基于鱿鱼的仿生水下机器人的制作方法

1.本发明涉及仿生水下机器人技术领域，特别涉及一种基于鱿鱼的仿生水下机器人。


背景技术：

2.近年来，在无人机科技的发展带动之下，水下机器人产品也开始成为了热门科技领域，并且相关的产品技术在资源调查取样、打捞和军事应用等方面起到了重要作用。在一些科技展会上，各式各样的水下机器人，不仅展示了其先进的技术，也体现了水下机器人发展的潜能和后劲。因此，水下机器人可以很好的为人类探索海洋、为海洋资源开发做出巨大贡献。目前来看，探测类水下机器人有着更为广阔的用途与应用市场。
3.哈尔滨工业大学在《仿生墨鱼机器人及其关键技术研究》中记载的仿生墨鱼机器人，是利用sma形状记忆合金来实现主要运动，用于驱动墨鱼鳍、喷射水囊和喷水口。墨鱼鳍处为一种仿生三角鳍推进器，用作驱动的sma丝在其前缘上下面，通过通电分别加热上下的sma来实现向上或向下弯曲摆动；喷射水囊利用硅胶作为外套膜，可起到绝缘的作用，将sma材料插入里面，sma丝通电加热收缩时能带动仿生外套膜开口端沿圆周方向收缩，使水囊收紧增大囊内压力，到达一定压力时，喷嘴处的舌瓣将会打开，以高压喷出水作为墨鱼前进动力，然后利用硅胶本身的弹性使外套膜舒张，进行负压吸水。在硅胶喷嘴处利用三根sma丝实现半球任意角度弯曲，仿生舌瓣为有弹性的塑料片，通过水囊内部的正负压实现开闭。
4.但是，水温对于形状记忆合金的加热和散热速度影响非常大，因此墨鱼机器人在不同的水下环境所产生的运动效果将会不同，控制方面的要求也会因为环境水温的变化而变化，不够灵活。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种基于鱿鱼的仿生水下机器人，减小环境对机体的影响，实现机体推进功能并且能进行多次连续喷射。
6.根据本发明实施例的基于鱿鱼的仿生水下机器人，包括喷射部分，其中，所述喷射部分包括首尾设置的基座和底座，所述基座和所述底座之间设置有外套膜，所述外套膜内成型有腔室，所述基座设置有连通所述腔室的进水通道，所述底座设置有出水口；以及伞骨部件，所述伞骨部件设置在所述腔室内，所述伞骨部件包括丝杆、绕所述丝杆圆周分布的多个第一连杆结构，所述第一连杆结构设置有第一撑伞骨，所述丝杆旋有与所述第一连杆结构连接的第一滑动螺母，所述丝杆通过驱动所述第一滑动螺母移动以带动所述第一连杆结构运动，从而使所述第一连杆结构带动所述第一撑伞骨撑开以涨开所述外模套，或带动各所述第一撑伞骨回缩以复位所述外模套。
7.在可选或优选的实施例中，所述第一连杆结构包括依次铰接的第一杆、第二杆以及第三杆，所述第一杆首端与所述基座铰接，所述第三杆首端与所述基座铰接，所述第一滑
动螺母通过连接杆与所述第一连杆结构连接，以带动所述第一连杆结构运动，所述第三杆尾端延伸以形成所述第一撑伞骨。
8.在可选或优选的实施例中，所述伞骨部件还包括绕所述丝杆圆周分布的多个第二连杆结构，各所述第一连杆结构位于所述腔室首部，各所述第二连杆结构位于所述腔室尾部，所述第二连杆结构设置有第二撑伞骨，所述丝杆旋有与所述第二连杆结构连接的第二滑动螺母，所述丝杆通过驱动所述第二滑动螺母移动以带动所述第二连杆结构运动，从而使所述第二连杆结构带动所述第二撑伞骨撑开以涨开所述外模套，或带动各所述第二撑伞骨回缩以复位所述外模套。
9.在可选或优选的实施例中，所述第二连杆结构包括相互铰接的第四杆和第五杆，所述第四杆一端与所述第五杆铰接，另一端与所述第二滑动螺母铰接，所述第五杆尾端与所述底座铰接，所述第五杆首端延伸以形成所述第二撑伞骨，所述第二滑动螺母通过所述第四杆带动所述第二撑伞骨动作。
10.在可选或优选的实施例中，所述基座安装有用于驱动所述丝杆转动的电机，所述丝杆转动以带动所述第一滑动螺母和所述第二滑动螺母从尾端朝首端移动，从而使所述第一撑伞骨和第二撑伞骨均撑开以涨开所述外模套，或带动所述第一滑动螺母和所述第二滑动螺母从首端朝尾端移动，从而使所述第一撑伞骨和第二撑伞骨均回缩以复位所述外模套。
11.在可选或优选的实施例中，所述基于鱿鱼的仿生水下机器人还包括壳体部分，所述壳体部分包括首部壳体、主体壳体以及尾部壳体，所述首部壳体罩在所述基座上，所述主体壳体连接在所述基座和所述底座之间，所述外模套位于所述主体壳体内，所述尾部壳体罩在所述底座上。
12.在可选或优选的实施例中，所述进水通道的进口朝向侧边，所述基座在位于所述进水通道的出口处设置有阀门盖，以防止所述腔室内的水回流至所述进水通道。
