CN114789783B - 一种脉冲喷射水下仿生水母机器人 - Google Patents

一种脉冲喷射水下仿生水母机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水下仿生喷射水母机器人，包括动力控制部分、动力执行部分、平衡装置。动力控制部分位于机器人上部，由单片微控制器、继电器、电源、气泵组、气囊组成；动力执行部分位于机器人中部，由上层气腔与下层水腔组成，中层气腔与下层水腔通过弹性薄膜分隔，下层水腔内均布四个独立可控且内含小气囊的小水舱，小气囊与动力控制部分内的气囊相连，小气囊的伸缩控制水舱内的水量，下层水腔侧壁与底部装有多个单向阀；平衡装置由鱼鳍和尾摆组成，鱼鳍和尾摆分别位于下层水腔侧部以及底部边缘。在单片微控制器的控制下可实现吸水、喷水从而执行轴向加速运动、水中悬停及沉浮、快速转向等运动，本发明具有灵活性好、结构简单、可拓展性高等优点。

Description

一种脉冲喷射水下仿生水母机器人
技术领域
本发明涉及水下仿生机器人技术领域，具体地说，是一种脉冲喷射水下仿生水母机器人。
背景技术
由于人类海洋生态环保意识淡薄、人类对海洋资源需求的不断增加以及粗放的海洋经济发展模式对海洋生态系统造成了极大压力，导致海洋生态系统修复能力下降，严重威胁着海洋生态安全，需要不断强化海洋环境治理与生态修复为主要内容的生态治理体系建构，加强水质监测与污染源追踪，而目前的水质监测技术存在监测范围小、不具备精确性等问题。而机器人具有感知机器人具有感知、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。水母作为水下低等的无脊椎浮游动物，身体结构比较简单，所以是通过是通过腔体收缩喷水前进，水母的伞状体结构直径范围很大，在伞体里面有很多肌肉纤维，通过其收缩带动整个内伞腔体产生收缩运动，排出腔体内的水，从而向后形成喷出水流来使水母向前推进，水母运动原理简单，易于仿生。
水下仿生机器人是仿生水母形态及墨鱼运动方式、结合鱼类沉浮及平衡方式而研制的高度仿生机械，可在复杂的水下环境中平稳性前进、转向及悬停,未来可广泛用于海洋水质监测、水下探测避障、军事侦察等较为复杂场景。
发明内容
本发明的目的是提高一种灵活性好、结构简单、可拓展性高的水下仿生水母机器人。为了达到上述目的，本发明通过高度仿生水母的动力系统，设计了一种放生水木机器人。
本发明的具体技术方案如下：
包括：动力控制部分、动力执行部分和平衡装置；
所述动力控制部分包括单片微控制器、继电器、气泵、气囊和电源组成动力控制系统，动力控制部分固定在中层壳体顶部凸台上，动力控制部分四周是耐压防水层，凸台中央放置有继电器电源安装架，继电器电源安装架底部设置有螺纹孔，顶部置有安装单片微控制器的凹槽，凸台中心以及圆周分布有螺纹孔，气泵安装架两侧有螺纹孔，气泵安装架圆周分布于凸台上，气泵安装架、继电器电源安装架与凸台通过螺钉连接；气囊放在气泵上，输气管一路从凸台内部输气管孔穿过，接通中层气腔，构成动力气体通路，输气管通过导气管与方向及沉浮水舱接通，构成方向及沉浮气体通路；
动力执行部分包括中层气腔和下层水腔，中层气腔包括核心动力控制气腔室，顶部凸台有通气孔以及多个螺纹孔，边缘上下部均为耐压防水层；下层水腔包括四个均布的方向及沉浮水舱和中间水腔，四个水舱皆独立可控，内含小气囊通过壳体导气管与动力控制部分气囊相连，小气囊伸缩控制每个水舱内水量，调整配重，下层腔室侧壁与底部装有多个单向阀控制海水吸入与快速喷出，构成动力推进机构；
中层气腔与下层水腔通过弹性薄膜分隔开；
下层水腔的外壁均布四个鱼鳍结构，下层水腔底部外缘均布八个尾摆结构，鱼鳍与尾摆共同控制装置平衡。
进一步的，所述的动力控制部分外壳体所用材料为透明光敏树脂，透光率达85％，在光敏树脂内部加装有摄像头。
进一步的，所述单片微控制器为STM32F4系列，单片微控制器嵌套在加工有方形凹槽结构的安装架上，通过杜邦线与安装架下部的继电器连接，继电器通过杜邦线接收来自于单片微控制器电信号控制气泵周期性吸放气，气泵圆周阵列于中层壳体顶部凸台上，通过气泵安装架与凸台形成螺纹连接，5V/12V双输出电源置于继电器电源安装架中部，分别给单片微控制器、继电器及气泵供电。
