CN110979496B - 一种新型仿生水下双足游走机器人及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型仿生水下双足游走机器人及其运动方法。本发明包括：舵机、收线盘、左软体仿生触手、右软体仿生触手、支撑平台、气球、浮力罩、细线、支撑柱、电源组件和控制模块。通过舵机与收线盘控制软体仿生触手进行机器人的运动，通过气球和浮力罩为机器人在水下行走时用来提供额外的浮力。仿生章鱼可以同时具备移动能力和操作能力。在章鱼的多种运动方式中，本发明的双足行走是相较于其它与地面接触的移动方式中最快的方式，既可以让水下机器人在材料和结构上更贴近生物体，提高安全系数，又可以利用足式运动克服海底非结构的环境，具有很多应用的前景。

Description

一种新型仿生水下双足游走机器人及其运动方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种新型仿生水下双足游走机器人及其运动方法。

背景技术

轮式移动机器人由于其良好的稳定性、较快的移动能力等优点，得到了广泛的应用。而陆上双足行走是最接近滚动的一种方式，模仿人类行走及其它双足类动物的研究已经很多，产生了很多双足行走的运动模式及方法。但对于水下移动机器人来说，模仿海洋生物的游动模式和推进方式可以提高水下机器人的运动性能和效率。根据鱼类推进机理、游动模式和身体形状，推进模式分为身体/尾鳍(BCF)推进模式和中间鳍/对鳍(MPF)推进模式，BCF游动主要通过身体和尾鳍的拍动产生向前的推进力，而MPF游动借助除身体和尾鳍以外的鳍的拍动或波动产生推进力。头足类软体生物乌贼(墨鱼)、水母、樽海鞘等通过改变身体腔体的容积来完成喷水和吸水动作以实现推进，这种喷水推进与鱼类的推进相比，既可以达到极高的游动速度(如乌贼逃逸时的高速推进)，又能实现缓慢游动中的精确定位(如水母的浮游动作)，且推进效率较高，因此以模仿软体生物的喷水推进机理开发了水下机器人如仿生乌贼、仿生水母、仿生章鱼、仿生海星等。乌贼不仅有喷水运动，还具有鳍的游泳方式，据此开发的采用喷水和鳍复合推进的仿生乌贼机器人。近年最受关注的章鱼不仅具有和乌贼一样的喷水推进方式，还具有游泳、爬行运动模式。机器人PoseiDRONE模仿章鱼的运动能力和操作能力，进行了水下抓取物体的成功实验，同时对该机器人相对于其它软体机器人的运动速度进行了对比分析，运动速度低于陆地腿型机器人，但明显高于其它软体机器人。可以看出，仿生章鱼在水下机器人的运动能力和操作能力方面都具有明显的优势，也是目前唯一带有操作能力的水下仿生机器人。多足步型运动作为能够与海底进行交互的运动受到重视，对仿生章鱼设计了划水运动方式和多足步行运动的混合游走模式，建立混合运动学模型，通过进化算法优化运动学参数，混合游走模式速度得到提高。

现有的水下移动机器人，腿式机器人主要有4足、6足、8足等，但水下双足机器人还没有，相对于多足行走，双足行走具有更快的速度，也代表更高的智能，2004年发现一种章鱼能够进行双足行走的运动模式，该模式不同于上述中的运动模式的分析简化，更不同于陆地上刚体关节结构的双足行走模式，这种章鱼的双足行走是一个双足轮换滚动前进的过程，对于这种无脊椎的软体生物，用腕臂的肌肉实现双足行走，一方面行走速度比爬行速度快，另一方面运动过程中可以节省能量。因此通过模仿拟态章鱼的双足运动模式设计新型的水下双足运动仿生机器人可以有效的提高水下机器人的运动能力。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种新型仿生水下双足游走机器人及其运动方法，通过软体仿生触手模拟章鱼双足来实现水下行走，软体仿生触手与章鱼足相似，结构可靠，体积小，重量轻，仅需要较低的控制系统要求。

