CN114162274A - 一种自驱动仿生水上染色机器人及水体表面流动检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动仿生水上染色机器人及水体表面流动检测方法；该机器人包括仿生躯干；所述的仿生躯干上连接有多个低于仿生躯干底面的脚垫；脚垫用于利用水的表面张力为仿生躯干提供支撑力。所述的仿生躯干包括微流体泵、第二微通道、滴嘴和框架；微流体泵安装在框架的中部；气室安装在框架的头端；流体泵的输出端与第二微通道的一端连接；第二微通道的另一端设置有朝下设置的滴嘴。滴嘴位于框架的尾端。第二微通道内装有有机试剂。有机试剂中混合有色素。所述的微流体泵用于推动第二微通道内的有机溶剂从滴嘴中滴出。有机溶剂滴落到水面上时，在马兰戈尼效应的作用下推动各脚垫前进，且有机溶剂中的色素对水体表面进行染色。
Description
技术领域
本发明属于自驱动仿生水上染色机器人技术领域，具体涉及一种自驱动仿生水上染色机器人及水体表面流动检测方法。
背景技术
马兰戈尼效应(Marangoni effect)是一种由于表面张力不同的两种液体的界面存在表面张力梯度，而使质量传送的现象，称为马兰戈尼效应。出现马兰戈尼效应的原因是表面张力大的液体对其周围表面张力小的液体的拉力强，产生表面张力梯度；使液体从表面张力低向表面张力高的方向流动。
研究水体表面的液体流动情况时，需要将水体表面染色，传统的人工染色具有染色不均匀的缺点，通过螺旋桨驱动的小船释放染色剂会扰动水体表面，造成水体表面剧烈扰动，染色效果均不好。本发明模仿隐翅虫和宽蝽在水面的运动原理，设计了一种自驱动仿生水上染色机器人，在研究水体表面液体流动情况时，在自驱动仿生水上染色机器人滴出的有机试剂内添加色素，滴出的有机试剂能将水的表面染色，便于观测水体表面流动情况，此染色过程便捷，对水体的染色较均匀，利用马兰戈尼效应原理作为动力运动，且无需电机和螺旋桨提供动力，也无螺旋桨的扰动，对水面的干扰较小，也促进自驱动水上染色机器人的发展，也无大的储染料罐，不会由于染料分布不均造成自驱动仿生水上染色机器人倾覆。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自驱动仿生水上染色机器人及水体表面流动检测方法。
第一方面，本发明提供一种自驱动仿生水上染色机器人，包括仿生躯干；所述的仿生躯干上连接有多个低于仿生躯干底面的脚垫；脚垫用于利用水的表面张力为仿生躯干提供支撑力。所述的仿生躯干包括微流体泵、第二微通道、滴嘴和框架；微流体泵安装在框架的中部；气室安装在框架的头端；流体泵的输出端与第二微通道的一端连接；第二微通道的另一端设置有朝下设置的滴嘴。滴嘴位于框架的尾端。第二微通道内装有有机试剂。有机试剂中混合有色素。所述的微流体泵用于推动第二微通道内的有机溶剂从滴嘴中滴出。有机溶剂滴落到水面上时，在马兰戈尼效应的作用下推动各脚垫前进，且有机溶剂中的色素对水体表面进行染色。
作为优选，所述的有机试剂为酒精或3-甲基-1-丁醇。
作为优选，所述的微流体泵内设有腔体；腔体内设置有多孔介质；初始状态下，多孔介质内的孔隙中填充有空气；当多孔介质吸水时，水填充到多孔介质的孔隙中，使得孔隙中的空气从输出端输出到第二微通道中。所述的仿生躯干还包括第一微通道。微流体泵的输入端连接有第一微通道连接；第一微通道内装有水。向第一微通道远离微流体泵的端部充压时，第一微通道内的水输入到微流体泵中并被多孔介质吸收，并将多孔介质中的空气送入第二微通道；进入微流体泵的水被吸收后，第一微通道内的剩余水在毛细作用下持续进入微流体泵中。
作为优选，所述的多孔介质包括依次层叠的多层滤纸，以及位于滤纸之间的纤维素粉末。
