CN111559482B - 尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人及其运动实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人及其运动实现方法，属于仿生机器人技术领域，仿生蝌蚪机器人包括头部和尾部，头部设有用于驱动头部向上或向下运动的驱动机构；尾部包括对称布置的两个柔性摆件，柔性摆件可绕所述头部的中心转动，依机器人运动状态改变时进行一定角度的转动。以仿生蝌蚪机器人头部的驱动机构作为动力，通过头部的向上或向下的垂直运动带动柔性摆件向上或向下运动，同时柔性摆件与水相互作用发生被动变形产生机器人前进的水平驱动力。同时，机器人不同的运动形态可以通过改变两柔性摆件的相对角度来实现，机器人的运动方式大大增多，适用范围更广。

Description

尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人及其运动实现方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体地说，涉及一种尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人及其运动实现方法。

背景技术

仿生机器人是仿生学与机器人学交叉结合的产物，是利用生物系统结构、性状、原理、行为以及相互作用来启发与指导机器人的研制。是一个包含机械、电气、光等各种元器件的综合机器人系统，不仅在运动机理和感知模式等方面体现了生物的形态特征，而且能够在未知环境下准确而高效的完成特定的复杂任务。因此开展仿生机器人领域的研究，将使人类利用科技改造自然的能力得到极大的提高，给人类社会的发展带来巨大的经济效益。随着机器人技术及生物学的发展，仿生机器人技术也得到了长足的发展。

蝌蚪是蛙和蟾蜍的水生幼体，身体略呈圆形，尾巴长，拥有了突出的游动能力，能通过尾巴的摆动来实现前进和转向运动能力。仿生蝌蚪机器人是基于蝌蚪运动的基本原理模仿蝌蚪尾部摆动运动设计而成的一种微小细长的机器人。蝌蚪机器人具备高效性与灵活性，同时还具备高隐蔽性，能很好地融入环境，对周围环境影响小。在容纳摄像头、传感器等探测设备下，能够在远程水域、细长管道等狭窄水域进行独立自主作业，实现水下高隐蔽性的侦察、探测工作。

现有的仿生蝌蚪机器人主要由头部和柔性尾部组成，如公布号为CN106787936A的中国专利文献公开的一种仿生蝌蚪机器人，公布号为CN108820176A的中国专利文献公开的一种基于IPMC驱动的仿生蝌蚪装置及其驱动方法，不足之处在于，现有的仿生蝌蚪机器人几乎都采用尾部摆动的单一动力驱动方式，能实现的运动功能较少。当机器人在外作业尾部遭受渔网、水草缠绕时，由于机器人无其它动力源，将无法正常工作。

发明内容

本发明的目的为提供一种尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人及其运动实现方法，能够实现较多的运动方式，使其应用范围更广。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人包括头部和尾部，所述头部设有用于驱动头部向上或向下运动的驱动机构；所述尾部包括对称布置的两个柔性摆件，所述柔性摆件可绕所述头部的中心转动，依机器人运动状态改变时进行一定角度的转动。

上述技术方案中，以仿生蝌蚪机器人头部的驱动机构作为动力，通过头部的向上或向下的垂直运动带动柔性摆件向上或向下运动，同时柔性摆件与水相互作用发生被动变形产生机器人前进的水平驱动力。同时，机器人不同的运动形态可以通过改变两柔性摆件的相对角度来实现，机器人的运动方式大大增多，适用范围更广。

可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括安装在所述头部内的至少一对螺旋推进器，每对螺旋推进器对称布置，且旋向相反。此处螺旋推进器的旋向相反指的是桨叶成正反桨，运动旋向相反，这样保证了两个螺旋推进器在在垂直于轴向的力矩可以抵消，主要剩下沿轴向的力，推动头部向上。以螺旋桨推进器作为主要的动力装置，在尾部被杂物缠绕导致尾部驱动失效的情况下，机器人头部仍然具备足够动力以使机器人摆脱风险。

可选地，在一个实施例中，所述的头部设有上下布置的导流通道，所述的螺旋推进器设置在所述导流通道内。导流通道可以对螺旋推进器起到保护的作用，同时，可在导流通道上下布置滤网，提高保护机能。

