CN115140284B - 仿生青蛙的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开仿生青蛙的水下机器人，机架内部设有控制单元和电池组，机架上侧装有太阳能电池板、高清摄像头和红外摄像头，声呐安装于机架前端下侧，齿条安装于机架内部并可前后移动，左前肢和右前肢分别安装于机架前端两侧并可上下摆动和定位，齿轮安装于机架内部并与齿条啮合，齿轮左端装有涡卷弹簧，蓄能电机安装于机架内部并可与齿轮啮合，齿条通过两个连杆分别与左后肢和右后肢连接，左后肢和右后肢均由两个四连杆结构连接构成；蓄能电机驱动齿轮转动时使涡卷弹簧蓄能，并使齿条向前移动，使两个脚掌向前移动收缩，蓄能电机脱离于齿轮的啮合后，涡卷弹簧可通过齿轮使齿条向后移动，使两个脚掌向后移动划水，实现水下机器人的向前游动。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及仿生青蛙的水下机器人。
背景技术
近年来为了更好地适应不同水下环境和任务要求，仿水生生物的推进技术研究受到众多学者的关注，不同运动形式的水下仿生推进技术的相继研究，对不断丰富并完善水下推进技术、拓宽水下机器人应用范围具有非常重要的研究意义和实用价值。目前，有多种模仿海洋生物的水下机器人被研制出来，然而大多数水下机器人仍然依靠船舶等使用的螺旋桨推进方式，传统的螺旋桨推进方式推进噪声大、隐蔽性不强，同时适应环境的能力较差。而自然界中许多生物经历多年的进化和自然界的淘汰，其运动机理在推进方式，推进效率方面，有人类所设计的机械结构无法比拟的优势。因此，以生物为原型的仿生机器人便如雨后春笋般出现。面对人类无法轻易到达或较危险的地方，如果能有一种机器人可以应对复杂的外界环境的同时能够作为探测设备，操作设备，通讯设备以及武器系统的载体，则可在军事侦察、能源探索、反恐救灾、科学研究、气象探测等领域能起到重要作用。
水中的生物经过千百年的进化，具有各种各样的游动机理和推进方式，受此启发所形成的水下推进方式也数不胜数。青蛙躯干扁平，头部略尖，这样的体型有利于减少游动过程中的水下阻力，实现破水前进。与前肢相比，青蛙后肢长度占整体的比例很大，且后肢大而强健，趾间有蹼，从而可以增大排水面积，实现快速游动。青蛙在水中借助其带蹼的脚掌和后肢的推进机制，通过腿部的往复伸展运动，能自由的在水面和水底游动。同时青蛙的游动采用双肢协同的运动方式，克服了鱼尾摆动过程中的侧向力和重浮心偏移问题，使生物体运行更加平稳，同时生物青蛙可以在较短的时间内达到较高的运动速度，便于躲避水下环境潜在的危险。现有的仿青蛙跳跃机构以气动肌肉为驱动器，每个关节由一个气动肌肉和一个复位弹簧驱动，可完成青蛙的仿生蹬腿、收腿等动作。但只能在水面漂浮的状态下进行游动，无法进行下潜与上浮等复杂动作。
仿生青蛙划动推进是一种运动方式独特且具有广阔应用前景的水下推进方式。如果能借鉴生物青蛙灵巧的生物结构，基于其游动机理来模拟其高效的水下运动方式，便能弥补传统水下机器人体积重量大、灵活性差的不足，从而创造出具有较强环境适应性的仿生水下机器人。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供仿生青蛙的水下机器人，能够依靠青蛙的生物学原理实现在水中的游动，并能实现转向、转体、上浮、下潜等动作，具有较强的仿生性和隐蔽性。
