CN115285322B - 一种轨迹可控的微型仿水母机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种轨迹可控的微型仿水母机器人及其控制方法，微型仿水母机器人由下到上依次包括电磁驱动推进器、电磁驱动重心调节盘和气室；电磁驱动推进器包括同轴设置的柔性翼和电磁驱动模块，电磁驱动模块设置在柔性翼和电磁驱动重心调节盘之间，电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动柔性翼往复摆动；电磁驱动重心调节盘包括刚性圆盘和设置在刚性圆盘上的四个电磁重心调节模块，四个电磁重心调节模块呈轴对称分布；控制电磁驱动重心调节盘的重心偏移；气室内部设置有控制模块，控制模块驱动电磁驱动模块和电磁重心调节模块，使得微型仿水母机器人轨迹可控，有望在水下资源勘查、环境监测等领域得到应用。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种轨迹可控的微型仿水母机器人及其控制方法。
背景技术
微型水下机器人凭借自身微小的尺寸和灵活性在水下资源勘查、环境监测、设备故障诊断以及军事领域有着重要的应用价值和广阔的应用前景。但是由于过小的结构尺寸使其难以实现有效的轨迹控制，这也是其走向实际应用所面临的挑战。
水母是海洋中分布广泛且运动独特的生物，它使用周期性脉冲动作控制身体空腔摄入和排出水流，达到了脉冲推进的目的，这使水母具有在短时间内获得较大瞬时推力、加速性能好、环境适应性强等优点。另外，水母还可以控制空腔肌肉进行非对称性收缩来改变水流喷射方向。由此，水母可以在水下进行高度控制、悬停和水平任意方向的移动，进而可以实现在水下三维空间内任意轨迹的游泳。
目前，人们已经研制出了多种仿水母机器人，如申请号为CN202110002094.6的中国专利公开了一种仿生水母机器人，采用水母式游动方式时，采用控制部分、动力部分、能源部分三者分离式的设计。方便对易损坏的伞体部分更换，能源部分的更换与安装，以及控制系统的维护和程序修改。但其动力部分采用刚性传动，使得整个仿生水母机器人结构偏大；申请号为CN201811147530.3的中国专利公开了一种仿生水母机器人，固定在密封舱上盖上的两根上导杆，其顶端安装上固定座，上固定座顶端固定有头壳。上滑动座通过上导杆做限位并沿其上下滑动。固定在密封舱下盖上的两根下导杆，其底端安装下固定座。下滑动座通过下导杆做限位并沿其上下滑动。可知以上刚性传动结构，使得机器人体积依然过大；申请号为CN201922376629.7的中国专利公开了一种仿生水母机器人，能够仿照水母的水下移动特点，利用起浪型机械结构来对水母的运动进行模拟，但是机器人体积过大，可见这些仿水母机器人主要采用刚性传动结构，因而难以实现小型化的目的。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
为了克服现有技术之不足，本发明开发了一种基于刚柔混合结构的微型仿水母机器人，达到了水下三维空间内任意轨迹控制的目的，有望在水下资源勘查、环境监测等领域得到应用。
本发明的目的之一是提供一种轨迹可控的微型仿水母机器人，结合电磁驱动方式和柔性材料各自的优势，在实现水母机器人小型化的同时达到轨迹可控性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种轨迹可控的微型仿水母机器人，所述微型仿水母机器人由下到上依次包括电磁驱动推进器、电磁驱动重心调节盘和气室；
所述电磁驱动推进器包括同轴设置的柔性翼和电磁驱动模块，所述电磁驱动模块设置在所述柔性翼和所述电磁驱动重心调节盘之间，所述电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动；
所述电磁驱动重心调节盘包括刚性圆盘和设置在所述刚性圆盘上的四个电磁重心调节模块，四个所述电磁重心调节模块呈轴对称分布；控制所述电磁驱动重心调节盘的重心偏移；
所述气室内部设置有控制模块，所述控制模块驱动所述电磁驱动模块和所述电磁重心调节模块，使得所述微型仿水母机器人轨迹可控。
进一步的，所述柔性翼包括轴心刚性板和沿所述轴心刚性板的外径向外延伸的碟形结构，所述轴心刚性板和所述碟形结构的连接位置构成第一柔性关节；所述碟形结构包括多个呈轴对称分布的扇形翼片，每个所述扇形翼片上朝向所述电磁驱动模块的一侧设置有柔性柱，每个所述扇形翼片的另一侧固定有刚性片，在使用过程中保护所述扇形翼片形状可控。
