CN114506428B - 一种水下仿龟机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下仿龟机器人及其控制方法，包括仿生龟上壳、仿生龟下壳、龟四肢、密封结构以及设置在龟壳体内部的用于驱动所述龟四肢动作的驱动装置；在水下仿龟机器人顶部安装压力传感器，通过压力的大小来判断它的实时深度；在水下仿龟机器人内部安装温湿度传感器来检测龟体内部密封性，若发生进水，会立即报警；在龟壳体上设置陀螺仪调整龟体姿态；在水下仿龟机器人头部安装摄像头进行观察，所述仿生龟上壳进行等强度变厚设计。

Description

一种水下仿龟机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人设计及控制领域，具体涉及一种水下探测仿生龟机器人及其控制方法。

背景技术

水下机器人是一种可以在水下移动，具有感知系统，通过遥控或自主操作方式，使用机械手或其他工具代替或者辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水下机器人是人类认识海洋，开发海洋不可缺少的工具之一，也是建设海洋强国，实现可持续发展的必要高技术手段。

与传统的水下机器人相比，水下仿生机器人具有低阻力、高效率、高机动性和高环境适应性等优点。在空间狭小、复杂的环境下可以完成各种任务，可用于军事、探测等领域。

现有的水下仿生龟机器人存在以下不足：

1、龟体外壳厚度均为同一厚度，导致安全裕度出现过剩，同时浪费了不必要的原材料，成本高。

2、在仿生龟机器人壳体外缺乏有效的防护装置，无法有效保护龟体及相关重要部件。若龟体与外界物体发生碰撞，会产生几何缺陷，降低龟体的耐压性能；

3、缺乏安全可靠的收回装置，无法应对控制器或驱动模块失灵等一些突发情况，造成机器人失联，浪费等；

4、外形结构简单，与实际的海龟壳体的流线型差别大，水阻力大，功耗高；

5、O形圈密封在实际运用中不能有效解决动密封问题，采用机械密封又有结构复杂，装配困难的缺陷，不适合需要经常拆卸的机器人结构；

6、常用水下仿龟机器人的驱动有机械驱动、介电弹性体驱动，在机械驱动下，肢体若实现两自由度运动，结构会复杂化，具有不可避免的易磨损、体积大问题。而介电弹性体驱动，所需驱动电压高，且一般只能实现一个自由度运动，难以模拟龟的实际运动。

针对以上问题，本发明对水下仿龟机器人上壳进行等强度变厚设计，解决了材料不必要浪费的问题；设计可拆卸防护栏，解决了龟体在意外撞击后，出现壳体耐压性能不足的问题；通过设置安全收回舱，解决了突发情况下，无法收回机器人的问题；设计满足椭圆球面与球面方程的壳体外形、满足渐开线方程的龟前肢外形与四肢截面，解决了仿生龟运动时，阻力大，能耗高的问题；通过弹性膜进行动密封，解决了以往水下机器人密封困难且复杂的问题；采用前肢采用舵机结合聚吡咯(PPy)驱动，提供了一种新型驱动模式。、

中船重工(青岛)海洋装备研究院有限责任公司曾申请过一个名为《一种船载海洋水下探测装置的全方位防碰撞装置》的发明专利，专利申请号为:CN202010441804.0。其包括上保护罩的和下保护罩，其相互靠近的端部均设置有固定腰环，上保护罩还设置有铁链，在堵盖的顶面中心处设置第二套管等，其不足之处在于结构复杂沉重，若安装在水下机器人上，会产生较大的水阻力且防护范围不可调整，灵活性差。我们的发明充分考虑到以下几点：1、水下的环境状况，防护栏可装卸并且可以调整防护栏保护范围；2、灵活性，将整体分为两个四分之一圆环，各个圆环均可独立调节；3、水阻力大小，将防护栏截面设计成椭圆形，类流线体型。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种水下仿生龟机器人及其控制方法，具有缓冲撞击、降低水下运动能耗以及方便回收等效果。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下仿生龟机器人，包括仿生龟上壳、仿生龟下壳、龟四肢、密封结构以及设置在龟壳体内部的用于驱动所述龟四肢动作的驱动装置；

仿生龟上壳与仿生龟下壳之间用硅橡胶相隔用于静密封且用螺钉连接；

所述龟四肢分为前肢与后肢，后肢传动轴伸出龟壳体的轴段处和仿生龟下壳之间、以及前肢锥齿轮轴伸出龟壳体的轴段处与仿生龟下壳之间分别设有防水用的硅橡胶弹性膜；

在水下仿龟机器人顶部安装压力传感器，通过压力的大小来判断它的实时深度；在水下仿龟机器人内部安装温湿度传感器来检测龟体内部密封性，若发生进水，会立即报警；在龟壳体上设置陀螺仪调整龟体姿态；在水下仿龟机器人头部安装摄像头进行观察，所述仿生龟上壳由椭球形壳部分与球形壳部分共同组成，

