CN104943839B - 一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,分析了鲼类胸鳍的水动力模型,将胸鳍的运动分解为垂直机体纵轴线方向上的上下弯曲拍动与以为轴心的扭转运动。整机包括分段主机体、左柔性胸鳍模块、右柔性胸鳍模块、尾鳍模块。组模块通过鳍连接部件连接组成。左右柔性胸鳍模块与结构为镜像对称。胸鳍骨架的结构设计,采用类似飞机翼肋的结构,以对称翼型为基本形状,通过一字型胸鳍主干骨及钢丝串连、拼接成剖面为流线型的胸鳍模块。在胸鳍根部与尖端,安置了一大一小两个舵机,控制胸鳍的上下拍动与扭转运动。通过调整两个舵机的运动幅度,运动频率与相位差,可以实现不同胸鳍运动姿态,更好地完成鱼体运动。
Description
技术领域
本发明属于柔性胸鳍驱动的仿生水下机器人,同时属于模块化设计机器,具体来说,是一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人。
背景技术
仿生鱼是机器人(鱼)研究的重要领域。鱼类经过几亿年漫长的进化过程,形成了近乎完美的在水中行进的生理结构与运动模式。它们凭借优良流体力学效能的身体结构,获得极高推进效率和机动性,其性能远远高于螺旋桨推进系统。其中以胸鳍为主要推进来源的机器鱼凭借其推进效率高、转弯机动性高、运动稳定性等优势得到了科研人员的广泛关注。由于鱼类的这些优越性,本发明水下机器人(鱼)基于体平扁、宽大于长、具备肥大胸鳍的蝠鲼进行仿生设计,在军事侦查、水下探测、生物观察、娱乐观赏等多个领域具有极高的应用价值和广阔的发展前景。
自然原型为胸鳍摆动推进模式鱼类——蝠鲼的仿生机器鱼,以其兼具高效率、高机动性等优势特征成为水下机器人(鱼)的一个热点研究领域。胸鳍摆动推进模式(类似于鸟类在空中的翅膀拍动)是胸鳍推进模式的一种,具有胸鳍推进模式中最高的推进效率与速度。通过对蝠鲼、牛鼻鲼实地观测分析和生物学研究成果的总结,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身体结构特征和运动变形规律。当前胸鳍摆动推进仿生鱼研究成果多数基于刚性机构和类似扑翼附柔性薄膜的驱动机构。具体而言,目前采用胸鳍摆动推进模式仿生鱼样机的驱动、传动机构、中部机体多是刚性并且分离的,无法产生整体渐变的柔性变形,造成胸鳍运动过程的柔顺性不足。
发明内容
本发明设计了主动输出胸鳍全柔性变形结构,以最接近蝠鲼本身运动方式的方法实现水下机器人胸鳍的全柔性拍动。
本发明水下机器人包括主机体、左柔性胸鳍模块、右柔性胸鳍模块与尾鳍模块。左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块结构相同,分别通过鳍部连接件安装在主机体左右两侧,且镜像对称;尾鳍模块通过尾鳍连接件螺钉连接于主机体后部。
所述左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块均包括柔性胸鳍骨架和胸鳍驱动系统。其中,柔性胸鳍骨架仿飞机机翼机构设计,包括6根鳍肋沿胸鳍展向设置,由根部至尖端的鳍肋外边框依次等距缩小。
所述胸鳍驱动系统包括两个防水舵机、胸鳍主干骨与两根钢丝;令两个舵机分别为防水舵机A与防水舵机B。防水舵机A与防水舵机B均具有一字摇臂,驱动一字摇臂转动;防水舵机A固定安装于胸部连接件上,防水舵机B的一字摇臂两端通过螺钉固定安装在位于尖端的鳍肋上设计的连接梁上。胸鳍主干骨根部与鳍肋连接件固定,尖端与防水舵机A固定;除位于根部与尖端鳍肋外,其余鳍肋的上下缘均通过钢杆与胸鳍主干骨固定。
令两根钢丝分别为钢丝A与钢丝B。其中,钢丝A对折后,两端分别由尖端至根部依次穿过各个鳍肋上下缘通孔后,与防水舵机A中一字摇臂两端铰接。钢丝B弯折后,一端依次穿过各个鳍肋前缘通孔,与感知舱侧面固定;另一端依次穿过各个鳍肋后缘通孔,与尾舱侧面固定。
所述尾鳍模块包括尾部定位架、尾部防水舵机、连杆A、连杆B、尾部连接件与尾鳍。其中,尾部定位架前端与主机体中尾舱后端部固定;尾部防水舵机同样具有一字摇臂;固定安装在尾部安装架一侧。一字摇臂的两端分别与连杆A和连杆B的一端相连;连杆A与连杆B另一端与尾部连接件两端铰接;使一字摇臂、连杆A、连杆B与尾部连接件间形成平行四连杆结构。尾部连接件后部设计有连接平面,与尾鳍相连;尾部连接件还与尾部定位架间铰接。
