CN112977771A - 一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，波动鳍外壳体内设置有波动鳍主体模块，波动鳍主体模块经鳍面波动式压电材料发电模块与波动鳍外壳体两侧设置的波动鳍连接；波动鳍的鳍面呈类正弦波形摆动；波动鳍外壳体的表面设置有太阳能发电模块，太阳能发电模块与波动鳍主体模块连接；当波动鳍鳍面运动时，压电材料发电装置跟随鳍面一起运动产生变形，实现压电材料发电装置发电，当波动鳍位于水面或陆上有太阳照射的环境中时，太阳能发电装置开始发电，蓄电池模块为整个水陆两栖波动鳍机器人***提供电能。本发明实现了水陆两栖波动鳍机器人自身发电功能，克服了水陆两栖机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

Description

一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人

技术领域

本发明属于机器人能源技术领域，具体涉及一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人。

背景技术

海洋环境中蕴含丰富的资源，随着现代科学技术的蓬勃发展，海洋探索逐步成为海洋科技领域中的重要角色，各国纷纷把海洋资源的探索作为国家发展战略，对于海洋的探测、开发和利用已成为各国科学家的研究重点，同时还在不断加大海洋研究和开发力度。水下机器人作为一种综合人工智能和先进计算机技术的任务控制器，能高效地帮助人类探测、开发和利用海洋资源。

水下无人航行器作为水下水下机器人的重要分支，特别是无揽水下航行器，由于没有线缆的束缚，运动灵活，体积小，隐蔽性高，同时可以搭载多种载荷任务，信息感知能力强大，成为水下机器人领域研究的重点，但是由于各种传感器，无线通信***，执行器，推进器等耗电量大，导致水下机器人搭载的电池模块难以支撑机器人自身长航程续航，导致作业时间短，严重影响水下机器人任务的执行。

水下波动鳍机器人也是一种无线揽式水下自主航行机器人，主要采用自身携带电池模块作为能源供给，具有运动灵活，隐蔽性高，任务执行能力强等特点，但是受限于自身体积，重量等因素，使得机器人携带能源有限，导致水下波动鳍机器人续航能力不足，活动范围严重受到限制，不能很好的满足探测，检测，通信等电子***在水下长时间连续工作对能源的需求。

不仅仅是水下机器人，对于陆上机器人以及水陆两栖机器人，同样面临着因自身携带电源续航能力不足导致巡航能力以及任务执行能力受限的问题。

因此，为了解决现有无揽式自主机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题，对于具有发电功能的机器人的研究具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，解决现有水下和陆地机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，包括波动鳍外壳体，波动鳍外壳体内设置有波动鳍主体模块，波动鳍主体模块包括单片微型计算机和蓄电池模块，单片微型计算机经鳍面波动式压电材料发电模块与波动鳍外壳体两侧设置的波动鳍连接，波动鳍的鳍面呈类正弦波形摆动；鳍面波动式压电材料发电模块与蓄电池模块连接，用于随波动鳍鳍面运动产生电能；波动鳍外壳体的表面设置有太阳能发电模块，太阳能发电模块与蓄电池模块连接。

具体的，鳍面波动式压电材料发电模块包括舵机驱动模块和压电材料发电装置，舵机驱动模块设置在波动鳍主体模块内，与波动鳍的鳍面连接；压电材料发电装置设置在波动鳍上，与蓄电池模块连接。

进一步的，舵机驱动模块包括多个舵机，多个舵机对应设置在波动鳍底板的两侧，分别经一个舵机臂与波动鳍鳍面上的波动鳍鳍条对应连接。

进一步的，波动鳍鳍面包括波动鳍上鳍面和波动鳍下鳍面，压电材料发电装置设置在波动鳍上鳍面和波动鳍下鳍面之间。

更进一步的，波动鳍鳍条间隔设置在波动鳍下鳍面的上表面。

具体的，波动鳍鳍面在自然状态下呈扇形结构，波动鳍鳍面在预紧作用下，内侧边沿弧线拉伸呈直线，外侧弧线成类正弦曲线。

具体的，波动鳍的鳍面采用乳胶或高弹橡胶材料制成。

具体的，波动鳍主体模块包括波动鳍底板，波动鳍底板与波动鳍外壳体连接形成的腔体内部依次设置有前电子密封舱、舵机驱动模块、蓄电池模块和后电子密封舱，单片微型计算机设置在后电子密封舱内，分别与舵机驱动模块和蓄电池模块连接。