所述椭球形壳部分的壳体厚度通过以下公式获得：

式中，p为壳体所承受的外压，σ_s为材料的屈服应力，a为椭球长轴半径，ρ为椭圆率，t为壳体厚度,x,y为直角坐标系；

所述球形壳部分的壳体厚度通过以下公式获得：

式中，R为球壳体半径。

还包括防护栏机构，与所述龟壳体之间可拆卸连接，所述防护栏机构包括两组，对称布置在所述龟壳体左、右两侧，每组防护栏机构均包括：

防护栏，呈四分之一圆环结构，防护栏内侧一端通过缓冲机构与所述龟壳体连接，防护栏内侧另一端通过调节机构与所述龟壳体连接；

所述缓冲机构包括柱形减震腔、连杆以及弹簧，其中，柱形减震腔中设置所述弹簧，柱形减震腔的一端设有杆孔；

所述防护栏的内侧设有滑槽，连杆一端设有与所述滑槽配合的第一滑槽触头，连杆另一端通过所述杆孔伸入所述柱形减震腔；

所述连杆的中部设有轴肩，所述轴肩将所述连杆位于减震体内腔中的部分分为第一连杆段和第二连杆段，所述第一连杆段和第二连杆段上分别套接有一个所述弹簧；

柱形减震腔底部外侧通过铰接件与所述龟壳体转动连接；

所述调节机构包括调整箱，所述调整箱设置在龟壳体上，第一调整箱中平行设置第一螺纹杆和第一传动轴，所述第一螺纹杆和第一传动轴之间通过齿轮传动组传动连接；

所述第一传动轴外端伸出调整箱体连接有调节手柄，在调节手柄的调整下，所述第一螺纹杆能够在水平方向来回移动以调节防护栏的保护范围；

所述第一螺纹杆的外端通过第二滑槽触头与所述防护栏之间滑动连接，第一螺纹杆的内端部设有限制块。

所述防护栏的横截面呈椭圆形，类流线体型。

所述前肢以舵机驱动结合软体驱动的方式实现双自由度运动：一为舵机驱动：由前肢舵机提供动力经前肢锥齿轮组带动前肢转动；二为聚吡咯条驱动：前肢的两面上对称贴覆有多个聚吡咯条，多个聚吡咯条与夹片下电极片相连，后接导线并通过前肢锥齿轮轴中心孔接到软体驱动控制模块，由软体控制模块控制聚吡咯条，带动前肢上、下摆动；

所述后肢的驱动装置包括后肢舵机，舵机盘，轴承座，连轴，小弹性带以及后肢传动轴，其中，所述后肢舵机、舵机盘、舵机套筒之间通过螺钉连接，螺钉连接连轴与舵机套筒；所述小弹性带将动力传给后肢传动轴，驱动后肢做出旋转运动。

所述仿生龟下壳两侧设有平衡翼，用于辅助维持平衡。

还包括安全收回舱，通过牵引线与龟壳体相连，包括：

一舱体，所述舱体内设有隔板，所述隔板将舱体分为上舱体与下舱体，上舱体上设有可打开或关闭的舱盖，上舱体内设有压缩气囊，压缩气囊底部通过引线与固定在上舱体内腔中的钩耳连接；

所述下舱体为密封舱，下舱体内设有舱盖打开机构，舱盖打开机构包括：平行设置的第二传动轴和第二螺纹杆，第二传动轴和第二螺纹杆之间通过齿轮传动机构连接

伺服电机，与第二传动轴驱动连接，舱盖打开机构中的第二螺纹杆的部分穿过所述隔板伸入所述上舱体中，在伺服电机的驱动下，第二螺纹杆能够在所述舱体内沿上、下方向移动以打开所述舱体的舱盖；

所述下舱体内还设有横板和压底板，所述横板和压底板之间通过螺栓连接，且压底板与横板上都开有卡槽，用于固定第二传动轴和齿轮传动组；

所述舱体内还设有信号接收装置，用于接收外部的信号；

控制器，其输入端与所述信号接收装置连接，其输出端与所述伺服电机连接；

电源，为所述伺服电机、信号接收装置以及控制器供电；

舱体内共有三处密封，第一处为上舱体和下舱体之间，为静密封，用硅胶垫片密封；

第二处为隔板与上舱体中的上舱体支柱之间，为静密封，用硅胶垫片密封；

第三处为第二螺纹杆与上舱体中的上舱体支柱之间，为动密封，通过透明弹性膜密封，一端将第二螺纹杆露出上舱体支柱部分完全包裹，另一端粘在上舱体支柱上。

龟四肢从仿生的角度出发，前肢外形为两渐开线并于肢尖相交，当采用直角坐标来表示时，它们的方程式为：

式中，u_i＝θ_i+α_i，θ_i为展角，α_i为压力角，r_i为基圆半径，

C₁为角度u1的取值范围，范围是240°～270°、C₂为角度u2的取值范围，范围是210°～265°；

其截面也由两渐开线组成，以中心截面为例，具体如下：

式中，u′_i＝θ′_i+α′_i，θ′_i为展角，α′_i为压力角，r′_i为基圆半径，C′₁为角度u′₁的取值范围，范围是210°～226°、C′₂为角度u′₂的取值范围，范围是210°～221°；

其厚度由前端到后端，先增加再逐渐减小；

后肢的四周边缘较薄，从边缘到中心，其横截面厚度逐渐增加。

仿龟机器人外壳呈流线形。

一种基于所述水下仿生龟机器人的工作方法，包括以下几个步骤：

第一步：检查、布放与下潜

首先对水下仿龟机器人进行检查，主要内容为四肢是否正常运动、密封是否完好、传感器是否正常工作、电量是否充足，选择合适的水域，将水下仿龟机器人放入水中；

下潜由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机得到指令后，后肢左侧舵机顺时针旋转90°，同时后肢右侧舵机逆时针旋转90°，让两侧后肢均保持竖直向上，并以此为中心位置往复摆动共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢横向朝上往复摆动共60°，获得向下推力，且在整个过程中运动保持；同时，前肢舵机得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转30°，前肢右侧舵机逆时针旋转30°，通过前肢锥齿轮组将运动传给了前肢，这样使两侧前肢前端上升，此时，前肢舵机停止转动，接着软体控制模块向聚吡咯条施加反向电压，使后肢向后上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向前下方运动；

