CN108860530B - 一种基于射流推进的仿生扇贝机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，包括外壳、外壳连接件、电机、弹簧、柔性薄板、相应电路模块；两个外壳由外壳连接件用销钉连接，并可绕销钉自由转动；外壳连接件上固定有电机；电机前端安有转臂；转臂的两端设有轴承；外壳的内部设有光滑凸台、转向装置、弹簧固定件和柔性薄板固定板；光滑凸台由台身和台盖组成，内部有较大空间，用于放置相应电路模块；转向装置由驱动器和阻挡装置组成；弹簧固定件的中心设有通孔，弹簧的两端可穿过通孔并被固定在弹簧固定件上。本发明能有效提高射流推进的效率和连续性，并大幅提升射流推进的转向能力等游动性能，可轻松实现零转弯半径转向，并具有低噪音、小扰动以及高隐身的特性。

Description

一种基于射流推进的仿生扇贝机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种水下仿生机器人，具体涉及一种基于射流推进的仿生扇贝机器人。

背景技术

在海洋探测和开采的各种技术中，水下仿生机器人是其中最为重要的组成部分之一。它们在水质检测、水下资源勘探、海底火山监测、水下搜救以及军事领域中都有着非常重要的应用前景。水下仿生机器人主要分为身体尾鳍推进式、中央鳍对鳍推进式和射流式三大类。传统的射流式由于运动连续性差、运动效率低、转向能力弱而无法取得非常好的运动效果。扇贝是一种非常独特的水生生物，拥有一种很特殊的喷流推进形式。传统的喷流推进形式比如头足类生物或其他贝类均是从一端吸水再从同一端喷水，因此限制了运动连续性。而扇贝从前端吸水后会从尾端喷水，极大提高了运动连续性与运动效率。而尾端两侧的两个射流口形成的不对称射流又可以让扇贝实现甚至是零转弯半径的自由转向。以扇贝为仿生对象而成功研制的仿生扇贝机器人克服了传统射流推进的几大弊端，成功提高了射流式机器人的运动连续性、运动效率与转向能力，可轻松实现零转弯半径转向，并具有低噪音、小扰动以及高隐身的特性，为水下仿生机器人提供了全新的思路，对射流这种推进形式的研究亦具有重要的意义。在军事、海底设施维护、水产养殖、考古寻宝、摄影、VR体验等诸多方面均有着非常丰富的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种全新的射流推进机器人的形式，并解决上述现有技术存在的问题，提高了射流式机器人的运动连续性、运动效率与转向能力，可轻松实现零转弯半径转向，并具有低噪音、小扰动以及高隐身的特性，为水下仿生机器人提供了全新的思路，对射流这种推进形式的研究亦具有重要的意义，在军事、海底设施维护、水产养殖、考古寻宝、摄影、VR体验等诸多方面均有着非常丰富的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，包括外壳、外壳连接件、电机、弹簧、柔性薄板、相应电路模块；两个外壳由外壳连接件用销钉连接，并可绕销钉自由转动；外壳连接件上固定有电机；电机前端安有转臂；转臂的两端设有轴承；外壳的内部设有光滑凸台、转向装置、弹簧固定件和柔性薄板固定板；光滑凸台由台身和台盖组成，内部有较大空间，用于放置相应电路模块；弹簧固定件的中心设有通孔，弹簧的两端可穿过通孔并被固定在弹簧固定件上；柔性薄板固定在柔性薄板固定板上；相应电路模块包括电路板、电源及控制模块，用于控制机器人的启停、前进速度与转向。

