CN112091988B - 一种软体仿生水下探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体仿生水下探测机器人，包括头部探测机构、运动基体、机械臂模块、球型液动肌肉关节、尾部摆动机构、控制电路板和电池模块。采用基于形状记忆合金和电机混合驱动的摆动机构的机械臂，运动基体连接处采用球型液动肌肉关节结构，其摆动程度根据球形关节的变形程度而改变，其通过障碍的能力得到大大的增强。机械臂末端设计复合式抓取结构，将软体液动爪和刚性机械爪相结合，增加机器人的抓取能力。尾部摆动机构利用电磁原理，采用两个可以独立控制的线圈吸引或排斥他们之间的磁铁实现摆动功能。头部探测机构集成了超声波检测、红外相机等传感器，在水下自然环境下具备很高的环境适应性和工作能力。

Description

一种软体仿生水下探测机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种软体仿生水下探测机器人。

背景技术

21世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。蛇类的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点，其游动和控制姿态的能力是任何目前装备传统的操纵与推进系统的潜器所无法比拟的，将其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。近年来仿生水下机器人已经成为水下机器人的重要研究方向之一。

目前，水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体。随着仿生技术的不断发展，仿海洋生物形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。目前水下机器人体积大，多需要线缆来传输信号、提供动力，易缠绕；而体积较小的机器人则往往结构简单，多采用仿生鱼类结构，可以实现水下游动，但是难以灵活实现水下物体的采样等复杂功能。例如现有技术中公开了一种形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼(授权公告号： CN1887646A)，其利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进功能。该技术可以有效在水下完成潜行、运动的任务。但是未考虑在水下环境中的通行能力，没有办法灵活通过复杂的海洋环境。在面对冲击时，该技术的游泳以及调整姿态能力相对不足。此外，该技术只具备在单一水下环境中完成运动的能力，没有办法实现水下物体的采样等复杂功能，在面对如今复杂的任务需求显得能力不足。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计了一种水下软体机器人。模仿海龟在水中的游动，设计基于形状记忆合金和电机混合驱动的摆动机构的机械臂，采用球型液动肌肉关节结构，其摆动程度根据球形关节的变形程度而改变，改善水下机器人在应对复杂水下情况下出现的运动能力下降的情况，增强了复杂地形的通过率。通过安装四条机械臂，设计独特的复合式机械手，将软体液动机械手和刚性机械手结合，提高机器人在水下的作业能力，能够应对不同的任务要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种软体仿生水下探测机器人，包括头部探测机构、运动基体、机械臂模块、球型液动肌肉关节、尾部摆动机构和电池模块；

所述头部探测机构、运动基体和尾部摆动机构依次固定连接；

所述运动基体包括前部运动基体和后部运动基体，所述前部运动基体包括第一基体和第二基体；所述后部运动基体包括第三基体和第四基体；四个基体中，每个基体前部均具有一个绕线轮Ⅰ，第一基体和第二基体的后部连接在一起，第三基体和第四基体的后部连接在一起，绕线轮Ⅰ通过连杆固定于基体上，每个绕线轮Ⅰ上左右两侧各具有一个绕线槽，所述绕线槽上缠绕有绳线的一端，左右两侧的两条绳线绕向相反；前部运动基体和后部运动基体外壳内部具有末端线柱和若干个空心环；每个空心环上均设有四个等距对称布置的连接机构，其中两个对称的连接机构在空心环的前端面，另外两个对称的连接机构在空心环的后端面，左右对称布置的连接机构上设有导线柱；末端线柱上具有通孔，绳线的另一端通过末端线柱的通孔固定在导线柱上；

所述机械臂模块包括左前机械臂、左后机械臂、右前机械臂和右后机械臂；所述左前机械臂和右前机械臂对称安装在前部运动基体两侧，所述左后机械臂和右后机械臂对称布置在后部运动基体两侧；每个机械臂由各自的转动电机Ⅰ驱动，转动电机Ⅰ安装在第一基体和第二基体的连接处以及第三基体和第四基体的连接处；

所述机械臂模块中的每个机械臂末端的机械爪均采用左软体液动爪、右软体液动爪、左刚性机械爪和右刚性机械爪互相配合提供抓力。所述左刚性机械爪和右刚性机械爪分部分别与连接杆Ⅰ和连接杆Ⅱ连接，连接杆Ⅰ与转动轴连接，连接杆Ⅱ与副传动齿轮连接，副传动齿轮与主传动齿轮相啮合，主传动齿轮安装在机械爪基座上，由驱动电机Ⅳ驱动。左软体液动爪和右软体液动爪与机械爪基座固定，左软体液动爪和右软体液动爪内部设有可供液体通过的空腔，末端与胶管相连。

