CN112009655A - 电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其解决了现有仿鱿鱼机器人灵活性差、噪声大、不能进行爆发性喷射推进的技术问题，其包括躯干、尾鳍和腕鳍、电控模块、圆形底板、圆筒、驱动模块、矢量喷嘴和矢量喷嘴定位圆盘，圆形底板与躯干的本体的内壁固定连接；圆筒的一端与圆形底板固定连接，另一端通过连接圆环与本体的内壁固定连接；矢量喷嘴定位圆盘与圆筒的内壁固定连接，矢量喷嘴连接在矢量喷嘴定位圆盘的矢量喷嘴连接孔中；电控模块包括高倍率电芯和电路板，电控模块连接在躯干内；驱动模块包括鼓形硅胶膜片、第一平面线圈、第二平面线圈，鼓形硅胶膜片与圆形底板固定连接，第一平面线圈与鼓形硅胶膜片的顶面连接，第二平面线圈与圆形底板连接，电控模块与第一平面线圈之间通过第一信号线缆连接，电控模块与第二平面线圈之间通过第二信号线缆连接。本发明广泛用于水下探测和开发。

Description

电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人，具体而言，涉及一种电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人。

背景技术

随着人们对海洋资源的开发利用的重视和仿生学的进步，仿生水下机器人的研究备受关注。制造无噪音、无污染、能耗低、效率高，能适应海底复杂环境的仿生水下机器人成为广大研究者的目标。

仿鱿鱼机器人是仿生水下机器人的一种类型，参考专利号为201920300029.X，发明名称为“一种基于海洋馆观赏型仿生鱿鱼”的中国实用新型专利，鱿鱼本体和头部之间、鱿鱼本体和肉鳍之间通过舵机相连，便于鱿鱼结构的自由动作，虽然整体形状更加接近和模仿鱿鱼，但是不具有类似鱿鱼爆发性喷射推进的特点，而且灵活性差、噪声大。

发明内容

本发明就是为了解决现有仿鱿鱼机器人灵活性差、噪声大、不能进行爆发性喷射推进的技术问题，提供了一种灵活性强、机动性好、无噪声、能够进行爆发性喷射推进的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人。

本发明提供一种电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，包括躯干、尾鳍和腕鳍，尾鳍与躯干连接，腕鳍与躯干连接；电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人还包括电控模块、圆形底板、圆筒、驱动模块、矢量喷嘴和矢量喷嘴定位圆盘，躯干设有本体，圆形底板与本体的内壁固定连接，圆形底板位于本体的横截面上；圆筒的一端与圆形底板固定连接，另一端通过连接圆环与本体的内壁固定连接；圆形底板设有穿线孔，矢量喷嘴定位圆盘与圆筒的内壁固定连接，矢量喷嘴定位圆盘设有矢量喷嘴连接孔，矢量喷嘴连接在矢量喷嘴连接孔中；

电控模块包括高倍率电芯和电路板，电控模块连接在躯干内；矢量喷嘴与电路板电连接；

驱动模块设置在圆筒的腔室中，驱动模块包括鼓形硅胶膜片、第一平面线圈、第二平面线圈、第一信号线缆和第二信号线缆，所述鼓形硅胶膜片设有顶面和底面，底面与圆形底板固定连接，第一平面线圈与顶面连接，第二平面线圈与圆形底板连接，第一信号线缆设有两根导线，第一信号线缆的两根导线分别与第一平面线圈的两端连接；第二信号线缆设有两根导线，第二信号线缆的两根导线分别与第二平面线圈的两端连接；第一信号线缆穿过圆形底板的穿线孔后与电控模块的电路板连接；第二信号线缆穿过圆形底板的穿线孔后与电控模块的电路板连接。

