CN113386929B - 一种水下软体蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合喷射和蜿蜒两种推进方式的水下软体蛇形机器人。其由头部、喷射段、蜿蜒控制段、蜿蜒段及尾部组成。头部对机器人外部环境进行感知，喷射段为机器人提供喷射推进动力，蜿蜒控制段对蜿蜒段的蜿蜒运动进行控制，蜿蜒段为机器人提供蜿蜒推进动力，尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。本发明的水下软体蛇形机器人的形状和柔性特性使本发明具有很强的灵活性和地形适应能力，喷射推进与蜿蜒推进相互耦合作用的新型推进方式使本发明具有较高的移动速度，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物勘探等领域。

Description

一种水下软体蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种水下软体蛇形机器人，尤其涉及一种结合两种推进方式的水下软体蛇形机器人机构。本项目属于水下仿生机器人领域。

背景技术

近年来，随着海洋利益的不断突显及海洋探索的不断深入，对于水下机器人的技术也有了更高的新要求，需要其有更高的耐压性能。人们从而将目光投入到水下仿生机器人的领域尤其是水下蛇形机器人的领域。蛇形机器人具有比传统水下机器人更高的灵活性及复杂地形适应能力。

目前国内已有关于水下软体机器人的专利，如公开专利“201811018640.X”的“一种基于电敏感驱动的水凝胶仿生鱼”，该发明通过改变电压大小使水凝胶在周围电场的刺激下改变自身体积及形状，实现仿生推进，具有较高的耐压性及灵活性。但是其机身没有任何负载设备，无法投入实际应用。

水下软体机器人的推进动力方面，已公开专利“200510010225.6”的“仿乌贼型软体动物大潜深水下仿生机器人”，其采用脉冲推进器通过改变型腔体积的单脉冲推进器驱动，记忆金属驱动器通过扩张驱动弹簧进而给型腔的进水出水和喷射口的方向，但是乌贼的仿生外形限制了其在水下的灵活性及复杂地形适应能力。

蛇形机器人方面，已公开专利“201910174441.6”的“一种蛇形机器人”，其采用了多关节设计且使用了软体材料进行关节之间的连接，并使用电机推动机身外侧齿轮的方式实现整体机身的弯曲及前进。但是刚性的工程材料及外齿轮的推进方式使其并不具有很好的复杂地形适应能力。

综上所述，现有技术存在：驱动方式单一、灵活性不足，复杂环境适应能力不足等问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种水下软体蛇形机器人，以蜿蜒运动与喷射推进混合推进，具有高灵活性和环境适应能力。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下软体蛇形机器人,包括：头部、喷射段、蜿蜒控制段、蜿蜒段、尾部；所述头部对机器人外部环境进行感知，喷射段为机器人提供喷射推进动力，蜿蜒控制段对蜿蜒段的蜿蜒运动进行控制，蜿蜒段为机器人提供蜿蜒推进动力，尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。本发明的水下软体蛇形机器人的形状和柔性特性使本发明具有很强的灵活性和地形适应能力，喷射推进与蜿蜒推进相互耦合作用的新型推进方式使本发明具有较高的移动速度，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物勘探等领域。尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。构成喷射推进与蜿蜒推进相互耦合的推进方式。

进一步地，所述头部外观呈半球形，内部安装有深度摄像头与小型声呐，用于对水下工作过程中的外部环境进行感知。

进一步地，所述喷射段位于头部后部，截面形状呈圆形或椭圆形，外壳由硅胶制成，分为前侧器件节与后侧喷射节，于器件节壳体内设置有喷射水泵、2个喷射控制三通阀、蓄水腔、喷射控制模块，蓄水腔设置于喷射段器件节壳体内的下部，2个喷射控制三通阀、喷射水泵及喷射控制模块设置于器件节壳体内的上部；所述喷射段内的喷射节由硅胶制成的柔性壳体构成，其内部通过硅胶隔膜分隔为前部辅助水腔与后部喷射水腔，水腔之间不连通；辅助水腔壳体上设置有两个辅助通口，喷射水腔两侧柔性壳体设置有若干以一定角度朝向壳体外侧的喷射口，喷射口与外界水体相连通；两个喷射控制三通阀的第一个阀口分别与器件节喷射水泵的抽水口与出水口相连通，第二个阀口均与器件节的蓄水腔相连通，第三个阀口均与辅助通口相连通，构成喷射段内部封闭水路，为喷射段提供运动控制。

