CN113320665A - 一种长鳍波动推进仿生水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种长鳍波动推进仿生水下机器人，包括长鳍波动机构、电机、控制中心和两个舵机，长鳍波动机构包括多个通过骨节架串联设置的摆动单元，摆动单元中包括两个背对设置的摆动组件，摆动组件中摆件支架、摆件接口、曲轴和连杆组成四连杆机构；摆件接口用于安装鳍条，鳍条上安装鳍面；电机、双舵机和控制中心均设置于长鳍波动机构前侧的防水仓内，电机用于通过骨节架驱动摆动组件运动；两个舵机分别带动线缆移动进而驱动两侧的鳍面翻折，线缆通过骨节架的左右通孔与同侧的多个摆动支架相连接。本发明具有较高推进效率、良好的机动性、可控性和抗干扰性的特点，应用于在水体波动较大或水体环境复杂的水域中进行勘测与记录。

Description

一种长鳍波动推进仿生水下机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种长鳍波动推进仿生水下机器人。
背景技术
长鳍推进作为一种较为普遍的海洋生物运动方式，较身体波动推进和螺旋桨推进两种方式具有更好的抗干扰性和更高的推进效率，但由于人工实现时存在波动频率低，机体姿态变化困难等问题，并没有在仿生水下机器人领域得到较多的利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种长鳍波动推进仿生水下机器人，以解决上述现有技术存在的问题，通过串联四连杆机构实现鳍面的高频连续波动，并充分利用可翻折鳍面调整机体姿态，具有较高推进效率、良好的机动性、可控性和抗干扰性的特点，应用于在水体波动较大或水体环境复杂的水域中进行勘测与记录。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种长鳍波动推进仿生水下机器人，包括长鳍波动机构、电机、控制中心和两个舵机，
所述长鳍波动机构包括多个通过骨节架串联设置的摆动单元，所述摆动单元中包括两个背对设置的摆动组件，所述摆动组件包括设置于摆动支架上的摆件接口、曲轴和连杆，曲轴的两端通过轴承安装在所述摆动支架上，所述连杆的一端与所述曲轴连接，另一端与通过轴承安装在摆动支架另一侧的摆件接口连接，所述摆件支架、摆件接口、曲轴和连杆组成四连杆机构；所述摆件接口用于安装鳍条，鳍条上安装鳍面；
所述电机、双舵机和控制中心均设置于长鳍波动机构前侧的防水仓内，与所述控制中心电联接的所述电机用于通过骨节架驱动所述摆动组件运动；与所述控制中心电联接的两个舵机分别带动线缆移动进而驱动两侧的鳍面翻折，所述线缆通过骨节架的左右通孔与同侧的多个摆动支架相连接。
优选地，初始时，调整每个摆动单元中曲轴的位置，使每个摆动单元中的鳍条位于不同位置，进而使得在运动过程中各鳍条间始终存在固定的相位差，通过摆动鳍条以驱动鳍面来实现鳍表面波动。
优选地，所述鳍面采用弹性布料制成。
优选地，所述骨节架包括万向节和两个连接件，两个连接件分别与相邻两摆动单元上用于安装曲轴的轴承相连接，两个连接件之间通过所述万向节相连。
优选地，还包括有MPU6000传感器，与控制中心电联接的MPU6000传感器用于实时采取水下机器人的姿态。
优选地，还设置有摄像图传模块，所述摄像图传模块将图像通过WiFi回传到所述控制中心的上位机或保存在本地储存中。
优选地，所述控制中心采用STM32单片机进行整个机器人的控制。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明基于长鳍鱼类的新型模块化仿生水下机器人，由流线型骨架、弹性布料以及连接传动线缆(钢丝材质)及曲柄组成；使用防水舵机控制鳍面弯折，防水无刷电机驱动曲柄，具有高效、低频、低阻的特点，水下最高运动速度可达0.4/s，转弯半径最小为0.2m，2200mAh的锂电池可支持机器人以0.2m/s航速运动2小时以上。
2、本发明基于长鳍鱼类的新型模块化仿生水下机器人，机体纵剖成流线型形状，水下阻力小，可大大减少能量损耗，提高运动效率，且该设计尺寸合适不会因为尺寸过大影响机器人的性能。
