一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人。


背景技术：

2.随着我国海洋资源的开发逐渐增加，周边军事安全的地位不断提高，其作业和任务要求变得越加复杂，需要能在跨介质、复杂环境下完成任务的机器人。水陆两栖机器人既能适应陆地和近海滩涂的多变地形，又能适应复杂水下环境的两栖环境，能够执行人类无法完成的近海域多种作战任务和探测任务。
3.传统的水下机器人，如有缆遥控水下机器人，机器人的螺旋桨容易被渔网、海草缠绕，不利于机器人的正常作业；同时螺旋桨旋转产生空泡，引起机体振动，产生较大的空化噪声，不适合于执行隐蔽性较强的侦察任务；在执行海底资源探测时，螺旋桨易于搅起泥沙，导致视线模糊，不利于观察具体情况。又如喷水式的水下机器人，其机械传动机构复杂，体积庞大且低速情况下推进效率甚至低于螺旋桨推进器。在仿生鱼机器人领域中，分为身体尾鳍摆动推进方式和中鳍/对鳍推进方式，然而采用仿生身体尾鳍摆动推进方式的仿生机器人很难实现原地打转和后退游动以及陆上行动等实际上经常需要用到的功能。
4.针对上述问题，一个很好的解决方案就是采用一种对鳍推进方式的新型仿生机器人。舵机驱动的波动鳍作为推进器，使整体运动模式多样化，可以在水中完成各种基础运动以及复合运动，也可以在陆地上行驶。其外壳呈流线型。每段鳍面由多个舵机进行驱动，在水中时，通过鳍条的上下摆动，令鳍面近似拟合正弦波波动，从而推动整体前进或后退；在陆地上时，鳍条下摆，也可通过拟合正弦波，做类似蛇的蜿蜒运动从而前进或后退。当两端鳍条摆动速度产生差异时，产生不同速率的正弦波，导致两端推动力不同，从而实现转弯运动。在水中时，通过鳍条的同步摆动，亦可实现其上浮或下沉，其本身具有较强的机动能力以及稳定性，不仅能够在复杂水下环境自由穿梭，并且其身姿态基本不发生改变，非常适用于需要保持平台稳定的航行器使用，推进效率可以达到90％，使其具备了隐蔽性、稳定性、地形适应性和高效性四个主要特点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种水陆两栖适应性强、水下探测稳定性好、推进效率高的水陆两栖仿生鱿鱼机器人。
6.本发明技术方案如下：
7.设计一种仿生鱿鱼机器人，包括机器人主体和柔性波动鳍推进单元，所述主体包括密封主体两侧对称分布有仿生波动鳍推进单元，两侧各留有一排舵机安装口；所述仿生波动鳍推进单元左右两侧结构相同；所述的柔性波动推进单元包括仿生型柔性波动鳍鳍面和波动鳍动力源；所述的波动鳍动力源采用多个sg5010舵机串列摆动，舵机通过舵机安装板安装在主体两侧的每一个舵机安装口处；所述的柔性波动鳍面安装在主体两侧，每一侧的柔性波动鳍面与该侧各舵机的输出端通过连杆机构连接；所述的主体内还设有头部舱和
身体舱，身体舱填充eva发泡浮力材，头部舱内搭载有测量设备，内置水下摄像头；所述的头部舱内置传感器、声呐、32位的arduino芯片，该芯片作为主控芯片，控制舵机的摆动频率、摆动波长和摆动幅度，使柔性波动鳍摆动做拟合正弦波运动产生不同方向的力，实现机器人在水下的悬停、前进、后退、转向，通过鳍条的同步摆动，可实现其上浮或下沉。机器人在陆地上时，鳍条下摆，也可通过拟合正弦波，做类似蛇的蜿蜒运动从而前进或后退，利用两端鳍条摆动速度产生差异时，产生不同摆动频率的正弦波，导致两端推动力不同，从而实现转弯运动。
8.所述的机器人的连杆机构采用舵机-齿轮-连杆一体式的机械结构，通过舵机连接齿轮产生的扭矩，齿轮副传递动力至3d打印连杆；所述的3d打印连杆和齿轮内啮合，齿轮舵机的输出端连接；所述的柔性波动鳍与带螺纹3d打印杆通过螺栓进行等间距固定，带螺纹3d打印杆与柔性波动鳍固定位置可调且自身可旋转。所述的柔性波动鳍仿生来源自鱿鱼水平鳍和鳐鱼的波动鳍相结合，主体两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的；所述的柔性波动鳍面为厚度均匀的高弹硅胶仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系。