进一步地，上述喷射段内部封闭水路的工作机理是，喷射控制模块通过控制喷射段内部封闭水路将辅助水腔内的水抽出使柔性隔膜向辅助水腔一侧变形，令喷射水腔容积变大将外部水抽入喷射水腔的内部，通过控制喷射段内部封闭水路将水充入辅助水腔使柔性隔膜向喷射水腔一侧变形，令喷射水腔的容积减小将水从喷射口向后方喷射产生射流，形成持续性一吸一喷的工作状态，从而对机体本身产生推进动力。

进一步地，所述蜿蜒控制段位于喷射段后部，内部设置有蜿蜒水泵、供电电池、4个水路控制三通阀、4个水路切换三通阀及蜿蜒控制模块，蜿蜒水泵与蜿蜒控制模块设置于蜿蜒控制段壳体内的下部，供电电池设置于蜿蜒控制段壳体内的上部，于壳体内后部设置上排4个水路控制三通阀，下排4个水路切换三通阀，为蜿蜒段提供电力支持与运动控制。

进一步地，所述蜿蜒段设置于蜿蜒控制段后部，截面形状呈椭圆形，蜿蜒段由8n个平面弯曲节组成，n为周期数，8n为整数，每个平面弯曲节由两个弯曲制动器、两个液态金属柔性传感器及四条控制水路组成，弯曲制动器设置于平面弯曲节的两侧，四条控制水路纵向平行设置于两侧弯曲制动器之间，两个液态金属柔性传感器粘接于两个弯曲制动器的外侧；弯曲制动器由柔性材料构成，截面呈半椭圆形，内部有多个格栅排列而成的内部弯曲水腔，内部弯曲水腔通过侧部开口与控制水路连通，液态金属柔性传感器由柔性薄膜构成，内部设置有微小通路，通路内注有液态金属，端部微小通路引出导线与上述蜿蜒控制段内的蜿蜒控制模块相连接，测量弯曲制动器的弯曲角度。

进一步地，上述蜿蜒段在一个蜿蜒周期内的封闭水路的连接方式为，蜿蜒段一个周期的蜿蜒运动由8个平面弯曲节组成，第一条控制水路连通第1、第8个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第4、第5个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第二条控制水路连通第4、第5个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第1、第8个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第三条控制水路连通第6、第7个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第2、第3个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第四条控制水路连通第2、第3个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第6、第7个平面弯曲节的右侧弯曲制动器。按相同排布增减平面弯曲节的数量以形成不同的周期数的蜿蜒运动。

进一步地，上述蜿蜒段内的四条控制水路分别与四个水路切换三通阀的第一个阀口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第1个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第2个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第1、2个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵出水口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第3个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第4个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3、4个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵抽水口相连通。通过控制水路切换三通阀的阀口切换与水路控制三通阀阀口的切换时间来控制蜿蜒段封闭循环水路，使蜿蜒段形成蜿蜒运动，从而产生蜿蜒推动力。

进一步地，所述尾部设置于蜿蜒段后部，形状呈扁平状，在尾部内设置有无线充电装置及通信装置，无线充电装置通过导线与喷射段及蜿蜒控制段内的电池相连，通信装置通过导线与喷射段内的喷射控制模块及蜿蜒控制段内的蜿蜒控制模块相连，为水下软体蛇形机器人提供电力补充并传输感知与控制信号。

进一步地，水下软体蛇形机器人的运动机理，是通过选用合适的蜿蜒频率及喷射频率，将上述喷射段产生的喷射推进动力与上述蜿蜒段所产生的蜿蜒运动推力进行相互耦合作用，从而叠加产生更大的推进效用。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明的喷射段通过封闭的内部水路控制实现持续性吸喷动作；蜿蜒段仅通过封闭的四条控制水路控制8n个平面弯曲节实现n个周期的蜿蜒运动，能够在不改变控制器件及水路的情况下，通过增加平面弯曲节数量来增加蜿蜒段蜿蜒运动的周期；通过液态金属传感器实现反馈控制，较准确地控制蜿蜒运动所需的变形；

