CN113086134B - 一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，属于软体机器人领域；包括一体式柔性机身外壳、内部躯干框架、左侧胸鳍驱动模块、右侧胸鳍驱动模块、电路模块和尾鳍驱动模块；一体式柔性机身外壳包裹于内部躯干框架和各模块外，作为整个软体机器人的外壳；左侧胸鳍驱动模块、右侧胸鳍驱动模块对称铰接于内部躯干框架的两侧，尾鳍驱动模块铰接于内部躯干框架的尾部，电路模块安装于内部躯干框架上；胸鳍驱动模块通过鳍条两侧液态电介质的收缩运动驱动鳍条的上下扑动运动。本发明的水下机器人的游动速度更快，可设计的最大排水量更大，且可以具备更高的搭载能力，能完成更多种的工作任务。

Description

一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人

技术领域

本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人。

背景技术

传统的水下机器人通常由螺旋桨进行推进，其噪声大，能量效率低，限制了其做为侦察监测及远距离巡航时的工作能力。而同时，水中生物普遍具有游动时无噪声、能量转换率高的优势，同时具有高机动性与高速性能。为了改善目前传统水下机器人的缺点，研究人员从仿生学的角度对水下机器人进行研究，仿蝠鲼水下机器人是其中一个重要研究领域。

仿蝠鲼水下软体机器人通过胸尾鳍的扑动进行运动。目前的仿蝠鲼水下软体机器人分为两种，其一是使用传统电机驱动的机器人，该类型机器人主要由电机直接驱动两胸鳍拍动或通过驱动四连杆、连杆滑块机构等机械结构使胸鳍进行多波形的往复运动。其二是使用新型驱动器驱动的机器人。目前研究较多的新型驱动器主要分为记忆合金、介电弹性体及IPMC人工肌肉三种。电机驱动的仿蝠鲼水下软体机器人通常体积较大，驱动力大，游速快，适用于实际工程，但存在水下隐身性差，噪声大，电机易漏水损坏的缺点。新型驱动器驱动的仿蝠鲼水下软体机器人具有无噪声，水下几乎透明的优点，但目前仍处于科学研究阶段，驱动器可提供的动力小，仅有0.05N～0.5N，导致其运动速度极慢，通常速度仅有每秒0.2～0.6倍体长，即1～6cm/s，实际产品使用现实程度不高。

公开号为CN110304222A的专利一种基于IPMC驱动的自发电型仿生蝠鲼中，提出了一种由IPMC做为驱动器和能量采集器的仿生蝠鲼，具有续航能力长的优点。但该仿生蝠鲼的体积小，驱动力极低，不足以抵御波浪对其的影响，实际使用过程中存在无法向前推进，航行轨迹不可控的缺点。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，将两种驱动方式的优势结合，改善传统电机驱动噪声大的缺点，以及改善新型驱动器驱动的动力小，运动速度慢，无法投入现实工业使用的缺点。

本发明的技术方案是：一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：包括一体式柔性机身外壳1、内部躯干框架2、左侧胸鳍驱动模块3、右侧胸鳍驱动模块4、电路模块5和尾鳍驱动模块6；一体式柔性机身外壳1包裹于内部躯干框架和各模块外，作为整个软体机器人的外壳；

所述内部躯干框架2为长方体框架结构，通过中间设置的隔板分隔为上层框架和下层框架，作为整个软体机器人的支撑；上层框架和下层框架上均安装有电路模块5和配重块，配重块用于调整整个软体机器人的平衡；电路模块5包括电池与电源升压模块9、电路控制模块7、外置功能模块8与外置构件夹具10；电池与电源升压模块9、电路控制模块7固定于中部隔板上，用于整个软体机器人的供电和控制；外置功能模块8通过外置构件夹具10固定于内部躯干框架2位于头部的短边上；

所述左侧胸鳍驱动模块3和右侧胸鳍驱动模块4对称设置于内部躯干框架2的两侧长边上；左侧胸鳍驱动模块3包括四个液态电介质驱动器17、19、25、26；四个驱动器连接件31、32、39、40；两个鳍条连接件34、35；左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20；其中，液态电介质驱动器17、19的一端分别与内部躯干框架2的上层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件31、32与左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20上表面铰接；液态电介质驱动器25、26的一端分别与内部躯干框架2的下层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件39、40与左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20下表面铰接；左侧一级鳍条18和左侧二级鳍条20的根部分别通过鳍条连接件34、35与中部隔板所在框架的长边铰接；右侧胸鳍驱动模块4与左侧胸鳍驱动模块3结构相同，不再累述；