进一步的，前电子密封舱内设置有摄像头、超声多普勒流速仪和水声定位***，摄像头、超声多普勒流速仪和水声定位***分别与单片微型计算机和蓄电池模块连接。

具体的，太阳能发电模块包括太阳能发电装置，太阳能发电装置为类矩形板状结构，镶嵌在波动鳍外壳体上，与蓄电池模块连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，依靠太阳能发电模块和鳍面波动式压电材料发电模块不断为波动鳍机器人补充电能，依靠波动鳍左右两边鳍面的类正弦运动实现波动鳍机器人在陆上和水下的前进、后退、转弯运动以及在水下的上浮下潜运动在陆地或水下运动过程中，在运动过程中，依靠波动鳍鳍面类正弦运动使压电材料发电装置变形产生压电效应进行发电，进而持续性地为蓄电池模块充电，水陆两栖波动鳍在水面或陆地上有阳光照射的环境下，可以通过太阳能发电装置发电进而持续性地为蓄电池模块充电，同时依靠蓄电池模块电源管理***更好的分配太阳能发电模块和鳍面波动式压电材料发电模块所发电能，提高电能使用效率，克服了水下和陆地机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

进一步的，通过舵机驱动模块运动有规律的运动带动波动鳍鳍面产生类正弦运动，驱动水陆两栖波动鳍机器人运动，波动鳍鳍面运动过程中，带动压电材料发电装置相同规律的运动，产生压电效应进行发电，产生电能储存于波动鳍蓄电池模块，为水陆两栖机器人***提供电能，提高波动鳍机器人运动续航能力。

进一步的，通过多个舵机分别设置在波动鳍底板两侧，分别经一个舵机臂与波动鳍鳍面上的波动鳍鳍条对应连接，使得水陆两栖机器人运动灵活稳定。

进一步的，压电材料发电装置设置在波动鳍上鳍面和波动鳍下鳍面之间，使得鳍面运动过程中带动压电材料发电装置变形产生压电效应产生电能。

进一步的，波动鳍鳍条间隔设置在波动鳍下鳍面的上表面，使得舵机转动过程中带动波动鳍鳍条摆动，进一步带动波动鳍鳍面产生类正弦波形摆动，驱动水陆两栖波动鳍机器人运动。

进一步的，波动鳍鳍面在自然状态下呈扇形结构，波动鳍鳍面在预紧作用下，内侧边沿弧线拉伸呈直线，外侧弧线成类正弦曲线，使得多个舵机驱动模块带动波动鳍鳍条有规律摆动，鳍条有规律摆动使得波动鳍鳍面呈类正弦波形摆动，驱动水陆两栖波动鳍机器人运动，同时在运动过程中带动压电材料发电装置产生变形发电。

进一步的，波动鳍的鳍面采用乳胶或高弹橡胶材料制成，保证鳍面在绷紧状态下也具有一定柔性，保证水陆两栖波动鳍机器人在运动过程中鳍面能够柔顺得产生类正弦波形摆动。

进一步的，波动鳍主体模块构成水陆两栖波动鳍机器人主体部分，实现波动鳍机器人运动控制，电源管理。

进一步的，通过摄像头实现水陆两栖波动鳍机器人感知周围环境，通过超声多普勒流速仪实现水陆两栖波动鳍机器人运动速度测定，通过水声定位***实现水陆两栖波动鳍机器人水下定位。

进一步的，太阳能发电装置为类矩形板状结构，便于镶嵌于波动鳍外壳体上，使得水陆两栖波动鳍机器人在水面或陆上有阳光照耀环境下发电，所产生电能。

综上所述，本发明依靠太阳能发电模块和鳍面波动式压电材料发电模块不断为波动鳍机器人补充电能，使得水陆两栖波动鳍机器人具有复合发电功能，克服了水下和陆地机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明波动鳍鳍面扇形展开示意；

图3为本发明波动鳍鳍条、波动鳍鳍面、压电材料发电装置装配示意图。

其中：1.波动鳍外壳体；2.前电子密封舱；3.舵机驱动模块；4.舵机臂；5.波动鳍鳍条；6.太阳能发电装置；7.蓄电池模块；8.波动鳍上鳍面；9.压电材料发电装置；10.波动鳍下鳍面；11.波动鳍底板；12.后电子密封舱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，波动鳍舵机带动波动鳍舵机臂，进而带动波动鳍鳍条有规律的运动，波动鳍鳍条进一步带动波动鳍鳍面呈现类正弦波动，实现波动鳍运动，压电材料发电装置安装于波动鳍上鳍面和波动鳍下鳍面之间，当波动鳍鳍面运动时，压电材料发电装置跟随鳍面一起运动产生变形，实现压电材料发电装置发电，当波动鳍位于水面或陆上有太阳照射的环境中时，太阳能发电装置开始发电，所述压电材料发电装置和太阳能发电装置产生的电能均传输并储存于蓄电池模块之中，蓄电池模块为整个水陆两栖波动鳍机器人***提供电能。本发明实现了水陆两栖波动鳍机器人自身发电功能，克服了水陆两栖机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

