CN111688894B - 一种运动变换式波动推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动变换式波动推进装置，包括壳体，波动鳍面结构，旋转‑波动变换机构，以及控制系统；波动鳍面结构包括鳍面，鳍面上设置两组鳍条骨架，两组鳍条骨架的前端分别连接在壳体躯干两侧的头部后侧，两鳍条骨架中均穿插螺旋中轴，螺旋中轴的前端连接微型电机，螺旋中轴能够带动鳍条骨架上下波动；本发明采用两个小型减速电机，功耗更低，结构稳定性也更好，结构简单，能源利用率高、效率高；本发明鳍条骨架的结构使其能在坚硬地表、滩涂等地形仍可运动，实现水陆两栖；本发明实现的波动推进由螺旋中轴的实现，控制更简单、效率高、稳定性好、机动性强；本发明体积小、结构紧凑，最大程度适应了现实中的复杂工作环境。

Description

一种运动变换式波动推进装置

【技术领域】

本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种运动变换式波动推进装置。

【背景技术】

随着社会的发展，人类的活动领域也不再局限于陆地，水下世界得到了越来越多的关注。然而，因为人类不能直接在水下呼吸，所以通常人们依赖于水下机器人来进行水下航行、水文监测、矿藏开采等水下活动。当前使用的水下机器人，很多都是基于螺旋桨推进的驱动方式，这种推进方式结构简单，技术成熟，因而得到广泛应用。但传统的水下航行机器人采用螺旋桨推进，由于螺旋桨转速快，容易受到水下沙石、水草等杂质的阻碍，干扰水下机器人的正常航行，严重的还会造成螺旋桨叶片损坏、电机烧毁等事故。同时，由于螺旋桨结构不同于大多数水下生物，因此不利于近距离观察和接触水下生物。

水下动物进化出了各式各样的独特生理结构，从而实现了各式各样的推进方法，来适应复杂的水域环境。具体以鱼类为例，推进机理大致可分为身体-尾鳍摆动式和胸鳍波动式。身体-尾鳍摆动式推进的优点是高爆发力、高速，但缺点在于能量损耗大、不能持久。胸鳍波动式推进则具有机动性好、高效，能长时间游动的有点，但在速度上略逊于身体-尾鳍摆动式。因此，在新型推进器结构的设计上，人们借助了仿生学的思维，模仿了这两种运动模式。就现状而言，对于身体-尾鳍摆动式，由于尚未找到能够和鱼类肌肉收缩相媲美的驱动器，因此更多的是采用舵机来模拟鱼类的摆动。对于胸鳍波动式推进，也同样是使用数十个舵机，来模拟这种鱼类(如鳐鱼、魟鱼)游动时的波动姿态。

波动推进式水下机器人属于仿生水下机器人，相较于螺旋桨推进的水下机器人，其具有高效、机动性强、对环境影响小等优点。但是，以中国专利201220086410.9为例，现行的波动推进水下机器人，设计上大多是基于多组舵机协同工作的设计。这种工作方式由舵机直接驱动，具有耗能大、不易控制的问题，此外，由于波动形状依赖于舵机角度的控制，实际应用中稳定性不足，因此并未得到广泛应用。最后，由于现实环境中也会面对滩涂、沙滩等复杂地形，现有水下机器人仅能在水下工作，不能良好适应现实中大量不可控制的复杂工况。

【发明内容】

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种运动变换式波动推进装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种运动变换式波动推进装置，包括：

壳体，所述壳体包括头部、躯干以及柔性尾部；所述头部与躯干垂直连接，躯干的前端设置在头部的中心，躯干的尾端连接柔性尾部的前端；

波动鳍面结构，所述波动鳍面结构包括鳍面，鳍面上设置两组鳍条骨架，两组鳍条骨架的前端分别连接在壳体躯干两侧的头部后侧，两鳍条骨架中均穿插螺旋中轴，螺旋中轴的前端连接微型电机，所述螺旋中轴能够在微型电机的驱动下进行旋转，进而带动鳍条骨架上下波动；

旋转-波动变换机构，所述旋转-波动变换机构包括螺旋中轴以及安装在壳体头部的微型电机；

控制系统，所述控制系统设置于躯干内腔中，包括供电模块、控制信号模块、通讯模块、视觉模块和运算处理模块。

本发明进一步的改进在于：

所述壳体包括左右对称的左侧外壳和右侧外壳，左侧外壳和右侧外壳均包括对称的半个头部和半个躯干，两个微型电机分别设置在左右两个头部的内腔，微型电机的输出端依次连接减速齿轮组和联轴器，联轴器与螺旋中轴相连，联轴器与头部之间通过密封环密封；左右两组半个头部的后侧，均设置有两个骨架连接卡扣，分别与鳍条骨架的第一节鳍条相连。

所述鳍条骨架包括若干鳍条，鳍条包括鳍条本体，所述鳍条本体中部开设有用于使螺旋中轴通过的通槽；鳍条本体前侧的两端设置有两个圆柱状卡扣，圆柱状卡扣的中心开设有销孔；鳍条本体的后侧设置有两个圆柱状的销座，销座的外侧设置有销轴；所述相邻两鳍条连接时，前一节鳍条后侧的两个销轴插入下一节鳍条前侧圆柱状卡扣的销孔中。

