CN105171729A - 一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，包括拱泥头部分、转向关节部分、躯干部分和尾鳍部分，所述转向关节部分中的滚动球铰链前端连接拱泥头部分拱泥头外壳的后端，转向关节部分后端的万向节铰链后端连接躯干部分躯干外壳的前端，尾鳍部分通过曲柄与躯干部分外壳内腔中的曲柄齿轮连接。这种机器人结构简单、机动性好、成本低、噪声小、水波震动幅度小、作业时间长、效率高、测量准确、自动化智能程度高。

Description

一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术，具体是一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人。

背景技术

随着仿生技术的不断改善，仿生机器人已经广泛应用到世界各个领域，为了提高机器人的性能，研究学者们利用传感器、微型计算机、无线控制技术对机器人进行协助操作。仿生学作为生物学与机械工程学有机结合的一门新兴科学，为未来机器人的发展与方向提供了新的思路。仿生机器人主要关键技术还是在于实现机电系统的微型化和集成化。随着科学技术的完善，仿生机器人作为机器人家族中的一员，其机动性与高效性必定会成为现代机器人技术发展的主流。

泥鳅是一种特殊的鳅类，身体细且长，前端呈圆锥状，后部相对头呈新月型扁平状，中部呈圆柱形，当气温高于30℃或低于15℃时，泥鳅便可钻入泥中避暑或冬眠。仿生泥鳅机器人是目前仿生机器人领域中较为新颖的研究对象，泥鳅在水下独特的钻泥方式，给水下拱泥机器人提供了新的设计思路。基于泥鳅特性的水下淤泥探测机器人设计对于养殖业具有重要的意义，对围绕、穿插在城市周围的河流、湖泊流入许多污水，污水内的不溶物沉淀于湖底、河床底部，形成淤泥，造成湖泊水位不断升高，水下环境被破坏，日积月累，会严重影响人类的正常生活。

目前还没有一种水下淤泥探测机器人能同时测量淤泥密度、淤泥深度、淤泥的含水量、淤泥温度及淤泥中水分pH值的综合性探测仪器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人。这种机器人结构简单、机动性好、成本低、噪声小、水波震动幅度小、作业时间长、效率高、测量准确、自动化智能程度高。

实现本发明的目的技术方案是：

一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，包括拱泥头部分、转向关节部分、躯干部分和尾鳍部分，所述转向关节部分中的滚动球铰链前端连接拱泥头部分的拱泥头外壳的后端，转向关节部分后端的万向节铰链后端连接躯干部分的躯干外壳的前端，尾鳍部分通过曲柄与躯干部分外壳内腔中的曲柄齿轮连接。

所述的拱泥头部分包括锥形拱泥头、拱泥头外壳、第一步进电机、第一对电磁铁、万向联轴器、凸轮、缓冲弹簧和复位弹簧，万向联轴器设置在拱泥头外壳内腔中，万向联轴器后端通过缓冲弹簧与拱泥头外壳后端连接，万向联轴器前端连接凸轮，凸轮与设置在拱泥头外壳前端的锥形拱泥头连接；凸轮与第一步进电机连接，凸轮作用在万向联轴器的活动端上，凸轮通过复位弹簧与拱泥头外壳内壁连接，第一对电磁铁设置在拱泥头外壳内腔的后部。

所述的转向关节部分包括滚动球铰链、圆柱副及万向节铰链，万向节铰链的前端连接圆柱副的后端，圆柱副前端连接滚动球铰链的后端。

所述的躯干部分包括躯干外壳、第二步进电动机、电机齿轮、曲柄、曲柄齿轮及第二对电磁铁，所述第二步进电机通过电机齿轮与曲柄齿轮连接，曲柄设置在曲柄齿轮上，第二步进电机、曲柄齿轮和曲柄设置在躯干外壳内腔，第二对电磁铁设置在躯干外壳内腔的前部。

所述的尾鳍部分包括尾鳍，尾鳍的前端与曲柄连接。

还包括通信部分，所述通信部分包括单片机以及分别与之连接的压电传感器、电容传感器、光电式传感器、温度传感器、pH值传感器，通信部分配装在机器人上。

所述的压电传感器、电容传感器和光电式传感器设置在躯干外壳的一侧，温度传感器和pH值传感器设置在躯干外壳的另一侧，单片机设置在躯干外壳的内腔中。

所述的万向联轴器通过垫块支撑。

这种从模仿生物原型角度出发而设计的机器人结构简单、体积小、机动性好、成本低、噪声小、水波震动幅度小、作业时间长、效率高、测量准确、自动化智能程度高。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中1.尾鳍2.压电传感器3.电容传感器4.光电式传感器5.第二对电磁铁6.万向节铰链7.圆柱副8.滚动球铰链9.第一对电磁铁10.缓冲弹簧11.万向联轴器12.第一步进电机13.凸轮14.锥形拱泥头15.拱泥头外壳16.复位弹簧17.垫块18.躯干外壳19.第二步进电机20.pH值传感器21.电机齿轮22.曲柄23.曲柄齿轮24.温度传感器25.单片机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限制。