9.本发明的有益效果为：
10.本发明采用的是对鳍推进方式，基于柔性波动鳍推动单元机构，研制了专用控制电路。该控制电路由无线电接收模块、处理器模块和驱动模块组成，可控制多路鳍单元的动作，以实现多种不同的游动动作，既能适应陆地和近海滩涂的多变地形，又能适应复杂水下环境的两栖环境，能够执行许多人类无法完成的近海域多种作战任务和探测任务。主体部分采用3d打印技术制成，成型度高、水密性好、质量结构轻、机构强度好，具有弹性以便于缓冲；主体外形仿制鱿鱼制造，隐秘性好，水阻力小；其柔性波动鳍推动单元机构部分，结合生物特性，具备高稳定性，不会像传统的螺旋桨推进遥控无人潜水器rov的螺旋桨搅起大量泥沙而不利于对海洋设备进行观测；具备高效性，不会像身体尾鳍摆动推进方式的仿生鱼很难实现原地打转和后退游动等实际上经常需要用到的功能；相较传统的螺旋桨推进器其波动鳍推进方式更安静，没有类似螺旋桨推进产生的巨大的空化噪声，因此又可用于执行水下潜伏侦察等军事任务，具备良好的环境适应性和实用性。
附图说明
11.图1为一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人的外形图。
12.图2为一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人内部构造的斜视图。
13.图3为一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人内部构造的俯视图。
14.图4为一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人的柔性波动鳍推进单元的局部放大图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明做进一步描述。
16.实施例1
17.本发明目的在于设计一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人，由两组舵机6驱动的柔性波动鳍作为推进器，采用舵机-齿轮-连杆一体式的机械结构10仿生鱿鱼平行鳍的肌肉结构，厚度均匀的高弹硅胶仿生鱿鱼平行鳍的鳍面7，使整体运动模式多样化，可以在水中完成各种基础运动以及复合运动，也可以在陆地上行驶。
18.一种水陆两栖的仿生鱿鱼机器人，包括机器人主体1和柔性波动鳍推进单元2；机器人主体包括外壳体3、头部舱4和身体舱5，头部舱4和身体舱5之前通过连接件连接；柔性波动鳍推进单元2包括仿生型柔性波动鳍鳍面7和波动动力源8；外壳体3为3d打印仿生壳体，呈流线型，头部呈圆锥状，不仪可以减小在水中运动时的阻力，增加运动效率，还能保护内部构件；身体舱5填充的浮力材为eva发泡浮力材；头部舱4内置防水航插口；身体舱5两侧留有数个舵机安装口且舵机安装口对称分布，多个舵机6与柔性波动鳍单元之间通过机械结构连接。
19.机器人的头部舱4内置水下摄像头；柔性波动鳍鳍面7为厚度均匀的高弹硅胶仿生鱿鱼平行鳍的鳍面，采用3维动定位摆轴系；所述的波动动力源8采用多个sg5010舵机6串列摆动，连杆机构10和舵机6通过内啮合齿轮12连接，由内置的芯片控制运动；所述的头部舱4内置防水航插口，头部舱4内留有一定的空间搭载传感器、声呐等测量设备。
20.柔性波动鳍推进单元2采用舵机-齿轮-连杆一体式的机械连接方式，采用舵机-摆杆-波动鳍的传动方式实现波动鳍的不同摆幅、不同频率的运动；所述的舵机6通过舵机安装板14固定在身体舱4预留的舵机安装口，为sg5010舵机，具有扭力大、体积小、抖动小等优点；所述的连杆结构10与柔性波动鳍面7通过螺栓13进行位置限定，与波动鳍相连的固定位置可调且自身可旋转；所述的柔性波动鳍推进单元2仿生来源自鱿鱼水平鳍和鳐鱼的波动鳍相结合，机器人两侧的柔性波动鳍推进单元2的连接方式和波动都是对称的。
