CN114194341B - 一种水上自驱摄影机器人及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水上自驱摄影机器人及其使用方法。该机器人包括流速控制模块、动力模块、机身主体、摄像***和两块脚板。相互独立的两块脚板并排设置，并通过上方的机身主体连接在一起。所述的机身主体包括脚板连接座、弹簧减震器、连接杆和主干体。动力模块包括滴管；滴管安装在机身主体的尾端且能够在动力元件的驱动下左右摆动。滴管的外端设置有朝下的滴头。滴管的输入端与固定在主干体上的有机试剂存储罐的输出口通过流速控制模块连接；本发明摆脱了传统的机械动力***，采用异丙醇改变水体表面的张力实现前行。相比传统螺旋桨驱动，噪音更小。从而能够很自然地融入到水面这种自然环境当中进行拍摄。

Description

一种水上自驱摄影机器人及其使用方法
技术领域
本发明属于自然科学技术领域，具体涉及一种水上自驱摄影机器人及其使用方法。
背景技术
自然界中有一种可以生活在水面上的小生物“水椿”，它靠体内排出富含脂质的***物到水面上，改变它身后水表面的张力，从而推动它的前进与转向。受到水椿这种行进方式的启发，科研人员设计了许多在水面上自由行走的水上自驱摄影机器人。它们可以被应用到生物学家的拍摄中，机器人上装一个微型相机，由于它可以像水椿一样在水面上无声地行走，所以不会惊吓到被拍摄的生物。目前的水上自驱摄影机器人都比较初级，不能进行方向和速度控制。
马兰戈尼效应(Marangoni effect)是一种由于表面张力不同的两种液体的界面存在表面张力梯度，而使质量传送的现象，称为马兰戈尼效应。出现马兰戈尼效应的原因是表面张力大的液体对其周围表面张力小的液体的拉力强，产生表面张力梯度；使液体从表面张力低向表面张力高的方向流动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水上自驱摄影机器人及其使用方法。
本发明一种水上自驱摄影机器人，包括流速控制模块、动力模块、机身主体、摄像***和两块脚板。相互独立的两块脚板并排设置，并通过上方的机身主体连接在一起。所述的机身主体包括脚板连接座、弹簧减震器、连接杆和主干体。主干体与两块脚板均通过脚板连接座和连接杆连接；脚板连接座与连接杆之间设置有弹簧减震器。所述的动力模块包括滴管；滴管安装在机身主体的尾端且能够在动力元件的驱动下左右摆动。滴管的外端设置有朝下的滴头。滴管的输入端与固定在主干体上的有机试剂存储罐的输出口通过流速控制模块连接；滴管的输入端低于有机试剂存储罐的输出端。有机试剂存储罐内存储有有机试剂。所述的摄像***安装在机身主体的头端。
作为优选，该水上自驱摄影机器人还包括风力***。所述的风力***包括风帆、第一连杆、第二连杆、横向导向杆、第一滑块、第二滑块、曲柄、曲柄电机、导轨、滑动桅杆和固定桅杆。其中一块脚板上开设有滑槽。竖直设置的固定桅杆固定在滑槽的一端。竖直设置的滑动桅杆滑动连接在滑槽上，且能够在不同位置锁止。
两根第一连杆的内端与滑动桅杆的两个不同位置分别转动连接。两个第二连杆的一端与两根第一连杆的外端分别转动连接。两个第二连杆的另一端与导轨的两端分别转动连接。水平设置的横向导向杆固定在滑动桅杆上。导轨上固定有第一滑块；第一滑块与横向导向杆沿水平方向滑动连接；横向导向杆的轴向垂直于滑动桅杆。第二滑块滑动连接在导轨上。曲柄的内端与滑动桅杆的中部转动连接。曲柄的外端与第二滑块转动连接。所述风帆的两侧边缘与导轨、固定桅杆分别固定。曲柄电机固定在滑动桅杆上，且输出轴与曲柄的内端固定。
作为优选，所述的机身主体上安装有无线通信模块和电池。
作为优选，所述的连接杆共有四根；四根连接杆以两根为一组；两组连接杆分别设置在主干体两侧。连接杆的外端朝下设置，并通过弹簧减震器连接有脚板连接座。脚板的顶面开设有两段圆弧滑槽。该两段圆弧滑槽在同一圆形上。圆弧滑槽的直径等于位于同一脚板上的两个脚板连接座的中心距。脚板连接座的底部设置有圆弧滑槽配合的导向凸块；同一脚板上的两个脚板连接座底面的导向凸块分别滑动连接在对应脚板上的圆弧滑槽中。导向凸块与对应的圆弧滑槽的端部之间连接有复位弹簧。复位弹簧使得导向凸块在初始状态下处于中间位置；导向凸块采用软磁材料。圆弧滑槽的两端均固定有电磁铁；两个电磁铁各自通电时，能够将导向凸块吸引向圆弧滑槽上对应的端部，调整脚板与脚板连接座的相对位置。
