CN105059512B - 水母式仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供水母式仿生机器人，包括运动系统和潮流方向判断系统。运动系统包括电源、大扭矩减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器骨架、水母式推进器叶片、前置水舱、舵机、舵杆、舵；潮流方向判断系统包括单片机、GPS全球定位系统、进水舱、舱门、导管、发电舱、叶轮、发电机、排水。本发明的基于潮流推进的水母式仿生机器人，可以自主判断并利用潮流进行远距离推进，大大增加了作业范围；水母式推进器由大扭矩减速电机带动，噪声小隐蔽性好，对鱼类等海洋生物惊扰小。

Description

水母式仿生机器人

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人，具体地说是在指定区域的海面进行作业的水下机器人。

背景技术

现代智能水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle-AUV)续航能力弱，对自带能源的需求较高，无法实现对一区域长时间的定点布控。且许多AUV依靠螺旋桨推进，噪声较大，易惊扰鱼群暴漏目标，隐蔽性较差。

目前水母式仿生机器人仅仅在外形和运动方式上仿照水母设计，其作业时间和作业负载均不能满足工程应用的要求。

公开日为2013年9月4日、公开号为CN1O32734A、名称为“仿水母机器人及其控制方法”的专利申请,该机器人通过弹性拉杆带动柔性半球形外壳排水推进，外壳收缩与拉伸时阻力较大，推进效率低，该机器人通过尾鳍控制，不具备浮力调节能力，只能随水流漂浮，没有对外界流向进行判断的装置。

公开日为2014年12月3日、公开号为CNIO4176219A、名称为“一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人”的专利申请,该机器人采用并联手臂推进。该机器人没有浮力调节机构和操纵装置，无法实现灵活的上浮、下潜和摇首运动，同时该机器人没有潮流判断和利用能力。

发明内容

本发明的目的在于提供自主推进到洋流位置并继续依靠洋流推进，在靠近作业区域后依靠水母式推进器进行微调，到达指定区域后通过调节自身重量上浮到水面的水母式仿生机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明水母式仿生机器人，其特征是：包括壳体、运动系统、潮流方向判断系统，壳体通过隔板隔成前方的前置水舱以及后方的发电舱，运动系统包括电源、减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器叶片、舵机、舵，舵机位于前置水舱里，舵位于前置水舱外，舵机通过舵杆连接舵，电源、减速电机位于发电舱里，曲柄滑杆机构包括曲柄、连杆、滑杆、第一摇杆、第二摇杆，减速电机同时连接电源和曲柄，曲柄与连杆相连，连杆与滑杆相连，滑杆分别与第一摇杆和第二摇杆相连，所述的水母式推进器叶片包括结构相同的第一推进器叶片和第二推进器叶片，第一推进器叶片包括第一小叶片和第二小叶片，第一小叶片和第二小叶片之间通过销结机构相连，第一摇杆通过第一推进器叶片的销结机构连接第一推进器叶片，第二摇杆通过第二推进器叶片的销结机构连接第二推进器叶片，第一推进器叶片和第二推进器叶片安装在发电舱的尾部，曲柄、连杆位于发电舱里，滑杆伸出至发电舱外部，潮流方向判断系统包括进水舱、导管、叶轮壳、叶轮、排水管，叶轮安装在叶轮壳里，进水舱通过导管连通叶轮壳，叶轮壳位于发电舱里，导管一部分位于前置水舱里，其余部分位于发电舱里，进水舱前端伸出至前置水舱外并设置有舱门，排水管连通叶轮壳并伸出至发电舱外。

本发明还可以包括：

1、还包括发电机和GPS定位系统，GPS定位系统连接发电机，发电机连接叶轮。

2、前置水舱里设置水泵，水泵同时连接进出水管和放水管，进出水管连通前置水舱外部，放水管连通前置水舱内部。

3、第一小叶片和第二小叶片之间安装限位装置，水母式推进器叶片闭合时，第一推进器叶片和第二推进器叶片通过各自的限位装置进行限位使各自的第一小叶片和第二小叶片达到180°角，水母式推进器叶片张开时，第一小叶片和第二小叶片向内闭合且其夹角大于10°。

