CN114604395A - 一种水陆两栖仿生监测海龟 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人仿生学领域，提出了一种水陆两栖仿生监测海龟，其包括海龟头部、海龟身体、水翼机构和后腿机构，海龟身体的内部设置有水翼传动机构和调重心机构，海龟本体内部安装有水下监测模块、通讯模块和控制主板。该仿生海龟的水翼结构，采用平面四连杆，实现了仿生海龟扑翼运动轨迹，通过设置水翼弹簧自锁，实现仿生海龟的海陆两栖行进切换，能够在陆地爬行，仿生海龟后腿使用RSSR空间四连杆，使仿生海龟后腿翻转动作更自然，通过导轨调整配重以改变重心，实现仿生海龟的浮沉，采用物联网平台OneNET及微信小程序对仿生海龟进行实时控制和监测，从而更好的针对海龟进行仿生，便于开展远程水下的隐身监测工作。
Description
技术领域
本发明涉及机器人仿生学领域，具体涉及一种水陆两栖仿生监测海龟。
背景技术
目前，传统的水下推进方式为螺旋桨推进，螺旋桨推进技术虽然在实际应用中有着不可替代的地位，但自身亦存在着不足，如噪声大、对环境扰动大，运动灵活性较差，应用场合受到了限制。采用螺旋桨推进式驱动检测器，容易被反侦察手段所侦查到，所以作为一个合格的水下侦察工具，应有噪声小、不产生尾迹等特性。
仿生海龟相较于普通水下推进器有诸多优势，如噪声较小、不产生尾迹，使隐身侦察成为可能。仿生机械用于生物科研也会产生奇效。正常的摄影设备在工作时会对动物产生影响，使数据不可靠。如果可以使用仿生摄像头去采集信息，就可以对生物实时跟踪，并且完全地融入到动物群体当中，采集更可靠的数据。为此，本发明提出一种水陆两栖仿生监测海龟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水陆两栖仿生监测海龟，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水陆两栖仿生监测海龟，包括海龟身体5、机械驱动组件、电控功能组件和外壳支撑组件；
海龟头部1和海龟身体5间设有海龟头部连接件2；海龟身体5内安装有传动机构4、调重心机构6、通讯模块和控制主板；海龟头部1内设有水下监测模块；
外壳支撑组件包括海龟头部1、龟壳、铝型材框架和碳纤维板；龟壳通过碳纤维板固定于铝型材框架上方，组成海龟身体5；
机械驱动组件包括两水翼机构3、传动机构4、调重心机构6和两后腿机构7；
水翼机构3分别设置于海龟身体5两侧，其包括水翼连接件23、水翼内板24、水翼外板25、水翼骨架26、水翼上连杆27、水翼中连杆28和水翼下连杆29；水翼连接件23固定于海龟身体5，水翼中连杆28、水翼内板24与水翼上连杆27分别一端部铰接于水翼连接件23；水翼骨架26分别与水翼上连杆27和水翼中连杆28另一端部铰接，水翼外板25固结于水翼骨架26上；水翼下连杆29一端铰接于水翼上连杆27另一端部，另一端铰接于水翼内板24上；仿生监测海龟首次扑翼过程中，水翼外板25触地后变形；水翼外板25与水翼骨架26向上转动，带动水翼上连杆27顺时针转动，水翼下连杆29带动水翼内板24逆时针转动，水翼内板24下侧接地，实现水翼机构3与地面接触点内移；
