扑翼发电驱动一体的海洋机器人及工作方法与流程

本发明涉及新能源和水下机器人领域，具体地，涉及扑翼发电驱动一体的海洋机器人及工作方法。

背景技术：

目前的水下机器人(rov)由电缆供电，航行距离被严重限制，而自带电池的水下无人航行器(auv)则由于电池容量的限制，难以长时间工作，容易出现续航能力不足的问题。

专利文献cn107323637a提供了一种水下机器人，包含机身、浮力机构以及动力机构；浮力机构、动力机构安装在机身上；浮力机构包含配重块与浮力块，配重块与浮力块共同调节浮力机构在水中的浮力；动力机构包含多个推进器，多个推进器能够同时运行或部分运行。

专利文献cn111634399a提供了一种水下机器人，包括：主体；设置于主体上的具有固定体积的第一气体容器；设置于主体上的体积可变的第二气体容器；连通第一气体容器和第二气体容器的通道；用于控制通道开闭的开关元件；当开关元件处于关闭时，通道关闭，第一气体容器和第二气体容器不发生气体流动，第二气体容器的体积恒定不变；当开关元件处于开启状态时，通道打开，第一气体容器的气体流向第二气体容器，以使得第二气体容器的体积增大。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种扑翼发电驱动一体的海洋机器人及工作方法。

根据本发明提供的一种扑翼发电驱动一体的海洋机器人，包括：机身、可折展扑翼、传动机构、电机和尾鳍；

所述机身两侧安装所述可折展扑翼，所述机身末端安装所述尾鳍，所述机身内部安装所述传动机构和所述电机，所述可折展扑翼和所述尾鳍通过所述传动机构连接所述电机；

当机器人处于发电模式，所述可折展扑翼通过波浪激励力作用实现往复摆动并通过所述传动机构带动所述电机转动，所述电机发电；

当机器人处于运动模式，所述电机输出电压信号并通过所述传动机构带动所述可折展扑翼和所述尾鳍摆动，所述机器人通过所述可折展扑翼和所述尾鳍摆动实现运动。

优选地，所述传动机构包括：联轴器、第一转动块、圆柱滑块、转轴、丝杠、步进电机和齿轮变速箱；

所述电机与所述齿轮变速箱一侧通过齿轮啮合连接，所述齿轮变速箱另一侧通过所述联轴器连接所述第一转动块一侧，所述第一转动块另一侧连接所述转轴一端，所述第一转动块相对所述机身上下转动；

所述联轴器、所述第一转动块和所述转轴设置有两组并安装在所述机身内部两侧，两个所述第一转动块之间固定安装所述步进电机一端，所述步进电机另一端连接所述丝杠一端，所述丝杠与两个所述转轴平行并安装在两个所述转轴之间；

所述圆柱滑块与两个所述转轴滑配连接，所述圆柱滑块连接所述转轴处设置第二转动块，所述第二转动块相对所述转轴上下转动，所述丝杠导入所述圆柱滑块中间并带动所述圆柱滑块沿所述丝杠轴向做直线运动。

优选地，所述可折展扑翼包括：浮力块、连杆、柔性薄膜和薄膜支撑条；

所述连杆一端连接所述机身，所述连杆另一端连接所述薄膜支撑条，所述连杆和所述薄膜支撑条之间设置多块所述柔性薄膜，所述连杆下侧安装所述浮力块；

所述可折展扑翼设置有两个。

优选地，所述连杆包括：第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件和第五杆件；

所述第一杆件一端转动连接所述第一转动块，所述第一杆件另一端转动连接所述第二杆件一端，所述第二杆件另一端转动连接所述第三杆件一端，所述第三杆件安装多个所述薄膜支撑条，所述第一杆件腰部转动连接所述第四杆件一端，所述第四杆件另一端连接所述圆柱滑块，所述第四杆件腰部连接所述第五杆件一端。

