CN106828842B - 一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人 - Google Patents

一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人 Download PDF

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Abstract

一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人，它涉及一种水母机器人，具体涉及一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人。本发明为了解决现有仿生水母机器人效率低、噪音大、操控性差的问题。本发明包括壳体组件、电磁肌肉仿生驱动机构、尾部触手舵机构、四个浮沉水舱和四个水泵，所述电磁肌肉仿生腔体设置在所述壳体组件内，所述电磁肌肉仿生驱动机构的两侧分别各设有两个浮沉水舱，每个所述浮沉水舱内均设有一个水泵，所述尾部触手舵机构安装在所述壳体组件的下表面。本发明属于机器人领域。

Description

一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人
技术领域
本发明涉及一种水母机器人，具体涉及一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人，属于机器人领域。
背景技术
水下无人航行机器人作为一种海上力量倍增器，在科考和军事方面均具有重要用途，例如，科学考察方面，水下无人航行器可执行气象学、海洋学等方面的监测和考察，在军事上可以执行扫雷、侦查、情报搜集、辅助通讯和导航、反潜作战等多项重要军事任务。自进入21世纪以来，水下无人航行器已逐渐的成为了各国海洋航行器领域研究的焦点。
对于水下无人航行器，水下推进技术是一个焦点问题，例如推进效率影响到了携带有限动力情况下的续航问题，推进噪音影响到了水下航行器的隐蔽性等。目前，常见的水下推进方式有螺旋桨推进和喷水推进两种，在小型航行器上，螺旋桨推进的应用则更为普遍，但螺旋桨和喷水推进器其本身都存在一定的不足，例如结构尺寸较大，推进效率相对较低，噪音相对较大隐蔽性较差等问题。
海洋中的生物经过长时间的选择和进化，拥有更加适应自然的推进方式，它们能够利用较低的能耗长距离航行，这种特性给了我们仿生推进的启发。仿生推进主要是对水中生物各种运动方式来设计推进装置，仿生鱼、仿生柔性鳍等仿生推进方式相继走入了研究者的视野，目前研究比较多的仿生推进方式主要是鱼类的波动运动和摆动运动，对水母的仿生还大多集中在运动模式的还原再现上。
本发明分析了水母运动吸喷水推进运动的特点，设计了一种基于电磁铁与弹性膜驱动的仿生水母机器人，具有效率高、噪音小的特点。
发明内容
本发明为解决现有仿生水母机器人效率低、噪音大、操控性差的问题，进而提出一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括壳体组件、电磁肌肉仿生驱动机构、尾部触手舵机构、四个浮沉水舱和四个水泵，所述电磁肌肉仿生腔体设置在所述壳体组件内，所述电磁肌肉仿生驱动机构的两侧分别各设有两个浮沉水舱，每个所述浮沉水舱内均设有一个水泵，所述尾部触手舵机构安装在所述壳体组件的下表面。
本发明的有益效果是：特殊的外部结构设计使得水母机器人前进方向运动阻尼较小倒车方向运动阻尼较大，加之电磁铁的分级通电，有效避免了仿生腔体吸水时水母机器人可能产生的倒车运动，推拉式电磁铁和弹性橡胶膜组成的推进模块还原了水母伞状体喷水推进的原理，且电磁铁驱动方式相比传统推进的电机驱动更加安静。尾部触手舵机构还原再现了水母触手提供转向力矩的矢量推进方式，使水母机器人在水中运动更加灵活。
附图说明
图1是本发明的原理结构图；图2是本发明的吸水极限状态图；图3是推拉式电磁铁连接方式图；图4是顶封板和底封板结构图；图5是本发明的结构透视图；图6是内层壳体内部舱室划分结构图；图7是尾部触手舵机构结构图；图8是从动触手支架结构图；图9是推力环结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人包括壳体组件、电磁肌肉仿生驱动机构、尾部触手舵机构、四个浮沉水舱和四个水泵5，所述电磁肌肉仿生腔体设置在所述壳体组件内，所述电磁肌肉仿生驱动机构的两侧分别各设有两个浮沉水舱，每个所述浮沉水舱内均设有一个水泵5，所述尾部触手舵机构安装在所述壳体组件的下表面。
沉浮水舱通过一个纵向舱壁10和一个横向舱壁9隔开，每个舱内置有双向水泵5，可以对舱内进行注水和排水，舱室内部通过输水管6连接至外部水域，输水管6布置在内外层壳体之间。通过对舱室同时进行注水和排水可以实现水母机器人在水中的沉浮运动，通过四个舱室不同步缓慢注水可以实现水母机器人在水中漂浮姿态的控制。
