CN107310705A - 一种仿腔棘鱼的水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种仿腔棘鱼的水下机器人，其特征是：包括仿鱼形腔体和分别设置在腔体内的控制模块、尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块及重心调整模块；其中：尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块和重力调节模块分别与控制模块连接，通过控制模块的压力传感器、姿态传感器及定位传感器分别控制尾鳍驱动模块驱动尾部弯曲，利用弯曲的尾部凹凸两面的液体压强差形成压力推动机器人前进。通过上述结构，本发明的仿腔棘鱼机器人可以在水中模拟鱼类游动，能自主避障，规划航线，实现不同水域的自动沉浮功能，从而实现了机器人的智能游动，而且运动特征相对于传统的螺旋桨推进器更高效、低噪、隐秘。

Description

一种仿腔棘鱼的水下机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，具体是一种仿腔棘鱼的水下机器人。
背景技术
自然水域中地形复杂多样，有的怪石嶙峋，有的暗涌频现，不少洞穴和盲孔，而许多洞穴和盲孔里面没有足够的空间可供机器人转弯掉头。然而，为了探索水下洞穴和盲孔中的环境以及生物生存状况，水下机器人必须要进入洞中，并原路返回。目前蓝鳍金枪鱼等仿鲹科鱼类的仿生机器人，利用柔性尾鳍可以实现前进，转弯，上浮和下潜，但是难以实现倒退巡游。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种具有高效、转弯半径小，低噪、隐秘等优点的仿腔棘鱼的水下机器人。
实现本发明目的的技术方案是：
一种仿腔棘鱼的水下机器人，包括仿鱼形腔体和分别设置在腔体内的控制模块、尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块及重心调整模块；其中：
尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块和重力调节模块分别与控制模块连接，通过控制模块的压力传感器、姿态传感器及定位传感器分别控制尾鳍驱动模块驱动尾部弯曲，利用弯曲的尾部凹凸两面的液体压强差形成压力推动机器人前进。
所述尾鳍驱动模块位于仿鱼形腔体的中后部，该模块包括尾鳍驱动电机、凸轮、尾鳍骨架、仿生鱼皮和填充在尾鳍骨架与仿生鱼皮之间的人体硅胶，尾鳍骨架通过凸轮与尾鳍驱动电机连接，通过尾鳍驱动电机驱动凸轮转动，使凸轮上的轴承在尾鳍骨架中的滑槽内移动，尾鳍骨架在凸轮的驱动下左右摇摆，并在人体硅胶的缓冲下，其尾部发生一定的弯曲形变，使尾部凹面水的压强变小，凸面水的压强大，形成驱动力。
所述凸轮上的小柄上设有小型轴承。
所述胸鳍辅助模块分别对称设置在仿鱼形腔体左右两侧，该模块包括左右对称设置的胸鳍驱动电机和与胸鳍驱动电机连接的胸鳍，通过胸鳍驱动电机驱动胸鳍绕轴线360度转动，根据加速度计算公式(1-1)：
F＝ma (1-1)
当质量一定时，加速度与合力成正比，最大的驱动力带来最大的加速度，通过摆动胸鳍轴线和机器人轴线成一定角度，与尾鳍联动，实现直线或螺旋上浮和下潜功能；通过摆动胸鳍轴线与机器人轴线反向平等，与尾鳍、重心调节模块配合，驱动机器人沿预定的复杂轨迹后退。
