CN114852292A - 融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器。以上提供的融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，采用了连续体仿生脊柱，该连续体仿生脊柱通过钢丝绳被牵拉带来由所有分隔盘界定的仿生脊柱主体长度发生改变，即产生了伸缩运动；与此同时，连续体仿生脊柱通过钢丝绳的柔性能使得仿生脊柱主体进行扭转弯曲，波纹管的设置能较好地支撑仿生脊柱主体的伸缩运动和扭转弯曲，更好地适配了航行器受多个方向的推力的需要，提高了运动的灵活性和自由度。本申请航行器的优点在于：仿生性强，结构稳定，承载能力强，可变刚度，混合驱动，快速机动，适用性强，具备柔顺性与可扩展性。

Description

融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器

技术领域

本申请涉及水下探测设备的技术领域，尤其涉及融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器。

背景技术

当下海洋水资源的战略地位不断提升，水下潜航器不断受到重视，针对复杂多变的水下环境设计出机构灵巧且适应性强的潜航器称为一大热点问题。当前水下潜航器可应用于地形资源考察、军事目的等多种用途，其中大部分均为刚性躯体结构潜航器，但在面对狭窄逼仄的环境时，这些水下潜航器无法安装自由旋转，导致灵活性不足，其应用场景受限。水下潜航器当中以美国麻省理工学院(MIT)研发了第一款机器鱼开启了仿生潜航器的先河。但是其灵活性有限，因此近年来蛇形类潜航器逐渐受到重视，相关研究表明该类潜航器具有高度适应能力，能够通过各种障碍与地形类型。2012年亚历山大等人研发了一种蠕动型水下潜航器，采用编织网格技术，通过引动过程中的加速段与减速段产生恒速蠕动波，实现长段潜航器的平滑运动波。2016年Eleni Kelasidi等人通过设计了一种带有触觉感应的防水蛇形潜航器，通过各个舵机依次串接并在每个关节固定有推进器，可以控制潜航器的横向波动与鳗状运动模式沿着期望路径前进。

以上相关技术中，仿生蛇类潜航器只能在单个平面内弯曲，这导致这类水下潜航器运动自由度的缺乏。

发明内容

有鉴于此，本申请提供融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，能够提高运动的灵活性和自由度。

本申请提供一种一种融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，包括：

一连续体仿生脊柱，包括一波纹管，所述波纹管内腔设置有钢丝绳、沿线性排布的多个分隔盘和用以对二相邻分隔盘作用的压簧，所述钢丝绳固定其中至少一分隔盘并活动地穿设至少一分隔盘，所述分隔盘固接所述波纹管上；

一丝杠驱动模块组，用以驱动所述钢丝绳的牵拉，以使由所有分隔盘界定的仿生脊柱主体长度发生改变。

可选地，所述连续体仿生脊柱还包括锁扣、压簧导套、第一轴承支撑件、十字轴、法兰轴承、推力球轴承、第二轴承支撑件，所述十字轴通过第一轴承支撑件、第二轴承支撑件、法兰轴承、推力球轴承实现同所述分隔盘连接，所述压簧导套与钢丝绳共同限制压簧的移动。

可选地，所述连续体仿生脊柱还包括卡箍和所述O型圈，所述O型圈通过卡箍实现所述波纹管的安装。

可选地，还包括控制模块及固定架，所述控制模块及固定架包括底盘挡片、圆形底盘、支撑柱、电池、控制板固定套、核心控制板与姿态传感器，所述圆形底盘开孔三个供钢丝绳通过，所述姿态传感器、核心控制板、电池、控制板固定套均固定在所述圆形底盘的同一侧，所述圆形底盘安装在所述底盘挡片上。

可选地，所述核心控制板为大疆A型开发板，姿态传感器(20)为IMU9250。

可选地，所述丝杠驱动模块组包括直流电机、丝杠固定架、D型联轴器、梯形丝杠、直线导轨、直线导轨滑块、锁扣、丝杠滑块和导轨固定架，所述梯形丝杠与直流电机通过D型联轴器连接，所述丝杠滑块与梯形丝杠螺纹配合，所述丝杠滑块的两侧布置有一对锁扣，所述导轨固定架用于使所述直线导轨的支撑固定。

