CN111137427A - 一种仿生皮皮虾运动装置 - Google Patents

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陈刚
赵跃鹏
薛竹筠
晏鑫宇
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Zhejiang Sci Tech University ZSTU
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
    • B63H1/36—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type swinging sideways, e.g. fishtail type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for

Abstract

本发明涉及一种水下检测机器人。目的是提供一种以提高稳定性和灵活性为目标、能使机器人灵活转弯从而实现避障的仿生皮皮虾运动装置。技术方案是：一种仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：该运动装置包括头部、尾部、连接在头部与尾部之间的身体关节、安装在身体关节上的若干转动推进机构、安装在头部的微型摄像头和距离传感器、以及安装在尾部的控制模块。

Description

一种仿生皮皮虾运动装置
技术领域
本发明涉及一种水下检测机器人，具体是一种仿生皮皮虾运动装置。
背景技术
当今科技飞速发展，机器人技术也愈发成熟，仿生机器人以其独有的特点，在农业、海洋等方面，运用得越来越普遍，并发挥出重要作用。而21世纪，人们将视线转移到海洋的身上,一些具有海洋勘测、侦察或者救捞功能的水下机器人,已成为人们探索海洋、开发海洋和海洋防卫的重要工具。从上世纪60年代开始，各种水下机器人兴起，比如载人潜水器、有缆遥控水下机器人、自主水下机器人等等，可以说现在已经进入了智能水下机器人的时代。
但是，相比较陆地和空中，海底环境复杂得多，暗流涌动，还有各种海洋生物的攻击，所以对机器人导航、避障、识别探测、追踪等能力的要求更高。
目前，国内的一些仿生鱼机器人，相继问世。王扬威研究的用记忆合金研发的墨鱼机器人；西工大研制出我国首款自主变形仿生柔体潜航器，能有效借助流体的能量实现更高效率的滑行运动。但是能够灵活运动的水下机器却尚待开发研究。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种以提高稳定性和灵活性为目标、能使机器人灵活转弯从而实现避障的仿生皮皮虾运动装置。
本发明的技术方案是：
一种仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：该运动装置包括头部、尾部、连接在头部与尾部之间的身体关节、安装在身体关节上的若干转动推进机构、安装在头部的微型摄像头和距离传感器、以及安装在尾部的控制模块。
所述身体关节由相同结构的若干关节组成；每个关节包括相互平行排列的若干根螺旋弹簧以及分别固定在若干根弹簧两端的两个圆拱块，相邻关节的螺旋弹簧通过同一个圆拱块连接；从而形成横截面为圆拱形的类似皮皮虾的形状。
每个关节的左右两侧分别安装有一个转动推进机构，具体安装在圆拱块的圆弧面的反向一侧；每个转动推进机构包括后端固定在圆拱块上的主杆、顶端与主杆前端铰接的细杆、分别与主杆及细杆的中部铰接的可收缩杆以及驱动可收缩杆的直线电机，细杆的底端安装有小划板。
所述圆拱块为与外部封闭以提高浮力的的薄壁壳体；除了头部和尾部的圆拱块之外，其余圆拱块内安装有用于配合直线电机的直线电机驱动器。
所述每个小划板上分别安装一个距离传感器.
每个小划板的顶部均与细杆的底端铰接连接；小划板的顶端还制作有往上延伸以与细杆干涉的限位部，使得小划板的正向前进划水与反向复位划水，产生不同的划水力量。
所述尾部包括固定在圆拱块上的三角形壳体，三角形壳体内装有由微型控制器以及小型电源组成的控制模块。
本发明的有益效果是：
本发明结构简单紧凑，仿生皮皮虾运动装置在水里自由移动并且能够灵活转弯实现避障。本发明的小划板采用宽扁平板结构，可以增大划水量，加快水中游动的速度；本发明的身体关节，以弹簧为主要结构，可实现多自由度的旋转和避障，具备灵活性和稳定性。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的单个关节结构示意图。
图3是本发明中转动推进机构的立体结构示意图。
图4是转动推进机构中直线电机的安装位置示意图。
图5是本发明中小划板的划水状态示意图。
