CN113665773A - 一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人，包括吸附模块、中部收/扩驱动模块和矢量喷射模块，中部收/扩驱动模块驱动下部的矢量喷射模块进行有规律的吸水和喷水，从而产生持续的推进力使机器人游动。矢量喷射模块还可以控制喷水的方向实现转向，增加机器人的机动性。中部收/扩驱动模块的外部的弹性模在驱动下有规律地进行着缓慢吸水、快速喷水的动作，不断地提供前进的推动力，三个舵机26通过控制各自的转角来改变喷嘴的姿态，改变水流喷射的方向进行机器人的转向，最终实现机器人在水中的自由快速游动。当机器人靠近目标物体后，吸附模块就会牢牢地吸附在上面，提高水下软体机器人的整体游动速度和效率。

Description

一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人

技术领域

本发明涉及一种水下仿生软体机器人，尤其涉及一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人。

背景技术

众所周知，海洋覆盖了几乎整个地球，隐藏着着几乎无限的资源。因此，全世界各个国家都将目光聚向海洋资源，并把海洋当做他们的资源宝库。另外，与海洋工程有关需求正在逐年增加，例如电缆，管道，天然气钻探和一些海洋军事工程。许多研究人员正在开发用于水下任务的新工具，这种需求导致了水下机器人的发展。

水下机器人可以辅助人类在无法达到的深度和广度上进行探索、检测和作业。即使在湖泊、水库或者河流等人类可以到达的地方，水下机器人也可以完美地解决人类在水底作业时能见度低、效率低下以及工作强度高等问题。水下机器人还广泛应用于海洋工程、水下考古、海底救援、水下物品打捞等方面。可以完成水下物品识别并抓取、水下电缆修复和维护、海洋生物探索、水下潜伏爆破等重要任务。一些军事大国还想将其用于战争中，比如探测鱼雷、水下爆破、水下追踪等。因此，水下机器人的研制和利用具有重要的战略价值和意义，一个国家想要建设海洋强力防线、保卫国家安全以及保持可持续发展的趋势，发展水下机器人是必不可少的一步。

目前，常见的AUV、ROV这种刚性水下机器人它们可以执行快速，精确和重复的位置控制任务，在这些方面它们具有良好的性能，但它们尺寸大、重量大，运输安放困难，另外，它们基本上靠螺旋桨进行矢量推进，螺旋桨旋转会在尾部产生空穴现象，即高速旋转的螺旋桨会使尾部压力下降，这样海水会沸腾，沸腾产生的气泡破裂会发出极大噪声，这个噪声极易被敌方的声呐系统给捕获，特别不适合用于军事领域。此外，他们的刚性很大，存在着很大的安全隐患，并且对环境有可能造成不可恢复的破坏。

而软体机器人有着柔软而又可伸缩的材料(如硅胶)制成的身体，其能够变形和吸收大部分碰撞产生的能量，它们不断变形的结构有着类似于生物的肌肉的功能，有着极高的自由度，它们有可能表现出前所未有的适应性和灵敏性。在由DEA提供动力的水下软体机器人的早期尝试中，Godaba等人开发了一种以水母为灵感的机器人，可以实现可控制的推力和浮力。将介电弹性体膜安装在气室上方，充气以使膜鼓胀。然后用刚性钟型外壳住该腔室。当鼓胀的介电弹性体膜被致动时，腔室的体积增加。除了由于致动器的体积的增加而产生的浮力之外，还导致水从钟罩中泵出，从而产生向上的推力，由于介电弹性膜所能产生的体积变化较小，因此产生的推力和速度也不大。

Yonas Tadesse等人设计了一种新型的拴系式机器人水母，其驱动是基于充气软性气动复合材料(SPC)执行器，这些软执行器使用压缩空气的膨胀和收缩，从而帮助机器人在水中垂直上游。软致动器由弹性气室和非常薄的钢制弹簧组成，有助于加快仿生机器人的运动速度。但是，压缩气体的泄漏和CO2气瓶中有限的气体量使机器人只能运行几个周期，限制了其应用。

Caleb Christianson等人研究出一种利用异形齿轮齿条机构驱动的通过外膜的收/扩进行循环喷水推进的机器人，最高平均速度达到了18.4cm/s，但由于吸水和喷水都从下部喷管进行，因此效率并不高。