本发明采取的技术方案为：仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：机架内部前端设置有控制单元，控制单元内部集成有智能控制系统和通信模块，机架内部右侧设有电池组，机架上侧安装有太阳能电池板，太阳能电池板可将光照转化为电能并为电池组充电，机架上侧前端安装有高清摄像头和红外摄像头，声呐安装于机架前端下侧，机架内部中间位置的右侧设有弹簧仓，弹簧仓的侧壁上横向设有一个定位槽，机架内部的左侧设有齿轮立板和电机立板，机架的内部上侧设有纵导轨，齿条安装于纵导轨上并可前后移动；左前肢和右前肢分别安装于机架前端的左右两侧，左电机固定安装于机架内部前端左侧，并可实现左前肢的上下摆动和定位，右电机固定安装于机架内部前端右侧，并可实现右前肢的上下摆动和定位；齿轮右端面上设有从动棘齿面，齿轮左端设有一个定位槽，齿轮安装于机架内部并可自由转动，齿轮与齿条啮合，涡卷弹簧安装于弹簧仓中，并且涡卷弹簧的内端固定安装于齿轮左端的定位槽中，涡卷弹簧的外端固定安装于弹簧仓侧壁上的定位槽中；蓄能电机固定安装于电机立板左侧，主动棘齿面与蓄能芯轴构成花键传动结构，拨环与主动棘齿面左端转动连接，拨杆与蓄能电机的外壳转动连接并构成杠杆结构，蓄能电机下侧固定设置有一个电磁铁，电磁芯轴安装于电磁铁内部中心并可左右移动，电磁芯轴左端安装有复位弹簧，电磁芯轴可通过拨杆实现主动棘齿面的左右移动，主动棘齿面向右移动后可与从动棘齿面啮合；左后肢中的左连杆安装于齿条与左前大腿杆之间，左前大腿杆、左膝盖、左后大腿杆、机架构成四连杆结构，左前小腿杆、左膝盖、左后小腿杆、左踝关节构成四连杆结构，左滑块与左后大腿杆构成移动副，左内连杆安装于机架与左滑块之间，左外连杆安装于左前小腿杆与左滑块之间，左脚掌安装于左踝关节上并可在0～70°的范围内前后摆动，从而齿条向后移动可使左脚掌向后划水；右后肢中的右连杆安装于齿条与右前大腿杆之间，右前大腿杆、右膝盖、右后大腿杆、机架构成四连杆结构，右前小腿杆、右膝盖、右后小腿杆、右踝关节构成四连杆结构，右滑块与右后大腿杆构成移动副，右内连杆安装于机架与右滑块之间，右外连杆安装于右前小腿杆与右滑块之间，右脚掌安装于右踝关节上并可在0～70°的范围内前后摆动，从而齿条向后移动可使右脚掌向后划水。
作为优选，控制单元内部集成有智能控制系统和通信模块，智能控制系统可根据水下机器人所处的环境和控制人员的指令控制水下机器人的游动，通信模块可实现水下机器人与控制人员之间的人机交互。
作为优选，高清摄像头和红外摄像头中的镜头均可上下摆动和周向旋转，以增大红外视野范围。
作为优选，声呐可利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，可使水下机器人有效避开水下障碍也能采集水文信息。
作为优选，左前肢和右前肢的前端均设有向上弯曲的弧面，在水下机器人向前游动时，水流从两个前肢下侧流过，有利于提升水下机器人在游动时的升力。
作为优选，左后大腿杆和右后大腿杆后侧均设有一个导轨，左滑块和右滑块分别安装于对应导轨上并构成移动副。
作为优选，左脚掌和右脚掌前侧为外凸圆柱弧面，当脚掌向前移动时，有利于水流从其外侧流过并使脚掌向后摆动，减少水流阻力；左脚掌和右脚掌的后侧为内凹圆柱面，当脚掌向后移动并推水时，在水的反作用力下，两个脚掌向前摆动，此时可使水流向上下两侧流动，避免水流朝四周流动形成紊流，提高稳定性的同时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
本发明的有益效果：
(1)水下机器人的外形和游动姿态具有较强的青蛙仿生特性，较强的隐蔽性可使水下机器人不会被轻易发现，有利于完成军事侦查等特种任务，另外水下机器人不仅可以左右转向还可以上浮和下潜、左右转体，在水中具有较高的游动效率和灵活性。