优选地，第一信号线缆中两根导线靠近第一平面线圈的部分穿过鼓形硅胶膜片。

优选地，第一信号线缆中两根导线靠近第一平面线圈的部分从鼓形硅胶膜片的表面绕过。

本发明的有益效果是，依靠通过脉冲电流后的柔性平面线圈相互作用，带动鼓形膜片运动，驱动腔室的体积变化，将驱动腔室的水喷出，实现脉冲式推进，从而驱动仿鱿鱼机器人运动，灵活器强，无噪声。通过调整脉冲电流的相应参数，可以调整仿生鱿鱼机器人喷射推进速度。

能够实现无噪声条件下的爆发性喷射推进运动，通过柔性喷嘴实现转向功能，机动性强，位置控制精度高。可搭载多种传感器及水下探测器，对海洋进行探测和开发。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人的整体结构示意图；

图2是本发明电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人的躯干部分的结构示意图；

图3是图2所示结构中，圆筒与躯干的连接示意图；

图4是本发明电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人的尾鳍部分的结构示意图；

图5是图2所示结构中，矢量喷嘴定位圆盘与圆筒的连接示意图；

图6是驱动模块的安装结构示意图；

图7是鼓形硅胶膜片的立体图；

图8是鼓形硅胶膜片的主视图；

图9是鼓形硅胶膜片的透视图；

图10是矢量喷嘴的结构示意图；

图11是电控模块的结构示意图；

图12是第一平面线圈和第二平面线圈分别通过信号线缆与电控模块连接的示意图；

图13是第一平面线圈通过第一信号线缆与电路板实现电气连接的示意图。

图中符号说明：

100.躯干，110.本体，111.尾部，111-1.摄像头穿线孔，111-2.尾鳍卡槽，120.固定板，130.圆形底板，140.圆筒；200.尾鳍，210.尾鳍内侧贴合面，220.尾鳍固定卡扣；300.腕鳍，400.电控模块，410.高倍率电芯，420.电路板；500.驱动模块，510.鼓形硅胶膜片，520.第一平面线圈，530.第二平面线圈；600.矢量喷嘴，601.硅胶蒙皮，602.弹簧骨架，603.SMA丝；700.摄像头。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人包括躯干100、尾鳍200、腕鳍300、电控模块400、驱动模块500、矢量喷嘴600、摄像头700，尾鳍200与躯干100连接，腕鳍300与躯干100连接，摄像头700与躯干100连接。

如图2和3所示，躯干100包括本体110、圆形底板130、圆筒140，本体110内腔连接有固定板120，本体110设有尾部111，尾部111设有摄像头穿线孔111-1和尾鳍卡槽111-2。沿着本体110的径向方向，将圆形底板130与本体110的内壁固定连接，圆形底板130位于本体110的横截面上。圆形底板130的材质可以选用硅胶，用硅胶胶水将硅胶材质的圆形底板与本体110连接。圆筒140的一端与圆形底板130固定连接，另一端通过连接圆环150与本体110的内壁固定连接(可以通过胶水将连接圆环粘在圆筒140和本体110的内壁之间)。圆形底板130设有穿线孔131。圆形底板130的材质优选为硅胶。

如图4所示，尾鳍200设有尾鳍内侧贴合面210和尾鳍固定卡扣220，尾鳍固定卡扣220与躯干100的尾鳍卡槽111-2连接，尾鳍内侧贴合面210与躯干100的尾部111紧贴。尾鳍200与躯干100的尾部111的连接方式还可以通过其他公知结构实现。尾鳍200是通过柔性硅胶浇注制作而成，尾鳍200主要起控制仿生鱿鱼机器人的平衡作用，同时尾鳍表面还可以设置声波传感器、温度传感器、水压传感器等，尾鳍内侧贴合面210与躯干100的尾部111的外表面通过硅胶胶水进行贴合。

腕鳍300与躯干100的连接方式采用公知结构即可。硅胶浇注成的腕鳍300与尾鳍200配合，保持仿生鱿鱼机器人平衡。可以在腕鳍300表面设置加速度传感器，反应仿生鱿鱼机器人的运动状态。