接着断开电源与聚吡咯条的连接，然后前肢舵机会得到反向旋转运动指令，逆时针旋转第一次旋转角的两倍，即60°，使前肢后端上升，前肢舵机即停转，软体控制模块再向聚吡咯条施加反向电压，使其向前上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向后下方运动，此后按此顺序反复接通，完成下潜运动；

第二步：前进

推进由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机得到指令后，往复旋转共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢1竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持，此时，前肢全由聚吡咯条驱动，聚吡咯条被施加正电压，向下弯曲，即向下拍动，间隔合适时间，再施加负电压，使聚吡咯条向上弯曲，即向上拍动，如此循环，完成推进运动，在此过程中，应保持前肢与后肢摆动频率相同，便于保持平衡；

第三步：转向

有两种方案，均为差速转向且运动完成后，舵机需要回到原位，

方案一：由后肢实现，前肢上下摆动共60°来保持平衡，两个后肢舵机中，一个保持不动，另一个后肢舵机通过舵机套筒带动连轴，再由小弹性带带动后肢传动轴转动，实现后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持；

方案二：由前肢实现，后肢上下摆动保持平衡并提供一定推力，两个前肢中，一个保持不动，另一个运动如下：前肢舵机得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转90°，前肢右侧舵机逆时针旋转90°，使两侧前肢竖直，此时，前肢舵机立即停止转动，接着向聚吡咯条施加反向电压，向后侧拍动，这样由水的反作用力推动龟体转向；

第四步：上浮

上浮主要由后肢来完成，前肢上、下摆动共60°来保持平衡，后肢运动具体如下：后肢舵机得到指令后，后肢左侧舵机逆时针旋转90°，同时后肢右侧舵机顺时针旋转90，让两侧后肢均保持竖直向下，以此为中心位置往复旋转共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢横向朝下往复摆动共60°，获得向上推力，且在整个过程中运动保持；

第五步：收回

由后肢运动实现，后肢舵机通过舵机套筒带动连轴，再由小弹性带带动后肢传动轴转动，实现后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，划向岸边，完成回收，此外，在整个过程中，。

若出现紧急故障，通过控制安全收回舱进行收回安全收回，具体是：

操作者向安全收回舱发出上浮命令，使舱内伺服电机转动，通过舱盖打开机构打开舱盖，释放压缩气囊，带动仿龟机器人上浮。

有益效果：

1、本发明通过对水下仿龟机器人上壳进行等强度变厚设计，防止安全裕度出现严重过剩，减少了壳体材料的使用，降低了成本，同时保持了良好的抗压和抗冲击能力。

2、设有可拆卸防护栏，当装有防护栏的仿龟机器人撞到物体时，在缓冲装置的作用下，极大地缓冲了撞击，有效保护了水下仿生龟的龟体及重要部件；同时，可根据水下环境状况，选择装拆防护栏或调整防护栏保护范围，具有极高的灵活性。

3、通过设置安全收回舱，解决突发情况下，无法收回机器人的情况，具有节约成本、便于分析事故原因和保护水下环境的优点。

4、水下仿龟机器人上壳很大程度上模仿了海龟外形，满足椭圆球面与球面方程，仿龟机器人外壳呈流线形，龟前肢外形与四肢截面均满足渐开线方程，以上特征极大地减小了水阻力，降低了水下仿龟机器人运动能耗。

5、动密封采用硅橡胶弹性膜，弹性膜可随轴的小幅度往复转动而弹性变形，具有成本低、结构简单、密封可靠的优势。

6、本发明前肢采用舵机结合聚吡咯(PPy)驱动，简化了机械结构，降低了磨损，有效模拟了龟的实际运动。主要驱动力由后肢舵机提供，可以快速实现上浮、下潜、推进三种功能，缩减上浮、下潜时间，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的水下仿龟机器人三维模型图；