实施例：

参见图1，一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，包括拱泥头部分、转向关节部分、躯干部分和尾鳍部分，所述转向关节部分中的滚动球铰链8前端连接拱泥头部分拱泥头外壳15的后端，转向关节部分后端的万向节铰链6后端连接躯干部分躯干外壳18的前端，尾鳍部分通过曲柄22与躯干部分外壳内腔中的曲柄齿轮23连接。

所述的拱泥头部分包括锥形拱泥头14、拱泥头外壳15、第一步进电机12、第一对电磁铁9、万向联轴器11、凸轮13、缓冲弹簧10和复位弹簧16，万向联轴器11设置在拱泥头外壳15内腔中，万向联轴器11后端通过缓冲弹簧10与拱泥头外壳15后端连接，万向联轴器11前端连接凸轮13，凸轮13与设置在拱泥头外壳15前端的锥形拱泥头14连接；凸轮13与第一步进电机12连接，凸轮13作用在万向联轴器11的活动端上，凸轮13通过复位弹簧16与拱泥头外壳15内壁连接，第一对电磁铁9设置在拱泥头外壳15内腔的后部。

具体地，所述的拱泥头部分用于机器人模仿泥鳅钻泥时机器人头部的运动，凸轮13与锥形拱泥头14采用螺纹连接，由第一步进电机12带动凸轮13转动，凸轮13作用在万向联轴器11活动端上，作用在万向联轴器11上的凸轮13的直径由小变大时，万向联轴器11活动端向下运动，由轴带动锥形拱泥头14向下运动，此时复位弹簧16被压缩，随着时间变化，当作用在万向联轴器11上的凸轮13的直径由大变小时，被压缩的复位弹簧16将万向联轴器11活动端顶上，锥形拱泥头14向上运动，起到复位的作用。利用锥形拱泥头14周期性摆动的运动方式掘开前方淤泥，弹簧10起到缓冲的作用。

所述的万向联轴器11通过垫块17支撑。

所述的转向关节部分包括滚动球铰链8、圆柱副7及万向节铰链6，万向节铰链6的前端连接圆柱副7的后端，圆柱副7前端连接滚动球铰链8的后端。

所述转向关节部分通过圆柱副7的伸缩运动，可推动拱泥头部分运动

具体地，滚动球铰链8前端与拱泥头外壳15后端连接，由于第二对电磁铁5和第一对电磁铁9同性相互排斥，当给拱泥头外壳15内腔中后端的第一对电磁铁9和躯干外壳18内腔中的第二对电磁铁5相同的电荷时，使得拱泥头外壳15和躯干外壳18的空间位置发生了前移。通过调节圆柱副7的三个连杆长度的变化，实现了拱泥头部分向前运动的目的。当需要收缩圆柱副7时，只需要改变拱泥头外壳15内腔中后端的电磁铁9或躯干外壳18内腔中的电磁铁5的电荷极性。即同性相互吸合的原理就可以收缩圆柱副7的三个连杆长度。

所述的躯干部分包括躯干外壳18、第二步进电动机19、电机齿轮21、曲柄22、曲柄齿轮23及第二对电磁铁5，所述第二步进电机19通过电机齿轮21与曲柄齿轮23连接，曲柄22设置在曲柄齿轮23上，第二步进电机19、曲柄齿轮23和曲柄22设置在躯干外壳18内腔，第二对电磁铁5设置在躯干外壳18内腔的前部。

所述躯干部分是利用步进电机作为动力源驱动尾部进行摆动，从而驱动仿生泥鳅水下淤泥探测机器人运动；

具体地，第二步进电动机19带动电机齿轮21转动，电机齿轮21与曲柄齿轮23啮合将动力传动给曲柄22及尾鳍1，从而使尾鳍1进行来回摆动，驱动仿泥鳅的水下淤泥探测机器人向前动作。

所述的尾鳍部分包括尾鳍1，尾鳍1的前端与曲柄22连接，其材料由复合纤维制作而成，便于减轻整个机器人的重量。

还包括通信部分，所述通信部分包括单片机25以及分别与之连接的压电传感器2、电容传感器3、光电式传感器4、温度传感器24、pH值传感器20，通信部分配装在机器人上。