2.本发明喷射与蜿蜒的耦合推进方式使本发明具有超过传统水下机器人的灵活性和复杂地形适应能力以及多样的推进方式选择，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物勘探等领域。

附图说明

图1为本发明水下软体蛇形机器人的整体结构图。

图2为本发明水下软体蛇形机器人喷射段的结构图。

图3为本发明水下软体蛇形机器人喷射段的喷射节抽水工作状态图。

图4为本发明水下软体蛇形机器人喷射段的喷射节喷射工作状态图。

图5为本发明水下软体蛇形机器人的喷射段内部封闭水路图。

图6为本发明水下软体蛇形机器人蜿蜒控制段结构图。

图7为本发明水下软体蛇形机器人蜿蜒段平面弯曲节结构图。

图8为本发明水下软体蛇形机器人蜿蜒段弯曲制动器剖面图。

图9为本发明水下软体蛇形机器人蜿蜒段弯曲制动器弯曲状态剖面图。

图10为本发明水下软体蛇形机器人的蜿蜒段封闭循环水路图。

图11为本发明水下软体蛇形机器人喷射推进的控制逻辑图。

图12为本发明水下软体蛇形机器人蜿蜒推进的控制逻辑图。

附图中附图标记说明：

1.头部2.喷射段3.蜿蜒控制段4.蜿蜒段5.尾部

2-1.喷射节2-2.器件节2-3.喷射水泵2-4.喷射控制模块2-5.喷射控制三通阀2-6.蓄水腔2-7.喷射段壳体2-8.辅助水腔2-9.喷射水腔2-10.辅助通口2-11.喷射口。

3-1.蜿蜒水泵3-2.供电电池13-3.供电电池23-4.蜿蜒控制模块3-5.蜿蜒控制段壳体3-6.水路控制三通阀13-7.水路控制三通阀23-8.水路控制三通阀33-9.水路控制三通阀43-10.水路切换三通阀13-11.水路切换三通阀23-12.水路切换三通阀33-13.水路切换三通阀4。

4-1.液态金属柔性传感器4-2.第1控制水路4-3.第2控制水路4-4.第3控制水路4-5.第4控制水路4-6.右侧弯曲制动器4-7.右侧弯曲水腔4-8.左侧弯曲水腔4-9.左侧弯曲制动器。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的表达地更加清楚，以下结合附图及优选实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种水下软体蛇形机器人,包括依次连接的头部1、喷射段2、蜿蜒控制段3、蜿蜒段4和尾部5，所述头部对机器人外部环境进行感知，喷射段为机器人提供喷射推进动力，蜿蜒控制段对蜿蜒段的蜿蜒运动进行控制，蜿蜒段为机器人提供蜿蜒推进动力，尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。本实施例水下软体蛇形机器人的形状和柔性特性使本实施例机器人具有很强的灵活性和地形适应能力，喷射推进与蜿蜒推进相互耦合作用的新型推进方式使本实施例机器人具有较高的移动速度，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物勘探等领域。尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。构成喷射推进与蜿蜒推进相互耦合的推进方式。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，所述头部1外观呈半球形，内部安装有深度摄像头与小型声呐，用于对水下工作过程中的外部环境进行感知；

所述喷射段2位于头部1后部，截面形状呈圆形或椭圆形，外壳由硅胶制成，分为前侧器件节2-2与后侧喷射节2-1，于器件节2-2壳体内设置有喷射水泵2-3、2个喷射控制三通阀2-5、蓄水腔2-6、喷射控制模块2-4，蓄水腔2-6设置于喷射段器件节2-2壳体内的下部，2个喷射控制三通阀2-5、喷射水泵2-3及喷射控制模块2-4设置于器件节2-2壳体内的上部；所述喷射段2内的喷射节2-1由硅胶制成的柔性壳体构成，其内部通过硅胶隔膜分隔为前部辅助水腔2-8与后部喷射水腔2-9，水腔之间不连通；

所述蜿蜒控制段3位于喷射段2后部，内部设置有蜿蜒水泵3-1、供电电池3-2、4个水路控制三通阀、4个水路切换三通阀及蜿蜒控制模块3-4，蜿蜒水泵3-1与蜿蜒控制模块3-4设置于蜿蜒控制段3壳体内的下部，供电电池3-2设置于蜿蜒控制段3壳体内的上部，于壳体内后部设置上排4个水路控制三通阀3-6、3-7、3-8、3-9，下排4个水路切换三通阀3-10、3-11、3-12、3-13，为蜿蜒段4提供电力支持与运动控制；