所述浮力调整模块位于仿鱼形腔体的前部，该模块包括水箱、设置在水箱内的排水油箱和液压***；其中，水箱为由仿鱼形腔体的下腔体、密封盖和密封圈组合布成的一个密封空间，在下腔体上设有注水孔，排水油箱设置在下腔体的隔板上，与液压***连通，根据浮力计算公式(1-2)：
F浮＝ρ液gV排 (1-2)
调整机器人整体的排水量；
同时，根据液压压强计算公式(1-3)：
P＝ρ液gh (1-3)
计算液体密度和重力加速度。
所述液压***包括单向阀、高压小排量泵、油缸和二位二通电磁换向阀，油缸与高压小排量泵连接，高压小排量泵通过单向阀与排水油箱连接，二位二通电磁换向阀分别与油缸、排水油箱连接。
所述重心调整模块位于仿鱼形腔体的中部，该模块包括电池、滚珠丝杆、丝杆驱动电机和光杆，电池组设置在仿鱼形腔体的矩形壳体内，矩形壳体下部通过光孔与光轴间隙配合，并通过螺纹孔与滚珠丝杆配合；光杆作为支撑，通过滚珠丝杆驱动电池组前后移动，以调节机器人重心位置。
所述浮力调整模块中的排水油箱采用碟簧状容器。
所述控制模块由中控***和分别与中控***连接的运动控制器、环境数据收集器、定位传感器、姿态传感器、压力传感器和通讯***组成，定位传感器、姿态传感器、压力传感器通过环境数据收集器与中控***连接，运动控制器分别与尾鳍驱动模块、浮力调整模块、重力调整模块及胸鳍辅助模块连接。
本发明通过控制模块控制尾鳍骨架，并驱动尾部弯曲，利用弯曲的尾部凹凸两面的液体压强差形成压力推动机器人前进；胸鳍作为辅助运动进行摆动，使机器人可以自如游动，整个机器人的沉浮通过液压***控制排水油箱的体积，从而改变机器人的整体排水量。
本发明的有益效果是：通过上述结构，本发明的仿腔棘鱼机器人可以在水中模拟鱼类游动，能自主避障，规划航线，实现不同水域的自动沉浮功能，从而实现了机器人的智能游动，而且运动特征相对于传统的螺旋桨推进器更高效、低噪、隐秘。
附图说明
图1为本发明实施例的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的左视图；
图4为实施例液压***的原理图；
图5为实施例控制模块的结构框图。
图中：1.上腔 2.下腔 3.尾鳍驱动模块 4.胸鳍辅助模块 5.浮力调整模块 6.重力调整模块 7.尾鳍骨架 8.尾鳍驱动电机 9.凸轮 10.仿生鱼皮 11.人体硅胶 12.胸鳍驱动电机 13.胸鳍 14.轴承 15.水箱 16.排水油箱 17.液压*** 18.电池组 19.丝杆 20.丝杆驱动电机 21.光杆。
具体实施方式
实施例：
如图1-3所述，一种仿腔棘鱼的水下机器人，由由上下对称设置的上腔体1、下腔体2组合而成的仿鱼形腔体和分别设置在腔体内的控制模块、尾鳍驱动模块3、胸鳍辅助模块4、浮力调整模块5及重心调整模块6；其中：
尾鳍驱动模块3、胸鳍辅助模块4、浮力调整模块5和重力调节模块6分别与控制模块连接，通过控制模块的压力传感器、姿态传感器及定位传感器分别控制尾鳍驱动模块3驱动尾部弯曲，利用弯曲的尾部凹凸两面的液体压强差形成压力推动机器人前进。
所述尾鳍驱动模块位于仿鱼形腔体的中后部，该模块包括尾鳍驱动电机、凸轮机构、尾鳍骨架、仿生鱼皮和填充在尾鳍骨架与仿生鱼皮之间的人体硅胶，凸轮机构由凸轮、凸轮转盘和设置在凸轮小柄上的小型轴承构成；其中：