进一步的，通过单片微控制器控制气泵驱动气体的周期性吸放，气体通过导气管被周期性的释放到中层气腔和吸收回动力控制系统气囊，达到改变中层气腔压强的目的，从而实现弹性薄膜的向上收缩与向下扩张，薄膜向上收缩时，水经过下层水腔侧壁上的单向阀流入水腔内部，薄膜向下扩张时，薄膜对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力。
进一步的，所述的动力控制部分与中层气腔均有耐压防水层，耐压防水层上层被加工为环形凸台，下层被加工为与环型凸台同尺寸的环形凹槽，耐压防水层上层与下层连接形成迷宫式凹凸连接，动力控制部分与中层气腔以及中层气腔与下层水腔之间设有多个螺纹孔，并通过配套的螺钉连接，有效防止水母机器人进入深水区时水压过大，使水流入上层控制室和中层气腔，大大提高了水母整体密封性，使之更为安全耐用。
进一步的，所述下层水腔由四个方向及沉浮水舱和中间水腔组成，利用单片微控制器控制四个方向及沉浮水舱内小气囊的收缩与扩张，水舱内外产生大于0.05MPa的压强差，实现水的吸收与喷射，水舱内小气囊提供壳体侧壁内的通气管与动力控制部分气囊连接，需要控制水母往左方向游动时，控制与左侧水舱内小气囊连接的气泵工作实现，需要控制水母上浮时，同时控制多个气泵将水舱内的小气囊全部充气，减少水母机器人配重并产生一定浮力，从而实现上浮运动，以此类推，通过这种方案可以实现水母机器人的多方向转向与快速沉浮。
进一步的，所述平衡装置由鱼鳍与尾摆组成，鱼鳍与尾摆通过防水胶粘连在下层水腔底部边缘，鱼鳍上设有多个与下层水腔对应的螺纹孔，并通过配套的、设置的螺柱连接，鱼鳍与尾摆在水母游动时提供水流辅助导向能力，从而提升水母机器人的整体稳定性能。
当仿生水母机器人下水后的初始处于悬浮状态，四个方向及沉浮水舱内小气囊充满气体，产生的浮力与自身的重力处于相互平衡状态；当动力控制系统单片微控制器发出指令后，单片微控制器通过继电器放大电信号驱动三个气泵开始吸气，气泵将中层气腔的气体吸入气囊内，压力差带动弹性薄膜向上收缩，水通过下层水腔侧壁上的单向阀吸入水腔，当下层水腔水满后，三个气泵停止工作的同时三个气泵开始工作，将气囊内气体泵入中层气腔内，压力增大使得弹性薄膜向下扩张，弹性薄膜对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力，实现水母前进作业，水母机器人完成一个完整的前进动作。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的放生水母机器人通过控制动力模块，多气泵同时控制气体的吸放产生压差，弹性薄膜随气压的改变实现收缩与扩张，下层水腔跟随弹性薄膜的运动频率实现同频的吸水与喷水，实现相应的轴向加速运动，此构成动力系统；四个方向及沉浮水舱可独立控制，可实现水中悬停、急速沉浮、快速转向等多种运动。
本发明还具有以下四个优点，该水母机器人运动仅消耗少量电力驱动气泵，具有显著的低能耗特点；由于水母仅少量消耗电力，主要动力依靠气膜和气囊，配合节能水动力仿生外形和水射流，具有较长时间水下滞留能力，有助于长时间水下监测和工作；其驱动力来源于压缩空气，水下运动依赖于所处水环境的水，动力介质来源简单，因此运动可靠性和维护性也更好；采用的透明树脂打印半球壳体也是极具创新意义的，此项设计确保了机器人功能的可拓展性，为未来的多方面应用打下基础。
附图说明
图1是本发明一种脉冲喷射水下仿生水母机器人的结构示意图；
图2是水母机器人在A-A方向的剖视图；
图3是水母机器人是上层控制腔室的正视图；
图4是上层控制室在B-B方向的剖视图；
图5是水母机器人中层气腔的结构示意图；
图6是水母机器人下层水腔的结构示意图；
图7是水母机器人下层水腔的正视图；
图8是下层水腔在C-C方向的剖视图；
图9是水母机器人鱼鳍的结构示意图；
图10是水母机器人尾摆的结构示意图；
图中各标号的含义为：
1-动力控制部分，11-单片微控制器，12-5V/12V双输出电源，13-继电器，14-继电器电源安装架，15-气囊，16-气泵安装架，17-气泵，18-耐压防水层，19-螺纹孔；
