一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人

本发明涉及流体传动与模块化仿生机器人，具体而言，尤其涉及一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人。

背景技术：

1、随着海洋探索向深海及复杂敏感水域推进，水下仿生机器人的推进效率与环境友好性受到广泛关注。现有的波动鳍推进器多采用螺旋桨驱动或电机带动刚性传动机构实现。然而，传统的螺旋桨推进方式在工作时会产生显著的空化噪音与振动，极易干扰精密观测任务或海洋生物生态。而现有的波动鳍机器人多依赖电机配合曲柄连杆或齿轮组进行驱动，这种刚性驱动方案存在传动链条冗长、结构复杂等弊端，且电机及其减速机构在深海高压环境下对动态密封的要求极高，密封失效风险随深度的增加而显著提升。此外，刚性传动缺乏自然的物理柔顺性，在与障碍物碰撞或应对复杂流场时，极易造成机构损坏或推进失稳。

2、另一方面，传统波动鳍机器人的物理框架通常采用既定的刚性一体化设计，其驱动系统与传动连杆的排布往往在制造阶段即已固定。这种“定型化”结构导致机器人无法根据实际作业场景（如狭窄空间穿梭或开阔海域巡航）以及外部负载的变化进行完全模块化扩展。当作业任务对推进功率或鳍面尺度提出新要求时，现有机器人往往需要重新设计整体结构，缺乏尺度可编程性，导致其对多变工作场景的适应性较差。因此，开发一种具备优异深水耐压性、环境相容性、且能够实现完全模块化自由扩展的深海波动鳍机器人，已成为当前海洋工程领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、根据上述提出传统螺旋桨推进空化噪音显著、电机刚性传动链条冗长且深海动密封失效风险高、以及波动鳍机器人缺乏完全模块化扩展能力与尺度可编程性的技术问题，提供一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人。本发明旨在通过引入高力矩密度、高柔顺性的水压人工肌肉作为底层驱动源，结合阵列式模块化的框架结构，构建一种全新的深海柔性推进系统。本发明通过高度集成的充油湿舱结合全局双冗余深海压力补偿系统，实现肌肉的单泵直驱与闭环相位协同控制，可使多个阵列排布的鳍条关节模块产生平滑、连续的空间波动行波，从而生成高效的水下推力并实现复杂机动。这一设计不仅从根本上摒弃了传统电机刚性传动链冗长和液压伺服阀组繁杂的弊端，更依托内外均压的湿舱架构，赋予了机器人在全海深极端高压环境下的优异耐压性与绝缘可靠性。本发明保持了机电液极限紧凑、硬件完全模块化、尺度自由可编程等优势，为深水波动鳍机器人提供了更灵活高效的柔性推力、更出色的低噪隐蔽作业能力以及前所未有的系统级扩展能力。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，包括：多组鳍条模块和双冗余深海压力补偿系统，其中：

4、每组所述鳍条模块，用于通过模块化级联扩展形成柔性波动鳍面，并产生平滑连续的空间波动行波以生成水下推力；每组所述鳍条模块均包括居中布置的液压电气集成充油湿舱、扩展连接框架和对称分布于充油湿舱两侧的水压人工肌肉关节模块，其中：