进一步的，所述电磁驱动模块包括第一柱状磁铁、刚性支撑板和第一电磁线圈；所述第一柱状磁铁设置在所述轴心刚性板和所述刚性支撑板之间，所述刚性支撑板上朝向所述柔性柱的位置设置有支柱，所述支柱和所述柔性柱连接，构成第二柔性关节；所述第一电磁线圈固定在所述刚性支撑板远离所述轴心刚性板的一侧，所述第一电磁线圈的另一侧朝向所述刚性圆盘。此处需要说明的是，本发明中第一柔性关节和所述第二柔性关节的连接方式不受限制，只需要保证连接牢固即可。
进一步的，所述第一柱状磁铁沿轴向往复运动，带动所述柔性翼往复摆动，使得所述第一柔性关节和所述第二柔性关节处产生弯折变形。
进一步的，所述电磁重心调节模块包括由外向内依次设置的第二圆形磁铁、第二柱状磁铁和第二电磁线圈，所述第二圆形磁铁和所述第二柱状磁铁之间设置有柔性可变形结构，所述第二柱状磁铁的周向外侧设置有刚性挡块，所述刚性挡块固定在所述刚性圆盘上，所述柔性可变形结构连接所述刚性挡块。
进一步的，所述第二圆形磁铁、所述第二柱状磁铁和所述第二电磁线圈同轴设置。
进一步的，对位设置的两个所述电磁重心调节模块为一组，并共用一个H桥电路。控制所述H桥电路对所述第二电磁线圈施加电压，使得同组的两个所述第二柱状磁铁和两个所述第二圆形磁铁受到同一方向的电磁力。电压正负发生改变，两个电磁重心调节模块的两组第二柱状磁铁和第二圆形磁铁的移动方式也发生对换。
进一步的，所述柔性可变形结构具有弹性。当所述H桥电路对所述第二电磁线圈施加电压时，其受力延伸方向的第二柱状磁铁和第二圆形磁铁沿径向向外移动，并对柔性可变形结构产生挤压作用，使得电磁驱动重心调节盘的重心偏移。当电磁线圈上无电压时，所述柔性可变形结构可恢复到原始形状，所述电磁驱动重心调节盘的重心归位。
所述气室内部还设置有信号收发模块、电源模块和传感模块等。信号收发模块用于与外界进行信号传输；电源模块用于为水母机器人的电磁驱动推进器、电磁驱动重心调节盘和控制模块供电；传感器模块可以是温度传感器、化学传感器、光学传感器和摄像装置等，以用于各类水下环境的监测，还包括六轴陀螺仪加速度传感器等，用于监测水母机器人的运动方向、姿态等信息。
本发明的目的之二是提供一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，具有同样的技术效果。
一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，包括如下步骤：
S1：对所述电磁驱动推进器加载交变电流，驱动所述电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动，对所述微型仿水母机器人产生反向推进力FT；
S2：调控交变电流的峰峰值和偏置率，控制所述微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停；
S3：控制所述电磁驱动重心调节盘的重心偏移，使得所述微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜；
S4：调控所述微型仿水母机器人在水中的倾斜角度，控制所述微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动。
作为优选的，一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，包括如下步骤：
S1：对所述电磁驱动推进器加载交变电流，驱动所述电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动，对所述微型仿水母机器人产生反向推进力FT；
S2：调控加载到所述第一电磁线圈上交变电流的峰峰值和偏置率，控制所述微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停；
S3：控制H桥电路对对位设置的两个第二电磁线圈加载直流电压，使得所述电磁驱动重心调节盘的重心向一侧偏移，所述微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜，所述电磁驱动推进器产生的反向推进力FT相应倾斜一定角度θ，并分解为竖直方向的力FV和水平方向的力FL；
S4：调控所述微型仿水母机器人在水中的倾斜角度θ，依据所述微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与所述电磁驱动推进器产生的竖直方向的力FV的大小，控制所述微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动。