如图5和6所示，矢量喷嘴定位圆盘160与圆筒140的内壁固定连接(可以通过胶水粘接的方式)，矢量喷嘴定位圆盘160设有矢量喷嘴连接孔161，结合图1所示，矢量喷嘴600固定安装在矢量喷嘴连接孔161中(可以通过胶水粘接的方式)。

如图1、6、7、8、9、12、13所示，驱动模块500设置在圆筒140的腔室中，驱动模块500包括鼓形硅胶膜片510、第一平面线圈520、第二平面线圈530、第一信号线缆540、第二信号线缆550，鼓形硅胶膜片510设有顶面511和底面512，底面512与圆形底板130固定连接(可以通过胶水粘接的方式，当圆形底板为硅胶材质时用硅胶胶水粘接)，第一平面线圈520与顶面511连接，第二平面线圈530与圆形底板130连接。第一信号线缆540设有两根导线(分别是导线540-1和导线540-2)，导线540-1、导线540-2分别与第一平面线圈520的两端连接。第二信号线缆550设有两根导线，这两根导线分别与第二平面线圈530的两端连接。导线540-1和导线540-2穿过鼓形硅胶膜片510，第一信号线缆540穿过圆形底板130的穿线孔131后与电控模块400的电路板420连接，第二信号线缆550穿过圆形底板130的穿线孔131后与电控模块400的电路板420连接。需要说明的是，第一信号线缆540中两根导线靠近第一平面线圈520的部分的布线方式也可以不穿过鼓形硅胶膜片510，而是导线540-1和导线540-2从鼓形硅胶膜片510的表面绕过。

如图10所示，矢量喷嘴600包括硅胶蒙皮601、弹簧骨架602、SMA丝603，硅胶蒙皮601套在弹簧骨架602上，三根SMA丝603穿过弹簧骨架602(三根SMA丝在圆周方向均布)，三根SMA丝603先穿过矢量喷嘴定位圆盘160，再穿过圆筒140，然后穿过圆形底板130的穿线孔131，最后与电控模块400的电路板420连接。电控模块400的电路板420通过控制三根SMA丝的通断电实现喷嘴的喷射方向的弯曲转向。

需要说明的是，矢量喷嘴600也可以采用现有技术的其他公知结构。

如图11所示，电控模块400包括高倍率电芯410和电路板420，高倍率电芯410用于向电路板420供电。电控模块400固定安装在躯干中的固定板120上。

摄像头700安装在躯干100的尾部111，尾部111设有摄像头穿线孔111-1，摄像头700的信号线穿过摄像头穿线孔111-1后与电控模块400的电路板420连接。

下面介绍电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人的工作过程：

电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人在水中喷射推进时，外部控制器与电路板420中的无线信号接收器进行无线通讯，此时设定好脉冲频率的电路板420控制第一平面线圈520的通电方向和第二平面线圈530的通电方向，从而使两个平面线圈产生相互排斥的磁场力，这时第二平面线圈530固定，产生的排斥磁场力推动第一平面线圈520带动鼓形硅胶膜片510向腕鳍300方向运动(图1中向右运动)，圆筒140中腔室的体积变小，将圆筒140的腔室中的水从矢量喷嘴600喷出，使仿鱿鱼机器人受到与水流方向相反的作用力，驱动仿鱿鱼机器人向前运动，随后电路板420控制两个平面线圈断电，相互排斥的磁场力消失，第一平面线圈520在鼓形硅胶膜片510恢复原形的弹性力作用下，回到初始位置，至此实现一次脉冲推进。此外，我们还可以通过控制平面线圈中电流的方向，使之产生相互吸引的磁场力，使两个线圈的距离进一步靠近，从而实现圆筒140中的腔室更大体积的变化，从而产生更大的推进力，同时我们也可以通过电路板420控制脉冲电流的频率，实现不同频率下的脉冲推进。

矢量喷嘴600是柔性的，可通过弹簧骨架中的SMA丝的收紧与放松实现不同方向的弯曲，在水中矢量推进时，通过改变喷嘴的弯曲方向，从而实现仿生鱿鱼机器人不同方向的喷射，从而实现不同方向的推进。下面具体介绍矢量喷嘴600的弯曲过程：在仿生鱿鱼机器人推进时，通过电路板420控制三根SMA丝的通电与断电，实现SMA的收紧放松，从而实现弹簧骨架的弯曲，即喷水方向的改变，实现矢量推进。

