CN108910003B - 一种仿生章鱼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种仿生章鱼机器人。该仿生章鱼机器人，包括头部部分、喷嘴部分、以及触手部分。头部部分包括硬质内壳、弹性橡胶外皮、固定板、弹性橡胶构件、舵机、连杆、四层圆盘、电源、单片机、环境感知设备。喷嘴部分包括瓣膜机构、上层圆板、导管机构。触手部分包括八只触手、八个舵机、下层圆板，触手之间的上半部分由弹性薄膜连接。该仿生章鱼机器人拥有三种游动方式，包括快速喷水游动方式、水下滑翔游动方式、水母式游动方式。本发明是一种基于章鱼游动方式而设计的水下机器人，噪声小，隐蔽性好，拥有多种运动方式。适用于水下潜伏、水下侦查、目标跟踪、反潜等军事用途，以及海洋生物研究、海底勘探等民用需求。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种仿生章鱼机器人。
背景技术
随着国家对海军力量的需求的日益增加，新型的水下仿生机器人的研发具有更加重要的战略意义。传统的水下无人航行器采用螺旋桨推进，噪音大，容易被敌方发现；传统的水下无人航行器的航行速度较慢，很难对目标进行快速及时打击；传统的水下无人航行器，能耗较大，很难实现长时间水下作业。
海洋是生命的起源，蕴藏着大自然的奥秘，人们对于海洋探索的需求也日益增加。人类对许多海洋生物的了解，还知之甚少。然而，采用传统的水下无人航行器对海洋生物进行研究，显然有以下两点问题：其一，传统的水下无人航行器会惊扰到水下生物，固然无法观察到海洋生物最真实的水下状态；其二，传统的水下无人航行器在作业过程中，很有可能会误伤到海洋生物。
海洋不仅仅蕴藏着生物的秘密，同时也埋藏着历史的神秘。茫茫海洋之下，埋藏着很多古代的人类文明。其中一部分是文明古国，由于地壳变迁等原因，沉入海底；还有一部分是沉入海底的古船。采用传统的水下无人航行器进行勘探的时候，很容易造成对古迹的破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有噪音小、隐蔽性好、航速高、能耗低、拥有多种运动方式等特点的仿生章鱼机器人。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种仿生章鱼机器人包括头部部分、喷嘴部分、触手部分；
所述的头部部分，包括硬质内壳1、弹性橡胶外皮16、固定板13、弹性橡胶构件3、第一舵机17、连杆5、四层圆盘2、中轴、电源4、单片机15、环境感知设备19，中轴安装于固定板13上，将四层圆盘2、第一舵机17、第二齿轮12连接在一起，所述四层圆盘2通过中轴安装于固定板13上，第一舵机17安装于固定板13的背侧下端，且第一舵机17位于四层圆盘2的上方，环境感知设备19安装于固定板13背侧上端，单片机15安装于固定板13正面上端，第一舵机17上安装有第一齿轮18，中轴上安装有第二齿轮12，且第二齿轮位于第一舵机17上方，第二齿轮12与第一齿轮18咬合，四层圆盘2上安装有连杆5，连杆5的另一侧与弹性橡胶构件3相连，弹性橡胶外皮16套在头部部分的最外侧，由硬质内壳1和弹性橡胶构件3对其进行支撑；
所述的喷嘴部分，包括瓣膜机构、上层圆板7、以及导管机构，所述瓣膜机构固定于上层圆板7上，瓣膜机构包括合页机构11、锥形齿轮24、第二舵机20、齿轮机构，各合页机构11之间由弹性橡胶薄膜和锥形齿轮24共同连接，第三齿轮21安装于第二舵机20上，第三齿轮21与第四齿轮22咬合，第四齿轮22与第五齿轮23咬合，第五齿轮23固定于合页机构11一侧，所述导管机构包括导管10、第三舵机27、齿轮机构，导管机构位于上层圆板7的漏斗的下方，导管10通过短轴安装于上层圆板7，短轴横向贯穿导管10，短轴上安装有第六齿轮25，第六齿轮25与第七齿轮26咬合，第七齿轮26安装于第三舵机27上；
