CN114102624A - 一种基于仿生原理的多用途机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于仿生原理的多用途机器人，包括机器人主体、运动驱动装置、柔性鳍、感应装置和导航通讯天线，所述机器人主体包括主控制舱以及设置于主控制舱的中轴线上的主体框架，所述主体框架的左右两侧对称设置有两组运动驱动装置，每组所述运动驱动装置上均设置有柔性鳍，所述主控制舱分别与运动驱动装置、感应装置和导航通讯天线通信连接，用于实时规划前往目的地的路径并根据规划路径驱动运动驱动装置协调摆动带动柔性鳍做周期向前或后平移的正弦曲面波动运动。本发明机器人适用范围广，且结构简单、控制灵活。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于仿生原理的多用途机器人。
背景技术
机器人是一个复杂的无人系统，用以代替人类进行复杂、艰苦甚至危险的工作，它涉及到电子、计算机、流体、结构、材料、液压、水声、光学、电磁、导航控制等多门学科。从工业自动化生产流水线到家用服务型机器人，从海洋资源、煤矿资源开发到太空探索，从野外侦察到灾害救援，机器人几乎到处可见。对于未知环境的探索充满着不稳定因素，人工探索危险性大，稍有不慎，甚至会付出生命代价。因此，机器人在未知环境的探索和开发中同样发挥着重要的作用。目前，国内外对于水陆两栖机器人的研究尚处于起步阶段，水陆两栖机器人存在如下问题：
1.大多采用的是履带式或足式轮式，使用范围受限；
2.结构复杂；
3.响应灵活度不足。
因此，亟需能够在水下、沼泽、沙漠、草地、冰面、冰下、雪地、砾石滩涂和陆地等多地自由活动，且结构简单、控制方式灵活的的多栖机器人。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于仿生原理的多用途机器人。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于仿生原理的多用途机器人，包括：机器人主体、运动驱动装置、柔性鳍、感应装置和导航通讯天线，所述机器人主体包括主控制舱以及设置于主控制舱的中轴线上的主体框架，所述机器人主体的外表面设置有蒙皮，所述主体框架的左右两侧对称设置有运动驱动装置，每组所述运动驱动装置上均设置有柔性鳍，所述主控制舱的前后两侧对称设置有感应装置，所述感应装置用于检测机器人主体与障碍物距离信息；所述主控制舱上设置有导航通讯天线，所述导航通讯天线用于实时收发远程遥控指令和机器人的当前状态信息，同时接收卫星定位信息；所述主控制舱分别与运动驱动装置、感应装置和导航通讯天线通信连接，用于接收的数据信息进行分析处理，并根据处理结果驱动运动驱动装置协调摆动带动柔性鳍做周期向前或后平移的正弦曲面波动运动。
优选地，所述主控制舱包括外壳、中央控制器、水深/环境感知传感器、姿态控制动力系统、姿态传感器、浮力调节器和电池组，所述水深/环境感知传感器用于对机器人本体所处深度/环境进行感知；所述姿态控制动力系统用于对机器人本体的姿态进行控制；所述姿态传感器用于获取机器人本体的姿态信息；所述浮力调节器用于控制浮力；所述电池组用于为系统提供能源，也是姿态调节控制的质量块；所述中央处理单元用于运动驱动装置、感应装置、导航通讯天线、水深/环境感知传感器、姿态控制动力系统姿态传感器、浮力调节器和电池组之间的信息协同与决策。
优选地，所述外壳包括第一壳体、第二壳体和第三壳体，所述第一壳体与第二壳体之间、以及第二壳体与第三壳体之间均为可拆卸连接。
优选地，所述运动驱动装置由若干组舵机和舵机驱动杆构成，所述舵机设置于机器人主体上，所述舵机驱动杆的一端与舵机的输出轴连接，另一端与柔性鳍连接。
优选地，所述柔性鳍的鳍面运动规律应满足如下函数关系：
其中，yi：为第i组柔性鳍的摆动幅度；R：为舵机驱动杆的长度；k：为摆动幅度系数：0≤k≤1，k越大柔性鳍摆动的上下幅度越大；μ：为运动方向标识位，向前运动时μ＝1，当向后运动时μ＝-1；m：为柔性鳍需要形成的完整正弦曲面数，m取正整数；i：为从机器人头部算起单侧舵机的编号顺序数；N：为单侧舵机的总数量；f：舵机摆动频率；t：函数时间变量；θ：为舵机驱动杆摆动中心平面相对机器人水平几何中心平面的偏移夹角，-90°≤θ≤90°，当机器人在水中航行时，偏移角θ＝0°；当机器人在陆地行走时，偏移角θ＝-90°；当机器人需要在冰下行走时，偏移角θ＝+90°。