2-动力执行系统，21-中层气腔，211-导气管孔，212-凸台，213-螺纹孔，22-下层水腔，221-导气管，222-单向阀，223-螺纹孔，224-方向及沉浮水舱，225-小气囊，226-中间水腔；
3-平衡装置，31-鱼鳍，32-尾摆；
4-弹性薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：
如图1所示，在本实施例中，脉冲喷射水下仿生水母机器人包括动力控制部分1、动力执行部分2、平衡装置3。
如图2所示，动力控制部分1包括单片微控制器11、继电器13、气泵17、气囊15和电源12组成动力控制系统，动力控制部分1固定在中层壳体顶部凸台212上，动力控制部分1四周是耐压防水层18，凸台212中央放置有继电器电源安装架14，继电器电源安装架14设置有螺纹孔213，顶部置有安装单片微控制器的凹槽，凸台212中心以及圆周分布有螺纹孔，气泵17安装架两侧有螺纹孔，气泵安装架16圆周分布于凸台212上，气泵安装架16、继电器电源安装架14与凸台212通过螺钉连接；气囊15放在气泵17上，输气管一路从凸台内部输气管孔穿过，接通中层气腔21，构成动力气体通路，输气管通过导气管221与方向及沉浮水舱224接通，构成方向及沉浮气体通路。
动力控制部分包括中层气腔21和下层水腔22，中层气腔21包括核心动力控制气腔室，顶部凸台212有通气孔以及多个螺纹孔，边缘上下部均为耐压防水层18；下层水腔22包括四个均布的方向及沉浮水舱224和中间水腔226，四个水舱224皆独立可控，内含小气囊225通过壳体导气管221与动力控制部分1气囊15相连，小气囊225伸缩控制每个水舱224内水量，调整配重，下层腔室侧壁与底部装有多个单向阀222控制海水吸入与快速喷出，构成动力推进机构。
中层气腔21与下层水腔22通过弹性薄膜4分隔开。
下层水腔的外壁均布四个鱼鳍31结构，下层水腔22底部外缘均布八个尾摆32结构，鱼鳍31与尾摆32共同控制装置平衡。
如图3和4所示，动力控制部分1外壳体所用材料为透明光敏树脂，透光率达85％，在光敏树脂内部加装有摄像头。单片微控制器11为STM32F405系列，单片微控制器11嵌套在加工有方形凹槽结构的安装架上，通过杜邦线与安装架下部的继电器13连接，继电器13通过杜邦线接收来自于单片微控制器11电信号控制气泵周期性吸放气，气泵17圆周阵列于中层壳体顶部凸台212上，通过气泵安装架16与凸台212形成螺纹连接，5V/12V双输出电源12置于继电器电源安装架14中部，分别给单片微控制器11、继电器13及气泵17供电。气囊15设置在气泵上方，方面气体的输送与储存。
如图1和图5所示，动力控制部分1与中层气腔21通过配套的螺顶19连接，中层气腔顶部为一个凸台212，凸台上圆周阵列有螺纹孔213，与气泵安装架16通过配套的螺钉连接，以达到固定气泵17的作用，中层气腔21的中部为一个大空腔，用来是实现内外压强的产生与实现；中层气腔21上下边缘均为耐压防水层18，能有效防止水母机器人进入深水区时水压过大，使水流入动力控制部分1和中层气腔21。
通过单片微控制器11控制气泵17驱动气体的周期性吸放，单片微控制器11输出一个频率为0.5Hz的矩形波，气体通过导气管被周期性的释放到中层气腔和吸收回动力控制部分的气囊，中层气腔压强在0.1MPa～1.2MPa范围内周期性改变，实现弹性薄膜4的向上收缩与向下扩张；
弹性薄膜4向上收缩时，水经过下层水腔22侧壁上的单向阀222流入水腔内部，弹性薄膜4向下扩张时，弹性薄膜4对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀222喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力。
如图6，图7和图8所示，下层水腔22包括小气囊225、四个方向及沉浮水舱224和中间水腔226组成，利用单片微控制器11控制四个方向及沉浮水舱224内小气囊225的收缩与扩张，水舱224内外产生大于0.05MPa的压强差，实现水的吸收与喷射，水舱224内小气囊225提供壳体侧壁内的导气管221与动力控制部分气囊15连接，需要控制水母往左方向游动时，控制与左侧水舱内小气囊225连接的17气泵工作实现，需要控制水母上浮时，同时控制多个气泵17将水舱224内的小气囊225全部充气。