13.在可选或优选的实施例中，所述出水口朝向尾部，并连接有喷嘴，所述喷嘴位于所述尾部壳体内，所述喷嘴内设置有单向阀，以防止外部的水回流至所述腔室。
14.在可选或优选的实施例中，所述基于鱿鱼的仿生水下机器人还包括安装在所述首部壳体的鱼鳍部分，所述鱼鳍部分包括两个方向舵，所述方向舵包括舵机以及连接在所述舵机的转动轴上的舵浆，两个所述舵机位于所述首部壳体内，两个所述舵浆位于所述首部壳体外部两侧，以控制转向。
15.基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，通过设计伞骨部件，执行吸水动作，丝杆转动可以带动第一滑动螺母移动，进而带动第一连杆结构运动，第一连杆结构上的第一撑伞骨撑开，从而涨开外模套，外模套被涨开后，腔室的内部水压降低，进水通道进水；执行喷射动作时，丝杆转动可以带动第一滑动螺母反向移动，通过第一连杆结构来带动第一撑伞骨回缩，从而使外模套复位，腔室的内部的水从出水口喷出，完成喷射动作；第一滑动螺母在丝杆的行程有限制，第一撑伞骨运动范围也有限制，无法排除外模套内部腔室的水，能准确模拟鱿鱼喷射动作，上述的吸水动作和喷射动作反复动作，可实现连续喷射，由于采用的伞骨部件均为结构件，不会因为水温而影响运动效果，进一步提高仿生效果。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
17.图1是本发明实施例的透视图；
18.图2是本发明实施例的正视图，其中，未出示鱼鳍部分；
19.图3是本发明实施例的剖视图，其中，未出示鱼鳍部分；
20.图4是本发明实施例中喷射部分的正视图；
21.图5是本发明实施例中喷射部分的透视图，其中，未出示第一连杆结构和第二连杆结构；
22.图6是本发明实施例中喷射部分的剖视图，其中，未出示第一连杆结构和第二连杆结构；
23.图7是本发明实施例中基座的透视图；
24.图8是本发明实施例中底座的透视图；
25.图9是本发明实施例中尾部壳体与喷嘴装配的剖视图；
26.图10是本发明实施例中喷嘴的剖视图；
27.图11是本发明实施例中鱼鳍部分的示意图一；
28.图12是本发明实施例中鱼鳍部分的示意图二；
29.图13是本发明实施例中运动控制部分的湿度传感器和主板的接线电路图；
30.图14是本发明实施例中运动控制部分的陀螺仪和主板的接线电路图；
31.图15是本发明实施例中运动控制部分的舵机、舵机驱动板和主板的接线电路图；
32.图16是本发明实施例中运动控制部分的无线通讯模块和主板的接线电路图；
33.图17是本发明实施例中运动控制部分的电机、电机驱动板模块、主板和电源的接线电路图；
34.图18是本发明实施例中运动控制部分的输出信号与舵机输出轴角度的关系示意图。
具体实施方式
35.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
37.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
38.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。
39.参照图1至图12，一种基于鱿鱼的仿生水下机器人，包括喷射部分200，其中，喷射部分200包括基座211、底座261以及伞骨部件。
40.参照图4，基座211和底座261首尾设置，基座211和底座261之间设置有外套膜，外套膜未予以图示，外套膜内成型有腔室，基座211设置有连通腔室的进水通道212，底座261设置有出水口262。
41.具体的，基座211的进水通道212共设两个，且进水通道212的进口朝向侧边，基座211在位于进水通道212的出口处设置有阀门盖213，以防止腔室内的水回流至进水通道212。出水口262朝向尾部，并连接有喷嘴271，喷嘴271内设置有单向阀272，以防止外部的水回流至腔室，如图7所示。可以理解的是，喷射部分200执行吸水动作时，外模套涨开，外部的水从两侧经进水通道212流进腔室内，此时，单向阀272关闭，水无法从单向阀272进入腔室内，只能从喷射部分的基座211的进水通道212进入，可防止机器人倒退；喷射部分200执行喷射动作时，单向阀272打开，外模套复位，腔室的内部的水从尾部的出水口经喷嘴271喷出，基于鱿鱼的仿生水下机器人前进，此时，进水通道212的出口处的阀门盖213能防止腔室内的水回流至进水通道212，上述的吸水动作和喷射动作反复动作，可实现连续喷射。本实施例中，由于喷嘴271内设置有单向阀272，可以进一步确保水流的单向流动。