图2为本发明的水下仿龟机器人内部结构示意图；

图3为本发明的水下仿龟机器人后肢结构示意图；

图4为本发明的水下仿龟机器人前肢结构示意图；

图5为本发明的水下仿龟机器人防护栏装置结构示意图；

图6为本发明的水下仿龟机器人缓冲机构示意图；

图7为本发明的水下仿龟机器人防护栏调节机构示意图；

图8为本发明的水下仿龟机器人滑槽触头与滑槽连接示意图；

图9为本发明的水下仿龟机器人安全收回舱结构示意图；

图10为本发明的水下仿龟机器人上壳体示意图；

图11为本发明的水下仿龟机器人前肢截面示意图；

图12为本发明的水下仿龟机器人控制流程图；

图13为本发明的水下仿龟机器人主控制器的信号传输处理框图；

图14为本发明的水下仿龟机器人安全收回舱的控制示意图；

图15为本发明的水下仿龟机器人安全收回舱的控制流程图。

图1至图15中：1-后肢，2-连接螺钉，3-后肢舵机，4-舵机固定块，5-舵机盘，6-紧定螺钉，7-轴承座，8-连轴，9-小弹性带，10-后肢传动轴，11-端盖，12-调整垫片，13-固定螺钉，14-夹片，15-前肢锥齿轮轴，16-锥齿轮轴，17-舵机套筒，18-前肢舵机，19-仿生龟尾部，20-平衡翼，21-前肢，22-聚吡咯条，23-仿生龟下壳，24-仿生龟头部，25-防护栏，26-电池及控制器区域，27-限制块，28-转盘，29-调节机构，30-槽盖，31-螺栓，32-缓冲机构，33-旋转块，34-旋转套筒，35-滑槽触头，36-连杆，37-减震体盖，38-减震体，39-弹簧，40-固定垫片，41-手柄，42-第一传动轴，43-小端盖，44-第一齿轮，45-压板，46-第二齿轮，47-轴承，48-大端盖，49-第一螺纹杆，50-伺服电机，51-电机套筒，52-第二传动轴，53-第四齿轮，54-压底板，55-隔板，56-橡胶垫片，57-上舱体，58-第二螺纹杆，59-舱盖，60-上舱体支柱，61-小弹簧，62-钩耳，63-下舱体，64-环耳，65-仿生龟上壳。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1-10所示，水下仿生龟机器人结构由龟壳体、四肢、驱动装置、安全收回舱、防护栏装置以及传感器组成。

如图2和图5所示，龟壳体由仿生龟上壳65，仿生龟下壳23，仿生龟头部24以及平衡翼20组成，其中仿生龟上壳65与仿生龟下壳23之间用硅橡胶相隔用于静密封且用螺钉连接，平衡翼20用于辅助维持平衡，使龟体难以倾斜。

如图3和图4所示，四肢结构分为前肢结构与后肢结构，前肢结构包括前肢21，夹片14，聚吡咯条22，电极片，导线，其中前肢21由夹片14夹住，多个聚吡咯条22对称贴在前肢21的两面上并与夹片下电极片相连，后接导线并通过前肢锥齿轮轴15中心孔接到软体驱动控制模块；后肢结构包括后肢1、后肢传动轴10，其中后肢1通过连接螺钉2与后肢传动轴10连接。

如图3和图4所示，驱动装置分为前肢驱动装置和后肢驱动装置。前肢驱动装置包括前肢舵机18，舵机盘5，舵机套筒17，轴承座7，锥齿轮轴16，前肢锥齿轮轴15。前肢舵机18、舵机盘5、舵机套筒17之间通过螺钉连接，锥齿轮轴16后端与舵机套筒17相接，通过锥齿轮啮合将动力经前肢锥齿轮轴15传递给前肢21。

前肢以舵机驱动结合软体驱动的方式实现双自由度运动：一为舵机驱动：由前肢舵机18提供动力经锥齿轮轴16，再由前肢锥齿轮轴15带动前肢21转动；二为聚吡咯条(PPy)驱动：由软体控制模块控制聚吡咯条(PPy)22，带动肢体上下摆动。后肢驱动装置包括后肢舵机3，舵机盘5，轴承座7，连轴8，小弹性带9，后肢传动轴10。其中后肢舵机3、舵机盘5、舵机套筒17之间通过螺钉连接，紧定螺钉连接连轴8与舵机套筒17，小弹性带9将动力传给后肢传动轴10，驱动后肢1做出旋转运动。

后肢主要由有三个方向的旋转，横向朝上摆动、横向朝下摆动、竖向摆动。此外舵机固定块4将舵机与龟体固定起来。

如图5所示，防护栏装置由防护栏25，限制块27，转盘28，调节机构29，槽盖30，螺栓31，缓冲机构32，旋转块33，旋转套筒34组成。由于旋转块33、旋转套筒34、转盘28会形成旋转副，故图5中缓冲机构与下侧缓冲机构均可以自由旋转。

如图6所示，缓冲机构32由滑槽触头35，连杆36，弹簧39以及固定垫片40组成，其中减震体38与减震体盖37采用螺纹连接，滑槽触头35与连杆36采用楔形块连接，连杆36轴肩两侧装有弹簧39，通过固定垫片40固定于减震体38内。当防护栏25受到撞击后，冲击力经滑槽触头35传递至连杆36，使连杆36受压或受拉，若受压力，则右侧弹簧压缩，左侧弹簧伸长，缓冲了压力；若受拉力，右侧弹簧伸长，左侧弹簧压缩，缓冲了拉力，两种情况下均有效起到缓冲减震的作用。

如图7所示，调节机构29由压板45，手柄41，第一传动轴42，第一齿轮44，第二齿轮46，第一螺纹杆49，小端盖43，大端盖48以及轴承47组成，其中，第一传动轴42由轴承47和两端盖固定在调整箱体中，手柄41与第一传动轴42采用楔形块连接，第二齿轮46与第一螺纹杆49采用螺纹连接。扭转手柄41，使第一传动轴42转动，带动齿轮44转动，通过啮合，带动第二齿轮46旋转，由于第二齿轮46的内径上的螺纹与第一螺纹杆49上的外螺纹相旋合，且限制块27限制其旋转方向的自由度，因此第一螺纹杆49只能沿轴向移动，通过滑槽触头35与防护栏上的滑槽连接，带动防护栏25移动，实现了通过旋转手柄41，来调整防护栏25的防护范围的目的。

防护栏装置防护示例与作用：示例：若承受如图5所示A向撞击力时，缓冲机构发生逆时针旋转后，受压力，右侧弹簧压缩，左侧弹簧伸长，下侧缓冲机构受拉力，右侧弹簧伸长，左侧弹簧压缩，有效起到减震作用；若承受B向撞击力时，上、下侧缓冲机构逆时针旋转后，均受拉力，右侧弹簧伸长，左侧弹簧压缩；若承受C向撞击力时，缓冲机构顺时针旋转后，受拉力，右侧弹簧伸长，左侧弹簧压缩，下侧缓冲机构受压力，右侧弹簧压缩，左侧弹簧伸长。由此可见，防护栏无论在哪个方向上承受撞击力，防护栏装置均可有效地发挥缓冲减震的作用。防护栏装置作用：

