CN116853462A - 一种仿生水母 - Google Patents

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Abstract

本公开揭示了一种仿生水母，包括：第一推进机构，用于通过鳍条摆动以实现对水母进行扑水推进；第二推进机构，用于通过水压变化以实现对水母进行喷射推进；驱动机构，用于驱动第一推进机构和第二推进机构。本公开采用双推进模式，两种推进方式共同工作，可使推进力更大，使得水母运行速度获得提升。

Description

一种仿生水母
技术领域
本公开涉及一种水下机器人，具体涉及一种仿生水母。
背景技术
传统的水下机器人具有效率低、噪音大等问题，近年来，关于仿生学的研究越来越受到重视，水下生物的仿生研究是仿生学的一个重要分支。人们通过研究水下生物的运动机理及特点，将其运用到水下机器人中，用以解决水下机器人运动速度慢、效率低等难题，从而使得水下机器人变更灵活、推进效率更高。
现有的仿生水母主要存在以下不足：
1、推进方式单一；
2、游动不灵活，不能实现在水下空间六个自由度上的自由运动；
3、结构功能仿生形式单一；
4、运动速度慢，一般只能达到50mm/s。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种仿生水母，该水母通过采用双推进模式，从而使得水母的运行速度获得提升。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种仿生水母，包括：
第一推进机构，用于以第一推进方式对水母进行推进；
第二推进机构，用于以第二推进方式配合第一推进机构对水母进行推进；
驱动机构，用于驱动第一推进机构和第二推进机构。
优选的，所述第一推进机构包括：
滑块，滑块与驱动机构连接，且滑块周边设置有多个鳍条，滑块沿驱动机构上下滑动以带动鳍条摆动。
优选的，所述第二推进机构包括：
移动平台和固定平台，移动平台和固定平台之间设置有伸缩件，移动平台通过与固定平台作相对运动以带动伸缩件进行轴向拉伸和压缩。
优选的，所述驱动机构包括舵机座，舵机座上设置有第一舵机，第一舵机通过第一舵臂和第一连杆连接滑块.
优选的，所述舵机座和移动平台之间设置有第二舵机，第二舵机通过第二舵臂和第二连杆连接移动平台；舵机座上还设置有固定杆，固定杆的两端分别与滑块和移动平台贯穿连接。
优选的，所述仿生水母还包括重心调节机构，用于调节重心以调整水母的运动方向。
优选的，所述仿生水母还包括防水机构。
优选的，所述仿生水母还包括感光系统，用于对周围环境进行感测。
优选的，所述仿生水母还包括微控制器系统。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、采用双推进模式，两种推进方式共同工作，可使推进力更大，使得水母运行速度获得提升，可达可达100mm/s。
2、通过设计重心调节机构，能够改变水母的倾斜程度和运动方向，实现水母在水下空间的自由运动。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种仿生水母的结构示意图；
图2是图1所示仿生水母的第一推进机构的结构示意图；
图3是图1所示仿生水母的第二推进机构的结构示意图；
图4是图3所示第二推进机构中伸缩件的形变示意图；
图5是图1所示仿生水母的驱动机构的结构示意图；
图6是图1所示仿生水母的重心调节机构的结构示意图；
图7是图1所示仿生水母的重心调节机构中底板的结构示意图；
图8是图1所示仿生水母的防水机构的结构示意图；
图9是微控制器系统的电路结构示意图。
附图中标记说明如下：
