CN101016081A - 一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：它包括主舱体模块，摆动连接在所述主舱体模块周向的四个鳍肢驱动模块，每个所述鳍肢驱动模块上转动连接一翼形鳍肢片，所述摆动和转动连接部位采用动密封机构。本发明在主舱体模块采用由多个部件密封连接的外壳，且将鳍肢驱动模块两两对称分布于壳体四周，通过设置在主舱体模块内的伺服电机实现海龟鳍肢前后向划水运动的第一级自由度，通过设置在鳍肢驱动模块内的驱动电机带动鳍肢片实现了海龟鳍肢的第二级自由度，本发明的仿生机器海龟稳定可靠，运动灵活，机动性好，可以实现在任意方向上的推进和机动运动。

Description

一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟

技术领域

本发明涉及一种水下仿生机器海龟，特别是关于一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟。

背景技术

经过亿万年的自然选择，特别是遗传和变异，自然界孕育了各种各样的生物。在漫长的进化过程中，生物种群为适应环境已经形成了从感知方式、执行方式、控制方式到信息处理、行为决策、组织协调等多方面的优势和长处。长久以来，自然界中动物游泳的运动学和水动力学的研究表明人造水下航行器的性能在效率和机动性上都比较落后。在水下航行器的研究领域中，最具代表性的是由螺旋桨推进的高度流线型的身体。采用这种设计机构的自主水下机器人(AutonomousUnderwater Vehicle，AUV)存在着推进效率低，机动性能差，对环境扰动大等缺点，因此极大地限制了AUV在狭窄、复杂和动态环境中的应用。在研究仿水下动物游动的水动力学特性方面，如何使水下航行器在不牺牲效率的情况下，具有在动态复杂环境中灵活机动的能力，是航行器能够广泛应用于新的科学研究、商业和军事等用途上的关键问题。

仿生技术在水下机器人上的应用已成为水下机器人领域的重要研究方向，将模拟水生鱼类和鲸豚类的仿生摆尾推进方式，应用于水下无人探测器的可行性已得到了初步的验证，随着水下仿生领域的不断深入研究，其它水生或水陆两生动物如海龟，企鹅等引起了人们的关注。海龟作为常见的水陆两生动物，具有高超的游动技能，通过两对鳍状肢的协调动作，实现水中推进和机动运动。其宽大并富有弹性的前鳍肢具有两个关节，主要实现划水运动，而窄小的后鳍肢则在转弯中起到舵的作用。近年来，各式各样的基于鳍肢仿生推进的水下机器人被研制出来，如麻省理工大学(MIT)的Stephen Licht等人设计并研制了基于四拍动翼的仿生推进机器，实现单一胸鳍推进模式的运动学与水动力学以及推进效率的分析；加拿大的Vassar College研制的四鳍机器人Madeleine，每个鳍肢仅有一个自由度，可以实现上升、下潜、侧滚等复杂运动；西班牙的Girona大学研制的水下机器智能***URIS，采用均匀分布的四螺旋桨推进方式，可以实现上升、下潜运动。

受海龟游动模式的启发，借鉴海龟前鳍肢的运动方式，设计实现在水中可自由进行前后左右转弯、上升下潜以及侧滚等任意方向上的推进和机动运动的仿生机器海龟仍然有待开发。目前这种具有两级自由度鳍肢并可实现复杂三维运动的基于仿生推进的机器海龟在水下机器人领域还是一片空白。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种稳定可靠，运动灵活，机动性好的具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：它包括主舱体模块，摆动连接在所述主舱体模块周向的四个鳍肢驱动模块，每个所述鳍肢驱动模块上转动连接一翼形鳍肢片，所述摆动和转动连接部位采用动密封机构；所述主舱体模块包括一整体密封的外壳，所述外壳的上、下对应设置有四对轴承座，每一上面的所述轴承座通过一轴承连接一上支撑轴，每一下面的所述轴承座通过一轴承连接一下支撑轴；每一所述上支撑轴的底部留有连接端，顶部密封一压盖，每一所述下支撑轴上下均留有连接端；所述壳体内设置有无线通信模块、天线、控制电路板、电源和四台伺服电机，每台所述伺服电机的输出轴均连接一主动齿轮，所述主动齿轮啮合一从动齿轮，所述从动齿轮的中心固定连接所述下支撑轴的下连接端；每一所述鳍肢驱动模块包括一密封连接在一起的上、下两壳体，所述壳体的两侧分别固定连接在所述上、下两支撑轴的下、上连接端；所述壳体内设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接一大齿轮，所述大齿轮啮合一小齿轮，所述小齿轮中心固定连接一鳍肢驱动轴，所述鳍肢驱动轴固定连接所述翼形鳍肢片。