上述结构水下机器人整体外部包覆有透水弹性蒙皮。
本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,分析了鲼类胸鳍的水动力模型,将胸鳍的运动分解为垂直机体纵轴线方向上的上下弯曲拍动与以为轴心的扭转运动。胸鳍骨架的结构设计,采用类似飞机翼肋的结构,以对称翼型为基本形状,通过一字型胸鳍主干骨及钢丝串连、拼接成剖面为流线型的胸鳍模块。在胸鳍根部与尖端,安置了一大一小两个舵机,控制胸鳍的上下拍动与扭转运动。通过调整两个舵机的运动幅度,运动频率与相位差,可以实现不同胸鳍运动姿态,更好地完成鱼体运动。
本发明的优点在于:
1、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,由流线型柔性胸鳍骨架、柔性连接传动钢丝及透水弹性蒙皮3者组成的全柔性胸鳍在胸鳍驱动系统作用下可以产生整体渐变的柔性变形,辅以输出精确舵面作动的尾鳍模块,使机器人水下运动具有高机动性、高隐蔽性、高效、低频、低阻的特点,整机柔顺减阻性能良好,水下最高运动速度可达0.7m/s,转弯半径最小为0.1m,2200mAh的锂电池可支持机器人以0.3m/s航速运动2小时以上;
2、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,主机体头部采用机体纵剖呈椭圆型形状(曲率半径最小为10mm)过渡,尾部采用机体纵剖成流线型形状(曲率半径最小为1200mm)过渡,水下阻力小,可大大减少能量损耗,提高运动效率,且该设计尺寸合适不会因为尺寸过大影响机器人的性能;
3、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,整机仿生设计扁平宽大,整机重心位置可调,极易在水下实现自平衡;
4、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,采用分舱段模块化设计方法,每个模块独立设计,可根据用户需求改变各个模块设计,提高了水下机器人的研发效率和便携性;
5、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,主机体采用分舱段模块化设计,各个模块分别单独设计,在设计制作的最后阶段,将各个模块按预先设定的机械和电气接口快速连接到一起,即可完成整机的装配,提高了设计和装配的效率,并且可以根据机器人用途和性能需求改变各个模块的设计,快速实现产品的二次开发,缩短研发周期。
6、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,主机体采用分舱段局部密封、机械传动及电气接口都按照相应防水标准设计,使其具有良好的密封效果;
7、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,主机体上采用易于连接的可靠机械接口和基于IP68级防水航插插座的电气接口设计,各模块之间易于实现机械和电气连接,可随时随地快速组装,将模块拆解存放,更加便携不易损坏。
8、本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,结合成本较低的机电控制系统实现运动的控制,在结构设计方面实现了自主创新,诞生仿生鲼类机器鱼设计新思路,提高运动姿态的可控性。通过进一步完善系统动力学模型,改进控制算法可以更加精确地模仿蝠鲼的运动,进一步提高游动速度与机动性,降低噪声,充分发挥胸鳍推进模式的优势。
附图说明
图1为本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人整机结构示意图;
图2为本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人整机结构爆炸图;
图3为本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人中胸鳍模块装配图;
图4为本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人中胸鳍模块结构示意图;
图5为胸鳍模块中鳍肋结构示意图;
