CN108622347A - 一种仿生柔性臂驱动式潜水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生柔性臂驱动式潜水器，属于潜水机器人技术领域。仿生柔性臂驱动式潜水器包括水密躯体壳，安装在该水密躯体壳的内腔室内的控制单元与电源单元，及受该控制单元控制的浮力调节单元与动力单元；动力单元包括安装在水密躯体壳的尾端部上的柔性驱动臂，柔性驱动臂的数量为三根以上；柔性驱动臂包括柔性臂体及安装在柔性臂体内并用于驱动柔性臂体弯曲变形的致动器，该致动器包括电致变形元件。采用由电致变形元件驱动的柔性臂体作为柔性驱动臂，以仿生章鱼的运动模式，有效地减少运行过程中的噪声，以提高整个潜水器的隐蔽型，可广泛应用于海洋探测等领域。

Description

一种仿生柔性臂驱动式潜水器

技术领域

本发明涉及一种潜水机器人，具体地说，涉及一种仿生柔性臂驱动式潜水器。

背景技术

随着对海洋的探索与认识的深入，开发和利用海洋资源成为主旋律，在复杂多变的海洋环境中，水下机器人将成为开发海洋资源过程中必不可少的设备。

公布号为CN102631786A的专利文献中公开了一种机器章鱼；该机器章鱼包括密封躯体壳，安装在该密封躯体壳内的控制单元与电源单元，及受控制单元控制的浮力调节单元与动力单元；其中，电源单元为其他功能单元的正常工作提供电能，浮力调节单元包括固定在密封躯体壳底部的四个注射器及用于驱动注射器抽水与喷水的驱动电机，动力单元包括四个均匀地固设在密封躯体壳外侧面上水泵。

该机器章鱼在运行过程中，通过控制四个水泵的出水速度，以对整个设备的姿态、转向与速度进行调整，但是四个水泵在整个运行过程中都处于开启状态，噪音较大，不利于潜水器的隐藏；此外，当其需要快速行动时，通常要求四个水泵进行满速地喷射水流，但是此时其难以对姿态进行调整而实现转向。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生柔性臂驱动式潜水器，以减小潜水器的运行噪音。

为了实现上述主要目的，本发明提供的仿生柔性臂驱动式潜水器包括水密躯体壳，安装在该水密躯体壳的内腔室内的控制单元与电源单元，及受该控制单元控制的浮力调节单元与动力单元；动力单元包括安装在水密躯体壳的尾端部上的柔性驱动臂，柔性驱动臂的数量为三根以上；柔性驱动臂包括柔性臂体及安装在柔性臂体内并用于驱动柔性臂体弯曲变形的致动器，该致动器包括电致变形元件。

利用柔性驱动臂仿生章鱼触角而构建动力单元，以实现对整个潜水器的速度、姿态与转向进行调整，且柔性驱动臂的弯曲变形动力由电致变形元件提供，与现有技术中采用多个水泵构建动力单元相比，其运行噪音较低，更利于潜水器运行过程中的隐蔽。

具体的方案为动力单元包括喷射推进单元；喷射推进单元包括安装在内腔室内的气密保护硬壳与双向气泵，套装在气密保护硬壳内的储气囊，喷射推进缸，将喷射推进缸的内腔室分隔成气腔室与水腔室的活塞，及用于启闭水腔室的端口的截止阀；水腔室的端口构成喷射推进单元的水流喷射口；储气囊的端口与双向气泵的一个端口通过管路连通，双向气泵的另一个端口通过管路与气腔室的端口连通；浮力调节单元包括喷射推进缸、活塞、双向气泵、储气囊及用于连通它们的管路。

