CN113212719A - 一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术，提出一种新的仿生水母机器人驱动方案，属于智能材料应用技术领域。基于聚氯乙烯凝胶(PVCgel)驱动的仿生水母，通过PVCgel的不同运动组合，实现仿生水母在水下不同的游动模式，具有结构简单、重量轻、体积小、无噪音、功耗低等特点。该仿生水母机器人在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探以及军事侦察方面具有重要的应用前景。

Description

一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术

技术领域

本发明提出了一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术，属于仿生机器人领域。

背景技术

海洋占地球表面积的71％。海洋中资源较为丰富并且存在很多未被开发、探测的资源，海洋资源开采的技术迫切需要发展。由于人类难以直接探索深水区域，水下环境的探索和信息的收集基本上依赖于水下机器人。目前，使用传统的水下机器人来探索海洋存在续航差、效率低和噪音等问题。因此，设计低成本、续航能力强、噪音低、功能完善的水下机器人是科学工作者的方向。

水下生物经过长期的进化演变，既能高效率、低能耗的游动，又能在外界环境变化时做出快速动作，实现高机动性。其中水母作为无脊椎动物，它具有特殊的平稳性以及灵活的运动能力，相比其他鱼类，水母具有体积小，重量轻，柔韧性高，代谢率低等特点，能有效利用水流的波动运动。

仿生水母可以在环境复杂的水域进行作业并且还具有很大的腔内空间可以用于放置仪器设备，在海洋生物考察、海洋救援、海洋资源勘探等场景下扮演着重要的角色。而在军用方面，仿生水母具有更低的噪音、更强的隐蔽性及运动稳定性的特点，在探测侦查中不易被发现，相比于其他机器人具有显著的优势。

而目前的仿生水母机器人技术基本是采用刚度极大的刚性杆与电机驱动，而电机的刚性驱动需要通过复杂的传动机构实现水母游动功能，体积笨重，且能量消耗高，无法发挥水母机器人的实用价值。因此，本发明提出一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术，基于PVC gel驱动的仿生水母机器人具有结构简单、重量轻、体积小、无噪音、功耗低等特点。在商业应用和军事侦察方面具有较高的应用价值。

发明内容

在现有技术的基础上，将PVC gel驱动与仿生水母机器人相结合，本发明的目的是提出一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术，使其具有新型、高效的仿生水母机器人结构与驱动方式，从而提高仿生水母机器人在水下的工作效率及工作寿命。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术。PVC gel驱动器由数层PVCgel驱动层叠加而成，每层PVC gel驱动层是由金属网作为阳极，夹在两片PVC gel薄膜之间，金属箔片作为阴极贴附在PVC gel薄膜另一侧。PVC gel薄膜采用浇筑成型技术制备而成，厚度大于等于0.3mm，是由聚氯乙烯(PVC)、增塑剂DBA、四氢呋喃(THF)以质量比(1:4:15-1:9:15)的比例混合均匀后，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即可得到柔软透明的PVC gel。金属网目数为8目-40目，厚度为200μm-700μm。金属箔片厚度为50μm-500μm。金属材质可为铜、锌、铝、不锈钢。

将仿生水母机器人的驱动部分用四组PVC gel驱动器及刚性划臂来代替。根据仿生水母机器人的整体质量，设计出合适的结构，并在仿生水母机器人的主体部分的下端添加配重，使得仿生水母机器人在静止状态时处于悬浮状态，既能保证仿生水母机器人不会因为过轻或者过重而无法游动，也能使得PVC gel驱动效率最大化。

设计的PVC gel驱动器有四个，对称排布在仿生水母机器人的主壳体上，并连接着四根刚性划臂，刚性划臂与PVC gel驱动器中的滑块采用铰链连接，既保证了刚性划臂与滑块之间的联动，保证仿生水母机器人在水下游动时的平衡。