当所述微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与所述电磁驱动推进器产生的竖直方向的力FV大小相同时，所述微型仿水母机器人的竖直位置将保持不变，同时在水平方向的力FL的作用下沿水平运动。微型仿水母机器人游泳时的受力平衡公式可表示为：
FT·cosθ=FV=FG-FB
FT·sinθ=FL
其中，FT为电磁驱动推进器产生的反向推进力；θ为微型仿水母机器人在电磁驱动重心调节盘控制下产生的倾斜角度；FV为微型仿水母机器人倾斜θ角后，由FT分解得到的沿竖直方向的力；FL为微型仿水母机器人倾斜θ角后，由FT分解得到的沿水平方向的力。力FT、FV和FL，以及θ角均由六轴陀螺仪加速度传感器测得。
当所述电磁驱动重心调节盘的重心未偏移时，即θ=0°时，可控制水母机器人竖直方向游泳和悬停，具体控制方法为：
通过所述控制模块控制电源模块对所述第一电磁线圈加载交变电流，所述第一电磁线圈和第一柱状磁铁之间将产生交变电磁力，使所述第一柱状磁铁沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动。所述柔性翼摆动过程中沿径向向下排出惯性流体，产生的反向推力为所述微型仿水母机器人的动力。通过调控加载到所述第一电磁线圈上交变电流的峰峰值和偏置率，可控制所述微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停。
其中，交变电流的峰峰值可以调控电磁推进器的柔性翼摆动幅度，进而对电磁推进器所提供的推进力FT进行调控。交变电流的峰峰值越大，电磁推进器所提供的推进力FT越大。当电磁推进器的推进力FT大于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人沿竖直方向向上游泳；当电磁推进器的推进力FT等于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人在指定高度悬停；当电磁推进器的推进力FV小于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人沿竖直方向下沉。调控交变电流的偏置率可以控制电磁推进器的柔性翼摆动范围，进而可以调控电磁推进器的效率。交变电流的偏置率在20%~30%之间，具有最大的推进效率。
当微型仿水母机器人在电磁驱动重心调节盘控制下产生倾斜角度θ时，可控制水母机器人沿水平方向游泳，具体控制方法为：
控制H桥电路对对位设置的两个电磁重心调节模块上的第二电磁线圈加载直流电压，两组第二柱状磁铁和第二圆形磁铁将受同向电磁力；其中一个电磁重心调节模块的第二柱状磁铁和第二圆形磁铁受到刚性挡块的阻挡不会产生位移；另一个电磁重心调节模块的第二柱状磁铁和第二圆形磁铁将沿径向向外移动，使得电磁驱动重心调节盘的重心偏移。
所述电磁驱动重心调节盘的重心向一侧偏移，使得所述微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜，所述电磁驱动推进器产生的推进力FT相应也会倾斜一定角度θ，并分解为竖直方向的力FV和水平方向的力FL，当所述微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与所述电磁驱动推进器产生的竖直方向的力FV大小相同时，所述微型仿水母机器人的竖直位置将保持不变，同时在水平方向的力FL的作用下沿水平运动。进一步通过分别控制两组电磁重心调节模块，或组合控制两组电磁重心调节模块，控制所述微型仿水母机器人沿水平任意方向运动。
进一步的，当所述微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差大于所述电磁驱动推进器产生的竖直方向的力FV大小时，所述微型仿水母机器人在水平方向的力FL的作用下朝斜向下的方向运动。当所述微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差小于所述电磁驱动推进器产生的竖直方向的力FV大小时，所述微型仿水母机器人在水平方向的力FL的作用下朝斜向上的方向运动。综上可以控制所述微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动，达到了轨迹可控性。