通过配置储气囊、双向气泵与喷射推进缸，不仅可通过吸水与排水，以实现对该潜水器的浮力进行调节，且可为潜水器地快速行进提供喷射水流；并在该喷射快进的过程中，通过柔性驱动臂控制其姿态与转向，与现有技术中快进动力与转向、姿态调整均来自四个水泵相比，其动作更加灵活。此外，将储气囊置于气密保护硬壳内，不仅可以避免储气囊在吸气排气过程中对周围部件的正常工作造成影响，且可在储气过程中，利用双向气泵在气密保护硬壳内压缩空气而形成高压，以水流喷射快进过程，将气密保护硬壳内的高压气体与双向气泵的施加气压叠加，从而提供超过双向气泵所能提供的喷射水流，进一步提高急速前进时的速度。

更具体的方案为双向气泵为双向变量泵；活塞与气腔室的腔端壁间安装有缓冲弹簧；储气囊为弹性气囊；喷射推进缸固设在水密躯体壳的尾端部上，柔性驱动臂固定在喷射推进缸的尾端部上。通过设置缓冲弹簧，为活塞在喷射水流急进过程中急速移动提供缓冲，有效避免因撞碰缸体而造成损坏。将储气囊设置成弹性气囊，将在储气过程中的一部分能量转换成储气囊的弹性变形能，以在喷射水流急进过程中施加于喷水水流上，有效减少存储在保护硬壳内的压缩气体的压缩量。

优选的方案为水密躯体壳包括左半壳体、右半壳体及压于两个半壳体的拼接端面间的密封条；控制单元与电源单元通过支架固定在左半壳体内，气密保护硬壳与双向气泵通过支架固定在右半壳体内。根据各单元的功能，将设备分成两部分并分别配置在两个半体壳内，不仅便于组装，且比较好地匹配两侧重量的分布。

另一个优选的方案为柔性驱动臂的内侧面上沿其长度方向排列地固设有多个受控制单元控制的吸盘。提高潜水器在水底运动的灵活性，且便于抓取目标物。

更优选的方案为吸盘为气动吸盘，气动吸盘的气端口通过连通管路与气腔室连通，连通管路上串联有受控制单元控制的截止阀。充分利用浮力调节单元对吸盘系统进行控制，有效地减少零部件的数量。

另一个优选的方案为水密躯体壳的前端部上固设有水密透明保护罩，水密透明保护罩内安装有摄像头。便于对目标物进行识别及在行进过程中的导航，比如SLAM导航。

另一个优选的方案为柔性驱动臂的数量为偶数，且环绕水密躯体壳的周向均匀布置或关于水密躯体壳的中心平面面对称布置。

另一个优选的方案为电致变形元件由离子交换聚合金属材料制成或由压电纤维复合材料制成，柔性臂体由聚二甲基硅氧烷或硅胶制成。

再一个优选的方案为至少一根柔性驱动臂内安装有柔性天线。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例在略去柔性驱动臂后的左半体的结构示意图；

图3为本发明实施例在略去柔性驱动臂后的右半体的结构示意图；

图4为本发明实施例中柔性驱动臂的结构示意图；

图5为本发明实施例中安装有天线的柔性驱动臂的结构示意图；

图6为本发明实施例中柔性驱动臂上致动器的工作原理示意图；

图7为本发明实施例的仰视示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本仿生柔性臂驱动式潜水器1包括水密躯体壳2、控制单元10、电源单元11、水密地固设在水密躯体壳2的前端部上的水密透明保护罩12、安装水密透明保护罩12内的摄像头13及受控制单元10控制的浮力调节单元与动力单元，电源单元11为整个潜水器的正常工作提供电能，控制单元10与电源单元11均安装在水密躯体壳2的内腔室内。

水密躯体壳2为两端封闭的圆筒状壳体结构，由高强度的钛合金材料制成，包括左半壳体21、右半壳体22及压于两个半壳体的拼接端面间的密封条。水密透明保护罩12为半球壳结构，由高强度的有机玻璃材料制成，在水密躯体壳2的前端部的中心位置设有用于安装线路的通孔201，摄像头13为360度摄像头，用于对目标物进行目标识别并提供SLAM导航等。水密躯体壳2与水密透明保护罩12的具体尺寸根据实际工况进行选择，在本实施例中，水密透明保护罩12的外径为60毫米，厚度为5毫米；水密躯体壳2的外径为80毫米，高度为80毫米，厚度为5毫米。

