CN112478113A

CN112478113A - 一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人

Info

Publication number: CN112478113A
Application number: CN202011376692.1A
Authority: CN
Inventors: 白纪韬; 张开迪; 郑鑫蕊; 闫逊志; 李化宣; 徐杰
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明提供了一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人，包括动力系统和控制系统，所述动力系统包括仿生腕足，所述仿生腕足包括至少三个依次连接的腕足单元，每个腕足单元包括圆柱状硅弹性体，每个腕足单元内设置有至少三个动力管，所述动力管为光响应材料制成的圆柱形空腔。本发明可实现任意方向或角度的弯曲与变形，灵活性高，操作空间大。

Description

一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人

技术领域

本发明涉及海洋装备设计与制造的技术领域，更具体地，涉及一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人。

背景技术

目前，利用光-热特性液晶凝胶(LCG)可以制造水下机器人。液晶聚合物(LCE)、液晶弹性体(LCN)等经过液晶小分子(LC)溶胀处理后合成对光刺激更敏感的新型光热材料LCG，在接受光线照射时会将光能转化为热，从而引起材料温度的微小变化，进而激发相变使材料发生弯曲变形；将LCG制成条状并置于水中；用紫外光或激光以特定斩光频率照射仿生海参，可使其实现无脊椎动物所共有的多种水下运动模式，如爬行、行走、跳跃或游泳。然而，目前的光驱动体系过于简单，基本不具备执行任务的能力，距离实际应用尚有很大距离。

因此，现有技术中亟需一种变形程度大、灵活性高的特点，可自由穿梭于狭小空间的水下机器人。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人，动力系统和控制系统，所述动力系统包括仿生腕足，所述仿生腕足包括至少三个依次连接的腕足单元，每个腕足单元包括圆柱状硅弹性体，每个腕足单元内设置有至少三个动力管，所述动力管为光响应材料制成的圆柱形空腔，所述动力管的内部沿轴向设置有遮光柔性膜，所述动力管内填充有非饱和汞蒸气，所述动力管上还设置有温度传感器，每个腕足单元的两端设置有电极组；所述控制系统包括上位机、下位机、PWM脉冲输出系统和远程控制器，所述上位机与所述下位机信号连接，所述下位机与所述温度传感器信号连接，所述下位机与所述PWM脉冲输出系统连接，所述远程控制器与所述上位机信号连接。

光响应材料为光热特性液晶凝胶LCG-70。

所述远程控制器与所述上位机通过声信号连接，所述远程控制器设置在水面上。

所述遮光柔性膜为橡皮膜。

所述温度传感器为DS18B20传感器。

所述动力管的数量为三个。

所述腕足单元的数量为四个。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1.机器人由柔性材料构成，因而在一定范围内有无限多的自由度，可实现任意方向或角度的弯曲与变形，灵活性高，操作空间大，应用范围较刚性机器人更加广泛；

2.动力采用基于光响应材料的光驱动技术，仅需很少的光照即可操纵机器人，从而显著降低能耗水平。而这意味着更长的水下工作时间以及更强的续航能力；

3.以光照作为驱动，省去了庞杂的供电、感应及制动系统，从而极大地简化了机构。加之柔性材料密度远低于刚性机器人常用的金属材料，机体更轻，故具有更强的机动性；

4.仿生腕足采用多个重复单元组合的设计方式，每个单元在工作上相互独立。该设计实现了不同单元动作的多样组合，从而实现十分复杂的动作。

附图说明

图1是腕足单元的结构示意图。

图2是仿生腕足的结构示意图。

图3是动力管的结构示意图。

图4是控制系统的控制路径的示意图。

图5是控制系统的通信链路的示意图。

图6是控制系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。

如图1-6所示的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，动力系统和控制系统，动力系统包括仿生腕足，仿生腕足包括至少三个依次连接的腕足单元，每个腕足单元包括圆柱状硅弹性体，每个腕足单元内设置有至少三个动力管，本实施例中，每个腕足单元内设置有三个动力管，且三个动力管植入腕足单元的位置与腕足单元截面圆心的连线互成120°，腕足单元的数量为四个。动力管为光响应材料制成的圆柱形空腔，本实施例中，光响应材料为光热特性液晶凝胶LCG-70。