位于尾鳍200及腕鳍300的声波传感器，温度传感器，加速度传感器，水压传感器的信号输出端分别与电路板420的各个信号输入端电连接，通过声波传感器、温度传感器、水压传感器及加速度传感器收集到的鱿鱼距离海底的距离数据、鱿鱼周围水温数据、水压数据及鱿鱼的运动状态，这些数据通过无线通讯收发装置发送给外部控制器，外部控制器发出指令给电路板420，调整仿生鱿鱼机器人的相应喷射推进方向及速度等，有利于机器人按照要求稳定地喷射前进。

摄像头700可用来观察记录机器人前方、周围的情况。

本发明结构轻便巧妙，灵活性强、无噪声、喷射推进性能强，通过平面线圈的排斥与吸引实现驱动腔室体积的变化，没有传统的马达线驱动产生的噪声，同时喷射推进性能较强，在矢量推进方面，SMA丝协调配合，驱动弹簧式的软体躯干可实现喷嘴空间大范围弯曲与伸缩，实现机器人的转向运动，完成不同方位的探索功能。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，包括躯干、尾鳍和腕鳍，所述尾鳍与躯干连接，所述腕鳍与躯干连接；其特征在于，所述电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人还包括电控模块、圆形底板、圆筒、驱动模块、矢量喷嘴和矢量喷嘴定位圆盘，所述躯干设有本体，所述圆形底板与本体的内壁固定连接，所述圆形底板位于本体的横截面上；所述圆筒的一端与圆形底板固定连接，另一端通过连接圆环与本体的内壁固定连接；所述圆形底板设有穿线孔，所述矢量喷嘴定位圆盘与圆筒的内壁固定连接，所述矢量喷嘴定位圆盘设有矢量喷嘴连接孔，所述矢量喷嘴连接在矢量喷嘴连接孔中；

所述电控模块包括高倍率电芯和电路板，所述电控模块连接在躯干内；所述矢量喷嘴与电路板电连接；

所述驱动模块设置在圆筒的腔室中，驱动模块包括鼓形硅胶膜片、第一平面线圈、第二平面线圈、第一信号线缆和第二信号线缆，所述鼓形硅胶膜片设有顶面和底面，所述底面与圆形底板固定连接，所述第一平面线圈与顶面连接，所述第二平面线圈与圆形底板连接，所述第一信号线缆设有两根导线，第一信号线缆的两根导线分别与第一平面线圈的两端连接；所述第二信号线缆设有两根导线，第二信号线缆的两根导线分别与第二平面线圈的两端连接；所述第一信号线缆穿过圆形底板的穿线孔后与电控模块的电路板连接；所述第二信号线缆穿过圆形底板的穿线孔后与电控模块的电路板连接。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其特征在于，所述躯干连接有摄像头，所述摄像头与电路板电连接。

3.根据权利要求1或2所述的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其特征在于，所述圆形底板的材质是硅胶。

4.根据权利要求1或2所述的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其特征在于，所述矢量喷嘴包括硅胶蒙皮、弹簧骨架和三根SMA丝，所述硅胶蒙皮套在弹簧骨架上，所述三根SMA丝穿过弹簧骨架；所述三根SMA丝先穿过矢量喷嘴定位圆盘，再穿过圆筒，然后穿过圆形底板的穿线孔，最后与电控模块的电路板连接。

5.根据权利要求1所述的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其特征在于，所述第一信号线缆中两根导线靠近第一平面线圈的部分穿过鼓形硅胶膜片。

6.根据权利要求1所述的电磁驱动脉冲式推进仿鱿鱼机器人，其特征在于，所述第一信号线缆中两根导线靠近第一平面线圈的部分从鼓形硅胶膜片的表面绕过。

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