动力单元包括安装在水密躯体壳2的尾端部上的六根柔性驱动臂31至36，及为整个潜水器的急速快进提供急速喷射水流的喷射推进单元。

如图2及图3所示，喷射推进单元包括安装在右半壳体22的内腔室220内的气密保护硬壳41、双向气泵42与泵驱动电机43，套装在气密保护硬壳41内的储气囊44，水密地固设在水密躯体壳2的尾端部上的喷射推进缸5，将喷射推进缸5的内腔室50分隔成气腔室501与水腔室502的活塞45，及用于启闭水腔室502的端口5021的截止阀46。截止阀46在闭合状态时用于保压。

其中，储气囊44为弹性气囊，双向气泵42为双向变量泵，储气囊44的端口通过管路47与双向气泵42的一个端口连通，双向气泵42的另一个端口通过管路48与气腔室501的端口连通；管路48穿过设于水密躯体壳2的尾端部的中心通孔202，且与中心通孔202气密配合地固定连接。活塞45可沿轴向往复移动地安装在喷射推进缸5内，且在活塞45与气腔室501的腔端壁5010间安装有多根缓冲弹簧49，以有效地减少活塞45在急速压缩水腔室502内的水体的过程中，急速碰撞水腔室502的腔底面5021而造成活塞45或缸体损坏，并在喷射推进缸5的相应位置设置用于检测活塞45的到位检测传感器。在本实施例中，喷射推进缸5采用高强度的钛合金材料制成，具体尺寸为外径为60毫米，高度为20毫米，厚度为5毫米；端口5021的外径为9毫米，厚度为2毫米。

为了便于制造中的组装及平衡整体重量的分布，水密躯体壳2、水密透明保护罩12与喷射推进缸5均关于中心轴线101中心对称布置，控制单元10与电源单元11通过板状支架固定在左半壳体21的内腔室210内，而气密保护硬壳41、双向气泵42及泵电机43通过板状支架固定在右半壳体22内。其中，气密保护硬壳41用于防止储气囊44的变形对水密躯体壳2的内腔室内的其他部件带来影响，控制单元10的电路板通过螺栓固定在板状支架上，电源单元11的电池组通过扎带固定在板状支架上。

在工作过程中，控制单元10控制泵电机43驱动双向气泵42工作且控制截止阀46打开，以向储气囊44泵入气体，气腔室501内的气体减少而气压降低，并在外界水压的作用下，水流被从端口5021压入水腔室502内并推动活塞45压缩气腔室501的容积；此时，膨胀的储气囊44压缩位于气密保护硬壳41内的气体，使往外挤压气体的能量被存储在气密保护硬壳41的高压气体内、储气囊44内的高压气体内及变形的弹性储气囊44内，且由于潜水器的整体密度增加而能更好地潜入水底中；在完成吸入水流后，控制截止阀46关闭端口5021以保压。若要进行喷射水流以急速前进，则控制截止阀46打开端口5021，双向气泵42反转向外泵出气流，且利用存储在高压气体与弹性气囊上的能量推动气流高速挤出，从而推动活塞45急速朝挤压水腔室502的方向移动，以使存储在水腔室内的水体被以急速水流的方式从端口5021挤出，即该端口5021构成喷射推进单元的水流喷射口；此时，整个潜水器由于重力减少而便于浮出水面。当然，可利用存储在高压气体与弹性气囊上的能量推动气流高速挤出，从而可将双向气泵42作为一个开关打开即可。

即本潜水器的浮力调节单元包括喷射推进缸5、活塞45、双向气泵42、泵电机43、储气囊44及用于连通它们的管路47、48。以在本实施例中，浮力调节单元和喷射推进单元是由相同部件组成，这种设计提高了潜水器的空间使用，亦能降低其重量。