作为优选，所述的动力模块还包括连接杆、转向连接件和转向电机。两根连接杆和两个转向连接件依次交替转动连接成平行四边形。两个转向连接件分别设置在主干体底部的两端。两个转向连接件的中部与主干体底部的两端分别构成公共轴线竖直设置的转动副。转向电机固定在主干体底部的头端，且输出轴与位于头端的转向连接件的中部固定。主体水平设置的滴管的一端与位于尾端的转向连接件的中部固定，另一端设置有朝下设置的滴头。
作为优选，所述的流速控制模块包括节流阀杆和阀体。阀体内设置有试剂流道。节流阀杆的底端从上向下伸入试剂流道内；通过调节节流阀杆的位置能够改变试剂流道的通流面积。节流阀杆在动力元件的驱动下滑动。阀体内的试剂流道的两端与有机试剂存储罐、滴管分别连接。
作为优选，所述的流速控制模块还包括针阀控制电机、连接杆和摇杆。所述的针阀控制电机固定在主干体上；针阀控制电机的输出轴与摇杆的内端固定；连接杆的一端与摇杆的外端转动连接；连接杆的另一端与节流阀杆的顶端构成球面副。
作为优选，所述的摄像***包括相机、X轴电机安装台、Z轴电机安装台、X轴电机和Z轴电机。相机安装在X轴电机安装台上；X轴电机驱动相机绕水平轴线转动。X轴电机安装台安装在Z轴电机安装台上；Z轴电机安装在Z轴电机安装台上，用于驱动X轴电机安装台绕竖直轴线转动。Z轴电机安装台固定在主干体的头端。
作为优选，所述的有机试剂采用异丙醇。
该水上自驱摄影机器人的使用方法具体如下：
把水上自驱摄影机器人放置在目标水域中，两块脚板漂浮在水面上；水上自驱摄影机器人利用动力模块在后方滴出有机溶剂的方式产生推进力；水上自驱摄影机器人靠近目标物体后，使用摄像***进行拍摄。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明摆脱了传统的机械动力***，采用异丙醇改变水体表面的张力实现前行。相比传统螺旋桨驱动，噪音更小。从而能够很自然地融入到水面这种自然环境当中。为生物学家、自然风光摄影师、野生动物专家提供了一个很好的工具进行近距离拍摄。此外，本发明能够在不惊动性情胆小、怯弱的野生动物的同时对其进行拍照和摄像。
2、本发明可以通过对滴管的旋转角度控制，较精确地实现它前进方向的控制。此外，本发明加装了一个风力动力***，脚板上的风帆可以借助风力进行长时间航行，节约了电能的消耗，提升了机器人的航行时间。
3、本发明质量轻，加速度性能好，可以通过无线通信模块进行远程控制。此外，本发明通过改变脚板的迎水角度可以控制机器人的前进速度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中风力***的结构示意图；
图3为本发明中机身主体的结构示意图；
图4a为本发明中脚板连接座与脚板的连接示意图；
图4b为本发明中脚板姿态变化的示意图；
图5为本发明中动力模块的结构示意图；
图6为本发明中流速控制模块结构示意图；
图7为本发明中摄像***结构示意图；
图8为本发明中摄像***的电机位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种水上自驱摄影机器人，包括风力***1、流速控制模块2、动力模块3、机身主体4、摄像***5和两块脚板1-7。相互独立的两块脚板1-7并排设置，并通过上方的机身主体4连接在一起。
如图2所示，风力***包括风帆1-1、第一连杆1-2、第二连杆1-11、横向导向杆1-10、第一滑块1-9、第二滑块1-3、曲柄1-4、曲柄电机1-5、导轨1-6、滑动桅杆和固定桅杆1-8。其中一块脚板1-7上开设有滑槽。竖直设置的固定桅杆1-8固定在滑槽的一端。竖直设置的滑动桅杆滑动连接在滑槽上，且能够在不同位置锁止。滑动桅杆的位置通过电动元件调节或手动调节。