尾鳍驱动电机选用合适功率和扭矩的伺服电机作为动力源，尾鳍摆动骨架作为动力传输，而柔性防水鲨鱼皮可实现密封和一定的支撑功能。尾鳍摆动骨架采用形状记忆合金，凸轮机构的滑槽刚度和硬度较大，然而越靠尾部硬度渐渐变小，韧性逐渐加大，这样既保证了机构的正常运转又不失柔性。记忆性合金具有很大的可恢复应变能力，其最大的特点是形状记忆效应，而且兼有传感和致动的功能。
人体硅胶，作为填充物，填充在鲨鱼皮和摆动骨架之间，既支撑鱼皮和缓冲骨架之间，同时，由于硅胶有一定的强度和韧性，因此可以缓冲和传递骨架给鱼皮动力，使柔性尾部产生一定的弹性形变，弯曲的尾部凹凸面会形成一定的压强差，正是这样的压强差有利于机器人获得一个前进的动力。据有关研究表明，人体硅胶无毒无害，皮肤可直接接触，对环境友善，而且加入适量的二甲基硅油，可调节人体硅胶固化后的最终硬度，当填充的人体硅胶柔软度合适，既能支撑鱼皮，又足够传递动力。
尾鳍驱动电机带动凸轮转盘转动，而凸轮轴承在摆动骨架的滑槽里滑动，拨动摆动骨架产生横向的偏移。横向的偏移力传递到摆动骨架，由于骨架受到支点的定位作用，凸轮和柔性防水鲨鱼皮包裹的人体硅胶的三者之间形成了一个平衡力系，自然会产生一定的弯矩，而弯曲的仿生鱼尾，前后两侧的受到水的压强不相等，凹面小，凸面大，压力差形成推动力。以上就是尾鳍驱动的基本原理，凸轮机构与四连杆机构有异曲同工之妙，之所以选用凸轮机构，是因为凸轮机构较为简单，生产成本低，维护方便。
所述胸鳍辅助模块分别对称设置在仿鱼形腔体左右两侧，该模块包括左右对称设置的胸鳍驱动电机和与胸鳍驱动电机连接的胸鳍，通过胸鳍驱动电机驱动胸鳍绕轴线360度转动，根据加速度计算公式(1-1)：
F＝ma (1-1)
当质量一定时，加速度与合力成正比，最大的驱动力带来最大的加速度，通过摆动胸鳍轴线和机器人轴线成一定角度，与尾鳍联动，实现直线或螺旋上浮和下潜功能；通过摆动胸鳍轴线与机器人轴线反向平等，与尾鳍、重心调节模块配合，驱动机器人沿预定的复杂轨迹后退。
胸鳍的主要作用有：
其一，辅助转向功能，尾鳍肩负长距离巡游并大致的把舵重任，但是单纯靠尾鳍的方向控制精度不高，必要时还需要胸鳍辅助方向修正，特别是要实现不减速的情况下要以最小转弯半径急转弯，还必须一侧胸鳍全力辅助尾鳍转向；
其二，刹车功能，根据流体力学，水固然有一定的阻力，在不提供前进的动力的情况下，最终还是会停下来的，然而由于鱼类生物的体型属于流线型结构，流体阻力较小，必要之时，还是需要及时采取刹车；
其三，倒车功能，所谓倒车就是推动躯体倒退，不管是自然界的鱼还是人类研发的水下仿生机器人，都需要倒车功能，毕竟有的未知水域水文环境复杂，如洞穴特别是管道作业等没有倒车功能往往不能胜任这项工作，或者说工作场合大大受限；
其四，辅助升降功能，机器人前进或后退的同时，胸鳍摆出一定的攻角，其角度正副和大小可根据实际来确定，可以实现辅助上浮或下潜功能。
当机器人在低速巡游，甚至静止原地需要转弯时候之时，这就需要胸鳍来发挥转向机能。由于鱼类的胸鳍和人类的双臂一样可以独立控制，当躯体在高速运行时，只要单侧的胸鳍有规律的拨水，摆轴与尾鳍摆轴平行，由于单侧胸鳍拨水产生的驱动力不在躯体整体的轴线上，两个驱动力叠加，就产生了一定的扭矩，迫使躯体转向。还有一个方法是在特殊环境需要用到的高速紧急转弯，具体操作是，尾部摆向一侧，而同侧的胸鳍转动九十度，也就是形成了与机器人整体轴线垂直的方向，形成最大的阻力，这样可以快速急转弯，用于规避鱼雷和避开另外碰撞。而在静止或者低速阶段，即使只有单侧胸鳍拨水，尾部弯曲一定角度，也可以实现低速转弯。
