CN114248888B - 一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。该水下仿生机器人包括外壳、空气压缩筒和动力模块。空气压缩筒包括驱动组件、筒身和活塞杆。筒身固定在外壳内。筒身内滑动连接有活塞杆。筒身的内腔与活塞杆合围形成气压腔。动力模块包括安装在外壳尾端不同位置的多个扑水单元。扑水单元包括仿生脚蹼、仿生踝关节、橡胶导管、延伸杆和传动组件。仿生脚蹼包括仿生中脚趾、仿生侧脚趾和蹼片。本发明通过活塞杆的往复运动带动各扑水单元转动扑水，同时，还利用活塞杆运动过程中产生的气压变化驱动仿生踝关节变形，使得仿生脚蹼进行两个不同心转动的复合运动，模拟青蛙扑水的动作，提高水下机器人行进过程中产生的推力。

Description

一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。

背景技术

仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。在西方国家，机械宠物十分流行，具有广阔的开发前景。与传统的机器人相比，仿生机器人具有行动灵活、控制简单、适应性强等特点，深受国内外研究人员的关注，是目前机器人技术领域的热点问题之一。尽管国内外已经有了很多仿生机器人的设计，但是大多数还是限于陆地生物的仿生机器人，大部分存在着结构复杂、实用性低等缺陷，对于水下仿生机器人的研究目前还没有一套成熟的发展体系，其驱动方式也大多局限在涡轮驱动等传统方式。

综合国内外水下仿真机器人的研究来看，驱动方式分为身体尾鳍(body and/orcaudal fin，BCF)推进模式和中间鳍对鳍(median and/or paired fin，MPF)推进模式两种。其中，采用BCF模式游动的鱼类，主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时游动的加速性能好，周期游动的巡航能力强，但机动性略显不足；采用MPF模式的鱼类，主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力，其机动性能好，但其加速性能受到限制。因此，本文设计了一种模仿水母的机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扑水式水下仿生机器人及其驱动方法。

本发明一种扑水式水下仿生机器人，包括外壳、空气压缩筒和动力模块。空气压缩筒安装在外壳内。空气压缩筒包括驱动组件、筒身和活塞杆。筒身固定在外壳内。筒身内滑动连接有活塞杆。筒身的内腔与活塞杆合围形成气压腔。驱动组件用于驱动活塞杆进行往复运动。

所述的动力模块包括安装在外壳尾端不同位置的多个扑水单元。扑水单元包括仿生脚蹼、仿生踝关节、橡胶导管、延伸杆和传动组件。延伸杆的内端与外壳转动连接。延伸杆与活塞杆通过传动组件联动；在活塞杆压缩气压腔的过程中，延伸杆的外端向远离外壳的一侧翻转。仿生踝关节安装在延伸杆上。仿生脚蹼安装在仿生踝关节的外端。仿生踝关节充压时，外端向远离外壳的一侧弯曲。仿生踝关节均与气压腔连通。

所述的仿生脚蹼包括仿生中脚趾、仿生侧脚趾和蹼片。仿生中脚趾的内端与仿生踝关节的外端固定。两个仿生侧脚趾分别设置在仿生中脚趾的相反侧，且内端均与仿生中脚趾的内端转动连接。两个仿生侧脚趾之间设置蹼片。两个仿生侧脚趾能够在动力元件的驱动下反向转动。

作为优选，两个仿生侧脚趾由脚蹼变形组件驱动。所述的脚蹼变形组件包括第二电机、齿轮和弧形齿条。仿生中脚趾的外端转动连接有齿轮。两条弧形齿条的圆心位置重合，一端与两根仿生侧脚趾分别固定，另一端均延伸至穿过或越过仿生中脚趾的位置。两根弧形齿条的齿面相对设置，且均与齿轮啮合。齿轮由第二电机驱动旋转。