42.参照图4至图6，伞骨部件设置在腔室内，伞骨部件包括丝杆223、绕丝杆223圆周分布的多个第一连杆结构230，本实施例中，第一连杆结构230共设六个并均匀圆周分布。具体的，第一连杆结构230设置有第一撑伞骨234，丝杆223旋有与第一连杆结构230连接的第一滑动螺母225，丝杆223通过驱动第一滑动螺母225移动以带动第一连杆结构230运动。具体而言，第一连杆结构230包括依次铰接的第一杆231、第二杆232以及第三杆233，第一杆231首端与基座211铰接，第三杆233首端与基座211铰接，第三杆233尾端延伸以形成第一撑伞骨234，第一滑动螺母225通过连接杆235与第一连杆结构230连接。
43.可以理解的时，丝杆223驱动第一滑动螺母225移动，可以带动第一连杆结构230运动，从而使第一连杆结构230带动第一撑伞骨234撑开以涨开外模套，或带动各第一撑伞骨234回缩以复位外模套。本实施例中，当执行吸水动作时，丝杆223转动，第一滑动螺母225从尾端朝首端移动，第一滑动螺母225通过连接杆235驱动第一连杆结构230动作，第一连杆结构230结构为四连杆结构，此时，第三杆233尾端朝外侧旋动，即第一撑伞骨234撑开外模套，具体动作方向可参照图4所示，本领域技术人员可以根据具体结构，设计第一连杆结构230各杆长度来控制第一撑伞骨234运动幅度；当执行喷射动作时，丝杆223转动，第一滑动螺母225从首端朝尾端移动，第一滑动螺母225通过连接杆235驱动第一连杆结构230动作，此时，第三杆233尾端朝内侧旋动，即第一撑伞骨234回缩，外模套复位。
44.在其中的一个实施例中，伞骨部件还包括绕丝杆223圆周分布的多个第二连杆结构240，各第一连杆结构230位于腔室首部，各第二连杆结构240位于腔室尾部，第二连杆结构240设置有第二撑伞骨243，丝杆223旋有与第二连杆结构240连接的第二滑动螺母226，丝杆223通过驱动第二滑动螺母226移动以带动第二连杆结构240运动。具体而言，第二连杆结构240包括相互铰接的第四杆241和第五杆242，第四杆241一端与第五杆242铰接，另一端与第二滑动螺母226铰接，第五杆242尾端与底座261铰接，第五杆242首端延伸以形成第二撑伞骨243。
45.可以理解的是，丝杠223驱动第二滑动螺母226移动，可以带动第二连杆结构240运动，即通过第四杆241带动第五杆242动作，进一步带动第二撑伞骨243动作，从而使第二连杆结构240带动第二撑伞骨243撑开以涨开外模套，或带动各第二撑伞骨243回缩以复位外模套。本实施例中，当执行吸水动作时，丝杆223转动，第二滑动螺母226从尾端朝首端移动，第二滑动螺母226通过驱动第二连杆结构240动作，第五杆242首端朝外侧旋动，即第二撑伞骨243撑开外模套，具体动作方向可参照图4所示，本领域技术人员可以根据具体结构，设计第二连杆结构240各杆长度来控制第二撑伞骨243运动幅度；当执行喷射动作时，丝杆223转动，第二滑动螺母226从首端朝尾端移动，第二滑动螺母226通过驱动第二连杆结构240动作，此时，第五杆242尾端朝内侧旋动，即第二撑伞骨243回缩，外模套复位。
46.如图5所示，基座211安装有用于驱动丝杆223转动的电机221，电机211采用减速电机，当执行吸水动作时，丝杆223转动以带动第一滑动螺母225和第二滑动螺母226从尾端朝首端移动，从而使第一撑伞骨234和第二撑伞骨243均撑开以涨开外模套，当执行喷射动作时，丝杆223转动以带动第一滑动螺母225和第二滑动螺母226从首端朝尾端移动，从而使第一撑伞骨234和第二撑伞骨243均回缩以复位外模套。
47.另外，参照图6和图8，丝杆223和电机221之间用梅花联轴器222连接，靠近梅花联轴器222一侧设有防水轴承，并固定在基座211的中心孔内，丝杆223尾端固定在底座上的卧式轴承座224上。