5、液压电气集成充油湿舱用于为水压人工肌肉关节模块提供独立泵控直驱动力和闭环相位协同控制，内部充满液压绝缘油；

6、扩展连接框架用于实现多组所述鳍条模块沿机体纵向的机械级联固定连接，并承载水压人工肌肉关节模块；

7、水压人工肌肉关节模块用于在泵控水压驱动下产生关节摆动，并通过阵列排布协同形成空间波动行波；

8、所述双冗余深海压力补偿系统，包括主用深海压力补偿组件和备用深海压力补偿组件，其中：

9、主用深海压力补偿组件用于在常规作业工况下对所述液压电气集成充油湿舱的内腔进行动态压力补偿，使内部液压绝缘油压力与外部深海环境压力保持动态均衡；

10、备用深海压力补偿组件用于在主用深海压力补偿组件发生故障或补偿能力达到阈值上限时接替进行动态压力补偿，保障内部电子元器件在全海深环境下的压力环境安全性。

11、进一步地，所述液压电气集成充油湿舱包括液压电气集成组件和湿舱壳体组件，其中：

12、液压电气集成组件浸没于液压绝缘油中，包括齿轮泵、齿轮泵进水接头、齿轮泵进水管路、舱壁进水接头、穿舱进水直通、齿轮泵出水接头、齿轮泵出水管路、舱壁出水接头、穿舱出水直通、舱外出水接头、肌肉进水管路、穿线快拧接头、穿舱电气直通、单片机、单片机垫块、pwm模块、pwm模块垫块、齿轮泵电机驱动器、齿轮泵电机驱动器垫块、齿轮泵垫块、主用压力补偿穿舱直通、主用压力补偿内外丝活接、主用压力补偿四通接头、备用压力补偿穿舱直通、备用压力补偿内外丝活接、备用压力补偿四通接头和备用压力补偿堵头，连接关系如下：

13、齿轮泵通过齿轮泵进水接头与泵体进水管路相连；齿轮泵进水管路通过舱壁进水接头与穿舱进水直通相连；齿轮泵通过齿轮泵出水接头与齿轮泵出水管路相连；齿轮泵出水管路通过舱壁出水接头与穿舱出水直通相连；穿舱出水直通通过舱外出水接头与肌肉进水管路相连，进而与所述水压人工肌肉关节模块相连；穿线快拧接头与穿舱电气直通相连；单片机与单片机垫块连接；单片机与pwm模块电性连接； pwm模块与pwm模块垫块连接； pwm模块与齿轮泵电机驱动器电性连接；齿轮泵电机驱动器与齿轮泵电机驱动器垫块连接；齿轮泵垫块与所述齿轮泵连接；主用压力补偿穿舱直通与主用压力补偿内外丝活接连接；主用压力补偿内外丝活接与主用压力补偿四通接头连接；备用压力补偿穿舱直通通过备用压力补偿内外丝活接与备用压力补偿四通接头连接；备用压力补偿堵头与备用压力补偿四通接头连接；

14、湿舱壳体组件包括湿舱主体、密封垫、湿舱端盖，湿舱主体上设置有舱壁进水通孔、舱壁出水通孔、舱壁电气通孔、主用压力补偿通孔、备用压力补偿通孔、湿舱纵向连接通孔和湿舱横向连接通孔，连接关系如下：

15、湿舱主体与密封垫连接；密封垫与湿舱端盖连接；舱壁进水通孔与穿舱进水直通相连；舱壁出水通孔与穿舱出水直通相连；舱壁电气通孔与穿舱电气直通相连；主用压力补偿通孔与主用压力补偿穿舱直通相连；备用压力补偿通孔与备用压力补偿穿舱直通相连。

16、进一步地，所述扩展连接框架包括连接横梁、关节根部连接板、关节中部连接板、关节连接垫块和扩展连接单元，连接关系如下：

17、连接横梁上设置有连接横梁上表面通孔；关节根部连接板上设置有关节根部连接板第一通孔和关节根部连接板第二通孔；关节中部连接板上设置有关节中部连接板第一通孔和关节中部连接板第二通孔；扩展连接单元上设置有扩展连接单元第一通孔、扩展连接单元第二通孔和扩展连接单元第三通孔；

18、连接横梁通过连接横梁上表面通孔与湿舱横向连接通孔连接；关节根部连接板通过所述关节根部连接板第一通孔与连接横梁两侧内表面连接；关节中部连接板通过关节中部连接板第一通孔与连接横梁两侧内表面连接；扩展连接单元通过扩展连接单元第三通孔与两个关节根部连接板相近的两个关节根部连接板第一通孔连接；扩展连接单元通过扩展连接单元第一通孔与湿舱纵向连接通孔连接；扩展连接单元通过扩展连接单元第二通孔与其他组的鳍条模块连接。

