CN113086136B - 一种复合推进仿生水母机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生水下机器人技术领域，具体涉及一种复合推进仿生水母机器人。本发明采用螺旋桨和拍动的复合推进模式，机械臂通过心脏瓣膜式的单向阀门实现低噪声辅助推进作用，复合推进模式相比于单螺旋桨推进操作更灵活，传动效率更高，噪音更小。本发明通过万向舵调整前进方向，万向舵安装在最尾端，在舵机的带动下同时实现周向旋转与轴向的摇摆运动。本发明具有体积小、重量轻、能够有效地利用水流被动游动等特点，对于条件复杂的水下，可以长时间的游动作业，同时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。

Description

一种复合推进仿生水母机器人

技术领域

本发明属于仿生水下机器人技术领域，具体涉及一种复合推进仿生水母机器人。

背景技术

随着人类对于海洋等复杂水域的探索愈加深入,开发和应用能够在各种复杂水域环境执行危险或者人工难以完成的任务的水下机器人迫在眉睫。而水生生物具有多样化的身体结构以及出色的水下运动能力,这使得他们能够在复杂的水下环境中生存。通过研究多种水生生物的形态学和运动形式,从而获得灵感以模仿水生生物的推进方式来设计水下仿生机器人成为当前机器人领域的重要研究方向。而相比于传统的波状游动鱼类，水母具备较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器人的仿生原型。

水下生物常见的运动方式主要有：身体波动式(又称鳗行式)、BCF推进式(又称尾鳍摆动式)、MPF推进式、喷射推进模式。

综合分析可以得到，现有的推进方式均存在显著的不足之处，为了解决推进时噪声大和效率低的问题，可以采取以下措施：

1)采用螺旋桨和拍动的复合推进模式。相比于螺旋桨推进操作更灵活，传动效率更高，噪音更小。

2)通过万向舵调整前进方向。结构简单，效果明显。且外观更接近水母。

3)机械臂上设置心脏瓣膜式的单向阀门。在拍水过程中驱动效率更高。

4)水母腔体内装置的模块化设计。可根据实际情况的需要安装不同装置，用途更广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合推进仿生水母机器人。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括水母主壳体和复合推进系统；所述的复合推进系统包括螺旋桨、机械臂和万向舵；所述的水母主壳体包括前舱室和后舱室；所述的前舱室为模仿水母伞体形状的非水密舱室，在前舱室表面开设有引流槽；所述的后舱室为圆柱形的水密舱室，后舱室上端通过环状支架与前舱室的下端连接，后舱室内部布置有控制及电力系统，后舱室的下端安装有固定支架；所述的固定支架整体为圆台形镂空支架，固定支架上端半径较大；所述的螺旋桨安装在固定支架内部，螺旋桨通过联轴器与后舱室内部的控制及电力系统连接；所述的万向舵通过万向舵固定圆环安装在固定支架下端，万向舵固定圆环与旋转舵机连接，万向舵与摆动舵机连接；所述的旋转舵机与摆动舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接，通过万向舵固定圆环旋转和摆动舵机驱动万向舵摆动的组合方式实现方向控制；所述的机械臂围绕环状支架均匀布置在水母主壳体四周，由控制及电力系统控制机械臂实现拍水动作。

本发明还可以包括：

所述的机械臂包括第一防水舵机、第二防水舵机和拍水板；所述的第一防水舵机一端安装在环状支架上，第一防水舵机的另一端通过连接板与第二防水舵机连接；所述的拍水板通过平板固定器与第二防水舵机连接，在拍水板上布置有瓣膜结构，在瓣膜上开设有透水孔；所述的第一防水舵机和第二防水舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接。

所述的瓣膜结构为心脏瓣膜式柔性材料；在机械臂上抬时瓣膜凹面受力，瓣膜呈张开状态，水流可从瓣膜上的透水孔穿过；在机械臂下拍时瓣膜凸面受力，瓣膜结构实现自锁密闭，水流无法从透水孔穿过。

