CN107031807A - 一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人 - Google Patents

一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，包括上端的密封舱、下端的固定装置，以及控制单元、软体推进单元；所述密封舱与固定装置固接；所述软体推进单元包括软体触手和与软体触手相连的管道；所述软体触手均匀固定安装在固定装置上端的一周，作为整个机器人的柔性驱动器；所述控制单元，用于控制经管道对软体触手提供或切断有压力的流体，以使单个或多个软体触手产生变形以使整个机器人产生变向或运动；本发明通过软体触手模拟水母的触手舒展与收缩，软体触手变形幅度大，驱动力强，效率高，有良好的应用前景。

Description

一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人
技术领域
本发明属于仿生水下机器人领域，特别是一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人。
背景技术
水下推进技术在海上运输方面占据很重要的地位，而目前最主要的水下推进技术仍以螺旋桨推进为主。传统的螺旋桨推进技术具有推进效率低，噪音大，能源利用率低等明显的缺点。为了克服螺旋桨式水下推进的缺点，仿生水下推进技术正在成为近年来人们研究的热点。水下生物经过数亿年的进化，已具备了低耗能，高效率等能力。水下生物的驱动模式大致可分为三类：身体/尾鳍驱动模式(BCA)，中间/对鳍驱动模式(MPA)，喷射推进模式(JET)。尾鳍驱动模式推进效率高，但其机动性差。对鳍驱动模式机动性好但推进效率较低。而喷射推进模式机动性与推进效率都比较高。水母是运用喷射推进装置的典型代表，所以国内外针对水母的游动特点研制出多款仿生机器水母。
申请号为201410403989.0发明名称为“一种并联机械手臂驱动的仿生水母机器人”的专利，他提出了一种采用电机作为驱动本体，通过带动并联机械手臂来模拟水母的收缩与舒张的过程，由于采用连杆机构，其结构较为复杂，且并无换向功能，其机动性较差。
申请号为201410583170.7发明名称为“内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置”的专利，它提出了一种以柔性压电纤维复合材料作为驱动，通过给压电材料供断电，来实现触手的收缩与舒张。由于其采用压电材料，其变形量有限，且智能材料的机理研究有待完善，驱动力无法达到实用级别。
目前，仿生水下推进装置主要有采用电机驱动刚性机械结构和电控柔性智能材料两种。采用电机驱动特定的机械结构的仿生水下推进装置，其特点主要有高驱动力，但由于其刚性结构的限制，运动副的位置受到刚性结构件的制约，载荷突变易造成构件损坏，整个装置的尺寸也受到电机及刚性结构件的尺寸和重量的限制。采用智能材料驱动的仿生水下推进装置，可控参数多，但驱动力不足，且需要复杂的驱动电路，当驱动力需求较大时，智能材料的形变无法达到要求。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，解决了现有仿生水母机器人存在负载能力较弱、控制系统复杂、运动效率低、转向不灵活等问题。实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，包括上端的密封舱、下端的固定装置，以及控制单元、软体推进单元；所述密封舱与固定装置固接；所述软体推进单元包括软体触手和与软体触手相连的管道；所述软体触手的数量为N(N≥3)，均匀固定安装在固定装置上端的一周，作为整个机器人的柔性驱动器；所述控制单元，用于控制经管道对软体触手提供或切断有压力的流体，以使单个或多个软体触手产生变形以使整个机器人产生变向或运动。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明通过软体触手模拟水母的触手舒展与收缩，软体触手变形幅度大，驱动力强，效率高，仿生效果明显。
(2)本发明的转向灵活度极高，可控制任意单个或多个触手弯曲直至达到目标角度。
(3)本发明的密封舱处为中空结构，可为整个机器人提供较大浮力。
(4)本机器人可在底部载物板处搭载小型机械手爪等，集成夹持采样功能等各种水下作业模块；在密封舱内安装摄像头用于水下拍照取样等，用途广泛，兼容性好。
(5)本发明的机器人相比于采用电机驱动驱动的水下推进装置，具有结构简单，柔性大的优点；且相比于采用智能材料驱动的水下装置，具有电路简单，控制系统方便等优点。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的整体外观俯视图。
图3为本发明软体推进单元收拢(软体触手伸张)状态结构示意图。