所述整体密封的外壳包括依次连接的球冠状的顶盖，密封粘接在所述顶盖底部的套圈，通过O型密封圈和螺钉与所述套圈静密封连接的上环盖，密封粘接在所述上环盖底部的圆柱形的壳体，密封粘接在所述壳体底部的底盖，在所述上环盖和底盖的四周对应设置有四对半圆环，每个所述半圆环的末端设置一上下同轴心的用于安装轴承的通孔。

所述顶盖、壳体均采用透明有机玻璃材料制成；所述套圈、上环盖和底盖均采用轻质铝合金材料制成；

所述鳍肢驱动模块内的大、小齿轮的传动比为1∶2。

所述动密封机构包括轴承压盖、黄油区、轴承槽；所述轴承压盖与轴承槽中分别设置有一轴承，所述两轴承之间的黄油区设置有黄油层，所述黄油层的轴向长度至少为8mm。

所述控制电路板采用ARM7TDMI核的微控制器AT91SAM7A3为核心，通过串口接收来自所述无线通信模块的上位机命令，对命令进行解释并产生脉冲宽度调制信号，对各所述伺服电机进行运动控制；所述无线通信模块通过露出并密封连接在所述顶盖上的所述天线悬挂在所述顶盖上部中央，负责与上位机的无线射频通信。

采用四节1.2V/2500mAh镍氢电池作为控制电源，采用五节1.2V/2500mAh镍氢电池作为动力电源。

每一所述鳍肢驱动模块的上壳体表面设置有一透明有机玻璃制成的透视窗。

所述主舱体模块内的四台伺服电机选用高速大扭矩电机FUTABA S9451，所述鳍肢驱动模块内的四台伺服电机采用Hitec公司的型号为HSR-5995TG的高速大扭矩动力电机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、主舱体模块采用由多个部件密封连接的外壳，且将鳍肢驱动模块安放于壳体四周呈90度间隔对称分布，因此通过八个电机的协调运动，在机器海龟主舱体模块不转动任何角度的情况下，可实现在任意方向上的推进和机动运动。2、由于鳍肢驱动模块内采用了大小齿轮的啮合机构，提高了输出轴的角速度和转动范围，通过控制四个翼形鳍肢片驱动电机运动的不同相位关系，可使机器海龟完成前后左右转弯、上升下潜以及侧滚等任意方向上的推进和机动运动。3、本发明采用第二级自由度模块化驱动思想设计机器海龟，将机器海龟鳍肢驱动模块设计为四个独立密封防水的模块，单个模块的泄漏不会影响其它的模块，可从单个独立的模块着手进行维修，使机器海龟的维护方便快捷，提高了机器海龟的可靠性。4、主舱体模块的套圈与上环盖之间的连接处使用了O型密封圈和多个螺钉压O型密封圈的方式来实现静密封，不但便于拆卸，而且防水效果较好。5、本发明中将主舱体模块的顶盖、壳体和鳍肢驱动模块的透视窗均使用透明有机玻璃材料，因此可以方便观察漏水情况。6、本发明将鳍肢驱动模块的上、下壳体外表面连接处设置成完整半圆弧面和同心连接的不完整半圆弧面的结合，因此使驱动模块之间的配合紧密，最大限度地降低了结构对水产生的阻力。7、本发明提供的动密封装置，通过黄油层密封，结构简单，阻力小。本发明提供的仿生机器海龟稳定可靠，运动灵活，机动性很好，可以广泛用于水下探测，海洋资源开发等各领域中。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是本发明主舱体模块内部结构示意图

图3是本发明下部立体结构示意图

图4是本发明主舱体模块与鳍肢驱动模块连接处半剖立体结构示意图

图5是本发明鳍肢驱动模块半剖立体结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一机器海龟主舱体模块1，摆动连接在主舱体模块1周向、结构两两对称的四个鳍肢驱动模块2，每个鳍肢驱动模块2上转动连接一翼形鳍肢片3，在各摆动连接和转动连接的动力输出部位分别设置有动密封机构。

如图1、图2所示，本发明的主舱体模块1包括由透明有机玻璃制成的球冠状顶盖101和圆柱型壳体102，轻质铝合金制成的套圈103、上环盖104和底盖105。顶盖101与套圈103通过防水密封胶粘结在一起，壳体102通过防水密封胶分别与上环盖104和底盖105粘结在一起，套圈103通过螺钉107和O型密封圈106与上环盖104静密封连接在一起，从而形成一整体密封的外壳。上环盖104和底盖105的四周分别设置有四个半圆环108，在每个半圆环108的末端形成一轴承座109，上、下轴承座109保持同轴心。