1、当防护栏撞到物体后，在缓冲装置的作用下，极大地减缓了撞击，有效保护了水下仿生龟的龟体及重要部件。

2、可根据水下环境状况，选择装拆防护栏或调整防护栏保护范围。具体通过调节阀门41控制防护栏25防护范围，在空间狭窄的水域选择小的防护半径，在开阔的水域选择大的防护半径，具有极高的灵活性。

3、将防护栏整体分为两个四分之一圆环，各个圆环均可独立调节，方便适应复杂的环境，若做成整体，其灵活性会变小。

4、防护栏截面呈椭圆形，类流线体型，可以减小水下仿龟机器人运动时的水阻力且降低了运动能耗。

如图9所示，安全收回舱包括伺服电机50，电机套筒51，第二传动轴52，第四齿轮53，压底板54，隔板55，橡胶垫片56，上舱体57，第二螺纹杆58，舱盖59，小弹簧61，钩耳62，下舱体63，环耳64；伺服电机50通过电机套筒51与第二传动轴52连接，通过第三齿轮啮合将电机的旋转运动传递给第四齿轮53，再通过第四齿轮53内径的螺纹与第二螺纹杆58的螺纹相旋合，将旋转运动转换为第二螺纹杆58的直线运动，再由第二螺纹杆58顶开舱盖59，释放上舱体57中的压缩气囊，压缩气囊通过引线与钩耳62相连，通过压缩气囊的浮力带动安全收回舱上浮，由于安全收回舱与仿生龟壳体通过牵引线相连，故仿龟机器人也随之上浮。隔板55板用于分离上舱体57与下舱体63，并与其他部件配合完成密封，防止水进入下舱体63；压底板54与下舱体63的横板通过螺栓连接，且压底板54与横板上都开有卡槽，用于固定第二传动轴52，第三齿轮和第四齿轮53。

舱体内共有三处密封，一为上下舱体之间，为静密封，用硅胶垫片密封；二为隔板55与上舱体57中的上舱体支柱之间，为静密封，用硅胶垫片密封；三为第二螺纹杆58与上舱体57中的上舱体支柱之间，为动密封，通过透明弹性膜密封，一端将第二螺纹杆58露出上舱体支柱部分完全包裹，另一端粘在上舱体支柱上。

安全收回舱的作用：下舱体63内拥有独立的信号接收装置、电源、控制器，操作者可向安全收回舱发出上浮命令，使舱内伺服电机转动，通过上述传动，释放压缩气囊，带动仿龟机器人上浮。具有小体积的特点，对龟体所受水阻力大小的影响很小，当主控制器或驱动模块失灵时，可通过此装置使仿龟机器人漂浮在水面，安全收回并维修，避免遗弃在水底，节约成本，同时方便分析事故原因，并进一步改进。

水下仿龟机器人龟外壳很大程度模仿了海龟的外形，在三维直角坐标系下，上壳满足椭圆球面与球面方程(如图1)，其方程为

设水下仿龟机器人的上壳高h，前端球面半径为r，经过分析表明，参数

与水下仿龟机器人在水中运动时的水阻力有关，在

时，结构较优，所受水阻力小，这里取

此时水下仿龟机器人为扁平结构，呈流线形，极大减小了水阻力，降低了水下仿龟机器人运动能耗；龟四肢从仿生的角度出发，前肢外形为两渐开线并于肢尖相交，它们的参数方程为：

其截面也由两渐开线组成(如图8)，以中心截面为例，具体如下：

其近似于飞机机翼的流线型截面，其厚度由前端到后端，先增加再逐渐减小，后肢外形由圆弧与两切线组成，四周边缘较薄，从边缘到中心，其横截面厚度逐渐增加，以上特征充分利用了水的反作用力，使四肢获得最大的推力。根据上述论证，具体几何参数选取如下表：

表1龟上壳模型参数及数据

模型参数	<![CDATA[r<sub>1</sub>(mm)]]>	<![CDATA[C<sub>1</sub>(°)]]>	<![CDATA[r<sub>2</sub>(mm)]]>	<![CDATA[C<sub>2</sub>(°)]]>
					前肢外形数据	100	240°-270°	50	210°-265°

表2前肢外形模型参数及数据

模型参数	<![CDATA[r<sub>1</sub>′(mm)]]>	<![CDATA[C′<sub>1</sub>(°)]]>	<![CDATA[r′<sub>2</sub>(mm)]]>	<![CDATA[C′<sub>2</sub>(°)]]>
					四肢截面数据	150	210°-226°	200	210°-221°

表3四肢截面模型参数及数据

等强度变厚设计：通过对水下仿龟机器人上壳进行等强度变厚设计，防止安全裕度出现严重过剩，减少了壳体材料的使用，降低了成本，同时保持了良好的抗压和抗冲击能力。

上壳体由

绕x轴旋转而成，其由椭球形壳部分与球形壳部分共同组成。①、椭球形壳部分等强度变厚：在直角坐标系中，椭球壳第一、第二主曲率半径的表达式分别为

式中a为椭球长轴半径；b为椭球短轴半径。

要求每一点的等效应力都要小于材料的屈服应力，根据相关参考文献，等强度椭球壳的等效应力公式可表示为：

式中，p为壳体所承受的外压，σ_s为材料的屈服应力，t为壳体厚度。

等强度椭球壳厚度为：

将(5)式代入(7)式得：

式中，ρ为椭圆率，

具体参数选取如下：选择不锈钢材料，其性能参数：屈服应力σ_s＝385Mpa,在200m水深时：

表4椭球形壳部分相关数据

②、球形壳部分等强度变厚

球壳第一、第二曲率半径为：

R₁＝R₂＝R                                   (9)