优选地，所述舵机的摆动角度不小于270°。
优选地，所述感应装置包括左避障光电传感器、右避障光电传感器和声纳，所述左避障光电传感器、右避障光电传感器分别呈预定角度左右对称的布置于主控制舱的两侧，所述预定角度为30°至50°，所述声纳设置于主控制舱上且位于左避障光电传感器和右避障光电传感器之间。
优选地，所述主体框架由若干个组菱形的结构件沿轴线等距排列组成。
优选地，所述结构件两两之间设置有浮力材料。
优选地，所述柔性鳍的前后两端均通过活动铰支与主控制舱连接。
基于上述技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明机器人结构简单：应用柔性鳍代替轮式或足式机器人的行走机构，显然结构非常简单，由于采用舵机直接驱动省略了复杂的动力驱动、传动系统；
2)本发明机器人控制灵活水陆切换自如：由于采用多个独立舵机作为机器人的动力驱动系统，各舵机相对独立，通过软件算法控制可实现多种自由组合的动力驱动模式切换，实现不同运动场景、不同运动需求的快速切换，有利于系统的最优运动控制需要；
3)本发明机器人环境适用范围广：可在水下、沼泽、沙漠、草地、冰面、冰下、雪地、砾石滩涂和陆地等的自由移动；
4)本发明机器人用途广泛：可广泛应用在水下、陆地等多种应用场景中，可便捷的实现多场景自由切换，可实现无障碍通行(除了沟坎和悬崖外)；
5)本发明机器人噪音小：由于采用了仿生柔性驱动，相关运动驱动平滑，涡流小，因而推进效率高，推进噪音基本可以忽略。
附图说明
图1是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人的俯视图；
图2是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人去掉蒙皮后的结构示意图；
图3是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人中主控制舱的结构示意图；
图4是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人的侧图；
图5是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人在陆地运行时的结构示意图1；
图6是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人在陆地运行时的结构示意图2；
图7是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人在冰下运行时的结构示意图；
图8是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人前进工作时的受力示意图；
图9是一个实施例中一种基于仿生原理的多用途机器人后退工作时的受力示意图，图中，各附图标记为：
1、主控制舱；111、外壳；121、第一壳体；122、第二壳体；123、第三壳体；112、中央控制器；113、水深/环境感知传感器；114、姿态控制动力系统；115、姿态传感器；116、浮力调节器；117、电池组；118、外部电气接口；2、主体框架；201、结构件；3、运动驱动装置；301、舵机；302、舵机驱动杆；4、柔性鳍；5、浮力材料；6、蒙皮；7、导航通讯天线；8、前避障声纳；9、前右避障光电传感器；10、前左避障光电传感器；11、后避障声纳；12、右后避障光电传感器；13、左后避障光电传感器；14、前活动铰支；15、后活动铰支。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至8所示，本实施例提供一种基于仿生原理的多用途机器人，该机器人主体包括主控制舱1以及设置于主控制舱1的中轴线上的主体框架2，其中，
