中，链接件102包括两个推进模块104，分别位于两端，以及四个电池模块105，位于中间，用于为机器人的操作提供电力。如果需要更长的机器人，或者需要特定的长度与直径比例（下文讨论），可以增加模块数量，例如添加更多的电池模块。
可选地，机器人两端的推进模块104还包含若干摄像头（未显示），用于执行海底检查操作，并设计为可附加一个或多个工具（未显示）。可以根据需要为机器人100配备不同类型的工具，例如操控工具。
被动关节模块101由可实现至少两个自由度弯曲运动的机械关节组成，用于连接相邻的链接件102。此外，也可以提供具有更多自由度的被动关节模块，例如图3a中展示的电缆耦合形式。
机器人的弯曲运动、定向和位置均通过推进装置103的推进力进行控制。推进装置103能够推动整个机器人进行平移运动、改变链接件之间的弯曲角度，以及旋转链接件。被动关节模块101对外部力（例如来自推进装置103的力）做出响应，改变其形状和/或弯曲角度，但其本身不具备（也不需要具备）控制形状和角度的能力，也无法自行产生显著的驱动力。因此，被动关节模块的形状和/或弯曲角度在推进装置103的作用下可以被可控地改变。推进模块104位于机器人两端，被动关节模块101在推进装置103的作用下的运动类似于卡车或地面火车，其中多个车厢被动地跟随前部车辆的方向。
通过使用被动关节模块101，并利用推进装置103生成机器人的弯曲运动、控制链接件的方向和位置，这种设计简化了机器人的结构。这种降低的复杂性进一步减少了关节模块101的故障可能性，并降低了维护需求。与主动关节系统相比，机器人100因此更加简单和坚固；生产和维护成本更低；重量也更轻（因此更易于提升和操作），相比于更重的主动电机系统更具操作优势。
参照图2，展示了另一种用于海底作业的蛇形机器人200。该机器人200与上述机器人100类似，其功能特性与前述描述的功能类似。
机器人200包括一个单一的被动关节模块201，用于连接一系列的两个链接件。被动关节模块201允许机器人200产生弯曲运动。
在机器人200中，仅有一个推进模块204，位于两个链接件系列的前端。推进模块包括多个推进装置203。与上述机器人100类似，推进装置203采用隧道推进器的形式。此外，该机器人还包括一个尾部推进装置，即安装在机器人尾部的推进装置，可在机器人处于直线配置时用于前向推进。如同前述描述，如果需要更长的机器人或特定的长度与直径比例（下文讨论），可以增加模块数量。
机器人200的被动关节模块采用了一种耐用的水下电缆206作为相邻链接件202之间的连接方式，而无需固定的枢轴点。这种电缆连接允许相邻链接件202之间产生偏航、俯仰和滚转运动，以及一定程度的平移运动。
电缆连接件206的两端设有连接界面207，用于与机器人链接件202连接。这种设计允许机器人各链接件202及关节模块201在必要时断开和更换。例如，当电池模块205电量不足时，可以用充满电的电池模块205替换，从而在机器人需要更多电力时避免充电时间的浪费，并最大化机器人的可用时间。
像这样的电缆连接件206和连接界面207还支持机器人的模块化设计，从而可以形成其他配置的机器人。例如，如图2b所示，通过柔性连接件201将两个推进模块204连接到一个电池模块202上，以提供更高机动性和操作范围的机器人。同样，也可以以类似方式构建其他链接件系列，例如图4所示的更长机器人，其具有更大的电池容量，下文将对此进行详细说明。
图3a展示了一个类似于上述描述的单个电缆连接件300。电缆连接件300两端的连接界面301包括用于与机器人链接连接的螺纹结构302，以及用于在链接之间传输电力和通信信号的信号总线304。此外，电缆连接件300中可以集成用于测量关节模块弯曲角度的测量装置。
图3b展示了一种护罩310，可以安装在被动关节模块上，例如图3a中展示的电缆连接件300，以确保机器人沿其长度和被动关节模块处的直径大致保持一致。护罩的直径可以与链接件的直径相匹配。护罩310是一种柔性管状结构，因此不会限制被动关节模块的运动。
护罩310的两端是开放的，并可能包含开孔，以确保机器人在使用时护罩内部能够被水灌满（并在机器人从水中取出时能够排水）。
浮力元件（未显示）也可以选择并放置在护罩内部，以优化机器人的浮力。
图4展示了一种具有较大长度与直径比的水下蛇形机器人400，该机器人由沿其长度分布的多个电池模块401和推进模块402组成，这些链接件通过被动关节模块404连接。电池模块401、推进模块402和被动关节模块404的工作方式与之前描述的类似。机器人的弯曲运动、定向和位置通过推进模块502的推进装置控制，方式与之前描述的一致。
蛇形机器人400被展示用于对海底管道410进行检查操作。这是通过分布在机器人长度上的多个传感器/附件403（例如摄像头和灯光）完成的。工具或连接点也可以类似地分布在机器人的长度上。
由于具有较大的长度与直径比，机器人400在使用时的相对阻力降低，因为较小的直径/横截面使其更加流线型，同时又不影响操作能力，因为较长的长度确保有足够的空间容纳必要的电池模块401和传感器/附件403，以满足特定操作和电池续航需求。因此，机器人400是一种更高效的机器人，具备更强的操作能力和更大的作业范围。
该特定机器人包含三个分布在不同位置的电池模块401，其长度与直径比至少为25:1，总长度约为25米。需要注意的是，根据特定应用，可以提供任意数量的电池模块401、推进模块402、被动关节模块404和传感器/附件403。这些组件的数量以及机器人的长度可以按照之前描述的模块化方式进行调整。这也使得各种组件可以互换，并能够实现最佳的长度与直径比。
机器人400的存储、发射和回收操作将在图5中进行说明。
图5展示了蛇形机器人400的第一种存储状态500a和第二种状态500b，其中机器人从存储状态500a开始发射的过程。
在存储状态500a中，蛇形机器人400被盘绕在绞盘系统的可旋转滚筒501上。该绞盘系统可以安装在船只或平台上，或者设置在岸上。机器人400的一端连接到可旋转滚筒501。滚筒501足够宽，使机器人400可以以多圈但单层的方式盘绕在滚筒上，从而减少机器人因自我摩擦而受损的风险。
如状态500b所示，为了发射机器人400，可以控制滚筒501按箭头所指方向旋转，从而展开机器人400。滚筒501可以通过用户手动转动手柄驱动，也可以通过电机（例如电动机）驱动。当机器人400完全从滚筒501展开后（此时机器人通常部分进入水中，能够支撑自身重量），剩余的连接端502可以从滚筒501上断开，从而释放机器人400。
类似的操作可以反向进行，以回收并存储机器人400。通过将机器人的一端502连接到滚筒501，并将滚筒朝相反方向旋转，可以将机器人从水中拉回，并恢复到存储状态500a。
为了辅助回收操作，机器人400配备了一个用于连接滚筒501的连接器503。该连接器503在机器人运行时（即在水中操作时）存储在其前端或后端的链接件内，并包括一根浮绳。当需要回收时，可以释放浮绳，由操作员抓取并连接到滚筒501。
通过使用这种绞盘系统，可以充分利用蛇形机器人400的柔性机身来处理超长的柔性水下机器人。因此，这类机器人能够被轻松高效地部署和回收。
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