式中，R为球壳体半径。

由(6)式得

等强度球壳等效应力公式

则等强度球壳厚度为

具体参数选取如下：选择不锈钢材料，其性能参数：屈服应力σ_s＝385Mpa，在200米水深时：

模型参数	R(mm)	<![CDATA[D<sub>2</sub>(mm)]]>	P(Mpa)	<![CDATA[σ<sub>s</sub>(Mpa)]]>	t(mm)
						相关数据	110	78≤x≤160且y≥0	1.96	385	0.28

表5球形壳部分相关数据

前肢上、下摆动的实现：施加电压后，正极聚吡咯层氧化膨胀，负极聚吡咯层还原收缩，从而产生弯曲变形的效果，因此聚吡咯条(PPy)具有向负极方向弯曲的特性。在软体控制器通过电极片对聚吡咯条施加正向电压后，聚吡咯条(PPy)会向负极方向弯曲，达到向下弯曲的目的，从而带动前肢1向下弯曲；改变电压方向后，聚吡咯条(PPy)改变弯曲方向，达到向上弯曲的目的，从而带动前肢1向上弯曲。

四肢运动：初始状态前肢与后肢均保持水平，前肢有两个运动，分别是舵机实现的旋转运动和聚吡咯条(PPy)通电弯曲实现的上下摆动；后肢只有由舵机带动肢体实现的旋转运动，共作三个方向的旋转：横向朝上摆动、横向朝下摆动、竖向摆动。

本发明将密封分为静密封与动密封，静密封采用橡胶垫片密封，动密封采用硅橡胶弹性膜，由于后肢传动轴和前肢锥齿轮轴的运动幅度较小，弹性膜的一端在传动轴的外伸出的一轴段处固定，另一端粘在端盖上，端盖通过螺钉与仿生龟下壳固定，这样后肢传动轴和前肢锥齿轮轴在运动时，弹性膜能随着后肢传动轴和前肢锥齿轮轴的小幅度往复转动而发生弹性形变，同时起到了密封作用。这类似于人体肌肉带动骨骼旋转，富有弹性皮肤可以跟随做小幅转动，具有成本低、结构简单、密封可靠的优势。

传感器：在水下仿龟机器人顶部安装压力传感器，通过压力的大小来判断它的实时深度；添加温湿度传感器来检测龟体内部密封性，若发生进水，会立即报警；增设陀螺仪调整龟体姿态；在水下仿龟机器人头部安装摄像头进行观察。

本发明提供一种水下仿龟机器人控制方法，包括如下步骤：

第一步：检查、布放与下潜

首先对水下仿龟机器人进行检查，主要内容为四肢是否正常运动、密封是否完好、传感器是否正常工作、电量是否充足等。选择合适的水域，将水下仿龟机器人轻轻放入水中。

下潜由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机3得到指令后，后肢左侧舵机顺时针旋转90°，同时后肢右侧舵机逆时针旋转90°，让两侧后肢均保持竖直向上，并以此为中心位置往复摆动共60°，通过舵机套筒17带动连轴8，由小弹性带9带动后肢传动轴10转动，完成后肢1横向朝上往复摆动共60°，获得向下推力，且在整个过程中运动保持。同时，前肢舵机18得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转30°，前肢右侧舵机逆时针旋转30°，通过锥齿轮轴16将运动传给了前肢锥齿轮轴15，这样使两侧前肢21前端上升。此时，前肢舵机18停止转动，接着软体控制模块向聚吡咯条(PPy)22施加反向电压，使后肢向后上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向前下方运动。接着断开电源与聚吡咯条(PPy)22的连接，然后前肢舵机18会得到反向旋转运动指令，逆时针旋转第一次旋转角的两倍，即60°，使前肢21后端上升，前肢舵机18即停转，软体控制模块再向聚吡咯条(PPy)22施加反向电压，使其向前上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向后下方运动。此后按此顺序反复接通，完成下潜运动。

第二步：前进

推进由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机3得到指令后，往复旋转共60°，通过舵机套筒17带动连轴，由小弹性带9带动后肢传动轴10转动，完成后肢1竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持。此时，前肢全由聚吡咯条(PPy)22驱动，聚吡咯条(PPy)2被施加正电压，向下弯曲，即向下拍动，间隔合适时间，再施加负电压，使聚吡咯条(PPy)22向上弯曲，即向上拍动。如此循环，完成推进运动。在此过程中，应保持前肢与后肢摆动频率相同，便于保持平衡。

第三步：转向

有两种方案，均为差速转向且运动完成后，舵机需要回到原位。

方案一：由后肢实现，前肢21上下摆动共60°来保持平衡。两个后肢舵机中，一个保持不动，另一个舵机通过舵机套筒带动连轴，再由小弹性带9带动后肢传动轴10转动，实现后肢1竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持。

方案二：由前肢实现，后肢上下摆动保持平衡并提供一定推力。两个前肢中，一个保持不动，另一个运动如下：前肢舵机得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转90°，前肢右侧舵机逆时针旋转90°，使前肢竖直。此时，前肢舵机立即停止转动，接着向聚吡咯条(PPy)22施加反向电压，向后拍动，这样由水的反作用力推动龟体转向。