如图3所示，主控制舱1包括外壳111、中央控制器112、水深/环境感知传感器113、姿态控制动力系统114、姿态传感器115、浮力调节器116和电池组117，外壳111包括第一壳体121、第二壳体122和第三壳体123，第一壳体121与第二壳体122之间、以及第二壳体122与第三壳体123之间均为可拆卸连接，便于组装、拆卸。第一壳体121上设置有充电、导航通许、软件维护、舵机301驱动、外部传感器、扩展负载应用等外部电气接口118，用于相关控制、感知、维护、应用扩展需要；水深/环境感知传感器113、姿态控制动力系统114和浮力调节器116通过相关支架固定在外壳111内部，中央控制器112通过相关支架安装在浮力调节器116之上，姿态传感器115也通过相关支架安装在浮力调节器116之上，浮力调节器116安装在第三壳体123的内部。
如图2所示，主体框架2由多个结构相同的结构件201构成，主体框架2固定在主控制舱1上构成机器人主体；两组运动驱动装置3对称安装在主体框架2上，每组运动驱动装置3包括8台舵机301以及8根舵机驱动杆302，每个舵机301均通过电缆与主控制舱1内部的舵机控制器连接；舵机驱动杆302固定安装在舵机301的输出轴上；两个柔性鳍4对称固定在左右对称安装的16个舵机驱动杆302的另一端；柔性鳍4的两端分别通过前活动铰支14、后活动铰支15与机器人主体相连，并购实现与主体蒙皮6的光滑过渡；前避障声纳8、前右避障光电传感器9、前左避障光电传感器10通过传感器安装支架与主控制舱1的前端固定连接，且前右避障光电传感器9、前左避障光电传感器10分别呈45°左右对称的布置于主控制舱1的两侧，声纳设置于主控制舱1上且位于前右避障光电传感器9和前左避障光电传感器10之间；后避障声纳11、右后避障光电传感器12、左后避障光电传感器13通过传感器安装支架与主控制舱1的后端固定连接，同上设置，在此不做赘述；浮力材料5固定安装在两两结构件201的间隔空隙中；蒙皮6分成上下对称的两半固定安装在机器人主体的外表面上，并且在左右避障光电传感器(9，10，12，13)以及声纳(8，11)的对应位置开口，用于透射传感器光束和声波波束；导航通讯天线7安装在蒙皮6的前半部，通过水密电缆与主控制舱1连接。
工作过程如下：
机器人上电后，机器人根据操作人员预先设置的任务目标启动工作。水深/环境感知传感器113先检测到水深信号判断机器人是处于水下还是陆地，当水深传感器感知到水深大于某设定阈值深度或者判断在较深水域时，仿生机器人开启水中工作模式；当开启水中工作模式时，当机器人先判断是前进还是后退，当机器人需要前进时前避障声纳8打开工作，当机器人需要后退时前避障声纳8关闭，后避障声纳11开启；此时中央控制器112通过相关指令控制对称安装在机器人左右两侧的16台舵机301带动柔性鳍4按照规定的次序与指令设定的摆动幅度上下摆动，实现机器人在水中前进、后退、转弯、上浮、下潜运动；运动过程中姿态传感器115实时感知机器人的姿态，并根据设定航行状态要求，在中央控制器112控制下，通过姿态控制动力系统114、浮力调节器116配合调整机器人在水中的姿态，达到规定的控制要求，其中浮力调节器116即为系统提供能源，也是姿态调节控制的质量块。
当机器人需要前进时，(如附图8所示，曲面I为初始柔性鳍4的位置状态曲面侧视图，曲面II为平移后的柔性鳍4的位置示意侧向视图)，运动驱动装置3协调摆动带动柔性鳍4做周期向后平移的正弦曲面波动运动，柔性鳍4的正弦曲面的波峰——波谷之间的曲面形成向后，向上的推力分量Fx、Fy+，波谷——波峰之间形成向后向下的推力分量Fx、Fy-；在一个完整的正弦周期波峰——波谷、波谷——波峰的面积完全相等，因此相应曲面运动过程中向上向下的推力分量大小相等，方向相反相互抵消，此时柔性鳍4仅产生向后的推力Fx，由此推动机器人向前移动(运动关系力学示意如附图8所示)，因此需要机器人平稳沿着当前方向运动时，必须保证柔性鳍4运动时形成的正弦曲面是标准的整周期正弦曲面(1个完整正弦周期)，并且左右柔性鳍4运动速率完全相等；当左右柔性鳍4运动速率存在偏差时，机器人就会转向速率较低的一侧；当左右柔性鳍4的摆动不是完整正弦曲面时机器人运动轨迹就会发生上下波动，机器人由于发生上下波动产生额外动力能量损失，不利于机器人整体能量利用率提高；当需要回退运动(反向运动)时，只要运动驱动装置3中8个舵机301按顺序摆动形成向前平移的整周其正弦曲面此时柔性鳍4产生向前的推力(见附图9，曲面I为初始柔性鳍4的位置状态曲面侧视图，曲面Ⅲ为平移后的柔性鳍4的位置示意侧向视图)，反向推动机器人向后运动；当需要机器人缓慢转弯时，只要控制左右柔性鳍4产生的正弦曲面摆动频率产生差异就会实现机器人缓慢的差动转弯，如果需要完成原地快速转弯，旋转，则通过舵机控制左右柔性鳍4一个做正弦曲面的向前平移运动，一个做向后平移运动就能够实现原地转弯或旋转运动。