48.本实施例中，由于采用的伞骨部件均为结构件，不会因为水温而影响运动效果，且第一滑动螺母和第二滑动螺母在丝杆的行程有限制，第一撑伞骨和第二撑伞骨的运动范围也有限制，无法排除外模套内部腔室的水，能准确模拟鱿鱼喷射动作，上述的吸水动作和喷射动作反复动作，可实现连续喷射。并且，具有弹性的橡胶制的外套膜包裹在伞骨部件外侧，一端由固定环固定在基座侧面，一段粘连在底座侧面，具有完全密闭的特性。在各第一撑伞骨和第二撑伞骨撑开或者收缩的时候，橡胶的外套膜会跟随膨胀或者收缩。
49.为使基于鱿鱼的仿生水下机器人的结构更加稳定，基于鱿鱼的仿生水下机器人还包括壳体部分，壳体部分包括首部壳体101、主体壳体102以及尾部壳体103，首部壳体101罩在基座211上，主体壳体102连接在基座211和底座261之间，外模套位于主体壳体102内，尾部壳体103罩在底座261上。本实施例中，首部壳体101均采用对半结构，通过螺钉紧固，具有完全密闭的特性，本领域技术人员可根据相应结构设计密封圈，首部壳体101由左右两部分合并而成，内侧设有卡槽，能够放置开发电路板，其中一部分壳体内侧设有电机的固定座。主体壳体102呈梭形，由左右两部分合并而成，通过螺钉紧固，整体呈均匀圆周分布的栅栏状，不具备密闭性，主要负责连接主体壳体102和尾部壳体103以及保护喷射部分200的作用，主体壳体102内的其中一个部件内侧设计了走线槽，本实施例中，电池设置在尾部壳体103内，控制系统设置在首部壳体101内，电池给控制系统供电的线路，由首部壳体101，经过主体壳体102并延伸到尾部壳体103，在经过主体壳体102内部时可固定在走线槽处。尾部壳体103呈漏斗形，是一个整体，负责保护喷嘴271和电池，喷嘴271位于尾部壳体103内。
50.基于鱿鱼的仿生水下机器人还包括安装在首部壳体101的鱼鳍部分300，鱼鳍部分300包括两个方向舵310，方向舵310包括舵机311以及连接在舵机311的转动轴312上的舵浆313，两个舵机311位于首部壳体101内，两个舵浆313位于首部壳体101外部两侧，以控制转向。进一步的，首部壳体101设置有供舵机311安装的舵机架314。可以理解的时，两侧的舵机
311带动舵桨313转动，舵桨313的不同朝向使机器人前行过程两侧受到的阻力不同，进而达到转向的效果。
51.基于鱿鱼的仿生水下机器人还包括运动控制部分，结合图13至图18，运动控制部分主要可分为三个子功能层：决策层，执行层和信息采集与交换层。其中，决策层包含两部分，一是内嵌在mcu中控制本发明以默认状态(直行前进)运动的指令；二是使用者通过上位机，给本发明发送的运动指令。执行层包含电机、舵机及其驱动模块。信息采集与交换层包含无线通信模块及湿度传感器。
52.本发明所使用到的电子元器件如下表所示。
[0053][0054]
在默认状态下，驱动丝杆转动的电机以180rpm的速度先正转2s，使伞骨部件打开，完成吸水动作，再反转2s，使伞骨部件收缩，排出腔室内的水，完成一次完整的喷射。若没有人为发送运动指令，且湿度传感器收集得到的信息显示鱿鱼密封的腔室的内部状况良好，则机器人重复上述动作，在水中保持直行前进状态。
[0055]
本发明还可通过上位机对机器人实现远程控制。本发明所使用的通信模块工作频段为425
‑
525mhz，能有效抵抗水下信号衰减问题，实现空气与水之间的跨介质通信。通过在上位机处连接在一块型号相同的通信模块，使用者可在上位机处输入指令，改变控制丝杆运动的电机的速度、转向以及转动时间；改变控制鱼鳍部分的舵机的角度，来使机器人实现转向运动。同时，使用者也能在上位机处实时查看到机器人上搭载的湿度传感器采集到的信息。单片机正常工作情况下，不会产生较大的温度变化。机器人也不会产生大量的热，以至于大幅度升高水温。机器人水下环境温度相对稳定，自身温度相对稳定，电机等电子元器件正常工作。机器人壳体部分的材料为光敏树脂，电子元器件位于机器人内部密闭空间内，一定范围内的水温变化基本不会影响电子元器件的正常工作。
[0056]
本实施例中，喷射部分通过丝杆传动第一连杆结构和第二连杆结构的运动实现腔室内水的吸入和排出。壳体部分整体呈梭形，起到支撑和保护的作用。出水口处的喷嘴实现水流的单向流动，与喷射部分协同作用实现机器人的喷射推进。鱼鳍部分中，两个舵机控制饼状的舵浆，实现机器人方向的控制。运动控制部分，则控制机器人实现基本的水下运动。
[0057]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。