可选地，在一个实施例中，所述的头部为扁球形，包括相互扣合的上壳体和下壳体，且上下壳体之间具有用于所述柔性摆件转动的缝隙。

可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括安装在所述下壳体内的至少一对螺旋推进器，每对螺旋推进器对称布置，且旋向相反。此处螺旋推进器的旋向相反指的是桨叶成正反桨，运动旋向相反，这样保证了两个螺旋推进器在垂直于轴向的力矩可以抵消，主要剩下沿轴向的力，推动头部向上。

可选地，在一个实施例中，所述的下壳体内设有导流通道，所述的上壳体设有与所述导流通道对应的通孔；所述的螺旋推进器设置在所述导流通道内。

可选地，在一个实施例中，所述的柔性摆件通过连杆与所述头部连接；两连杆分别由电机驱动绕所述头部中心转动。

可选地，在一个实施例中，所述的连杆呈用于避让所述驱动机构的弯曲状。连杆与柔性摆件之间通过固定连接件连接。

可选地，在一个实施例中，所述的头部内设有电池密封舱和电子密封舱。柔性摆件的材料可以是橡胶、塑料等具备一定柔性的材料。

另一方面，本发明提供的用于上述尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人的运动实现方法，包括：

前进时，两柔性摆件以对称线为基准张开相同的角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生与机器人前进方向一致的合推力，机器人向前运动；

向左转向时，右侧的柔性摆件相对对称线逆时针转动一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生偏左的合推力，机器人向左转向；

向右转向时，左侧的柔性摆件相对对称线逆时针转动一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生偏右的合推力，机器人向右转向；

上浮时，两柔性摆件以对称线为基准张开相同的角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直向上运动，两柔性摆件在头部带动下进行向上运动，并向下弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向上浮运动；

下潜时，两柔性摆件以对称线为基准张开相同的角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直向下运动，两柔性摆件在头部带动下进行向下运动，并向上弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向下潜运动；

悬停时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部的驱动机构产生定量向上的推力，平衡机器人的静力差，两柔性摆件不发生弯曲变形；

原地上浮时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部垂直向上运动，两柔性摆件在头部带动下进行向上运动，并向下弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零；

原地下潜时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部垂直向下运动，两柔性摆件在头部带动下进行向下运动，并向上弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零。

以上对称线指的是以驱动机构为基准，能够平衡机器人的左右运动的线。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人头部由驱动机构进行驱动，尾部在机器人头部垂直运动的带动下，与水相互作用弯曲变形，产生机器人水平方向的动力。通过调整尾部上两柔性摆件的位置和两螺旋桨的推力，可实现机器人前进、转向、上浮、下潜、原地上浮、原地下潜及悬停众多运动功能。由于该机器人的驱动机构与尾部均能为机器人提供动力，可以有效解决在尾巴被缠绕无法提供驱动力的情况下，机器人头部仍然具备一定的动力用于机器人摆脱风险。

附图说明

图1为本发明实施例中被动变形式仿生蝌蚪机器人的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中被动变形式仿生蝌蚪机器人的头部内结构示意图；

图3为本发明实施例中下壳体的结构示意图；

图4为本发明实施例中连杆的结构示意图；

图5为本发明实施例中固定连接件的结构示意图；

图6为本发明实施例中柔性摆件的结构示意图；

图7为本发明实施例中头部向上运动时尾部向下弯曲的状态示意图；

图8为本发明实施例中头部向下运动时尾部向上弯曲的状态示意图；

图9为本发明实施例中两柔性摆件对称放置在对称线两侧的状态示意图；

图10为本发明实施例中右侧柔性摆件偏离对称线一定角度的状态示意图；

图11为本发明实施例中左侧柔性摆件偏离对称线一定角度的状态示意图；

图12为本发明实施例中两柔性摆件与对称线垂直的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1至图6，本实施例的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人包括扁球形的头部100和柔性的尾部200，头部设有驱动机构。

其中，头部100包括相互扣合的上壳体110和下壳体120，可通过螺栓进行扣合，形成了具备一定容量的腔体。在下壳体120内设有两导流通道121和122，上壳体110设有与两导流通道对应的通孔。本实施例的驱动机构包括安装在两导流通道内的螺旋推进器，螺旋推进器301安装在导流通道121内，螺旋推进器302安装在导流通道122内。螺旋推进器301和螺旋推进器302的叶片旋向相反，只有在两个螺旋推进器转向相反时才能产生相同方向的驱动力，相反转向的两螺旋桨推进器可抵消自身产生的扭矩。