所述的触手部分，包括八个弹性橡胶触手、第四舵机14、下层圆板8、齿轮机构，所述齿轮机构包括第八齿轮28、第九齿轮29，所述八个弹性橡胶触手在下层原板8的圆周上呈中心对称分布，弹性橡胶触手9通过短轴与下层圆板8连接，短轴横向贯穿于弹性橡胶触手9的顶端，短轴上安装有第八齿轮28，第八齿轮28与第九齿轮29咬合，第九齿轮29安装于第四舵机14，触手之间的上半部分由弹性橡胶薄膜连接；固定板13垂直固定在上层圆板7上，上层圆板7与同其等半径的下层圆板8相连。
本发明有益效果在于：
1.对水下航行器进行仿生学设计，具有噪音小、隐蔽性好、航速快、能耗低、续航时间长等特点。
2.快速喷水游动方式，推进效率高、航速快，可用于目标的快速跟踪以及目标打击。
3.水下滑翔游动方式，能耗低、续航时间长，适用于水下勘探以及水下长期侦查作业。
4.水母式游动方式，噪声小，隐蔽性好，适用于海洋生物研究以及水下潜伏作业。
附图说明
图1是一种仿生章鱼机器人的整体结构示意图。
图2是一种仿生章鱼机器人除去弹性橡胶外皮后的整体结构示意图。
图3是一种仿生章鱼机器人的俯视图。
图4是一种仿生章鱼机器人的固定板背侧示意图。
图5是一种仿生章鱼机器人的瓣膜机构示意图。
图6是一种仿生章鱼机器人的导管机构示意图。
图7是一种仿生章鱼机器人的触手机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步描述。
本发明是一种基于章鱼游动方式而设计的水下机器人，适用于水下潜伏、水下侦查、目标跟踪、反潜等军事用途，以及海洋生物研究、海底勘探等民用需求。该仿生章鱼机器人，具有快速喷水运动，水下滑翔运动等多种运动方式的特点，包括头部部分、喷嘴部分、以及触手部分。头部部分包括硬质内壳、弹性橡胶外皮、固定板、弹性橡胶构件、舵机、连杆、四层圆盘、电源、单片机、环境感知设备。喷嘴部分包括瓣膜机构、上层圆板、导管机构。触手部分包括八只触手、八个舵机、下层圆板，触手之间的上半部分由弹性薄膜连接。该仿生章鱼机器人拥有三种游动方式，包括快速喷水游动方式、水下滑翔游动方式、水母式游动方式。采用快速喷水游动方式时，章鱼的触手向内并拢形成鱼雷形状，通过头部柔性喷水机构快速推进。采用水下滑翔游动方式时，两侧的触手大角度外展，中间的六只触手向内合，形成机翼的形状，通过头部部分周期性的喷水，进行滑翔运动。采用水母式游动方式时，通过触手周期性张合，进行游动。该仿生章鱼机器人噪声小，隐蔽性好，拥有多种运动方式，既可以实现高速运动，也可以采用耗能小的滑翔式和水母式游动方式。
一种仿生章鱼机器人包括头部部分、喷嘴部分、触手部分。
所述头部部分，包括硬质内壳1、弹性橡胶外皮16、固定板13、弹性橡胶构件3、第一舵机17、连杆5、四层圆盘2、电源4、单片机15、环境感知设备19。固定板13的中间安装有一根中轴，四层圆盘2通过中轴安装于固定板13上，第一舵机17安装于固定板13的背侧，电源4安装于固定板13的正面，第一舵机17上安装有第一齿轮18，中轴上安装有一个第一齿轮18，第二齿轮12与第一齿轮18咬合。四层圆盘2的每两层中间有一短轴，通过短轴，连杆5和四层圆盘2相连接，连杆5的另一端与弹性橡胶构件3连接。单片机15安装于固定板13正面的上端，环境感知设备19安装于固定板13背侧的上端，硬质内壳1内部的两侧设有滑道，固定板13可以插入其内，进行固定，头部外侧套有弹性橡胶外皮16。
所述喷嘴部分，包括瓣膜机构、上层圆板7、以及导管机构；所述瓣膜机构包括合页机构11、第二舵机20、锥形齿轮24、第三齿轮21、第四齿轮22、第五齿轮23，各合页之间由弹性橡胶薄膜和锥形齿轮24共同连接，第三齿轮21安装于第二舵机20，第三齿轮21与第四齿轮22咬合，第四齿轮22与第五齿轮23咬合，；所述导管机构包括导管10、第三舵机27、第六齿轮25、第七齿轮26，导管机构位于上层圆板7的漏斗的下方，流体由漏斗流入导管，导管通过短轴安装于上层圆板7，短轴上安装有第六齿轮25，第六齿轮25与第七齿轮26咬合，第七齿轮26安装于第三舵机27上，所述第三舵机27通过齿轮机构控制导管的喷水方向。