图6是本发明中小划板的回缩复位状态示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示的仿生皮皮虾运动装置，包括头部14、尾部1、连接在头部与尾部之间的身体关节13与安装在身体关节上的若干转动推进机构12；整体外形为纤细的直线型，中间身体部分的横截面为圆拱形，可以确保机器人在水中的灵活移动。
所述身体关节由相同结构若干关节组成(如图2所示)，每个关节包括若干根弹簧20(图中显示为五根弹簧)和两个圆拱块15，五根弹簧以相同的间距平均分布在圆拱块15上；相邻关节的螺旋弹簧通过同一个圆拱块连接；从而形成横截面为圆拱形的类似皮皮虾外轮廓形状。所述每个圆拱块为采用薄壁壳体制成的封闭壳体，以增强在水中的浮力。
其中，所述头部，是在第一个圆拱块上加装三角块；该圆拱块的内腔中安装有微型摄像头和距离传感器；可以实时拍摄前方的画面并且储存起来以便研究。距离传感器可以感知到前方有无障碍物，帮助仿生皮皮虾运动装置自主躲避障碍。
所述尾部，是在最后一个圆拱块上固定一个回缩三角形壳体(采用薄壁壳体制成的封闭壳体)，三角形壳体内装有由微型控制器以及小型电源组成的控制模块；所述微型控制器可以采用stm32系列，所述小型电源可以采用防水电池。
所述弹簧采用琴钢丝(SWPB)材料制成，这种弹簧强度高、具备一定的柔软度、抗疲劳、韧性较好，并且具有很强的防生锈能力，延长仿生皮皮虾在水下的寿命和工作时间。同时，这样设计的仿生皮皮虾运动装置具有一定的柔性和刚性，可以在水中实现各个方向和各种角度的旋转以及转弯。
每个关节的左右两侧分别安装有一个转动推进机构(参见图3、图4)，具体安装在圆拱块的圆弧面的反向一侧(工作时，转动推进机构位于运动装置的下方)。所述转动推进机构由主杆25、可收缩杆(包括固定杆31以及在固定杆中移动的移动杆30)、细杆27以及直线电机构成。主杆25的后端固定在圆拱块上，主杆前端与细杆27的顶端铰接(通过第一铰接轴26铰接)；固定杆31的后端与主杆的后部铰接(通过第三铰接轴32铰接)，可收缩杆的前端(即移动杆的前端)则铰接(通过第二铰接轴28铰接)在细杆的中部；固定杆内固定有直线电机的磁轨40，直线电机的动子41则可移动地定位在磁轨上；并且该动子还与移动杆30固定；显然，直线电机启动时，动子即可驱动可收缩杆的移动杆运动。运动频率由直线电机驱动器决定(除了头部和尾部的圆拱块之外，其余圆拱块内均安装有直线电机驱动器)，具体可由控制器控制。所述每根细杆27下方安装(铰接安装)有小划板29，以增大划水面积，加快仿生皮皮虾运动装置在水中的移动速度。前述的三个铰接轴轴线均相互平行。
作为推荐，每个小划板的顶部与细杆进行铰接(该部位的铰接轴轴线与第二铰接轴轴线平行)，小划板的顶端还上延伸若干距离形成一靠山29-1；移动杆正向运动(如图5中箭头所示方向)划水时，靠山贴靠在细杆上，以保证小划板的划水面积，保证小划板产生足够的划水力量。移动杆反向运动(如图6中箭头所示方向)复位时，小划板在水的作用力下在顺时针方向旋转(环绕与细杆的铰接轴旋转；靠山也与细杆离开一定的距离)一定的角度，从而大大减小了小划板的划水面积，减小了水对小划板的反作用力，确保了整个装置能够以一定速率往前方运动。
进一步的推荐，靠山与细杆之间还可增设一拉簧29-2，拉簧对靠山稍加拉力，防止移动杆反向运动时，小划板旋转过大(图6状态时，小划板受到水的反作用力后，克服拉簧的拉力而旋转)。
所述每个小划板29上各安装一个距离传感器，可以帮助仿生皮皮虾运动装置探测有无来自底部的危险。
所述直线电机驱动器通过导线连通直线电机，小型电源则提供动力源。所述距离传感器将采集到的数据和摄像头拍摄到的画面传回所述微型控制器，由微型控制器做出判断：若前方无障碍，则仿生皮皮虾继续运动，不做改变；若前方有障碍，微型控制器控制直线电机驱动器，使直线电机驱动器发出不一样的脉冲电压频率；直线电机的速度即发生改变；可伸缩杆的伸缩速度也随之发生改变，实现了仿生皮皮虾装置的速度改变和方向改变，顺利完成避障。
下面对仿生皮皮虾运动装置的主要运动过程进行详细说明：
1、游动：仿生皮皮虾运动装置进入水中后，由各圆拱块提供浮力；并且通过直线电机的驱动，实现可收缩杆31的收缩，从而控制小划板29的前后移动，推进仿生皮皮虾运动装置的移动。
2、避障：仿生皮皮虾运动装置的每个小划板29和头部14都装有距离传感器，当检测到不远处有障碍物时，微型控制器可以通过直线电机驱动器控制可收缩杆进行不同的运动从而实现方向的旋转。比如，当检测到前方有障碍物时，微型控制器控制一侧的可收缩杆31运动放慢。另一侧的可收缩杆的运动加快，这样就能迅速改变仿生皮皮虾运动装置的运动路线，实现有效避障，从而增长仿生皮皮虾运动装置在水里工作的时间和寿命。
本发明提供的仿生皮皮虾运动装置，重点模仿皮皮虾的运动方式，采用多个游泳足协调运动，使得整体运动更加灵活。