可选地，所述丝杠驱动模块组还包括轴承外圈顶盖、锁紧螺母和第一角接触球轴承，所述轴承外圈顶盖用以将所述角接触球轴承外端面固定，所述锁紧螺母与梯形丝杠上的外螺纹配合实现对所述轴承内圈固定，第一角接触球轴承的一端面固接在所述梯形丝杠，另一端面由锁紧螺母与梯形丝杠外螺纹共同螺纹固定，以实现梯形丝杠靠近直流电机的端部的安装。

可选地，所述丝杠驱动模块组还包括第二角接触轴承和丝杠轴承支撑件，所述第二角接触轴承的内圈固接所述梯形丝杠远离直流电机的端部上，所述第二角接触轴承的内圈的外圈固接所述丝杠轴承支撑上。

可选地，还包括推进器外壳及接口模块，所述推进器外壳及接口模块包括穿线螺母、第二O型圈、穿线螺钉、防水充电接头、圆柱外壳与水下推进器，所述穿线螺母的一侧开有第二O型圈沟槽，穿线螺母、穿线螺钉与O型圈在圆柱外壳固定，所述圆柱外壳安装所述水下推进器，所述水下推进器两个水平朝前布置、两个竖直布置。

可选地，还包括末端执行抓手模块，所述末端执行抓手模块(300)包括连接的水下抓手与抓手连接件。

以上提供的融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，采用了连续体仿生脊柱，该连续体仿生脊柱通过钢丝绳被牵拉带来由所有分隔盘界定的仿生脊柱主体长度发生改变，即产生了伸缩运动；与此同时，连续体仿生脊柱通过钢丝绳的柔性能使得仿生脊柱主体进行扭转弯曲，波纹管的设置能较好地支撑仿生脊柱主体的伸缩运动和扭转弯曲，更好地适配了航行器受多个方向的推力的需要，提高了运动的灵活性和自由度。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本申请实施例提供航行器的整体结构图；

图2为本申请实施例提供驱动控制箱的结构图；

图3为本申请实施例提供连续体仿生脊柱的结构图；

图4为本申请实施例提供驱动箱控制模块及固定架装置的结构图；

图5为本申请实施例提供丝杠驱动模块组的爆炸结构图；

图6为本申请实施例提供推进器外壳及接口模块的结构图；

图7为本申请实施例提供末端执行抓手模块的爆炸结构图；

图8为本申请实施例提供末端探测器模块的结构图；

图9是通用连接机构的结构图。

其中，图中元件标识如下：

100-连续体仿生脊柱；200-驱动控制箱；300-末端执行抓手模块；400-通用连接模机构；500-末端探测器模块；600-控制模块及固定架；700-丝杠驱动模块组；800-推进器外壳及接口模块；

1-第一锁扣；2-分隔盘；3-压簧导套；4-第一轴承支撑件；5-压簧；6-十字轴；7-法兰轴承；8-推力球轴承；9-轴承支撑右；10-卡箍；11-第一O型圈；12-钢丝绳；13-波纹管；14-底盘挡片；15-圆形底盘；16-支撑柱；17-电池；18-控制板固定套；19-核心控制板；20-姿态传感器；21-直流电机；22-丝杠固定架；23-D型联轴器；24-轴承外圈顶盖；25-锁紧螺母；26-第一角接触球轴承；27-梯形丝杠；28-直线导轨；29-直线导轨滑块；30-第二锁扣；31-丝杠滑块；32-导轨固定架；33-第二角接触球轴承；34-丝杠轴承支撑；35-穿线螺母；36-第二O型圈；37-穿线螺钉；38-防水充电接头；39-圆柱外壳；40-水下推进器；41-水下抓手；42-抓手连接件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，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。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1所示，本发明整体由连续体仿生脊柱100、驱动控制箱(200)、末端执行抓手模块300、通用连接模机构400、末端探测器模块500。

如图2所示，其中驱动控制箱200包括控制模块及固定架600，丝杠驱动模块组700与推进器外壳及接口模块800三部分组成。

如图3所示，本发明的连续体仿生脊柱100包括：包括第一锁扣1、分隔盘2、压簧导套3、第一轴承支撑件4、压簧5、十字轴6、法兰轴承7、推力球轴承8、第二轴承支撑件9、卡箍10、钢丝绳12、第一O型圈11与波纹管13。