当需要调整仿生机器人实现上浮下潜运动时，可通过调节浮力调节器改变仿生机器人在水中的浮力状态实现上浮、下潜、悬浮控制，也可以通过姿态控制动力系统改变仿生机器人的俯仰角，配合柔性鳍的推进实现上浮下潜运动控制。浮力调节器的主要作用是实现仿生机器人低速水下滑翔运动以进一步实现节能运动控制，仿生机器人滑翔时左右柔性鳍在运动驱动装置控制下，所有舵机驱动杆处在同一个平面内，通过浮力调节器调节仿生机器人的浮力状态，配合姿态控制动力系统的姿态调节控制，实现水下低速滑翔以节约能源。当仿生机器人在水中前进航行时当前避障声纳检测到障碍物时，机器人结合前左右光电避障传感器感知情况(水体能见度许可情况下)自动调整自身姿态进行转弯或后退处理，实现对障碍物的规避。
其中柔性鳍4的鳍面运动规律应满足下列函数关系：
其中，yi：为第i组柔性鳍4的摆动幅度，单位：mm，此处的yi为舵机驱动杆302末端在竖直方向的坐标投影；R：为舵机驱动杆302的长度，单位：mm；k：为摆动幅度系数：0≤k≤1，k越大柔性鳍4摆动的上下幅度越大；μ：为运动方向标识位，向前运动时μ＝1，当向后运动时μ＝-1；m：为柔性鳍4需要形成的完整正弦曲面数，m取正整数1，2，3；i：为从机器人头部算起单侧舵机的编号顺序数，对应的舵机301顺序编号为：i＝0，1，2，3，4，5,……；N：为单侧舵机301的总数量，具体数量可根据实际设计需要进行增减设计；f：舵机301摆动频率，单位赫兹，f越大，仿生机器人水中的运行速度越快，反之越慢；t：函数时间变量，单位秒；θ：为舵机驱动杆302摆动中心平面相对机器人水平几何中心平面的偏移夹角，-90°≤θ≤90°，当机器人在水中航行时，偏移角θ＝0°；当机器人在陆地行走时，偏移角θ＝-90°(如附图5、6所示)；当机器人需要在冰下行走时，偏移角θ＝+90°(如附图7所示)。
为满足上述要求，舵机301的最大摆动角度应不小于270°，上述公式针对舵机301在基础位置摆动最大±45°设计。
其中上述柔性鳍4的鳍面运动规律的函数关系中正弦函数的角度变量就是舵机摆动输出角度函数，即舵机301运动时输出角度关系应满足：
其中α就是每个舵机301的实时摆角大小。
当仿生机器人检测到水深小于设定深度，并且避障声纳前后均检测到下方水深小于某设定深度即认为机器人已经靠岸，系统自动转换为岸基行走模式，此时舵机301摆动偏离角θ＝-90°，仿生机器人进入陆地行走模式，其运动控制除了不需要进行姿态控制、浮力调节控制，其余同水中控制模式类似。所不同是当机器人登陆后，前、后避障声纳11均应关闭，机器人前进时根据前左、右避障光电传感器检测到的障碍物情况决定如何避障；当前右避障光电传感器9如果先检测到障碍物高度超过机器人可跨越高度或距离时，机器人自动加快右侧柔性鳍4的运动频率，降低左侧柔性鳍4的工作频率完成左转弯避障控制；反之如果前左避障光电传感器10先检测到障碍物则机器人自动完成右转弯控制，改变航向，并且根据改变后的航向重新规划前往目旳地路径；机器人在陆地运行过程中导航通讯天线7实时收发远程遥控指令和当前机器人的状态信息，同时接收卫星定位信息以确定自身当前准确位置、中央控制器112根据当前位置信息计算路径方位、实时规划最新航行路径，达到精确导航定位目的。
对于冰下运动控制，为保证机器人柔性鳍4与冰面足够的运动摩擦力，需要浮力调节系统将机器人的浮力调节到最大值，以保证对冰面足够的水下压力，此时机器人两侧每个舵机301工作的偏差角θ＝+90°,柔性鳍4向上支撑在冰下运动(见附图7)。