两根第一连杆1-2的内端与滑动桅杆的两个不同位置分别转动连接。两个第二连杆1-11的一端与两根第一连杆1-2的外端分别转动连接。两个第二连杆1-11的另一端与导轨1-6的两端分别转动连接。水平设置的横向导向杆1-10固定在滑动桅杆上。导轨1-6上固定有第一滑块1-9；第一滑块1-9与横向导向杆1-10沿水平方向滑动连接，使得导轨1-6保持竖直姿态；横向导向杆1-10的轴向垂直于滑动桅杆。第二滑块1-3滑动连接在导轨1-6上。曲柄1-4的内端与滑动桅杆的中部转动连接。曲柄1-4的外端与第二滑块1-3转动连接。
风帆1-1的两侧边缘与导轨1-6、固定桅杆1-8分别固定。曲柄电机1-5固定在滑动桅杆上，且输出轴与曲柄1-4的内端固定。通过曲柄1-4的转动，能够带动导轨1-6沿垂直滑槽的方向水平移动，进而调整风帆1-1的迎风角度，进而以合适的角度借助风力前行。
如图3所示，机身主体4包括无线通信模块4-1、电池4-2、弧形弹性体4-3、脚板连接座4-4、弹簧减震器4-5、连接杆4-6和主干体4-7。主干体4-7呈圆柱状。四根连接杆4-6的内端分别固定在主干体4-7两侧的前后两端；连接杆4-6包括通过弧形弹性体4-3连接的两个杆段。弧形弹性体4-3使得连接杆4-6能够弯曲变形。连接杆4-6的外端朝下设置，并通过弹簧减震器4-5连接有脚板连接座4-4。四个脚板连接座4-4两两一组；两组脚板连接座4-4与两块脚板1-7的顶面分别连接。电池4-2和无线通信模块4-1均固定在主干体4-7的背部。当水面有风浪时，弧形弹性体4-3和弹簧减震器4-5可以起到缓冲作用，使得相机5-1依然能够平稳拍摄。水上自驱摄影机器人工作时，无线通信模块4-1接收控制信号，通过电线控制电机转动，从而控制水上自驱摄影机器人的行进与转向。
如图1、4a和4b所示，脚板1-7的顶面开设有两段圆弧滑槽。圆弧滑槽为T形截面槽。该两段圆弧滑槽在同一圆形上。圆弧滑槽的直径等于位于同一脚板1-7上的两个脚板连接座4-4的中心距。脚板连接座4-4的底部设置有圆弧滑槽配合的导向凸块7；同一脚板1-7上的两个脚板连接座4-4底面的导向凸块7分别滑动连接在对应脚板1-7上的圆弧滑槽中。
导向凸块7与对应的圆弧滑槽的端部之间连接有复位弹簧6。复位弹簧6使得导向凸块7在初始状态下处于中间位置；导向凸块7采用软磁材料，能够被磁化。圆弧滑槽的两端均固定有电磁铁8；两个电磁铁8各自通电时，能够将导向凸块7吸引向圆弧滑槽上对应的端部，从而调整脚板1-7与脚板连接座4-4的相对位置，进而让脚板1-7能够相对于机身主体4呈现不同的姿态；两块脚板1-7的姿态变化又能够改变有机溶剂滴落到水面上，脚板1-7受推力的面积，从而达到调节机器人前进动力的作用。
如图5所示，动力模块包括滴管3-1、连接杆3-2、转向连接件3-3和转向电机3-4。两根连接杆3-2和两个转向连接件3-3依次交替转动连接成平行四边形。两个转向连接件3-3分别设置在主干体4-7底部的两端。两个转向连接件3-3的中部与主干体4-7底部的两端分别构成公共轴线竖直设置的转动副。转向电机3-4固定在主干体4-7底部的头端，且输出轴与位于头端的转向连接件3-3的中部固定。主体水平设置的滴管3-1的一端与位于尾端的转向连接件3-3的中部固定，另一端设置有朝下设置的滴头，用于在机器人的后部滴出有机试剂，从而利用马兰戈尼效应在机器人的后部形成向前流动的液体，进而推动机器人前进；转向电机3-4的转动能够带动滴管3-1左右摆动，从而改变有机试剂的在左右方向上的滴落位置，实现机器人的转向。有机试剂采用异丙醇，表面张力为22.6mN/m；水的表面张力大小为72.7mN/m。该两者的差异能够使得有机试剂滴落后能够以滴落点为中心，形成向外扩散液流方向，继而实现对脚板的向前推动。
滴管3-1的输入端与固定在主干体4-7上的有机试剂存储罐的输出口通过流速控制模块2连接；滴管3-1的输入端低于有机试剂存储罐的输出端，从而使得有机试剂在重力的作用下从滴管3-1滴出。
如图6所示，流速控制模块2包括针阀控制电机2-1、节流阀杆2-2、连接杆2-3、摇杆2-4和阀体。阀体内设置有试剂流道。节流阀杆2-2的底端从上向下伸入试剂流道内；通过调节节流阀杆2-2的高度能够改变试剂流道的通流面积，进而改变滴管3-1的滴出速度。针阀控制电机2-1固定在主干体4-7上；针阀控制电机2-1的输出轴与摇杆2-4的内端固定；连接杆2-3的一端与摇杆2-4的外端转动连接；连接杆2-3的另一端与节流阀杆2-2的顶端构成球面副。节流阀杆2-2在针阀控制电机2-1的带动下，会沿着轴线方向上下移动，从而改变阀门开口的大小，进行流量控制。