3、本发明采用模块化设计，骨节和鳍面装卸方便，可以自由调整骨节数量和鳍面面积，在行进速度与灵活性之间调整，以适应不同环境，并且可以根据机器人用途和性能需求改变各个模块的设计，快速实现产品的二次开发，缩短研发周期。
4、控制中心的主机体上采用易于连接的可靠机械接口和基于IP68级防水航插的电气接口设计，各模块之间易于实现机械和电气连接，可随时随地快速组装，将模块拆解存放，更加便携不易损坏。
5、本发明基于长鳍波动推进的新型模块化仿生水下机器人，结合成本较低的机电控制系统实现运动的控制，在结构设计方面实现了自主创新，提高运动姿态的可控性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为长鳍波动推进仿生水下机器人的整体结构示意图；
图2为摆动单元的结构组成图；
图3为摆动组件的四连杆机构组成示意图；
图4为相邻两摆动单元的连接方式图；
其中，1防水仓；2电机；3鳍面；4鳍条；5摆动单元；6摆件接口；7骨节架；8轴承；9连杆；10曲轴；11万向节；12摆动支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种长鳍波动推进仿生水下机器人，以解决上述现有技术存在的问题，通过串联四连杆机构实现鳍面的高频连续波动，并充分利用可翻折鳍面调整机体姿态，具有较高推进效率、良好的机动性、可控性和抗干扰性的特点，应用于在水体波动较大或水体环境复杂的水域中进行勘测与记录。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种长鳍波动推进仿生水下机器人，包括长鳍波动机构、电机2、控制中心和两个舵机，
长鳍波动机构包括多个通过骨节架7串联设置的摆动单元5，摆动单元5中包括两个背对设置的摆动组件，摆动组件包括设置于摆动支架12上的摆件接口6、曲轴10和连杆9，曲轴10的两端通过轴承8安装在摆动支架12上，连杆9的一端与曲轴10连接，另一端与通过轴承安装在摆动支架12另一侧的摆件接口6连接，摆件支架12、摆件接口6、曲轴10和连杆9组成四连杆机构；摆件接口6用于安装鳍条4，鳍条4上安装鳍面3；摆动单元5以四连杆为核心，各摆动单元5的曲轴10以一定相位差连接，并由速度恒定的直流电机带动旋转，进而带动摆件接口6和鳍面3上下摆动。长鳍波动时，各鳍条4间存在近似固定的相位差，通过摆动鳍条4以驱动鳍面3来实现表面波动。长鳍推进水下机器人的长鳍波动由多个摆动组件驱动弹性布料实现，以模仿水下生物的长鳍波动模式。鳍面翻折自由度由舵机带动线缆驱动，翻折自由度可以控制机器整体的上浮和沉降，与滚转自由度。
电机2、双舵机和控制中心均设置于长鳍波动机构前侧的防水仓1内，与控制中心电联接的电机2用于通过骨节架7驱动摆动组件运动；与控制中心电联接的两个舵机分别带动线缆(钢丝制成)移动进而驱动两侧的鳍面3翻折，线缆通过骨节架7的左右通孔与同侧的多个摆动支架12相连接。末端的防水仓1作为整个机器人的控制中心，用于采集数据以及控制作动机构。末端的电机2提供波动动力，末端双舵机提供翻折自由度。骨节架7两侧为四连杆支架，提供摆动和鳍面3的翻折。鳍面3由弹性布料制作，由摆件接口6带动。动力部分直接采用两个防水减速无刷电机驱动曲柄，提供推进动力，两个防水舵机，一个负责驱动鳍面弯曲自由度，提供姿态控制。
初始时，调整每个摆动单元中曲轴的位置，使每个摆动单元中的鳍条位于不同位置，进而使得在运动过程中各鳍条间始终存在固定的相位差，通过摆动鳍条以驱动鳍面来实现鳍表面波动。骨节架7包括万向节11和两个连接件，两个连接件分别与相邻两摆动单元5上用于安装曲轴10的轴承8相连接，两个连接件之间通过万向节11相连。骨节架7用于确定长鳍波动的震动水平基准，摆动单元用于产生摆动。骨节架7将两侧的摆件的轴向固定，周向位置固定。万向节11连接至内部的曲轴10，实现骨节间的连接和各摆件间的传动。为实现滚转，需使波动的震动中心平面翻折，与水平面产生一定角度。又由于翻折时仅翻折轴轴心位置不变，为保证骨节与摆件的固连，需使曲柄轴轴心与翻折轴轴心重合。驱动轴向与角度旋转轴向共轴，以保证在保留弯曲和旋转自由度的情况下使动力仍可传递且使摆动单元5间由尺寸固定的骨节固定位置，使其有较好的连接，让整体结构紧凑和稳定。