Claims (7)

1.一种仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：该运动装置包括头部(14)、尾部(1)、连接在头部与尾部之间的身体关节(13)、安装在身体关节上的若干转动推进机构(12)、安装在头部的微型摄像头和距离传感器、以及安装在尾部的控制模块。
2.根据权利要求1所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：所述身体关节由相同结构的若干关节组成；每个关节包括相互平行排列的若干根螺旋弹簧(20)以及分别固定在若干根弹簧两端的两个圆拱块(15)，相邻关节的螺旋弹簧通过同一个圆拱块连接；从而形成横截面为圆拱形的类似皮皮虾的形状。
3.根据权利要求2所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：每个关节的左右两侧分别安装有一个转动推进机构，具体安装在圆拱块的圆弧面的反向一侧；每个转动推进机构包括后端固定在圆拱块上的主杆(25)、顶端与主杆前端铰接的细杆(27)、分别与主杆及细杆的中部铰接的可收缩杆以及驱动可收缩杆的直线电机，细杆的底端安装有小划板(29)。
4.根据权利要求3所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：所述圆拱块为与外部封闭以提高浮力的的薄壁壳体；除了头部和尾部的圆拱块之外，其余圆拱块内安装有用于配合直线电机的直线电机驱动器。
5.根据权利要求4所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：每个小划板的顶部均与细杆的底端铰接连接；小划板的顶端还制作有往上延伸以与细杆干涉的靠山(29-1)，使得小划板的正向前进划水与反向复位划水，产生不同的划水力量。
6.根据权利要求5所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：所述每个小划板上分别安装一个距离传感器。
7.根据权利要求6所述的仿生皮皮虾运动装置，其特征在于：所述尾部包括固定在圆拱块上的三角形壳体，三角形壳体内装有由微型控制器以及小型电源组成的控制模块。
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