如图9和图10所示，平衡装置3包括鱼鳍31和尾摆32，鱼鳍31与尾摆32通过防水胶粘连在下层水腔22底部边缘，鱼鳍31上设有多个与下层水腔22对应的螺纹孔223，并通过配套的、设置的螺柱连接，在水母游动时提供水流辅助导向能力，从而提升水母机器人的整体稳定性能。
本发明的工作原理为：
当仿生水母机器人下水后的初始处于悬浮状态，四个方向及沉浮水舱224内小气囊225充满气体，产生的浮力与自身的重力处于相互平衡状态；当动力控制系统单片微控制器11发出指令后，单片微控制器11通过继电器13放大电信号驱动三个气泵17开始吸气，气泵17将中层气腔21的气体吸入气囊15内，压力差带动弹性薄膜4向上收缩，水通过下层水腔22侧壁上的单向阀222吸入水腔，当下层水腔22水满后，三个气泵17停止工作的同时三个气泵17开始工作，将气囊15内气体泵入中层气腔21内，压力增大使得弹性薄膜4向下扩张，弹性薄膜4对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀222喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力，实现水母前进作业，水母机器人完成一个完整的前进动作。
需要控制水母往左方向游动时，控制与左侧水舱224内小气囊225连接的气泵17工作实现，需要控制水母上浮时，同时控制多个气泵17将水舱224内的小气囊225全部充气，减少水母机器人配重并产生浮力大于自身重力，从而实现上浮运动，以此类推，通过这种方案可以实现水母机器人的多方向转向与快速沉浮。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，包括动力控制部分(1)、动力执行部分(2)、平衡装置(3)；
所述动力控制部分(1)包括单片微控制器(11)、继电器(13)、气泵(17)、气囊(15)和电源(12)组成动力控制系统，动力控制部分(1)固定在中层壳体顶部凸台(212)上，动力控制部分(1)四周是耐压防水层(18)，凸台(212)中央放置有继电器电源安装架(14)，继电器电源安装架(14)底部设置有螺纹孔(213)，顶部置有安装单片微控制器的凹槽，凸台(212)中心以及圆周分布有螺纹孔，气泵(17)安装架两侧有螺纹孔，气泵安装架(16)圆周分布于凸台(212)上，气泵安装架(16)、继电器电源安装架(14)与凸台(212)通过螺钉连接；气囊(15)放在气泵(17)上，输气管一路从凸台内部输气管孔穿过，接通中层气腔(21)，构成动力气体通路，输气管通过导气管(221)与方向及沉浮水舱(224)接通，构成方向及沉浮气体通路；
动力控制部分包括中层气腔(21)和下层水腔(22)，中层气腔(21)包括核心动力控制气腔室，顶部凸台(212)有通气孔以及多个螺纹孔，边缘上下部均为耐压防水层(18)；下层水腔(22)包括四个均布的方向及沉浮水舱(224)和中间水腔(226)，四个水舱(224)皆独立可控，内含小气囊(225)通过壳体导气管(221)与动力控制部分(1)气囊(15)相连，小气囊(225)伸缩控制每个水舱(224)内水量，调整配重，下层腔室侧壁与底部装有多个单向阀(222)控制海水吸入与快速喷出，构成动力推进机构；
中层气腔(21)与下层水腔(22)通过弹性薄膜(4)分隔开；
下层水腔的外壁均布四个鱼鳍(31)结构，下层水腔(22)底部外缘均布八个尾摆(32)结构，鱼鳍(31)与尾摆(32)共同控制装置平衡。
2.根据权利要求1所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，所述的动力控制部分(1)外壳体所用材料为透明光敏树脂，透光率达85％，在光敏树脂内部加装有摄像头。