进一步地，防水舵机采用SPT-5425LV防水舵机，电机2采用12V无刷减速电机；水下机器人的主机体和骨节采用PLA高分子材料3D打印成形，鳍条4、连杆9采用金属结构。
本发明中个，单侧长鳍波动可认为同时产生了向前推进力和侧向推力，两侧运动独立控制(非对称)，通过控制两侧的鳍面3不同波动频率，改变两侧推进力大小，实现机体偏航运动。鳍面3翻折由舵机带动，舵机上固定带槽的舵盘，舵盘上绕有线缆，舵机转动，拉动线缆，线缆拉动摆动组件，改变单侧全部摆动组件的位置，达到翻折的目的。翻折自由度可以控制机器整体的上浮和沉降以及机体滚转运动；弯曲自由度可以控制自身的俯仰角。
于本实施例中，采用MPU6000实时采取机器人姿态，采用PID算法对机器人姿态进行微调，使其保持在平衡状态，另外也能使其完成一些自主探测功能；采用小型wifi摄像图传模块获取水下信息，将图像通过WiFi回传到上位机或保存在本地储存中，以便更好地实施勘探与侦察任务；利用长波通信对机器人进行控制，以克服高频率通信水中信号衰减大的问题，使得机器人能够在深入水下时也能进行控制；整机采用STM32单片机进行整个机器人的控制。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：包括长鳍波动机构、电机、控制中心和两个舵机，
所述长鳍波动机构包括多个通过骨节架串联设置的摆动单元，所述摆动单元中包括两个背对设置的摆动组件，所述摆动组件包括设置于摆动支架上的摆件接口、曲轴和连杆，曲轴的两端通过轴承安装在所述摆动支架上，所述连杆的一端与所述曲轴连接，另一端与通过轴承安装在摆动支架另一侧的摆件接口连接，所述摆件支架、摆件接口、曲轴和连杆组成四连杆机构；所述摆件接口用于安装鳍条，鳍条上安装鳍面；
所述电机、控制中心和两个舵机均设置于长鳍波动机构前侧的防水仓内，与所述控制中心电联接的所述电机用于通过骨节架驱动所述摆动组件运动；与所述控制中心电联接的两个舵机分别带动线缆移动进而驱动两侧的鳍面翻折，所述线缆通过骨节架的左右通孔与位于同侧的多个摆动支架相连接。
2.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：初始时，调整每个摆动单元中曲轴的位置，使每个摆动单元中的鳍条位于不同位置，进而使得在运动过程中各鳍条间始终存在固定的相位差，通过摆动鳍条以驱动鳍面来实现鳍表面波动。
3.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：所述鳍面采用弹性布料制成。
4.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：所述骨节架包括万向节和两个连接件，两个连接件分别与相邻两摆动单元上用于安装曲轴的轴承相连接，两个连接件之间通过所述万向节相连。
5.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：还包括有MPU6000传感器，与控制中心电联接的MPU6000传感器用于实时采取水下机器人的姿态。
6.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：还设置有摄像图传模块，所述摄像图传模块将图像通过WiFi回传到所述控制中心的上位机或保存在本地储存中。
7.根据权利要求1所述的长鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于：所述控制中心采用STM32单片机进行整个机器人的控制。
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