其中钢丝绳第一锁扣1安装在首端位置的分隔盘2一侧，钢丝绳12另一端延伸至驱动控制箱200内的丝杠驱动模块700，钢丝绳12长度的变化驱动仿生脊柱的弯曲变形。整个仿生脊柱主体支架由10个相同的分隔盘2构成，分隔盘按顺序与9个十字轴6连接。十字轴6与两对垂直安装的两侧分隔盘2的第一轴承支撑件4、第二轴承支撑件9依靠法兰轴承7、推力球轴承8连接。压簧5用于增加仿生脊柱的静态刚度，保证运动过程的可靠性，压簧导套3与钢丝绳共同限制压簧的移动，防止压簧的滑脱掉落。仿生脊柱的弯曲变形要求密封装置具有伸展性，因此采用定制的波纹管13配合第一O型圈11，通过卡箍10在波纹管外侧施压对整体进行水下密封。

如图4所示，控制模块及固定架600包括底盘挡片14、圆形底盘15、支撑柱16、电池17、控制板固定套18、核心控制板19与姿态传感器20。

圆形底盘15开孔三个供钢丝绳通过，一侧设计有6组支撑柱安装槽与6组轴承底座安装槽。为了保证整体固定丝杠驱动模块700的稳定以及减轻固定装置的质量，本设计采用横截面为120度的箭头形支撑柱(16)。核心控制板19采用购买的大疆A型开发板，姿态传感器(20)采用IMU9250，姿态传感器20、核心控制板19、电池17、控制板固定套18均固定在驱动箱一侧，为丝杠驱动模块700预留空间。为了圆形外壳安装方便，驱动固定装置部分整体成圆周布置；为了限制安装后轴向运动与旋转自由度，在圆形底盘15安装可与外壳配合的底盘挡片14。

如图5所示，丝杠驱动模块组700包括：直流电机21、丝杠固定架22、D型联轴器23、轴承外圈顶盖24、锁紧螺母25、第一角接触球轴承、梯形丝杠27、直线导轨28、直线导轨滑块29、第二锁扣30、丝杠滑块31、导轨固定架32与丝杠轴承支撑34。

直流电机21提供仿生脊柱动力输入，本设计采用DJI M3508电机作为输入源。本发明的丝杠固定端承受负载较大，通过轴承外圈顶盖24将角接触球轴承26外侧固定，锁紧螺母25与梯形丝杠上的螺纹配合实现对轴承内圈固定，角接触球轴承26一侧由丝杠凸缘固定,角接触球轴承另一侧由锁紧螺母25与梯形丝杠27上的螺纹固定。梯形丝杠27与直流电机通过D型联轴器23连接。两个角接触球轴承型号为707AC，安装方式为面对面对称布置，可使得载荷作用于轴承中心线以内，减小轴向载荷对丝杠传动精度造成的影响。丝杠滑块31与梯形丝杠27配合，由直线导轨滑块29与直线导轨28限制丝杠滑块31的转动，进而实现丝杠滑块准确的直线运动。丝杠滑块两侧布置有一对第二锁扣30，以实现对驱动箱两侧仿生脊柱的钢丝绳的固定。导轨固定架32用于与驱动箱支撑柱配合实现对直线导轨的固定。第二角接触轴承33与丝杠轴承支撑34配合，从而与丝杠固定端轴承构成一端固定、一端支撑的固定方式，保证丝杠滑块的准确传动。

如图6所示，推进器外壳及接口模块800包括穿线螺母35、第二O型圈36、穿线螺钉37、防水充电接头38、圆柱外壳39与水下推进器40。

穿线螺母35、穿线螺母37一侧开有O型圈沟槽，穿线螺母(35)、穿线螺钉37与第二O型圈36在圆柱外壳39固定，线缆通过后添加AB胶进行密封。外部充电依靠采购的防水充电接头38，可实现免拆卸充电。圆柱外壳挂载四个双向水下推进器40，其中两个水平朝前布置，两个竖直布置，分别朝上下布置，两侧的推进器在外壳同一母线上，在该布置下推进器可实现前后运动、上下运动以及沿轴线的旋转运动。