19、进一步地，相邻两组所述鳍条模块中，前一组鳍条模块的扩展连接单元通过扩展连接单元第二通孔与后一组鳍条模块的扩展连接单元通过螺栓实现沿机体纵向的级联固定连接。

20、进一步地，所述水压人工肌肉关节模块包括根部连接部件、摆动关节轴部件、端部连接部件、水压人工肌肉部件和鳍面单元部件，其中：

21、根部连接部件包括根部第一连杆、根部连接轴紧固螺母、根部连接法兰紧固螺母、根部第一连接法兰、根部连接法兰紧固螺栓、根部连接轴、根部第二连接法兰和根部第二连杆；根部第一连杆设置有根部第一连杆根部通孔和根部第一连杆中部通孔；根部第二连杆设置有根部第二连杆根部通孔和根部第二连杆中部通孔，连接关系如下：

22、根部第一连杆分别通过根部第一连杆根部通孔和根部第一连杆中部通孔，经由所述关节连接垫块，与所述扩展连接框架一侧的所述关节根部连接板和所述关节中部连接板连接；根部第二连杆分别通过根部第二连杆根部通孔和根部第二连杆中部通孔，经由所述关节连接垫块，与所述扩展连接框架另一侧的所述关节根部连接板和所述关节中部连接板连接；根部第一连接法兰和根部第二连接法兰开设五个通孔分别放置根部连接法兰紧固螺栓和根部连接轴紧固螺母；根部连接轴紧固螺母将根部连接轴与根部第一连接法兰和根部第二连接法兰连接；根部连接轴紧固螺母、根部连接法兰紧固螺栓以及根部连接法兰紧固螺母分别将根部第一连接法兰和根部第二连接法兰与根部第一连杆和根部第二连杆连接；根部连接轴与水压人工肌肉部件连接；

23、摆动关节轴部件包括扭簧固定螺栓、摆动关节轴紧固螺母、平面推力轴承、轴承垫片、深沟球轴承、摆动关节轴轴套、摆动关节轴和扭簧，连接关系如下：

24、扭簧通过扭簧固定螺栓分别与根部第一连杆、根部第二连杆和端部连接部件连接；摆动关节轴紧固螺母与摆动关节轴的两端连接；平面推力轴承和轴承垫片与摆动关节轴轴套和摆动关节轴同心安装，平面推力轴承的一侧端面与根部第一连杆、根部第二连杆相连，平面推力轴承的另一侧端面与端部连接部件相连；深沟球轴承的外表面和内表面分别与摆动关节轴轴套和摆动关节轴同心配合；摆动关节轴轴套的中心插装摆动关节轴；

25、端部连接部件包括端部第一连杆、端部连接轴紧固螺母、端部连接法兰紧固螺母、端部第一连接法兰、端部连接法兰紧固螺栓、端部连接轴、端部第二连接法兰和端部第二连杆，连接关系如下：

26、端部第一连杆和端部第二连杆从上到下分别开设八个孔位，其中第一个孔位与摆动关节轴同心配合；第二个孔位与扭簧固定螺栓相连；第三个孔位至第八个孔位均与鳍面单元部件连接；端部第一连接法兰和端部第二连接法兰开设五个通孔分别放置端部连接法兰紧固螺栓和端部连接轴紧固螺母；端部连接轴紧固螺母将端部连接轴与端部第一连接法兰和端部第二连接法兰连接；端部连接轴紧固螺母、端部连接法兰紧固螺栓以及端部连接法兰紧固螺母分别将端部第一连接法兰和端部第二连接法兰与端部第一连杆和端部第二连杆连接；端部连接轴与水压人工肌肉部件连接；