作为优选，所述的仿生躯干还包括气室。气室与第一微通道远离微流体泵的端部连通，用于对第一微通道充压。所述气室的内部设置有储气囊；第一微通道与储气囊的内腔连通；气室的底部安装有第一磁铁；开始工作时，在气室的顶部放入第二磁铁；第一磁铁与第二磁铁相互吸引，将储气囊内的气体挤入第一微通道中。
作为优选，第一微通道和第二微通道均呈蛇形。
作为优选，所述的脚垫包括连杆、底盘和龙骨；所述的连杆的底端与底盘连接。竖直设置的龙骨与底盘的底面转动连接并能够在不同位置锁止；所述的龙骨呈片状。所述的龙骨在前进过程中提供转向力。
作为优选，所述的脚垫上设置有疏水性涂层。
作为优选，所述的脚垫共有四个，分别为两个前脚垫和两个后脚垫。两个前脚垫位于仿生躯干的前部两侧；两个后脚垫位于仿生躯干后部的两侧；所述的仿生躯干还包括前臂和后臂。两根前臂的内端与框架两侧的头端分别固定，两根前臂的外端与前脚垫的顶面分别固定。两根后臂内端与框架两侧的尾端分别固定，两根后臂的外端与后脚垫的顶面分别固定。
第二方面，本发明提供一种水体表面流动情况检测方法，其步骤如下：
首先，将前述的自驱动仿生水上染色机器人放置在被测水体表面；接着，微流体泵带动第二微通道内的有机试剂不断从滴嘴中滴出；有机试剂滴落在被测水体表面，在马兰戈尼效应下对自驱动仿生水上染色机器人产生推进力；同时，有机溶剂中的色素对水体表面进行染色。随着自驱动仿生水上染色机器人的前进，色素在水体表面形成一条染色轨迹；最后，根据染色轨迹在预设时间段内的变形情况判断被测水体的表面流动情况。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明在研究水表液体流动情况时，在自驱动仿生水上染色机器人滴出的有机试剂内添加色素，滴出的有机试剂能将水的表面染色，便于观测水体表面流动情况，此染色过程便捷，对水体的染色均匀，利用马兰戈尼效应原理作为动力运动，且无需电机和螺旋桨提供动力，也无螺旋桨的扰动，对水面的干扰较小，也促进自驱动水上染色机器人的发展，也无大的储染料罐，不会由于染料分布不均造成自驱动仿生水上染色机器人倾覆。
2、本发明通过调节微流体泵内多孔介质的厚度，改变微流体泵的吸水速度，从而改变滴嘴流出有机试剂的速度；调节滴嘴的直径，改变滴嘴流出有机试剂的速度；调节前连杆和后连杆的高度，改变有机试剂滴落到水面上所需的时间，联合作用，从而改变自驱动仿生水上染色机器人的运动速度，从而改变自驱动仿生水上染色机器人通过色素染色水体的速度。
3、本发明的多孔介质只要触碰第一微通道内的水，通过毛细作用，便可源源不断的吸取第一微通道内的水；使腔体内的气压增大，腔体内的气体排到第二微通道，第二微通道内的有机试剂被气体挤压，经过滴嘴排出，从而微流体实现了仅需磁铁触发，便可源源不断地向第二微通道泵气，从而将第二微通道内的有机试剂源源不断地经过滴嘴释放至水面，推动自驱动仿生水上染色机器人向前移动一直运动，有机试剂携带的色素一直染色水体，直至第一微通道内的所有水均被多孔介质吸收为止。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的仿生躯干结构示意图。
图4为本发明的仿生躯干结构的局部放大图。
图5为本发明的前脚垫结构示意图。
图6为本发明的后脚垫结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种自驱动仿生水上染色机器人，包括前脚垫1、仿生躯干2和后脚垫3；两个前脚垫1位于仿生躯干2的前部两侧；两个后脚垫3位于仿生躯干2后部的两侧；前脚垫1和后脚垫3的材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯材料。前脚垫1和后脚垫3用于利用水的表面张力为机器人提供支撑力。