所述尾鳍驱动模块6包括两个液态电介质驱动器21、27，两个驱动器连接件33、28，鳍条连接件38和尾鳍鳍条22；两个液态电介质驱动器21、27的一端分别与内部躯干框架2的上、下层框架位于尾部的短边铰接，另一端分别通过驱动器连接件33、28与尾鳍鳍条22的上、下表面铰接，尾鳍鳍条22的根部分别通过鳍条连接件38与中部隔板所在框架的一侧短边铰接，用于支撑软体机器人的尾鳍。

本发明的进一步技术方案是：所述外置功能模块8包括摄像头和传感器。

本发明的进一步技术方案是：所述电池与电源升压模块9中的电池为两节1.5V干电池串联，电源升压模块为1.5V转500V成品电路与20倍电压放大成品电路。

本发明的进一步技术方案是：所述内部躯干框架的材料为硬质透明塑料。

本发明的进一步技术方案是：所述液态电介质驱动器包括框架杆挂环41、连接件挂环44、弹性壳体42、液体电介质43、可拉伸水凝胶电极45和聚乙烯薄膜46；弹性壳体42为硅胶材料，其内填充有液体电介质43，可拉伸水凝胶电极45和聚乙烯薄膜46设置于弹性壳体42表面；框架杆挂环41和连接件挂环44分别设置于弹性壳体42的两端，分别用于与内部躯干框架的长边、驱动器连接件的转轴铰接；当可拉伸水凝胶电极45通入7kv～10kv的高压电时，弹性壳体42内的液体电介质43会在电场作用下向一个方向挤压，使液态电介质驱动器11的长度发生变化；单个液态电介质驱动器能够提供的最大驱动力为40N。

本发明的进一步技术方案是：所述可拉伸水凝胶电极45由氯化锂溶液、丙烯酰胺溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液、过硫酰胺溶液搅拌混合而成的水凝胶在365nm波长紫外光下浇筑固化制成；液体电介质43材料为EnviroTempFR3。

本发明的进一步技术方案是：所述驱动器连接件包括转轴、固定板和支撑柱，所述转轴通过支撑柱固定于固定板上，且转轴的中心轴平行于固定板，支撑柱的中心轴垂直于固定板和转轴中心线；所述转轴与液态电介质驱动器的另一端铰接，固定板通过螺栓固定于鳍条靠近根部的位置。

本发明的进一步技术方案是：所述鳍条连接件为带有凸耳的圆柱结构，圆柱部分沿中心轴开有通孔，套装于中部隔板所在框架的长边上，并通过间隙配合能够相对转动；鳍条连接件的两侧设置与限位卡环，用于限制其轴向位移；圆柱的外周面上平行于中心轴设置有一对凸耳，凸耳上开有螺纹孔，配合螺栓实现鳍条的装夹固定。

本发明的进一步技术方案是：所述鳍条为条形板结构，材质为碳纤维或PC塑料；其根部开有多个通孔，通过螺栓与鳍条连接件固定连接，用于支撑软体机器人的左、右侧胸鳍。

本发明的进一步技术方案是：所述一体式柔性机身外壳1为水凝胶材料通过模具浇筑而成，将内部躯干框架2、电路模块5、左侧胸鳍驱动模块3、右侧胸鳍驱动模块4和尾鳍驱动模块6全部封闭在内。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人,区别于传统的机器人，完全不依靠电机等电气机械驱动件驱动，极大地减小了驱动件本身的体积与重量，使同排水体积(即同尺寸)下，该机器人比传统机器人的搭载更大；同时在同搭载能力下，该机器人比传统机器人的尺寸更小，使其在同游动速度下阻力更小，消耗能量更少。

其次，传统水下机器人电机运转过程中会产生机械噪声，其噪声会使被动声纳、多普勒等常用声学通信设备无法使用。用液态电介质驱动器代替电机驱动，运行过程中不会产生任何机械噪声，不会影响声学设备的正常通信。