所述机械臂模块包括第一关节、第二关节和第三关节；所述第一关节为基于形状记忆合金和电机混合驱动的摆动机构，包括下基座和上基座以及两基座中间的弹性体，下基座中部设有驱动电机Ⅲ、一号连杆和二号连杆，驱动电机Ⅲ末端装有齿轮，分别与一号连杆上的绕线轮Ⅱ和二号连杆上的绕线轮Ⅲ相啮合；第一关节的上基座顶端装有转动电机Ⅱ，转动电机Ⅱ的驱动轴与第二关节前端相连；第二关节的末端装有转动电机Ⅲ，转动电机Ⅲ驱动轴与第三关节前端相连。第三关节中部固定安装有液压泵Ⅱ和储液箱Ⅱ；所述液压泵Ⅱ末端通过胶管与左软体液动爪和右软体液动爪连接，第三关节末端固定有转动电机Ⅳ，与机械爪基座连接，带动机械爪基座转动；

所述球型液动肌肉关节通过前端基体固定于第二基体的后端，并通过后端基体固定于第三基体的前端。液压泵Ⅰ和储液箱Ⅰ固定于液动肌肉关节后端基体的中部。前端驱动电机固定于第二支撑架的上部，后端驱动电机固定于第三支撑架的上部。第二支撑架固定于液动肌肉关节前端基体的前部，第三支撑架固定于球型液动肌肉关节后端基体的前部。液动肌肉关节具有空腔，与球型液动肌肉关节的前端基体和后端基体相连。

所述尾部摆动机构与第四基体的后端相连接，包括驱动电机Ⅱ、第四支撑架、电磁装置、摆动装置和鱼尾机构。驱动电机Ⅱ固定于第四支撑架的上部。第四支撑架固定于尾部摆动机构前端基体的前部。电磁装置通过导线柱与电池模块相联，固定于尾部摆动机构后端基体的中部。摆动装置通过套筒与尾部摆动机构后端基体相连。鱼尾机构与摆动装置相连。

进一步地，转动电机Ⅰ通过轴套和螺丝与左前机械臂、右前机械臂、左后机械臂和右后机械臂连接。

进一步地，所述头部探测机构固定于第一基体的前端。驱动电机Ⅰ与第一支撑架相连。第一支撑架固定于第一基体前端基体的前部。超声传感器固定于头部探测机构前端。RGB摄像机通过螺钉固定于头部探测机构中端左侧。红外相机固定于头部探测机构中端右侧。左探照灯固定于头部探测机构上端左侧。右探照灯固定于头部探测机构上端右侧，上方装有RGB 摄像机与红外相机。

进一步地，水下探测机器人还包括控制电路板，固定于头部探测机构内部，控制机器人的运动状态；电池模块固定于尾部摆动机构中部，为机器人提供动力能源。

进一步地，所述电池模块外表面均覆有防水薄膜。

进一步地，所述球型液动肌肉关节内部的液体由前端基体的液压泵Ⅰ和储液箱Ⅰ提供。

进一步地，尾部摆动机构还包括左线圈、右线圈和磁铁；电磁装置的输出端分别与左线圈和右线圈连接。在左线圈和右线圈的中间设有一个可以摆动的磁铁，磁铁的规格与左线圈和右线圈相匹配，磁铁与摆动装置一端相连接，摆动装置的另一端伸出机器人体的后部与鱼尾机构连接。

一种软体仿生水下探测机器人的控制方法，所述软体仿生水下机器人有手动控制和自动控制两种模式；手动模式由控制电路板与操控者通过无线通讯实现；在开启自动模式后，机器人的控制电路板通过超声传感器、RGB摄像机、红外相机与左探照灯右探照灯相互协同配合，借助左探照灯和右探照灯的引导以及照明，调整超声传感器、RGB摄像机、红外相机的拍摄条件与角度，获取机器人所处的环境位置与目标物体信息。控制电路板将超声传感器、 RGB摄像机、红外相机获取的信息处理完毕后，通过控制运动基体、球形液动肌肉关节和尾部摆动机构实现机器人的水下移动与位姿调整，控制电路板通过控制运动基体内驱动电机Ⅰ及绕线轮Ⅰ的转动，在驱动电机Ⅰ带动绕线轮Ⅰ旋转的同时，绕线轮Ⅰ正转一侧的一条绳线收紧，绕线轮Ⅰ反转一侧的一条绳线放松，使运动基体向绳线收紧一侧收拢偏转，通过使绳线进行收紧与放松，控制机器人实现蛇类生物的水下蜿蜒行动。同时尾部摆动机构通过控制左线圈和右线圈以吸引或排斥他们之间的磁铁，使磁铁带动摆动装置和鱼尾机构，进而实现与鱼尾摆动相同的运动效果。球型液动肌肉关节通过控制电磁阀的开关，进而控制由导流管进入各个液动肌肉关节内部的液体量，使球型液动肌肉关节发生弯曲，进行改变机器人的运动方向，以配合超声传感器、RGB摄像机、红外相机实现对水下环境的探测。