优选地，所述第一杆件、所述第二杆件、所述第三杆件、所述第四杆件、所述第五杆件和所述薄膜支撑条之间安装多块所述柔性薄膜。

优选地，所述尾鳍连接所述丝杠与两个所述转轴。

优选地，所述尾鳍包括：舵机和连接块；

所述舵机安装两个所述连接块，所述连接块通过所述舵机摆动。

优选地，所述机身上侧安装盖板。

优选地，所述柔性薄膜通过碳纤维仿生鳍条制成，所述尾鳍采用橡胶板材质。

本发明还提供一种所述扑翼发电驱动一体的海洋机器人的工作方法：

当处于发电模式，所述可折展扑翼通过波浪激励力产生相应的往复摆动并带动所述第一转动块和所述第二转动做相同摆动，第一转动块与所述转轴固定连接，所述转轴通过所述联轴器和所述齿轮变速箱带动所述电机旋转发电；

所述可折展扑翼根据波浪周期大小通过所述连杆和所述圆柱滑块相应地调节展开尺寸；

当处于运动模式，所述步进电机带动所述丝杠转动，所述圆柱滑块通过所述丝杠沿所述转轴轴线方向移动，所述第四杆件连接所述圆柱滑块一端通过所述圆柱滑块移动并推动所述可折展扑翼伸缩，所述柔性薄膜通过所述可折展扑翼伸缩增加与水的接触面积并提高推进效率，所述连接块通过所述舵机上下摆动并改变机器人的俯仰角度，机器人通过控制所述尾鳍和所述可折展扑翼的摆动频率和幅度实现前进、俯仰和转向运动。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所提供的扑翼发电驱动一体的海洋机器人，不仅可通过波浪能发电为航行器提供能源，而且可以主动驱动扑翼进行运动，驱动和发电一体化。

2、该海洋机器人具有波浪能利用效率高，运动阻力小，能量利用效率高的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本装置吸收波浪能时的立体结构示意图；

图2为本装置水下运动时的立体结构示意图；

图3为本装置内部结构俯视图；

图4为尾鳍立体结构示意图；

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种扑翼发电驱动一体的海洋机器人，包括：机身1、可折展扑翼、传动机构、电机8和尾鳍4；机身1两侧安装可折展扑翼，机身1末端安装尾鳍4，机身1内部安装传动机构和电机8，可折展扑翼和尾鳍4通过传动机构连接电机8；当机器人处于发电模式，可折展扑翼通过波浪激励力作用实现往复摆动并通过传动机构带动电机8转动，电机8发电；当机器人处于运动模式，电机8输出电压信号并通过传动机构带动可折展扑翼和尾鳍4摆动，机器人通过可折展扑翼和尾鳍4摆动实现运动。

如图3和图4所示，传动机构包括：联轴器9、第一转动块10、圆柱滑块11、转轴12、丝杠13、步进电机14和齿轮变速箱15；电机8与齿轮变速箱15一侧通过齿轮啮合连接，齿轮变速箱15另一侧通过联轴器9连接第一转动块10一侧，第一转动块10另一侧连接转轴12一端，第一转动块10相对机身1上下转动；联轴器9、第一转动块10和转轴12设置有两组并安装在机身1内部两侧，两个第一转动块10之间固定安装步进电机14一端，步进电机14另一端连接丝杠13一端，丝杠13与两个转轴12平行并安装在两个转轴12之间；圆柱滑块11与两个转轴12滑配连接，圆柱滑块11连接转轴12处设置第二转动块，第二转动块相对转轴12上下转动，丝杠13导入圆柱滑块11中间并带动圆柱滑块11沿丝杠13轴向做直线运动。可折展扑翼包括：浮力块2、连杆3、柔性薄膜5和薄膜支撑条6；连杆3一端连接机身1，连杆3另一端连接薄膜支撑条6，连杆3和薄膜支撑条6之间设置多块柔性薄膜5，连杆3下侧安装浮力块2；可折展扑翼设置有两个。尾鳍4连接丝杠13与两个转轴12；尾鳍4包括：舵机16和连接块17；舵机16安装两个连接块17，连接块17通过舵机16摆动；机身1上侧安装盖板7；柔性薄膜5通过碳纤维仿生鳍条制成，尾鳍4采用橡胶板材质。