本发明将液态电介质驱动器与水下仿生机器人相结合，根据液态电介质驱动器通过改变电压的大小实现长度收缩的特征，驱动仿生机器人在水下的运动，即产生类似人类手臂肌肉的收缩运动，单个驱动器可提供的最大驱动力为40N。液态电介质驱动器的制备材料均为透明材料，结合机身外形通过水凝胶材料浇筑，当框架与鳍条均为透明材料制作时，整机可基本做到在水下视觉不可见，结合其无噪声的特性，该水下机器人的隐身性能优异，可完成更多敏感水域下的侦察监测工作任务。最后，对比专利CN110304222A提到的通过IPMC材料驱动的软体机器人，该材料可提供的最大驱动力仅为0.1N，而液态电介质驱动器可提供的最大驱动力可达2N，即为20倍于IPMC材料驱动，使制成的水下机器人的游动速度更快，可设计的最大排水量更大，且可以具备更高的搭载能力，能完成更多种的工作任务。

附图说明

图1为一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人外观俯视图；

图2为一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人外观仰视图；

图3为一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人外观左视图；

图4为一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人外观轴测图；

图5为液态电介质驱动器结构原理剖视图；

图6为液态电介质驱动器通电后形状变化图；

图7为各驱动器带动鳍条运动效果图；

图8为上下两侧液态电解质驱动器通电电压；

图9为本发明鳍条连接件结构图；

图10为本发明驱动器连接件结构图；

图11为本发明的一、二级鳍条结构示意图；

附图标记说明：1、一体式柔性机身外壳，2、内部躯干框架，3、左侧胸鳍驱动模块，4、右侧胸鳍驱动模块，5、电路模块，6、尾鳍驱动模块，7、电路控制模块，8、外置功能模块，9、电池与电源升压模块，10、外置构件夹具，11、13、17、19、21、23、24、25、26、27、液态电介质驱动器，15、16、28、29、30、31、32、33、39、40、驱动器连接件；34、35、36、37、38、鳍条连接件，18、左侧一级鳍条，20、左侧二级鳍条，12、右侧一级鳍条，14、右侧二级鳍条，22、尾鳍鳍条；41、框架杆挂环，42、弹性壳体，43、液体电介质，44、连接件挂环，45、可拉伸水凝胶电极，46、聚乙烯薄膜。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

结合附图1-4，附图9-11说明该机器人的结构。一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，包括一体式柔性机身外壳1，内部躯干框架2，左侧胸鳍驱动模块3，右侧胸鳍驱动模块4，电路模块5，尾鳍驱动模块6，电路控制模块7，外置功能模块8，电源升压模块9，外置构件夹具10，液态电介质驱动器11、13、17、19、21、23、24、25、26、27，驱动器连接件15、16、28、29、30、31、32、33、39、40，鳍条连接件34、35、36、37、38，左侧一级鳍条18，左侧二级鳍条20，右侧一级鳍条12，右侧二级鳍条14，和尾鳍鳍条22。所有液态电介质驱动器一端与内部躯干框架固连，另一端与驱动器连接件的转轴铰接。通过鳍条两侧液态电介质的收缩运动驱动鳍条的上下扑动运动。

所述左侧胸鳍驱动模块3和右侧胸鳍驱动模块4对称设置于内部躯干框架2的两侧长边上；左侧胸鳍驱动模块3包括四个液态电介质驱动器17、19、25、26；四个驱动器连接件31、32、39、40；两个鳍条连接件34、35；左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20；其中，液态电介质驱动器17、19的一端分别与内部躯干框架2的上层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件31、32与左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20上表面铰接；液态电介质驱动器25、26的一端分别与内部躯干框架2的下层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件39、40与左侧一级鳍条18、左侧二级鳍条20下表面铰接；左侧一级鳍条18和左侧二级鳍条20的根部分别通过鳍条连接件34、35与中部隔板所在框架的长边铰接；

所述右侧胸鳍驱动模块4与左侧胸鳍驱动模块3结构和工作原理均相同，右侧胸鳍驱动模块4包括四个液态电介质驱动器11、13、23、24；四个驱动器连接件29、30、15、16；两个鳍条连接件36、37；右侧一级鳍条12、右侧二级鳍条14；其中，液态电介质驱动器11、13的一端分别与内部躯干框架2的上层框架右侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件29、30与右侧一级鳍条12、右侧二级鳍条14上表面铰接；液态电介质驱动器23、24的一端分别与内部躯干框架2的下层框架右侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件15、16与右侧一级鳍条12、右侧二级鳍条14下表面铰接右侧一级鳍条12、右侧二级鳍条14的根部分别通过鳍条连接件36、37与中部隔板所在框架的长边铰接；