一种新型仿生水下双足游走机器人包括：舵机、收线盘、左软体仿生触手、右软体仿生触手、支撑平台、气球、浮力罩、细线、支撑柱、电源组件和控制模块。

支撑平台分为上下两部分，通过支撑柱将支撑平台的上下两部分固定，构成整体框架。所述的舵机包括第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，第一舵机固定在所述支撑平台下部的上端面靠近机器人前进方向的前端，第三舵机固定在所述支撑平台下部的上端面靠近机器人前进方向的后端，所述的第二舵机固定在第一舵机上，所述的第四舵机固定在第三舵机上。所述的收线盘包括第一收线盘、第二收线盘、第三收线盘和第四收线盘，第一收线盘固定在所述第一舵机的转头上，第二收线盘固定在所述第二舵机的转头上，第三收线盘固定在所述第三舵机的转头上、第四收线盘固定在所述第四舵机的转头上；所述的左软体仿生触手与左软体仿生触手固定在所述支撑平台下部的下端面，左软体仿生触手与左软体仿生触手双边结构对称；细线固定在所述软体仿生触手内部，包括短线与长线，所述的细线通过所述支撑平台下部开设的圆孔缠绕于收线盘，左软体仿生触手的短线缠绕于第四收线盘上，左软体仿生触手的长线缠绕于第二收线盘上，右软体仿生触手的短线缠绕于第三收线盘上，右软体仿生触手的长线缠绕于第一收线盘上，浮力罩固定在所述支撑平台上部的上端面上，所述的气球通过所述的浮力罩固定在支撑平台上部的上端面与浮力罩之间。电源组件固定在支撑平台下部的上端面中心位置，连接第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，给第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机供电。所述的控制模块通过USB连接第一舵机、第二舵机、第三舵机与第四舵机。

所述的舵机的型号为JX6221数字舵机，通过脉宽调制控制转子位置。JX6221数字舵机的工作电压为6V～8.4V，最大转角为300°，速度0.12sec/60°，失速力矩25.2kg.cm，舵机的初始状态设置成舵机转角的中间位置(150度)。

所述的收线盘用于配合舵机拉伸细线，第三收线盘和第四收线盘直径为4mm，第一收线盘和第二收线盘的直径为5mm，收线盘采用3D打印技术加工成型。

所述的软体仿生触手采用浇筑的方式，将人体硅胶按1:1的剂量混合后倒入上下两个模具中，放入保温箱内进行固化，待上下两个模具中的人体硅胶固化后，在仿生触手截面上再次使用液态硅胶将两个截面粘合形成仿生触手。

所述的支撑平台采用亚克力板切割而成，分别在支撑平台上下两部分的四个角打孔，通过支撑柱与四个角的孔配合进行支撑固定。

所述的气球为本发明的水下双足游走机器人在水下行走时用来提供额外的浮力，所述气球的形状为圆球形，材质为橡胶。

所述的细线通过软胶管固定在软体仿生触手内部，分为长线和短线。软胶管是在软体仿生触手浇筑时一体成型的，长线和短线分别用一根软胶管，短线的一端在浇筑时固定在软体仿生触手的中部，长线一端在浇筑时固定在软体仿生触手的底部。通过收线盘的转动带动长短线的收缩使触手运动。

所述的支撑柱的材料为绝缘塑料，型号为(M3*11+6)。

所述的电源组件输出电压为34V，经过稳压芯片输出6V的工作电压，用于给舵机供电。

所述的控制模块为控制板，主控芯片为STM32系列单片机，利用USB口进行供电和通信，输出四路PWM信号控制舵机。

一种新型仿生水下双足游走机器人的运动方法，具体如下：

机器人通过左右软体仿生触手对机器人本体进行支撑，左右触手以机器人本体进行双边结构对称。当机器人进行双足行走时，左右软体仿生触手弯曲形成弧状，处于支撑状态，通过控制第一舵机和第三舵机转动控制右软体仿生触手向前滚动一定距离，然后控制右软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，所述的转移状态为软体仿生触手从滚动状态进入支撑状态的过度状态。通过控制第二舵机和第四舵机转动控制左软体仿生触手向前滚动，同时右软体仿生触手进入支撑状态；当左软体仿生触手向前滚动一定距离后控制左软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，然后控制右软体仿生触手进行向前滚动，同时左软体仿生触手进入支撑状态；左右软体仿生触手进行交换滚动前进。