所述浮力调整模块位于仿鱼形腔体的前部，该模块包括水箱、设置在水箱内的排水油箱和液压***；其中，水箱为由仿鱼形腔体的下腔体、密封盖和密封圈组合布成的一个密封空间，在下腔体上设有注水孔，排水油箱设置在下腔体的隔板上，与液压***连通，根据浮力计算公式(1-2)：
F浮＝ρ液gV排 (1-2)
调整机器人整体的排水量；
同时，根据液压压强计算公式(1-3)：
P＝ρ液gh (1-3)
计算液体密度和重力加速度。
本例中：浮力调整模块中的排水油箱采用碟簧状容器。
所述液压***包括单向阀、高压小排量泵、油缸和二位二通电磁换向阀，油缸与高压小排量泵连接，高压小排量泵通过单向阀与排水油箱连接，二位二通电磁换向阀分别与油缸、排水油箱连接。机器人在一般巡游时，为了节能，液压***如图4所示，单向阀和二位二通电磁阀关闭，即使排水油箱承受着受外部水压，也不会改变机器人整体排水量。但是需要缓缓下潜时，二位二通电磁换向阀打开，外部油箱受到水压，液压油经过二位二通电磁换向阀流回油缸里面，整个过程中，机器人整体的重量没变，但是由于排水油箱排水量小了，整体的排水量就小了，机器人受到的浮力也变小，当浮力比重力小的时候，机器人就可以下沉了，此时，胸鳍和尾鳍加上稍微摆动一个角度，实现节能巡游。同理，当机器人下沉滑翔至预定水域，此时先开启二位二通电磁换向阀，再开启高压小排量泵，待高压小排量泵工作趋于稳定的时候，在把二位二通电磁换向阀关闭，这样油泵就可以把液压油从油缸抽出，缓慢压入排水油箱，而油箱的排水量将会逐渐上升，最终会达到一个理想的水平，此时关闭油泵，由于有单向阀，保证了液压油不会倒流。
所述重心调整模块位于仿鱼形腔体的中部，该模块包括电池、滚珠丝杆、丝杆驱动电机和光杆，电池组设置在仿鱼形腔体的矩形壳体内，矩形壳体下部通过光孔与光轴间隙配合，并通过螺纹孔与滚珠丝杆配合；光杆作为支撑，通过滚珠丝杆驱动电池组前后移动，以调节机器人重心位置。
如图5所示，控制模块由中控***和分别与中控***连接的运动控制器、环境数据收集器、定位传感器、姿态传感器、压力传感器和通讯***组成，定位传感器、姿态传感器、压力传感器通过环境数据收集器与中控***连接，运动控制器分别与尾鳍驱动模块、浮力调整模块、重力调整模块及胸鳍辅助模块连接。
工作时，首先通过通讯模块负责人机对话，工作人员可以利用相关通讯设备通过通讯模块给机器人发送指令和实时接收机器人当前环境或测量得出的相关数据。机器人运动有两种模式，一种是发送目标指令，机器人自动完成相关运动，另一种是手动遥控控制。
自动模式，当机器人的通讯模块接收到相关指令时，环境数据收集器工作，利用定位传感器，姿态传感器，压力传感器分别检测机器人当前定位数据，姿态数据和深度数据等，并分析解码汇总到中控***；此后中控***将通讯模块传来的指令和环境数据收集器传来的数据进行比较，计算出相关动作的方式方法，形成指令发送到运动控制器，运动控制器根据指令控制尾鳍驱动模块的尾鳍驱动电机，胸鳍辅助模块的胸鳍驱动电机，浮力调整模块的高压小排量泵、二位二通电磁换向阀，重心调整模块的丝杠驱动电机等关键运动模块的驱动部件单个或者多个驱动协同工作；与此同时，环境数据收集器也实时将各个传感器上传的实时监测数据分析汇总到中控***，中控***再次比较当前环境数据与目标数据，当误差在允许范围之内，即可认为完成本次指令，如果误差在允许范围之外，即再次向运动控制器发送运动微调指令。
手动遥控模式，遥控指令通过通讯模块进入中控***，而中控***无需计算分析，直接形成相关指令，传输到运动控制器，而运动控制器控制相关的驱动部件运动。