作为优选，两个仿生侧脚趾的内端与仿生中脚趾的内端之间均设置有扭簧。

作为优选，所述的外壳包括头部外壳和侧部外壳。侧部外壳内设置有通气流道。通气流道上设置有位于顶部的进气口和位于底部的四个出气口。头部外壳呈流线型结构。筒身的顶部开设有出气孔，其与通气流道的进气口连通。

作为优选，所述的驱动组件安装在筒身内，且位于远离气压腔的一侧；驱动组件包括第一电机、曲柄盘和第一连杆。第一电机固定在筒身内。曲柄盘转动连接在筒身内，并由第一电机驱动旋转。第一连杆的一端与曲柄盘上偏心位置转动连接，另一端与活塞杆转动连接。曲柄盘位于第一连杆、活塞杆的连接位置远离气压腔的一侧。曲柄盘的转动轴线与第一连杆、活塞杆的连接位置在垂直于活塞杆轴线的方向上错开。

作为优选，所述活塞杆的尾端伸出外壳的尾端外。所述延伸杆的内端固定有连接转盘。连接转盘转动连接在外壳的底部边缘处。所述的传动组件包括第二连杆和摇杆。摇杆的一端与连接转盘固定。摇杆的另一端与第二连杆的一端转动连接。第二连杆的另一端与活塞杆转动连接。

作为优选，所述的头部外壳内设置有气体产生装置。气体产生装置的出气口与筒身内的气压腔连接。所述的气体产生装置中设置有相互隔离的双氧水储存区和二氧化锰储存区。双氧水储存区与二氧化锰储存区之间设置有气体产生腔室；双氧水储存区、二氧化锰储存区与气体产生腔室之间隔板上均设置有带有电磁通断阀的连接孔。气体产生腔室与筒身内的气压腔通过电磁通断阀连接。

作为优选，所述的仿生踝关节在初始状态下呈弯曲状，且充压后能够伸直。初始状态下，仿生踝关节弯曲向靠近外壳头端的一侧。仿生踝关节在初始状态下的外凸侧设置有应变限制层。

作为优选，各仿生踝关节与气压腔之间均设置有电磁通断阀。

该水下仿生机器人的驱动方式具体如下：

活塞杆的动力元件的驱动下进行往复运动，气压腔的容积随之变化。当气压腔的容积达到最大时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾张开；之后，活塞杆压缩气压腔，气压腔内的气体通过筒身的出气孔挤压至橡胶导管内，使得各个仿生踝关节充压变形，带动仿生脚蹼向后翻转；同时，活塞杆带动各延伸杆向后翻转。仿生脚蹼在延伸杆和仿生踝关节的共同驱动下，进行两个圆心不同的转动的复合运动，仿生脚蹼受到推进力，带动水下仿生机器人前进。

当气压腔的容积达到最小时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾合拢，减小各仿生脚蹼复位过程中受到的反向推力；之后，活塞杆增大气压腔，各仿生踝关节和延伸杆复位。

在需要转向时，靠近目标方向的一个或多个扑水单元中的两个仿生侧脚趾部分或完全合拢，使得靠近目标方向的各扑水单元在扑水时产生的推进力减小；在各扑水单元的重复扑水动作中，水下仿生机器人完成转向。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明通过活塞杆的往复运动带动各扑水单元转动扑水，同时，还利用活塞杆运动过程中产生的气压变化驱动仿生踝关节变形，使得仿生脚蹼进行两个不同心转动的复合运动，模拟青蛙扑水的动作，提高水下机器人行进过程中产生的推力。

2、本发明中的仿生脚蹼可自由展开与收回，能够减小扑水单元复位时收到的反向推力，且利用部分仿生脚蹼的合拢能够实现水下机器人的转向。

3、本发明中的驱动组件利用曲柄滑块的极位夹角带来的急回特性，使得活塞杆带动扑水单元复位时的速度小于带动扑水单元扑水时的速度，从而进一步减小扑水单元复位时的产生的反向推力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的外壳剖视图。