所述蜿蜒段4设置于蜿蜒控制段3后部，截面形状呈椭圆形，蜿蜒段由8n个平面弯曲节组成，n为周期数，8n为整数，每个平面弯曲节由两个弯曲制动器4-6、4-9、两个液态金属柔性传感器4-1及四条控制水路4-2、4-3、4-4、4-5组成，弯曲制动器4-6、4-9设置于平面弯曲节的两侧，四条控制水路4-2、4-3、4-4、4-5纵向平行设置于两侧弯曲制动器4-6、4-9之间，两个液态金属柔性传感器4-1粘接于两个弯曲制动器4-6、4-9的外侧；弯曲制动器4-6、4-9由柔性材料构成，截面呈半椭圆形，内部有多个格栅排列而成的内部弯曲水腔4-7、4-8，内部弯曲水腔4-7、4-8通过侧部开口与控制水路连通，液态金属柔性传感器4-1由柔性薄膜构成，内部设置有微小通路，通路内注有液态金属，端部微小通路引出导线与上述蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4相连接，测量弯曲制动器4-6、4-9的弯曲角度。

所述尾部5设置于蜿蜒段4后部，形状呈扁平状，在尾部5内设置有无线充电装置及通信装置，无线充电装置通过导线与喷射段2及蜿蜒控制段3内的电池相连，通信装置通过导线与喷射段2内的喷射控制模块2-4及蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4相连，为水下软体蛇形机器人提供电力补充并传输感知与控制信号。

所述喷射节2-1的辅助水腔壳体上设置有两个辅助通口，喷射水腔两侧柔性壳体设置有若干以一定角度朝向壳体外侧的喷射口，喷射口与外界水体相连通；两个喷射控制三通阀的第一个阀口分别与器件节喷射水泵的抽水口与出水口相连通，第二个阀口均与器件节的蓄水腔相连通，第三个阀口均与辅助通口相连通，构成喷射段内部封闭水路，为喷射段提供运动控制。

所述喷射段2内部封闭水路的工作机理是，喷射控制模块通过控制喷射段内部封闭水路将辅助水腔内的水抽出使柔性隔膜向辅助水腔一侧变形，令喷射水腔容积变大将外部水抽入喷射水腔的内部，通过控制喷射段内部封闭水路将水充入辅助水腔使柔性隔膜向喷射水腔一侧变形，令喷射水腔的容积减小将水从喷射口向后方喷射产生射流，形成持续性的一吸一喷的工作状态，从而对机体本身产生推进动力；

所述蜿蜒段4，在一个蜿蜒周期内的封闭水路的连接方式为，蜿蜒段一个周期的蜿蜒运动由8个平面弯曲节组成，第一条控制水路连通第1、第8个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第4、第5个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第二条控制水路连通第4、第5个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第1、第8个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第三条控制水路连通第6、第7个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第2、第3个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第四条控制水路连通第2、第3个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第6、第7个平面弯曲节的右侧弯曲制动器，按相同排布增减平面弯曲节的数量以形成不同的周期数的蜿蜒运动；

所述蜿蜒段4内的四条控制水路分别与四个水路切换三通阀的第1个阀口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第1个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第2个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第1、2个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵出水口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第3个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第4个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3、4个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵抽水口相连通。通过控制水路切换三通阀的阀口切换与水路控制三通阀阀口的切换时间来控制蜿蜒段封闭循环水路，使蜿蜒段形成蜿蜒运动，从而产生蜿蜒推动力，同时通过平面弯曲节两侧的液态金属传感器测量平面弯曲节的变形从而进行更精确的反馈控制；

所述蜿蜒段仅通过封闭的四条控制水路控制8n个平面弯曲节实现n个周期的蜿蜒运动，能够在不改变控制器件及水路的情况下，通过增加平面弯曲节数量来增加蜿蜒段蜿蜒运动的周期；通过液态金属传感器实现反馈控制，较准确地控制蜿蜒运动所需的变形。