传动机构4布置于海龟身体5内，包括前轴承座8、后轴承座9、内轴承座19、外轴承座20、前连杆10、后连杆11、前转轴12、后转轴13、主轴连接件14、主轴15、鱼眼轴承16、主连杆17、气动连接件18、水翼连接轴21和水翼支撑座22；其中前轴承座8和后轴承座9平行，其内分别安装有前转轴12和后转轴13，前转轴12固结于前连杆10上，后转轴13固结于后连杆11上；主轴连接件14将两连杆铰接，其一端与主轴15前端垂直固结；主轴15末端与鱼眼轴承16连接，鱼眼轴承16通过主连杆17与气动连接件18的内侧相连，气动连接件18的外侧与水翼连接轴21连接；内轴承座19和外轴承座20均套于水翼连接轴21上，二者间安装水翼支撑座22；水翼连接轴21与水翼连接件23连接，进而与水翼机构3连接；传动机构4运作时，直流电机带动连杆匀速转动，两连杆与主轴连接件14组成平面四连杆机构，带动主轴15进行类椭圆轨迹运动；通过主连杆17与水翼连接轴21进一步转化为与传动机构4相连的水翼机构3的扑翼运动；
调重心机构6分为左右两组机械传动结构，布置于海龟身体5内上上方，传动机构4后侧；每组均包括前后两个皮带轮、皮带、滑块和导轨，左皮带46和右皮带47的上下表面分别与滑块和配重45的两端固定，整体分别在左导轨48和右导轨49上滑动；两组机械传动结构间的前端皮带轮通过前皮带轮轴40固结，后端皮带轮间依次设置左后皮带轮轴52、左联轴器54、步进电机56、右联轴器55和右后皮带轮轴53；两后端皮带轮经步进电机56带动，分别通过皮带带动两前端皮带轮转动；两皮带分别带动左滑块43和右滑块44运动，进而移动配重45；步进电机56控制配重45的前后移动范围为两导轨的长度；
后腿机构7包括舵机连接片30、舵机外连杆31、舵机内连杆32、后腿下连杆33、后腿上连杆34、下鱼眼轴承35、上鱼眼轴承36、后腿螺杆37、后腿连接件38和后腿39；舵机连接片30两端分别铰接于接舵机外连杆31和舵机内连杆32上，两舵机连杆端部由后腿下连杆33连接；后腿下连杆33一端部连接下鱼眼轴承35，后腿上连杆34一端部连接上鱼眼轴承36，上鱼眼轴承36与下鱼眼轴承35间设有后腿螺杆37；后腿连接件38套于后腿螺杆37上并连接后腿39；后腿上连杆34铰接于海龟身体5内，于竖直平面内转动；舵机通过舵机连接片30固定于海龟身体5后端；舵机驱动后腿机构7摆动时，舵机连接片30带动舵机外连杆31和舵机内连杆32移动，舵机外连杆31和舵机内连杆32带动后腿下连杆33在水平面内转动；后腿下连杆33在水平面内的转动通过后腿螺杆37带动后腿上连杆34在竖直平面内转动，后腿下连杆33和后腿上连杆34的共同转动使得后腿螺杆37运动，实现后腿39的翻转动作；
电控功能组件包括驱动传动机构4的直流电机、驱动调重心机构6的步进电机、驱动后腿机构7的舵机、水下监测模块、通讯模块和控制主板；通讯模块用于接收控制信号和发送监测数据，控制信号通过控制主板转换为各电机和舵机的驱动信号，监测数据来自水下监测模块中。
所述水下监测模块为摄像头，通讯模块为Wi-Fi模块。
所述通讯模块和控制主板安装于调重心机构6下方，固定于碳纤维板上。
所述水翼外板25材质为亚克力板；水翼骨架26材质为碳纤维板。
所述传动机构4包括平面四连杆机构和SRRR空间连杆机构，SRRR空间连杆机构由主轴15、主连杆17和水翼连接轴21组成，SRRR空间连杆机构通过主轴15与平面四连杆机构的外侧连接，将类椭圆运动转化为水翼连接轴21的摆动和转动，进而带动与其连接的水翼机构的扑翼运动，通过传动机构模拟真实海龟的扑翼推进运动。水翼机构为可变型自锁水翼，由平面五连杆机构和自锁弹簧组成，实现仿生海龟上岸后水翼尖端触底，触发变形机构，使得水翼由游动形态变为爬行形态，并由弹簧在无触发力作用时保持机构形态稳定。
所述水下监测模块、通讯模块和控制主板均采用防水密封后，安装在海龟身体的内部，水下监测模块具体为OV2640摄像头，控制主板为stm32单片机，通讯模块为ESP8266Wi-Fi模块。