(2)水下机器人上侧设有太阳能电池板，太阳能电池板可将光照转化为电能并为电池组充电，从而可有效增加水下机器人的续航能力。
(3)左脚掌和右脚掌前侧为外凸圆柱弧面，当脚掌向前移动时，有利于水流从其外侧流过并使脚掌向后摆动，减少水流阻力；左脚掌和右脚掌的后侧为内凹圆柱面，当脚掌向后移动并推水时，在水的反作用力下，脚掌向前摆动，此时可使水流向上下两侧流动，避免水流朝四周流动形成紊流，提高稳定性的同时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
(4)水下机器人上侧安装有高清摄像头和红外摄像头，其下侧安装有声呐，在光线良好的环境中，高清摄像头可采集到清晰的图像信息，在光线昏暗的环境中，红外摄像头可采集到清晰的图像信息，声呐可利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测任务，可使水下机器人有效避开水下障碍也能采集水文信息。
附图说明
图1为本发明右上视向的整体结构示意图。
图2为本发明右下视向的整体结构示意图。
图3为本发明俯视剖面结构示意图。
图4为蓄能电机的剖面结构示意图。
图5为齿轮的结构示意图。
图6为涡卷弹簧位置的局部剖面结构示意图。
图7为左脚掌位置的局部放大示意图。
图8为本发明向前游动时的一个状态示意图。
图9为本发明向右转体时的一个状态示意图。
附图标号：1机架、1.1弹簧仓、1.2纵导轨、1.3齿轮立板、1.4电机立板、2右前肢、3.1高清摄像头、3.2红外摄像头、4左前肢、5太阳能电池板、6左后肢、7右后肢、8声呐、9电池组、10涡卷弹簧、11齿条、12右电机、13控制单元、14左电机、15齿轮、15.1从动棘齿面、15.2定位槽、16蓄能电机、16.1主动棘齿面、16.11花键套筒、16.2拨环、16.3蓄能芯轴、16.31外花键、16.4复位弹簧、16.5电磁铁、16.6电磁芯轴、16.7拨杆、17左连杆、18左前大腿杆、18.1第一连接耳、19左后大腿杆、19.1左导轨、20左膝盖、21左外连杆、22左滑块、23左后小腿杆、24左前小腿杆、24.1第二连接耳、25左内连杆、26左脚掌、27左踝关节、27.1前定位面、27.2后定位面、28右踝关节、29右脚掌、30右内连杆、31右前小腿杆、31.1第四连接耳、32右后小腿杆、33右滑块、34右外连杆、35右后大腿杆、35.1右导轨、36右膝盖、37右前大腿杆、37.1第三连接耳、38右连杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1～9所示，仿生青蛙的水下机器人，主要包括机架1、右前肢2、高清摄像头3.1、红外摄像头3.2、左前肢4、太阳能电池板5、左后肢6、右后肢7、声呐8、电池组9、涡卷弹簧10、齿条11、右电机12、控制单元13、左电机14、齿轮15、蓄能电机16，其中机架1为水下机器人的主体结构，机架1内部前端设置有控制单元13，控制单元13内部集成有智能控制系统和通信模块，智能控制系统可根据水下机器人所处的环境和控制人员的指令控制水下机器人的游动，通信模块可实现水下机器人与控制人员之间的人机交互，机架1内部右侧设有电池组9，电池组9可进行充电并可为水下机器人提供电能，机架1上侧安装有太阳能电池板5，太阳能电池板5可将光照转化为电能并为电池组9充电，从而增加水下机器人的续航能力；高清摄像头3.1安装于机架1上侧前端右方，高清摄像头3.1中的镜头可上下摆动和周向旋转，以增大视野范围；红外摄像头3.2安装于机架1上侧前端左方，红外摄像头3