所述的前舱室的上端采用高硬度材料，前舱室的下端采用柔性材料，在前舱室内部安装有红外传感系统，红外传感系统与后舱室内部的控制及电力系统连接。

本发明的有益效果在于：

本发明采用螺旋桨和拍动的复合推进模式，机械臂通过心脏瓣膜式的单向阀门实现低噪声辅助推进作用，复合推进模式相比于单螺旋桨推进操作更灵活，传动效率更高，噪音更小。本发明通过万向舵调整前进方向，万向舵安装在最尾端，在舵机的带动下同时实现周向旋转与轴向的摇摆运动。本发明具有体积小、重量轻、能够有效地利用水流被动游动等特点，对于条件复杂的水下，可以长时间的游动作业，同时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。

附图说明

图1为本发明的整体外形图。

图2为本发明中水母主壳体的示意图。

图3为本发明中螺旋桨的示意图。

图4为本发明中机械臂的示意图。

图5为本发明中瓣膜结构的示意图。

图6为本发明中万向舵的示意图。

图7位本发明的三维立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种复合推进仿生水母机器人，该系统由主壳体、推进结构、智能航行控制程序、方向控制结构组成。推进机构包括螺旋桨推进器和机械臂。二者配合实现复合仿生水母机器人的灵活高效前进。机械臂通过心脏瓣膜式的单向阀门实现低噪声辅助推进作用。智能航行控制程序采用红外传感系统，配合PID调节器控制螺旋桨和机械臂，可实现对仿生水母速度、位置的修正。方向控制机构由机械臂、万向舵以及控制电路组成。万向舵安装在最尾端，由金属环和尾舵组成，在舵机的带动下同时实现周向旋转与轴向的摇摆运动。智能航行控制程序输出的调节指令通过布置在水密舱内的控制电路，控制机械臂和万向舵的调整。

一种复合推进仿生水母机器人，包括水母主壳体和复合推进系统；所述的复合推进系统包括螺旋桨7、机械臂和万向舵17；所述的水母主壳体包括前舱室1和后舱室4；所述的前舱室为模仿水母伞体形状的非水密舱室，在前舱室表面开设有引流槽；所述的后舱室为圆柱形的水密舱室，后舱室上端通过环状支架2与前舱室的下端连接，后舱室内部布置有控制及电力系统，后舱室的下端安装有固定支架15；所述的固定支架15整体为圆台形镂空支架，固定支架上端半径较大；所述的螺旋桨安装在固定支架内部，螺旋桨通过联轴器6与后舱室内部的控制及电力系统连接；所述的万向舵通过万向舵固定圆环16安装在固定支架下端，万向舵固定圆环与旋转舵机连接，万向舵与摆动舵机连接；所述的旋转舵机与摆动舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接，通过万向舵固定圆环旋转和摆动舵机驱动万向舵摆动的组合方式实现方向控制；所述的机械臂围绕环状支架均匀布置在水母主壳体四周，由控制及电力系统控制机械臂实现拍水动作。

所述的机械臂包括第一防水舵机8、第二防水舵机10和拍水板12；所述的第一防水舵机一端通过机械臂连接支架3安装在环状支架上，第一防水舵机的另一端通过连接板9与第二防水舵机连接；所述的拍水板通过平板固定器11与第二防水舵机连接，在拍水板上布置有瓣膜结构，在瓣膜上开设有透水孔13；所述的第一防水舵机和第二防水舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接。

所述的瓣膜结构为心脏瓣膜式柔性材料；在机械臂上抬时瓣膜凹面受力，瓣膜呈张开状态，水流可从瓣膜上的透水孔穿过；在机械臂下拍时瓣膜凸面受力，瓣膜结构实现自锁密闭，水流无法从透水孔穿过。

所述的前舱室的上端采用高硬度材料，前舱室的下端采用柔性材料，在前舱室内部安装有红外传感系统，红外传感系统与后舱室内部的控制及电力系统连接。

实施例1：

相比于鱼类，水母具有体积小、重量轻、柔性大、低代谢率，能够有效地利用水流被动游动等特点，对于条件复杂的水下，其可以长时间的游动作业，同时由于仿生机器水母具有内部空间大的特点，可以携带很多传感装置和侦查设备，运用到海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。

仿生水母机器人具有自身噪声低，游动速度较慢，在实际侦测中不易被发现等特点，相对于其他水下机器人具有更强的隐蔽性。这些特点使得仿生机器水母有广泛的应用前景。作为一种集浮标技术与水下机器人技术于一体的新型水下航行器，仿生水母可以全自主、长时间的对海洋进行监测。