控制电路板控制机械臂模块实现对水下物体的抓取与采样。机器人在进行水下作业时，机械臂模块的形状记忆合金和电机混合驱动摆动机构，其末端与基体内部的转动电机Ⅰ相连接，可以通过转动电机Ⅰ的旋转进行360°角度调整，通过驱动电机Ⅲ带动绕线轮Ⅱ旋转的同时，使一个绕线轮Ⅱ正转，另一个绕线轮Ⅲ反转，正转一侧的传动绳收紧，反转一侧的传动绳放松，使摆动机构向绳线收紧一侧收拢偏转。进行抓取作业时，液压泵Ⅱ将储液箱Ⅱ内的液体通过胶管泵入左软体液动爪和右软体液动爪的液体室中，液体室发生膨胀，相邻液体室相互挤压，从而使左软体液动爪和右软体液动爪发生弯曲变形，实现对物体的抓取。同时驱动电机Ⅳ通过控制末端主传动齿轮，主传动齿轮带动机械爪上的副传动齿轮，使左刚性机械爪和右刚性机械爪做出夹紧与放松的动作，从而实现对水下物体的抓取。

本发明的有益效果：

1.本发明通过综合海龟和蜥蜴的仿生外形，模拟蜥蜴长条形结构和海龟宽大的四肢结构，设计仿生水下探测型机器人，通过狭长躯体结构减少水中阻力，通过仿海龟的四肢结构实现水下灵活游动。

2.本发明模拟海龟四肢，设计多关节的四肢结构，具有3个独立关节，可灵活实现四肢摆动角度、折叠方向的控制，并通过不同摆动角度和频率实现灵活的游动；在四肢末端，设计独特的分叉式四指结构，可以通过软体液动爪和机械爪的配合实现目标物体的夹取，进而灵活实现水下采样。

3.本发明采用软体防水外壳，集成RGB相机、红外相机、超声波传感器等模块，可完成水下潜航、视觉探测、水下采样等多种任务，具有操作简单、运动灵活、功能多样的特点。

4.本发明采用球型液动肌肉关节，通过微型水泵带动液体进入关节流道，使用电磁阀控制液体进入各个肌肉腔体，改变肌肉关节内部液体的体积，使肌肉关节内部发生改变，进而操控关节朝不同方位进行弯曲。

5.本发明采用两个可独立控制的线圈以吸引或排斥他们之间的磁铁，可以达到更快速的转向控制。快速游动时，机器人可以潜水；中速游动时，机器人可以保持水平；低速游动时，机器人可以浮出水面。通过控制摆尾的频率，每个动作达到优化速度。