运动机理是通过选用合适的蜿蜒频率及喷射频率，将上述喷射段产生的喷射推进动力与上述蜿蜒段所产生的蜿蜒运动推力进行相互耦合作用，从而叠加产生更大的推进效用。

本实施例的喷射段通过封闭的内部水路控制实现持续性吸喷动作；蜿蜒段仅通过封闭的四条控制水路控制8n个平面弯曲节实现n个周期的蜿蜒运动，能够在不改变控制器件及水路的情况下，通过增加平面弯曲节数量来增加蜿蜒段蜿蜒运动的周期；通过液态金属传感器实现反馈控制，较准确地控制蜿蜒运动所需的变形；本实施例喷射与蜿蜒的耦合推进方式使本发明具有超过传统水下机器人的灵活性和复杂地形适应能力以及多样的推进方式选择，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物勘探等领域。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图1所示，本发明水下软体蛇形机器人由头部1、喷射段2、蜿蜒控制段3、蜿蜒段4和尾部5组成，所述部分之间通过粘连固定。

如图1所示，所述头部1外观呈半球形，位于水下软体机器人的最前部，内部安装有深度摄像头与小型声呐，用于对水下工作过程中的外部环境进行感知。

如图2、图5所示，所述喷射段2位于头部1后部，截面形状呈圆形或椭圆形，外壳由硅胶制成，分为前侧器件节2-2与后侧喷射节2-1，于器件节2-2壳体内设置有喷射水泵2-3、2个喷射控制三通阀2-5、蓄水腔2-6、喷射控制模块2-4，蓄水腔2-6设置于喷射段2器件节2-2壳体内的下部，2个喷射控制三通阀2-5、喷射水泵2-3及喷射控制模块2-4设置于器件节2-2壳体内的上部；所述喷射段2内的喷射节2-1由硅胶制成的柔性壳体构成，其内部通过硅胶隔膜分隔为前部辅助水腔2-8与后部喷射水腔2-9，水腔之间不连通；辅助水腔2-8壳体上设置有两个辅助通口2-10，喷射水腔2-9两侧柔性壳体设置有若干以一定角度朝向壳体外侧的喷射口2-11，喷射口2-11与外界水体相连通，两个喷射控制三通阀2-5的第一个阀口分别与前侧器件节2-2的喷射水泵2-3的抽水口与出水口相连通，第二个阀口均与器件节2-2的蓄水腔2-6相连通，第三个阀口均与辅助通口2-10相连通，构成喷射段2内部封闭水路，为喷射段2提供运动控制。

如图5及图11所示，上述喷射段2内部封闭水路的工作机理是，喷射控制模块2-4通过控制喷射段2内部封闭水路将辅助水腔2-8内的水抽出使柔性隔膜向辅助水腔2-8一侧变形，喷射水腔2-9容积变大将外部水抽入喷射水腔2-9的内部，通过控制喷射段2内部封闭水路将水充入辅助水腔2-8使柔性隔膜向喷射水腔2-9一侧变形，喷射水腔2-9的容积减小将水从喷射口向后方喷射产生射流，重复进行这一工作流程，形成一吸一喷的持续性工作状态，从而对机体本身产生推进动力。

如图1、图6所示，所述蜿蜒控制段3位于喷射段2后部，内部设置有蜿蜒水泵3-1、供电电池3-2、4个水路控制三通阀、4个水路切换三通阀及蜿蜒控制模块3-4，蜿蜒水泵3-1与蜿蜒控制模块3-4设置于蜿蜒控制段3壳体内的下部，供电电池3-2设置于蜿蜒控制段3壳体内的上部，于壳体内后部上排设置第1水路控制三通阀3-6、第2水路控制三通阀3-7、第3水路控制三通阀3-8及第4水路控制三通阀3-9，下排设置第1水路切换三通阀3-1、第2水路切换三通阀3-11、第3水路切换三通阀3-12及第4水路切换三通阀3-13为蜿蜒段2提供电力支持与运动控制。