图3是本发明中驱动组件驱动活塞杆的示意图。

图4是图1中A部分的局部放大图。

图5是本发明中延伸杆与仿生踝关节的连接示意图。

图6是本发明中仿生脚蹼的结构示意图。

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，一种扑水式水下仿生机器人，包括外壳1、空气压缩筒和动力模块。动力模块安装在外壳的底部，用于在水下提供前进和转向的动力；空气压缩筒安装在外壳1内。外壳1包括头部外壳1-1和侧部外壳1-2，两者皆为中空结构。头部外壳1-1和侧部外壳1-2均用高分子材料制成。侧部外壳1-2内设置有通气流道。通气流道上设置有位于顶部的进气口和位于底部的四个出气口。头部外壳1-1为内部中空的半球形或流线型结构。

如图2和3所示，空气压缩筒包括驱动组件2、筒身3和活塞杆4。筒身3同轴固定在外壳1内，且开口朝下设置。筒身3的顶部开设有出气孔，其与通气流道的进气口连通。筒身3内滑动连接有活塞杆4。筒身3的内腔与活塞杆4合围形成与出气孔连通的气压腔。活塞杆4在往复滑动中能够周期性减小和增大气压腔的容积。

驱动组件2安装在筒身3内，且位于远离气压腔的一侧；驱动组件2用于驱动活塞杆4进行往复滑动，其包括第一电机、曲柄盘2-1和第一连杆2-2。第一电机固定在筒身3内。曲柄盘2-1转动连接在筒身3内，并与第一电机的输出轴固定。第一连杆2-2的一端与曲柄盘2-1上偏心位置转动连接，另一端与活塞杆4转动连接。曲柄盘2-1位于第一连杆2-2、活塞杆4的连接位置远离气压腔的一侧。曲柄盘2-1的转动轴线与第一连杆2-2、活塞杆4 的连接位置在垂直于活塞杆轴线的方向上错开。从而使得活塞杆产生急回特性，压缩气压腔时的速度大于增大气压腔时的速度。外壳1底部的开口呈方形；活塞杆4的杆体部分呈方形，从外壳1底部的开口伸出，用于驱动动力模块内的四个扑水单元进行整体翻转。气压腔位于活塞杆远离各扑水单元的一侧。

头部外壳1-1内设置有气体产生装置；气体产生装置利用双氧水在二氧化锰的催化作用下产生气体。气体产生装置的出气口与开设在筒身3的充气口连接。气体产生装置用于在筒身3内的气压腔内的压力不足(由于渗漏等原因导致)时对齐进行充气，确保扑水单元中的仿生踝关节6能够正常工作。

气体产生装置中设置有相互隔离的双氧水储存区和二氧化锰储存区。双氧水储存区与二氧化锰储存区之间设置有气体产生腔室；双氧水储存区、二氧化锰储存区与气体产生腔室之间隔板上均设置有带有第一电磁通断阀的连接孔。气体产生腔室与筒身3的充气口通过第一电磁通断阀连接。第一电磁通断阀根据筒身3内部的气压传感器检测到的压力信号进行通断控制。

如图4、5和6所示，动力模块包括安装在外壳1底部，且沿外壳1中心轴线的周向均布的四个扑水单元。扑水单元包括仿生脚蹼5、仿生踝关节6、橡胶导管7、延伸杆8和传动组件9。延伸杆8的内端固定有连接转盘。连接转盘转动连接在外壳1的底部边缘处。仿生踝关节6的内端与延伸杆8的外端固定。仿生脚蹼5安装在仿生踝关节6的外端。仿生脚蹼5安装在仿生踝关节6的外端。仿生踝关节6采用弯曲软体机器人关节，在初始状态下呈弯曲状，且充压后能够伸直。初始状态下，仿生踝关节6弯曲向靠近外壳1头端的一侧。

仿生踝关节6在初始状态下的外凸侧(即大半径的一侧，朝向尾端的一侧)设置有应变限制层；从而使得仿生踝关节6充压时外凸侧长度不变，内凹侧长度增大，实现仿生踝关节6的伸直和反向弯曲。外壳内的通气流道的四个出气口与四个扑水单元内的仿生踝关节6通气口分别通过橡胶导管7连接，使得活塞杆4的往复滑动能够电动四个仿生踝关节 6同步进行伸直和弯曲变形。