附图说明

图1是本发明机器人的整体结构示意图。

图2是本发明机器人的整体结构的前视图。

图3是本发明机器人的头部探测机构的前视图。

图4是本发明机器人的头部探测机构的后视图。

图5是本发明机器人的机械臂模块主体的结构示意图。

图6是本发明机器人的机械臂模块的软体液动爪前端的局部放大图。

图7是本发明机器人的机械臂模块的机械爪前端的局部放大图。

图8是本发明机器人的机械臂模块的记忆合金摆动机构的示意图。

图9是本发明机器人的运动基体的俯视图。

图10是本发明机器人的运动基体的剖视图。

图11是本发明机器人的球型液动肌肉关节的剖视图。

图12是本发明机器人的球型液动肌肉关节的局部放大图。

图13是本发明机器人的尾部摆动机构的剖视图。

图14是本发明机器人的尾部摆动机构电磁机构的局部放大图。

图中：1、头部探测机构，2、运动基体，3、机械臂模块，4、球型液动肌肉关节，5、尾部摆动机构，6、控制电路板，7、电池模块，1.1、驱动电机Ⅰ，1.2、第一支撑架，1.3、超声传感器，1.4、RGB摄像机，1.5、红外相机1.6、左探照灯，1.7、右探照灯，2.1、第一基体，2.2、第二基体，2.3、第三基体，2.4、第四基体，2.5、导线柱，2.6、绕线轮Ⅰ，2.7、末端线柱，2.8、固定螺丝，2.9、电机固定架，2.10、空心环，2.11、转动电机Ⅰ，3.1、左前机械臂，3.2、左后机械臂，3.3、右前机械臂，3.4、右后机械臂，3.5、下基座，3.6、上基座， 3.7、弹性体，3.8、驱动电机Ⅲ，3.9、一号连杆，3.10、二号连杆，3.11、绕线轮Ⅱ，3.12、绕线轮Ⅲ，3.13、转动电机Ⅱ，3.14、转动电机Ⅲ，3.15、液压泵Ⅱ，3.16、储液箱Ⅱ，3.17、左软体液动爪，3.18、右软体液动爪，3.19、转动电机Ⅳ，3.20、机械爪基座，3.21、左刚性机械爪，3.22、右刚性机械爪，3.23、转动轴，3.24、主传动齿轮，3.25、副传动齿轮，3.26、驱动电机Ⅳ，3.27、胶管，3.28、连接杆Ⅰ，3.29，连接杆Ⅱ，4.1、液压泵Ⅰ，4.2、储液箱Ⅰ， 4.3、前端驱动电机，4.4、第二支撑架，4.5、后端驱动电机，4.6、第三支撑架，4.7、液动肌肉关节，4.8、导流管，4.9、电磁阀，5.1、驱动电机Ⅱ，5.2、第四支撑架，5.3、电磁装置， 5.4、摆动装置，5.5、鱼尾机构，5.6左线圈，5.7、右线圈，5.8、磁铁。

具体实施方式

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，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图13所示，本发明提供了一种软体仿生水下探测机器人，包括头部探测机构1、运动基体2、机械臂模块3、球型液动肌肉关节4、尾部摆动机构5和电池模块7；

所述头部探测机构1、运动基体2和尾部摆动机构5依次固定连接；

如图9和图10所示，所述运动基体2包括前部运动基体和后部运动基体，所述前部运动基体包括第一基体2.1和第二基体2.2；所述后部运动基体包括第三基体2.3和第四基体2.4；四个基体中，每个基体前部均具有一个绕线轮Ⅰ2.6，第一基体2.1和第二基体2.2的后部连接在一起，第三基体2.3和第四基体2.4的后部连接在一起，绕线轮Ⅰ2.6通过连杆固定于基体上，每个绕线轮Ⅰ2.6上左右两侧各具有一个绕线槽，所述绕线槽上缠绕有绳线的一端，左右两侧的两条绳线绕向相反；前部运动基体和后部运动基体外壳内部具有末端线柱2.7和若干个空心环2.10；每个空心环2.10上均设有四个等距对称布置的连接机构，其中两个对称的连接机构在空心环2.10的前端面，另外两个对称的连接机构在空心环2.10的后端面，左右对称布置的连接机构上设有导线柱2.5；末端线柱2.7上具有通孔，绳线的另一端通过末端线柱 2.7的通孔固定在导线柱2.5上；

如图5、图6、图7和图8所示，所述机械臂模块3包括左前机械臂3.1、左后机械臂3.2、右前机械臂3.3和右后机械臂3.4；所述左前机械臂3.1和右前机械臂3.3对称安装在前部运动基体两侧，所述左后机械臂3.2和右后机械臂3.4对称布置在后部运动基体两侧；每个机械臂由各自的转动电机Ⅰ2.11驱动，转动电机Ⅰ2.11安装在第一基体2.1和第二基体2.2的连接处以及第三基体2.3和第四基体2.4的连接处；四个转动电机Ⅰ2.11通过轴套和螺丝分别与左前机械臂3.1连接、右前机械臂3.3、左后机械臂3.2和右后机械臂3.4连接。

所述机械臂模块3中的每个机械臂末端的机械爪均采用左软体液动爪3.17、右软体液动爪3.18、左刚性机械爪3.21和右刚性机械爪3.22互相配合提供抓力。所述左刚性机械爪3.21 和右刚性机械爪3.22分部分别与连接杆Ⅰ3.28和连接杆Ⅱ3.29连接，连接杆Ⅰ3.28与转动轴 3.23连接，连接杆Ⅱ3.29与副传动齿轮3.25连接，副传动齿轮3.25与主传动齿轮3.24相啮合，主传动齿轮3.24安装在机械爪基座3.20上，由驱动电机Ⅳ3.26驱动。左软体液动爪3.17 和右软体液动爪3.18与机械爪基座3.20固定，左软体液动爪3.17和右软体液动爪3.18内部设有可供液体通过的空腔，末端与胶管3.27相连。

