CN109552581A - 水下仿生多海鞘组合软体机器人 - Google Patents
水下仿生多海鞘组合软体机器人 Download PDFInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract
本发明涉及水下仿生软体机器人应用技术领域，具体公开了一种水下仿生多海鞘组合软体机器人，包括两个端部连接体和设在两个端部连接体之间的至少一个中间连接体，端部连接体和中间连接体均包括弹性外壳、超声波传感器、视觉传感器摄像机、第一电磁铁、控制器、蓄电池和多个气泡驱动器，端部连接体的弹性外壳为连接在一起的半球状外壳和圆柱状外壳，中间连接体的弹性外壳为圆柱状外壳，第一电磁铁分别设在端部连接体的圆柱状外壳的端部以及中间连接体的圆柱状外壳的两端，气泡驱动器包括气泡外壳、弹性表皮、磁铁和第二电磁铁。发明能够在复杂的水下环境中任意组合拆分协同工作，解决了水下机器人阻力较大、缆绳容易被缠绕以及适应性差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下仿生软体机器人应用技术领域，尤其涉及一种水下仿生多海鞘组合软体机器人。
背景技术
近年来因为陆上的资源有限，很多资源已经开发殆尽，所以再次掀起海洋热的浪潮。海洋中蕴藏着丰富的能源、矿产资源、生物资源和金属资源等，人们急需开发这些资源以接替所剩不多的陆上资源来维持发展。更为重要的是，地球上半数以上面积的海洋是国际海域，这些区域内全部的资源属于全体人类，不属于任何国家。但目前的现状是只有少数国家有能力对这些资源进行初步开采，这些国家在其已探明的区域拥有优先开采权，相对于那些没有能力开采的国家这几乎就等于独享这部分资源。因此，海洋已经成为国际战略竞争的焦点，争夺国际海洋资源是一项造福子孙后代的伟大事业。所以，水下机器人技术成为目前重点研究的高新技术之一，智能水下机器人作为高效率的水下工作平台在海洋开发与利用中起到至关重要的作用。
水下机器人它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于海洋生物的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前，水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体。随着仿生技术的不断发展，仿海洋生物形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要原因，具体可以体现为水下机器人体型较大，水下作业受到水下阻力较大，通过狭窄区域困难，有缆的受缆绳限制比较多，较为复杂的区域缆绳容易被缠绕，而且隐蔽性差，水下定位和探测技术缺乏智能化，而且受环境干扰较大，探测到资源时无法运输和携带等。所以，现在设计一种可以满足外形，功能和驱动适应水下环境运动，探测和运输的仿生软体机器人变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下仿生多海鞘组合软体机器人，以克服现有技术中的水下机器人水下阻力较大、缆绳容易被缠绕、隐蔽性差以及适应性差等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下仿生多海鞘组合软体机器人，包括两个端部连接体和设在两个端部连接体之间的至少一个中间连接体；所述端部连接体和中间连接体均包括弹性外壳、超声波传感器、视觉传感器摄像机、第一电磁铁、控制器、蓄电池和多个气泡驱动器，所述气泡驱动器、超声波传感器和视觉传感器摄像机设在所述弹性外壳的外部，所述控制器和蓄电池设在所述弹性外壳的内部；所述端部连接体的弹性外壳为连接在一起的半球状外壳和圆柱状外壳，所述中间连接体的弹性外壳为圆柱状外壳，所述第一电磁铁分别设在所述端部连接体的圆柱状外壳的端部以及所述中间连接体的圆柱状外壳的两端；所述气泡驱动器包括气泡外壳、弹性表皮、磁铁和第二电磁铁，所述气泡外壳的一端与所述弹性外壳连接且设有所述磁铁，所述气泡外壳的另一端为所述弹性表皮且所述第二电磁铁设在所述弹性表皮上，所述气泡外壳的一侧还设有用于排水和进水的开口；所述控制器分别与所述第一电磁铁、第二电磁铁和蓄电池连接，用于控制所述第一电磁铁和第二电磁铁的通电与断电，所述第一电磁铁能够在通电后相互作用使所述端部连接体和中间连接体相互吸引而连接在一起，所述第二电磁铁能够在通电后与所述磁铁相互作用而发生相对运动以带动所述弹性表皮发生变形。