本发明旨在提供一种复合推进仿生水母机器人，包括水母主壳体、推进结构、智能航行控制程序。水母主壳体包括前舱室和后舱室，前后舱室水密特性不同。前舱室的制作前端采用高硬度材料，末端采用柔性材料。前舱室为非水密舱室，舱室内部安装有红外传感系统。前舱室尾部装配后舱室，后舱室为水密舱室，舱室内部安装有控制电路和各单元模块。推进结构包括螺旋桨、机械臂和万向舵。机械臂均匀分布在水母主壳体四周。机械臂以金属为骨架，每个机械臂上装配两个防水舵机，通过舵机旋转实现机械臂尾部的拍水动作。在机械臂骨架尾部设置心脏瓣膜式的柔性材料，骨架上抬时减小阻力，下拍时增大阻力，从而产生向前的推力。万向舵通过圆环旋转和尾舵摆动的组合实现方向控制。智能航行控制程序中包含有红外传感系统、控制程序和PID调节器，红外传感系统配合PID调节器控制螺旋桨和机械臂，实现主动避障功能。红外传感系统通过低频长波对仿生水母前方及侧方障碍物进行距离与体量测量，并将信号传输给控制程序。PID调节器控制螺旋桨转速、各个舵机旋转角度的调整。

前舱室为模仿水母伞体形状的非水密舱室，且设计有若干引流槽，减小水阻力。后舱室为圆柱形的水密舱室，后舱室通过环形支架与前舱室相连接，侧面开若干小孔用于连接线路。复合推进系统包括螺旋桨、机械臂和万向舵；螺旋桨通过旋转推动水流，从而驱动仿生水母机器人前行。机械臂以金属为骨架，每个机械臂上装配两个防水舵机使用连接杆相互连接，通过舵机旋转实现机械臂尾部的拍水动作。在机械臂骨架尾部设置心脏瓣膜式的柔性材料，骨架上抬时减小阻力，下拍时增大阻力，从而产生向前的推力。万向舵通过万向舵固定圆环旋转和舵机驱动的尾舵摆动的组合实现方向控制。

参阅图1～6，本发明使用螺旋桨推进配合机械臂拍动的驱动方式，螺旋桨推进器起推动作用，机械臂起辅助作用。机械臂均匀分布在水母主壳体四周。机械臂以金属为骨架，每个机械臂上装配两个防水舵机，通过舵机旋转实现机械臂尾部的拍水动作。在机械臂骨架尾部设置心脏瓣膜式的柔性材料，骨架上抬时减小阻力，下拍时增大阻力，从而产生向前的推力。前舱室中安装的红外传感系统通过低频长波对仿生水母前方及侧方障碍物进行距离与体量测量，并将信号传输给控制程序。控制程序将信息传输到PID调节器，PID调节器控制螺旋桨转速、各个舵机旋转角度的调整，从而完成航行状态的调整，达到主动避障的目的。

其中流线型的仿生水母头部可以大大降低水阻力的干扰。

具体内容如下：

结合图1，装置由前舱室、主壳体、主推进器、机械臂、万向舵等部分组成，各部分采用防水胶进行和螺丝进行固定，其中仿生水母机器人头部的流线型壳体能够减少在水中航行时所受的阻力。

结合图2，主壳体分为前舱室1与后舱室4两部分通过中间的环状支架进行连接，其中前舱室为非水密结构，用于引流减阻；而后舱室为水密结构，用于装载与保护其中PID调节器、控制系统、动力系统以及电源。

结合图3，采用由直流电机5通过联轴器6驱动螺旋桨7实现推进，为系统的主要动力来源。

结合图4，机械臂由第一防水舵机8、第二防水舵机10、连接板9、平板固定器11以及尾部的带有瓣膜式结构的拍水板12组成。机械臂起到辅助推进作用，在防水舵机带动下完成拍水动作。由于其尾部设置的心脏瓣膜式的柔性材料的特殊功能，可实现机械臂小阻力上抬与大推力下拍，从而完成划水动作。