.2中的镜头可上下摆动和周向旋转，以增大红外视野范围；声呐8安装于机架1前端下侧，声呐8可利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测任务；机架1内部中间位置的右侧设有弹簧仓1.1，弹簧仓1.1的侧壁上横向设有一个定位槽，机架1内部中间位置的左侧与弹簧仓1.1对应的位置设有一个齿轮立板1.3，齿轮立板1.3上设有一个光滑圆孔，齿轮立板1.3的左侧设有电机立板1.4，机架1的内部上侧纵向设有纵导轨1.2。
如图2、图3所示，所述的左前肢4安装于机架1前端左侧并可上下摆动，左前肢4的前端设有向上弯曲的弧面，在水下机器人向前游动时，使水流从左前肢4下侧流过，有利于提升水下机器人在游动时的升力，左前肢4的右侧面为与机架1相贴合的弧线，有利于增大左前肢4的面积；所述的左电机14为防水结构并且其内部集成有刹车结构和编码器，刹车结构可实现左电机14的断电锁止，实现电机输出轴的锁止定位，编码器可记录电机输出轴的转动角度，左电机14固定安装于机架1内部前端左侧，左电机14的输出轴与左前肢4的后端紧固连接，从而左电机14可实现左前肢4的上下摆动和定位。
所述的右前肢2安装于机架1前端右侧并可上下摆动，右前肢2的前端设有向上弯曲的弧面，在水下机器人向前游动时，使水流从右前肢2下侧流过，有利于提升水下机器人在游动时的升力，右前肢2的左侧面为与机架1相贴合的弧线，有利于增大右前肢2的面积；所述的右电机12为防水结构并且其内部集成有刹车结构和编码器，刹车结构可实现右电机12的断电锁止，实现电机输出轴的锁止定位，编码器可记录电机输出轴的转动角度，右电机12固定安装于机架1内部前端右侧，右电机12的输出轴与右前肢2的后端紧固连接，从而右电机12可实现右前肢2的上下摆动和定位。
如图3、图5、图6所示，所述的齿轮15的右端面上设有从动棘齿面15.1，齿轮15左端设有光滑圆轴，光滑圆轴上设有一个定位槽15.2，齿轮15安装于弹簧仓1.1和齿轮立板1.3之间并可自由转动，并且齿轮15左端的光滑圆轴位于弹簧仓1.1中心位置，从动棘齿面15.1位于齿轮立板1.3的左侧；所述的涡卷弹簧10安装于弹簧仓1.1中，并且涡卷弹簧10的内端固定安装于齿轮15左端的定位槽15.2中，涡卷弹簧10的外端固定安装于弹簧仓1.1侧壁上的定位槽中；所述的齿条11上侧设有导槽，导槽与纵导轨1.2配合安装构成移动副，齿条11的下侧设有多个直齿牙，齿条11下侧的直齿牙与齿轮15啮合安装构成齿轮齿条传动结构，从而可通过齿轮15的转动驱动齿条11的前后移动。
如图3、图4所示，所述的蓄能电机16包括主动棘齿面16.1、拨环16.2、蓄能芯轴16.3、外花键16.31、复位弹簧16.4、电磁铁16.5、电磁芯轴16.6、拨杆16.7，其中蓄能芯轴16.3是蓄能电机16的转动输出部件，蓄能电机16内部集成有编码器和刹车装置，编码器可使蓄能芯轴16.3实现精确的角度转动，刹车装置可稳定锁止蓄能芯轴16.3的转动，蓄能芯轴16.3的右端设有外花键16.31；所述主动棘齿面16.1右端面的结构与从动棘齿面15.1的结构相同，并可相互啮合进行顺时针单向传动，主动棘齿面16.1的左端设有花键套筒16.11，花键套筒16.11内部同轴设有一个内花键，花键套筒16.11与蓄能芯轴16.3同轴安装并且内花键与外花键16.31配合构成花键传动结构，滑套16.1外侧设有环形凹槽；所述的拨环16.2为圆环结构，其两侧设有两个同轴心的短轴，拨环16.2安装于滑套16.1外侧的环形凹槽中并构成转动副；蓄能电机16下侧固定设置有一个电磁铁16.5，电磁芯轴16.6同轴安装于电磁铁16.5内部中心并可左右移动，电磁芯轴16.6的左端安装有复位弹簧16.4，电磁芯轴16.6右端设有一个竖向的矩形空槽；所述的拨杆16.7上端设有两个长条孔，两个长条孔分别与拨环16.2两侧的短轴配合安装，使两个短轴可在两个长条孔中相对滑动，拨杆16.7中间偏下的位置设有一个转动圆孔，转动圆孔通过一个转轴与蓄能电机16的外壳转动连接，拨杆16.7的下端安装于电磁芯轴16.6右端的矩形空槽中。