进一步的，所述微型仿水母机器人靠近大型物体时，靠近所述大型物体一侧的所述电磁重心调节模块上的第二圆形磁铁撞击所述大型物体，撞击瞬间会对所述微型仿水母机器人产生反冲作用，驱动其快速游离所述大型物体，实现所述微型仿水母机器人的水平弹射控制。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过将电磁驱动推进器设置为同轴的柔性翼和电磁驱动模块，利用电磁驱动模块轴向往复运动带动柔性翼第一柔性关节和第二柔性关节往复摆动，结合了电磁驱动方式和柔性材料各自的优势，达到了小型化的目的。进一步通过交变电流的峰峰值调控电磁推进器的柔性翼摆动幅度，通过交变电流的偏置率控制电磁推进器的柔性翼摆动范围，同时将交变电流的偏置率控制在20%~30%之间，使得电磁驱动推进器具有最大的推进效率。保证微型仿水母机器人可以实现有效的轨迹控制，与现有技术相比，本申请中的微型仿水母机器人尺寸更小，结构灵活，可用作各类小型水下机器人的矢量推进装置。
（2）本发明通过设置四个呈轴对称分布的电磁重心调节模块，通过刚性结构和柔性可变形结构的结合，利用磁铁自身偏移，实现了电磁驱动调节微型仿水母机器人重心的目的，同时不另外增加配重块，进一步减小了微型仿水母机器人的体积，达到了小型化的目的；并将其与电磁驱动推进器相结合构成了轨迹可控的微型仿水母机器人。该微型仿水母机器人可以在水下进行高度调整、悬停和水平任意方向的移动，以及水平方向弹射，达到了水下三维空间内任意轨迹控制的目的，在水下资源勘查、环境监测、设备故障诊断以及军事领域有着重要的应用价值和广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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是本发明所述一种轨迹可控的微型仿水母机器人的剖视图；
图2是本发明所述电磁驱动推进器的结构示意图；
图3是本发明所述柔性翼的正面结构图；
图4是本发明所述柔性翼的背面结构图；
图5是本发明所述电磁驱动推进器在脉冲电流驱动作用下的结构变形图；
图6是本发明所述电磁驱动重心调节盘的半剖图；
图7是本发明所述电磁驱动重心调节盘的控制方案图。
附图标记：1、电磁驱动推进器；2、电磁驱动重心调节盘；3、气室；11、柔性翼；111、轴心刚性板；112、碟形结构；113、第一柔性关节；114、扇形翼片；115、柔性柱；116、刚性片；12、电磁驱动模块；121、第一柱状磁铁；122、刚性支撑板；123、第一电磁线圈；124、支柱；125、第二柔性关节；21、刚性圆盘；22、电磁重心调节模块；221、第二圆形磁铁；222、第二柱状磁铁；223、第二电磁线圈；224、柔性可变形结构；225、刚性挡块；226、H桥电路。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1~7所示的一种轨迹可控的微型仿水母机器人，微型仿水母机器人由下到上依次包括电磁驱动推进器1、电磁驱动重心调节盘2和气室3；
电磁驱动推进器1包括同轴设置的柔性翼11和电磁驱动模块12，电磁驱动模块12设置在柔性翼11和电磁驱动重心调节盘2之间，电磁驱动模块12沿轴向往复运动，并带动柔性翼11往复摆动；
本发明通过将电磁驱动推进器1设置为同轴的柔性翼11和电磁驱动模块12，利用电磁驱动模块12轴向往复运动带动柔性翼11第一柔性关节113和第二柔性关节125往复摆动，结合了电磁驱动方式和柔性材料各自的优势，达到了小型化的目的。进一步通过交变电流的峰峰值调控电磁推进器的柔性翼11摆动幅度，通过交变电流的偏置率控制电磁推进器的柔性翼11摆动范围，同时将交变电流的偏置率控制在20%~30%之间，使得电磁驱动推进器1具有最大的推进效率。保证微型仿水母机器人可以实现有效的轨迹控制，与现有技术相比，本申请中的微型仿水母机器人尺寸更小，结构灵活，可用作各类小型水下机器人的矢量推进装置。
电磁驱动重心调节盘2包括刚性圆盘21和设置在刚性圆盘21上的四个电磁重心调节模块22，四个电磁重心调节模块22呈轴对称分布；控制电磁驱动重心调节盘2的重心偏移；
本发明通过设置四个呈轴对称分布的电磁重心调节模块22，通过刚性结构和柔性可变形结构224的结合，利用磁铁自身偏移，实现了电磁驱动调节微型仿水母机器人重心的目的，同时不另外增加配重块，进一步减小了微型仿水母机器人的体积，达到了小型化的目的；并将其与电磁驱动推进器1相结合构成了轨迹可控的微型仿水母机器人。该微型仿水母机器人可以在水下进行高度调整、悬停和水平任意方向的移动，以及水平方向弹射，达到了水下三维空间内任意轨迹控制的目的，在水下资源勘查、环境监测、设备故障诊断以及军事领域有着重要的应用价值和广阔的应用前景。