具体实施方式二：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人的壳体组件包括外层壳体1和内层壳体2，外层壳体1套装在内层壳体2上。外层壳体1由半球壳和流线型截面圆管组成，外层壳体1与内层壳体2之间形成一个环状凹陷，由助于增大水母机器人倒车运动流体阻尼。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人的电磁肌肉仿生驱动机构包括圆柱舱壁、四个电磁铁组、弹性橡胶膜4、顶封板7、刚性绳8、底封板16和多个定滑轮18，所述圆柱舱壁竖直设置在内层壳体2内，所述圆柱舱壁、顶封板7、底封板16组成电磁肌肉仿生腔体，四个所述电磁铁组设置在所述电磁肌肉仿生腔体内，弹性橡胶膜4设置在内层壳体2内，且弹性橡胶膜4位于所述电磁肌肉仿生腔体的下方，四个所述电磁铁组由刚性绳8依次串联，顶封板7和底封板16上设有多个圆孔，每个所述圆孔内均设有一个定滑轮18，刚性绳8依次绕过多个定滑轮18，底封板16设有四个方形孔，每组所述电磁铁组均穿过相应的一个所述方形孔与弹性橡胶膜4连接。
四个电磁铁组由18个推拉式电磁铁3在机构上串联而成，即前一个电磁铁3外壳连接后一个电磁铁3的推拉杆，在电路上，18个电磁铁分成4小组，分别包含3、4、5、6个电磁铁，每一小组电磁铁3处于一条串联电路中，4小组电磁铁并联为4路进行分别通电；由于腔体内部空间有限，4小组电磁铁3以回龙的形式折叠于腔内，两组之间以刚性绳连接，以定滑轮18作为换向装置。定滑轮18安装在顶封板和底封板的圆孔内，直径与板厚相同。四个电磁铁组围绕水母主轴线呈中心对称分布，电磁铁3通过底封板16上的方形孔与弹性橡胶膜4四点相连。首先以一定时间间隔为电磁铁组分级通电，电磁铁3收缩，弹性橡胶膜4在电磁铁3的牵引下向腔内拉伸，同时将水吸入腔内，由于电磁铁3的分级通电，使得腔内进水的速度较慢，由吸水产生的与前进方向相反的力较小，无法克服水母的倒车运动的流体阻尼，避免了水母因抽水而引起的倒车运动。完成吸水后，弹性橡胶膜4处于拉伸状态，为所有电磁铁3进行同时瞬间断电，弹性膜4在内部应力以及推拉式电磁铁拉杆和外壳之间的弹簧的作用下快速回弹，将腔体内部的水迅速喷出，实现水母运动的推进。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人的尾部触手舵机构包括两个步进电机11、两个主动触手12、两个从动触手13、推力环14、柔性围裙15和从动触手支架17，两个步进电机11和两个从动触手支架17沿圆周方向间隔设置在内层壳体2的底部，每个主动触手12分别与一个步进电机11连接，每个从动触手13分别与一个从动触手支架17连接，主动触手12和从动触手13均与推力环14连接，柔性围裙15包裹在主动触手12和从动触手13的外围。
水母机器人在运动方向上的转向由尾部触手舵机构提供。尾部舵机构由两个步进电机11、两个主动触手12、两个从动触手13、两个从动触手支架17、推力环14及柔性围裙15组成，两个步进电机11对称安装在内层壳体2圆柱段末端，从动触手支架17也对称安装在内层壳体2圆柱段末端，步进电机11与从动触手支架17相互之间夹角为90°，主动触手12呈一方形立柱，上端开有圆孔，与步进电机11主轴连接，下端设有转轴和推力环连接，从动触手13形状与主动触手12相同，其上端圆孔与从动触手支架17上的轴连接，下端转轴与推力环连接，柔性围裙15包裹在触手外围。步进电机11主轴旋转某一角度，带动主动触手旋转，主动触手通过推力环带动从动触手旋转，使得柔性围裙围城的喷管指向改变，当电磁仿生腔体进行喷水时，出水的方向改变，对水母机器人产生力矩作用，使水母机器人转向。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人，它包括壳体组件、电磁肌肉仿生驱动机构、尾部触手舵机构、四个浮沉水舱和四个水泵(5)，所述电磁肌肉仿生腔体设置在所述壳体组件内，所述电磁肌肉仿生驱动机构的两侧分别各设有两个浮沉水舱，每个所述浮沉水舱内均设有一个水泵(5)，所述尾部触手舵机构安装在所述壳体组件的下表面；其特征在于：所述电磁肌肉仿生驱动机构包括圆柱舱壁、四个电磁铁组、弹性橡胶膜(4)、顶封板(7)、刚性绳(8)、底封板(16)和多个定滑轮(18)，所述圆柱舱壁竖直设置在内层壳体(2)内，所述圆柱舱壁、顶封板(7)、底封板(16)组成电磁肌肉仿生腔体，四个所述电磁铁组设置在所述电磁肌肉仿生腔体内，弹性橡胶膜(4)设置在内层壳体(2)内，且弹性橡胶膜(4)位于所述电磁肌肉仿生腔体的下方，四个所述电磁铁组由刚性绳(8)依次串联，顶封板(7)和底封板(16)上设有多个圆孔，每个所述圆孔内均设有一个定滑轮(18)，刚性绳(8)依次绕过多个定滑轮(18)，底封板(16)设有四个方形孔，每组所述电磁铁组均穿过相应的一个所述方形孔与弹性橡胶膜(4)连接。
2.根据权利要求1所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人，其特征在于：所述壳体组件包括外层壳体(1)和内层壳体(2)，外层壳体(1)套装在内层壳体(2)上。
3.根据权利要求1或2所述一种电磁肌肉仿生腔体膜水母机器人，其特征在于：所述尾部触手舵机构包括两个步进电机(11)、两个主动触手(12)、两个从动触手(13)、推力环(14)、柔性围裙(15)和从动触手支架(17)，两个步进电机(11)和两个从动触手支架(17)沿圆周方向间隔设置在内层壳体(2)的底部，每个主动触手(12)分别与一个步进电机(11)连接，每个从动触手(13)分别与一个从动触手支架(17)连接，主动触手(12)和从动触手(13)均与推力环(14)连接，柔性围裙(15)包裹在主动触手(12)和从动触手(13)的外围。
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