CN114560064B - 一种仿生水母机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种仿生水母机器人。包括壳体和推进机构，所述推进机构包括机械臂，所述壳体内部设有棘轮，所述棘轮连接控制及动力系统，所述棘轮外侧设有相配合的滚轮，所述滚轮通过传动杆连接所述机械臂，所述滚轮与所述传动杆转动连接，所述机械臂围绕所述壳体均匀分布，所述机械臂外侧设有水母伞状硅胶外膜，所述棘轮上方设有重心控制系统。本发明提供了一种仿生水母机器人，运行灵活且稳定，在水下更容易保持平衡，能够实时检测水母机器人的平衡，传动效率高，通用性更高。

Description

一种仿生水母机器人
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种仿生水母机器人。
背景技术
机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。“仿生机器人”就是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。其中仿生水母机器人由于其灵活的运动方式，常用于水下拍摄处理。但是传统的水母机器人运行方式稳定性差，在水下不易保持平衡，存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生水母机器人，该仿生水母机器人具有高效的传动方式，运行平稳，并且结构简单、体积小，运动灵活。
本发明提供一种仿生水母机器人，包括壳体和推进机构，所述推进机构包括机械臂，所述壳体内部设有棘轮，所述棘轮连接控制及动力系统，所述棘轮外侧设有相配合的滚轮，所述滚轮通过传动杆连接所述机械臂，所述滚轮与所述传动杆转动连接，所述机械臂围绕所述壳体均匀分布，所述机械臂外侧设有水母伞状硅胶外膜；
所述棘轮上方设有重心控制系统，所述重心控制系统包括嵌套在壳体内部的环形导轨，所述环形导轨上设有直线导轨，所述直线导轨与所述环形导轨位于同一平面并穿过所述环形导轨的圆心，所述直线导轨可沿所述环形导轨运动，所述直线导轨穿过配重块并与所述配重块螺纹连接，所述直线导轨一端连接所述控制及动力系统。
优选地，所述滚轮与所述传动杆通过滚轮夹板转动连接，所述传动杆外侧套设有弹簧，所述弹簧一端连接所述滚轮夹板，另一端与所述壳体内侧固定连接。
优选地，所述壳体底部设有气囊上浮装置，所述气囊上浮装置包括药剂室和气囊，所述气囊连通所述药剂室，所述药剂室与储水室之间设有第一电磁阀，所述储水室上设有开口，所述开口处设有第二电磁阀，所述药剂室内设有遇水反应的试剂。
优选地，所述机械臂上设有剪刀，所述剪刀的两个刀柄位于靠近所述硅胶外膜一侧并连接有滑轨架，所述刀柄包括第一刀柄和第二刀柄，所述第一刀柄与所述滑轨架一端转动连接，所述第二刀柄与所述滑轨架滑动连接，所述第二刀柄连接所述控制及动力系统。
优选地，所述机械臂与所述壳体之间设有辅助定位板，所述机械臂与所述辅助定位板转动连接，所述辅助定位板上设有限位孔，所述壳体上设有钩爪，所述钩爪穿过所述限位孔连接所述辅助定位板，所述钩爪底部与第一连杆转动连接，所述第一连杆位于所述壳体内部，所述壳体内部设有舵机，所述第一连杆通过第二连杆连接所述舵机，所述第一连杆与所述第二连杆之间转动连接，所述舵机连接所述控制及动力系统。
优选地，所述机械臂设置六个，所述机械臂通过橡胶圈与所述硅胶外膜固定连接。
优选地，所述壳体顶端设有摄像头。
优选地，所述硅胶外膜的弹性模量2.14MPa，泊松比为0.48，厚度为5mm。
优选地，所述控制及动力系统包括控制模块和动力模块，所述控制模块包括控制器和信号接收器。
优选地，所述棘轮下方设有物品储存仓和平衡检测装置。
有益效果：
本发明提供了一种仿生水母机器人，运行方式稳定，在水下更容易保持平衡，传动效率高，通用性更高。本发明通过添加重心控制系统，能够实时检测水母机器人的平衡，并通过调整配重块和直线导轨的位置调整水母机器人的重心，确保运行平衡，提高其工作稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明省略硅胶外膜和壳体顶部的立体剖面示意图；
图3为本发明省略硅胶外膜的剖面示意图；
图4为图3中A处放大示意图；
图5为壳体内部结构拆分示意图。
附图标记说明：