其中，外壳连接件的尾部的上下两端均设有通孔，两个外壳的尾部也设有同样尺寸的通孔，可用销钉将外壳与外壳连接件连接起来，并且外壳可绕销钉自由转动，实现开合运动。

其中，外壳连接件的前部设有环状套筒结构，电机刚好可以放置在套筒内并被固定。

其中，电机在工作过程中带动转臂旋转，当转臂旋转到特定位置时，转臂两端设置的轴承会与光滑凸台的台盖接触，随着转臂的旋转，光滑凸台被轴承撑开，两个贝壳也随即被打开。

其中，光滑凸台由台身与台盖组成，台盖与台身过盈配合，便于台盖的安装与拆卸。

其中，盖上台盖后，光滑凸台内部有较大的相对封闭的空间，相应电路模块放置在其中。

其中，光滑凸台的台身设有数个通孔，便于电路模块的线路与电机和转向模块的联接。

其中，外壳的内部设有转向装置，转向装置由驱动器和阻挡装置组成。

其中，弹簧的两端分别连接在两个外壳的弹簧固定件上，并设有适当的预紧力。

其中，柔性薄板通过胶粘或机械连接等形式固定在柔性薄板固定板上，两个外壳的柔性固定板上均可固定柔性薄板，也可只固定一片柔性薄板在任意一个外壳上。

本发明的优点及积极效果为：

1、本发明通过柔性薄板的特殊设计使得水流实现了单向运动，即从扇贝机器人的前侧吸水并从后侧喷水，结构简单、稳定高效；

2、本发明通过转臂的设计提高了扇贝机器人开合的速度；

3、本发明通过改变不同的光滑凸台的结构可以控制机器人的占空比，方法简单，便于研究和实验；

4、本发明克服了传统射流推进的几大弊端，成功提高了射流式机器人的运动连续性、运动效率与转向能力，可轻松实现零转弯半径转向，并具有低噪音、小扰动以及高隐身的特性，为水下仿生机器人提供了全新的思路，对射流这种推进形式的研究亦具有重要的意义。而且其结构简单，设计新颖，成本极低，可用于批量生产，易于工程化和实用化。

5、本发明提供的基于射流推进的仿生扇贝机器人具有非常丰富的应用前景。军事上，在侦测、勘探、反水雷、检查维修、爆破、偷袭等重要军事领域可发挥出重要作用；在政府的非军用层面上，本发明在勘探、寻宝、考古，船舶、核电、水电、码头、水下管道、电缆的检测维修，动植物保护，水下救援等等非常广泛的方面均有着重要应用价值；在娱乐消费领域，本发明在游艇、船只、水下娱乐项目、水下酒店、海洋馆的定期检查，水产养殖和海洋观测观光，捕鱼，VR体验等方面均有着非常丰富的应用前景。本发明还能够做为“潜水伴侣”给潜水和摄影爱好者更好的体验，并帮助找到更合适、更安全、景色更好的潜水位置。

附图说明

图1为本发明基于射流推进的仿生扇贝机器人打开状态的结构示意图(视角1)；

图2为本发明基于射流推进的仿生扇贝机器人打开状态的结构示意图(视角2)；

图3为本发明基于射流推进的仿生扇贝机器人闭合状态的结构示意图(视角1)；

图4为本发明基于射流推进的仿生扇贝机器人闭合状态的结构示意图(视角2)；

图5为外壳连接件；

图6为外壳连接件和电机模块的整体示意图；

图7为一个外壳(视角1)；

图8为一个外壳(视角2)；

其中：1为外壳、11为光滑凸台、12为光滑凸台的台身、13为光滑凸台的台盖、14为光滑凸台的通孔、15为转向装置、16为弹簧固定件、17为柔性薄板固定板、2为外壳连接件、21为外壳连接件通孔、22为连接件环状套筒、3为电机、31为转臂、32为轴承、4为弹簧、5为柔性薄板、51为射流口。

具体实施方式

本发明提供一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，包括外壳、外壳连接件、电机、弹簧、柔性薄板、相应电路模块，其中：

外壳连接件的尾部的上下两端均设有通孔，两个外壳的尾部也设有同样尺寸的通孔，可用销钉将外壳与外壳连接件连接起来，并且外壳可绕销钉自由转动，实现开合运动；

其中，外壳连接件的前部设有环状套筒结构，电机刚好可以放置在套筒内并被固定，电机前端安有转臂，转臂的两端设有轴承；

其中，外壳的内部设有光滑凸台、转向装置、弹簧固定件和柔性薄板固定板；

其中，转向装置由驱动器和阻挡装置组成，转向装置在接收到相应转向信号后，微型电机或舵机等驱动器便控制阻挡装置将射流口堵住，在不对称射流的作用下，扇贝机器人实现转向运动；