气室3内部设置有控制模块，控制模块驱动电磁驱动模块12和电磁重心调节模块22，使得微型仿水母机器人轨迹可控。气室3内部还设置有信号收发模块、电源模块和传感模块等。信号收发模块用于与外界进行信号传输；电源模块用于为水母机器人的电磁驱动推进器1、电磁驱动重心调节盘2和控制模块供电；传感器模块可以是温度传感器、化学传感器、光学传感器和摄像装置等，以用于各类水下环境的监测，还包括六轴陀螺仪加速度传感器等，用于监测微型仿水母机器人的运动方向、姿态等信息。在本实施例中，电磁驱动推进器1产生的反向推进力FT和微型仿水母机器人在电磁驱动重心调节盘2控制下产生的倾斜角度θ角均由六轴陀螺仪加速度传感器测得，实现微型仿水母机器人的轨迹可控。
如图2~5所示，柔性翼11包括轴心刚性板111和沿轴心刚性板111的外径向外延伸的碟形结构112，轴心刚性板111和碟形结构112的连接位置构成第一柔性关节113；碟形结构112包括多个呈轴对称分布的扇形翼片114，每个扇形翼片114上朝向电磁驱动模块12的一侧设置有柔性柱115，每个扇形翼片114的另一侧固定有刚性片116，在使用过程中保护扇形翼片114形状可控。在本实施例中，扇形翼片114设置有8个，本领域技术人员可以根据实际情况调整；第一柔性关节113、第二柔性关节125以及柔性可变形结构224均由弹性材料制成。
进一步的，电磁驱动模块12包括第一柱状磁铁121、刚性支撑板122和第一电磁线圈123；第一柱状磁铁121设置在轴心刚性板111和刚性支撑板122之间，刚性支撑板122上朝向柔性柱115的位置设置有支柱124，支柱124和柔性柱115连接，构成第二柔性关节125；第一电磁线圈123固定在刚性支撑板122远离轴心刚性板111的一侧，第一电磁线圈123的另一侧朝向刚性圆盘21。第一柔性关节113和第二柔性关节125可以通过焊接或者铆接等常见的连接方式连接，此处需要说明的是，本发明中第一柔性关节113和第二柔性关节125的连接方式不受限制，只需要保证连接牢固即可。
具体如图5所示为本发明电磁驱动推进器1在脉冲电流驱动作用下的结构变形图；第一柱状磁铁121沿轴向往复运动，带动柔性翼11往复摆动，使得第一柔性关节113和第二柔性关节125处产生弯折变形。刚性圆盘21的底部中空设置，使得第一柱状磁铁121在轴向位置上往复不受阻碍。
请继续参考图1，电磁重心调节模块22包括由外向内依次设置的第二圆形磁铁221、第二柱状磁铁222和第二电磁线圈223，第二圆形磁铁221和第二柱状磁铁222之间设置有柔性可变形结构224，第二柱状磁铁222的周向外侧设置有刚性挡块225，刚性挡块225固定在刚性圆盘21上，柔性可变形结构224连接刚性挡块225。柔性可变形结构224和刚性挡块225可以通过焊接或者铆接等常见的连接方式连接，只需要保证连接牢固即可。
进一步的，第二圆形磁铁221、第二柱状磁铁222和第二电磁线圈223同轴设置。避免电桥失衡，影响磁场强度。
如图7所示，对位设置的两个电磁重心调节模块22为一组，并共用一个H桥电路226。控制H桥电路226对第二电磁线圈223施加电压，使得同组的两个第二柱状磁铁222和两个第二圆形磁铁221受到同一方向的电磁力。其中一个电磁重心调节模块22的第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221受到刚性挡块225的阻挡不会产生位移；另一个电磁重心调节模块22的第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221将沿径向向外移动，使得电磁驱动重心调节盘2的重心偏移。电压正负发生改变，两个电磁重心调节模块22的两组第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221的移动方式也发生对换。
进一步的，柔性可变形结构224具有弹性。当H桥电路226对第二电磁线圈223施加电压时，其受力延伸方向的第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221沿径向向外移动，并对柔性可变形结构224产生挤压作用，使得电磁驱动重心调节盘2的重心偏移。当电磁线圈上无电压时，柔性可变形结构224可恢复到原始形状，电磁驱动重心调节盘2的重心归位。此时微型仿水母机器人在水中沿竖直方向游泳、悬停。
一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，包括如下步骤：