如图1、图7及图8所示，所述蜿蜒段设4置于蜿蜒控制段3后部，截面形状呈椭圆形，蜿蜒段由8n个平面弯曲节组成，n为周期数，8n为整数，每个平面弯曲节由右侧弯曲制动器4-6、左侧弯曲制动器4-9、两个液态金属柔性传感器4-1、第1控制水路4-2、第2控制水路4-3、第3控制水路4-4及第四控制水路4-5组成，右侧弯曲制动器4-6及左侧弯曲制动器4-9设置于平面弯曲节的两侧，第1控制水路4-2、第2控制水路4-3、第3控制水路4-4及第四控制水路4-5纵向平行设置于右侧弯曲制动器4-6及左侧弯曲制动器4-9之间，两个液态金属柔性传感器4-1粘接于右侧弯曲制动器4-6及左侧弯曲制动器4-9的外侧；右侧弯曲制动器4-6及左侧弯曲制动器4-9由柔性材料构成，截面呈半椭圆形，内部有多个格栅排列而成的内部弯曲水腔，内部弯曲水腔通过侧部开口与第1控制水路4-2、第2控制水路4-3、第3控制水路4-4及第四控制水路4-5连通，液态金属柔性传感器4-1由柔性薄膜构成，内部设置有微小通路，通路内注有液态金属，端部微小通路引出导线与上述蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4相连接，测量右侧弯曲制动器4-6及左侧弯曲制动器4-9的弯曲角度。

如图7所示，上述蜿蜒段4在一个蜿蜒周期内的封闭水路的连接方式为，蜿蜒段4一个周期的蜿蜒运动由8个平面弯曲节组成，第1控制水路4-2连通第1、第8个平面弯曲节的左侧弯曲制动器4-9，同时连通第4、第5个平面弯曲节的右侧弯曲制动器4-6；第2控制水路4-3连通第4、第5个平面弯曲节的左侧弯曲制动器4-9，同时连通第1、第8个平面弯曲节的右侧弯曲制动器4-6；第3控制水路4-4连通第6、第7个平面弯曲节的左侧弯曲制动器4-9，同时连通第2、第3个平面弯曲节的右侧弯曲制动器4-6；第4控制水路4-5连通第2、第3个平面弯曲节的左侧弯曲制动器4-9，同时连通第6、第7个平面弯曲节的右侧弯曲制动器4-6，按相同排布增减平面弯曲节的数量以形成不同的周期数的蜿蜒运动。

如图10所示，上述蜿蜒段4内的第1控制水路4-2、第2控制水路4-3、第3控制水路4-4及第4控制水路4-5分别与第1水路切换三通阀3-10、第水路切换三通阀3-11、第3水路切换三通阀3-12及第4水路切换三通阀3-13的第1个阀口相连通；第1水路切换三通阀3-10及第2水路切换三通阀3-11的第2个阀口与第1水路控制三通阀3-6的第2、3阀口相连通，第3水路切换三通阀3-12及第4水路切换三通阀3-13的第2个阀口与第2水路控制三通阀3-7的第2、3阀口相连通，第1水路控制三通阀3-6及第2水路控制三通阀3-7的第1个阀口与蜿蜒控制段3内的蜿蜒水泵3-1出水口相连通；第1水路切换三通阀3-10及第2水路切换三通阀3-11的第3个阀口与第3水路控制三通阀3-8的第2、3阀口相连通，第3水路切换三通阀3-12及第4水路切换三通阀3-13的第3个阀口与第4水路控制三通阀3-9的第2、3阀口相连通，第3水路控制三通阀3-8及第4水路控制三通阀3-9的第1个阀口与蜿蜒控制段3内的蜿蜒水泵3-1抽水口相连通。通过控制水路切换三通阀的阀口切换与水路控制三通阀的切换时间来控制蜿蜒段封闭循环水路，使蜿蜒段形成蜿蜒运动，从而产生蜿蜒推动力。

如图1所示，所述尾部5设置于蜿蜒段4后部，形状呈扁平状，在尾部5内设置有无线充电装置及通信装置，无线充电装置通过导线与喷射段2及蜿蜒控制段3内的电池相连，通信装置通过导线与喷射段2内的喷射控制模块2-4及蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4相连，为水下软体蛇形机器人提供电力补充并传输感知与控制信号；

如图7、图8、图9及图12所示，上述蜿蜒段4封闭循环水路工作时，蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4发送信号控制蜿蜒段4封闭循环水路工作使蜿蜒段4内的平面弯曲节向左或向右弯曲，液态金属柔性传感器4-1检测平面弯曲节的弯曲角度后将信号反馈给蜿蜒控制段3内的蜿蜒控制模块3-4，蜿蜒控制模块3-4据此控制蜿蜒段4封闭循环水路内水路控制三通阀阀口的切换时间，从而调整平面弯曲节的弯曲角度，使4蜿蜒段形成蜿蜒运动，从而对水下软体蛇形机器人的机体产生推进动力。