如图7和8所示，摄像***安装在主干体4-7的头端，其包括相机5-1、X轴电机安装台5-2、Z轴电机安装台5-3、X轴电机5-4和Z轴电机5-5。相机5-1安装在X轴电机安装台5-2上，X轴电机5-4驱动相机5-1绕水平轴线转动。X轴电机安装台5-2安装在Z轴电机安装台5-3上；Z轴电机5-5安装在Z轴电机安装台5-3上，用于驱动X轴电机安装台5-2绕竖直轴线转动。Z轴电机安装台5-3固定在主干体4-7的头端。
该水上自驱摄影机器人的使用方法具体如下：
步骤一、把水上自驱摄影机器人放入需要观察的水域，使用者通过上位机与无线通信模块4-1进行无线通信，控制转向电机3-4、针阀控制电机2-1、摄像***和风帆1-1。
步骤二、根据风向，控制风帆1-1的迎风角度，调整到最合适的角度，使水上自驱摄影机器人到达目标观察水域。
步骤三、到达目标水域后，通过控制流速控制模块和动力模块来实现水上自驱摄影机器人位置和角度的微调。具体来讲，针阀控制电机2-1控制节流阀杆开2-2启阀门，异丙醇滴入水上自驱摄影机器人后方的水面，这一部分水体表面张力被改变，和周围的水体形成梯度，周围的水涌向梯度减小的方向，从而推动水上自驱摄影机器人前行；转向电机3-4控制滴管3-1的偏转角度，从而调整水上自驱摄影机器人的前进方向。
步骤四、相机5-1开始对周围生物进行拍摄。

Claims (9)

1.一种水上自驱摄影机器人，包括流速控制模块（2）、动力模块（3）、机身主体（4）、摄像***（5）和两块脚板（1-7）；其特征在于：相互独立的两块脚板（1-7）并排设置，并通过上方的机身主体（4）连接在一起；所述的机身主体（4）包括脚板连接座（4-4）、弹簧减震器（4-5）、连接杆（4-6）和主干体（4-7）；主干体（4-7）与两块脚板（1-7）均通过脚板连接座（4-4）和连接杆（4-6）连接；脚板连接座（4-4）与连接杆（4-6）之间设置有弹簧减震器（4-5）；所述的动力模块包括滴管（3-1）；滴管（3-1）安装在机身主体（4）的尾端且能够在动力元件的驱动下左右摆动；滴管（3-1）的外端设置有朝下的滴头；滴管（3-1）的输入端与固定在主干体（4-7）上的有机试剂存储罐的输出口通过流速控制模块（2）连接；滴管（3-1）的输入端低于有机试剂存储罐的输出端；有机试剂存储罐内存储有有机试剂；所述的摄像***（5）安装在机身主体（4）的头端；
所述的连接杆（4-6）共有四根；四根连接杆（4-6）以两根为一组；两组连接杆（4-6）分别设置在主干体（4-7）两侧；连接杆（4-6）的外端朝下设置，并通过弹簧减震器（4-5）连接有脚板连接座（4-4）；脚板（1-7）的顶面开设有两段圆弧滑槽；该两段圆弧滑槽在同一圆形上；圆弧滑槽的直径等于位于同一脚板（1-7）上的两个脚板连接座（4-4）的中心距；脚板连接座（4-4）的底部设置有圆弧滑槽配合的导向凸块（7）；同一脚板（1-7）上的两个脚板连接座（4-4）底面的导向凸块（7）分别滑动连接在对应脚板（1-7）上的圆弧滑槽中；导向凸块（7）与对应的圆弧滑槽的端部之间连接有复位弹簧（6）；复位弹簧（6）使得导向凸块（7）在初始状态下处于中间位置；导向凸块（7）采用软磁材料；圆弧滑槽的两端均固定有电磁铁（8）；两个电磁铁（8）各自通电时，能够将导向凸块（7）吸引向圆弧滑槽上对应的端部，调整脚板（1-7）与脚板连接座（4-4）的相对位置。
2.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：还包括风力***（1）；所述的风力***包括风帆（1-1）、第一连杆（1-2）、第二连杆（1-11）、横向导向杆（1-10）、第一滑块（1-9）、第二滑块（1-3）、曲柄（1-4）、曲柄电机（1-5）、导轨（1-6）、滑动桅杆和固定桅杆（1-8）；其中一块脚板（1-7）上开设有滑槽；竖直设置的固定桅杆（1-8）固定在滑槽的一端；竖直设置的滑动桅杆滑动连接在滑槽上，且能够在不同位置锁止；