所述机械臂模块3包括第一关节、第二关节和第三关节；所述第一关节为基于形状记忆合金和电机混合驱动的摆动机构，包括下基座3.5和上基座3.6以及两基座中间的弹性体3.7，下基座3.5中部设有驱动电机Ⅲ3.8、一号连杆3.9和二号连杆3.10，驱动电机Ⅲ3.8末端装有齿轮，分别与一号连杆3.9上的绕线轮Ⅱ3.11和二号连杆3.10上的绕线轮Ⅲ3.12相啮合；第一关节的上基座3.6顶端装有转动电机Ⅱ3.13，转动电机Ⅱ3.13的驱动轴与第二关节前端通过螺丝与套筒相连；第二关节的末端装有转动电机Ⅲ3.14，转动电机Ⅲ3.14驱动轴与第三关节前端通过螺丝与与套筒相连。第三关节中部固定安装有液压泵Ⅱ3.15和储液箱Ⅱ3.16；所述液压泵Ⅱ3.15末端通过胶管3.27与左软体液动爪3.17和右软体液动爪3.18连接，第三关节末端固定有转动电机Ⅳ3.19，与机械爪基座3.20连接，带动机械爪基座3.20转动；

如图11和图12所示，所述球型液动肌肉关节4通过前端基体固定于第二基体2.2的后端，并通过后端基体固定于第三基体2.3的前端。液压泵Ⅰ4.1和储液箱Ⅰ4.2固定于液动肌肉关节4后端基体的中部，所述球型液动肌肉关节4内部的液体由前端基体的液压泵Ⅰ4.1和储液箱Ⅰ4.2提供。前端驱动电机4.3固定于第二支撑架4.4的上部，后端驱动电机4.5固定于第三支撑架4.6的上部。第二支撑架4.4固定于液动肌肉关节4前端基体的前部，第三支撑架4.6固定于球型液动肌肉关节4后端基体的前部。液动肌肉关节4.7具有空腔，与球型液动肌肉关节 4的前端基体和后端基体相连。

如图13和图14所示，所述尾部摆动机构5通过螺钉和卡扣与第四基体2.4的后端相连接。驱动电机Ⅱ5.1固定于第四支撑架5.2的上部。第四支撑架5.2固定于尾部摆动机构5前端基体的前部。电磁装置5.3通过导线柱与电池模块7相联，固定于尾部摆动机构5后端基体的中部。摆动装置5.4通过套筒与尾部摆动机构5后端基体相连。鱼尾机构5.5通过插销与摆动装置5.4相连。

如图3和图4所示，所述头部探测机构1固定于第一基体2.1的前端。驱动电机Ⅰ1.1通过螺钉与第一支撑架1.2相连。第一支撑架1.2固定于第一基体2.1前端基体的前部。超声传感器1.3固定于头部探测机构1前端。RGB摄像机1.4通过螺钉固定于头部探测机构1中端左侧。红外相机1.5固定于头部探测机构1中端右侧。左探照灯1.6固定于头部探测机构1上端左侧。右探照灯1.7固定于头部探测机构1上端右侧，上方装有RGB摄像机1.4与红外相机1.5。

软体仿生水下探测机器人还包括控制电路板6，固定于头部探测机构1内部，控制机器人的运动状态；电池模块7固定于尾部摆动机构5中部，为机器人提供动力能源。所述模块外表面均覆有防水薄膜。

本发明还提供了一种软体仿生水下探测机器人的控制方法，具体过程如下：

机器人工作前，先确认电池电能是否足够、传动机构是否正常运作、储液系统是否发生漏液。

将所述机械人放入水中，在正常的水面下行动时，机器人通过运动基体1、球型液动肌肉关节4和尾部摆动机构5相互配合。

所述软体仿生水下机器人有手动控制和自动控制两种模式；手动模式由控制电路板与操控者通过无线通讯实现；在开启自动模式后，机器人的控制电路板通过超声传感器1.3、RGB 摄像机1.4、红外相机1.5与左探照灯1.6右探照灯1.7相互协同配合，借助左探照灯1.6和右探照灯1.7的引导以及照明，调整超声传感器1.3、RGB摄像机1.4、红外相机1.5的拍摄条件与角度，获取机器人所处的环境位置与目标物体信息。控制电路板6将超声传感器1.3、 RGB摄像机1.4、红外相机1.5获取的信息处理完毕后，通过控制运动基体2、球形液动肌肉关节4和尾部摆动机构5实现机器人的水下移动与位姿调整，控制电路板6通过控制运动基体2内驱动电机Ⅰ1.1及绕线轮Ⅰ2.6的转动，在驱动电机Ⅰ1.1带动绕线轮Ⅰ2.6旋转的同时，绕线轮Ⅰ2.6正转一侧的一条绳线收紧，绕线轮Ⅰ2.6反转一侧的一条绳线放松，使运动基体 2向绳线收紧一侧收拢偏转，通过使绳线进行收紧与放松，控制机器人实现蛇类生物的水下蜿蜒行动。