本发明的优势在于：本发明的目的旨在研究和开发能够自主判断潮流并能依靠潮流推进，能够在固定区域长时间悬停监测水流变化并发现可疑目标的水母式仿生机器人。水母式仿生机器人依靠低转速电机和海洋能混合驱动，前进噪音较小、作业范围广、能耗低等特点，多个机器人可以实现密集布防，对某一区域进行长期监控和预警，解决诸如南海岛礁等海洋环境复杂、局势敏感、大中型军船只不宜进入的海域的监控和环境监测问题，保护我国领海及岛礁不受侵犯，海洋资源不被盗取。同时也可以监测区域内鱼群信息的变化，并依靠加装其他设备驱赶鱼群，帮助渔业活动顺利开展。

本发明采用曲柄摇杆带动由六组销钉连接的双叶片推进，两个叶片在舒张时闭合减小阻力，收缩排水时打开增加推力，使得推力更大且舒张时阻力更小；本发明使用前置水舱与舵机控制机器人上浮、下潜与摇首并调整机器人浮力；本发明设计的潮向判断系统能够实现对外界潮流的判断。

本发明采用曲柄摇杆带动由六组销钉连接的双叶片推进，两个叶片在舒张时闭合减小阻力，收缩排水时打开增加推力，较并联手臂阻力更小推力更大。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2a是潮流判断系统结构示意图a，图2b是潮流判断系统结构示意图b；

图3是潮流判断系统工作流程图；

图4是水母式部分运动系统结构示意图；

图5a是水母式推进器叶片结构示意图，图5b是水母式推进器叶片局部示意图；

图6是前置水舱结构示意图；

图7是基于潮流推进的水母式仿生机器人工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，水母式仿生机器人由两个系统组成，即运动系统和潮流方向判断系统。结合图1，运动系统包括：电源6、大扭矩减速电机7、曲柄滑杆机构8、水母式推进器骨架10、水母式推进器叶片9、前置水舱2、舵机3、舵4、舵杆5；结合图1和图2潮流方向判断系统1包括：单片机11、GPS全球定位系统16、进水舱13、舱门12、导管14、发电舱、叶轮15、发电机18、排水管17。另外，由大扭矩减速电机7、曲柄滑杆机构8、水母式推进器骨架10组成的部分运动系统结构细节在图4中表示，水母式推进器叶片10细节在图5中表示，前置水舱结构细节在图6中表示。结合图1、图4和图5，电源6、大扭矩减速电机7布置在机器人中部，由大扭矩减速电机7带动曲柄19、连杆20，最终带动滑杆21做水平往复运动，滑杆21带动水母式推进器骨架连杆22，最终带动水母式推进器骨架摇杆22做往复摆动；水母式推进器叶片9位于机器人尾部，与水母式推进器骨架摇杆22相连，叶片9由两片小叶片24通过销结机构相连，销结机构由连接叶片的连块27、销钉26和链接水母式推进器骨架摇杆22的连块25组成，水母式推进器闭合时叶片张开并通过限位装置28进行限位，水母式推进器张开时叶片向内闭合减小阻力，并通过连接叶片24的连块27突出部分使其角度大于10°防止叶片24之间粘连。结合图1和图6，舵4由舵杆5连接到舵机3上形成完整的舵结构，共有两套舵结构在机器人中部向前位置上下对称分布，单片机11布置于机器人中部减速电机7下部，前置水舱2中包含水泵29，排水管30，进(出)水管31，水泵29在前置水舱2后部中央处，进(出)水管31一端与水泵29相连，另一端在机器人首端中央处伸出机器人体外，排水管30一端与水泵29相连，另一端伸到前置水舱2底部，工作状态为依靠水泵带动进(出)水管在机器人外部吸水(排水)，通过排水管在前置水舱内排水(吸水)。结合图2，两个舱门12在进水舱13前端左右对称布置，围绕固定在进水舱前端内部的杆旋转进行开关闭合，进水舱通过后部导管14同发电舱相连，发电舱内部叶轮15转动带动发电机18发电，发电机18与GPS全球定位系统16通过导线连接，发电舱后部下方设有排水管17伸出机器人体外。