优选的，所述圆柱状壳体上绕其轴线均匀分布有至少三组所述气泡驱动器，每组为两个开口方向相反的气泡驱动器。
优选的，所述半球状壳体上绕其轴线均匀分布有四个所述气泡驱动器。
优选的，所述弹性外壳和气泡外壳均由Ecoflex硅橡胶和白炭黑混合制成。
优选的，所述弹性表皮由Ecoflex硅橡胶和聚氨脂混合制成。
优选的，所述第一电磁铁为电磁线圈。
优选的，所述第二电磁铁为电磁线圈。
优选的，所述超声波传感器设在所述气泡驱动器外部。
优选的，所述视觉传感器摄像机设在所述圆柱状外壳的外部。
优选的，所述控制器包括控制驱动电路、单片机和通信模块。
本发明的水下仿生多海鞘组合软体机器人能够在复杂的水下环境中任意组合拆分协同工作，端部连接体和中间连接体可以随时分离和组合，根据不同的环境做出调整，适应能力大大提高，组合后的整体身体形状可以实时变换，对于水下探测，水下运输和打捞携带一些必要物品提供了可能，提高了水下机器人对环境的适应能力，两种传感器可以对环境中的多个不同特征进行描述，利用不同传感器获得的信息进行互补，发挥各自优势，经过融合，可以更全面、准确地描述环境对象，减少了识别时的不确定性，提高了环境描述的正确性和全面性，在用传感器进行测量时，周围环境不可避免地存在各种干扰，同时采集描述同一特征的来自多个传感器的信息，可大大减小由单个传感器测量所引起的不确定性，可使系统的测量精度明显地提高，系统中若有一个甚至几个传感器出现故障时，可以利用其他传感器获取环境信息，以使系统维持正常运行。
附图说明
图1为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的立体图；
图2为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的中间连接体的立体图；
图3为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的端部连接体的平面图；
图4为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的端部连接体去除端部及第一电磁铁后的示意图；
图5为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的气泡驱动器的内部结构示意图；
图6为本发明实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人的中间连接体的气泡驱动器处的放大图。
图中，1：气泡驱动器；2：控制器；3：蓄电池；4：半球状壳体；5：圆柱状壳体；6：气泡外壳；7：弹性表皮；8：磁铁；9：第二电磁铁；10：开口；11：第一电磁铁；12：超声波传感器；13：视觉传感器摄像机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1-6所示，本实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人包括：两个端部连接体和设在两个端部连接体之间的至少一个中间连接体，端部连接体和中间连接体均包括弹性外壳、超声波传感器12、视觉传感器摄像机13、第一电磁铁11、控制器2、蓄电池3和多个气泡驱动器1，气泡驱动器1、超声波传感器12和视觉传感器摄像机13设在弹性外壳的外部，控制器2和蓄电池3设在弹性外壳的内部，端部连接体的弹性外壳为连接在一起的半球状外壳4和圆柱状外壳5，中间连接体的弹性外壳为圆柱状外壳5，第一电磁铁11分别设在端部连接体的圆柱状外壳5的端部(即与中间连接体连接的一端)以及中间连接体的圆柱状外壳5的两端，第一电磁铁11可以为由铜导线缠绕而成的圆形电磁线圈，气泡驱动器1包括：气泡外壳6、弹性表皮7、磁铁8和第二电磁铁9，气泡外壳6的一端与弹性外壳连接且设有磁铁8，气泡外壳6的另一端为弹性表皮7且第二电磁铁9设在弹性表皮7上，第二电磁铁9与磁铁8的位置也可以对调，第二电磁铁9可以为由铜导线缠绕而成的圆形电磁线圈，气泡外壳6的一侧还设有用于排水和进水的开口10，控制器2分别与第一电磁铁11、第二电磁铁9和蓄电池3连接，用于控制第一电磁铁11和第二电磁铁9的通电与断电，控制器2可以包括：控制驱动电路、单片机和通信模块，两个互相对应的第一电磁铁11能够在通电后相互作用使端部连接体和中间连接体相互吸引而连接在一起，具体的为各圆柱状壳体5相对应面上的第一电磁铁11(两个圆柱状壳体5上相对应的第一电磁铁11的通电方向或缠绕方向相反，所以通电后两个第一电磁铁11的磁极相反)发生相互作用而吸引在一起，第二电磁铁9能够在通电后与磁铁8相互作用而发生相对运动以带动弹性表皮7发生变形，从而使气泡驱动器1发生排水或进水，实现气泡驱动器1的驱动功能。