图6为本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人尾鳍模块装配图;
图中:
1-主机体 2-左柔性胸鳍模块 3-右柔性胸鳍模块
4-尾鳍模块 5-柔性胸鳍骨架 6-胸鳍驱动系统
7-胸部连接件 101-感知舱 102-控制舱
103-中段舱 104-尾舱 401-尾部定位架
402-尾部防水舵机 403-连杆A 404-连杆B
405-尾部连接件 406-尾鳍 501-鳍肋
601-防水舵机A 602-防水舵机B 603-一字摇臂
604-胸鳍主干骨 605-钢杆 606-钢丝A
607-钢丝B 608-上缘通孔 609-下缘通孔
610-前缘通孔 611-后缘通孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,采用模块化设计,包括主机体1、左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3与尾鳍模块4,如图1所示。左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块3结构相同,分别通过鳍部连接件安装在主机体1左右两侧,且镜像对称。尾鳍405模块4通过尾鳍连接件螺钉连接于主机体1后部。
所述主机体1采用分段设计,包括4段舱体,沿纵轴线从前向后依次为感知舱101、控制舱102、中段舱103、尾舱104,如图2所示。其中,感知舱101和中段舱103通过螺钉与控制舱102固连,尾舱104通过螺钉与中段舱103固连。中段舱103与尾舱104内设计有沿主机体1纵轴线对称分布的蜂窝状配重孔,通过在孔中插入等直径圆柱形铅条实现机器人整体密度及重心位置的调整。上述主机体主机体1前部纵剖呈椭圆型形状(曲率半径最小为10mm)过渡,后部纵剖成流线型形状(曲率半径最小为1200mm)过渡,使主机体水下阻力小,可大大减少能量损耗,提高运动效率,且该设计尺寸合适不会因为尺寸过大影响机器人的性能。上述主机体1内搭载有感知及控制设备;其中,感知舱101内安装有水下白光LED照明、微型声呐探头、水下高清摄像机等感知设备。控制舱102内安装有基于以高速处理芯片STM32F103的核心控制单元、6轴运动处理组件MPU-6050、基于2200mAh锂聚合物电池和LM2596的供电单元、浅水无线通讯和深水拖缆串口通讯单元等控制设备;控制舱102的输入输出等电气接口通过嵌在控制舱102周围的IP68级别的防水航插插座引出。同时,尾舱104内还具有机器人供电及通讯防水开关、锂电池防水充电接口。
所述左柔性胸鳍模块2与右柔性胸鳍模块3均包括柔性胸鳍骨架5和胸鳍驱动系统6,如图3所示。其中,柔性胸鳍骨架5仿飞机机翼机构设计,包括6根鳍肋501,如图4所示;6根鳍肋501均为按对称翼型设计的中空框架结构,结构轻薄纤细保证柔性,沿胸鳍展向设置,前缘曲率半径小,后缘曲率半径大,且相邻鳍肋501外边框按3mm依次等距缩小,在保证机体纵剖面为流线型的前提下,使胸鳍根部到尖端平滑缩小达到良好的仿生效果。
所述胸鳍驱动系统6包括两个防水舵机、胸鳍主骨干与两根柔性连接传动钢丝。令两个舵机分别为防水舵机A601与防水舵机B602,分别采用HitecHS-5646WP金属齿轮数字防水舵机和HitecHS-82MG金属齿轮小型模拟舵机;且在防水舵机A601与防水舵机B602的金属齿轮分别啮合连接有长为40mm和23mm的一字摇臂603,形成具有一字摇臂603的防水舵机,可驱动一字摇臂603转动。防水舵机A601固定安装于胸部连接件7上,防水舵机B602的一字摇臂603两端通过螺钉固定安装在位于尖端的鳍肋501上设计的连接梁上。胸鳍主干骨604为长180mm、厚3mm的杆状结构;胸鳍主干骨604依次穿过除位于根部与尖端鳍肋外的其余鳍肋501中空部分,根部与鳍肋501连接件固定,尖端与防水舵机A601固定;除位于根部与尖端鳍肋501外,其余鳍肋501的上下缘均通过直径1.8mm钢杆605与胸鳍主干骨604定位通孔紧配合连接,且钢杆605与胸鳍主干骨604轴线垂直。