蓄能电机16固定安装于电机立板1.4的左侧，并且主动棘齿面16.1位于电机立板1.4的右侧；从而电磁铁16.5通电后产生的吸力可使电磁芯轴16.6向左移动，通过拨杆16.7和拨环16.2使主动棘齿面16.1向右移动，从而可使主动棘齿面16.1与从动棘齿面15.1啮合；电磁铁16.5断电后，在复位弹簧16.4的弹力作用下，电磁芯轴16.6向右移动，通过拨杆16.7和拨环16.2使主动棘齿面16.1向左移动，使主动棘齿面16.1脱离与从动棘齿面15.1的啮合。
如图3、图8所示，水下机器人左侧后端安装有左后肢6，左后肢6包括左连杆17、左前大腿杆18、左后大腿杆19、左膝盖20、左外连杆21、左滑块22、左后小腿杆23、左前小腿杆24、左内连杆25、左脚掌26、左踝关节27，其中左前大腿杆18的右端前侧设有第一连接耳18.1，左前大腿杆18的右端与机架1后端左侧转动连接；所述左连杆17的左端与第一连接耳18.1转动连接，左连杆17的右端与齿条11左侧转动连接；所述的左膝盖20为三角形结构，左前大腿杆18的左端与左膝盖20的前端转动连接；所述的左后大腿杆19后侧设有左导轨19.1，左后大腿杆19的右端与机架1后端左侧转动连接，左后大腿杆19的左端与左膝盖20右端转动连接，从而左前大腿杆18、左膝盖20、左后大腿杆19、机架1构成四连杆结构；所述左前小腿杆24为折弯的曲杆结构，左前小腿杆24的前端前侧设有第二连接耳24.1，并且左前小腿杆24的前端与左膝盖20右端转动连接，左前小腿杆24的后端与左踝关节27转动连接；所述的左后小腿杆23为与左前小腿杆24相同的曲杆结构，左后小腿杆23前端与左膝盖20后端转动连接，左后小腿杆23后端与左踝关节27转动连接，从而左前小腿杆24、左膝盖20、左后小腿杆23、左踝关节27构成四连杆结构；所述的左滑块22安装于左导轨19.1上并构成移动副；所述左外连杆21的左端与第二连接耳24.1转动连接，左外连杆21的右端与左滑块22转动连接；所述的左内连杆25的左端与左滑块22转动连接，左内连杆25的右端与机架1后端左侧转动连接。
如图7、图9所示，所述的左踝关节27后端水平向设有一个开槽，开槽前端设有前定位面27.1，开槽后端设有后定位面27.2，前定位面27.1和后定位面27.2之间的夹角为70°；左脚掌26右端中间位置设有一个转杆，转杆安装于左踝关节27后端的开槽中并构成转动副，从而左脚掌26可在0～70°的范围内前后摆动；左脚掌26前侧为外凸圆柱弧面，当左脚掌26向前移动时，有利于水流从其前侧流过并使左脚掌26逆时针摆动至70°位置，使左脚掌26右端转杆的后侧面与后定位面27.2接触，此时可减少水流阻力；左脚掌26的后侧为内凹圆柱面，当左脚掌26向后移动并推水时，在水的反作用力下，左脚掌26顺时针摆动至0°位置，使左脚掌26右端转杆的前侧面与前定位面27.1接触，此时可使水流向上下两侧流动，避免水流朝四周流动形成紊流，提高稳定性的同时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