1-硅胶外膜，2-壳体，3-摄像头，4-机械臂，5-物品储存仓，6-气囊上浮装置，7-平衡检测装置，8-剪刀，9-第一刀柄，10-滑轨架，11-第二刀柄，12-气囊，13-配重块，14-直线导轨，15-辅助定位板，16-环形导轨，17-棘轮，18-第二连杆，19-第一连杆，20-滚轮，21-滚轮夹板，22-弹簧，23-传动杆，24-钩爪，25-卡扣，26-舵机，27-第二电磁阀，28-储水室，29-第一电磁阀，30-药剂室，31-气室。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。
实施例1
如图1-图5所示，一种仿生水母机器人，包括壳体2和推进机构，推进机构包括机械臂4，机械臂4外侧设有水母伞状硅胶外膜1，硅胶外膜1的弹性模量2.14MPa，泊松比为0.48，厚度为5mm。
壳体2内部设有棘轮17，棘轮17连接控制及动力系统，棘轮17外侧设有相配合的滚轮20，滚轮20与棘轮17位于同一平面，且两者的轴线平行。滚轮20通过传动杆23连接机械臂4，滚轮20与传动杆23通过滚轮夹板21转动连接，传动杆23外侧套设有弹簧22，弹簧22一端连接滚轮夹板21，另一端与壳体2内侧固定连接，设有弹簧22能够起一定缓冲作用，避免滚轮20和棘轮17受损。棘轮17在控制及动力系统的作用下转动，顶起棘轮17上的滚轮20，进而控制机械臂4的伸展和收缩。传动杆23与机械臂4之间采用卡扣25连接，卡扣25为伞状结构，卡扣25内部设有电磁铁，通电时卡扣25收缩，传动杆23与机械臂4分离。
机械臂4围绕壳体2均匀分布，壳体2顶端设有摄像头3。摄像头3可实时观测周边环境，并进行记录，不仅能够随时确认仿生水母机器人的行进路线，还能够实现水下观测。壳体2外侧均涂覆有KN17高分子陶瓷聚合物防腐蚀材料。机械臂4设置六个，机械臂4通过橡胶圈与硅胶外膜1固定连接，通过控制机械臂4进而控制硅胶外膜1的伸展和收缩。
机械臂4与壳体2之间设有辅助定位板15，机械臂4与辅助定位板15转动连接，辅助定位板15上设有限位孔，壳体2上设有钩爪24，钩爪24穿过限位孔连接辅助定位板15，钩爪24底部与第一连杆19转动连接，第一连杆19位于壳体2内部，如图4所示。壳体2内部设有舵机26，第一连杆19通过第二连杆18连接舵机26，第一连杆19与第二连杆18之间转动连接，舵机26连接控制及动力系统。舵机26转动可通过第二连杆18拉动第一连杆19，进而拉动钩爪24底部，改变钩爪24弯曲角度，便于机械臂4脱离。
机械臂4上设有剪刀8，剪刀8的两个刀柄位于靠近硅胶外膜1一侧并连接有滑轨架10，刀柄包括第一刀柄9和第二刀柄11，第一刀柄9与滑轨架10一端转动连接，第二刀柄11与滑轨架10滑动连接，第二刀柄11连接控制及动力系统。驱动第二刀柄11可实现剪刀8闭合，进而剪断水草，方便机械臂4运行。剪刀8的初始状态为打开，当遇到水草时可进行闭合进而剪断水草，避免水草缠绕导致
棘轮17上方设有重心控制系统，重心控制系统包括嵌套在壳体2内部的环形导轨16，环形导轨16上设有直线导轨14，直线导轨14与环形导轨16位于同一平面并穿过环形导轨16的圆心，直线导轨14两端可沿环形导轨16运动，直线导轨14穿过配重块13并与配重块13螺纹连接，直线导轨14一端连接控制及动力系统。控制及动力系统可控制直线导轨14自转，通过螺纹转动控制配重块13所在的位置；同时可以控制直线导轨14绕环形导轨16圆心转动，进而改变配重块13的位置，达到控制重心的效果。棘轮17下方设有物品储存仓5和平衡检测装置7，实现对水母机器人平衡的实时监测，也可携带部分物品。
壳体2底部设有气囊上浮装置6，气囊上浮装置6包括药剂室30和气囊12，气囊12连通药剂室30，药剂室30与储水室28之间设有第一电磁阀29，储水室28上设有开口，开口处设有第二电磁阀27，药剂室30内设有遇水反应生成气体的试剂，气囊上浮装置6结构如图5所示。试剂反应后生成气体经过气室31进入气囊12，气囊12体积扩大，增加浮力，进而带动仿生水母机器人上升至水面。气囊上浮装置6工作示意图如图3所示。
上述试剂可为FeCl3和Na2CO3，其中FeCl3和Na2CO3的摩尔比为2：3。
上述试剂也可为泡腾片，泡腾片采用有机酸和碱式碳酸(氢)盐反应做泡腾崩解剂，放入水中即刻发生泡腾反应，生成并释放大量的二氧化碳气体。
控制及动力系统包括控制模块和动力模块，控制模块包括控制器和信号接收器，动力模块包括电机和舵机。控制及动力系统设置在壳体2内部。壳体2内还设有电源，电源连接控制及动力系统。控制器和信号接收器均为本领域常规装置。
工作过程：
仿生水母机器人工作时，控制及动力系统驱动棘轮17转动，滚轮20沿棘轮17外侧转动，进而推动传动杆23，控制机械臂4和硅胶外膜1的伸缩，收缩的过程中硅胶外膜1快速波动水，对硅胶外膜1形成反推力，从而实现水母的向上推进；壳体2顶部摄像头3持续观测周边状况，进而确定行进方向。