第四步：上浮

上浮主要由后肢来完成，前肢上下摆动共60°来保持平衡。后肢运动具体如下：后肢舵机3得到指令后，后肢左侧舵机逆时针旋转90°，同时后肢右侧舵机顺时针旋转90，以此为中心位置往复旋转共60°，通过舵机套筒17带动连轴8，由小弹性带9带动后肢传动轴5转动，完成后肢横向朝下往复摆动共60°，获得向上推力，且在整个过程中运动保持。

第五步：收回

由后肢运动实现。后肢舵机3通过舵机套筒17带动连轴8，再由小弹性带9带动后肢传动轴10转动，实现后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，划向岸边，完成回收。此外，若出现紧急故障，如主控制器或驱动模块失灵等，可通过控制安全收回舱进行收回。

Claims (10)

1.一种水下仿生龟机器人，包括仿生龟上壳、仿生龟下壳、龟四肢、密封结构以及设置在龟壳体内部的用于驱动所述龟四肢动作的驱动装置；

仿生龟上壳与仿生龟下壳之间用硅橡胶相隔用于静密封且用螺钉连接；

所述龟四肢分为前肢与后肢，后肢传动轴伸出龟壳体的轴段处和仿生龟下壳之间、以及前肢锥齿轮轴伸出龟壳体的轴段处与仿生龟下壳之间分别设有防水用的硅橡胶弹性膜；

在水下仿龟机器人顶部安装压力传感器，通过压力的大小来判断它的实时深度；在水下仿龟机器人内部安装温湿度传感器来检测龟体内部密封性，若发生进水，会立即报警；在龟壳体上设置陀螺仪调整龟体姿态；在水下仿龟机器人头部安装摄像头进行观察，其特征在于，所述仿生龟上壳由椭球形壳部分与球形壳部分共同组成，

所述椭球形壳部分的壳体厚度通过以下公式获得：

式中，p为壳体所承受的外压，σ_s为材料的屈服应力，a为椭球长轴半径，ρ为椭圆率，t为壳体厚度,x,y为直角坐标系；

所述球形壳部分的壳体厚度通过以下公式获得：

式中，R为球壳体半径。

2.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，还包括防护栏机构，与所述龟壳体之间可拆卸连接，所述防护栏机构包括两组，对称布置在所述龟壳体左、右两侧，每组防护栏机构均包括：

防护栏，呈四分之一圆环结构，防护栏内侧一端通过缓冲机构与所述龟壳体连接，防护栏内侧另一端通过调节机构与所述龟壳体连接；

所述缓冲机构包括柱形减震腔、连杆以及弹簧，其中，柱形减震腔中设置所述弹簧，柱形减震腔的一端设有杆孔；

所述防护栏的内侧设有滑槽，连杆一端设有与所述滑槽配合的第一滑槽触头，连杆另一端通过所述杆孔伸入所述柱形减震腔；

所述连杆的中部设有轴肩，所述轴肩将所述连杆位于减震体内腔中的部分分为第一连杆段和第二连杆段，所述第一连杆段和第二连杆段上分别套接有一个所述弹簧；

柱形减震腔底部外侧通过铰接件与所述龟壳体转动连接；

所述调节机构包括调整箱、输入轴、第一齿轮、第二齿轮以及第一螺纹杆，其中，

所述调整箱设置在龟壳体上，第一调整箱中平行设置第一螺纹杆和第一传动轴，所述第一螺纹杆和第一传动轴之间通过齿轮传动组传动连接；

所述第一传动轴外端伸出调整箱体连接有调节手柄；

所述第一螺纹杆的外端通过第二滑槽触头与所述防护栏之间滑动连接，第一螺纹杆的内端部设有限制块。

3.根据权利要求2所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，所述防护栏的横截面呈椭圆形，类流线体型。

4.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，所述前肢以舵机驱动结合软体驱动的方式实现双自由度运动：一为舵机驱动：由前肢舵机提供动力经前肢锥齿轮组带动前肢转动；二为聚吡咯条驱动：前肢的两面上对称贴覆有多个聚吡咯条，多个聚吡咯条与夹片下电极片相连，后接导线并通过前肢锥齿轮轴中心孔接到软体驱动控制模块，由软体控制模块控制聚吡咯条，带动前肢上、下摆动；

所述后肢的驱动装置包括后肢舵机，舵机盘，轴承座，连轴，小弹性带以及后肢传动轴，其中，所述后肢舵机、舵机盘、舵机套筒之间通过螺钉连接，螺钉连接连轴与舵机套筒；所述小弹性带将动力传给后肢传动轴，驱动后肢做出旋转运动。

5.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，所述仿生龟下壳两侧设有平衡翼，用于辅助维持平衡。

6.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，还包括安全收回舱，通过牵引线与龟壳体相连，包括：

一舱体，所述舱体内设有隔板，所述隔板将舱体分为上舱体与下舱体，上舱体上设有可打开或关闭的舱盖，上舱体内设有压缩气囊，压缩气囊底部通过引线与固定在上舱体内腔中的钩耳连接；

所述下舱体为密封舱，下舱体内设有舱盖打开机构，舱盖打开机构包括：平行设置的第二传动轴和第二螺纹杆，第二传动轴和第二螺纹杆之间通过齿轮传动机构连接。

伺服电机，与第二传动轴驱动连接，舱盖打开机构中的第二螺纹杆的部分穿过所述隔板伸入所述上舱体中，在伺服电机的驱动下，第二螺纹杆能够在所述舱体内沿上、下方向移动以打开所述舱体的舱盖；