如图7、图9所示，水下机器人右侧后端安装有右后肢7，右后肢7包括右踝关节28、右脚掌29、右内连杆30、右前小腿杆31、右后小腿杆32、右滑块33、右外连杆34、右后大腿杆35、右膝盖36、右前大腿杆37、右连杆38，其中右前大腿杆37的左端前侧设有第三连接耳37.1，右前大腿杆37的左端与机架1后端右侧转动连接；所述右连杆38的右端与第三连接耳37.1转动连接，连杆38的左端与齿条11右侧转动连接；所述的右膝盖36为三角形结构，右前大腿杆37的右端与右膝盖36的前端转动连接；所述的右后大腿杆35后侧设有右导轨35.1，右后大腿杆35的左端与机架1后端右侧转动连接，右后大腿杆35的右端与右膝盖36左端转动连接，从而右前大腿杆37、右膝盖36、右后大腿杆35、机架1构成四连杆结构；所述右前小腿杆31为折弯的曲杆结构，右前小腿杆31的前端前侧设有第四连接耳31.1，并且右前小腿杆31的右端与右膝盖36左端转动连接，右前小腿杆31的后端与右踝关节28转动连接；所述的右后小腿杆32为与右前小腿杆31相同的曲杆结构，右后小腿杆32前端与右膝盖36后端转动连接，右后小腿杆32后端与右踝关节28转动连接，从而右前小腿杆31、右膝盖36、右后小腿杆32、右踝关节28构成四连杆结构；所述的右滑块33安装于右导轨35.1上并构成移动副；所述右外连杆34的右端与第四连接耳31.1转动连接，右外连杆34的左端与右滑块33转动连接；所述的右内连杆30的右端与右滑块33转动连接，右内连杆30的左端与机架1后端右侧转动连接。
所述右踝关节28的结构与左踝关节27成左右镜像对称，右脚掌29的结构与左脚掌26成左右镜像对称，右脚掌29与左踝关节27的安装及限位原理和左脚掌26与左踝关节27的安装及限位原理相同；当右脚掌29向前移动时，水流从其前侧流过并使右脚掌29顺时针摆动至70°位置，此时可减少水流阻力；当右脚掌29向后移动并推水时，在水的反作用力下，右脚掌29逆时针摆动至0°位置，此时可使水流向上下两侧流动，避免水流朝四周流动形成紊流，提高稳定性的同时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
水下机器人游动的方法：
向前游动时，如图1、图3、图4所示，首先左电机14驱动左前肢4转动至水平位置，右电机12驱动右前肢2转动至水平位置，电磁铁16.5通电并产生磁场，使电磁芯轴16.6向左移动从而使拨杆16.7下端向左移动，在杠杆作用下使主动棘齿面16.1向右移动并与从动棘齿面15.1啮合，之后蓄能电机16通电，并使蓄能芯轴16.3驱动齿轮15顺时针转动，从而涡卷弹簧10的内端顺时针转动并蓄能，与此同时，在齿轮15的驱动作用下，齿条11向前移动并拉动左连杆17和右连杆38向前移动，左连杆17拉动左前大腿杆18顺时针转动，从而左膝盖20向前移动，左膝盖20带动左后大腿杆19顺时针摆动，从而在左内连杆25的拉动作用下左滑块22在左导轨19.1上向右移动，从而左外连杆21拉动左前小腿杆24相对于左膝盖20逆时针转动，最终实现的效果便是左踝关节27向前移动，左脚掌26在水流作用下逆时针摆动至70°位置；与此同时，右连杆38拉动右前大腿杆37逆时针转动，从而右膝盖36向前移动，右膝盖36带动右后大腿杆35逆时针转动，从而在右内连杆30的拉动作用下右滑块33在右导轨35.1上向左移动，从而右外连杆34拉动右前小腿杆31相对于右膝盖36顺时针转动，最终实现的效果便是右踝关节28向前移动，右脚掌29在水流作用下顺时针摆动至70°位置；直至齿条11移动至最前位置，并且涡卷弹簧10完成蓄能；