具体控制方法如下：

第一舵机正转，第三舵机反转带动第一收线盘拉伸长线，右软体仿生触手向前弯曲，然后第一舵机反转，第三舵机正转带动第三收线盘拉伸短线，右软体仿生触手与地面滚动接触，最后第一舵机正转，第三舵机静止，使得右仿生触手抬升离开地面。

第二舵机正转，第四舵机反转带动第二收线盘拉伸长线，左软体仿生触手向前弯曲，然后第二舵机反转，第四舵机正转带动第四收线盘拉伸短线，左软体仿生触手与地面滚动接触，最后第二舵机正转，第四舵机静止，使得左仿生触手抬升离开地面。

本发明有益效果如下：

比较水下机器人在海底移动的几种解决方案，水下足式运动在某些场合具有很多优势。不同于其它模仿鱼类的仿生机器人，仿生章鱼可以同时具备移动能力和操作能力。在章鱼的多种运动方式中，本发明的双足行走是相较于其它与地面接触的移动方式中最快的方式。既可以让水下机器人在材料和结构上更贴近生物体，提高安全系数，又可以利用足式运动克服海底非结构的环境，具有很多应用的前景。

附图说明

图1为本发明机器人的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明机器人包括：舵机1、收线盘2、左软体仿生触手3、右软体仿生触手4、支撑平台5、气球6、浮力罩7、细线8、支撑柱9、电源组件和控制模块。

支撑平台5分为上下两部分，通过支撑柱9将支撑平台的上下两部分固定，构成整体框架。舵机1包括第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，第一舵机固定在支撑平台5下部的上端面靠近机器人前进方向的前端，第三舵机固定在支撑平台5下部的上端面靠近机器人前进方向的后端，第二舵机固定在第一舵机上，第四舵机固定在第三舵机上。收线盘2包括第一收线盘、第二收线盘、第三收线盘和第四收线盘，第一收线盘固定在第一舵机的转头上，第二收线盘固定在第二舵机的转头上，第三收线盘固定在第三舵机的转头上、第四收线盘固定在第四舵机的转头上；左软体仿生触手3与右软体仿生触手4固定在支撑平台下部的下端面，左软体仿生触手3与右软体仿生触手4双边结构对称；细线8固定在软体仿生触手内部，包括短线与长线，细线8通过支撑平台5下部开设的圆孔缠绕于收线盘2，左软体仿生触手3的短线缠绕于第四收线盘上，左软体仿生触手3的长线缠绕于第二收线盘上，右软体仿生触手4的短线缠绕于第三收线盘上，右软体仿生触手4的长线缠绕于第一收线盘上，浮力罩7固定在支撑平台5上部的上端面上，气球6通过浮力罩7固定在支撑平台5上部的上端面与浮力罩7之间。电源组件固定在支撑平台下部的上端面中心位置，连接第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，给第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机供电。控制模块通过USB连接第一舵机、第二舵机、第三舵机与第四舵机。

舵机1的型号为JX6221数字舵机，通过脉宽调制控制转子位置。JX6221数字舵机的工作电压为6V～8.4V，最大转角为300°，速度0.12sec/60°，失速力矩25.2kg.cm，舵机1的初始状态设置成舵机转角的中间位置(150度)。

收线盘2用于配合舵机1拉伸细线，第三收线盘和第四收线盘直径为4mm，第一收线盘和第二收线盘的直径为5mm，收线盘采用3D打印技术加工成型。

软体仿生触手采用浇筑的方式，将人体硅胶按1:1的剂量混合后倒入上下两个模具中，放入保温箱内进行固化，待上下两个模具中的人体硅胶固化后，在仿生触手截面上再次使用液态硅胶将两个截面粘合形成仿生触手。