在主舱体模块1的壳体102内部装有无线通信模块110，天线111，控制电路板112，分别带动四个鳍肢驱动模块2实现前后向划水运动的四个伺服电机113，提供动力电源的电池组114和提供控制电源的电池组115，两组电池114、115相互独立。伺服电机113通过螺钉固定在电机架116上，电机架116通过螺钉固定在底盖105上。电池组114、115也设置在电机架116上，电路板112固定在四个支撑柱117顶部。上述控制电路板112是机器海龟的控制核心，可以采用流行的ARM7TDMI核的微控制器AT91SAM7A3为核心，通过串口接收来自无线通信模块110的上位机命令，对命令进行解释并产生PWM(脉冲宽度调制)信号，完成电机的伺服运动控制。无线通信模块110通过露出并密封在顶盖101的天线111悬挂在主舱体模块1的顶盖101上部中央，负责完成机器海龟与上位机的无线射频通信。

如图3、图4所示，在主舱体模块1的底盖105上设置有四个鳍肢驱动模块2电源信号线进线孔118，在底盖105的中央设置一通过O型密封圈和螺钉实现静密封的底压盖119，底压盖119上通过防水密封胶安装有防水电源开关120和充电插头121、122，两充电插头121、122一个连接动力电源的电池114，另一个连接控制电源的电池115。壳体102内的每个伺服电机113的输出轴123分别通过动密封机构带动一个主动齿轮124，每一个主动齿轮124通过一个与之啮合的从动齿轮125带动一个鳍肢驱动模块2，以实现鳍肢前后向划水运动的第一级自由度。动密封机构包括轴承压盖126、黄油区127、轴承槽128，轴承压盖126与轴承槽128中分别安放一个轴承，两轴承之间为黄油层127，为了保证可靠的密封，要求黄油层的轴向长度至少为8mm。

如图5所示，每一鳍肢驱动模块2包括一上、下壳体201、202，下壳体202的外表面呈完整半圆弧面，上壳体201外圆周与下壳体202同心，但呈不完整半圆弧面。在上、下壳体201、202之间的连接处设有O圈密封圈203，并通过螺钉压紧实现静密封。上壳体201表面嵌有透明有机玻璃制成的透视窗204，可以观察内部漏水情况。在下壳体202内通过支架205设置一驱动电机206，驱动电机206通过联轴器带动一大齿轮207转动，大齿轮207与小齿轮208啮合，小齿轮208通过键连接带动一鳍肢驱动轴209，鳍肢驱动轴209通过位于上壳体的动密封机构后，与翼形鳍肢片3连接并驱动鳍肢作旋转运动，从而实现了鳍肢的第二级自由度。本发明为了使机器海龟的翼形鳍肢片3在任意中心位置的周围都可以摆动，采取大、小齿轮207、208的传动比选为1∶2，使大齿轮207在驱动电机206带动下在180°(普通电机一般都有限位，只能在180°(±90°)的范围内摆动输出)范围内摆动时，翼形鳍肢片3却可以在小齿轮208驱动的鳍肢驱动轴209的带动下绕轴360°旋转。

输出轴209的动密封机构由轴承压盖210、黄油区211、轴承槽212构成，轴承压盖210与轴承槽212中分别安放有轴承，其间为黄油层211，为保证可靠的密封，要求黄油层的轴向长度至少为8mm。在下壳体202的一端设置有出线孔213，驱动电机206的电源信号线由此引出，并穿过主舱体模块底盖105上的进线孔118与主舱体模块1的控制电路板112连接。进线孔118和出线孔213分别通过防水密封胶与电源信号线粘在一起。鳍肢驱动模块2的鳍肢驱动轴209下端通过轴承在轴承座214中转动，轴承座214通过螺钉固定在上壳体201内。

如图4、图5所示，设置在主舱体模块1的壳体102内的四台伺服电机113，每一台伺服电机113的输出端连接一主动齿轮124，主动齿轮124带动一从动齿轮125转动，将一下支撑轴129通过顶丝130固定连接在从动齿轮125的中心，下支撑轴129穿过设置在底盖105上的轴承座109内的轴承，固定连接在鳍肢驱动模块2的下壳体202的支撑轴孔216内。将一上支撑轴131通过一轴承转动连接在上环盖104上的轴承座109内，将上支撑轴131的下端固定连接在与支撑轴孔216相对的另一侧支撑轴孔215中，在上支撑轴131顶部固定一压盖132。