如图4所示，传动组件9包括第二连杆9-1和摇杆9-2。摇杆9-2的一端与连接转盘固定。摇杆9-2的另一端与第二连杆9-1的一端转动连接。第二连杆9-1的另一端与活塞杆4 的杆体部分末端转动连接；通过活塞杆4的滑动能够带动延伸杆8翻转，使得整个扑水单元转动，向后推水实现前进。

仿生踝关节6和仿生脚蹼5均采用超弹性材料制成。仿生脚蹼5包括仿生中脚趾5-1、仿生侧脚趾5-2、蹼片5-3、扭簧和脚蹼变形组件。呈杆状的仿生中脚趾5-1的内端与仿生踝关节6的外端固定。两个仿生侧脚趾5-2分别设置在仿生中脚趾5-1的相反侧，且内端均与仿生中脚趾5-1的内端转动连接。两个仿生侧脚趾5-2的内端与仿生中脚趾5-1的内端之间均设置有扭簧。扭簧用于驱动对应的仿生侧脚趾5-2向远离仿生中脚趾5-1的一侧转动。仿生侧脚趾5-2向外转动存在极限位置。蹼片5-3的两侧与两个仿生侧脚趾5-2的相对侧分别固定，且中部与仿生中脚趾5-1固定。通过两个仿生侧脚趾5-2展开的角度调节蹼片5-3扑水的面积，进而能够调节仿生脚蹼5扑水时产生的推进力。

脚蹼变形组件包括第二电机5-4、齿轮和弧形齿条5-5。仿生中脚趾5-1的外端转动连接有齿轮。两条弧形齿条5-5的圆心位置重合，一端与两根仿生侧脚趾5-2分别固定，另一端均延伸至穿过或越过仿生中脚趾5-1的位置。两根弧形齿条5-5的齿面相对设置，且均与齿轮啮合。齿轮转动时驱动弧形齿条5-5旋转，两根仿生侧脚趾5-2同步反向等速转动。第二电机5-4固定在仿生中脚趾5-1上，输出轴与齿轮固定，用于驱动两个仿生侧脚趾5-2合拢，减小仿生脚蹼5扑水时产生的推进力。第二电机5-4采用防水电机并安装在仿生中脚趾5-1的外端端部，或密封嵌入在仿生中脚趾5-1的内部。

控制模块包括控制器。控制器用于控制第一电机和第二电机5-4的转动，通过电磁阀驱动芯片和磁隔离芯片控制各第一电磁通断阀的开闭，接收气压传感器输出的压力信号。控制器采用单片机。

该水下仿生机器人的驱动方式具体如下：

步骤一、气压传感器检测在筒身3内的气压腔的压力值是否达到预设范围内，若气压达到设定值，则进入步骤二；若气压值未达到设定值，则控制器控制气体产生装置连接双氧水储存区和二氧化锰储存区的两个第一电磁通断阀导通，双氧水在二氧化锰的催化作用下产生气体。产生的气体输入气压腔中，使得气压腔的压力值是否达到预设范围内；之后，各第一电磁通断阀关闭，进入步骤二。

步骤二、第一电机正转，带动活塞杆4周期性往复运动，气压腔的容积周期性变化。

当气压腔的容积达到最大时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾5-2在对应的扭簧作用下张开；之后，活塞杆4压缩气压腔，气压腔内的气体通过筒身3的出气孔挤压至橡胶导管7内，使得各个仿生踝关节6充压伸直，带动仿生脚蹼5向后翻转；同时，活塞杆4远离各扑水单元运动，带动延伸杆8向后翻转。仿生脚蹼5在延伸杆8和仿生踝关节6的共同驱动下，进行两个圆心不同的转动的复合运动，模拟青蛙扑水的动作，使得后方的水对水下仿生机器人产生推进力。带动水下仿生机器人前进。