发明内容

本发明的目的是为了提高水下软体机器人的整体游动速度和效率，进而提出的一种机械结构驱动喷水矢量推进的方式。

本发明的目的是这样实现的：包括上部吸附模块、中部收扩驱动模块和下部矢量喷射模块，上部吸附模块包括外壳、设置在外壳上的软弹性材料、设置在软弹性材料内的铷磁铁；中部收/扩驱动模块包括离合器滑轮、谐波减速器、密封压环、收/扩支承板、剪叉杆、直线导轨、直线轴承固定、基座滑块、收/扩板、挡板、中下部支承；密封压环、收/扩支承板和外壳之间用螺栓固定连接，离合器滑轮和谐波减速器之间用直齿传动且二者设置在收/扩支承板上，离合器滑轮上的滑轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的端部穿过收/扩支承板中部的孔向下固定在基座滑块上，固定滑块通过螺栓连接固定到收/扩支承板上，直线导轨上部与固定滑块连接，直线导轨下部与带有螺纹孔的直线导轨下部固定连接，直线导轨下部固定与中下部支承连接；基座滑块设置在直线导轨上，基座滑块通过剪叉杆与收/扩板连接；收/扩板上设置有均布的槽口，槽口中设置有滚珠，挡板和收/扩板之间用螺钉固定连接；中部收/扩驱动模块外部设置有弹性软膜；下部矢量喷射模块设置在中下部支撑下方，且包括吸水装置和喷水装置。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.下部矢量喷射模块的吸水装置包括挂钩、下部外壳、合页，中部收/扩驱动模块通过中下部支承和下部外壳进行法兰连接固定，弹性软膜的下端用密封胶固定在下部外壳的上部，弹性软膜的上端与密封压环、收/扩支承板和外壳之间的连接处连接；挂钩通过两个螺钉与下部外壳连接，合页挂于挂钩上，下部外壳上设置的吸水口的周围安置有密封圈一，实现机器人喷水时吸水装置的密封性，外壳下方的密封圈二放置于密封槽中，实现机器人腔室与下部喷水装置的隔离密封。

2.下部矢量喷射模块的喷水装置包括阀接口、舵机支承连接、舵机支承、舵机、球铰曲柄、球铰套筒、瓣膜式单向阀、球铰连接和喷嘴，阀接口通过法兰连接到下部外壳上，由密封圈二进行密封，三组均布的舵机支承连接和舵机支承通过螺栓连接到下部外壳底部，进行舵机的固定连接；球铰曲柄过盈连接到舵机上，球铰套筒通过上下部的球铰将球铰曲柄和喷嘴连接起来，组成了3-RSS/S并联机构，喷嘴和球铰连接之间通过球铰副连接，中间的瓣膜式单向阀与上部的阀接口和下部的球铰连接之间都使用螺纹连接固定。

3.当从水底发射时，谐波减速器和离合器滑轮开始工作，谐波减速器内的电机以恒定速度旋转，输出低速大扭矩，离合器滑轮以周期4s的频率进行有规律3s通电、1s断电的控制；前3s中，离合器滑轮通电，谐波减速器输出轴和滑轮同步运动旋转，拉动滑轮上的钢丝绳，带动基座滑块沿着三根直线导轨缓慢上升，通过二级剪叉杆传动，使收/扩板向外扩张，从而使外部的弹性软膜扩张蓄力，此时，腔内水压迅速减小，合页在压力作用下离开密封圈一，水从下部外壳的六面涌入腔内，实现缓慢吸水过程；后1s中，离合器滑轮断电，谐波减速器输出轴和滑轮断开连接，钢丝绳不给予基座滑块向上的拉力，由于外部的弹性软膜扩张，给收/扩板向内的负载力，在负载力作用下，基座滑块迅速下降，外部弹性软膜迅速收缩，此时，腔内水压迅速上升，合页在压力的作用下闭合并紧贴密封圈一，腔内的水绝大部分通过瓣膜式单向阀从下部喷嘴处涌出，提供大量推进力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明受乌贼的启发，采用喷水推进型的运动形式和剪叉式机械结构的驱动方式，设计了一款新型的微小型水下仿生软体吸附机器人。能够实现在水下的高速游动以及灵活转向，同时适应性牢固地吸附在目标物体上，具有较好的应用前景。本发明提供了一种新型的微小型仿生机器人的驱动方式，即利用三相均布的剪叉机构来控制膜的收/扩，来提供吸水和喷水的驱动力，此机构能够实现膜的大幅度收扩，从而实现大量的吸水和喷水，提高机器人的推进效率和推进力。本发明设计的微小型机器人能够将吸水和喷水功能向分离，使其从四周吸水，向下喷水，大大提高了机器人喷射的效率。本发明融入3RSS/S并联结构，使机器人喷水时能够实现转向，大大提高了机器人的机动性。本发明利用谐波减速器和离合器的组合，在实现减速增大力矩的同时能够实现离合功能，能够有效降低对电机的要求，满足驱动要求。本发明的吸水装置将挂钩与外壳分离设计，便于加工和安装。本发明将功能分解为不同的模块，模块间相互串联实现装置的功能，当故障发生时可以快速定位故障位点，为快速维修提供了便利。