令两根钢丝分别为钢丝A606与钢丝B607;如图5所示,其中,钢丝A606直径0.8mm,长550mm,对折后,钢丝两端分别由尖端至根部依次穿过各个鳍肋501上缘通孔608和下缘通孔609后,与防水舵机A601中一字摇臂603两端铰接。钢丝B607直径0.6mm,长800mm,于350mm处弯折,长度较短一端依次穿过各个鳍肋501前缘通孔610,通过感知舱101侧边缘定位通孔后反向折弯5mm固定;长度较长一端依次穿过各个鳍肋501后缘通孔611,通过尾舱104侧边缘定位通孔后反向折弯5mm固定;且钢丝B弯折处位于钢丝A弯折处内侧,且接触。通过钢丝A606与钢丝B607将各个鳍肋501间串联,构成胸鳍整体的柔性外形。上述鳍肋501前缘通孔610与后缘通孔611位于鳍肋501对称轴两端,上缘通孔608与下缘通孔609距离前缘的位置为鳍肋501总长的2/7,如图4所示,其连线与各鳍肋501的对称轴垂直;鳍肋501上的钢丝A606与钢丝B607的穿入孔均距离鳍肋501边缘1mm。且左柔性胸鳍模块2与右柔性胸鳍模块3与主机体1间的联机时需满足:胸鳍主干骨604轴线穿过整个机器人的重心。
由此,通过防水舵机A601输出力矩通过铰接在摇臂两端的钢丝A606传递至整个胸鳍,钢丝A606两端分别输出拉力和推力结合富有弹性的胸鳍主干骨604及6根鳍肋501,实现胸鳍垂直主机体纵轴线方向上的弯曲变形,进而实现仿蝠鲼的胸鳍拍动动作。防水舵机B602输出力矩通过带动与一字摇臂603固连的尖端鳍肋501旋转传递至整个胸鳍,尖端鳍肋501前后缘牵动钢丝B607扭转,促使具有整体柔性的胸鳍变形,实现胸鳍沿主机体纵轴线方向的柔性弯曲扭转动作;防水舵机A601在机器人运动过程中按照幅值空间的不对称正弦波动规律输出相应转角和转速,防水舵机B602在机器人运动过程中按照时间不对称的非典型正弦波动规律输出相应转角和转速,通过控制防水舵机A601与防水舵机B602输出的幅值、频率、相位,两方向运动组合形成了非常接近蝠鲼胸鳍真实拍动的水下运动模式,并且当相位差为90°时推进效率最高。
所述尾鳍模块4包括尾部定位架401、尾部防水舵机402、连杆A403、连杆B404、尾部连接件405与尾鳍406,如图6所示。其中,尾部定位架401前端与主机体1中尾舱104后端部固定。尾部防水舵机402同样为带一字摇臂603的防水舵机;固定安装在尾部安装架401一侧;一字摇臂603的两端分别与连杆A403和连杆B404的一端相连;连杆A403与连杆B404另一端与尾部连接件405两端通铰接相连;由此使一字摇臂603、连杆A402、连杆B403与尾部连接件404间形成平行四连杆结构。尾部连接件404后部设计有连接平面,用来与机器人尾鳍406相连。尾部连接件405还与尾部定位架401后端铰接,铰接位置位于尾部连接件405与连杆A403、连杆B404铰接位置连线中心处;实现尾鳍的定位。由此通过尾部防水舵机401驱动平行四边形连杆运动,实现尾鳍405的摆动,从而实现机器人水下俯仰姿态的控制。
上述结构机器人整体外部包覆有透水弹性蒙皮;透水弹性蒙皮材料采用含有DOWXLA纤维的防水、高弹精纺面料,按照机器人整机形状编织裁剪,在胸鳍鳍根部设有便于拆卸的拉链。
本发明机器人中,主机体1、胸鳍骨架5与尾鳍405均采用PLA高分子材料3D打印成形;主机体1中,舱体舱盖静密封参照中国机械行业标准JB/T6612-2008设计;左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3和尾鳍模块4中的防水舵机均按照IP68防水等级进行改装,输出轴设置O圈压紧,防水舵机中机械传动部件使用防水润滑脂填充,电气部件使用704硅胶填涂。
本发明机器人运动控制包括机器人姿态控制、机器人轨迹规划导航与通讯方式选择;采用蝠鲼胸鳍拍动推进模式,利用有限体积方法求解非定常N-S方程,研究了单胸鳍水动力性能、双胸鳍运动协调控制及仿生鱼胸鳍摆动自主迅游水动力学模型。在左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3和尾鳍模块4的协调作用下,机器人(鱼)实现水下俯仰运动、偏航运动、滚转运动等姿态控制;利用声呐探头躲避障碍物,通过无线通讯遥控实现浅水和水表层运动控制,通过拖缆通讯实现深水的运动控制和图像等传感器信号传输,从而完成机器人(鱼)轨迹导航。搭载微型声呐探头及6轴运动处理组件MPU-6050的控制系统实时控制左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3与尾鳍405驱动舵机的运动:左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3同步对称拍动同时结合尾鳍405的上下摆动,实现机器人俯仰姿态的调整;左柔性胸鳍模块2、右柔性胸鳍模块3拍动幅值、频率、相位差不同结合尾鳍405摆动,产生不同的运动效果,实现偏航和滚转运动控制。