Claims (9)

1.一种仿腔棘鱼的水下机器人，其特征是：包括仿鱼形腔体和分别设置在腔体内的控制模块、尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块及重心调整模块；其中：
尾鳍驱动模块、胸鳍辅助模块、浮力调整模块和重力调节模块分别与控制模块连接，通过控制模块的压力传感器、姿态传感器及定位传感器分别控制尾鳍驱动模块驱动尾部弯曲，利用弯曲的尾部凹凸两面的液体压强差形成压力推动机器人前进。
2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征是：所述尾鳍驱动模块位于仿鱼形腔体的中后部，该模块包括尾鳍驱动电机、凸轮、尾鳍骨架、仿生鱼皮和填充在尾鳍骨架与仿生鱼皮之间的人体硅胶，尾鳍骨架通过凸轮与尾鳍驱动电机连接，通过尾鳍驱动电机驱动凸轮转动，使凸轮上的轴承在尾鳍骨架中的滑槽内移动，尾鳍骨架在凸轮的驱动下左右摇摆，并在人体硅胶的缓冲下，其尾部发生一定的弯曲形变，使尾部凹面水的压强变小，凸面水的压强大，形成驱动力。
3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征是：所述凸轮上的小柄上设有小型轴承。
4.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征是：所述胸鳍辅助模块分别对称设置在仿鱼形腔体左右两侧，该模块包括左右对称设置的胸鳍驱动电机和与胸鳍驱动电机连接的胸鳍，通过胸鳍驱动电机驱动胸鳍绕轴线360度转动。
5.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征是：所述浮力调整模块位于仿鱼形腔体的前部，该模块包括水箱、设置在水箱内的排水油箱和液压***；其中，水箱为由仿鱼形腔体的下腔体、密封盖和密封圈组合布成的一个密封空间，在下腔体上设有注水孔，排水油箱设置在下腔体的隔板上，与液压***连通。
6.根据权利要求5所述的水下机器人，其特征是：所述液压***包括单向阀、高压小排量泵、油缸和二位二通电磁换向阀，油缸与高压小排量泵连接，高压小排量泵通过单向阀与排水油箱连接，二位二通电磁换向阀分别与油缸、排水油箱连接。
7.根据权利要求5所述的水下机器人，其特征是：所述浮力调整模块中的排水油箱采用碟簧状容器。
8.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征是：所述重心调整模块位于仿鱼形腔体的中部，该模块包括电池、滚珠丝杆、丝杆驱动电机和光杆，电池组设置在仿鱼形腔体的矩形壳体内，矩形壳体下部通过光孔与光轴间隙配合，并通过螺纹孔与滚珠丝杆配合；光杆作为支撑，通过滚珠丝杆驱动电池组前后移动，以调节机器人重心位置。
9.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征是：所述控制模块由中控***和分别与中控***连接的运动控制器、环境数据收集器、定位传感器、姿态传感器、压力传感器和通讯***组成，定位传感器、姿态传感器、压力传感器通过环境数据收集器与中控***连接，运动控制器分别与尾鳍驱动模块、浮力调整模块、重力调整模块及胸鳍辅助模块连接。
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