两根第一连杆（1-2）的内端与滑动桅杆的两个不同位置分别转动连接；两个第二连杆（1-11）的一端与两根第一连杆（1-2）的外端分别转动连接；两个第二连杆（1-11）的另一端与导轨（1-6）的两端分别转动连接；水平设置的横向导向杆（1-10）固定在滑动桅杆上；导轨（1-6）上固定有第一滑块（1-9）；第一滑块（1-9）与横向导向杆（1-10）沿水平方向滑动连接；横向导向杆（1-10）的轴向垂直于滑动桅杆；第二滑块（1-3）滑动连接在导轨（1-6）上；曲柄（1-4）的内端与滑动桅杆的中部转动连接；曲柄（1-4）的外端与第二滑块（1-3）转动连接；所述风帆（1-1）的两侧边缘与导轨（1-6）、固定桅杆（1-8）分别固定；曲柄电机（1-5）固定在滑动桅杆上，且输出轴与曲柄（1-4）的内端固定。
3.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的机身主体（4）上安装有无线通信模块（4-1）和电池（4-2）。
4.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的动力模块还包括连接杆（3-2）、转向连接件（3-3）和转向电机（3-4）；两根连接杆（3-2）和两个转向连接件（3-3）依次交替转动连接成平行四边形；两个转向连接件（3-3）分别设置在主干体（4-7）底部的两端；两个转向连接件（3-3）的中部与主干体（4-7）底部的两端分别构成公共轴线竖直设置的转动副；转向电机（3-4）固定在主干体（4-7）底部的头端，且输出轴与位于头端的转向连接件（3-3）的中部固定；主体水平设置的滴管（3-1）的一端与位于尾端的转向连接件（3-3）的中部固定，另一端设置有朝下设置的滴头。
5.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的流速控制模块（2）包括节流阀杆（2-2）和阀体；阀体内设置有试剂流道；节流阀杆（2-2）的底端从上向下伸入试剂流道内；通过调节节流阀杆（2-2）的位置能够改变试剂流道的通流面积；节流阀杆（2-2）在动力元件的驱动下滑动；阀体内的试剂流道的两端与有机试剂存储罐、滴管（3-1）分别连接。
6.根据权利要求5所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的流速控制模块（2）还包括针阀控制电机（2-1）、连接杆（2-3）和摇杆（2-4）；所述的针阀控制电机（2-1）固定在主干体（4-7）上；针阀控制电机（2-1）的输出轴与摇杆（2-4）的内端固定；连接杆（2-3）的一端与摇杆（2-4）的外端转动连接；连接杆（2-3）的另一端与节流阀杆（2-2）的顶端构成球面副。
7.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的摄像***包括相机（5-1）、X轴电机安装台（5-2）、Z轴电机安装台（5-3）、X轴电机（5-4）和Z轴电机（5-5）；相机（5-1）安装在X轴电机安装台（5-2）上；X轴电机（5-4）驱动相机（5-1）绕水平轴线转动；X轴电机安装台（5-2）安装在Z轴电机安装台（5-3）上；Z轴电机（5-5）安装在Z轴电机安装台（5-3）上，用于驱动X轴电机安装台（5-2）绕竖直轴线转动；Z轴电机安装台（5-3）固定在主干体（4-7）的头端。
8.根据权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人，其特征在于：所述的有机试剂采用异丙醇。
9.如权利要求1所述的一种水上自驱摄影机器人的使用方法，其特征在于：把水上自驱摄影机器人放置在目标水域中，两块脚板漂浮在水面上；水上自驱摄影机器人利用动力模块在后方滴出有机溶剂的方式产生推进力；水上自驱摄影机器人靠近目标物体后，使用摄像***进行拍摄。
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