附图说明

图1是收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人整体示意图；

图2是吸附模块结构示意图；

图3是中部收/扩驱动模块结构示意图(省略外部弹性膜)；

图4是矢量喷射模块中吸水装置结构示意图；

图5是矢量喷射模块中矢量喷水装置结构示意图(省略外壳和下部弹性膜)；

图6是微小型水下机器人整体示意图(去除外部软膜、吸水状态)；

图7是微小型水下机器人整体示意图(去除外部软膜、喷水状态)；

图8是微小型水下机器人整体示意图(去除吸附模块、外部软膜和下部外壳)。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的微小型机器人至少包括一个吸附模块，一个中部收/扩驱动模块和一个矢量喷射模块。

所述吸附模块包括外壳、上部的距离传感器和弹性吸附膜。所述外壳由上部的顶壳利用螺钉相固连，顶壳上安装有距离传感器，检测是否到达了目标物体表面。弹性吸附膜上均布固定有多个铷磁铁，用于对目标表面的吸附。

所述中部收/扩驱动模块包括一个承载平台、一个弹性膜、一个电机离合器驱动装置、一个剪叉收/扩机构和一个中下部连接。所述电机离合驱动装置通过螺栓固定在支撑平台上，装置上面缠绕固定的钢丝绳穿过支承板中间，连接到剪叉收/扩机构的基座滑块上用于对其进行驱动。所述剪叉收/扩机构底部固定部分通过螺栓连接到支承板上，装有三根直线导轨便于基座滑块的运动，通过中部三个均布的二级剪叉结构将基座滑块的上下运动转换成三个收/扩板的收扩运动，收扩板上均布有15颗滚珠用于减小扩张时膜在收/扩板上产生的摩擦力，收/扩板外部用螺钉安装有挡板用于固定15颗滚珠的位置。所述中下部连接一方面用于固定三根直线导轨的下部，一方面用于用螺栓将中部收/扩驱动模块和下部矢量喷射模块连接起来。

所述矢量喷射模块包括由吸水装置和矢量喷射装置由螺栓连接而成。所述吸水装置中部用螺钉固定在所述中下部连接的下部，为六边形吸水合页结构，主要由外框、合页和挂钩组成，外部形状为顺应水流的圆形外壳，内部为六边形构造便于大量吸水。开口处进行大圆角的设计，防止水流在此处生成涡流从而影响机器人的游动。合页外形采用等腰梯形形状，防止在吸水张开时六瓣合页相互干涉，使其开口能够张开到最大。外壳与挂钩设计为分别加工，便于后期加工和安装。合页与挂钩的连接为可拆卸式连接，合页从外部挂入即可，挂钩通过螺钉固定在六边形平面上，并设计一定的弧度，防止合页在吸水张开时从挂钩脱落。此外，将合页中间部分凸起，使其受压时中间所承受的载荷能够均匀的向四周分散，最终转移到外框体上，从而增加合页的强度。外框开口处有安装密封垫条的密封槽，使机器人在喷水时，空腔内的水不能够从合页边缘流出，全部从下部喷管中涌出，从而提高了机器人的工作效率。所述矢量喷射装置外壳通过螺栓与吸水装置连接，分为喷射部分和转向部分，喷射部分设计有瓣膜单向阀以防止吸水时水逆流。转向部分采用3-RSS/S并联机构，在吸水装置下用螺钉固定有均布的三个舵机，通过其上曲柄的转动角度控制喷管上球铰的转角，从而控制喷管的姿态。另外，喷管和下部刚性舱之间用软体膜连接，保证喷管能够多角度小阻力转动。

结合图1至图8，如图1所示，本发明中收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人由吸附模块Ⅰ、收扩驱动模块Ⅱ和矢量喷射模块Ⅲ组成。工作时，中部收/扩驱动模块驱动下部的矢量喷射模块进行有规律的吸水和喷水，从而产生持续的推进力使机器人游动。同时，矢量喷射模块还可以控制喷水的方向实现转向，增加机器人的机动性。

如图2所示，吸附模块由均布的铷磁铁1、软弹性材料2和外壳3组成。软弹性材料通过密封胶固定在外壳上，铷磁铁在软弹性材料内，表面由一层薄薄的软弹性材料覆盖。在外壳3的下部有螺纹孔便于吸附模块和中部收/扩驱动模块进行螺栓固定连接。