所述后腿机构7由使左右两腿同步转动的平行四边形机构与左右两个RSSR空间连杆机构组成；平行四边形机构包括舵机连接片30、舵机外连杆31和舵机内连杆32；RSSR空间连杆机构包括后腿下连杆33、后腿上连杆34和后腿螺杆37；舵机外连杆31和舵机内连杆32与舵机连接片30连接且两杆保持平行，使舵机轴的转动同步传递至两侧的后腿下连杆33，进而通过RSSR空间连杆机构带动后腿翻转，由此实现两腿同步转动。
所述调重心机构6通过电机驱动皮带轮，使重物前后移动一定距离，仿生海龟的重心前后位置随之改变，仿生海龟身体也形成倾角，从而实现仿生海龟的下沉上浮。
本发明的有益效果：
1.为仿生海龟加装水下监测模块，对水质等海洋信息进行实时监控，采集更多的海洋信息益于人们对海洋的进一步探索，同时也对海洋有更好的保护利用仿生海龟扑翼推进特性的优势，可以在水下推进的同时，产生较小的光、热、声和尾迹。
2.利用此特性实现水下隐身侦察，加装遥控模块，实现仿生海龟的远程控制；加装信息采集系统，实时拍摄视频，传输至主控台，实现隐身侦察功能。
3.满足科研需要，仿生监测装置可以在不影响动物的同时记录生物信息，甚至可以融入种群，记录更有效的科研数据，比如在水下拍摄方面，为采集水下动物的图像信息，常规方法需要人在水下拍摄，这种方法对摄影师有很高的要求，并且容易影响甚至驱散海洋生物，难以拍摄到具有参考价值的海洋生物图像，生物仿生海龟外形趋近于海龟，对于海洋生物影响较小，加装摄像模块后可以记录海洋生物最真实的生活状态。
附图说明
图1为水陆两栖仿生监测海龟立体结构示意图；
图2为水陆两栖仿生监测海龟俯视结构展示图；
图3为水陆两栖仿生监测海龟俯视结构示意图；
图4为传动机构主视图；
图5为传动机构侧视图；
图6为水翼机构主视图；
图7为后腿机构立体图；
图8为调重心机构立体图；
图9为水陆两栖仿生监测海龟系统构成框图；
图10为水陆两栖仿生监测海龟工作流程框图。
图中：1海龟头部、2海龟头部连接件、3水翼机构、4传动机构、5海龟身体、6调重心机构、7后腿机构、8前轴承座、9后轴承座、10前连杆、11后连杆、12前转轴、13后转轴、14主轴连接件、15主轴、16鱼眼轴承、17主连杆、18气动连接件、19内轴承座、20外轴承座、21水翼连接轴、22水翼支撑座、23水翼连接件、24水翼内板、25水翼外板、26水翼骨架、27水翼上连杆、28水翼中连杆、29水翼下连杆、30舵机连接片、31舵机外连杆、32舵机内连杆、33后腿下连杆、34后腿上连杆、35下鱼眼轴承、36上鱼眼轴承、37后腿螺杆、38后腿连接件、39后腿、40前皮带轮轴、41左前皮带轮、42右前皮带轮、43左滑块、44右滑块、45配重、46左皮带、47右皮带、48左导轨、49右导轨、50左后皮带轮、51右后皮带轮、42左后皮带轮轴、53右后皮带轮轴、54左联轴器、55右联轴器、56步进电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
请参阅图1-3，一种水陆两栖仿生监测海龟，仿生监测海龟本体包括海龟头部1、海龟身体5、水翼机构3和后腿机构7，海龟身体5的内部设置有传动机构4和调重心机构6，仿生监测海龟本体的内部安装有水下监测模块、通讯模块和控制主板，水下监测模块、通讯模块和控制主板均采用防水密封后，安装在海龟身体5的内部，水下监测模块具体为OV2640摄像头，控制主板为stm32单片机，通讯模块为ESP8266 Wi-Fi模块。
海龟头部1与海龟身体5之间设置有海龟头部连接件2。