尾部摆动机构5内部下方设有电池仓，电池仓内装有电池模块7，负责电动机5.1与电磁系统5.3的供电。电池模块7通过电磁装置5.3的输出端分别与左线圈5.6和右线圈5.7连接。在左线圈5.6和右线圈5.7的中间设有一个可以摆动的磁铁5.8，磁铁5.8的规格与左线圈5.6 和右线圈5.7相匹配，磁铁5.6与摆动装置5.4相连接。摆动装置5.4的另一端伸出机器人体的后部与鱼尾机构5.5连接。同时尾部摆动机构5通过控制左线圈5.6和右线圈5.7以吸引或排斥他们之间的磁铁5.8，使磁铁5.8带动摆动装置5.4和鱼尾机构5.5，进而实现与鱼尾摆动相同的运动效果。

球型液动肌肉关节4前部和后部设有储液箱Ⅰ4.2、液压泵Ⅰ4.1和第二支撑架4.4，第二支撑架4.4负责给电动机4.3、液压泵Ⅰ4.1和电磁阀4.9的提供支撑。液压泵Ⅰ4.1与导流管 4.8相连接，导流管4.8内设有电磁阀4.9。电磁阀4.9负责控制液动肌肉关节4.7内部各个方向液体的进出。球型液动肌肉关节4通过控制电磁阀4.9的开关，进而控制由导流管4.8进入各个液动肌肉关节4.7内部的液体量，若一侧肌肉关节4.7的液体量多于另一侧，使球型液动肌肉关节发生弯曲，进行改变机器人的运动方向，以配合超声传感器1.3、RGB摄像机1.4、红外相机1.5实现对水下环境的探测。

控制电路板6控制机械臂模块3实现对水下物体的抓取与采样。机器人在进行水下作业时，机械臂模块3的形状记忆合金和电机混合驱动摆动机构，其末端与基体内部的转动电机Ⅰ2.11相连接，可以通过转动电机Ⅰ2.11的旋转进行360°角度调整，通过驱动电机Ⅲ3.8带动绕线轮Ⅱ3.11旋转的同时，使一个绕线轮Ⅱ3.11正转，另一个绕线轮Ⅲ3.12反转，正转一侧的传动绳收紧，反转一侧的传动绳放松，使摆动机构向绳线收紧一侧收拢偏转。

进行抓取作业时，机械臂末端设有储液箱3.16、液压泵3.15，液压泵3.15通过胶管3.27 与左软体液动爪子3.17和右软体液动爪子3.18连接。液压泵Ⅱ3.15将储液箱Ⅱ3.16内的液体通过胶管3.27泵入左软体液动爪3.17和右软体液动爪3.18的液体室中，液体室发生膨胀，相邻液体室相互挤压，从而使左软体液动爪3.17和右软体液动爪3.18发生弯曲变形，实现对物体的抓取。同时驱动电机Ⅳ3.26通过控制末端主传动齿轮3.24，主传动齿轮3.24带动机械爪上的副传动齿轮3.25，使左刚性机械爪3.21和右刚性机械爪3.22做出夹紧与放松的动作，从而实现对水下物体的抓取。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，包括头部探测机构(1)、运动基体(2)、机械臂模块(3)、球型液动肌肉关节(4)、尾部摆动机构(5)和电池模块(7)；

所述头部探测机构(1)、运动基体(2)和尾部摆动机构(5)依次固定连接；

所述运动基体(2)包括前部运动基体和后部运动基体，所述前部运动基体包括第一基体(2.1)和第二基体(2.2)；所述后部运动基体包括第三基体(2.3)和第四基体(2.4)；四个基体中，每个基体前部均具有一个绕线轮Ⅰ(2.6)，第一基体(2.1)和第二基体(2.2)的后部连接在一起，第三基体(2.3)和第四基体(2.4)的后部连接在一起，绕线轮Ⅰ(2.6)通过连杆固定于基体上，每个绕线轮Ⅰ(2.6)上左右两侧各具有一个绕线槽，所述绕线槽上缠绕有绳线的一端，左右两侧的两条绳线绕向相反；前部运动基体和后部运动基体外壳内部具有末端线柱(2.7)和若干个空心环(2.10)；每个空心环(2.10)的前端面左右对称布置有连接机构，每个空心环(2.10)的后端面上下对称布置有连接机构，每个空心环(2.10)上的四个连接机构等距，左右对称布置的连接机构上设有导线柱(2.5)；末端线柱(2.7)上具有通孔，绳线的另一端通过末端线柱(2.7)的通孔固定在导线柱(2.5)上；

所述机械臂模块(3)包括左前机械臂(3.1)、左后机械臂(3.2)、右前机械臂(3.3)和右后机械臂(3.4)；所述左前机械臂(3.1)和右前机械臂(3.3)对称安装在前部运动基体两侧，所述左后机械臂(3.2)和右后机械臂(3.4)对称布置在后部运动基体两侧；每个机械臂由各自的转动电机Ⅰ(2.11)驱动，转动电机Ⅰ(2.11)安装在第一基体(2.1)和第二基体(2.2)的连接处以及第三基体(2.3)和第四基体(2.4)的连接处；