27、水压人工肌肉部件包括水压人工肌肉本体、进水接头、根部关节轴承、活螺母接头和端部关节轴承，连接关系如下：

28、进水接头与水压人工肌肉本体的进水端连接；根部关节轴承与进水接头连接；端部关节轴承通过活螺母接头与水压人工肌肉本体的封闭端连接；

29、鳍面单元部件包括鳍面固定块、鳍面单元、带拉头的第一牙链带和第二牙链带，连接关系如下：

30、鳍面固定块设置有鳍面固定块侧向通孔和鳍面固定块底部通孔；鳍面单元设置有鳍面单元通孔；鳍面固定块外侧与所述水压人工肌肉关节模块连接；鳍面固定块与鳍面单元连接；带拉头的第一牙链带与鳍面单元的一侧缘连接；第二牙链带与鳍面单元的另一侧缘连接。

31、进一步地，相邻两组所述鳍条模块中，前一所述鳍面单元边缘处的所述带拉头的第一牙链带与后一所述鳍面单元边缘处的所述第二牙链带通过机械啮合结构实现纵向级联。

32、进一步地，所述主用深海压力补偿组件包括主用深海压力补偿器、主用压力补偿三通堵头、主用压力补偿连接三通和主用油路软管，连接关系如下：

33、主用深海压力补偿器通过主用油路软管与主用压力补偿四通接头连接；主用压力补偿连接三通与主用油路软管连接；主用压力补偿三通堵头与位于两侧最外缘的主用压力补偿连接三通连接。

34、进一步地，所述备用深海压力补偿组件包括备用深海压力补偿器、备用压力补偿三通堵头、备用压力补偿连接三通和备用油路软管，连接关系如下：

35、备用深海压力补偿器通过备用油路软管与备用压力补偿四通接头连接；备用压力补偿连接三通与备用油路软管连接；备用压力补偿三通堵头与位于两侧最外缘的备用压力补偿连接三通连接。

36、进一步地，所述穿舱进水直通、所述穿舱出水直通、所述穿舱电气直通、所述主用压力补偿穿舱直通和所述备用压力补偿穿舱直通分别对应密封穿设于所述舱壁进水通孔、所述舱壁出水通孔、所述舱壁电气通孔、所述主用压力补偿通孔和所述备用压力补偿通孔内。

37、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

38、1、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，以高力矩密度的水压人工肌肉作为柔性执行单元替代传统刚性机械传动，具备优异的物理柔顺性与深海耐压性；同时肌肉内部以水为工作介质，消除了传统液压油的泄漏污染风险，实现了与海洋生态环境的完全相容。

39、2、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，通过液压电气集成充油湿舱将齿轮泵、电气控制组件高度集成于内部，并配合全局设置的双冗余深海压力补偿系统进行动态均压，使得机电液系统达到极限紧凑的同时，大幅减少了传统深水推进器的厚壁耐压壳体与动密封环节，极大提升了系统在深水高压环境下的长期运行可靠性。

40、3、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，采用无阀泵控直驱技术，通过齿轮泵的正反向旋转直接实现水压人工肌肉的充排水与容积式精确调速，使得系统彻底摆脱了传统液压庞杂的伺服阀组与复杂的回水管路网络，显著降低了底层驱动机构的复杂度与能量损耗。

41、4、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，通过扩展连接框架间的首尾机械拼接，使得多组鳍条模块能够实现纵向尺度上的自由级联扩展；系统无需重新设计整体结构，即可灵活匹配不同空间大小和外部推力负载的作业需求，具备极强的硬件尺度可编程性。

42、5、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，通过在鳍面单元侧缘设置相互配合的牙链带并结合热合固定工艺，使得大面积柔性波动鳍面既具备了伴随关节模块同步级联扩展的快速拆装能力，又有效保障了深水交变受力下的结构整体性。

43、6、本发明提供的一种泵控水压人工肌肉直驱的深海可扩展波动鳍机器人，通过舱内的独立微控制器对多对齿轮泵进行闭环相位驱动控制，使得机体两侧离散排布的柔性鳍面能够产生平滑、连续的空间波动行波，实现了机器人高效率的前向推进、后退以及灵活精准的转向机动。