如图3所示，中部收/扩驱动模块由离合器滑轮4、谐波减速器12、密封压环5、收/扩支承板6、剪叉杆7、直线导轨8、直线轴承固定9、基座滑块10、直线导轨下部固定11、收/扩板13、挡板14、滚珠15、钢丝绳16和中下部支承17等构件组成。密封压环5、收/扩支承板和图1中的外壳3之间用螺栓固定连接，同时压紧弹性软膜的上部以实现密封。离合器滑轮4和谐波减速器12之间用直齿传动，同时使用支承架分别和收/扩支承板固定。离合器滑轮4上的滑轮上缠绕有钢丝绳16，钢丝绳16通过收/扩支承板中部的孔向下固定在基座滑块10的下部，为基座滑块10提供向上的拉力。固定滑块通过螺栓连接固定到收/扩支承板6上，固定滑块上有均布的三个螺纹孔，便于直线导轨8上部的固定连接，直线导轨8下部由带有螺纹孔的直线导轨下部固定11固定，并通过螺栓连接固定在中下部支承17上。基座滑块10沿着三根均布的直线导轨8上下滑动，通过剪叉杆7进行二级传动最终传递到收/扩板13上。其中基座滑块10、剪叉杆7和收/扩板13之间都是通过销钉和弹性挡圈进行固定的。收/扩板13上设计有均布的槽口，以便于滚珠15的放置，滚珠15和收/扩板13之间放置有1mm的滚珠以减小滚珠15转动时产生的摩擦力。挡板14和收/扩板13之间用螺钉固定连接，用于确定并固定滚珠15的位置。

如图4所示为下部矢量喷射模块的吸水装置，由挂钩18、外壳19、密封圈20、合页21和密封圈22等构件组成。中部收/扩驱动模块通过中下部支承17和外壳19进行法兰连接固定，弹性软膜的下部用密封胶固定在外壳19的上部。挂钩18通过两个螺钉与外壳19进行固定连接，合页21可直接挂于挂钩18上，由挂钩特定的形状防止其脱落，在外壳19吸水口周围安置有密封圈20，实现了机器人喷水时吸水装置的密封性，起到了类似于单向阀的作用。外壳下方的密封圈22放置于密封槽中，用于实现机器人腔室与下部喷水装置的隔离密封。

如图5所示为下部矢量喷射模块的喷水装置，由阀接口23、舵机支承连接24、舵机支承25、舵机26、球铰曲柄27、球铰套筒28、瓣膜式单向阀29、球铰连接30和喷嘴31等构件组成。阀接口23通过法兰连接到外壳19上，由密封圈22进行密封。三组均布的舵机支承连接24和舵机支承25通过螺栓连接到外壳19底部，进行舵机26的固定连接。球铰曲柄27过盈连接到舵机26上，随其转动。球铰套筒通过上下部的球铰将球铰曲柄27和喷嘴31连接起来，组成了3-RSS/S并联机构，通过三个舵机26的转角控制喷嘴31的位姿。喷嘴31和球铰连接30之间通过球铰副连接，中间的瓣膜式单向阀29与上部的阀接口23和下部的球铰连接30之间都使用螺纹连接固定。

当微小型机器人从水底发射时，图3所示的谐波减速器12和离合器滑轮4开始工作，谐波减速器12内的电机以恒定速度旋转，输出低速大扭矩，同时，离合器滑轮4以周期4s的频率进行有规律3s通电、1s断电的控制。

前3s中，离合器滑轮4通电，谐波减速器输出轴和滑轮同步运动旋转，拉动滑轮上的钢丝绳16，从而带动基座滑块10沿着三根直线导轨8缓慢上升，通过二级剪叉杆7传动，使收/扩板13向外扩张，从而使外部弹性软膜扩张蓄力。此时，腔内水压迅速减小，合页21在压力作用下离开密封圈20，水从外壳19的六面涌入腔内，实现缓慢吸水过程。此时，由于喷水装置中瓣膜式单向阀29的作用，水无法从下部喷管31涌入，防止逆流，提高了机器人的效率。

后1s中，离合器滑轮4断电，谐波减速器输出轴和滑轮断开连接，钢丝绳16不给予基座滑块10向上的拉力，由于外部弹性软膜扩张，给收/扩板向内的负载力，在负载力作用下，基座滑块10迅速下降，外部弹性软膜迅速收缩。此时，腔内水压迅速上升，合页21在压力的作用下闭合并紧贴密封圈20，腔内的水绝大部分通过瓣膜式单向阀29从下部喷嘴31处涌出，提供大量推进力。

