CN112339956B - 一种仿生海马运动装置及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生海马运动装置及其驱动方法。本发明包括海马壳体、控制模块、尾部机构、翻转装置以及驱动装置。该装置控制模块的翻转控制器和尾部控制器固定安装在海马壳体上，分别用于控制防水舵机和防水电机，防水电机控制绳索驱动装置，拉动绳索，从而实现尾部机构的偏摆运动；舵机控制器控制防水舵机，防水舵机驱动翻转机构的翻转叶运动，从而实现海马的上下运动以及转向运动。本发明仿照海马外形以及活动方式，可用于进行多种水下活动，活动灵敏，整体结构简洁，成本较低且实用性强。

Description

一种仿生海马运动装置及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人装置技术领域，具体为一种仿生海马运动装置及其驱动方法。

背景技术

海洋是一个拥有巨大潜力的宝库，发展海洋经济是未来经济发展的一个趋势，越来越多的国家注重海洋开发，在海洋中开发海底牧场、开采石油等海洋资源，尤其是在深海处。但考虑到深海未知的安全隐患以及人体无法承受的海底重压，人们逐渐将目光移到智能机器人上，开发各种水下机器人，代替人类进行海底探索，完成水下开采平台的搭建、检修等水下工作。

美国在上世纪50年代就开始对水下机器人的研究，并研发出世界上第一台水下机器人“CURV1”号，也是该水下机器人找到西班牙遗落在海里的一颗导弹后，水下机器人的作用才被人们所重视。我国最早是在70年代开始正式研究水下机器人，近几年发展尤为迅速。2009年，我国研制出可下潜3500米的“海龙号”，这也是我国目前能够下潜深度最深的机器人。2014年，我国又研制处“海马号”。

目前可见的水下无人航行器多为ROV和AUV两类产品，他们中的大部分是依靠螺旋桨来进行推进，由一套或者多套的电机进行驱动，以此在水中实现移动以及各个方向的转动，但是这一类产品在水下通常有较高的工作速率却极易损坏且不环保。在螺旋桨进行高速旋转推进时，会搅乱周围的海水，影响周边海洋生物的生存环境，同时，海底的泥沙被带动起来，会损伤机器自身。其他的水下机器人的形式多为仿生鱼，仿照鱼的外形，通过尾鳍摆动来移动，但是这类产品普遍移速没有之前所述产品快，且装置在工作时无法灵活改变方向。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题、改进水下机器人的推进方式，本发明的目的在于提供一种仿生海马运动装置及其驱动方法，通过电机控制器和舵机控制器分别控制防水电机和防水舵机，防水电机带动绳索驱动装置，拉动绳索，使得仿生海马运动装置的尾部装置开始偏摆运动；防水舵机控制翻转装置的翻转叶进行运动，以此实现整个装置的上下移动以及转向运动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿生海马运动装置：包括：海马壳体、控制模块、尾部机构、翻转装置以及驱动装置；所述尾部机构和所述翻转装置设置在所述海马壳体的背部；所述控制模块设置在所述海马壳体上且用于控制所述驱动装置；所述驱动装置包括翻转驱动装置和尾部驱动装置；所述翻转装置包括翻转叶和翻转驱动装置支架；两个所述翻转驱动装置支架分别对称安装在仿生海马运动装置所述尾部机构下方的平台的左侧和右侧，分别用于固定两个所述翻转驱动装置，所述翻转叶后端固定安装在所述翻转驱动装置的输出轴上；所述尾部机构包括偏摆叶，所述尾部驱动装置用于驱动所述偏摆叶；所述偏摆叶的主面与所述翻转叶主面具有一定夹角，主面为相应部件的面积较大的外表面。

进一步地，所述海马壳体包括内壳、外壳以及卷尾；所述内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，所述内壳主要为仿生海马运动装置的头部以及腹部的保护壳，内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，卷尾由多节大小不一的环状结构连接而成，每节环状壳之间采用活动连接。外壳为肋骨式结构，固定在仿生海马运动装置的背部，包围装置的整个腹部，用于保护其免受海洋生物或者海底礁石的撞击。

进一步地，所述翻转叶为前端大后端窄的帆叶结构。

进一步地，所述尾部机构进一步包括绳索安装孔、连接孔以及绳索；所述连接孔处于偏摆叶侧面中间位置，通过弹簧连接海马壳体与所述偏摆叶，所述偏摆叶右侧面通过圆台固定绳索安装孔，用于安装所述绳索；所述绳索一端固定缠绕在所述绳索安装孔上，另一端缠绕在所述尾部驱动装置的绳索安装杆上。