当气压腔的容积达到最小时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾5-2在对应的第二电机5-4的驱动下合拢，避免各扑水单元复位过程中产生的反向推力过大；之后，活塞杆4增大气压腔，各仿生踝关节6重新弯曲，各延伸杆8向前转动复位。

在需要转向时，靠近目标方向的一个或两个扑水单元中的两个仿生侧脚趾5-2持续保持完全合拢或部分合拢的状态，使得靠近目标方向的一个或两个扑水单元在扑水时产生的推进力减小；在各扑水单元的重复扑水动作中，水下仿生机器人完成转向。之后，按照前述的过程继续向新方向行进。

实施例2

一种扑水式水下仿生机器人，本实施例与实施例1的区别在于：通气流道的四个出气口与对应的仿生踝关节6之间均设置有第二电磁通断阀；通过第二电磁通断阀的通断，使得部分仿生踝关节6无法充压。第二电磁通断阀通过磁隔离芯片和电磁阀驱动芯片与控制器连接。

控制模块还包括蓝牙模块和陀螺仪。陀螺仪的信号输出接口与控制器连接。蓝牙模块的通信接口与控制器的通信接口连接。蓝牙模块与上位机无线通信。所述的蓝牙模块采用型号为SI4432的蓝牙无线通信模块。本实施例中使用的磁隔离芯片采用型号为ADUM1402 的数字隔离器。电磁阀驱动芯片的型号为L9352B0。陀螺仪采用型号为MPU6050的陀螺仪姿态传感芯片；控制器采用型号为STM32F103ZET6的单片机。

Claims (9)

1.一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：包括外壳（1）、空气压缩筒和动力模块；空气压缩筒安装在外壳（1）内；空气压缩筒包括驱动组件（2）、筒身（3）和活塞杆（4）；筒身（3）固定在外壳（1）内；筒身（3）内滑动连接有活塞杆（4）；筒身（3）的内腔与活塞杆（4）合围形成气压腔；驱动组件（2）用于驱动活塞杆（4）进行往复运动；

所述的驱动组件（2）安装在筒身（3）内，且位于远离气压腔的一侧；驱动组件（2）包括第一电机、曲柄盘（2-1）和第一连杆（2-2）；第一电机固定在筒身（3）内；曲柄盘（2-1）转动连接在筒身（3）内，并由第一电机驱动旋转；第一连杆（2-2）的一端与曲柄盘（2-1）上偏心位置转动连接，另一端与活塞杆（4）转动连接；曲柄盘（2-1）位于第一连杆（2-2）、活塞杆（4）的连接位置远离气压腔的一侧；曲柄盘（2-1）的转动轴线与第一连杆（2-2）、活塞杆（4）的连接位置在垂直于活塞杆轴线的方向上错开；

所述的动力模块包括安装在外壳（1）尾端不同位置的多个扑水单元；扑水单元包括仿生脚蹼（5）、仿生踝关节（6）、橡胶导管（7）、延伸杆（8）和传动组件（9）；延伸杆（8）的内端与外壳（1）转动连接；延伸杆（8）与活塞杆（4）通过传动组件（9）联动；在活塞杆（4）压缩气压腔的过程中，延伸杆（8）的外端向远离外壳（1）的一侧翻转；仿生踝关节（6）安装在延伸杆（8）上；仿生脚蹼（5）安装在仿生踝关节（6）的外端；仿生踝关节（6）充压时，外端向远离外壳（1）的一侧弯曲；仿生踝关节（6）均与气压腔连通；

所述的仿生脚蹼（5）包括仿生中脚趾（5-1）、仿生侧脚趾（5-2）和蹼片（5-3）；仿生中脚趾（5-1）的内端与仿生踝关节（6）的外端固定；两个仿生侧脚趾（5-2）分别设置在仿生中脚趾（5-1）的相反侧，且内端均与仿生中脚趾（5-1）的内端转动连接；两个仿生侧脚趾（5-2）之间设置蹼片（5-3）；两个仿生侧脚趾（5-2）能够在动力元件的驱动下反向转动。