图4为软体触手自然状态剖面结构示意图。
图5为软体触手伸张状态剖面结构示意图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图3，本发明的一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，包括上端的密封舱、下端的固定装置，以及控制单元、软体推进单元；所述密封舱与固定装置固接；所述软体推进单元包括软体触手11和与软体触手11相连的管道10；所述软体触手11的数量为N(N≥3)，均匀固定安装在固定装置上端的一周，作为整个机器人的柔性驱动器；所述控制单元，用于控制经管道10对软体触手11提供或切断有压力的流体，以使单个或多个软体触手11产生变形以使整个机器人产生变向或运动。
进一步的，所述密封舱包括密封盖1、固定板5；所述密封盖1与固定板5固接；密封盖1为半球形结构，固定板5为圆盘结构，密封盖1与固定板5之间形成中空的密封舱，可对安装在其内的电器起到防水保护作用，且也可为整个机器人提供较大浮力；密封盖1与固定板5之间采用胶粘及密封圈密封。
进一步的，所述密封舱内还安装有摄像头2，以便对机器人的水下工作状态实时监控或水下场景进行录像。
所述固定装置包括上端的支撑板12、下端的载物板14，所述支撑板12与载物板14固接；支撑板12的上端与固定板5固接；
优选的，所述支撑板12为回转体结构，软体触手11均匀安装在支撑板12的一周；支撑板12也可根据软体触手11的数量设置为多边形腔体或其他形状的结构。
优选的，为了便于安装和拆卸方便，所述支撑板12为L形回转体结构，固定板5和支撑板12之间通过双头螺栓8进行固定，以限制固定板5与支撑板12之间的相对转动；同时固定板5下端设有环形凹槽，支撑板12上端安装在固定板5下端的凹槽内，以限制支撑板12的径向移动；
进一步的，所述软体触手11与支撑板12相连端为L形结构，L形结构安装在支撑板12外侧和固定板5之间的环形圆槽内，并通过圆形外壳9或环形卡箍紧固。
所述控制单元包括电源3、控制器4、多通接头6、直流潜水泵15；所电源3、控制器4均安装在密封舱内；所述多通接头6安装在支撑板12内，多通接头6与管道10和直流潜水泵15相连；所述直流潜水泵15固定安装在载物板14内侧；电源3于控制器4相连，控制器4与直流潜水泵15相连；优选的，所述控制器14为单片机，管道10为软管；直流潜水泵15的数量小于或等于软体触手11的数量；通过控制器4，单个直流潜水泵15单独控制单个软体触手11的工作，也可同时控制多个单个软体触手11的工作。
结合图4、图5，进一步的，所述软体触手11包括上端的柔性拉伸层16和下端的不可拉伸层17；所述柔性拉伸层16延其伸长方向间隔设置有M(M≥3)个空腔，所述空间之间设有连通的通道；柔性拉伸层16上端设置间隙将空腔之间进行分隔，同时间隙也为空腔的变形和柔性拉伸层16拉伸留有空间；空腔由于内部压力大于外部压力会膨胀产生大变形，每相邻的两个空腔由于产生横向的大变形，所以横向之间相互挤压使得柔性拉伸层16在横向有较大变形，而不可拉伸层17基本不产生变形，由于两者的变形差使得软体触手11整体产生向下弯曲的效果。
上述空腔截面可选矩形、半圆形、弓形、椭圆、半椭圆等。
进一步的，所述柔性拉伸层16的空腔的横向壁厚(伸长方向)要薄于纵向壁厚，当有压力的流体通入空腔时，空腔由于内部压力大于外部压力会膨胀产生大变形，由于空腔的横向壁厚薄于纵向壁厚，所以空腔变形时会在横向产生较大的变形，每相邻的两个空腔横向之间相互挤压使得柔性拉伸层16在横向有较大变形，产生类似于拉伸效果。
进一步的，柔性拉伸层16的材料为可产生塑性变形的弹性材料，如硅橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、乳胶等，邵氏硬度为10-30。
进一步的，软体触手11的制作过程为：将上述柔性拉伸层16通过模具浇筑而成，再将柔性拉伸层16置于不可拉伸层17的浇筑模具上，通过浇筑不可拉伸层17，使得不可拉伸层17与柔性臂上层16融合。
本发明的一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，基于软体驱动器执行仿生动作，通过控制器4控制直流潜水泵15与电源3之间的通断，当水泵15与电源3通路时，电源3供电，直流潜水泵1将外界的水吸入增压输出，便产生有压力的流体，流体充入软体触手11，软体触手11内部的空腔膨胀，多个空腔之间相互挤压，产生整体弯曲的变形，通过软体触手11的变形来模拟水母触手的弯曲。
触手舒张工作过程：
在舒张阶段，控制器4控制电源3与直流潜水泵15断路，此时直流潜水泵15处于停机状态，内部并无有压力的流体，此时软体触手11内部也无有压力的流体与外部流体压力持平，软体触手11此时处于常态即原始形状，但由于自重会有少许的弯曲。而机器人由于配重略重于水，当其置于水中时处于缓慢下沉状态。