所述尾鳍驱动模块6包括两个液态电介质驱动器21、27，两个驱动器连接件33、28，鳍条连接件38和尾鳍鳍条22；两个液态电介质驱动器21、27的一端分别与内部躯干框架2的上、下层框架位于尾部的短边铰接，另一端分别通过驱动器连接件33、28与尾鳍鳍条22的上、下表面铰接，尾鳍鳍条22的根部分别通过鳍条连接件38与中部隔板所在框架的一侧短边铰接，用于支撑软体机器人的尾鳍。

结合附图5，6说明液态电介质驱动器的结构及工作原理。液态电介质驱动器的弹性壳体42由软质硅胶材料浇筑而成，浇筑过程中将框架杆挂环41、连接件挂环44浇筑在其中。壳体内部空腔中为液体电介质43，可拉伸水凝胶电极45粘在弹性壳体42的一半位置，聚乙烯薄膜46粘贴在可拉伸水凝胶电极45上。当水凝胶电极上通7kv的电压时，在电场的作用下，电极粘贴区域的弹性壳体42会开始向内收缩，随着电压的增大，这种收缩趋势会逐渐增大。同时，内部液体电介质43会向另一侧挤压，则整个液态电介质驱动器的厚度会随之增大，长度减小。当电压增大到10kv时，挤压程度达到最大，驱动器的长度缩短到最小。此过程由于无机械传动，因此不会产生噪音，且硅胶等白色或透明材料在水中可见度低。

结合附图7、8说明该机器人完成动作的运动机理。图7是单鳍条拍动的运动机理。控制电源输出如图8所示的正弦波电压，当输出电压区间为0-7kv时，液态电介质驱动器形状不发生变化，当电压由7kv升高至10kv再下降到7kv时，液态电介质驱动器做收缩舒张动作。在一个整周期中，上侧液态电介质驱动器先收缩，带动鳍条向上拍动，同时由于驱动器为柔性，下侧液态电介质驱动器被动拉伸。当上侧的电压减小至7kv以下时，下侧的电压开始向7kv以上升高，鳍条随下侧液态电介质驱动器的收缩向下拍动，上侧的驱动器被动拉伸。随着电压的周期变化，鳍条周期性拍动，当电压保持在一定大小时，鳍条保持在一定位置。当机器人需要前游时，左右两侧一级鳍条先向上拍动，下落回到中心位置后二级鳍条开始向上拍动，即左右两侧一级鳍条的拍动周期相较二级鳍条提前半个周期。当机器人需要倒游时，左右两侧一级鳍条的拍动周期比二级鳍条须推后半个周期。当机器人完成上浮下潜动作时，尾鳍上翘一定角度完成上浮动作，尾鳍下摆完成下潜动作。当机器人完成转向动作时，左右两侧鳍条须差相拍动，特别当一侧鳍条静止，仅单侧鳍条拍动时，机器人可完成原地转向，机动性较高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：包括一体式柔性机身外壳（1）、内部躯干框架（2）、左侧胸鳍驱动模块（3）、右侧胸鳍驱动模块（4）、电路模块（5）和尾鳍驱动模块（6）；一体式柔性机身外壳（1）包裹于内部躯干框架和各模块外，作为整个软体机器人的外壳；

所述内部躯干框架（2）为长方体框架结构，通过中间设置的隔板分隔为上层框架和下层框架，作为整个软体机器人的支撑；上层框架和下层框架上均安装有电路模块（5）和配重块，配重块用于调整整个软体机器人的平衡；电路模块（5）包括电池与电源升压模块（9）、电路控制模块（7）、外置功能模块（8）与外置构件夹具（10）；电池与电源升压模块（9）、电路控制模块（7）固定于中部隔板上，用于整个软体机器人的供电和控制；外置功能模块（8）通过外置构件夹具（10）固定于内部躯干框架（2）位于头部的短边上；