本事实例中，气泡驱动器1的具体布置方式可以为：圆柱状壳体5上绕整体外壳的轴线均匀分布有至少三组气泡驱动器1，如四组，每组为两个开口方向相反的气泡驱动器1，即两个气泡驱动器1一个开口向前一个开口向后，此处的前后为在整体外壳轴线上的前后，半球状壳体4上绕整体外壳的轴线均匀分布有四个气泡驱动器1，每个半球状壳体4上的气泡驱动器1开口方向相同，且两个半球状壳体4上的气泡驱动器1开口方向相反，此处的开口方向相反不是完全的相反，而是在上述前后方向上的前后相反，上述共十六个气泡驱动器1，气泡驱动器1的布置方式也可适当调整，如一个半球状壳体4上的气泡驱动器1开口方向也可以不同，具体可以为两个向前两个向后交错布置。
本事实例中，弹性外壳和气泡外壳6均由弹性材料制成，弹性外壳和气泡外壳6可以由Ecoflex硅橡胶和白炭黑混合制成，混合比例为1:1，经过加料、搅拌混合、加热、塑化、冷却和脱模等过程，最终获得具有弹性且的外壳结构，弹性表皮7可以由Ecoflex硅橡胶和聚氨脂混合制成，混合比例为1:1，经过加料、搅拌混合、加热、塑化、冷却和脱模等过程，最终获得能产生变形和自动恢复能力的表皮结构，其中，硅橡胶是一种性能优异的特殊橡胶，具有耐高温性、耐老化性、耐候性、耐臭氧性、耐腐蚀性、电气绝缘性等特性，所以水下可以起到良好的防水性能和绝缘性能，各部分电路连接设置在上述材料内。
超声波传感器12设在气泡驱动器1外部，超声波传感器12就是利用超声波在空气中定向传播和遇到固体会反射的特性，通过接收本身发射的超声波反射信号,根据超声波的发出和接收回波的时间差及传播速度，计算出传播距离，从而得到障碍物的距离信息。
视觉传感器摄像机13设在圆柱状外壳5的外部，视觉检测定位原理是利用摄像机摄取包含环境的图象信息，经图象处理提取并识别环境信息，计算出传感器在环境中的位姿，当传感器与机器人的位置关系己知时，则机器人在这个环境中的位置和方向就可以同时计算出来。这种位姿数据可以实时在线计算，满足了移动状态下的自主定位。采用单目视觉方式结构简单，避免了视觉数据融和，易于实现实时监测。
本实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人单个端部连接体或者中间连接体的工作方式为：采用电磁驱动方式，每一组电磁铁9和磁铁8都包裹在由高分子弹性材料制成的气泡驱动器1里面，利用绕成的圆形电磁线圈通电，会产生磁场和南北极性，使包裹在气泡驱动器1里面上下布置的通电电磁线圈和磁铁8发生吸力作用，同时，通电电磁线圈相对于磁铁8运动(即吸引时向磁铁8移动)，带动弹性表皮7向磁铁8表面所在的方向运动，断电的时候，磁场消失电磁线圈与磁铁8分开，弹性表皮7恢复到原来形状及位置，所以，软体机器人前进后退运动是由身体侧面(即圆柱状壳体5)的开口方向相反的气泡驱动器1相互配合而进行的，当开口向后的气泡驱动器1内的电磁线圈通电时，该气泡驱动器1的弹性表皮7收缩排水产生向前的推动力，相对相应的开口向前的气泡驱动器1内的电磁线圈断电，该气泡驱动器1的弹性表皮7恢复原状吸水产生向前的推动力，共同推动软体机器人前进，反之则会使软体机器人后退，海鞘软体机器人通过两端头部(即半球状壳体4)的四个气泡驱动器1控制身体在水中转弯，当两个半球状壳体上两个对应的气泡驱动器1中开口向前的排水、开口向后的吸水时，此时软体机器人会产生与排水方向相反、吸水方向相同的翻转推动力推动身体在水中改变运动方向，以此反复从而实现软体机器人的前进、后退、转动等动作，本实施例中，半球状壳体4上的每个气泡驱动器1与圆柱状壳体5上的每组气泡驱动器1位置相互对应，在实际应用时，也可根据具体情况适当调调整气泡驱动器1的布置方式。
本实施例的水下仿生多海鞘组合软体机器人多个端部连接体和中间连接体同时运动或整体组合运动的工作方式为：启动海鞘机器人运动，同时启动超声测距系统和视觉传感器摄像机13，系统每隔一定很短的时间对周围环境进行探测，根据超声波传感器12获得的有关前方物体的距离大小，决定海鞘机器人的运动方向。设定物体检测距离值，规定障碍物距离分为远、近两个部分，若超声波传感器12探测到物体距离机器人较远大于设定距离时，则机器人继续以原来速度前进距离移动机器人较近小于设定距离时，从视觉传感器摄像机13获取有关障碍物的二维图像，并对图像进行边缘提取，得出边缘坐标。将测距系统的距离信息和视觉传感器摄像机13获得的有关障碍物的宽度信息处理后进行分组，送入控制器进行融合，控制器根据外部两个传感器采集来的信息，作出相应的决策，控制机器人的运动。当检测识别物体为海鞘软体机器人时，则控制机器人继续向另一个软体机器人靠近，当两个机器人运动到一起时，控制器8的控制驱动电路板驱动连接部分的电磁线圈(第一电磁铁11)通电产生磁场，两个海鞘软体机器人就会组合到一起，当所有的海鞘体都连接到一起时，就会组成一个组合体海鞘软体机器人；当检测识别的物体为其它时，定义为障碍物，此时作出相应的避障决策，控制驱动电路板8控制海鞘连接体部分电磁线圈断电，磁场消失，此时组合体海鞘彼此分开，成为一个个单独的海鞘体，通过超声波传感器12检测，可以自由运动避开障碍物，防止碰撞。