3.根据权利要求1所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，所述单片微控制器(11)嵌套在加工有方形凹槽结构的安装架上，通过杜邦线与安装架下部的继电器(13)连接，继电器(13)通过杜邦线接收来自于单片微控制器(11)电信号控制气泵周期性吸放气，气泵(17)圆周阵列于中层壳体顶部凸台(212)上，通过气泵安装架(16)与凸台(212)形成螺纹连接，5V/12V双输出电源(12)置于继电器电源安装架(14)中部，分别给单片微控制器(11)、继电器(13)及气泵(17)供电。
4.根据权利要求1所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，通过单片微控制器(11)控制气泵(17)驱动气体的周期性吸放，单片微控制器(11)输出一个频率为0.5Hz的矩形波，气体通过导气管被周期性的释放到中层气腔和吸收回动力控制部分的气囊，中层气腔压强在0.1MPa～1.2MPa范围内周期性改变，实现弹性薄膜(4)的向上收缩与向下扩张；
弹性薄膜(4)向上收缩时，水经过下层水腔(22)侧壁上的单向阀(222)流入水腔内部，弹性薄膜(4)向下扩张时，弹性薄膜(4)对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀(222)喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力。
5.根据权利要求2或4所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，所述的动力控制部分(1)与中层气腔(21)均有耐压防水层(18)，耐压防水层(18)上层被加工为环形凸台，下层被加工为与环型凸台同尺寸的环形凹槽，耐压防水层(18)上层与下层连接形成迷宫式凹凸连接，动力控制部分(1)与中层气腔(21)以及中层气腔(21)与下层水腔(22)之间设有多个螺纹孔(213)，并通过配套的螺钉连接。
6.根据权利要求1所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，所述下层水腔(22)由四个方向及沉浮水舱(224)和中间水腔(226)组成，利用单片微控制器(11)控制四个方向及沉浮水舱(224)内小气囊(225)的收缩与扩张，水舱(224)内外产生大于0.05MPa的压强差，实现水的吸收与喷射，水舱(224)内小气囊(225)提供壳体侧壁内的导气管(221)与动力控制部分气囊(15)连接，需要控制水母往左方向游动时，控制与左侧水舱内小气囊(225)连接的气泵(17)工作实现，需要控制水母上浮时，同时控制多个气泵(17)将水舱(224)内的小气囊(225)全部充气。
7.根据权利要求1所述一种脉冲喷射水下仿生水母机器人，其特征在于，所述平衡装置(3)由鱼鳍(31)与尾摆(32)组成，鱼鳍(31)与尾摆(32)通过防水胶粘连在下层水腔(22)底部边缘，鱼鳍(31)上设有多个与下层水腔(22)对应的螺纹孔(223)，并通过配套的、设置的螺柱连接。
8.一种权利要求如1-7中任一项所述的一种脉冲喷射水下仿生水母机器人的工作方法，其特征在于，步骤如下：
当仿生水母机器人下水后的初始处于悬浮状态，四个方向及沉浮水舱(224)内小气囊(225)充满气体，产生的浮力与自身的重力处于相互平衡状态；当动力控制系统单片微控制器(11)发出指令后，单片微控制器(11)通过继电器(13)放大电信号驱动三个气泵(17)开始吸气，气泵(17)将中层气腔(21)的气体吸入气囊(15)内，压力差带动弹性薄膜(4)向上收缩，水通过下层水腔(22)侧壁上的单向阀(222)吸入水腔，当下层水腔(22)水满后，三个气泵(17)停止工作的同时三个气泵(17)开始工作，将气囊(15)内气体泵入中层气腔(21)内，压力增大使得弹性薄膜(4)向下扩张，弹性薄膜(4)对水进行快速增压形成压力水通过水腔底部的单向阀(222)喷出，出水孔处安装尖嘴增加喷射动力，实现水母前进作业，水母机器人完成一个完整的前进动作。
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