之后，如图3、图8所示，电磁铁16.5断电并且磁场消失，电磁芯轴16.6在复位弹簧16.4的弹力作用下向右移动，从而使拨杆16.7下端向右移动，在杠杆作用下主动棘齿面16.1向左移动并与从动棘齿面15.1脱离，之后涡卷弹簧10的弹性势能迅速释放，并驱动齿轮15逆时针转动，在齿轮15的驱动作用下，齿条11迅速向后移动并推动左连杆17和右连杆38向后移动，在左连杆17的推动作用下左前大腿杆18逆时针摆动，从而使左膝盖20向后移动，左膝盖20带动左后大腿杆19逆时针摆动，从而在左内连杆25的推动作用下左滑块22在左导轨6.1上向左移动，从而左外连杆21推动左前小腿杆24相对于左膝盖20顺时针转动，最终实现的效果便是左踝关节27向后移动，当左脚掌26向后移动并推水时，在水的反作用力下，左脚掌26顺时针摆动至0°位置，使左脚掌26右端转杆的前侧面与前定位面27.1接触，此时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动；在右连杆38的推动作用下右前大腿杆37顺时针摆动，从而使右膝盖36向后移动，右膝盖36带动右后大腿杆35顺时针摆动，从而在右内连杆30的推动作用下右滑块33在右导轨35.1上向右移动，从而右外连杆34推动右前小腿杆31相对于右膝盖36逆时针转动，最终实现的效果便是右踝关节28向后移动，当右脚掌29向后移动并推水时，在水的反作用力下，右脚掌29逆时针摆动至0°位置，，此时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
向左转向时，左电机14驱动左前肢4转动至竖直位置，右电机12驱动右前肢2转动至水平位置，故而左侧水的阻力大于右侧，在水下机器人向前游动的过程中，会逐渐向左侧转向。
向右转动时，左电机14驱动左前肢4转动至水平位置，右电机12驱动右前肢2转动至竖直位置，故而右侧水的阻力大于左侧，在水下机器人向前游动的过程中，会逐渐向右侧转向。
向左转体时，左电机14驱动左前肢4向下转动一定角度，右电机12驱动右前肢2向上转动一定角度，在水下机器人向前游动的过程中，左侧水流从左前肢4上侧流过并驱动左前肢4向下移动，右侧水流从右前肢2下侧流过并驱动右前肢2向上移动，从而水下机器人会向左转体。
向右转体时，如图9所示，左电机14驱动左前肢4向上转动一定角度，右电机12驱动右前肢2向下转动一定角度，在水下机器人向前游动的过程中，左侧水流从左前肢4下侧流过并驱动左前肢4向上移动，右侧水流从右前肢2上侧流过并驱动右前肢2向下移动，从而水下机器人会向右转体。
向上浮动时，左电机14驱动左前肢4向上转动一定角度，右电机12驱动右前肢2向上转动一定角度，在水下机器人向前游动的过程中，水流从左前肢4和右前肢2下侧流过，在水流反作用力的作用下，水下机器人逐渐上浮。
向下潜深时，左电机14驱动左前肢4向下转动一定角度，右电机12驱动右前肢2向下转动一定角度，在水下机器人向前游动的过程中，水流从左前肢4和右前肢2上侧流过，在水流反作用力的作用下，水下机器人逐渐下潜。
Claims (7)
1.仿生青蛙的水下机器人，其特征在于，主要包括：
机架，其内部前端设置有控制单元，控制单元内部集成有智能控制系统和通信模块，机架内部右侧设有电池组，机架上侧安装有太阳能电池板，太阳能电池板可将光照转化为电能并为电池组充电，机架上侧前端安装有高清摄像头和红外摄像头，声呐安装于机架前端下侧，机架内部中间位置的右侧设有弹簧仓，弹簧仓的侧壁上横向设有一个定位槽，机架内部的左侧设有齿轮立板和电机立板，机架的内部上侧设有纵导轨，齿条安装于纵导轨上并可前后移动；