如图7所示，末端执行抓手模块300由购买的水下抓手41与抓手连接件(42)组成，可扩展水下潜航器的工作能力，实现抓取任务。

如图8所示，末端探测器模块500为购置的包含多种传感器的探照传感模块，可增强水下潜航器的环境感知能力。

如图9所示，通用连接机构400两侧均可连接仿生脊柱模块，可增强水下潜航器的通用扩展性。

与相关技术相比，本申请通过了解国内外水下仿生潜航器的研究现状，结合连续体脊柱结构与推进器的混合驱动的仿生鳗鱼潜航器。为了适应水下复杂多变的环境，本申请采用的连续体仿生脊柱可以通过驱动腱的协调变化改变不同姿态下的刚度，并且增加了储存形变能量的弹性元件，可提高能量利用效率。为了保证水下耐压性，本申请整体采用圆柱形，为了提高相应的空间利用效率，本发明针对各模块进行布局申请，保证水下运动灵活性，满足仿生运动需求。本发明申请的混合驱动仿生潜航器不仅可以通过仿生脊柱的扭转运动或推进器的推进作用实现一定自由度的运动，也可以通过两者结合实现快速的全自由度运动，为水下潜航器的应用提供多种运动模式，提高潜航器的灵活性与机动性。

本申请采用冗余驱动的方式使得连续体能够始终保持张紧状态，同时改变驱动3根腱的驱动电机输入力的大小与转子的转动位置即可实现整体的变刚度和以固定端为中心的任意方向的弯曲。连续体系统采用大功率电机，同时在各个柔性支柱间安装对称布置的压簧体增加整体刚度，使得连续体在受冲击下也能实现脊柱的屈伸与侧弯仿生运动。水下潜航器采用模块化申请，每个模块安装有两段连续体脊柱与一节驱动控制箱，为了利用水下无需固定的特点，两段脊柱对称布置在驱动控制箱两侧，这与传统连续体潜航器布置不同，可充分利用驱动箱空间，同时在驱动控制箱两侧布置由一对水平推进器与一对垂直推进器，推进器可完成主要的前进与沿箱体轴线的旋转运动，配合连续体仿生脊柱即可实现复杂环境下的运动模式。

本申请的基于连续体的混合驱动水下仿生潜航器工作时：首先驱动控制箱两侧连接两端连续体仿生脊柱，连续体仿生脊柱另一端连接通用连接模块后可串接连接另一模块的连续体仿生脊柱或者末端执行模块；电机未上电前通过各分隔盘间的压簧保证仿生脊柱的连接支撑作用；电机上电后，通过梯形丝杠将转动运动变为直线运动，并增大输出力的大小，通过三个梯形丝杠的协调运动引发各分隔盘的小位移从而产生整体的大位移运动，实现仿生脊柱的屈伸、侧弯运动。同时，若在三个丝杠运动的协调位移过程中，增加电机输出力矩，此仿生脊柱也能实现变刚度调节功能，从而更好地适应仿生潜航器的运动状态。通过控制多段连续体的弯曲摆动与推进器的配合运动，本申请的混合驱动水下仿生潜航器可实现灵活、强大的水下机动性，可改变自身外形结构，在复杂的水下环境中完成探测、搜寻、抓取等多种任务。

本申请相比现有技术具有以下优点：

本申请采用了仿生申请方法申请了基于连续体的仿生脊柱结构，使得仿生潜航器能更好地模拟鳗鱼弯曲运动，提高运动效率与运动速度，同时，本申请的丝杠驱动装置既能确保运动的准确性，也能实现仿生结构的变刚度功能，并且相较于四驱动装置，其驱动效率更高。通过DH坐标法建模得到各驱动钢丝绳的长度变化关系，利用大能量密度电机可实现仿生脊柱的快速响应。

本申请采用连续体仿生脊柱与推进器混合驱动的方式，可以通过脊柱不同方向的弯曲配合不同推进器的工作实现水下全自由度的运动，同时多段连续体的使用可以避免传统刚性潜航器转向不便的缺陷，本申请的水下潜航器在混合驱动的作用下可通过改变自身躯体结构以适应通过狭长环境进行作业，也可以通过推进器配合实现转向、平移运动，具有强大适应性与机动性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，包括：

一连续体仿生脊柱(100)，包括一波纹管(13)，所述波纹管内腔设置有钢丝绳(12)、沿线性排布的多个分隔盘(2)和用以对二相邻分隔盘(2)作用的压簧(5)，所述钢丝绳(12)固定其中至少一分隔盘(2)并活动地穿设至少一分隔盘(2)，所述分隔盘(2)固接所述波纹管(13)上；