2.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：两个仿生侧脚趾（5-2）由脚蹼变形组件驱动；所述的脚蹼变形组件包括第二电机（5-4）、齿轮和弧形齿条（5-5）；仿生中脚趾（5-1）的外端转动连接有齿轮；两条弧形齿条（5-5）的圆心位置重合，一端与两根仿生侧脚趾（5-2）分别固定，另一端均延伸至穿过或越过仿生中脚趾（5-1）的位置；两根弧形齿条（5-5）的齿面相对设置，且均与齿轮啮合；齿轮由第二电机（5-4）驱动旋转。

3.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：两个仿生侧脚趾（5-2）的内端与仿生中脚趾（5-1）的内端之间均设置有扭簧。

4.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述的外壳（1）包括头部外壳（1-1）和侧部外壳（1-2）；侧部外壳（1-2）内设置有通气流道；通气流道上设置有位于顶部的进气口和位于底部的四个出气口；头部外壳（1-1）呈流线型结构；筒身（3）的顶部开设有出气孔，其与通气流道的进气口连通。

5.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述活塞杆（4）的尾端伸出外壳（1）的尾端外；所述延伸杆（8）的内端固定有连接转盘；连接转盘转动连接在外壳（1）的底部边缘处；所述的传动组件（9）包括第二连杆（9-1）和摇杆（9-2）；摇杆（9-2）的一端与连接转盘固定；摇杆（9-2）的另一端与第二连杆（9-1）的一端转动连接；第二连杆（9-1）的另一端与活塞杆（4）转动连接。

6.根据权利要求4所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述的头部外壳（1-1）内设置有气体产生装置；气体产生装置的出气口与筒身（3）内的气压腔连接；所述的气体产生装置中设置有相互隔离的双氧水储存区和二氧化锰储存区；双氧水储存区与二氧化锰储存区之间设置有气体产生腔室；双氧水储存区、二氧化锰储存区与气体产生腔室之间隔板上均设置有带有电磁通断阀的连接孔；气体产生腔室与筒身（3）内的气压腔通过电磁通断阀连接。

7.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：所述的仿生踝关节（6）在初始状态下呈弯曲状，且充压后能够伸直；初始状态下，仿生踝关节（6）弯曲向靠近外壳（1）头端的一侧；仿生踝关节（6）在初始状态下的外凸侧设置有应变限制层。

8.根据权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人，其特征在于：各仿生踝关节（6）与气压腔之间均设置有电磁通断阀。

9.如权利要求1所述的一种扑水式水下仿生机器人的驱动方法，其特征在于：活塞杆（4）的动力元件的驱动下进行往复运动，气压腔的容积随之变化；当气压腔的容积达到最大时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾（5-2）张开；之后，活塞杆（4）压缩气压腔，气压腔内的气体通过筒身（3）的出气孔挤压至橡胶导管（7）内，使得各个仿生踝关节（6）充压变形，带动仿生脚蹼（5）向后翻转；同时，活塞杆（4）带动各延伸杆（8）向后翻转；仿生脚蹼（5）在延伸杆（8）和仿生踝关节（6）的共同驱动下，进行两个圆心不同的转动的复合运动，仿生脚蹼（5）受到推进力，带动水下仿生机器人前进；

当气压腔的容积达到最小时，各扑水单元中的两个仿生侧脚趾（5-2）合拢，减小各仿生脚蹼（5）复位过程中受到的反向推力；之后，活塞杆（4）增大气压腔，各仿生踝关节（6）和延伸杆（8）复位；

在需要转向时，靠近目标方向的一个或多个扑水单元中的两个仿生侧脚趾（5-2）部分或完全合拢，使得靠近目标方向的各扑水单元在扑水时产生的推进力减小；在各扑水单元的重复扑水动作中，水下仿生机器人完成转向。

Images