所述机械臂模块(3)中的每个机械臂末端的机械爪均采用左软体液动爪(3.17)、右软体液动爪(3.18)、左刚性机械爪(3.21)和右刚性机械爪(3.22)互相配合提供抓力；所述左刚性机械爪(3.21)和右刚性机械爪(3.22)上均连接有连接杆Ⅰ(3.28)和连接杆Ⅱ(3.29)，连接杆Ⅰ(3.28)通过转动轴(3.23)连接在机械爪基座(3.20)上，连接杆Ⅱ(3.29)通过副传动齿轮(3.25)连接在机械爪基座(3.20)上，副传动齿轮(3.25)与主传动齿轮(3.24)相啮合，主传动齿轮(3.24)安装在机械爪基座(3.20)上，由驱动电机Ⅳ(3.26)驱动；左软体液动爪(3.17)和右软体液动爪(3.18)与机械爪基座(3.20)固定，左软体液动爪(3.17)和右软体液动爪(3.18)内部设有可供液体通过的空腔，末端与胶管(3.27)相连；

所述机械臂模块(3)包括第一关节、第二关节和第三关节；所述第一关节为基于形状记忆合金和电机混合驱动的摆动机构，包括下基座(3.5)和上基座(3.6)以及两基座中间的弹性体(3.7)，下基座(3.5)中部设有驱动电机Ⅲ(3.8)、一号连杆(3.9)和二号连杆(3.10)，驱动电机Ⅲ(3.8)末端装有齿轮，分别与一号连杆(3.9)上的绕线轮Ⅱ(3.11)和二号连杆(3.10)上的绕线轮Ⅲ(3.12)相啮合；第一关节的上基座(3.6)顶端装有转动电机Ⅱ(3.13)，转动电机Ⅱ(3.13)的驱动轴与第二关节前端相连；第二关节的末端装有转动电机Ⅲ(3.14)，转动电机Ⅲ(3.14)驱动轴与第三关节前端相连；第三关节中部固定安装有液压泵Ⅱ(3.15)和储液箱Ⅱ(3.16)；所述液压泵Ⅱ(3.15)末端通过胶管(3.27)与左软体液动爪(3.17)和右软体液动爪(3.18)连接，第三关节末端固定有转动电机Ⅳ(3.19)，与机械爪基座(3.20)连接，带动机械爪基座(3.20)转动；

所述球型液动肌肉关节(4)通过前端基体固定于第二基体(2.2)的前端，并通过后端基体固定于第三基体(2.3)的前端；液压泵Ⅰ(4.1)和储液箱Ⅰ(4.2)固定于球型液动肌肉关节(4)后端基体的中部；前端驱动电机(4.3)固定于第二支撑架(4.4)的上部，后端驱动电机(4.5)固定于第三支撑架(4.6)的上部；第二支撑架(4.4)固定于球型液动肌肉关节(4)前端基体的前部，第三支撑架(4.6)固定于球型液动肌肉关节(4)后端基体的前部；液动肌肉关节(4.7)具有空腔，与球型液动肌肉关节(4)的前端基体和后端基体相连；

所述尾部摆动机构(5)与第四基体(2.4)的前端相连接，包括驱动电机Ⅱ(5.1)、第四支撑架(5.2)、电磁装置(5.3)、摆动装置(5.4)和鱼尾机构(5.5)；驱动电机Ⅱ(5.1)固定于第四支撑架(5.2)的上部；第四支撑架(5.2)固定于尾部摆动机构(5)前端基体的前部；电磁装置(5.3)通过导线柱与电池模块(7)相联，固定于尾部摆动机构(5)后端基体的中部；摆动装置(5.4)通过套筒与尾部摆动机构(5)后端基体相连；鱼尾机构(5.5)与摆动装置(5.4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，转动电机Ⅰ(2.11)通过轴套和螺丝与左前机械臂(3.1)、右前机械臂(3.3)、左后机械臂(3.2)和右后机械臂(3.4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，所述头部探测机构(1)固定于第一基体(2.1)的前端；驱动电机Ⅰ(1.1)与第一支撑架(1.2)相连；第一支撑架(1.2)固定于第一基体(2.1)前端基体的前部；超声传感器(1.3)固定于头部探测机构(1)前端；RGB摄像机(1.4)通过螺钉固定于头部探测机构(1)中端左侧；红外相机(1.5)固定于头部探测机构(1)中端右侧；左探照灯(1.6)固定于头部探测机构(1)上端左侧；右探照灯(1.7)固定于头部探测机构(1)上端右侧，头部探测机构(1)上方装有RGB摄像机(1.4)与红外相机(1.5)。