21.主体1为仿生壳体，呈流线型，头部呈圆锥状，不仅可以减小在水中运动时的阻力，增加运动效率，还能保护内部构件，整体采用3d打印技术制作，成型度高、水密性好、质量结构轻、机构强度好，具有弹性以便于缓冲；主体1外形仿制鱿鱼制造，隐秘性好，水阻力小。
22.柔性波动鳍推进单元2的具体工作过程为：通过与舵机6动力输出轴的齿轮12内啮合旋转运动，驱使每一根3d打印连杆11推进机构产生旋转运动，进而带动厚度均匀的高弹硅胶仿生鱿鱼平行鳍的鳍面7的做有规律的上下波动，在芯片控制舵机6运动过程中对两边舵机的初始角度进行了特定的设置，相邻的舵机的旋转角度总是存在固定的差值，使得相邻的的3d打印连杆11摆动角度存在一定的相位差，进而使得靠近头部舱4的连杆的摆动角度在相位上超前于远离头部密封舱4的鳍条的摆动角度，带动鳍面7形成由头部密封舱4向尾部的传播的类正弦波状变形，与水作用产生与波形传播方向相反的作用力，推动水下机器人向前运动。
23.如图1所示，外壳体3由3d打印技术制成，采用的材料为pla聚乳酸，头部舱4和身体舱5之间通过连接件连接，头部舱3安装声呐等测量设备、内置防水航插；身体舱4填充eva发泡浮力材，辅助机器人的上升和下沉；身体舱4两侧留有数个舵机安装口且舵机安装口对称分布，多个舵机与柔性波动鳍之间通过机械结构10连接。
24.如图2和图3所示，本发明的推进装置中舵机6与连杆结构10连接，连杆结构的波动鳍鳍条即3d打印连杆11通过螺栓13固定柔性波动鳍的鳍面7，舵机6带动连杆11摆动拟合正弦波，柔性波动鳍的鳍面7随连杆摆动，使得柔性波动鳍推进单元2做类正弦运动。
25.如图4所示，本发明的推进装置中舵机6与身体舱5通过舵机安装板14固定安装。连杆机构10是由3d打印连杆11与齿轮12通过螺栓13固定啮合舵机6。
26.本发明的推进装置中舵机6与连杆结构10连接，连杆结构的波动鳍鳍条即3d打印连杆11通过螺栓13固定柔性波动鳍的鳍面7，舵机6带动连杆11摆动拟合正弦波，柔性波动
鳍的鳍面7随连杆摆动，使得柔性波动鳍推进单元2做类正弦运动。
27.仿生型柔性波动鳍潜器的控制原理为：
28.运动状态：柔性波动鳍推进单元2方向为水平，舵机6转动带动连杆结构10摆动，柔性鳍跟随连杆结构10摆动，通过控制芯片对舵机6的摆动频率、摆动波长和摆动幅度进行调配，使柔性鳍摆动做类正弦运动产生不同方向的力，实现机器人的前进、后退、转向、下沉和上浮等。
29.当机器人执行直航运动时，通过声呐、流速传感器返回数据确定水下机器人的方位和机器人所处流场流速，进而规划路线，确定水下机器人的直行速度，并转化为具体的舵机6转速控制指令，通过光纤或者铜线电缆发送到控制芯片中，控制芯片对运动指令进行解码后，控制舵机6按照相同的转速转动，驱动左侧和右侧柔性波动鳍推进单元2进行相同规律的摆动运动，产生前进推力，当需要进行加速或减速时，只需等额增加或减少舵机6的转速即可，机器人主体两侧的柔性波动鳍推进单元2同步运动，使得两个柔性波动鳍的推力朝向一个方向，抵消主体部分受到的阻力。
30.当机器人执行转弯运动时：左转运动时，左侧舵机的转速高于右侧舵机的转速，使得左侧仿生波动鳍推进单元产生的推进力大于右侧仿生波动鳍推进单元，机体产生向左的偏航力矩，实现左转运动，右转运动与左转运动类似，均是通过左右舵机的转速差实现的，转速差越大，转弯的速度越快。控制两侧仿生波动鳍推力差异来实现，转弯内侧仿生波动鳍推力小而转弯外侧推力大；对于有转弯半径且转弯半径较小的情况，可以控制柔性波动期转弯内侧静止而转弯外侧正常运动。
31.本发明未尽事宜为公知技术。
32.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。