如图1、图4及图5所示，柔性驱动臂33至36的结构与柔性驱动臂31的结构完全相同，以柔性驱动臂31的结构为例进行说明，柔性驱动臂31包括柔性臂体310及被包裹在柔性臂体310内并用于驱动柔性臂体310弯曲变形的致动器311，致动器311为由离子交换聚合金属材料(IPMC)或压电纤维复合材料制成的电致变形元件。如图6所示，在外加电压的作用下，电致变形元件将产生弯曲变形，将带动包裹在其外的柔性臂体310同步弯曲变形；若在交变电压的作用下，柔性驱动臂31将在相对方向上交替摆动，以实现往复地弯曲变形摆动而拍打水体，从而模仿生物臂的拍水运动，例如章鱼触角，以实现对潜水器的推进，并可通过控制不同柔性驱动臂之间的摆动相位、弯曲速度而对整个潜水器形成一定的转矩而改变其姿态、速度与转向。在柔性臂体310的内侧面上沿其长度方向排列地固设有多个吸盘312，用于抓取目标物体。

柔性驱动臂32的结构与柔性驱动臂31的结构基本相同，也包括柔性臂体320、安装在柔性臂体320内并用于驱动柔性臂体320弯曲变形的致动器321及布置在内侧面上的一排吸盘322，只是在柔性臂体320内埋有一根柔性天线323，便于潜水器在海面与卫星通讯以实现数据下载和运动定位，柔性天线323具体采用长条状的微带天线，其与潜水器的通信模块电连接。

在本实施例中，柔性臂体由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅胶制成，整体大致为长条状的锥台结构，总体高度为85毫米，顶部直径10毫米，底部直径为4毫米。

对于吸盘，以具有极佳吸附性能的海洋生物皱纹盘鲍为仿生原型，整体形状呈漏斗形，底部表面分布有直径为0.5微米、长度为3.5微米、密度为55根/平方微米的柔性纤维，以实现仿生吸附和目标捕获功能。当然了，可将吸盘设置为气动吸盘，该气动吸盘的气端口通过连通管路与气腔室501连通，且在该连通管路上串联有受控制单元10控制的截止阀，具体工作过程为，在截止阀46关闭端口5021后，使气腔室501的容积保持稳定，就通过双向气泵42控制气动吸盘的吸附或释放，并通过设在连通管上的截止阀截止而将气动吸盘保持为吸附状态或释放状态。

在上述部件中，水密透明保护罩12与水密躯体壳2间采用法兰盘与O型圈进行密封连接，水密躯体壳2与喷射推进缸5也采用法兰盘与O型圈进行密封连接。如图7所示，六条柔性驱动臂关于中心平面102面对称布置，且在中心面一侧的三根柔性驱动臂之间，相邻两者间的夹角相等，柔性驱动臂的顶端部固设在喷射推进缸5的尾端部上，且喷射推进缸53与六条柔性臂均采用环氧树脂罐封连接。当然了，可将六根柔性驱动臂设置成环绕水密躯体壳2的周向均匀布置。此外，可将柔性驱动臂设置成在大于预定拉力作用下而从连接处断落地安装在喷射推进缸5的尾端部上，从而可利用喷射水流提供的大拉力，以使整个潜水器与被缠住的柔性驱动臂分离而摆脱困局，具体的方案为，将连接处设置成在大于该预定拉力下回断裂，且导线通过插接件可拆卸地连接。

如图7所示，在工作过程中，对柔性驱动臂31、33、34和36的电致变形元件施加电压的方向为径向，而对柔性驱动臂32和35的电致变形元件施加电压方向为切向，从而可通过六条柔性驱动臂驱动潜水器在6个自由度上运动，具体控制为：

(1)使用交变电源，控制柔性驱动臂31、32、33和34、35、36以相同频率、从相同初相位开始运动，实现潜水器的前进运动。通过控制驱动电压的大小和频率，可以调节前进速率。