如图3和4所示，仿生躯干2包括微流体泵2-1、第一微通道2-2、第二微通道2-3、前臂2-4、后臂2-5、气室2-6、滴嘴2-7和框架2-8；两根前臂2-4的内端与框架两侧的头端分别固定，两根前臂2-4的外端与前脚垫1的顶面分别固定。两根后臂2-5内端与框架两侧的尾端分别固定，两根后臂2-5的外端与后脚垫3的顶面分别固定。
微流体泵2-1安装在框架2-8的中部；气室2-6安装在框架2-8的头端；气室2-6与微流体泵2-1的输入端之间通过第一微通道2-2连接；第一微通道2-2呈蛇形，以增大容积，且内部装有水；流体泵2-1的输出端与第二微通道2-3的一端连接；第二微通道2-3的另一端设置有朝下设置的滴嘴2-7。滴嘴2-7位于框架2-8的尾端。第二微通道2-3呈蛇形，以增大容积，且内部装有有机试剂。第二微通道2-3内的有机试剂中添加有色素。
气室2-6的顶部和底部均开放设置，且内部设置有储气囊；第一微通道2-2与储气囊的内腔连通；气室2-6的底部安装有第一磁铁；工作时，自驱动仿生水上染色机器人浮在水面上，在气室2-6的上方放入第二磁铁，使得第一磁铁与第二磁铁相互吸引，第二磁铁压缩气室2-6内的储气囊，将储气囊内的气体推入第一微通道2-2中；气体将第一微通道2-2内的水推向微流体泵2-1；水进入微流体泵2-1后，微流体泵2-1开始工作，微流体泵2-1源源不断地将水吸入；同时微流体泵2-1将自身内部的气体排入第二微通道2-3内，气体挤压第二微通道2-3内的有机试剂；使得有机试剂携带色素经过滴嘴2-7源源不断的滴入水中；在马兰戈尼效应的作用下，有机试剂在水的表面对自驱动仿生水上染色机器人上的前脚垫1和后脚垫3产生推进力，使得自驱动仿生水上染色机器人在水面上前进；同时，有机试剂中的色素较均匀地将周围的水体表面染色；由于该过程中未使用桨叶等推进工具，仅有有机试剂滴入水中，故对水面扰动较小，确保了水体表面染色的均匀性，并有利于观察水体表面的变化情况。又由于自驱动仿生水上染色机器人沿直线或确定的弧线前进，故能够在水体上形成一条直线的染色痕迹；该染色痕迹根据水体表面和内部的流动情况不同而变化为不同的形状，据此即可分析不同水体的流动情况。
所述的微流体泵2-1内设有腔体；腔体内设置有多孔介质；初始状态下，多孔介质内的孔隙中填充有空气；当多孔介质吸水时，水填充到多孔介质的孔隙中，使得孔隙中的空气从输出端输出到第二微通道2-3中。工作时，多孔介质只要触碰第一微通道2-2内的水，通过毛细作用，便可源源不断的吸取第一微通道2-2内的水；使腔体内的气压增大，腔体内的气体排到第二微通道2-3，第二微通道2-3内的有机试剂被气体挤压，经过滴嘴2-7排出，从而微流体泵2-1实现了仅需磁铁触发，便可源源不断地向第二微通道2-3泵气，从而将第二微通道2-3内的有机试剂源源不断地经过滴嘴2-7释放至水面，推动自驱动仿生水上染色机器人向前移动一直运动，一直染色水体，直至第一微通道2-3内的所有水均被多孔介质吸收为止。
所述的框架2-8的材料为聚碳酸酯，框架2-8的厚度为1mm，框架2与滴嘴2-7的外侧通过粘结剂粘合；所述的有机试剂为酒精或3-甲基-1-丁醇。工作时，在20℃时，水的表面张力为72.67mN/m，酒精的表面张力为22.3mN/m，3-甲基-1-丁醇的表面张力为25.6mN/m，酒精或3-甲基-1-丁醇与水接触均会形成张力梯度，使液体从表面张力低向表面张力高的方向流动，从而带动自驱动仿生水上染色机器人前进；又由于马兰戈尼效应，有机试剂中的色素能够更均匀地分散在水面上。
所述的多孔介质包括依次层叠的多层滤纸，以及位于滤纸之间的纤维素粉末；所述的滤纸被激光切割机切割成与腔体横截面相同的形状，并且被装入腔体；所述的腔体的高度为1mm，堆叠滤纸使总高度接近1mm；纤维素粉末填充在滤纸的间隙中；所述的纤维素粉末颗粒分布在10μm至200μm之间，而平均粒径为60μm。工作时，单张滤纸的厚度通常在0.1mm至0.2mm之间，纤维素粉末也是多孔介质，纤维素粉末填充在滤纸的间隙中，可以增大多孔介质吸水的总体积，从而增大微流体泵2-1输出空气的能力。