请参阅图1，本发明一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，包括：波动鳍主体模块，太阳能发电模块和鳍面波动式压电材料发电模块，波动鳍主体模块外部设置有波动鳍外壳体1，太阳能发电模块设置在波动鳍外壳体1上，鳍面波动式压电材料发电模块位于波动鳍主体模块的两侧；

波动鳍主体模块，用于实现波动鳍机器人运动控制，电源管理。

太阳能发电模块，使得水陆两栖波动鳍机器人在水面或陆上有阳光照耀环境下发电，产生电能储存于波动鳍蓄电池模块，为水陆两栖机器人***提供电能，提高波动鳍机器人运动续航能力。

鳍面波动式压电材料发电模块，使得水陆两栖波动鳍机器人在运动过程中产生压电效应进行发电，产生电能储存于波动鳍蓄电池模块，为水陆两栖机器人***提供电能，提高波动鳍机器人运动续航能力。

波动鳍主体模块包括波动鳍底板11，前电子密封舱2，后电子密封舱12和蓄电池模块7；

太阳能发电模块包括波动鳍外壳体1与太阳能发电装置6；

鳍面波动式压电材料发电模块包括舵机驱动模块3，舵机臂4，波动鳍鳍条5，波动鳍上鳍面8，压电材料发电装置9，波动鳍下鳍面10；

波动鳍外壳体1安装于波动鳍底板11之上，波动鳍外壳体1与波动鳍底板11之间形成腔体；前电子密封舱2、舵机驱动模块3、蓄电池模块7和后电子密封舱12设置在腔体内部，依次安装固定在波动鳍底板11上。

前电子密封舱2内放置有摄像头、超声多普勒流速仪和水声定位***，摄像头用于获取水下环境信息，超声多普勒流速仪用于获取水下机器人前进方向的水流速度信息，水声定位***用于确定水下机器人在水中的方位信息；后电子密封舱12内设置有单片微型计算机，用于控制舵机驱动模块3。

请参阅图2，舵机驱动模块3包含有18个舵机，18个舵机分别安装在波动鳍底板11的两侧，一侧9个舵机，每一个舵机都与一个舵机臂4连接，每个舵机臂4与对应的波动鳍鳍条5连接，波动鳍鳍条5粘贴在波动鳍下鳍面10的上表面，舵机驱动模块3中的舵机按照10°～30°相位差转动，带动舵机臂4，波动鳍鳍条5形成类正弦波形式的有规律摆动，使得波动鳍鳍面产生类正弦波规律的运动形式。

请参阅图3，波动鳍上鳍面8和波动鳍下鳍面10统称为波动鳍鳍面，波动鳍鳍面的材料为乳胶或高弹橡胶材料，波动鳍鳍面在自然状态下呈扇形结构，在波动鳍鳍条5的预紧作用下使得波动鳍鳍面内侧边沿弧线拉伸呈直线，由于外侧边弧长大于内侧边，使得在预紧力作用下外侧弧线变成类正弦曲线。

波动鳍上鳍面8和波动鳍下鳍面10之间设置有压电材料发电装置9，压电材料发电装置9通过传输电线线路与蓄电池模块7连接，用于实现电能传输，在波动鳍鳍面运动过程中，使得压电材料变形发发电，电能储存于蓄电池模块7中。

太阳能发电装置6为类矩形板状结构，镶嵌在波动鳍外壳体1上，太阳能发电装置6通过传输电线线路与蓄电池模块7连接，用于实现电能传输，在有阳光照耀的环境下，太阳能发电装置6进行发电，并将电能储存于蓄电池模块7中。

本发明一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人的工作原理如下：

蓄电池模块7接收并储存太阳能发电装置6和压电材料发电装置9产生的电能，并为具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人提供所需电能，蓄电池模块7内部具有电源管理***，当波动鳍机器人处于阳光照耀环境中时，直接利用太阳能发电模块所发电量为整个***提供所需电能，当处于水下环境中时，利用鳍面波动式压电材料发电模块和蓄电池自身储存电量为整个机器人***提供所需电量。