所述的压电传感器2、电容传感器3和光电式传感器4设置在躯干外壳18的一侧，温度传感器24和pH值传感器20设置在躯干外壳18的另一侧，单片机25设置在躯干外壳18的内腔中。

所述压电传感器2主要用于测量淤泥深度，该传感器采用一对共轭式波纹膜片通过焊接组成的一个敏感单元，随着淤泥深度的不断增加，水或淤泥对波纹管的压力逐渐增大，使波纹管发生弹性变形。将变形的信号经单片机25传输到地面接收设备，通过变形量的大小与深度成正比的关系，通过输出的电压和电阻的变化量成线性关系就可以求出真正的淤泥深度。

所述电容传感器3主要用于测量淤泥中水分的含量，利用淤泥中的水含量随介电系数变化而变化的原理来工作，利用电容传感器的两极之间的电荷量，再利用电容量与介电参数变化关系求出介电系数值，经过数模转换器、单片机25处理，将水含量显示到地面接收设备相应程序上。

所述光电式传感器4主要用于测量水下淤泥的密度，淤泥的密度是通过光作用于淤泥孔隙里传输时，光的变化量来检测的。如果淤泥里中孔隙数量足够多时，光源发出的光被淤泥孔隙吸收和折射率增加，传送到微机检测仪的光波变少，通过地面接收设备了解到的光量多少，便可求出淤泥密度。

所述pH值传感器20主要用于测量淤泥中水的酸碱程度，在传感器内部有一个pH值放大器，通过探针与数据采集仪连接，测量淤泥中水分的pH值，将收集到的信号经过放大后，通过数模信号的转换，最后显示到地面接收设备相应软件上。当测量水质是pH=7的中性溶液时，传感器会产生一个电压值（一般为1.75V），每当PH值增加或者减少1，传感器电压值也会随之增加或者减少一定值（一般为0.25V）。从而可以计算出pH值的大小，对于测量海水或者河水污染程度的大小具有重要意义。

所述温度传感器24主要用于测量淤泥中的温度变化情况，它可以把温度脉冲转换为电压脉冲的一种装置，利用温度改变电阻的电导率，从而改变电阻阻值，以获得温度变化的信息的一种传感器。该传感器电阻的温度系数要尽可能的大，且不随温度的改变而改变，以保证测量精度和信号不失真。

单片机25将收集到的信号传输到地面接收设备。

Claims (7)

1.一种仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，包括拱泥头部分、转向关节部分、躯干部分和尾鳍部分，所述转向关节部分中的滚动球铰链前端连接拱泥头部分拱泥头外壳的后端，转向关节部分后端的万向节铰链后端连接躯干部分躯干外壳的前端，尾鳍部分通过曲柄与躯干部分外壳内腔中的曲柄齿轮连接。

2.根据权利要求1所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，所述的拱泥头部分包括锥形拱泥头、拱泥头外壳、第一步进电机、第一对电磁铁、万向联轴器、凸轮、缓冲弹簧和复位弹簧，万向联轴器设置在拱泥头外壳内腔中，万向联轴器后端通过缓冲弹簧与拱泥头外壳后端连接，万向联轴器前端连接凸轮，凸轮与设置在拱泥头外壳前端的锥形拱泥头连接；凸轮与第一步进电机连接，凸轮作用在万向联轴器的活动端上，凸轮通过复位弹簧与拱泥头外壳内壁连接，第一对电磁铁设置在拱泥头外壳内腔的后部。

3.根据权利要求1所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，所述的转向关节部分包括滚动球铰链、圆柱副及万向节铰链，万向节铰链的前端连接圆柱副的后端，圆柱副前端连接滚动球铰链的后端。

4.根据权利要求1所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，所述的躯干部分包括躯干外壳、第二步进电动机、电机齿轮、曲柄、曲柄齿轮及第二对电磁铁，所述第二步进电机通过电机齿轮与曲柄齿轮连接，曲柄设置在曲柄齿轮上，第二步进电机、曲柄齿轮和曲柄设置在躯干外壳内腔，第二对电磁铁设置在躯干外壳内腔的前部。

5.根据权利要求1所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，所述的尾鳍部分包括尾鳍，尾鳍的前端与曲柄连接。

6.根据权利要求1所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，还包括通信部分，所述通信部分包括单片机以及分别与之连接的压电传感器、电容传感器、光电式传感器、温度传感器、pH值传感器，通信部分配装在机器人上。

7.根据权利要求6所述的仿泥鳅的水下淤泥探测机器人，其特征在于，所述的压电传感器、电容传感器和光电式传感器设置在躯干外壳的一侧，温度传感器和pH值传感器设置在躯干外壳的另一侧，单片机设置在躯干外壳的内腔中。