如图5和6所示，前脚垫1包括前连杆1-1、前底盘1-2和前龙骨1-3；所述的前连杆1-1的顶端连接前臂2-4，底端连接前底盘1-2。所述的前龙骨1-3与前底盘1-2的底面转动连接并能够在不同位置锁止；所述的前龙骨1-3的形状为梯形板状，所述的前龙骨1-3与前底盘1-2之间为过渡配合；所述的后脚垫3包括后连杆3-1、后底盘3-2和后龙骨3-3；所述的后连杆3-1的上端连接后臂2-5与后底盘3-2，所述的后龙骨3-3与后底盘3-2转动连接并能够在不同位置锁止，所述的后龙骨3-3的形状为梯形板状，所述的后龙骨3-3与后底盘3-2之间为过渡配合。
前脚垫1和后脚垫3均由丙烯腈丁二烯苯乙烯材料经过3D打印制成；所述的前龙骨1-3和后龙骨3-3的材料均为0.15mm厚的环氧树脂浸渍玻璃纤维板；所述的前脚垫1和后脚垫3上均涂有疏水性涂料，利用表面张力使前脚垫1和后脚垫3漂浮在水面；所述的后脚垫3的直径大于前脚垫1的直径。工作时，由于前脚垫1和后脚垫3都涂有疏水涂料，前脚垫1和后脚垫3能够依靠水的表面张力浮在水面上，从而前脚垫1和后脚垫3能支撑自驱动仿生水上染色机器人浮在水面上；调节前龙骨1-3与行进方向的夹角，能够改变自驱动仿生水上染色机器人的行进方向，调节前连杆1-1和后连杆3-1的竖直高度，能够改变仿生躯干与水面的距离，从而可以调节了滴嘴2-7与水面的距离，改变了有机试剂滴落到水面上所需的时间，从而改变自驱动仿生水上染色机器人的运动状态。
所述滴嘴2-7的输出口直径可调。工作时，通过调节滴嘴2-7直径能够调节有机试剂滴入水中的速度，从而改变水上机器人运动速度和运动距离，从而改变色素对水体的染色速度。
所述的第一磁铁和第二磁铁的材料均为铷磁铁；所述的滴嘴2-7的材料为不锈钢。工作时，铷磁铁能提供较大的吸力，有利于将气室2-6内更多的气体压入第一微通道内，有利于将第一微通道的水挤压入微流体泵2-1，从而有利于准确激发微流体泵2-1正常工作，有利于准确激发色素正常染色水体。
自驱动仿生水上染色机器人对水体表面进行染色的过程如下：
1.当需要改变自驱动仿生水上染色机器人的染色速度时，通过调节微流体泵2-1内多孔介质的厚度，改变微流体泵2-1的吸水速度，从而改变滴嘴2-7流出有机试剂的速度；调节滴嘴2-7的直径，改变滴嘴2-7流出有机试剂的速度；调节前连杆1-1和后连杆3-1的高度，改变有机试剂滴落到水面上所需的时间，联合作用，改变自驱动仿生水上染色机器人的运动速度，从而改变色素对水体的染色速度。
2.当需要改变自驱动仿生水上染色机器人的染色方向时，通过调节前龙骨1-3与行进方向的夹角，能够改变自驱动仿生水上染色机器人的染色方向。
3.水体表面染色后，根据染色区域的变形情况分析水体的流动情况。
Claims (10)
1.一种自驱动仿生水上染色机器人，包括仿生躯干(2)；其特征在于：所述的仿生躯干(2)上连接有多个低于仿生躯干(2)底面的脚垫；脚垫用于利用水的表面张力为仿生躯干(2)提供支撑力；所述的仿生躯干(2)包括微流体泵(2-1)、第二微通道(2-3)、滴嘴(2-7)和框架(2-8)；微流体泵(2-1)安装在框架(2-8)的中部；气室(2-6)安装在框架(2-8)的头端；流体泵(2-1)的输出端与第二微通道(2-3)的一端连接；第二微通道(2-3)的另一端设置有朝下设置的滴嘴(2-7)；滴嘴(2-7)位于框架(2-8)的尾端；第二微通道(2-3)内装有有机试剂；有机试剂中混合有色素；所述的微流体泵(2-1)用于推动第二微通道(2-3)内的有机溶剂从滴嘴(2-7)中滴出；有机溶剂滴落到水面上时，在马兰戈尼效应的作用下推动各脚垫前进，且有机溶剂中的色素对水体表面进行染色。