进一步地，所述尾部驱动装置包括绳索安装杆、防水电机以及绳索旋转轴承；所述绳索旋转轴承安装在防水电机的上方；绳索安装杆通过绳索旋转轴承中心并固定安装在防水电机的输出轴上。

进一步地，所述控制模块包括翻转装置控制器和尾部装置控制器；所述翻转装置控制器和尾部装置控制器安装在海马壳体腹部同侧面，分别用于控制所述翻转驱动装置和尾部驱动装置。

进一步地，所述翻转驱动装置为防水舵机。

进一步地，偏摆叶的平面与所述翻转叶的平面相互垂直设置在仿生海马运动装置的背部，其中偏摆叶的平面沿仿生海马运动装置的背部方向一致设置，所述偏摆叶的主面与所述翻转叶主面的夹角为90°。可有效提高偏摆叶和翻转叶的工作效率，可及时有效地进行方向调整。

一种仿生海马运动装置的驱动方法，包括：当仿生海马运动装置进入水中开始工作时，所述控制模块开始运转，其中翻转控制器控制装置内的两个防水舵机开始工作，防水舵机的输出轴与翻转叶相连接，进而控制控制左右两片翻转叶共同运转，此时装置向上推进；

尾部控制器控制装置的防水电机；所述防水电机的输出轴与绳索安装杆相连接，防水电机运转时，绳索安装杆旋转，使得绳索一圈圈缠绕在绳索安装杆上，拉动固定绳索另一端的绳索安装孔，令尾部机构向内壳方向偏转一定角度后，防水电机反方向运转，缠绕的绳索解开，尾部机构依靠弹簧的弹力恢复到原位；持续拉动绳索，形成偏摆运动，海马向前推进；此时海马完成向上向前推进运动；

所述仿生海马运动装置的翻转控制器控制右侧防水舵机，右侧防水舵机驱动右侧翻转叶进行运动，左侧的翻转叶保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成左偏运动。

所述仿生海马运动装置的翻转控制器控制左侧防水舵机，左侧防水舵机驱动左侧翻转叶进行运动，右侧的翻转叶保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成右偏运动。

本发明的有益效果如下：

本发明为一种效率高、实用性强，可完成多种水下工作的仿生海马运动装置；仿照海马的外形以及活动方式进行设计，使得整个装置在水下工作时，更加逼近真实海马的生活习性，延长装置在水下的工作寿命。采用肋骨式外壳保护安装控制模块的海马运动装置的腹部，避免外界碰撞等。通过尾部机构的偏摆以及翻转叶的运动推进装置，既能较快、分别地改变装置的运动方向，及时工作以及避障，又不会在工作和推进时影响周围海洋生物的生存，避免相互干燥，结构精简，易于控制。