所述触手部分，包括八个弹性橡胶触手9、八个第四舵机14、下层圆板8、短轴、第八齿轮28、第九齿轮29；所述弹性橡胶触手9通过短轴与下层圆板8连接，短轴上安装有第八齿轮28，第八齿轮28与第九齿轮29咬合，第九齿轮29安装于第四舵机14上，弹性橡胶触手9之间的上半部分由弹性橡胶薄膜连接。通过第四舵机14控制，可改变仿生章鱼的形状。章鱼的触手9向内并拢可形成鱼雷形状；两侧的弹性橡胶触手9大角度外展，中间的六只弹性橡胶触手9向内合，可形成机翼的形状。
该仿生章鱼拥有以下三种游动方式：
快速喷水游动方式：章鱼的弹性橡胶触手9向内并拢可形成鱼雷形状，第一舵机17进行转动，带动第一齿轮18转动，第一齿轮18带动第二齿轮12转动，第二齿轮12带动中轴转动，中轴带动四层圆盘2转动，四层圆盘2带动连杆5转动，连杆5带动弹性橡胶构件3运动以及变形，弹性橡胶构件3带动套在其外的弹性橡胶外皮16变形运动。弹性橡胶外皮16变形使得仿生章鱼头部部分的内腔体积增大，与此同时，瓣膜机构向内合拢，使得外界的流体顺利从头部下端开口进入腔体内部，进而实现头部吸水的过程。改变第一舵机17转动方向，使得内腔体积减小，与此同时，瓣膜机构向外展开，与弹性橡胶外皮16相贴合，使头部下端开口闭合，腔体继续收缩，流体即从导管10喷出，从而实现头部的喷水过程，为仿生章鱼机器人提供向前运动的动力。
水下滑翔方式：两侧的弹性橡胶触手9大角度外展，中间的六只弹性橡胶触手9向内合，形成机翼的形状，通过头部部分周期性的喷水，进行水下滑翔运动。
水母式游动方式：八只弹性橡胶触手9周期性缓慢收缩舒张，随波逐流，进行游动。
Claims (1)
1.一种仿生章鱼机器人，仿生章鱼机器人包括头部部分、喷嘴部分、触手部分；所述的头部部分，包括硬质内壳(1)、弹性橡胶外皮(16)、固定板(13)、弹性橡胶构件(3)、第一舵机(17)、连杆(5)、四层圆盘(2)、中轴、电源(4)、单片机(15)、环境感知设备(19)，中轴安装于固定板(13)上，将四层圆盘(2)、第一舵机(17)、第二齿轮(12)连接在一起，所述四层圆盘(2)通过中轴安装于固定板(13)上，第一舵机(17)安装于固定板(13)的背侧下端，且第一舵机(17)位于四层圆盘(2)的上方，环境感知设备(19)安装于固定板(13)背侧上端，单片机(15)安装于固定板(13)正面上端，第一舵机(17)上安装有第一齿轮(18)，中轴上安装有第二齿轮(12)，且第二齿轮位于第一舵机(17)上方，第二齿轮(12)与第一齿轮(18)咬合，四层圆盘(2)上安装有连杆(5)，连杆(5)的另一侧与弹性橡胶构件(3)相连，弹性橡胶外皮(16)套在头部部分的最外侧，由硬质内壳(1)和弹性橡胶构件(3)对其进行支撑；其特征在于：
所述的喷嘴部分，包括瓣膜机构、上层圆板(7)、以及导管机构，所述瓣膜机构固定于上层圆板(7)上，瓣膜机构包括合页机构(11)、锥形齿轮(24)、第二舵机(20)、齿轮机构，各合页机构(11)之间由弹性橡胶薄膜和锥形齿轮(24)共同连接，第三齿轮(21)安装于第二舵机(20)上，第三齿轮(21)与第四齿轮(22)咬合，第四齿轮(22)与第五齿轮(23)咬合，第五齿轮(23)固定于合页机构(11)一侧，所述导管机构包括导管(10)、第三舵机(27)、齿轮机构，导管机构位于上层圆板(7)的漏斗的下方，导管(10)通过短轴安装于上层圆板(7)，短轴横向贯穿导管(10)，短轴上安装有第六齿轮(25)，第六齿轮(25)与第七齿轮(26)咬合，第七齿轮(26)安装于第三舵机(27)上；
所述的触手部分，包括八个弹性橡胶触手、第四舵机(14)、下层圆板(8)、齿轮机构，所述齿轮机构包括第八齿轮(28)、第九齿轮(29)，所述八个弹性橡胶触手在下层原板(8)的圆周上呈中心对称分布，弹性橡胶触手(9)通过短轴与下层圆板(8)连接，短轴横向贯穿于弹性橡胶触手(9)的顶端，短轴上安装有第八齿轮(28)，第八齿轮(28)与第九齿轮(29)咬合，第九齿轮(29)安装于第四舵机(14)，触手之间的上半部分由弹性橡胶薄膜连接；固定板(13)垂直固定在上层圆板(7)上，上层圆板(7)与同其等半径的下层圆板(8)相连。
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