支撑平台5采用亚克力板切割而成，分别在支撑平台上下两部分的四个角打孔，通过支撑柱9与四个角的孔配合进行支撑固定。

气球6为本发明的水下双足游走机器人在水下行走时用来提供额外的浮力，气球的形状为圆球形，材质为橡胶。

细线8通过软胶管固定在软体仿生触手内部，分为长线和短线。软胶管是在软体仿生触手浇筑时一体成型的，长线和短线分别用一根软胶管，短线的一端在浇筑时固定在软体仿生触手的中部，长线一端在浇筑时固定在软体仿生触手的底部。通过收线盘2的转动带动长短线的收缩使触手运动。

支撑柱9的材料为绝缘塑料，型号为(M3*11+6)。

电源组件输出电压为34V，经过稳压芯片输出6V的工作电压，用于给舵机供电。

控制模块为控制板，主控芯片为STM32系列单片机，利用USB口进行供电和通信，输出四路PWM信号控制舵机。

本发明机器人的运动方法，具体如下：

机器人通过左右软体仿生触手对机器人本体进行支撑，左右触手以机器人本体进行双边结构对称。当机器人进行双足行走时，左右软体仿生触手弯曲形成弧状，处于支撑状态，通过控制第一舵机和第三舵机转动控制右软体仿生触手向前滚动一定距离，然后控制右软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，所述的转移状态为软体仿生触手从滚动状态进入支撑状态的过度状态。通过控制第二舵机和第四舵机转动控制左软体仿生触手向前滚动，同时右软体仿生触手进入支撑状态；当左软体仿生触手向前滚动一定距离后控制左软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，然后控制右软体仿生触手进行向前滚动，同时左软体仿生触手进入支撑状态；左右软体仿生触手进行交换滚动前进。

具体控制方法如下：

第一舵机正转，第三舵机反转带动第一收线盘拉伸长线，右软体仿生触手向前弯曲，然后第一舵机反转，第三舵机正转带动第三收线盘拉伸短线，右软体仿生触手与地面滚动接触，最后第一舵机正转，第三舵机静止，使得右软体仿生触手抬升离开地面。

第二舵机正转，第四舵机反转带动第二收线盘拉伸长线，左软体仿生触手向前弯曲，然后第二舵机反转，第四舵机正转带动第四收线盘拉伸短线，左软体仿生触手与地面滚动接触，最后第二舵机正转，第四舵机静止，使得左软体仿生触手抬升离开地面。

Claims (8)

1.一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，包括：舵机、收线盘、左软体仿生触手、右软体仿生触手、支撑平台、气球、浮力罩、细线、支撑柱、电源组件和控制模块；

支撑平台分为上下两部分，通过支撑柱将支撑平台的上下两部分固定，构成整体框架；所述的舵机包括第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，第一舵机固定在所述支撑平台下部的上端面靠近机器人前进方向的前端，第三舵机固定在所述支撑平台下部的上端面靠近机器人前进方向的后端，所述的第二舵机固定在第一舵机上，所述的第四舵机固定在第三舵机上；所述的收线盘包括第一收线盘、第二收线盘、第三收线盘和第四收线盘，第一收线盘固定在所述第一舵机的转头上，第二收线盘固定在所述第二舵机的转头上，第三收线盘固定在所述第三舵机的转头上、第四收线盘固定在所述第四舵机的转头上；所述的左软体仿生触手与左软体仿生触手固定在所述支撑平台下部的下端面，左软体仿生触手与左软体仿生触手双边结构对称；细线固定在所述软体仿生触手内部，包括短线与长线，所述的细线通过所述支撑平台下部开设的圆孔缠绕于收线盘，左软体仿生触手的短线缠绕于第四收线盘上，左软体仿生触手的长线缠绕于第二收线盘上，右软体仿生触手的短线缠绕于第三收线盘上，右软体仿生触手的长线缠绕于第一收线盘上，浮力罩固定在所述支撑平台上部的上端面上，所述的气球通过所述的浮力罩固定在支撑平台上部的上端面与浮力罩之间；电源组件固定在支撑平台下部的上端面中心位置，连接第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，给第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机供电；所述的控制模块通过USB连接第一舵机、第二舵机、第三舵机与第四舵机；