Claims (8)
1.一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:包括主机体、左柔性胸鳍模块、右柔性胸鳍模块与尾鳍模块;左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块结构相同,分别通过鳍部连接件安装在主机体左右两侧,且镜像对称;尾鳍模块通过尾鳍连接件螺钉连接于主机体后部;
所述左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块均包括柔性胸鳍骨架和胸鳍驱动系统;其中,柔性胸鳍骨架仿飞机机翼机构设计,包括6根鳍肋沿胸鳍展向设置,由根部至尖端的鳍肋外边框依次等距缩小;
所述胸鳍驱动系统包括两个防水舵机、胸鳍主干骨与两根钢丝;令两个舵机分别为防水舵机A与防水舵机B;防水舵机A与防水舵机B均具有一字摇臂,驱动一字摇臂转动;防水舵机A固定安装于胸部连接件上,防水舵机B的一字摇臂两端通过螺钉固定安装在位于尖端的鳍肋上设计的连接梁上;胸鳍主干骨根部与鳍肋连接件固定,尖端与防水舵机A固定;除位于根部与尖端鳍肋外,其余鳍肋的上下缘均通过钢杆与胸鳍主干骨固定;
令两根钢丝分别为钢丝A与钢丝B;其中,钢丝A对折后,两端分别由尖端至根部依次穿过各个鳍肋上下缘通孔后,与防水舵机A中一字摇臂两端铰接;钢丝B弯折后,一端依次穿过各个鳍肋前缘通孔,与感知舱侧面固定;另一端依次穿过各个鳍肋后缘通孔,与尾舱侧面固定;
所述尾鳍模块包括尾部定位架、尾部防水舵机、连杆A、连杆B、尾部连接件与尾鳍;其中,尾部定位架前端与主机体中尾舱后端部固定;尾部防水舵机同样具有一字摇臂;固定安装在尾部定位架一侧;一字摇臂的两端分别与连杆A和连杆B的一端相连;连杆A与连杆B另一端与尾部连接件两端铰接;使一字摇臂、连杆A、连杆B与尾部连接件间形成平行四连杆结构;尾部连接件后部设计有连接平面,与尾鳍相连;尾部连接件还与尾部定位架间铰接;
上述结构水下机器人整体外部包覆有透水弹性蒙皮。
2.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述6根鳍肋均为按对称翼型设计的中空框架结构。
3.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述主机体采用分段设计,包括4段舱体,沿主机体纵轴线从前向后依次为感知舱、控制舱、中段舱、尾舱;其中,感知舱和中段舱通过螺钉与控制舱固连,尾舱通过螺钉与中段舱固连;中段舱与尾舱内设计有沿机体纵轴线对称分布的蜂窝状配重孔。
4.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述防水舵机A与防水舵机B分别采用HitecHS-5646WP金属齿轮数字防水舵机和HitecHS-82MG金属齿轮小型模拟舵机。
5.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述鳍肋前后缘处通孔位于鳍肋对称轴两端,上下缘通孔距离前缘的位置为鳍肋总长的2/7,连线与鳍肋的对称轴垂直。
6.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述左柔性胸鳍模块与右柔性胸鳍模块中的胸鳍主干骨轴线穿过整个水下机器人的重心。
7.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述透水弹性蒙皮材料采用含有DOW XLA纤维的防水、高弹精纺面料,在左柔性胸鳍模块、右柔性胸鳍模块根部设有可拆卸的拉链。
8.如权利要求1所述一种基于全柔性胸鳍的模块化仿生水下机器人,其特征在于:所述主机体、胸鳍骨架与尾鳍均采用PLA高分子材料3D打印成形。
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