壳体为多部份拼接而成，各部分之间设有连接部分，能够保证结构的稳定与防水性能。

刚性划臂与壳体之间为间隙配个，并在接触点采用硅胶密封，从而可以在不影响刚性划臂上下摆动的同时，防水密封性也能得到保证。

控制模块采用STC89C52RC-40I作为主控芯片，能够分别向四组PVC gel驱动器施加不同的电压信号，进而完成不同的游动模式。

PVC gel驱动部分内部为多层PVC gel叠加而成，由于PVC gel在膨胀后恢复较慢，采用在滑块另一侧添加弹簧来作为辅助装置，可以达到快速恢复的效果。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

…本发明基于PVC gel驱动的仿生水母机器人具有结构简单、重量轻、体积小、无噪音、功耗低等特点。在商业应用和军事侦察方面具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本仿生水母机器人透视图。

图2为本仿生水母机器人主视图。

图3为本发明的PVC gel驱动器结构

图4为本发明的PVC gel驱动层结构

图5为本仿生水母机器人游动模式下运动示意图。

图6为本仿生水母机器人游动模式下进行转弯运动的示意图。

图中：壳体部分-1、弹簧-2、PVC gel驱动器-3、刚性划臂-4、电源部分-5、平衡模块-6、控制模块-7、硅胶蒙皮-8、滑块-9。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步描述。

如图1-4所示，一种基于PVC gel驱动的仿生水母机器人技术，包括壳体部分1、弹簧2、PVC gel驱动器3、刚性划臂4、电源部分5、平衡模块6、控制模块7、硅胶蒙皮8和滑块9。电源5给PVC gel驱动部分3提供合适的电压，并通过控制模块7对电压幅值进行控制，输出不同大小的电压施加在PVC gel上，使得PVC gel驱动器3能够产生不同大小的位移，同时带动刚性划臂4。PVC gel3发生位移，进而使得刚性划臂4完成上下摆动的运动，同时完成外层硅胶蒙皮8的收缩与舒张，实现仿生水母机器人的运动。所述PVC gel驱动器3包括壳体部分1中的PVC gel套筒部分、PVC gel、弹簧2以及滑块9，滑块9与刚性划臂4为铰链连接，弹簧2在静止时处于预压状态，滑块9将PVC gel压紧，壳体部分1中的PVC gel套筒部分以及滑块9上布有铜片电极，并连接到控制模块7上。

其中PVC gel驱动部分由8层PVC gel驱动层3-1叠加而成，PVC gel驱动层3-1结构，由金属网3-1-1作为阳极，夹在两片PVC gel薄膜3-1-2之间，金属箔片3-1-3作为阴极贴附在PVC gel薄膜另一侧。金属网3-1-1目数20目，采用铝材质；PVC gel薄膜2-1-2厚度0.5mm；金属箔片采用铝材质。PVC gel薄膜3-1-2采用浇筑成型技术制备而成，是由聚氯乙烯(PVC)、增塑剂DBA、四氢呋喃(THF)以质量比(1:9:15)的比例混合均匀后，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即可得到柔软透明的PVCgel。