4.根据权利要求1所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，水下探测机器人还包括控制电路板(6)，固定于头部探测机构(1)内部，控制机器人的运动状态；电池模块(7)固定于尾部摆动机构(5)中部，为机器人提供动力能源。

5.根据权利要求4所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，所述电池模块外表面均覆有防水薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，所述球型液动肌肉关节(4)内部的液体由前端基体的液压泵Ⅰ(4.1)和储液箱Ⅰ(4.2)提供。

7.根据权利要求1所述的一种软体仿生水下探测机器人，其特征在于，尾部摆动机构(5)还包括左线圈(5.6)、右线圈(5.7)和磁铁(5.8)；电磁装置(5.3)的输出端分别与左线圈(5.6)和右线圈(5.7)连接；在左线圈(5.6)和右线圈(5.7)的中间设有一个可以摆动的磁铁(5.8)，磁铁(5.8)的规格与左线圈(5.6)和右线圈(5.7)相匹配，磁铁(5.8)与摆动装置(5.4)一端相连接，摆动装置(5.4)的另一端伸出机器人体的后部与鱼尾机构(5.5)连接。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的软体仿生水下探测机器人的控制方法，其特征在于，所述软体仿生水下机器人有手动控制和自动控制两种模式；手动模式由控制电路板与操控者通过无线通讯实现；在开启自动模式后，机器人的控制电路板通过超声传感器(1.3)、RGB摄像机(1.4)、红外相机(1.5)与左探照灯(1.6)、右探照灯(1.7)相互协同配合，借助左探照灯(1.6)和右探照灯(1.7)的引导以及照明，调整超声传感器(1.3)、RGB摄像机(1.4)、红外相机(1.5)的拍摄条件与角度，获取机器人所处的环境位置与目标物体信息；控制电路板(6)将超声传感器(1.3)、RGB摄像机(1.4)、红外相机(1.5)获取的信息处理完毕后，通过控制运动基体(2)、球形液动肌肉关节(4)和尾部摆动机构(5)实现机器人的水下移动与位姿调整，控制电路板(6)通过控制运动基体(2)内驱动电机Ⅰ(1.1)及绕线轮Ⅰ(2.6)的转动，在驱动电机Ⅰ(1.1)带动绕线轮Ⅰ(2.6)旋转的同时，绕线轮Ⅰ(2.6)正转一侧的一条绳线收紧，绕线轮Ⅰ(2.6)反转一侧的一条绳线放松，使运动基体(2)向绳线收紧一侧收拢偏转，通过使绳线进行收紧与放松，控制机器人实现蛇类生物的水下蜿蜒行动；同时尾部摆动机构(5)通过控制左线圈(5.6)和右线圈(5.7)以吸引或排斥他们之间的磁铁(5.8)，使磁铁(5.8)带动摆动装置(5.4)和鱼尾机构(5.5)，进而实现与鱼尾摆动相同的运动效果；球型液动肌肉关节(4)通过控制电磁阀(4.9)的开关，进而控制由导流管(4.8)进入各个液动肌肉关节(4.7)内部的液体量，使球型液动肌肉关节发生弯曲，进行改变机器人的运动方向，以配合超声传感器(1.3)、RGB摄像机(1.4)、红外相机(1.5)实现对水下环境的探测；

控制电路板(6)控制机械臂模块(3)实现对水下物体的抓取与采样；机器人在进行水下作业时，机械臂模块(3)的形状记忆合金和电机混合驱动摆动机构，其末端与基体内部的转动电机Ⅰ(2.11)相连接，可以通过转动电机Ⅰ(2.11)的旋转进行360°角度调整，通过驱动电机Ⅲ(3.8)带动绕线轮Ⅱ(3.11)旋转的同时，使绕线轮Ⅱ(3.11)正转，绕线轮Ⅲ(3.12)反转，正转一侧的传动绳收紧，反转一侧的传动绳放松，使摆动机构向绳线收紧一侧收拢偏转；进行抓取作业时，液压泵Ⅱ(3.15)将储液箱Ⅱ(3.16)内的液体通过胶管(3.27)泵入左软体液动爪(3.17)和右软体液动爪(3.18)的液体室中，液体室发生膨胀，相邻液体室相互挤压，从而使左软体液动爪(3.17)和右软体液动爪(3.18)发生弯曲变形，实现对物体的抓取；同时驱动电机Ⅳ(3.26)通过控制末端主传动齿轮(3.24)，主传动齿轮(3.24)带动机械爪上的副传动齿轮(3.25)，使左刚性机械爪(3.21)和右刚性机械爪(3.22)做出夹紧与放松的动作，从而实现对水下物体的抓取。

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