外部弹性模在驱动下有规律地进行着缓慢吸水、快速喷水的动作，不断地提供前进的推动力，同时，三个舵机26通过控制各自的转角来改变喷嘴的姿态，从而改变水流喷射的方向进行机器人的转向，最终实现机器人在水中的自由快速游动。

当机器人靠近目标物体后，吸附模块的铷磁铁就会牢牢地吸附在上面，由于铷磁铁附着于软膜上，因此吸附平面具有一定的顺应性。

Claims (4)

1.一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人，其特征在于：包括上部吸附模块、中部收扩驱动模块和下部矢量喷射模块，上部吸附模块包括外壳、设置在外壳上的软弹性材料、设置在软弹性材料内的铷磁铁；中部收/扩驱动模块包括离合器滑轮、谐波减速器、密封压环、收/扩支承板、剪叉杆、直线导轨、直线轴承固定、基座滑块、收/扩板、挡板、中下部支承；密封压环、收/扩支承板和外壳之间用螺栓固定连接，离合器滑轮和谐波减速器之间用直齿传动且二者设置在收/扩支承板上，离合器滑轮上的滑轮上缠绕有钢丝绳，钢丝绳的端部穿过收/扩支承板中部的孔向下固定在基座滑块上，固定滑块通过螺栓连接固定到收/扩支承板上，直线导轨上部与固定滑块连接，直线导轨下部与带有螺纹孔的直线导轨下部固定连接，直线导轨下部固定与中下部支承连接；基座滑块设置在直线导轨上，基座滑块通过剪叉杆与收/扩板连接；收/扩板上设置有均布的槽口，槽口中设置有滚珠，挡板和收/扩板之间用螺钉固定连接；中部收/扩驱动模块外部设置有弹性软膜；下部矢量喷射模块设置在中下部支撑下方，且包括吸水装置和喷水装置。

2.根据权利要求1所述的一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人，其特征在于：下部矢量喷射模块的吸水装置包括挂钩、下部外壳、合页，中部收/扩驱动模块通过中下部支承和下部外壳进行法兰连接固定，弹性软膜的下端用密封胶固定在下部外壳的上部，弹性软膜的上端与密封压环、收/扩支承板和外壳之间的连接处连接；挂钩通过两个螺钉与下部外壳连接，合页挂于挂钩上，下部外壳上设置的吸水口的周围安置有密封圈一，实现机器人喷水时吸水装置的密封性，外壳下方的密封圈二放置于密封槽中，实现机器人腔室与下部喷水装置的隔离密封。

3.根据权利要求1或2所述的一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人，其特征在于：下部矢量喷射模块的喷水装置包括阀接口、舵机支承连接、舵机支承、舵机、球铰曲柄、球铰套筒、瓣膜式单向阀、球铰连接和喷嘴，阀接口通过法兰连接到下部外壳上，由密封圈二进行密封，三组均布的舵机支承连接和舵机支承通过螺栓连接到下部外壳底部，进行舵机的固定连接；球铰曲柄过盈连接到舵机上，球铰套筒通过上下部的球铰将球铰曲柄和喷嘴连接起来，组成了3-RSS/S并联机构，喷嘴和球铰连接之间通过球铰副连接，中间的瓣膜式单向阀与上部的阀接口和下部的球铰连接之间都使用螺纹连接固定。

4.根据权利要求3所述的一种收/扩喷射驱动的微小型水下仿生软体吸附机器人，其特征在于：当从水底发射时，谐波减速器和离合器滑轮开始工作，谐波减速器内的电机以恒定速度旋转，输出低速大扭矩，离合器滑轮以周期4s的频率进行有规律3s通电、1s断电的控制；前3s中，离合器滑轮通电，谐波减速器输出轴和滑轮同步运动旋转，拉动滑轮上的钢丝绳，带动基座滑块沿着三根直线导轨缓慢上升，通过二级剪叉杆传动，使收/扩板向外扩张，从而使外部的弹性软膜扩张蓄力，此时，腔内水压迅速减小，合页在压力作用下离开密封圈一，水从下部外壳的六面涌入腔内，实现缓慢吸水过程；后1s中，离合器滑轮断电，谐波减速器输出轴和滑轮断开连接，钢丝绳不给予基座滑块向上的拉力，由于外部的弹性软膜扩张，给收/扩板向内的负载力，在负载力作用下，基座滑块迅速下降，外部弹性软膜迅速收缩，此时，腔内水压迅速上升，合页在压力的作用下闭合并紧贴密封圈一，腔内的水绝大部分通过瓣膜式单向阀从下部喷嘴处涌出，提供大量推进力。

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