所述骨架连接卡扣的末端外侧设置有销轴；在连接鳍条骨架时，同一侧两个骨架连接卡扣末端的销轴插入第一节鳍条前侧圆柱状卡扣的销孔中。

所述壳体的前端开设有摄像头开孔，内部设置有摄像头支架；摄像头开孔密封粘贴有透明塑料片。

所述左侧外壳和右侧外壳通过卡扣连接，并通过粘合剂密封。

所述螺旋中轴旋转时的波谷低于壳体底面，所述壳体头部的底面设置有滑轮。

所述柔性尾部采用橡胶材料制成，鳍条骨架采用尼龙材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明仅使用两个小型减速电机，这种技术方案相较于目前普遍使用的数个舵机直接驱动单根鳍条的方案，功耗更低，结构稳定性也更好，结构简单，能源利用率高、效率高；本发明不同于其他水下机器人仅能在水中工作，鳍条骨架的特殊结构使其能在坚硬地表、滩涂等地形仍可运动，实现水陆两栖；本发明实现的波动推进完全由螺旋中轴的几何外形实现，不同于传动多个舵机相互协同的方式，控制更简单、效率更高、稳定性更好、机动性更强；本发明前端带有摄像头开孔，可实现基于视觉的闭环反馈；本发明尾部带有橡胶材质的柔性尾部，可通过挤压尾部来确认水下机器人内部是否气密性良好，从而保证内部不会漏水，影响控制系统正常运转；最后，本发明不使用大量的舵机，结构简单，因此体积很小、结构紧凑，最大程度适应了现实中的复杂工作环境。

【附图说明】

图1是本发明的轴测图；

图2是本发明侧视图；

图3是本发明波动鳍面结构和旋转-波动变换机构的结构示意图；

图4是本发明壳体的结构示意图；

图5是本发明鳍条骨架的结构示意图。

其中：1-鳍面；2-鳍条骨架；3-鳍条；4-螺旋中轴；5-微型电机；6-减速齿轮组；7-联轴器；8-摄像头开孔；9-左侧外壳；10-右侧外壳；11-摄像头支架；12-骨架连接卡扣；13-柔性尾部。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明运动变换式波动推进装置，用于水下机器人，推进装置可做标准正弦波形状的波动运动，从而推动水流，利用反作用力推动自身前进。同时，通过差速转向的方法，可以实现灵活的零转弯半径转向。由于整个波动鳍面结构有足够的刚度支撑整个水下机器人的重量，利用前端底盘滑轮配合波动推进装置，也可以在滩涂、陆地或浮于水面上时水面上平稳、灵活的运动。

参见图1，本发明运动变换式波动推进装置，包括波动鳍面结构、旋转-波动变换机构、控制系统和壳体；

波动鳍面结构包括鳍面1、鳍条骨架2；鳍面1具有一定柔性，鳍面1粘合覆盖在鳍条骨架2的上侧和外侧，鳍条骨架2是由尼龙材料制成，有一定的弹性，其基本构成单元为鳍条3，鳍条3前侧和后侧有相配合的圆柱形卡扣；同时，鳍条3的空心结构能够从前后方向插入螺旋中轴4，将每个基本组成单元通过环环相扣的方式，组装成为完整骨架，每一节鳍条3可相对于前一节做一定程度的旋转运动；在运行过程中，鳍面波谷低于整个底盘，因此鳍面的波动运动使水下机器人也能在滩涂、坚硬地表上移动。

旋转-波动变换机构由螺旋中轴4、微型电机5、减速齿轮组6、密封环和联轴器7组成；其中联轴器7采用密封设计，配合密封环使用，阻止水从电机轴流入水下机器人内部，螺旋中轴4具有特殊的螺旋结构，通过与鳍条骨架2的配合，螺旋中轴4能够在鳍条骨架2内部滑动，从而变换自身的旋转运动为鳍条骨架的波动运动。

壳体包括摄像头开孔8、左侧外壳9、右侧外壳10、摄像头支架11、骨架连接卡扣12和柔性尾部13；作为整个水下机器人的承载主体，左侧外壳9与右侧外壳10通过左右外壳卡扣连接，同时可使用粘合剂粘合两部分，达到防水的目的；摄像头开孔8处粘合了透明塑料片，摄像头可以从内部拍摄水下环境，实现水下机器人的视觉功能；组装后的外壳将与微型电机5完全贴合在一起，以进一步防止水浸入内部；柔性尾部采用橡胶材料，具有一定的粘弹性，可直接卡在组装后的外壳后端，通过挤压尾部，可以从橡胶回弹的状态判断整个水下机器人的内部气密性是否良好，从而防止漏水造成控制系统的损坏。