本发明考虑到仿生海马运动装置的工作环境为水中，采用的材料均为防水性材料。

附图说明

图1为本发明仿生海马运动装置的整体图；

图2为本发明仿生海马运动装置向上推进运动状态图；

图3为本发明仿生海马运动装置向上向前推进运动状态图；

图4为本发明仿生海马运动装置右偏运动状态图；

图5为本发明仿生海马运动装置左偏运动状态图；

图6为本发明尾部机构示意图；

图7为本发明翻折装置示意图；

图8为本发明绳索驱动装置示意图。

图中：1、海马壳体；2、电机控制器；3、舵机控制器；4、绳索；5、尾部机构；6、翻转装置；7、绳索驱动装置；501、绳索安装孔；502、偏摆叶；503、连接孔；601、翻转叶；602、防水舵机支架；603、防水舵机；701、防水电机；702、绳索旋转轴承；703、绳索安装杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种仿生海马运动装置：包括：海马壳体1、控制模块、尾部机构5、翻转装置6以及驱动装置；所述尾部机构5和所述翻转装置6设置在所述海马壳体1的背部；所述控制模块设置在所述海马壳体1上且用于控制所述驱动装置；所述驱动装置包括翻转驱动装置和尾部驱动装置；所述翻转装置6包括翻转叶601和翻转驱动装置支架；两个所述翻转驱动装置支架分别对称安装在仿生海马运动装置所述尾部机构5下方的平台的左侧和右侧，分别用于固定两个所述翻转驱动装置，所述翻转叶601后端固定安装在所述翻转驱动装置的输出轴上；所述尾部机构5包括偏摆叶502，所述尾部驱动装置用于驱动所述偏摆叶502；所述偏摆叶502的主面与所述翻转叶601主面具有一定夹角，主面为相应部件的面积较大的外表面。所述海马壳体1包括内壳、外壳以及卷尾；所述内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，所述内壳主要为仿生海马运动装置的头部以及腹部的保护壳，内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，卷尾由多节大小不一的环状结构连接而成，每节环状壳之间采用活动连接。外壳为肋骨式结构，固定在仿生海马运动装置的背部，包围装置的整个腹部，用于保护其免受海洋生物或者海底礁石的撞击。所述翻转叶601为前端大后端窄的帆叶结构。所述尾部机构5进一步包括绳索4安装孔、连接孔503以及绳索4；所述连接孔503处于偏摆叶502侧面中间位置，通过弹簧连接海马壳体1与所述偏摆叶502，所述偏摆叶502右侧面通过圆台固定绳索4安装孔，用于安装所述绳索4；所述绳索4一端固定缠绕在所述绳索4安装孔上，另一端缠绕在所述尾部驱动装置的绳索4安装杆上。所述尾部驱动装置包括绳索4安装杆、防水电机701以及绳索4旋转轴承；所述绳索4旋转轴承安装在防水电机701的上方；绳索4安装杆通过绳索4旋转轴承中心并固定安装在防水电机701的输出轴上。所述控制模块包括翻转装置6控制器和尾部装置控制器；所述翻转装置6控制器和尾部装置控制器安装在海马壳体1腹部同侧面，分别用于控制所述翻转驱动装置和尾部驱动装置。所述翻转驱动装置为防水舵机603。偏摆叶502的平面与所述翻转叶601的平面相互垂直设置在仿生海马运动装置的背部，其中偏摆叶502的平面沿仿生海马运动装置的背部方向一致设置，所述偏摆叶502的主平面与所述翻转叶601主平面的夹角为90°。可有效提高偏摆叶502和翻转叶601的工作效率，可及时有效地进行方向调整。

具体地，如图1-8所述。如图1所示，本发明所述的一种仿生海马运动装置包括海马壳体1、控制模块、绳索4、尾部机构5、翻转装置6以及绳索驱动装置7；海马壳体1为仿海马形状，海马壳体1包括内壳、外壳以及卷尾。内壳主要为仿生海马运动装置的头部以及腹部的保护壳，内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，卷尾由多节大小不一的环状结构连接而成，每节环状壳之间采用活动连接。外壳为肋骨式结构，固定在仿生海马运动装置的背部，包围整个仿生海马运动装置的腹部，用于保护其免受海洋生物或者海底礁石的撞击。

控制模块主要为电机控制器2和舵机控制器3。两个控制器安装在海马壳体1腹部同侧面，电机控制器2控制防水电机701，舵机控制器3控制防水舵机603。

如图7所示，翻转装置6包括翻转叶601、防水舵机支架602以及防水舵机603。翻转叶601为前端大后端窄的帆叶结构，翻转叶601后端固定安装在防水舵机603的输出轴上，两个防水舵机603通过螺栓螺母固定安装在两个防水舵机支架602上。两个防水舵机支架602分别对称安装在仿生海马运动装置尾部机构5下方的平台的左侧和右侧。

如图6所示，尾部机构5包括绳索安装孔501、偏摆叶502以及连接孔503。连接孔503处于偏摆叶502侧面中间位置，通过弹簧连接海马壳体1与偏摆叶502上的连接孔503，偏摆叶502右侧面通过一个小圆台固定绳索安装孔501，用于安装绳索4。

如图1所示，绳索4一端固定缠绕在尾部机构5的绳索安装孔501上，另一端缠绕在绳索驱动装置7的绳索安装杆703上。

如图8所示，绳索驱动装置7包括防水电机701、绳索旋转轴承702以及绳索安装杆703。绳索旋转轴承702安装在防水电机701的上方；绳索安装杆703通过绳索旋转轴承702中心并固定安装在防水电机701的输出轴上。

一种仿生海马运动装置的驱动方法，具体工作为：

如图2所示，当仿生海马运动装置进入水中开始工作时，控制模块开始运转，其中舵机控制器3控制装置内的两个防水舵机603开始工作，防水舵机603的输出轴与翻转叶601相连接，控制翻转叶601的运动。仿生海马运动装置向上推进时，两片翻转叶601共同运动。

如图3所示，仿生海马运动装置中的舵机控制器3控制防水舵机603运转，防水舵机603控制左右两片翻转叶601共同运转，此时装置向上推进；电机控制器2控制装置的防水电机701。防水电机701的输出轴与绳索安装杆703相连接，防水电机701运转时，绳索安装杆703旋转，使得绳索4一圈圈缠绕在绳索安装杆703上，拉动固定绳索4另一端的绳索安装孔501，令尾部机构5向内壳方向偏转一定角度后，防水电机701反方向运转，缠绕的绳索4解开，尾部机构5依靠弹簧的弹力恢复到原位。持续拉动绳索4，形成偏摆运动，仿生海马运动装置向前推进。此时仿生海马运动装置完成向上向前推进运动。