如图4和图5所示，传动机构4包括前轴承座8、后轴承座9、前连杆10、后连杆11、前转轴12、后转轴13、主轴连接件14、主轴15、鱼眼轴承16、主连杆17、气动连接件18、内轴承座19、外轴承座20、水翼连接轴21和水翼支撑座22构成。具体的，前轴承座8内安装有前转轴12，前转轴12与前连杆10固结。后轴承座9内安装有后转轴13，后转轴13与后连杆11固结。主轴连接件14与前连杆10和后连杆11铰接，与主轴15相固结。主轴15末端与鱼眼轴承16连接，鱼眼轴承16通过主连杆17与气动连接件18的内侧相连，气动连接件18的外侧与水翼连接轴21连接。内轴承座19与外轴承座20安装于水翼支撑座22上，水翼连接轴21可在内轴承座19和外轴承座20内自由转动。传动机构4运作时，直流电机带动前连杆10匀速转动，前连杆10、后连杆11与主轴连接件14组成平面四连杆机构，带动主轴15进行类椭圆轨迹运动，该运动具有急回运动特性，且当水翼机构3向后划水时速度达到极值，获得最大冲量推动仿生海龟前进。
如图6所示：水翼机构3包括水翼连接件23、水翼内板24、水翼外板25、水翼骨架26、水翼上连杆27、水翼中连杆28和水翼下连杆29。具体的，水翼连接件23与水翼上连杆27铰接，使水翼上连杆27能绕水翼连接件23转动，水翼上连杆27与水翼骨架26铰接，水翼骨架26与水翼中连杆28铰接，水翼中连杆28与水翼连接件23铰接，使水翼中连杆28能绕水翼连接件23转动。水翼上连杆27与水翼下连杆29铰接，水翼下连杆29与水翼内板24铰接，水翼内板24与水翼连接件23铰接，使水翼内板24可在水翼连接件23上转动。水翼骨架26与水翼外板25固结。仿生海龟首次扑翼过程中水翼外板25触地，受到地面支持力后触发变形，水翼外板25与水翼骨架26向上转动，带动水翼上连杆27顺时针转动，同时通过水翼下连杆29带动水翼内板24逆时针转动，使其下侧可有效接地。由此实现水翼与地面接触点内移，能够更省力地进行爬行。
如图7所示：后腿机构7包括舵机连接片30、舵机外连杆31、舵机内连杆32、后腿下连杆33、后腿上连杆34、下鱼眼轴承35、上鱼眼轴承36、后腿螺杆37、后腿连接件38和后腿39。具体的，舵机外连杆31铰接于舵机连接片外侧，舵机内连杆32铰接于舵机连接片30内侧，舵机外连杆31端部铰接于后腿下连杆33的外侧，舵机内连杆32端部铰接于后腿下连杆33的内侧。下鱼眼轴承35与后腿下连杆33的外侧相连接；上鱼眼轴承35与后腿上连杆34的外侧相连接；后腿螺杆37的两端与上鱼眼轴承36和下鱼眼轴承35相连接，同时与后腿连接件38相连接。后腿连接件38与后腿39固结。后腿摆动时，首先舵机连接片30带动舵机外连杆31和舵机内连杆32移动，舵机外连杆31和舵机内连杆32带动后腿下连杆33在水平面内转动。后腿下连杆33的转动进一步通过后腿螺杆37带动后腿上连杆34在竖直平面内摆动，进而带动后腿螺杆37的摆动，实现后腿39的翻转动作。
如图8所示：调重心机构6包括前皮带轮轴40、左前皮带轮41、右前皮带轮42、左滑块43、右滑块44、配重45、左皮带46、右皮带47、左导轨48、右导轨49、左后皮带轮50、右后皮带轮51、左后皮带轮轴52、右后皮带轮轴53、左联轴器54、右联轴器55和步进电机56。具体的，步进电机56通过左联轴器54和右联轴器55，分别与左后皮带轮轴52和右后皮带轮轴53相连接，左后皮带轮轴52和右后皮带轮轴53分别与左后皮带轮50和右后皮带轮51相固结。左后皮带轮50和右后皮带轮51分别通过左皮带46和右皮带47带动左前皮带轮41和右前皮带轮42转动。左前皮带轮41和右前皮带轮42通过前皮带轮轴40相固结。同时，左皮带46与右皮带47分别带动安装于左导轨48和右导轨49上的左滑块43和右滑块44前后运动。配重与左滑块43和右滑块44相固结，配重与滑块将皮带夹紧；配重随滑块前后运动，实现仿生海龟重心的调节。由于仿生海龟体内空间有限，配重45的前后移动范围为左导轨48和右导轨49的长度。配重45处于平衡位置时，仿生海龟重心需调至浮心正下方，且当配重45处于极限位置时，仿生海龟身体倾角需为一个合理值，实现沉浮运动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种水陆两栖仿生监测海龟，其特征在于，该水陆两栖仿生监测海龟包括海龟身体(5)、机械驱动组件、电控功能组件和外壳支撑组件；