本发明选用大扭矩减速电机7、曲柄滑杆机构8、水母式推进器骨架10、水母式推进器叶片9构成运动机构，大扭矩减速电机7带动的运动机构噪声较螺旋桨推进和水泵吸水排水推进小，隐蔽性较好；通过调节曲柄19的长度，可改变曲柄滑杆机构的行程比，从而使水母式推进器达到缓慢张开和快速闭合的目的，模拟自然界中水母的真实运动，获得更大的前进动力。叶片9采用小叶片24通过销结机构，依靠潮流推动时，水母式推进器闭合时叶片24张开到180°左右后通过限位装置28进行限位，增大受力面积；自主推进时，水母式推进器通过不断地张开-闭合排水推进，水母式推进器张开时叶片24闭合，减小阻力，水母式推进器闭合时叶片24张开到180°左右后通过限位装置28进行限位，增加推力。

本发明设计了一种潮流方向判断系统1，结合图3，其工作原理为当外界潮流方向与机器人运动方向不一致时，舱门12被水冲开，水通过导管14到达发电舱带动叶轮15转动并最终通过排水管17排到机器人体外，叶轮15转动带动发电机18发电并转化为信号激活单片机11和GPS全球定位系统16，使机器人上浮并通过GPS全球定位系统16获取当前位置，机器人通过自主运动到达预设潮流位置并通过潮流进行推进。当外界潮流方向与机器人运动方向一致时，由流体连续性方程和伯努利方程可推得进水舱13内部压力大于外部压力，舱门12关闭，潮流方向判断系统1不运作。

结合图6，本发明的工作机制为依靠母船在潮流位置投放并依靠潮流进行推进，在此过程中通过潮流方向判断系统1进行潮流判断并自主调整，到达指定区域附近时通过水母式推进器进行位置微调，到达指定区域后前置水舱2排水机器人上浮，进行作业。作业结束后按照上述方法到达指定回收区域由母船进行回收。

运动系统包括：电源、大扭矩减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器骨架、水母式推进器叶片、前置水舱、舵机、舵杆、舵；潮流方向判断系统包括：单片机、GPS全球定位系统、进水舱、舱门、导管、发电舱、叶轮、发电机、排水管；信息采集系统包括：摄像头。电源、大扭矩减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器在机器人中部向尾部依次布置，由大扭矩减速电机带动曲柄滑杆机构，通过控制曲柄长度控制行程系数K，以达到后部水母式推进器慢速张开和快速闭合的目的控制机器人的运动，前置水舱置于机器人最前端，通过水泵自连接短管进水、排水控制机器人的上浮和下潜运动，舵共有两个，分别由舵杆连接于布置在机器人前部上下端的舵机上，由舵机控制机器人的转首运动；单片机布置于机器人中部，圆形进水舱布置于机器人前部上端，通过两个舱门的开闭实现进水排水，水通过导管进入发电舱带动叶轮旋转通过发电机发电向单片机发送信号使机器人上浮并激活GPS定位当前位置，最后通过排水管排到机器人体外。

机器人最先由母船选择流向合适的潮流位置进行投放，然后张开后部水母式推进器利用潮流进行推进，在此过程中若出现其他问题如进入反向潮流，潮流方向判断系统会激活GPS进行定位，依靠机器人自主推进至合适位置再次依靠潮流进行推进。到达指定作业区域附近后，机器人依靠水母式推进器自主推进到指定作业区域，前置水舱排水机器人上浮，进行水面作业。作业结束后按照上述方法到达指定回收区域由母船进行回收。