结合图5，在机械臂上抬时瓣膜凹面受力，瓣膜呈张开状态，水流可从其中部孔洞处穿过，阻力大大降低；而机械臂下拍的时候瓣膜凸面受力，瓣膜结构实现自锁密闭，水流无法从中间透过，故推力大大增加，即可实现拍水前进。

结合图6，万向舵17被固定在万向舵固定圆环16上可以在舵机的带动下同时实现周向旋转与轴向的摇摆运动，从而调整至任意方向与舵角进行操控，故称为万向舵。

本申请的工作流程为：

第一步，控制系统接受最初编程，设定初始航向与目标路径；

第二步，前舱室前部的红外传感系统通过低频长波感知环境障碍与装置的距离，获得初步数据采集；

第三步，数据被传递给控制程序，进而通过PID程序的微分积分运算处理，在循环运算中实现控制系统的高鲁棒性并减小探测数据的误差；

第四步，PID计算结果反馈调节航向，分别向主推进器、万向舵与机械臂发出控制指令；

第五步，主推进器正转或反转实现加速或减速，完成宏观速度上的调节；

第六步，万向舵周向转动或轴向摆动实现航向调节，由于万象舵的操控具有延迟性，需要采用机械臂拍水辅助调节航向；

第七步，机械臂靠近连接处的舵机小角度旋转，靠近尾部的舵机大角度旋转，使得机械臂拍水的平面接近水平。通过由两个关节的配合运动实现其拍上抬幅度的最大化；

第八步，机械臂拍水动作完成后，舵机反方向较慢速旋转至原位置。过程中实现拍水动作；

第九步，重复上述二至五步操作，实现局部路径规划，直至避开路径中的障碍。其中在后续计算时需要考虑到之前操控的延迟效应，并利用类似于卡明思方程的方法计算流场与运动的累积效应，从而避免避障时的过度转向；

第十步，到达目标地点后完成预定的搜集、探测、侦查任务，完成预期计划；

第十一步，按照原路径进行返航；

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复合推进仿生水母机器人，其特征在于：包括水母主壳体和复合推进系统；所述的复合推进系统包括螺旋桨、机械臂和万向舵；所述的水母主壳体包括前舱室和后舱室；所述的前舱室为模仿水母伞体形状的非水密舱室，在前舱室表面开设有引流槽；所述的后舱室为圆柱形的水密舱室，后舱室上端通过环状支架与前舱室的下端连接，后舱室内部布置有控制及电力系统，后舱室的下端安装有固定支架；所述的固定支架整体为圆台形镂空支架，且固定支架上端半径比下端半径大；所述的螺旋桨安装在固定支架内部，螺旋桨通过联轴器与后舱室内部的控制及电力系统连接；所述的万向舵通过万向舵固定圆环安装在固定支架下端，万向舵固定圆环与旋转舵机连接，万向舵与摆动舵机连接；所述的旋转舵机与摆动舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接，通过万向舵固定圆环旋转和摆动舵机驱动万向舵摆动的组合方式实现方向控制；所述的机械臂围绕环状支架均匀布置在水母主壳体四周，由控制及电力系统控制机械臂实现拍水动作。

2.根据权利要求1所述的一种复合推进仿生水母机器人，其特征在于：所述的机械臂包括第一防水舵机、第二防水舵机和拍水板；所述的第一防水舵机一端安装在环状支架上，第一防水舵机的另一端通过连接板与第二防水舵机连接；所述的拍水板通过平板固定器与第二防水舵机连接，在拍水板上布置有瓣膜结构，在瓣膜上开设有透水孔；所述的第一防水舵机和第二防水舵机均与后舱室内部的控制及电力系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种复合推进仿生水母机器人，其特征在于：所述的瓣膜结构为心脏瓣膜式柔性材料；在机械臂上抬时瓣膜凹面受力，瓣膜呈张开状态，水流可从瓣膜上的透水孔穿过；在机械臂下拍时瓣膜凸面受力，瓣膜结构实现自锁密闭，水流无法从透水孔穿过。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种复合推进仿生水母机器人，其特征在于：所述的前舱室的上端采用高硬度材料，前舱室的下端采用柔性材料，在前舱室内部安装有红外传感系统，红外传感系统与后舱室内部的控制及电力系统连接。

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