尾部200包括两个柔性摆件，分别为左柔性摆件201和右柔性摆件202，两柔性摆件通过连杆400连接至下壳体120内，且可绕下壳体120的中心转动。在上下壳体之间设有用于避让连杆转动的缝隙500。下壳体120内还设有电子密封舱123、电池密封舱124以及用于分别驱动两个柔性摆件转动且上下布置的两个伺服电机125。电子密封舱123和电池密封舱124安装在头部100的前端，分别为机器人的控制系统中心和能量供应中心。电子密封舱123与电池密封舱124具有密封防水作用，可通过水密插件与外部电路进行连接。两个伺服电机125通过螺栓分别安装在上壳体110与下壳体120的卡槽126中，并呈相互对立放置。卡槽126由两个固定块间隔布置构成。

两个伺服电机125的输出轴中心位于头部100上下方向的轴线上，输出轴分别与两个连杆400进行连接。如图4所示，连杆400具有较为弯曲的结构，连接伺服电机125的一端为凸台形状，在防止两个连杆运动时产生干涉碰撞的同时，可使连杆400其余部分处于头部上下方向的对称面上。连杆400中部为弯曲形状是为了绕开导流通道。连杆400的另一端为机构的输出端，该端连接到柔性摆件。连杆400在伺服电机125驱动下，可在上下壳体之间的缝隙500中转动，从而实现对尾部200的状态进行调整。头部100可通过填充配重块、浮力材料进行重力浮力平衡，并使机器人总体重力略大于浮力。

本实施例的柔性摆件可为橡胶、塑料等具备一定弹性的材料制作而成。连杆400与柔性摆件之间通过固定连接件600连接。如图5所示，固定连接件600为可分为上板601与下板602，柔性摆件夹在上板601与下板602之间，并通过螺栓连接进行固定。固定连接件600通过螺栓连接到连杆400上，柔性摆件沿长边方向指向头部100的中心，并处于头部100上下方向的对称面上。如图6所示，伺服电机125可通过连杆400实现对柔性摆件的位置进行控制。

两个螺旋桨推进器旋向相反时产生同向的驱动力，从而驱动头部100运动。当机器人的头部100在螺旋桨推进器驱动下做垂直向上或向下运动时，机器人尾部200在头部100带动下同样会做类似的向上或向下运动。但由于机器人尾部200具备一定的柔性，会发生被动弯曲变形，从而产生垂直方向的无用力和水平方向的推力。如图7所示，当机器人头部100向上运动时，尾部200向下弯曲变形。如图8所示，当机器人头部100向下运动时，尾部200向上弯曲。尾部200对机器人产生的垂直方向的无用力和倾覆力矩可通过调整两个螺旋桨推进器的驱动力进行平衡。该机器人可以搭配深度传感器与姿态传感器等传感系统，设计内部控制算法从而可实现各项运动能力。

以下对本实施例的机器人各项运动能力实现方法进行说明：

(1)前进：以两螺旋桨推进器的连线为对称线，两柔性摆件对称地位于对称线的两侧，如图9所示。机器人头部100进行垂直向上与向下交替的简谐运动，两侧柔性摆件在头部100带动下进行向上与向下交替的简谐运动，并交替地进行向下与向上弯曲变形，在水平方向上产生与机器人前进方向一致的合推力，机器人向前运动。

(2)向左转向：以两螺旋推进器的连线为对称线，右柔性摆件202逆时针转动，右柔性摆件202偏离对称线并与对称线的夹角增大，如图10所示。机器人头部100进行垂直向上与向下交替的简谐运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向上与向下交替的简谐运动，并交替地向下与向上弯曲变形，在水平方向上产生偏左的合推力，机器人向左转向。

(3)向右转向：以两螺旋推进器的连线为对称线，左柔性摆件201顺时时针转动，左柔性摆件201偏离对称线并与对称线的夹角增大，如图11所示。机器人头部100进行垂直向上与向下交替的简谐运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向上与向下交替的简谐运动，并交替地向下与向上弯曲变形，在水平方向上产生偏右的合推力，机器人向右转向。

(4)上浮：以两螺旋推进器的连线为对称线，两柔性摆件对称地位于对称线的两侧，如图9所示。机器人头部100进行垂直向上运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向上运动，两柔性摆件向下弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向上浮运动。