左前肢和右前肢，分别安装于机架前端的左右两侧，左电机固定安装于机架内部前端左侧，并可实现左前肢的上下摆动和定位，右电机固定安装于机架内部前端右侧，并可实现右前肢的上下摆动和定位；
齿轮，其右端面上设有从动棘齿面，齿轮左端设有一个定位槽，齿轮安装于机架内部并可自由转动，齿轮与齿条啮合，涡卷弹簧安装于弹簧仓中，并且涡卷弹簧的内端固定安装于齿轮左端的定位槽中，涡卷弹簧的外端固定安装于弹簧仓侧壁上的定位槽中；
蓄能电机，固定安装于电机立板左侧，主动棘齿面与蓄能芯轴构成花键传动结构，拨环与主动棘齿面左端转动连接，拨杆与蓄能电机的外壳转动连接并构成杠杆结构，蓄能电机下侧固定设置有一个电磁铁，电磁芯轴安装于电磁铁内部中心并可左右移动，电磁芯轴左端安装有复位弹簧，电磁芯轴可通过拨杆实现主动棘齿面的左右移动，主动棘齿面向右移动后可与从动棘齿面啮合；
左后肢，其中的左连杆安装于齿条与左前大腿杆之间，左前大腿杆、左膝盖、左后大腿杆、机架构成四连杆结构，左前小腿杆、左膝盖、左后小腿杆、左踝关节构成四连杆结构，左滑块与左后大腿杆构成移动副，左内连杆安装于机架与左滑块之间，左外连杆安装于左前小腿杆与左滑块之间，左脚掌安装于左踝关节上并可在0～70°的范围内前后摆动，从而齿条向后移动可使左脚掌向后划水；
右后肢，其中的右连杆安装于齿条与右前大腿杆之间，右前大腿杆、右膝盖、右后大腿杆、机架构成四连杆结构，右前小腿杆、右膝盖、右后小腿杆、右踝关节构成四连杆结构，右滑块与右后大腿杆构成移动副，右内连杆安装于机架与右滑块之间，右外连杆安装于右前小腿杆与右滑块之间，右脚掌安装于右踝关节上并可在0～70°的范围内前后摆动，从而齿条向后移动可使右脚掌向后划水。
2.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述控制单元内部集成有智能控制系统和通信模块，智能控制系统可根据水下机器人所处的环境和控制人员的指令控制水下机器人的游动，通信模块可实现水下机器人与控制人员之间的人机交互。
3.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述高清摄像头和红外摄像头中的镜头均可上下摆动和周向旋转，以增大红外视野范围。
4.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述声呐可利用声波在水中的传播特性，通过电声转换和信息处理，可使水下机器人有效避开水下障碍也能采集水文信息。
5.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述左前肢和右前肢的前端均设有向上弯曲的弧面，在水下机器人向前游动时，水流从两个前肢下侧流过，有利于提升水下机器人在游动时的升力。
6.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述的左后大腿杆和右后大腿杆后侧均设有一个导轨，左滑块和右滑块分别安装于对应导轨上并构成移动副。
7.根据权利要求1所述的仿生青蛙的水下机器人，其特征在于：所述左脚掌和右脚掌前侧为外凸圆柱弧面，当脚掌向前移动时，有利于水流从其外侧流过并使脚掌向后摆动，减少水流阻力；左脚掌和右脚掌的后侧为内凹圆柱面，当脚掌向后移动并推水时，在水的反作用力下，两个脚掌向前摆动，此时可使水流向上下两侧流动，避免水流朝四周流动形成紊流，提高稳定性的同时可利用推水的反作用力实现水下机器人向前的游动。
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