重心控制系统持续工作，同时平衡检测装置7实时检测仿生水母机器人的平稳程度，当重心偏移时，控制及动力系统通过控制直线导轨14的自转和沿环形导轨16圆心转动，调整配重块13的位置，进而调整仿生水母机器人的重心，保证运行平稳。
当机械臂4被水草缠绕时，控制及动力系统控制第二刀柄11沿滑轨架10运行，靠近第一刀柄9实现闭合，将缠绕在机械臂4上的水草剪断，使机械臂4可以正常运行，之后第二刀柄11远离第一刀柄9，剪刀8维持打开状态。
当机械臂4被卡住或者仿生水母机器人电源不足，棘轮17转动促使机械臂4带动硅胶外膜1张开获得最大浮力，同时传动杆23上卡扣25的电磁铁通电，卡扣25收缩，传动杆23与机械臂4分离；第二连杆18在舵机26的转动下向内收缩，进而拉动第一连杆19，钩爪24底部关节伸展，顶端与水平面的夹角为90°，壳体2在重力作用下下沉，机械臂4和硅胶外膜1脱离壳体2。
之后壳体2底部气囊上浮装置工作，第二电磁阀27打开，储水室28进水，之后关闭第二电磁阀27，打开第一电磁阀29，药剂室30内的试剂与水混合发生反应产生大量气体，气体经过气室31进入气囊12，气囊12体积变大增大浮力，进而使壳体2调转方向远离机械臂4，气囊12位于上方，带动壳体2上升至水面，实现对壳体2内部机构的回收。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种仿生水母机器人，其特征在于，包括壳体和推进机构，所述推进机构包括机械臂，所述壳体内部设有棘轮，所述棘轮连接控制及动力系统，所述棘轮外侧设有相配合的滚轮，所述滚轮通过传动杆连接所述机械臂，所述滚轮与所述传动杆转动连接，所述机械臂围绕所述壳体均匀分布，所述机械臂外侧设有水母伞状硅胶外膜；所述机械臂上设有剪刀，所述剪刀的两个刀柄位于靠近所述硅胶外膜一侧并连接有滑轨架，所述刀柄包括第一刀柄和第二刀柄，所述第一刀柄与所述滑轨架一端转动连接，所述第二刀柄与所述滑轨架滑动连接，所述第二刀柄连接所述控制及动力系统；
所述棘轮上方设有重心控制系统，所述重心控制系统包括嵌套在壳体内部的环形导轨，所述环形导轨上设有直线导轨，所述直线导轨与所述环形导轨位于同一平面并穿过所述环形导轨的圆心，所述直线导轨可沿所述环形导轨运动，所述直线导轨穿过配重块并与所述配重块螺纹连接，所述直线导轨一端连接所述控制及动力系统。
2.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述滚轮与所述传动杆通过滚轮夹板转动连接，所述传动杆外侧套设有弹簧，所述弹簧一端连接所述滚轮夹板，另一端与所述壳体内侧固定连接。
3.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述壳体底部设有气囊上浮装置，所述气囊上浮装置包括药剂室和气囊，所述气囊连通所述药剂室，所述药剂室与储水室之间设有第一电磁阀，所述储水室上设有开口，所述开口处设有第二电磁阀，所述药剂室内设有遇水反应的试剂。
4.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述机械臂与所述壳体之间设有辅助定位板，所述机械臂与所述辅助定位板转动连接，所述辅助定位板上设有限位孔，所述壳体上设有钩爪，所述钩爪穿过所述限位孔连接所述辅助定位板，所述钩爪底部与第一连杆转动连接，所述第一连杆位于所述壳体内部，所述壳体内部设有舵机，所述第一连杆通过第二连杆连接所述舵机，所述第一连杆与所述第二连杆之间转动连接，所述舵机连接所述控制及动力系统。
5.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述机械臂设置六个，所述机械臂通过橡胶圈与所述硅胶外膜固定连接。
6.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述壳体顶端设有摄像头。
7.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述硅胶外膜的弹性模量2.14MPa，泊松比为0.48，厚度为5mm。
8.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述控制及动力系统包括控制模块和动力模块，所述控制模块包括控制器和信号接收器。
9.根据权利要求1所述的仿生水母机器人，其特征在于，所述壳体内部还设有物品储存仓和平衡检测装置。
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