所述的细线通过软胶管固定在软体仿生触手内部，分为长线和短线；软胶管是在软体仿生触手浇筑时一体成型的，长线和短线分别用一根软胶管，短线的一端在浇筑时固定在软体仿生触手的中部，长线一端在浇筑时固定在软体仿生触手的底部；通过收线盘的转动带动长短线的收缩使触手运动。

2.根据权利要求1所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的舵机的型号为JX6221数字舵机，通过脉宽调制控制转子位置；JX6221数字舵机的工作电压为6V～8.4V，最大转角为300°，速度0.12sec/60°，失速力矩25.2kg.cm，舵机的初始状态设置成舵机转角的中间位置即150度。

3.根据权利要求2所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的收线盘用于配合舵机拉伸细线，第三收线盘和第四收线盘直径为4mm，第一收线盘和第二收线盘的直径为5mm，收线盘采用3D打印技术加工成型。

4.根据权利要求3所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的软体仿生触手采用浇筑的方式，将人体硅胶按1:1的剂量混合后倒入上下两个模具中，放入保温箱内进行固化，待上下两个模具中的人体硅胶固化后，在仿生触手截面上再次使用液态硅胶将两个截面粘合形成仿生触手。

5.根据权利要求4所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的支撑平台采用亚克力板切割而成，分别在支撑平台上下两部分的四个角打孔，通过支撑柱与四个角的孔配合进行支撑固定。

6.根据权利要求5所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的气球为本发明的水下双足游走机器人在水下行走时用来提供额外的浮力，所述气球的形状为圆球形，材质为橡胶；所述的支撑柱的材料为绝缘塑料，型号为M3*11+6。

7.根据权利要求6所述的一种仿生水下双足游走机器人，其特征在于，所述的电源组件输出电压为34V，经过稳压芯片输出6V的工作电压，用于给舵机供电；所述的控制模块为控制板，主控芯片为STM32系列单片机，利用USB口进行供电和通信，输出四路PWM信号控制舵机。

8.一种仿生水下双足游走机器人的运动方法，其特征在于，具体方法如下：

机器人通过左右软体仿生触手对机器人本体进行支撑，左右触手以机器人本体进行双边结构对称；当机器人进行双足行走时，左右软体仿生触手弯曲形成弧状，处于支撑状态，通过控制第一舵机和第三舵机转动控制右软体仿生触手向前滚动一定距离，然后控制右软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，所述的转移状态为软体仿生触手从滚动状态进入支撑状态的过度状态；通过控制第二舵机和第四舵机转动控制左软体仿生触手向前滚动，同时右软体仿生触手进入支撑状态；当左软体仿生触手向前滚动一定距离后控制左软体仿生触手抬升离开地面进入转移状态，然后控制右软体仿生触手进行向前滚动，同时左软体仿生触手进入支撑状态；左右软体仿生触手进行交换滚动前进；

具体控制方法如下：

第一舵机正转，第三舵机反转带动第一收线盘拉伸长线，右软体仿生触手向前弯曲，然后第一舵机反转，第三舵机正转带动第三收线盘拉伸短线，右软体仿生触手与地面滚动接触，最后第一舵机正转，第三舵机静止，使得右仿生触手抬升离开地面；

第二舵机正转，第四舵机反转带动第二收线盘拉伸长线，左软体仿生触手向前弯曲，然后第二舵机反转，第四舵机正转带动第四收线盘拉伸短线，左软体仿生触手与地面滚动接触，最后第二舵机正转，第四舵机静止，使得左仿生触手抬升离开地面。

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