控制系统可分为供电模块、控制信号模块、通讯模块、视觉模块和运算处理模块；运行Linux系统，以实现机器人各项功能的控制。

本发明的工作方式如下所示：

具有本设计的水下机器人在运动时，微型电机5旋转，通过联轴器7带动螺旋中轴4做旋转运动，同时，由于两侧的鳍条骨架2的前端与左侧外壳9和右侧外壳10相连，第一节鳍条3只能绕骨架连接卡扣12的轴线做摆动运动，随着鳍条3数目的增多，每一节鳍条3相对前一节都能做一定程度的摆动；整个鳍条骨架2会随着螺旋中轴4的运动而运动，因为鳍条骨架2沿着展向方向对螺旋中轴4并未有约束，所以螺旋中轴4可以在每一根鳍条3内部滑动。这种滑动使得螺旋中轴4运动的水平分量不会传递给鳍条骨架2，按此结构，鳍条骨架2便可以实现波动运动。

当鳍条骨架2做波动运动时，黏附于其表面的柔性鳍面1便会做同样的波动运动，由于整个鳍面1使用的是不透水的材料，便可以向后推动水流，同时获得向前运动的作用力，实现在水中的波动前进。鳍面1的尾端部分采用了硬度略高于鳍面1前端大部分的橡胶材料，因此能够合理的利用整个鳍面产生的尾流，实现效率的最大化。

转向时，左右两边的微型电机5做相反方向的旋转，使得左右两侧的鳍条骨架2做一前一后的波动运动，分别产生向前、向后的推进力，这样水下机器人便得到一个旋转力矩，其作用中心位于质心处，因此可以实现原地旋转、改变方向。

此外，在滩涂地形运动时，由于螺旋中轴4有足够的强度，可以保持其螺旋形状不变，使得鳍面1依然可以和泥泞大面积接触，进而在泥泞环境前进。通过改变电机的旋转速度、旋转方向，也可以在泥泞环境中倒退、原地转向。利用外壳底部的滑轮，和鳍面波谷，由于鳍条骨架2相对于整个水下机器人底盘有一定的高度偏置，导致整个鳍条骨架2始终会有一部分体积位于底盘之下，使得波动推进装置的波动运动能和地面相接触，产生的摩擦力能够推动滑轮，从而也能在陆地灵活移动。基于和水下类似的差速原理，也可以在坚硬地表上倒退、原地转向。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种运动变换式波动推进装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体包括头部、躯干、柔性尾部（13）以及左右对称的左侧外壳（9）和右侧外壳（10）；所述头部与躯干垂直连接，躯干的前端设置在头部的中心，躯干的尾端连接柔性尾部（13）的前端；左侧外壳（9）和右侧外壳（10）均包括对称的半个头部和半个躯干，两个微型电机（5）分别设置在左右两个头部的内腔，微型电机（5）的输出端依次连接减速齿轮组（6）和联轴器（7），联轴器（7）与螺旋中轴（4）相连，联轴器（7）与头部之间通过密封环密封；左右两组半个头部的后侧，均设置有两个骨架连接卡扣（12），分别与鳍条骨架（2）的第一节鳍条（3）相连；

波动鳍面结构，所述波动鳍面结构包括鳍面（1），鳍面（1）上设置两组鳍条骨架（2），两组鳍条骨架（2）的前端分别连接在壳体躯干两侧的头部后侧，两鳍条骨架（2）中均穿插螺旋中轴（4），螺旋中轴（4）的前端连接微型电机（5），所述螺旋中轴（4）能够在微型电机（5）的驱动下进行旋转，进而带动鳍条骨架（2）上下波动；

旋转-波动变换机构，所述旋转-波动变换机构包括螺旋中轴（4）以及安装在壳体头部的微型电机（5）；

控制系统，所述控制系统设置于躯干内腔中，包括供电模块、控制信号模块、通讯模块、视觉模块和运算处理模块。

2.根据权利要求1所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述鳍条骨架（2）包括若干鳍条（3），鳍条（3）包括鳍条本体，所述鳍条本体中部开设有用于使螺旋中轴（4）通过的通槽；鳍条本体前侧的两端设置有两个圆柱状卡扣（14），圆柱状卡扣（14）的中心开设有销孔；鳍条本体的后侧设置有两个圆柱状的销座，销座的外侧设置有销轴（15）；所述相邻两鳍条（3）连接时，前一节鳍条（3）后侧的两个销轴（15）插入下一节鳍条（3）前侧圆柱状卡扣（14）的销孔中。

3.根据权利要求1或2所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述骨架连接卡扣（12）的末端外侧设置有销轴；在连接鳍条骨架（2）时，同一侧两个骨架连接卡扣（12）末端的销轴插入第一节鳍条（3）前侧圆柱状卡扣（14）的销孔中。

4.根据权利要求1所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述壳体的前端开设有摄像头开孔（8），内部设置有摄像头支架（11）；摄像头开孔（8）密封粘贴有透明塑料片。

5.根据权利要求1所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述左侧外壳（9）和右侧外壳（10）通过卡扣连接，并通过粘合剂密封。

6.根据权利要求1或2所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述螺旋中轴（4）旋转时的波谷低于壳体底面，所述壳体头部的底面设置有滑轮。

7.根据权利要求6所述的运动变换式波动推进装置，其特征在于，所述柔性尾部（13）采用橡胶材料制成，鳍条骨架（2）采用尼龙材料制成。

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