其中，光滑凸台由台身和台盖组成，台盖与台身过盈配合，便于台盖的安装与拆卸，盖上台盖后，光滑凸台内部有较大的相对封闭的空间，用于放置相应电路学模块，光滑凸台的台身设有数个通孔，便于电路模块的线路与电机和转向等模块的联接；

其中，电机在工作过程中带动转臂旋转，当转臂旋转到特定位置时，转臂两端设置的轴承会与光滑凸台的台盖接触，随着转臂的旋转，光滑凸台被轴承撑开，两个贝壳也随即被打开；

其中，弹簧固定件的中心设有通孔，弹簧的两端可穿过通孔并被固定在弹簧固定件上；

其中，弹簧的两端分别连接在两个外壳的弹簧固定件上，并设有适当的预紧力。

其中，柔性薄板可通过胶粘或机械连接等形式固定在柔性薄板固定板上，两个外壳的柔性固定板上均可固定柔性薄板，也可只固定一片柔性薄板在任意一个外壳上。

其中，相应电路模块包括电路板、电源及控制模块。用于控制机器人的启停、前进速度与转向。

本发明的原理在于：本发明提供的一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，包括外壳、外壳连接件、电机、弹簧、柔性薄板、相应电路模块。其中，电机在通电后会带动转臂旋转，旋转过程中，转臂两端的轴承会与光滑凸台的台盖接触并将光滑凸台撑开，两个外壳也随即被打开，此过程中连接着两个外壳的弹簧固定件的弹簧被拉伸，进行能量的储存。转臂旋转到竖直位置时，两个外壳打开至最大角度，弹簧也被拉伸至最长状态并储存最大的能量。此过程中扇贝机器人由于体内的负压而吸水。转臂转过竖直位置后，外壳在弹簧的拉力作用下迅速闭合，此时由于柔性薄板特殊的结构和形状会阻挡水的流出，扇贝机器人体内的水从位于尾部的射流口处高速射出，扇贝机器人借此反冲的力量向前快速运动。在需要转向时，转向装置的微型电机或舵机等驱动器便控制阻挡装置将相应的射流口堵住，在不对称射流的作用下，扇贝机器人实现转向运动。通过控制所堵射流口的大小可以控制扇贝机器人的转弯半径。

下面结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步详述。

如图1所示，本发明的一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，由外壳1，外壳连接件2，电机3，弹簧4，柔性薄板5和相应电路模块组成。外壳1的内部设有光滑凸台11、转向装置15、弹簧固定件16和柔性薄板固定板17。光滑凸台11由台身12和台盖13组成，台盖13与台身12过盈配合，便于台盖13的安装与拆卸，盖上台盖13后，光滑凸台11内部有较大的相对封闭的空间，用于放置相应电路模块(包括电路板、电源及控制模块)；光滑凸台11的台身12设有数个通孔14，便于电路模块的线路与电机3和转向装置15等的联接；转向装置15由驱动器和阻挡装置组成；弹簧固定件16的中心设有通孔，弹簧4的两端可穿过通孔并被固定在弹簧固定件16上。外壳连接件2的尾部的上下两端均设有通孔21，两个外壳1的尾部也设有同样尺寸的通孔，可用销钉将外壳1与外壳连接件2连接起来，并且外壳1可绕销钉自由转动，实现开合运动；外壳连接件2的前部设有环状套筒22，电机3刚好可以放置在套筒22内并被固定。电机3前端安有转臂31，转臂31的两端设有轴承32。弹簧4的两端分别连接在两个外壳的弹簧固定件16上，并设有适当的预紧力。柔性薄板5可通过胶粘或机械连接等形式固定在柔性薄板固定板17上，两个外壳的柔性薄板固定板17上均可固定柔性薄板5，也可只固定一片柔性薄板5在任意一个柔性薄板固定板17上。