S1：对电磁驱动推进器1加载交变电流，驱动电磁驱动模块12沿轴向往复运动，并带动柔性翼11往复摆动，对微型仿水母机器人产生反向推进力FT；
S2：调控加载到第一电磁线圈123上交变电流的峰峰值和偏置率，控制微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停；
S3：控制H桥电路226对对位设置的两个第二电磁线圈223加载直流电压，使得电磁驱动重心调节盘2的重心向一侧偏移，微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜，电磁驱动推进器1产生的反向推进力FT相应倾斜一定角度θ，并分解为竖直方向的力FV和水平方向的力FL；
S4：调控微型仿水母机器人在水中的倾斜角度θ，依据微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与电磁驱动推进器1产生的竖直方向的力FV的大小，控制微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动。
当微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与电磁驱动推进器1产生的竖直方向的力FV大小相同时，微型仿水母机器人的竖直位置将保持不变，同时在水平方向的力FL的作用下沿水平运动。微型仿水母机器人游泳时的受力平衡公式可表示为：
FT·cosθ=FV=FG-FB
FT·sinθ=FL
其中，FT为电磁驱动推进器1产生的反向推进力；θ为微型仿水母机器人在电磁驱动重心调节盘2控制下产生的倾斜角度；FV为微型仿水母机器人倾斜θ角后，由FT分解得到的沿竖直方向的力；FL为微型仿水母机器人倾斜θ角后，由FT分解得到的沿水平方向的力。力FT、FV和FL，以及θ角均由六轴陀螺仪加速度传感器测得。
当电磁驱动重心调节盘2的重心未偏移时，即θ=0°时，可控制水母机器人竖直方向游泳和悬停，具体控制方法为：
通过控制模块控制电源模块对第一电磁线圈123加载交变电流，第一电磁线圈123和第一柱状磁铁121之间将产生交变电磁力，使第一柱状磁铁121沿轴向往复运动，并带动柔性翼11往复摆动。柔性翼11摆动过程中沿径向向下排出惯性流体，产生的反向推力为微型仿水母机器人的动力。通过调控加载到第一电磁线圈123上交变电流的峰峰值和偏置率，可控制微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停。
其中，交变电流的峰峰值可以调控电磁推进器的柔性翼11摆动幅度，进而对电磁推进器所提供的推进力FT进行调控。交变电流的峰峰值越大，电磁推进器所提供的推进力FT越大。当电磁推进器的推进力FT大于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人沿竖直方向向上游泳；当电磁推进器的推进力FT等于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人在指定高度悬停；当电磁推进器的推进力FV小于水母机器人的重力FG和浮力FB之差时，水母机器人沿竖直方向下沉。调控交变电流的偏置率可以控制电磁推进器的柔性翼11摆动范围，进而可以调控电磁推进器的效率。交变电流的偏置率在20%~30%之间，具有最大的推进效率。
当微型仿水母机器人在电磁驱动重心调节盘2控制下产生倾斜角度θ时，可控制水母机器人沿水平方向游泳，具体控制方法为：
控制H桥电路226对对位设置的两个电磁重心调节模块22上的第二电磁线圈223加载直流电压，两组第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221将受同向电磁力；其中一个电磁重心调节模块22的第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221受到刚性挡块225的阻挡不会产生位移；另一个电磁重心调节模块22的第二柱状磁铁222和第二圆形磁铁221将沿径向向外移动，使得电磁驱动重心调节盘2的重心偏移。
电磁驱动重心调节盘2的重心向一侧偏移，使得微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜，电磁驱动推进器1产生的推进力FT相应也会倾斜一定角度θ，并分解为竖直方向的力FV和水平方向的力FL，当微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差与电磁驱动推进器1产生的竖直方向的力FV大小相同时，微型仿水母机器人的竖直位置将保持不变，同时在水平方向的力FL的作用下沿水平运动。进一步通过分别控制两组电磁重心调节模块22，或组合控制两组电磁重心调节模块22，控制微型仿水母机器人沿水平任意方向运动。