以上所述仅为本发明所公开的一种基于仿生原理的多用途机器人的优选实施方式，并非用于限定本说明书实施例的保护范围。凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的保护范围之内。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，包括：机器人主体、运动驱动装置、柔性鳍、感应装置和导航通讯天线，所述机器人主体包括主控制舱以及设置于主控制舱的中轴线上的主体框架，所述机器人主体的外表面设置有蒙皮，所述主体框架的左右两侧对称设置有运动驱动装置，每组所述运动驱动装置上均设置有柔性鳍，所述主控制舱的前后两侧对称设置有感应装置，所述感应装置用于检测机器人主体与障碍物距离信息；所述主控制舱上设置有导航通讯天线，所述导航通讯天线用于实时收发远程遥控指令和机器人的当前状态信息，同时接收卫星定位信息；所述主控制舱分别与运动驱动装置、感应装置和导航通讯天线通信连接，用于接收的数据信息进行分析处理，并根据处理结果驱动运动驱动装置协调摆动带动柔性鳍做周期向前或后平移的正弦曲面波动运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述主控制舱包括外壳、中央控制器、水深/环境感知传感器、姿态控制动力系统、姿态传感器、浮力调节器和电池组，所述水深/环境感知传感器用于对机器人本体所处深度/环境进行感知；所述姿态控制动力系统用于对机器人本体的姿态进行控制；所述姿态传感器用于获取机器人本体的姿态信息；所述浮力调节器用于控制浮力；所述电池组用于为系统提供能源，也是姿态调节控制的质量块；所述中央处理单元用于运动驱动装置、感应装置、导航通讯天线、水深/环境感知传感器、姿态控制动力系统姿态传感器、浮力调节器和电池组之间的信息协同与决策。
3.根据权利要求2所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述外壳包括第一壳体、第二壳体和第三壳体，所述第一壳体与第二壳体之间、以及第二壳体与第三壳体之间均为可拆卸连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述运动驱动装置由若干组舵机和舵机驱动杆构成，所述舵机设置于机器人主体上，所述舵机驱动杆的一端与舵机的输出轴连接，另一端与柔性鳍连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述柔性鳍的鳍面运动规律应满足如下函数关系：
其中，γi：为第i组柔性鳍的摆动幅度；R：为舵机驱动杆的长度；k：为摆动幅度系数：0≤k≤1，k越大柔性鳍摆动的上下幅度越大；μ：为运动方向标识位，向前运动时μ＝1，当向后运动时μ＝-1；m：为柔性鳍需要形成的完整正弦曲面数，m取正整数；i：为从机器人头部算起单侧舵机的编号顺序数；N：为单侧舵机的总数量；f：舵机摆动频率；t：函数时间变量；θ：为舵机驱动杆摆动中心平面相对机器人水平几何中心平面的偏移夹角，-90°≤θ≤90°，当机器人在水中航行时，偏移角θ＝0°；当机器人在陆地行走时，偏移角θ＝-90°；当机器人需要在冰下行走时，偏移角θ＝+90°。
6.根据权利要求4所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述舵机的摆动角度不小于270°。
7.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述感应装置包括左避障光电传感器、右避障光电传感器和声纳，所述左避障光电传感器、右避障光电传感器分别呈预定角度左右对称的布置于主控制舱的两侧，所述预定角度为30°至50°，所述声纳设置于主控制舱上且位于左避障光电传感器和右避障光电传感器之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述主体框架由若干个组菱形的结构件沿轴线等距排列组成。
9.根据权利要求8所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述结构件两两之间设置有浮力材料。
10.根据权利要求1所述的一种基于仿生原理的多用途机器人，其特征在于，所述柔性鳍的前后两端均通过活动铰支与主控制舱连接。
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