总之,所述扇贝机器人的工作过程和原理是：首先接通电源或打开开关，套筒22内的电机3开始工作，电机3在工作过程中带动转臂31旋转，当转臂31旋转到特定位置时，转臂31两端设置的轴承32会与光滑凸台11的台盖13接触，随着转臂31的旋转，光滑凸台11被轴承32撑开，两个外壳1也随即被打开；在外壳1被打开的过程中，连接着两个外壳1的弹簧固定件16的一根或数根弹簧4随即被拉伸，进行能量的储存。随着转臂31继续旋转到竖直位置时，两个外壳1打开至最大角度，弹簧4也被拉伸至最长状态并储存最大的能量。在两个外壳1打开的过程中，由于扇贝机器人内部空间增大，形成负压，水会将柔性薄板5冲弯并进入机器人体内，即两个外壳1之间。随后，转臂31转过竖直位置，不再对弹簧4做功，外壳1在弹簧4的拉力作用下迅速闭合，此时由于柔性薄板5特殊的结构和形状会阻挡水的流出，因此机器人体内的水只能从位于尾部的射流口51处高速射出，机器人借此反冲的力量向前快速运动。在需要转向时，转向装置15接收到控制信号后，微型电机或舵机等驱动器便控制阻挡装置将相应的射流口51堵住，而另一个射流口51正常工作，在不对称射流的作用下，扇贝机器人实现转向运动。通过控制所堵射流口51的大小可以控制扇贝机器人的转弯半径。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于，包括外壳、外壳连接件、电机、弹簧、柔性薄板、相应电路模块；两个外壳由外壳连接件用销钉连接，并可绕销钉自由转动；外壳连接件上固定有电机；电机前端安有转臂；转臂的两端设有轴承；外壳的内部设有光滑凸台、转向装置、弹簧固定件和柔性薄板固定板，转向装置由驱动器和阻挡装置组成；光滑凸台由台身和台盖组成，内部有较大空间，用于放置相应电路模块；弹簧固定件的中心设有通孔，弹簧的两端可穿过通孔并被固定在弹簧固定件上，弹簧的两端分别连接在两个外壳的弹簧固定件上，并设有适当的预紧力；机器人尾部两侧各设有一个射流口；柔性薄板固定在柔性薄板固定板上；相应电路模块包括电路板、电源及控制模块，用于控制机器人的启停、前进速度与转向；扇贝机器人的工作过程和原理是：电机在工作过程中带动转臂旋转，当转臂旋转到特定位置时，转臂两端设置的轴承会与光滑凸台的台盖接触，随着转臂的旋转，光滑凸台被轴承撑开，两个外壳也随即被打开；在外壳被打开的过程中，连接着两个外壳的弹簧固定件的一根或数根弹簧随即被拉伸，进行能量的储存；随着转臂继续旋转到竖直位置时，两个外壳打开至最大角度，弹簧也被拉伸至最长状态并储存最大的能量；在两个外壳打开的过程中，由于扇贝机器人内部空间增大，形成负压，水会将柔性薄板冲弯并进入机器人体内，即两个外壳之间；随后，转臂转过竖直位置，不再对弹簧做功，外壳在弹簧的拉力作用下迅速闭合，此时由于柔性薄板特殊的结构和形状会阻挡水的流出，因此机器人体内的水只能从位于尾部的射流口处高速射出，机器人借此反冲的力量向前快速运动；在需要转向时，转向装置接收到控制信号后，驱动器便控制阻挡装置将相应的射流口堵住，而另一个射流口正常工作，在不对称射流的作用下，扇贝机器人实现转向运动；通过控制所堵射流口的大小可以控制扇贝机器人的转弯半径。

2.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：外壳连接件的尾部的上下两端均设有通孔，两个外壳的尾部也设有同样尺寸的通孔，可用销钉将外壳与外壳连接件连接起来，并且外壳可绕销钉自由转动，实现开合运动。

3.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：外壳连接件的前部设有环状套筒结构，电机刚好可以放置在套筒内并被固定。

4.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：台盖与台身过盈配合，便于台盖的安装与拆卸。

5.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：盖上台盖后，光滑凸台内部有较大的相对封闭的空间，相应电路模块放置在其中。

6.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：光滑凸台的台身设有数个通孔，便于电路模块的线路与电机和转向模块的联接。

7.根据权利要求1所述的基于射流推进的仿生扇贝机器人，其特征在于：柔性薄板通过胶粘或机械连接形式固定在柔性薄板固定板上，两个外壳的柔性薄板固定板上均固定柔性薄板，或只固定一片柔性薄板在任意一个外壳上。