其中，PVC gel驱动器3和刚性划臂4都设置有四个，均匀分布在主壳体1上。

其中，壳体部分1为多块拼接而成，各部分之间设有连接装置。

其中，控制模块7可将电源5输出的电压进行调控，并可以同时输出多组信号，分别驱动四组PVC gel驱动器3。

其中，平衡模块6为便携式可调配重。

其中，壳体部分1与硅胶蒙皮8为粘接而成，采用硅胶粘接剂粘接。

其中，处于壳体部分1外的刚性划臂4被硅胶蒙皮8全封闭包裹而成。

其中，刚性划臂4与壳体1之间为间隙配个，并在接触点采用硅胶密封。

其中，控制模块7采用STC89C52RC-40I作为主控芯片。

其中，PVC gel驱动部分内部为多层PVC gel叠加而成，由于PVC gel在膨胀后恢复较慢，采用在滑块另一侧添加弹簧来作为辅助装置。

工作原理：使用者需要将四根刚性划臂4穿过壳体1上的四个定位孔，并与PVC gel驱动器3中的滑块9末端进行铰链连接，再将硅胶蒙皮8粘附在壳体1上与刚性划臂4上，再将刚性划臂4与壳体1接触的空隙用硅胶进行密封处理。电源5输出直流信号后，经过控制模块7转换成方波信号，以驱动PVC gel。在PVC gel在接收到方波信号后，其体积发生变化，从而推动滑块9进行往复运动，进而带动刚性划臂4完成水下往复摆动。当进行一级定速巡航时，一级定速巡航是仿生水母机器人的对称的两根刚性划臂4以相同的频率进行往复摆动；当进行二级定速巡航时，二级定速巡航是四根刚性划臂4一起按照相同的频率进行往复摆动，从而实现仿生水母机器人的二级定速巡航；当需要进行加速巡航和减速巡航模式时，通过调节施加在刚性划臂4上的电压频率即可改变仿生水母机器人的游动速度的快慢；最后，当仿生水母机器人需要进行转向运动时，如图4所示，控制模块7给两组相对的PVC gel驱动器3提供相同频率但是电压幅值不同的方波信号，使得滑块9的产生不同大小的位移，进而带动相对的两根刚性划臂4产生不同摆幅的往复摆动，从而实现仿生水母机器人的转弯运动。

根据上述实施例，可以更好地理解本发明。然后本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体规格参数(PVC gel驱动部分等)、工艺条件及其结果仅用于说明本发明。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术，包括壳体部分(1)、弹簧(2)、PVC gel驱动器(3)、刚性划臂(4)、电源部分(5)、平衡模块(6)、控制模块(7)、硅胶蒙皮(8)以及滑块(9)所有部件都包括。其特征在于：还包括PVC gel驱动器(3)、刚性划臂(4)、平衡模块(6)及硅胶蒙皮(8)；电源(5)给PVC gel驱动器(3)提供合适的电压，并通过控制模块(7)对电压幅值进行控制，输出不同大小的电压施加在PVC gel上，使得PVC gel(3)能够产生不同大小的位移，同时带动刚性划臂(4)；PVC gel驱动器(3)发生位移，进而使得刚性划臂(4)完成上下摆动的运动，同时完成外层硅胶蒙皮(8)的收缩与舒张，实现仿生水母机器人的运动；所述PVC gel驱动器(3)包括壳体部分(1)中的PVC gel套筒部分、PVC gel、弹簧(2)以及滑块(9)，滑块(9)与刚性划臂(4)为铰链连接，弹簧(2)在静止时处于预压状态，滑块(9)将PVC gel压紧，壳体部分(1)中的PVC gel套筒部分以及滑块(9)上布有铜片电极，并连接到控制模块(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：PVC gel驱动器(3)由数层PVC gel驱动层(3-1)叠加而成，每层PVC gel驱动层(3-1)是由金属网(3-1-1)作为阳极，夹在两片PVC gel薄膜(2-1-2)之间，金属箔片(3-1-3)作为阴极贴附在PVC gel薄膜另一侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：PVC gel薄膜(3-1-2)采用浇筑成型技术制备而成，厚度大于等于0.3mm，是由聚氯乙烯(PVC)、增塑剂DBA、四氢呋喃(THF)以质量比(1:4:15-1:9:15)的比例混合均匀后，并以匀速将混合溶液搅拌至均匀透明，然后浇筑在玻璃培养皿内，自然冷却，即可得到柔软透明的PVCgel；金属网(3-1-1)目数为8目-40目，厚度为200μm-700μm。金属箔片(3-1-3)厚度为50μm-500μm；金属材质可为铜、锌、铝、不锈钢。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：所述PVC gel驱动器(3)和刚性划臂(4)都设置有四个，均匀分布在主壳体(1)上。

5.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：所述壳体部分(1)为多块拼接而成，各部分之间设有连接装置。

6.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：控制模块(7)可将电源(5)输出的电压进行调控，并可以同时输出多组信号，分别驱动四组PVC gel驱动器(3)。

7.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：平衡模块(6)为便携式可调配重。

8.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：壳体部分(1)与硅胶蒙皮(8)为粘接而成，采用硅胶粘接剂粘接。

9.根据权利要求1所述的一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人，其特征在于：处于壳体部分(1)外的刚性划臂(4)被硅胶蒙皮(8)全封闭包裹而成。

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