本发明的水下仿生多海鞘组合软体机器人能够在复杂的水下环境中任意组合拆分协同工作，端部连接体和中间连接体可以随时分离和组合，根据不同的环境做出调整，适应能力大大提高，组合后的整体身体形状可以实时变换，对于水下探测，水下运输和打捞携带一些必要物品提供了可能，提高了水下机器人对环境的适应能力，两种传感器可以对环境中的多个不同特征进行描述，利用不同传感器获得的信息进行互补，发挥各自优势，经过融合，可以更全面、准确地描述环境对象，减少了识别时的不确定性，提高了环境描述的正确性和全面性，在用传感器进行测量时，周围环境不可避免地存在各种干扰，同时采集描述同一特征的来自多个传感器的信息，可大大减小由单个传感器测量所引起的不确定性，可使系统的测量精度明显地提高，系统中若有一个甚至几个传感器出现故障时，可以利用其他传感器获取环境信息，以使系统维持正常运行。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，包括两个端部连接体和设在两个端部连接体之间的至少一个中间连接体；所述端部连接体和中间连接体均包括弹性外壳、超声波传感器、视觉传感器摄像机、第一电磁铁、控制器、蓄电池和多个气泡驱动器，所述气泡驱动器、超声波传感器和视觉传感器摄像机设在所述弹性外壳的外部，所述控制器和蓄电池设在所述弹性外壳的内部；所述端部连接体的弹性外壳为连接在一起的半球状外壳和圆柱状外壳，所述中间连接体的弹性外壳为圆柱状外壳，所述第一电磁铁分别设在所述端部连接体的圆柱状外壳的端部以及所述中间连接体的圆柱状外壳的两端；所述气泡驱动器包括气泡外壳、弹性表皮、磁铁和第二电磁铁，所述气泡外壳的一端与所述弹性外壳连接且设有所述磁铁，所述气泡外壳的另一端为所述弹性表皮且所述第二电磁铁设在所述弹性表皮上，所述气泡外壳的一侧还设有用于排水和进水的开口；所述控制器分别与所述第一电磁铁、第二电磁铁和蓄电池连接，用于控制所述第一电磁铁和第二电磁铁的通电与断电，所述第一电磁铁能够在通电后相互作用使所述端部连接体和中间连接体相互吸引而连接在一起，所述第二电磁铁能够在通电后与所述磁铁相互作用而发生相对运动以带动所述弹性表皮发生变形。
2.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述圆柱状壳体上绕其轴线均匀分布有至少三组所述气泡驱动器，每组为两个开口方向相反的气泡驱动器。
3.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述半球状壳体上绕其轴线均匀分布有四个所述气泡驱动器。
4.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述弹性外壳和气泡外壳均由Ecoflex硅橡胶和白炭黑混合制成。
5.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述弹性表皮由Ecoflex硅橡胶和聚氨脂混合制成。
6.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述第一电磁铁为电磁线圈。
7.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述第二电磁铁为电磁线圈。
8.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述超声波传感器设在所述气泡驱动器外部。
9.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述视觉传感器摄像机设在所述圆柱状外壳的外部。
10.根据权利要求1所述的水下仿生多海鞘组合软体机器人，其特征在于，所述控制器包括控制驱动电路、单片机和通信模块。
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