所述左侧胸鳍驱动模块（3）和右侧胸鳍驱动模块（4）对称设置于内部躯干框架（2）的两侧长边上；左侧胸鳍驱动模块（3）包括四个液态电介质驱动器（17）、（19)、(25)、(26)；四个驱动器连接件（31）、（32）、（39）、（40）；两个鳍条连接件（34）、（35）；左侧一级鳍条（18）、左侧二级鳍条（20)；其中，两个液态电介质驱动器（17）、（19）的一端分别与内部躯干框架2的上层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件（31）、（32）与左侧一级鳍条（18）、左侧二级鳍条（20）上表面铰接；另外两个液态电介质驱动器（25）、（26）的一端分别与内部躯干框架（2）的下层框架左侧长边铰接，另一端分别通过驱动器连接件（39）、（40）与左侧一级鳍条（18）、左侧二级鳍条（20）下表面铰接；左侧一级鳍条（18）和左侧二级鳍条（20）的根部分别通过鳍条连接件（34）、（35）与中部隔板所在框架的长边铰接；右侧胸鳍驱动模块（4）与左侧胸鳍驱动模块（3）结构相同，不再累述；

所述尾鳍驱动模块（6）包括两个液态电介质驱动器（21）、（27），两个驱动器连接件（33）、（28），鳍条连接件38和尾鳍鳍条（22）；两个液态电介质驱动器（21）、（27）的一端分别与内部躯干框架（2）的上、下层框架位于尾部的短边铰接，另一端分别通过驱动器连接件（33）、（28）与尾鳍鳍条（22）的上、下表面铰接，尾鳍鳍条（22）的根部分别通过鳍条连接件（38）与中部隔板所在框架的一侧短边铰接，用于支撑软体机器人的尾鳍；

所述液态电介质驱动器包括框架杆挂环（41）、连接件挂环（44）、弹性壳体（42)、液体电介质（43）、可拉伸水凝胶电极（45）和聚乙烯薄膜（46）；弹性壳体（42）为硅胶材料，其内填充有液体电介质（43），可拉伸水凝胶电极（45）和聚乙烯薄膜（46）设置于弹性壳体（42）表面；框架杆挂环（41）和连接件挂环（44）分别设置于弹性壳体（42）的两端，分别用于与内部躯干框架的长边、驱动器连接件的转轴铰接。

2.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述外置功能模块（8）包括摄像头和传感器。

3.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述电池与电源升压模块（9）中的电池为两节1.5V干电池串联，电源升压模块为1.5V转500V成品电路与20倍电压放大成品电路。

4.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述内部躯干框架（2）的材料为硬质透明塑料。

5.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：当可拉伸水凝胶电极（45）通入7kv~10kv的高压电时，弹性壳体（42）内的液体电介质（43）会在电场作用下向一个方向挤压，使液态电介质驱动器的长度发生变化；单个液态电介质驱动器能够提供的最大驱动力为40N。

6. 根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述可拉伸水凝胶电极（45）由氯化锂溶液、丙烯酰胺溶液、N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液、过硫酰胺溶液搅拌混合而成的水凝胶在365nm波长紫外光下浇筑固化制成；液体电介质（43）材料为EnviroTemp FR3。

7.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述驱动器连接件包括转轴、固定板和支撑柱，所述转轴通过支撑柱固定于固定板上，且转轴的中心轴平行于固定板，支撑柱的中心轴垂直于固定板和转轴中心线；所述转轴与液态电介质驱动器的另一端铰接，固定板通过螺栓固定于鳍条靠近根部的位置。

8.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述鳍条连接件为带有凸耳的圆柱结构，圆柱部分沿中心轴开有通孔，套装于中部隔板所在框架的长边上，并通过间隙配合能够相对转动；鳍条连接件的两侧设置有限位卡环，用于限制其轴向位移；圆柱的外周面上平行于中心轴设置有一对凸耳，凸耳上开有螺纹孔，配合螺栓实现鳍条的装夹固定。

9.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述鳍条为条形板结构，材质为碳纤维或PC塑料；其根部开有多个通孔，通过螺栓与鳍条连接件固定连接，用于支撑软体机器人的左、右侧胸鳍。

10.根据权利要求1所述基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人，其特征在于：所述一体式柔性机身外壳（1）为水凝胶材料通过模具浇筑而成，将内部躯干框架（2）、电路模块（5）、左侧胸鳍驱动模块（3）、右侧胸鳍驱动模块（4）和尾鳍驱动模块（6）全部封闭在内。

Images