2.根据权利要求1所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的有机试剂为酒精或3-甲基-1-丁醇。
3.根据权利要求1所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的微流体泵(2-1)内设有腔体；腔体内设置有多孔介质；初始状态下，多孔介质内的孔隙中填充有空气；当多孔介质吸水时，水填充到多孔介质的孔隙中，使得孔隙中的空气从输出端输出到第二微通道(2-3)中；所述的仿生躯干(2)还包括第一微通道(2-2)；微流体泵(2-1)的输入端连接有第一微通道(2-2)连接；第一微通道(2-2)内装有水；向第一微通道(2-2)远离微流体泵(2-1)的端部充压时，第一微通道(2-2)内的水输入到微流体泵(2-1)中并被多孔介质吸收，并将多孔介质中的空气送入第二微通道(2-3)；进入微流体泵(2-1)的水被吸收后，第一微通道(2-2)内的剩余水在毛细作用下持续进入微流体泵(2-1)中。
4.根据权利要求3所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的多孔介质包括依次层叠的多层滤纸，以及位于滤纸之间的纤维素粉末。
5.根据权利要求3或4所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的仿生躯干(2)还包括气室(2-6)；气室(2-6)与第一微通道(2-2)远离微流体泵(2-1)的端部连通，用于对第一微通道(2-2)充压；所述气室(2-6)的内部设置有储气囊；第一微通道(2-2)与储气囊的内腔连通；气室(2-6)的底部安装有第一磁铁；开始工作时，在气室(2-6)的顶部放入第二磁铁；第一磁铁与第二磁铁相互吸引，将储气囊内的气体挤入第一微通道(2-2)中。
6.根据权利要求5所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：第一微通道(2-2)和第二微通道(2-3)均呈蛇形。
7.根据权利要求1所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的脚垫包括连杆、底盘和龙骨；所述的连杆的底端与底盘连接；竖直设置的龙骨与底盘的底面转动连接并能够在不同位置锁止；所述的龙骨呈片状；所述的龙骨在前进过程中提供转向力。
8.根据权利要求1所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的脚垫上设置有疏水性涂层。
9.根据权利要求1、7或8所述的一种自驱动仿生水上染色机器人，其特征在于：所述的脚垫共有四个，分别为两个前脚垫(1)和两个后脚垫(3)；两个前脚垫(1)位于仿生躯干(2)的前部两侧；两个后脚垫(3)位于仿生躯干(2)后部的两侧；所述的仿生躯干(2)还包括前臂(2-4)和后臂(2-5)；两根前臂(2-4)的内端与框架两侧的头端分别固定，两根前臂(2-4)的外端与前脚垫(1)的顶面分别固定；两根后臂(2-5)内端与框架两侧的尾端分别固定，两根后臂(2-5)的外端与后脚垫(3)的顶面分别固定。
10.一种水体表面流动情况检测方法，其特征在于：首先，将前述的自驱动仿生水上染色机器人放置在被测水体表面；接着，微流体泵(2-1)带动第二微通道(2-3)内的有机试剂不断从滴嘴(2-7)中滴出；有机试剂滴落在被测水体表面，在马兰戈尼效应下对自驱动仿生水上染色机器人产生推进力；同时，有机溶剂中的色素对水体表面进行染色；随着自驱动仿生水上染色机器人的前进，色素在水体表面形成一条染色轨迹；最后，根据染色轨迹在预设时间段内的变形情况判断被测水体的表面流动情况。
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