动力管内填充有非饱和汞蒸气，动力管上还设置有温度传感器，本实施例中，温度传感器为DS18B20传感器。控制系统包括上位机、下位机、PWM脉冲输出系统和远程控制器，上位机与下位机信号连接，下位机与温度传感器信号连接，下位机与PWM脉冲输出系统连接，并控制PWM脉冲输出系统，远程控制器与上位机信号连接。上位机为微型PC机，下位机为stm32单片机。

动力管的内部沿轴向设置有遮光柔性膜，遮光柔性膜为橡皮膜，并且沿动力管的轴向设置，将动力管沿着轴向分隔成两部分，橡皮膜不透光，可以起到遮光的作用。完全中空的动力管并不能带动腕足弯曲，这是由于直径两侧相对的光响应材料同时接受等剂量紫外光照时会同时向相反的方向发生等量弯曲，二者矢量合成后位移为零。因而，将动力管内部用遮光柔性膜分隔开，遮光柔性膜两侧各有一对电极，电极设置在动力管两端并可在管内产生沿动力管延伸方向的电场，遮光柔性膜两侧的电极组分别为独立电极组A和独立电极组B，即独立电极组A的正极与独立电极组B的正极分别位于遮光柔性膜的两侧，且位于动力管同一端，但不连接，独立电极组A的负极与独立电极组B的负极分别位于遮光柔性膜的两侧且同位于动力管另一端，但不连接，两组电极在工作上相互独立。当遮光膜一侧发光时，汞蒸气产生的附加压强会将柔性遮光膜压向对侧并附在对侧光响应材料表面，从而阻断对侧材料的感光响应，这样动力管仅有一侧感光，也就解决了动力上的矛盾。

如图4所示，上位机与下位机建立通信，由下位机利用PID算法控制PWM脉冲输出系统输出特定的脉冲电压，从而形成特定的频闪光源，激发材料特定运动。PWM脉冲输出系统输出脉冲电压，产生紫外光源。在紫外光的照射下，动力管会发生感光弯曲，从而带动腕足单元发生弯曲；光照引起材料温度的微小变化作为反馈信息由温度传感器传递给下位机，从而实现自动调节。通过控制施加电压的大小与频率即可控制动力管的弯曲程度与“弯曲—复位”频率。三根动力管独立工作，每根管的弯曲方向经矢量合成即可实现腕足单元任意方向的弯曲变形，每个腕足单元弯曲变形的组合即可实现整条仿生腕足的特定动作。三根管模拟章鱼腕足的纵向肌肉，发挥弯曲功能，完成抓取、游动等工作，分级与反馈很好地模拟了章鱼的神经网络。

远程控制器设置在水面上，并且与上位机通过声信号连接，由于电磁信号在水中衰减很快，故远程控制器与上位机通过声信号通信。如图5所示，水下的信息采集器将周边环境的信息采集后以超声信号的形式，发送给水面舰载的远程控制器，远程控制器研判后作出指令，将指令反馈给水下机器人，水下机器人进行相应的行动。具体如图6所示，作出的指令经上位机调用动作程序库，对不同腕足、不同腕足单元、不同动力管、同一动力管的遮光膜两侧输出相应的电压频率，电压频率信号转化为频闪光源激发材料变形，从而转化为动力管输出的作用力，进而引发腕足单元特定的变形。不同腕足单元的变形经矢量合成便可输出指定动作。

以上的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，动力系统和控制系统，所述动力系统包括仿生腕足，所述仿生腕足包括至少三个依次连接的腕足单元，每个腕足单元包括圆柱状硅弹性体，每个腕足单元内设置有至少三个动力管，所述动力管为光响应材料制成的圆柱形空腔，所述动力管的内部沿轴向设置有遮光柔性膜，所述动力管内填充有非饱和汞蒸气，所述动力管上还设置有温度传感器，每个腕足单元的两端设置有电极组；所述控制系统包括上位机、下位机、PWM脉冲输出系统和远程控制器，所述上位机与所述下位机信号连接，所述下位机与所述温度传感器信号连接，所述下位机与所述PWM脉冲输出系统连接，所述远程控制器与所述上位机信号连接。

2.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，光响应材料为光热特性液晶凝胶LCG-70。

3.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，所述远程控制器与所述上位机通过声信号连接，所述远程控制器设置在水面上。

4.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，所述遮光柔性膜为橡皮膜。

5.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，所述温度传感器为DS18B20传感器。

6.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，所述动力管的数量为三个。

7.根据权利要求1所述的光驱动仿生章鱼软体水下机器人，其特征是，所述腕足单元的数量为四个。