如图1所示，上述水下软体蛇形机器人的运动机理，是通过选用合适的蜿蜒频率及喷射频率，将上述喷射段2产生的喷射推进动力与上述蜿蜒段4所产生的蜿蜒运动推力进行相互耦合作用，从而叠加产生更大的推进效用。

本发明上述实施例结合喷射和蜿蜒两种推进方式的水下软体蛇形机器人。其由头部、喷射段、蜿蜒控制段、蜿蜒段及尾部组成。头部对机器人外部环境进行感知，喷射段为机器人提供喷射推进动力，蜿蜒控制段对蜿蜒段的蜿蜒运动进行控制，蜿蜒段为机器人提供蜿蜒推进动力，尾部提供电力补充并传输感知与控制信号。上述实施例的水下软体蛇形机器人的形状和柔性特性使上述实施例具有很强的灵活性和地形适应能力，喷射推进与蜿蜒推进相互耦合作用的新型推进方式使本发明具有较高的移动速度，拓展了水下机器人的水下作业能力，可运用海洋矿产勘探、海底管线维护、海洋生物。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水下软体蛇形机器人,包括：依次连接的头部(1)、喷射段(2)、蜿蜒控制段(3)、蜿蜒段(4)和尾部(5)，其特征在于：所述头部(1)用于对机器人外部环境进行感知，喷射段(2)为机器人提供喷射推进动力，蜿蜒控制段(3)对蜿蜒段的蜿蜒运动进行控制，蜿蜒段(4)为机器人提供蜿蜒推进动力，尾部(5)提供电力补充并传输感知与控制信号，构成喷射推进与蜿蜒推进相互耦合的推进方式；

所述蜿蜒段(4)设置于蜿蜒控制段(3)后部，截面形状呈椭圆形，蜿蜒段由8n个平面弯曲节组成，n为周期数，8n为整数，每个平面弯曲节由两个弯曲制动器(4-6、4-9)、两个液态金属柔性传感器(4-1)及四条控制水路(4-2、4-3、4-4、4-5)组成，弯曲制动器(4-6、4-9)设置于平面弯曲节的两侧，四条控制水路(4-2、4-3、4-4、4-5)纵向平行设置于两侧弯曲制动器(4-6、4-9)之间，两个液态金属柔性传感器(4-1)粘接于两个弯曲制动器(4-6、4-9)的外侧；弯曲制动器(4-6、4-9)由柔性材料构成，截面呈半椭圆形，内部有多个格栅排列而成的内部弯曲水腔(4-7、4-8)，内部弯曲水腔(4-7、4-8)通过侧部开口与控制水路连通，液态金属柔性传感器(4-1)由柔性薄膜构成，内部设置有微小通路，通路内注有液态金属，端部的微小通路引出导线与上述蜿蜒控制段(3)内的蜿蜒控制模块(3-4)相连接，测量弯曲制动器(4-6、4-9)的弯曲角度。

2.根据权利要求1所述水下软体蛇形机器人,其特征在于：所述头部(1)外观呈半球形，内部安装有深度摄像头与小型声呐，用于对水下工作过程中的外部环境进行感知；

喷射段(2)位于头部(1)后部，截面形状呈圆形或椭圆形，外壳由硅胶制成，分为前侧器件节(2-2)与后侧喷射节(2-1)，于器件节(2-2)壳体内设置有喷射水泵(2-3)、2个喷射控制三通阀(2-5)、蓄水腔(2-6)、喷射控制模块(2-4)，蓄水腔(2-6)设置于喷射段器件节(2-2)壳体内的下部，2个喷射控制三通阀(2-5)、喷射水泵(2-3)及喷射控制模块(2-4)设置于器件节(2-2)壳体内的上部；所述喷射段(2)内的喷射节(2-1)由硅胶制成的柔性壳体构成，其内部通过硅胶隔膜分隔为前部辅助水腔(2-8)与后部喷射水腔(2-9)，水腔之间不连通；