所述下舱体内还设有横板和压底板，所述横板和压底板之间通过螺栓连接，且压底板与横板上都开有卡槽，用于固定第二传动轴和齿轮传动组；

所述舱体内还设有信号接收装置，用于接收外部的信号；

控制器，其输入端与所述信号接收装置连接，其输出端与所述伺服电机连接；

电源，为所述伺服电机、信号接收装置以及控制器供电；

舱体内共有三处密封，第一处为上舱体和下舱体之间，为静密封，用硅胶垫片密封；

第二处为隔板与上舱体中的上舱体支柱之间，为静密封，用硅胶垫片密封；

第三处为第二螺纹杆与上舱体中的上舱体支柱之间，为动密封，通过透明弹性膜密封，一端将第二螺纹杆露出上舱体支柱部分完全包裹，另一端粘在上舱体支柱上。

7.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，

龟四肢从仿生的角度出发，前肢外形为两渐开线并于肢尖相交，当采用直角坐标来表示时，它们的方程式为：

式中，u_i＝θ_i+α_i，θ_i为展角，α_i为压力角，r_i为基圆半径，C₁为角度u1的取值范围，范围是240°～270°、C₂为角度u2的取值范围，范围是210°～265°；

其截面也由两渐开线组成，以中心截面为例，具体如下：

式中，u′_i＝θ′_i+α′_i，θ′_i为展角，α′_i为压力角，r′_i为基圆半径，C′₁为角度u′₁的取值范围，范围是210°～226°、C′₂为角度u′₂的取值范围，范围是210°～221°；

其厚度由前端到后端，先增加再逐渐减小；

后肢的四周边缘较薄，从边缘到中心，其横截面厚度逐渐增加。

8.根据权利要求1所述的水下仿生龟机器人，其特征在于，仿龟机器人外壳呈流线形。

9.一种基于权利要求4所述水下仿生龟机器人的工作方法，其特征在于，

第一步：检查、布放与下潜

首先对水下仿龟机器人进行检查，主要内容为四肢是否正常运动、密封是否完好、传感器是否正常工作、电量是否充足，选择合适的水域，将水下仿龟机器人放入水中；

下潜由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机得到指令后，后肢左侧舵机顺时针旋转90°，同时后肢右侧舵机逆时针旋转90°，让两侧后肢均保持竖直向上，并以此为中心位置往复摆动共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢横向朝上往复摆动共60°，获得向下推力，且在整个过程中运动保持；同时，前肢舵机得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转30°，前肢右侧舵机逆时针旋转30°，通过前肢锥齿轮组将运动传给了前肢，这样使两侧前肢前端上升，此时，前肢舵机停止转动，接着软体控制模块向聚吡咯条施加反向电压，使后肢向后上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向前下方运动；

接着断开电源与聚吡咯条的连接，然后前肢舵机会得到反向旋转运动指令，逆时针旋转第一次旋转角的两倍，即60°，使前肢后端上升，前肢舵机即停转，软体控制模块再向聚吡咯条施加反向电压，使其向前上方拍动，这样由水的反作用力推动龟体向后下方运动，此后按此顺序反复接通，完成下潜运动；

第二步：前进

推进由前肢与后肢的相互配合来完成，具体如下：后肢舵机得到指令后，往复旋转共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持，此时，前肢全由聚吡咯条驱动，聚吡咯条被施加正电压，向下弯曲，即向下拍动，间隔合适时间，再施加负电压，使聚吡咯条向上弯曲，即向上拍动，如此循环，完成推进运动，在此过程中，应保持前肢与后肢摆动频率相同，便于保持平衡；

第三步：转向

有两种方案，均为差速转向且运动完成后，舵机需要回到原位，

方案一：由后肢实现，前肢上下摆动共60°来保持平衡，两个后肢舵机中，一个保持不动，另一个后肢舵机通过舵机套筒带动连轴，再由小弹性带带动后肢传动轴转动，实现后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，且在整个过程中运动保持；

方案二：由前肢实现，后肢上下摆动保持平衡并提供一定推力，两个前肢中，一个保持不动，另一个运动如下：前肢舵机得到指令后，前肢左侧舵机顺时针旋转90°，前肢右侧舵机逆时针旋转90°，使两侧前肢竖直，此时，前肢舵机立即停止转动，接着向聚吡咯条施加反向电压，向后侧拍动，这样由水的反作用力推动龟体转向；

第四步：上浮

上浮主要由后肢来完成，前肢上、下摆动共60°来保持平衡，后肢运动具体如下：后肢舵机得到指令后，后肢左侧舵机逆时针旋转90°，同时后肢右侧舵机顺时针旋转90，让两侧后肢均保持竖直向下，以此为中心位置往复旋转共60°，通过舵机套筒带动连轴，由小弹性带带动后肢传动轴转动，完成后肢横向朝下往复摆动共60°，获得向上推力，且在整个过程中运动保持；

第五步：收回

由后肢运动实现，后肢舵机通过舵机套筒带动连轴，再由小弹性带带动后肢传动轴转动，实现后肢竖向往复摆动共60°，获得前进推力，划向岸边，完成回收。

10.一种基于权利要求6所述的水下仿生龟机器人的工作方法，其特征在于，若出现紧急故障，通过控制安全收回舱进行收回安全收回，具体是：

操作者向安全收回舱发出上浮命令，使舱内伺服电机转动，通过舱盖打开机构打开舱盖，释放压缩气囊，带动仿龟机器人上浮。

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