如图4所示，仿生海马运动装置的舵机控制器3控制右侧防水舵机603，右侧防水舵机603驱动右侧翻转叶601进行运动，左侧的翻转叶601保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成左偏运动。

如图5所示，仿生海马运动装置的舵机控制器3控制左侧防水舵机603，左侧防水舵机603驱动左侧翻转叶601进行运动，右侧的翻转叶601保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成右偏运动。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对 实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种仿生海马运动装置，其特征在于，包括：海马壳体、控制模块、尾部机构、翻转装置以及驱动装置；所述尾部机构和所述翻转装置均设置在所述海马壳体的背部；所述控制模块设置在所述海马壳体上且用于控制所述驱动装置；所述驱动装置包括翻转驱动装置和尾部驱动装置；

所述翻转装置包括翻转叶和翻转驱动装置支架；两个所述翻转驱动装置支架分别对称安装在仿生海马运动装置所述尾部机构下方的平台的左侧和右侧，分别用于固定两个所述翻转驱动装置，所述翻转叶后端固定安装在所述翻转驱动装置的输出轴上；

所述尾部机构包括偏摆叶，所述尾部驱动装置用于驱动所述偏摆叶；所述偏摆叶的主面与所述翻转叶的主面具有一定夹角；所述主面为面积较大的面；

所述尾部机构进一步包括绳索安装孔、连接孔以及绳索；所述连接孔处于偏摆叶侧面中间位置，通过弹簧连接海马壳体与所述偏摆叶，所述偏摆叶右侧面通过圆台固定绳索安装孔，用于安装所述绳索；所述绳索一端固定缠绕在所述绳索安装孔上，另一端缠绕在所述尾部驱动装置的绳索安装杆上。

2.根据权利要求1所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述海马壳体包括内壳、外壳以及卷尾；所述内壳下方固定连接仿生海马运动装置的卷尾，所述外壳为肋骨式结构，固定在仿生海马运动装置的背部，包围内壳的整个腹部。

3.根据权利要求2所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述卷尾由多节大小不一的环状结构连接而成，每节环状壳之间采用活动连接。

4.根据权利要求1或2所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述翻转叶为前端大后端窄的帆叶结构。

5.根据权利要求1所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述尾部驱动装置包括绳索安装杆、防水电机以及绳索旋转轴承；所述绳索旋转轴承安装在防水电机的上方；绳索安装杆通过绳索旋转轴承中心并固定安装在防水电机的输出轴上。

6.根据权利要求1所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述控制模块包括翻转装置控制器和尾部装置控制器；所述翻转装置控制器和尾部装置控制器安装在海马壳体腹部同侧面，分别用于控制所述翻转驱动装置和尾部驱动装置。

7.根据权利要求1所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述翻转驱动装置为防水舵机。

8.根据权利要求1所述的仿生海马运动装置，其特征在于：所述偏摆叶的主面与所述翻转叶主面的夹角为90°，所述偏摆叶的平面与所述仿生海马运动装置背部方向一致。

9.一种基于上述权利要求1-8任一项所述的仿生海马运动装置的驱动方法，其特征在于：

当仿生海马运动装置进入水中开始工作时，所述控制模块开始运转，其中翻转控制器控制装置内的两个防水舵机开始工作，防水舵机的输出轴与翻转叶相连接，进而控制左右两片翻转叶共同运转，此时装置向上推进；

尾部控制器控制装置的防水电机；所述防水电机的输出轴与绳索安装杆相连接，防水电机运转时，绳索安装杆旋转，使得绳索一圈圈缠绕在绳索安装杆上，拉动固定绳索另一端的绳索安装孔，令尾部机构向内壳方向偏转一定角度后，防水电机反方向运转，缠绕的绳索解开，尾部机构依靠弹簧的弹力恢复到原位；持续拉动绳索，形成偏摆运动，海马向前推进；此时海马完成向上向前推进运动；

所述仿生海马运动装置的翻转控制器控制右侧防水舵机，右侧防水舵机驱动右侧翻转叶进行运动，左侧的翻转叶保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成左偏运动；

所述仿生海马运动装置的翻转控制器控制左侧防水舵机，左侧防水舵机驱动左侧翻转叶进行运动，右侧的翻转叶保持不动，呈水平状态，此时仿生海马运动装置完成右偏运动。

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