进一步的，当微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差大于电磁驱动推进器1产生的竖直方向的力FV大小时，微型仿水母机器人在水平方向的力FL的作用下朝斜向下的方向运动。当微型仿水母机器人受到的重力FG和浮力FB之差小于电磁驱动推进器1产生的竖直方向的力FV大小时，微型仿水母机器人在水平方向的力FL的作用下朝斜向上的方向运动。综上可以控制微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动，达到了轨迹可控性。
进一步的，微型仿水母机器人靠近大型物体时，靠近大型物体一侧的电磁重心调节模块22上的第二圆形磁铁221撞击大型物体，撞击瞬间会对微型仿水母机器人产生反冲作用，驱动其快速游离大型物体，实现微型仿水母机器人的水平弹射控制。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种轨迹可控的微型仿水母机器人，其特征在于，所述微型仿水母机器人由下到上依次包括电磁驱动推进器、电磁驱动重心调节盘和气室；
所述电磁驱动推进器包括同轴设置的柔性翼和电磁驱动模块，所述电磁驱动模块设置在所述柔性翼和所述电磁驱动重心调节盘之间，所述电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动；
所述电磁驱动重心调节盘包括刚性圆盘和设置在所述刚性圆盘上的四个电磁重心调节模块，四个所述电磁重心调节模块呈轴对称分布；控制所述电磁驱动重心调节盘的重心偏移；
所述气室内部设置有控制模块，所述控制模块驱动所述电磁驱动模块和所述电磁重心调节模块，使得所述微型仿水母机器人轨迹可控；
所述柔性翼包括轴心刚性板和沿所述轴心刚性板的外径向外延伸的碟形结构，所述轴心刚性板和所述碟形结构的连接位置构成第一柔性关节；所述碟形结构包括多个呈轴对称分布的扇形翼片，每个所述扇形翼片上朝向所述电磁驱动模块的一侧设置有柔性柱，每个所述扇形翼片的另一侧固定有刚性片；
所述电磁驱动模块包括第一柱状磁铁、刚性支撑板和第一电磁线圈；所述第一柱状磁铁设置在所述轴心刚性板和所述刚性支撑板之间，所述刚性支撑板上朝向所述柔性柱的位置设置有支柱，所述支柱和所述柔性柱连接，构成第二柔性关节；所述第一电磁线圈固定在所述刚性支撑板远离所述轴心刚性板的一侧，所述第一电磁线圈的另一侧朝向所述刚性圆盘；
所述第一柱状磁铁沿轴向往复运动，带动所述柔性翼往复摆动，使得所述第一柔性关节和所述第二柔性关节处产生弯折变形；
所述电磁重心调节模块包括由外向内依次设置的第二圆形磁铁、第二柱状磁铁和第二电磁线圈，所述第二圆形磁铁和所述第二柱状磁铁之间设置有柔性可变形结构，所述第二柱状磁铁的周向外侧设置有刚性挡块，所述刚性挡块固定在所述刚性圆盘上，所述柔性可变形结构连接所述刚性挡块。
2.根据权利要求1所述的一种轨迹可控的微型仿水母机器人，其特征在于，所述第二圆形磁铁、所述第二柱状磁铁和所述第二电磁线圈同轴设置。
3.根据权利要求2所述的一种轨迹可控的微型仿水母机器人，其特征在于，对位设置的两个所述电磁重心调节模块为一组，并共用一个H桥电路。
4.根据权利要求3所述的一种轨迹可控的微型仿水母机器人，其特征在于，所述柔性可变形结构具有弹性。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对所述电磁驱动推进器加载交变电流，驱动所述电磁驱动模块沿轴向往复运动，并带动所述柔性翼往复摆动，对所述微型仿水母机器人产生反向推进力；
S2：调控交变电流的峰峰值和偏置率，控制所述微型仿水母机器人沿竖直方向游泳、悬停；
S3：控制所述电磁驱动重心调节盘的重心偏移，使得所述微型仿水母机器人在水中的姿态发生倾斜；
S4：调控所述微型仿水母机器人在水中的倾斜角度，控制所述微型仿水母机器人在水中沿任意轨迹运动。
6.根据权利要求5所述的一种轨迹可控的微型仿水母机器人的控制方法，其特征在于，所述微型仿水母机器人靠近大型物体时，靠近所述大型物体一侧的所述电磁重心调节模块撞击所述大型物体，对所述微型仿水母机器人产生反冲作用，驱动其快速游离所述大型物体，实现所述微型仿水母机器人的水平弹射控制。
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