海龟头部(1)和海龟身体(5)间设有海龟头部连接件(2)；海龟身体(5)内安装有传动机构(4)、调重心机构(6)、通讯模块和控制主板；海龟头部(1)内设有水下监测模块；
外壳支撑组件包括海龟头部(1)、龟壳、铝型材框架和碳纤维板；龟壳通过碳纤维板固定于铝型材框架上方，组成海龟身体(5)；
机械驱动组件包括两水翼机构(3)、传动机构(4)、调重心机构(6)和两后腿机构(7)；
水翼机构(3)分别设置于海龟身体(5)两侧，其包括水翼连接件(23)、水翼内板(24)、水翼外板(25)、水翼骨架(26)、水翼上连杆(27)、自锁弹簧、水翼中连杆(28)和水翼下连杆(29)；水翼连接件(23)固定于海龟身体(5)，水翼中连杆(28)、水翼内板(24)与水翼上连杆(27)分别一端部铰接于水翼连接件(23)；水翼骨架(26)分别与水翼上连杆(27)和水翼中连杆(28)另一端部铰接，水翼外板(25)固结于水翼骨架(26)上；水翼下连杆(29)一端铰接于水翼上连杆(27)另一端部，另一端铰接于水翼内板(24)上；自锁弹簧两端分别与水翼连接件(23)和水翼中连杆(28)连接，用于水翼变形后自动锁定水翼中连杆(28)的位置；仿生监测海龟首次扑翼过程中，水翼外板(25)触地后变形；水翼外板(25)与水翼骨架(26)向上转动，带动水翼上连杆(27)顺时针转动，水翼下连杆(29)带动水翼内板(24)逆时针转动，水翼内板(24)下侧接地，实现水翼机构(3)与地面接触点内移；
传动机构(4)布置于海龟身体(5)内，包括四轴承座、两连杆、两转轴、主轴连接件(14)、主轴(15)、鱼眼轴承(16)、主连杆(17)、气动连接件(18)、水翼连接轴(21)和水翼支撑座(22)；其中两轴承座前后平行，其内均安装有转轴，转轴固结于连杆上；主轴连接件(14)将两连杆铰接，其一端与主轴(15)前端垂直固结；主轴(15)末端与鱼眼轴承(16)连接，鱼眼轴承(16)通过主连杆(17)与气动连接件(18)的内侧相连，气动连接件(18)的外侧与水翼连接轴(21)连接；另外两轴承座套于水翼连接轴(21)，二者间安装水翼支撑座(22)；水翼连接轴(21)与水翼连接件(23)连接，进而与水翼机构(3)连接；传动机构(4)运作时，直流电机带动连杆匀速转动，两连杆与主轴连接件(14)组成平面四连杆机构，带动主轴(15)进行类椭圆轨迹运动；主轴(15)、主连杆(17)和水翼连接轴(21)组成SRRR空间连杆机构，通过主轴(15)与平面四连杆机构连接，将类椭圆运动转化为水翼连接轴(21)的摆动和转动，进一步转化为与传动机构(4)相连的水翼机构(3)的扑翼运动；
调重心机构(6)分为左右两组机械传动结构，布置于海龟身体(5)内上上方，传动机构(4)后侧；每组均包括前后两个皮带轮、皮带、滑块和导轨，左右两皮带上下表面分别与滑块和配重(45)的两端固定，整体在导轨上滑动；两组机械传动结构间的前端皮带轮通过前皮带轮轴(40)固结，后端皮带轮间依次设置左后皮带轮轴(52)、左联轴器(54)、步进电机(56)、右联轴器(55)和右后皮带轮轴(53)；两后端皮带轮经步进电机(56)带动，分别通过皮带带动两前端皮带轮转动；两皮带分别带动滑块运动，进而移动配重(45)；步进电机(56)控制配重(45)的前后移动范围为两导轨的长度；