一丝杠驱动模块组(700)，用以驱动所述钢丝绳(12)的牵拉，以使由所有分隔盘(2)界定的仿生脊柱主体长度发生改变。

2.根据权利要求1所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述连续体仿生脊柱(100)还包括第一锁扣(1)、压簧导套(3)、第一轴承支撑件(4)、十字轴(6)、法兰轴承(7)、推力球轴承(8)、第二轴承支撑件(9)，所述十字轴(6)通过第一轴承支撑件(4)、第二轴承支撑件(9)、法兰轴承(7)、推力球轴承(8)实现同所述分隔盘(2)连接，所述压簧导套(3)用以限制压簧的移动，所述第一锁扣(1)用以将所述钢丝绳固定安装在位于首端位置的分隔盘(2)上。

3.根据权利要求1所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述连续体仿生脊柱(100)还包括卡箍(10)和第一O型圈(11)，所述第一O型圈(11)通过卡箍(10)实现所述波纹管的安装。

4.根据权利要求2所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，还包括控制模块及固定架(600)，所述控制模块及固定架(600)包括底盘挡片(14)、圆形底盘(15)、支撑柱(16)、电池(17)、控制板固定套(18)、核心控制板(19)与姿态传感器(20)，所述圆形底盘(15)开孔三个供钢丝绳通过，所述姿态传感器(20)、核心控制板(19)、电池(17)、控制板固定套(18)均固定在所述圆形底盘(15)的同一侧，所述圆形底盘(15)安装在所述底盘挡片(14)上。

5.根据权利要求4所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述核心控制板(19)为大疆A型开发板，姿态传感器(20)为IMU9250。

6.根据权利要求1所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述丝杠驱动模块组(700)包括直流电机(21)、丝杠固定架(22)、D型联轴器(23)、梯形丝杠(27)、直线导轨(28)、直线导轨滑块(29)、第二锁扣(30)、丝杠滑块(31)和导轨固定架(32)，所述梯形丝杠(27)与直流电机通过D型联轴器(23)连接，所述丝杠滑块(31)与梯形丝杠(27)螺纹配合，所述丝杠滑块的两侧布置有一对所述第二锁扣(30)，所述导轨固定架(32)用于使所述直线导轨(28)的支撑固定。

7.根据权利要求6所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述丝杠驱动模块组(700)还包括轴承外圈顶盖(24)、锁紧螺母(25)和第一角接触球轴承(26)，所述轴承外圈顶盖(24)用以将所述角接触球轴承(26)外端面固定，所述锁紧螺母(25)与梯形丝杠(27)上的外螺纹配合实现对所述轴承内圈固定，第一角接触球轴承(26)的一端面固接在所述梯形丝杠(27)，另一端面由锁紧螺母(25)与梯形丝杠(27)外螺纹共同螺纹固定，以实现梯形丝杠(27)靠近直流电机(21)的端部的安装。

8.根据权利要求6所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，所述丝杠驱动模块组(700)还包括第二角接触轴承(33)和丝杠轴承支撑件(34)，所述第二角接触轴承(33)的内圈固接所述梯形丝杠(27)远离直流电机(21)的端部上，所述第二角接触轴承(33)的内圈的外圈固接所述丝杠轴承支撑(34)上。

9.根据权利要求1所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，其特征在于，还包括推进器外壳及接口模块(800)，所述推进器外壳及接口模块(800)包括穿线螺母(35)、第二O型圈(36)、穿线螺钉(37)、防水充电接头(38)、圆柱外壳(39)与水下推进器(40)，所述穿线螺母(35)、穿线螺母(37)一侧开有O型圈沟槽，穿线螺母(35)、穿线螺钉(37)与第二O型圈(36)在圆柱外壳(39)固定，所述圆柱外壳(39)安装所述水下推进器(40)，所述水下推进器(40)两个水平朝前布置、两个竖直布置。

10.根据权利要求1所述融合仿生脊柱的混合驱动水下无人航行器，还包括末端执行抓手模块(300)，所述末端执行抓手模块(300)包括连接的水下抓手(41)与抓手连接件(42)。

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