(5)下潜：以两螺旋推进器的连线为对称线，两柔性摆件对称地位于对称线的两侧，如图9所示。机器人头部100进行垂直向下运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向下运动，同时两柔性摆件向上弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向下潜运动。

(6)悬停：以两螺旋推进器的连线为对称线，左柔性摆件201和右柔性摆件202分别按顺时针和逆时针转动到与对称线垂直的位置，如图12所示。螺旋推进器产生定量向上的推力，该力用于平衡机器人的静力差，即重力与浮力之差，两柔性摆件不发生弯曲变形。

(7)原地上浮：以两螺旋推进器的连线为对称线，左柔性摆件201和右柔性摆件202分别按顺时针和逆时针转动到与对称线垂直的位置，如图12所示。机器人头部100垂直进行向上运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向上运动，同时两柔性摆件向下弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零。

(8)原地下潜：以两螺旋推进器的连线为对称线，左柔性摆件201和右柔性摆件202分别按顺时针和逆时针转动到与对称线垂直的位置，如图12所示。机器人头部100进行垂直向下运动，两柔性摆件在头部100带动下进行向下运动，同时两柔性摆件向上弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零。

Claims (7)

1.一种尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，包括头部和尾部，其特征在于，所述头部设有用于驱动头部向上或向下运动的驱动机构；所述尾部包括对称布置的两个柔性摆件，所述柔性摆件可绕所述头部的中心转动，依机器人运动状态改变时进行一定角度的转动；通过所述头部的向上或向下的垂直运动带动所述柔性摆件向上或向下运动，所述柔性摆件与水相互作用发生被动变形产生机器人前进的水平驱动力；

所述的头部为扁球形，包括相互扣合的上壳体和下壳体，且上下壳体之间具有用于所述柔性摆件转动的缝隙；

所述的驱动机构包括安装在所述下壳体内的至少一对螺旋推进器，每对螺旋推进器对称布置，且旋向相反。

2.根据权利要求1所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，其特征在于，所述的头部设有上下布置的导流通道，所述的螺旋推进器设置在所述导流通道内。

3.根据权利要求1所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，其特征在于，所述的下壳体内设有导流通道，所述的上壳体设有与所述导流通道对应的通孔；所述的螺旋推进器设置在所述导流通道内。

4.根据权利要求1所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，其特征在于，所述的柔性摆件通过连杆与所述头部连接；两连杆分别由电机驱动绕所述头部中心转动。

5.根据权利要求4所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，其特征在于，所述的连杆呈用于避让所述驱动机构的弯曲状。

6.根据权利要求1所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人，其特征在于，所述的头部内设有电池密封舱和电子密封舱。

7.一种用于权利要求1~6中任一权利要求所述的尾部被动变形式仿生蝌蚪机器人的运动实现方法，其特征在于，包括：

前进时，两柔性摆件以对称线为基准张开一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生与机器人前进方向一致的合推力，机器人向前运动；

向左转向时，右侧的柔性摆件相对对称线逆时针转动一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生偏左的合推力，机器人向左转向；

向右转向时，左侧的柔性摆件相对对称线逆时针转动一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直方向上的上下简谐运动，两柔性摆件在头部带动下进行上下交替的简谐运动，并交替地进行上下弯曲变形，在水平方向上产生偏右的合推力，机器人向右转向；

下潜时，两柔性摆件以对称线为基准张开相同的角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直向下运动，两柔性摆件在头部带动下进行向下运动，并向上弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向下潜运动；

上浮时，两柔性摆件以对称线为基准张开一定角度，仿生蝌蚪机器人头部进行垂直向上运动，两柔性摆件在头部带动下进行向上运动，并向下弯曲变形，在水平方向上产生向前的合推力，机器人进行斜向上浮运动；

悬停时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部的驱动机构产生定量向上的推力，平衡机器人的静力差，两柔性摆件不发生弯曲变形；

原地上浮时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部垂直向上运动，两柔性摆件在头部带动下进行向上运动，并向下弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零；

原地下潜时，两柔性摆件以对称线为基准分别转动到与对称线垂直的位置，仿生蝌蚪机器人头部垂直向下运动，两柔性摆件在头部带动下进行向下运动，并向上弯曲变形，在水平方向上产生的推力相互抵消，合推力为零。

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