所述蜿蜒控制段(3)位于喷射段(2)后部，内部设置有蜿蜒水泵(3-1)、供电电池(3-2)、4个水路控制三通阀、4个水路切换三通阀及蜿蜒控制模块(3-4)，蜿蜒水泵(3-1)与蜿蜒控制模块(3-4)设置于蜿蜒控制段(3)壳体内的下部，供电电池(3-2)设置于蜿蜒控制段(3)壳体内的上部，于壳体内后部设置上排4个水路控制三通阀(3-6、3-7、3-8、3-9)，下排4个水路切换三通阀(3-10、3-11、3-12、3-13)，为蜿蜒段(4)提供电力支持与运动控制；

所述尾部(5)设置于蜿蜒段(4)后部，形状呈扁平状，在尾部(5)内设置有无线充电装置及通信装置，无线充电装置通过导线与喷射段(2)及蜿蜒控制段(3)内的电池相连，通信装置通过导线与喷射段(2)内的喷射控制模块(2-4)及蜿蜒控制段(3)内的蜿蜒控制模块(3-4)相连，为水下软体蛇形机器人提供电力补充并传输感知与控制信号。

3.根据权利要求2所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：所述喷射节(2-1)的辅助水腔壳体上设置有两个辅助通口，喷射水腔两侧柔性壳体设置有若干以一定角度朝向壳体外侧的喷射口，喷射口与外界水体相连通；两个喷射控制三通阀的第一个阀口分别与器件节喷射水泵的抽水口与出水口相连通，第二个阀口均与器件节的蓄水腔相连通，第三个阀口均与辅助通口相连通，构成喷射段内部封闭水路，为喷射段提供运动控制。

4.根据权利要求2所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：所述喷射段(2)内部封闭水路的工作机理是，喷射控制模块通过控制喷射段内部封闭水路将辅助水腔内的水抽出使柔性隔膜向辅助水腔一侧变形，令喷射水腔容积变大将外部水抽入喷射水腔的内部，通过控制喷射段内部封闭水路将水充入辅助水腔使柔性隔膜向喷射水腔一侧变形，令喷射水腔的容积减小将水从喷射口向后方喷射产生射流，形成持续性的一吸一喷的工作状态，从而对机体本身产生推进动力。

5.根据权利要求1所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：所述蜿蜒段(4)，在一个蜿蜒周期内的封闭水路的连接方式为，蜿蜒段一个周期的蜿蜒运动由8个平面弯曲节组成，第一条控制水路连通第1、第8个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第4、第5个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第二条控制水路连通第4、第5个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第1、第8个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第三条控制水路连通第6、第7个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第2、第3个平面弯曲节的右侧弯曲制动器；第四条控制水路连通第2、第3个平面弯曲节的左侧弯曲制动器，同时连通第6、第7个平面弯曲节的右侧弯曲制动器，按相同排布增减平面弯曲节的数量以形成不同的周期数的蜿蜒运动。

6.根据权利要求1所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：所述蜿蜒段(4)内的四条控制水路分别与四个水路切换三通阀的第1个阀口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第1个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第2个阀口与第2个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第1、2个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵出水口相连通；第1及第2控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第3个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3及第4控制水路所连水路切换三通阀的第3个阀口与第4个水路控制三通阀的第2、3阀口相连通，第3、4个水路控制三通阀的第1个阀口与蜿蜒控制段内的蜿蜒水泵抽水口相连通；通过控制水路切换三通阀的阀口切换与水路控制三通阀阀口的切换时间来控制蜿蜒段封闭循环水路，使蜿蜒段形成蜿蜒运动，从而产生蜿蜒推动力，同时通过平面弯曲节两侧的液态金属传感器测量平面弯曲节的变形从而进行更精确的反馈控制。

7.根据权利要求1所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：所述蜿蜒段仅通过封闭的四条控制水路控制8n个平面弯曲节实现n个周期的蜿蜒运动，能够在不改变控制器件及水路的情况下，通过增加平面弯曲节数量来增加蜿蜒段蜿蜒运动的周期；通过液态金属传感器实现反馈控制，较准确地控制蜿蜒运动所需的变形。

8.根据权利要求1所述水下软体蛇形机器人，其特征在于：运动机理是通过选用合适的蜿蜒频率及喷射频率，将上述喷射段产生的喷射推进动力与上述蜿蜒段所产生的蜿蜒运动推力进行相互耦合作用，从而叠加产生更大的推进效用。

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