后腿机构(7)包括舵机连接片(30)、舵机外连杆(31)、舵机内连杆(32)、后腿下连杆(33)、后腿上连杆(34)、下鱼眼轴承(35)、上鱼眼轴承(36)、后腿螺杆(37)、后腿连接件(38)和后腿(39)；舵机连接片(30)两端分别铰接于接舵机外连杆(31)和舵机内连杆(32)上，两舵机连杆端部由后腿下连杆(33)连接；后腿下连杆(33)一端部连接下鱼眼轴承(35)，后腿上连杆(34)一端部连接上鱼眼轴承(36)，上鱼眼轴承(36)与下鱼眼轴承(35)间设有后腿螺杆(37)；后腿连接件(38)套于后腿螺杆(37)上并连接后腿(39)；后腿上连杆(34)铰接于海龟身体(5)内，于竖直平面内转动；舵机通过舵机连接片(30)固定于海龟身体(5)后端；舵机驱动后腿机构(7)摆动时，舵机连接片(30)带动舵机外连杆(31)和舵机内连杆(32)移动，舵机外连杆(31)和舵机内连杆(32)带动后腿下连杆(33)在水平面内转动；后腿下连杆(33)在水平面内的转动通过后腿螺杆(37)带动后腿上连杆(34)在竖直平面内转动，后腿下连杆(33)和后腿上连杆(34)的共同转动使得后腿螺杆(37)运动，实现后腿(39)的翻转动作；
电控功能组件包括驱动传动机构(4)的直流电机、驱动调重心机构(6)的步进电机、驱动后腿机构(7)的舵机、水下监测模块、通讯模块和控制主板；通讯模块用于接收控制信号和发送监测数据，控制信号通过控制主板转换为各电机和舵机的驱动信号，监测数据来自水下监测模块中。
2.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生监测海龟，其特征在于，所述水下监测模块为摄像头，通讯模块为Wi-Fi模块。
3.根据权利要求1或2所述的水陆两栖仿生监测海龟，其特征在于，所述通讯模块和控制主板安装于调重心机构(6)下方，固定于碳纤维板上。
4.根据权利要求1所述的水陆两栖仿生监测海龟，其特征在于，所述水翼外板(25)材质为亚克力板；水翼骨架(26)材质为碳纤维板。
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Cited By (3)
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| CN115107972A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-27 | 北京工业大学 | 一种基于仿生学的水翼机构 |
| CN115123502A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-30 | 深圳技术大学 | 龟鳍驱动装置及仿生海龟 |
| CN115431687A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-12-06 | 江苏理工学院 | 一种水陆两栖龟型载重机器人及其控制系统 |
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2022
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| CN115107972B (zh) * | 2022-06-27 | 2024-04-12 | 北京工业大学 | 一种基于仿生学的水翼机构 |
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