基于潮流推进的水母式仿生机器人由两个系统组成，分别是运动系统和潮流方向判断系统。运动系统包括：电源、大扭矩减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器骨架、水母式推进器叶片、前置水舱、舵机、舵杆、舵；潮流方向判断系统包括：单片机、GPS全球定位系统、进水舱、舱门、导管、发电舱、叶轮、发电机、排水。电源、大扭矩减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器在机器人中部向尾部依次布置，前置水舱置于机器人最前端，舵共有两个，分别由舵杆连接于布置在机器人前部上下端的舵机上；单片机布置于机器人中部，GPS全球定位系统布置于机器人中部发电机外侧，圆形进水舱布置于机器人前部上端，舱门布置与进水舱前端，导管连接进水舱和发电舱，叶轮布置在发电舱内与发电机相连，发电机通过导线与单片机和GPS全球定位系统连接。

水母式推进器叶片由两片小叶片通过销结机构相连，销结机构由连接叶片的连块、销钉和连接水母式推进器骨架摇杆的连块组成，水母式推进器闭合时叶片张开并通过限位装置进行限位使两叶片达到180°角，水母式推进器张开时叶片向内闭合并通过连接叶片的连块突出部分使其角度大于10°。

Claims (5)

1.水母式仿生机器人，其特征是：包括壳体、运动系统、潮流方向判断系统，壳体通过隔板隔成前方的前置水舱以及后方的发电舱，运动系统包括电源、减速电机、曲柄滑杆机构、水母式推进器叶片、舵机、舵，舵机位于前置水舱里，舵位于前置水舱外，舵机通过舵杆连接舵，电源、减速电机位于发电舱里，曲柄滑杆机构包括曲柄、连杆、滑杆、第一摇杆、第二摇杆，减速电机同时连接电源和曲柄，曲柄与连杆相连，连杆与滑杆相连，滑杆分别与第一摇杆和第二摇杆相连，所述的水母式推进器叶片包括结构相同的第一推进器叶片和第二推进器叶片，第一推进器叶片包括第一小叶片和第二小叶片，第一小叶片和第二小叶片之间通过销结机构相连，第一摇杆通过第一推进器叶片的销结机构连接第一推进器叶片，第二摇杆通过第二推进器叶片的销结机构连接第二推进器叶片，第一推进器叶片和第二推进器叶片安装在发电舱的尾部，曲柄、连杆位于发电舱里，滑杆伸出至发电舱外部，潮流方向判断系统包括进水舱、导管、叶轮壳、叶轮、排水管，叶轮安装在叶轮壳里，进水舱通过导管连通叶轮壳，叶轮壳位于发电舱里，导管一部分位于前置水舱里，其余部分位于发电舱里，进水舱前端伸出至前置水舱外并设置有舱门，排水管连通叶轮壳并伸出至发电舱外。

2.根据权利要求1所述的水母式仿生机器人，其特征是：还包括发电机和GPS定位系统，GPS定位系统连接发电机，发电机连接叶轮。

3.根据权利要求1或2所述的水母式仿生机器人，其特征是：前置水舱里设置水泵，水泵同时连接进出水管和放水管，进出水管连通前置水舱外部，放水管连通前置水舱内部。

4.根据权利要求1或2所述的水母式仿生机器人，其特征是：第一小叶片和第二小叶片之间安装限位装置，水母式推进器叶片闭合时，第一推进器叶片和第二推进器叶片通过各自的限位装置进行限位使各自的第一小叶片和第二小叶片达到180°角，水母式推进器叶片张开时，第一小叶片和第二小叶片向内闭合且其夹角大于10°。

5.根据权利要求3所述的水母式仿生机器人，其特征是：第一小叶片和第二小叶片之间安装限位装置，水母式推进器叶片闭合时，第一推进器叶片和第二推进器叶片通过各自的限位装置进行限位使各自的第一小叶片和第二小叶片达到180°角，水母式推进器叶片张开时，第一小叶片和第二小叶片向内闭合且其夹角大于10°。