(2)使用交变电源，控制柔性驱动臂31和36以相同频率、从相同初相位开始运动，实现潜水器的下潜运动。通过控制驱动电压的大小和频率，可以调节下潜速率。

(3)使用交变电源，控制柔性驱动臂33和34以相同频率、从相同初相位开始运动，实现潜水器的抬升运动。通过控制驱动电压的大小和频率，可以调节抬升速率。

(4)使用交变电源，控制柔性驱动臂31、32、33以相同频率、从相同初相位开始运动，实现潜水器的左转运动；相反，控制柔性驱动臂34、35、36以相同频率、从相同初相位开始运动，实现潜水器的右转运动。通过控制驱动电压的大小和频率，可以调节相应的运动速率。

(5)使用直流电源，并保证高电压和零压按合适的频率交替出现，控制柔性驱动臂32和35以相同频率，从相反初相位开始运动，实现潜水器的纵向旋转运动。通过控制驱动电压的大小和频率，可调节旋转速率。

为了提高本发明潜水器在水中的运动性能，整体外表面为流线型结构。

Claims (10)

1.一种仿生柔性臂驱动式潜水器，包括水密躯体壳，安装在所述水密躯体壳的内腔室内的控制单元与电源单元，及受所述控制单元控制的浮力调节单元与动力单元；

其特征在于：

所述动力单元包括安装在所述水密躯体壳的尾端部上的柔性驱动臂，所述柔性驱动臂的数量为三根以上；

所述柔性驱动臂包括柔性臂体及安装在所述柔性臂体内并用于驱动所述柔性臂体弯曲变形的致动器，所述致动器包括电致变形元件。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述动力单元包括喷射推进单元；所述喷射推进单元包括安装在所述内腔室内的气密保护硬壳与双向气泵，套装在所述气密保护硬壳内的储气囊，喷射推进缸，将所述喷射推进缸的内腔室分隔成气腔室与水腔室的活塞，及用于启闭所述水腔室的端口的截止阀；所述水腔室的端口构成所述喷射推进单元的水流喷射口；

所述储气囊的端口与所述双向气泵的一个端口通过管路连通，所述双向气泵的另一个端口通过管路与所述气腔室的端口连通；

所述浮力调节单元包括所述喷射推进缸、所述活塞、所述双向气泵、所述储气囊及用于连通它们的管路。

3.根据权利要求2所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述双向气泵为双向变量泵；所述活塞与所述气腔室的腔端壁间安装有缓冲弹簧；所述储气囊为弹性气囊；

所述喷射推进缸固设在所述水密躯体壳的尾端部上，所述柔性驱动臂固定在所述喷射推进缸的尾端部上。

4.根据权利要求2或3所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述水密躯体壳包括左半壳体、右半壳体及压于两个半壳体的拼接端面间的密封条；

所述控制单元与所述电源单元通过支架固定在所述左半壳体内，所述气密保护硬壳与所述双向气泵通过支架固定在所述右半壳体内。

5.根据权利要求2至4任一项权利要求所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述柔性驱动臂的内侧面上沿其长度方向排列地固设有多个受所述控制单元控制的吸盘。

6.根据权利要求5所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述吸盘为气动吸盘，所述气动吸盘的气端口通过连通管路与所述气腔室连通，所述连通管路上串联有受所述控制单元控制的截止阀。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述水密躯体壳的前端部上固设有水密透明保护罩，所述水密透明保护罩内安装有摄像头。

8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述柔性驱动臂的数量为偶数，且环绕所述水密躯体壳的周向均匀布置或关于所述水密躯体壳的中心平面面对称布置。

9.根据权利要求1至8任一项权利要求所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

所述电致变形元件由离子交换聚合金属材料制成或由压电纤维复合材料制成，所述柔性臂体由聚二甲基硅氧烷或硅胶制成。

10.根据权利要求1至9任一项权利要求所述的仿生柔性臂驱动式潜水器，其特征在于：

至少一根所述柔性驱动臂内安装有柔性天线。