机器人前进过程：
在收缩阶段，控制器4控制使电源3与直流潜水泵15通路，此时直流潜水泵15处于工作状态，直流潜水泵15将外部流体加压吸入，在直流潜水泵15内部形成有压力的流体，直流潜水泵15将有压力的流体注入软体触手11，软体触手11内部的空腔膨胀，多个空腔之间相互挤压，产生整体向下弯曲的变形；多个软体触手111同时向下弯曲来模拟水母的伞状体收拢状态；此时软体触手11下方的水被软体触手11向下方挤压，从而形成向后的水流使机器人向前推进。
机器人转向过程：
当机器人需要转向时，控制器4控制其中单个直流潜水泵15向与转向方向相反的软体触手11中注入有压力的流体，则该软体触手11弯曲产生向下的水流使得水下机器人的一侧受到向前的力，则机器人的躯干转向方向倾斜，角度可达360度即绕自身一周，本机器人的转向方式极其灵活，可控制任意单个或多个软体触手11弯曲直至目标角度。
重复软体触手11的舒张和收缩即可实现水下推进装置的连续前行。本发明通过软体触手11模拟水母的触手舒展与收缩，软体触手变形幅度大，驱动力强，效率高，仿生效果明显；可控制任意单个或多个触手弯曲直至达到目标角度，转向灵活度极高；在密封舱内安装摄像头用于水下拍照取样，也可在载物板14处搭载小型机械手爪等，用途广泛，兼容性好。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，包括上端的密封舱、下端的固定装置，以及控制单元、软体推进单元；所述密封舱与固定装置固接；所述软体推进单元包括软体触手(11)和与软体触手(11)相连的管道(10)；所述软体触手(11)的数量为N(N≥3)，均匀固定安装在固定装置上端的一周，作为整个机器人的柔性驱动器；所述控制单元，用于控制经管道(10)对软体触手(11)提供或切断有压力的流体，以使单个或多个软体触手(11)产生变形以使整个机器人产生变向或运动。
2.如权利要求1所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述密封舱包括密封盖(1)、固定板(5)；所述密封盖(1)与固定板(5)固接；密封盖(1)为半球形结构，固定板(5)为圆盘结构，密封盖(1)与固定板(5)之间形成中空的密封舱。
3.如权利要求1所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述固定装置包括上端的支撑板(12)、下端的载物板(14)，所述支撑板(12)与载物板(14)固接；支撑板(12)的上端与固定板(5)固接。
4.如权利要求3所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述支撑板(12)为L形回转体结构，固定板(5)和支撑板(12)之间通过双头螺栓(17)进行固定，同时固定板(5)下端设有环形凹槽，支撑板(12)上端安装在固定板(5)下端的凹槽内。
5.如权利要求1所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述软体触手(11)固定安装在支撑板(12)上，所述软体触手(11)与支撑板(12)相连端为L形结构，L形结构安装在支撑板(12)外侧和固定板(5)之间的环形圆槽内，并通过圆形外壳(9)或环形卡箍紧固。
6.如权利要求1所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述控制单元包括电源(3)、控制器(4)、多通接头(6)、直流潜水泵(15)；所电源(3)、控制器(4)均安装在密封舱内；所述多通接头(6)安装在支撑板(12)内，多通接头(6)与管道(10)和直流潜水泵(15)相连；所述直流潜水泵(15)固定安装在载物板(14)内侧；电源(3)与控制器(4)相连，控制器(4)与直流潜水泵(15)相连。
7.如权利要求1所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述软体触手(11)包括上端的柔性拉伸层(16)和下端的不可拉伸层(17)；所述柔性拉伸层(16)延其伸长方向间隔设置有M(M≥3)个空腔，所述空间之间设有连通的通道；柔性拉伸层(16)上端设置间隙将空腔之间进行分隔，同时间隙也为空腔的变形和柔性拉伸层(16)拉伸留有空间。
8.如权利要求7所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述柔性拉伸层(16)的空腔的横向壁厚要薄于纵向壁厚。
9.如权利要求7所述一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，其特征在于，所述柔性拉伸层(16)的材料为可产生塑性变形的弹性材料。
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