18个舵机分别安装于波动鳍底板11两侧，一边9个舵机安装于波动鳍底板一条直线，两侧位于同一行对应的舵机安装于一条直线，具有相同的运动相位；波动鳍两侧鳍面通过波动鳍鳍条对波动鳍鳍面预紧力作用，使得波动鳍鳍面具有一定硬度，支撑波动鳍实现陆上运动。在舵机带动下，鳍面呈类正弦形式的摆动，实现波动鳍机器人在水下或陆地前进、后退、转弯、运动以及水下的上浮、下潜运动。

当具有复合发电功能的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人在陆上、水面、水下运动时，鳍面呈类正弦波形摆动，使得压电材料跟随着波动鳍鳍面一起摆动变形，从而实现压电材料发电装置发电，使得水陆两栖波动鳍在运动过程中实现发电，所产生的电能传输并储存于蓄电池模块7中，为整个水陆波动鳍机器人***提供电能。

当具有复合发电功能的波动鳍机器人位于水面或者陆上具有阳光照射的环境中时，太阳能发电装置6开始发电，所产生的电能传输并储存于蓄电池模块7中，为整个水陆波动鳍机器人***提供电能。

综上所述，本发明一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，依靠太阳能发电模块和鳍面波动式压电材料发电模块不断为波动鳍机器人补充电能，使得水陆两栖波动鳍机器人具有复合发电功能，克服了水下和陆地机器人因续航能力不足导致任务执行能力以及活动范围受限的问题。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，包括波动鳍外壳体(1)，波动鳍外壳体(1)内设置有波动鳍主体模块，波动鳍主体模块包括单片微型计算机和蓄电池模块(7)，单片微型计算机经鳍面波动式压电材料发电模块与波动鳍外壳体(1)两侧设置的波动鳍连接，波动鳍的鳍面呈类正弦波形摆动；鳍面波动式压电材料发电模块与蓄电池模块(7)连接，用于随波动鳍鳍面运动产生电能；波动鳍外壳体(1)的表面设置有太阳能发电模块，太阳能发电模块与蓄电池模块(7)连接。

2.根据权利要求1所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，鳍面波动式压电材料发电模块包括舵机驱动模块(3)和压电材料发电装置(9)，舵机驱动模块(3)设置在波动鳍主体模块内，与波动鳍的鳍面连接；压电材料发电装置(9)设置在波动鳍上，与蓄电池模块(7)连接。

3.根据权利要求2所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，舵机驱动模块(3)包括多个舵机，多个舵机对应设置在波动鳍底板(11)的两侧，分别经一个舵机臂(4)与波动鳍鳍面上的波动鳍鳍条(5)对应连接。

4.根据权利要求2所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，波动鳍的鳍面包括波动鳍上鳍面(8)和波动鳍下鳍面(10)，压电材料发电装置(9)设置在波动鳍上鳍面(8)和波动鳍下鳍面(10)之间。

5.根据权利要求4所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，波动鳍鳍条(5)间隔设置在波动鳍下鳍面(10)的上表面。

6.根据权利要求1所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，波动鳍鳍面在自然状态下呈扇形结构，波动鳍鳍面在预紧作用下，内侧边沿弧线拉伸呈直线，外侧弧线成类正弦曲线。

7.根据权利要求1所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，波动鳍的鳍面采用乳胶或高弹橡胶材料制成。

8.根据权利要求1所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，波动鳍主体模块包括波动鳍底板(11)，波动鳍底板(11)与波动鳍外壳体(1)连接形成的腔体内部依次设置有前电子密封舱(2)、舵机驱动模块(3)、蓄电池模块(7)和后电子密封舱(12)，单片微型计算机设置在后电子密封舱(12)内，分别与舵机驱动模块(3)和蓄电池模块(7)连接。

9.根据权利要求8所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，前电子密封舱(2)内设置有摄像头、超声多普勒流速仪和水声定位***，摄像头、超声多普勒流速仪和水声定位***分别与单片微型计算机和蓄电池模块(7)连接。

10.根据权利要求1所述的具有复合发电功能的水陆两栖波动鳍机器人，其特征在于，太阳能发电模块包括太阳能发电装置(6)，太阳能发电装置(6)为类矩形板状结构，镶嵌在波动鳍外壳体(1)上，与蓄电池模块(7)连接。

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