如图2所示，连杆3包括：第一杆件31、第二杆件32、第三杆件33、第四杆件34和第五杆件35；第一杆件31一端转动连接第一转动块10，第一杆件31另一端转动连接第二杆件32一端，第二杆件32另一端转动连接第三杆件33一端，第三杆件33安装多个薄膜支撑条6，第一杆件31腰部转动连接第四杆件34一端，第四杆件34另一端连接圆柱滑块11，第四杆件34腰部连接第五杆件35一端。第一杆件31、第二杆件32、第三杆件33、第四杆件34、第五杆件35和薄膜支撑条6之间安装多块柔性薄膜5。

本发明还提供一种扑翼发电驱动一体的海洋机器人的工作方法：

当处于发电模式，可折展扑翼通过波浪激励力产生相应的往复摆动并带动第一转动块10和第二转动做相同摆动，第一转动块10与转轴12固定连接，转轴12通过联轴器9和齿轮变速箱15带动电机8旋转发电；可折展扑翼根据波浪周期大小通过连杆3和圆柱滑块11相应地调节展开尺寸；

当处于运动模式，步进电机14带动丝杠13转动，圆柱滑块11通过丝杠13沿转轴12轴线方向移动，第四杆件34连接圆柱滑块11一端通过圆柱滑块11移动并推动可折展扑翼伸缩，柔性薄膜5通过可折展扑翼伸缩增加与水的接触面积并提高推进效率，连接块17通过舵机16上下摆动并改变机器人的俯仰角度，机器人通过控制尾鳍4和可折展扑翼的摆动频率和幅度实现前进、俯仰和转向运动。

实施例2作为实施例1的优选例。

实施例2

如图1、图2和图3所示，一种扑翼发电驱动一体的海洋机器人，共有两种形态：图1所示的波浪捕获形态和图2所示的水下运动形态；包括可折展扑翼、机身1、传动机构、电机8、尾鳍4，其中，可折展扑翼由铰接连杆3和柔性薄膜5构成，机身1与可折展扑翼通过圆柱滑块11连接，圆柱滑块11通过丝杠13导轨由步进电机14驱动实现轴向运动，传动机构与电机8连接，尾鳍4由两个舵机16分别驱动，可折展扑翼在波浪激励力作用下实现往复摆动，经传动机构带动电机8转动，实现发电。电机8在机器人运动模式下作为电动机输出电压信号，带动可折展扑翼往复摆动，实现海洋机器人运动。

可折展扑翼与海洋机器人机身1通过转轴12连接，转轴12通过联轴器9与齿轮变速箱15连接，齿轮变速箱15另一端连接电机8，带动电机8高速旋转；可折展扑翼由连杆3和柔性薄膜5组成，柔性薄膜5由碳纤维的仿生鳍条所制成，以提高可折展扑翼的整体刚度；尾鳍4由橡胶板制成，与舵机16连接，位于海洋机器人的后部。

由连杆3和柔性薄膜5组成的可折展扑翼受到波浪激励后将产生相应的往复摆动，从而带动第一转动块10和圆柱滑块11做相同摆动，第一转动块10与转轴12固连，转轴12的运动经过联轴器9和齿轮变速箱15带动电机8旋转，从而使电机8发电。

步进电机14带动丝杠13转动，从而使得圆柱滑块11沿转轴12轴线方向移动，使得可折展扑翼收缩，并增大柔性薄膜5与水的接触面积，提高推进效率。连接块17经过舵机16上下摆动，改变机器人的俯仰角度，通过控制尾鳍4和可折展扑翼的摆动频率和幅度实现水下机器人的前进、俯仰和转向运动。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。