上述实施例中，主舱体模块内的四个伺服电机113可以选用了高速大扭矩电机FUTABA S9451，鳍肢驱动模块2内的驱动电机206可以采用Hitec公司的型号为HSR-5995TG的高速大扭矩动力电机。

上述实施例中，各部件的结构、形状和连接都是可以变化的，某些部件的采用和位置的设置也是可以变化的，本发明不应受到上述各实施例的限制，凡根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：它包括主舱体模块，摆动连接在所述主舱体模块周向的四个鳍肢驱动模块，每个所述鳍肢驱动模块上转动连接一翼形鳍肢片，所述摆动和转动连接部位采用动密封机构；

所述主舱体模块包括一整体密封的外壳，所述外壳的上、下对应设置有四对轴承座，每一上面的所述轴承座通过一轴承连接一上支撑轴，每一下面的所述轴承座通过一轴承连接一下支撑轴；每一所述上支撑轴的底部留有连接端，顶部密封一压盖，每一所述下支撑轴上下均留有连接端；

所述壳体内设置有无线通信模块、天线、控制电路板、电源和四台伺服电机，每台所述伺服电机的输出轴均连接一主动齿轮，所述主动齿轮啮合一从动齿轮，所述从动齿轮的中心固定连接所述下支撑轴的下连接端；

每一所述鳍肢驱动模块包括一密封连接在一起的上、下两壳体，所述壳体的两侧分别固定连接在所述上、下两支撑轴的下、上连接端；所述壳体内设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接一大齿轮，所述大齿轮啮合一小齿轮，所述小齿轮中心固定连接一鳍肢驱动轴，所述鳍肢驱动轴固定连接所述翼形鳍肢片。

2、如权利要求1所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述整体密封的外壳包括依次连接的球冠状的顶盖，密封粘接在所述顶盖底部的套圈，通过O型密封圈和螺钉与所述套圈静密封连接的上环盖，密封粘接在所述上环盖底部的圆柱形的壳体，密封粘接在所述壳体底部的底盖，在所述上环盖和底盖的四周对应设置有四对半圆环，每个所述半圆环的末端设置一上下同轴心的用于安装轴承的通孔。

3、如权利要求2所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述顶盖、壳体均采用透明有机玻璃材料制成；所述套圈、上环盖和底盖均采用轻质铝合金材料制成；

4、如权利要求1所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述鳍肢驱动模块内的大、小齿轮的传动比为1∶2。

5、如权利要求2所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述鳍肢驱动模块内的大、小齿轮的传动比为1∶2。

6、如权利要求3所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述鳍肢驱动模块内的大、小齿轮的传动比为1∶2。

7、如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述动密封机构包括轴承压盖、黄油区、轴承槽；所述轴承压盖与轴承槽中分别设置有一轴承，所述两轴承之间的黄油区设置有黄油层，所述黄油层的轴向长度至少为8mm。

8、如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述控制电路板采用ARM7TDMI核的微控制器AT91SAM7A3为核心，通过串口接收来自所述无线通信模块的上位机命令，对命令进行解释并产生脉冲宽度调制信号，对各所述伺服电机进行运动控制；所述无线通信模块通过露出并密封连接在所述顶盖上的所述天线悬挂在所述顶盖上部中央，负责与上位机的无线射频通信。

9、如权利要求7所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述控制电路板采用ARM7TDMI核的微控制器AT91SAM7A3为核心，通过串口接收来自所述无线通信模块的上位机命令，对命令进行解释并产生脉冲宽度调制信号，对各所述伺服电机进行运动控制；所述无线通信模块通过露出并密封连接在所述顶盖上的所述天线悬挂在所述顶盖上部中央，负责与上位机的无线射频通信。

10、如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：采用四节1.2V/2500mAh镍氢电池作为控制电源，采用五节1.2V/2500mAh镍氢电池作为动力电源。

11、如权利要求7所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：采用四节1.2V/2500mAh镍氢电池作为控制电源，采用五节1.2V/2500mAh镍氢电池作为动力电源。

12、如权利要求8所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：采用四节1.2V/2500mAh镍氢电池作为控制电源，采用五节1.2V/2500mAh镍氢电池作为动力电源。

13如权利要求1～12所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：每一所述鳍肢驱动模块的上壳体表面设置有一透明有机玻璃制成的透视窗。

14、如权利要求1～13所述的一种具有两级自由度鳍肢机构的仿生机器海龟，其特征在于：所述主舱体模块内的四台伺服电机选用高速大扭矩电机FUTABAS9451，所述鳍肢驱动模块内的四台伺服电机采用Hitec公司的型号为HSR-5995TG的高速大扭矩动力电机。

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