1、第一推进机构(1-1、鳍条外片；1-2、鳍条内片；1-3、大面积鳍片；1-4、鳍肋；1-5、腔体底部；1-6、滑块)；2、第二推进机构(2-1、移动平台；2-2、进水单向阀；2-3、固定平台；2-4、直线轴承；2-5、伸缩件；2-6、出水单向阀)；3、驱动机构(3-1、固定杆；3-2、第一舵机；3-3、舵机座；3-4、第二舵机；3-5、第二舵臂；3-6、第一连杆；3-7、第一舵臂；3-8、第二连杆)；4、重心调节机构(4-1、配重块；4-2、第三舵机；4-3、底板；4-4、透明亚克力筒；4-5、底座；4-6、压板；4-7、连接件；4-3-1、底板下部；4-3-2、槽轨)；5、防水结构(5-1、腔体顶部；5-2、腔体主舱；5-3、平面密封圈)。
具体实施方式
下面将参照附图1至图9详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提出一种仿生水母，包括：
第一推进机构1，用于以第一推进方式对水母进行推进；
第二推进机构2，用于以第二推进方式配合第一推进机构对水母进行推进；
驱动机构3，用于驱动第一推进机构和第二推进机构。
上述实施例构成了本公开的完整技术方案，通过采用双推进模式，两种推进方式共同工作，可使推进力更大，从而使得水母的运行速度获得大幅提升。
另一个实施例中，如图2所示，所述第一推进机构1包括：
滑块1-6，滑块1-6与驱动机构3连接，且滑块1-6周边设置有多个鳍条，滑块1-6沿驱动机构3上下滑动以带动鳍条摆动。
本实施例中，如图2所示，六根鳍条辐射状对称分布在腔体底部，鳍条可在水下产生涡流，从而获得推进力。每根鳍条采用双片式设计，包括鳍条外片1-1和鳍条内片1-2，其中，鳍条外片固定于腔体底部1-5，鳍条内片1-2与滑块1-6连接，滑块1-6沿驱动机构3上下运动以带动鳍条内片1-2产生扑水效果，同时，鳍条外片1-1随鳍条内片1-2一起运动，以保证鳍条不失衡并抵抗水动载荷。鳍条尾部增设有可扑水式大面积鳍片1-3，由公式
其中，F(t)为作用于鳍条表面的推进力；ρ为流体密度；Cd为阻力系数；S为鳍条迎水面面积；v为相对于流体的运动速度；uv为运动方向单位矢量。可知，通过增设大面积鳍片，不仅增大了鳍条的推进力及推进效率，同时增大了鳍条长度，从而增大鳍条的尖端位移幅值从而提高推进力及推进效率。
此外，第一推进机构还包括位于鳍条内片1-2和鳍条外片1-1之间的鳍肋1-4，鳍肋1-4在鳍条内片1-2和鳍条外片1-1间形成三角形支撑，能够防止鳍条在水下的扭曲变形。若鳍条在水下发生扭曲变形则会造成鳍条产生的推进力的方向发生未知偏移，从而使水母无法在水下实现既定运动。
本实施例对第一推进机构进行了CFD分析，首先在运动的流场中，对鳍条压力分布进行仿真分析。流场速度为0.2m/s，可得到压力分布。之后，鳍条波动推进时，固体边界是时刻发生变化的，变化规律由鳍条的运动方程预先确定。因而在利用有限体积法进行离散处理时，需要采用动网格技术，来对运动边界层附近区域的网格进行实时更新处理。动网格法的特点是网格系统随边界的移动而运动，它根据当前时刻的边界位置和速度以及时间增量，确定下一时刻的边界位置，再在临近移动边界的局部区域对网格进行重新调整，以消除畸变的单元。
采用有限体积法求解鳍条所在流场，先假设如下：
①流体经过入口边界是稳定、均匀的，流速设定为鳍条波动推进的前进平均速度，用来模拟鳍条的运动。
②出口边界远离鳍条，出口边界仍是均匀、稳定的。
③四个侧边边界是无滑动壁面边界，且远离鳍条，对鳍条周围的流场影响很小，可以忽略不计。
在设置边界条件以及初始条件后，进行网格的划分。网格质量的优劣直接影响流场的计算结果以及精度。在鳍条附近的流体区域内进行局部网格密化处理，在剩下的流体区域内生成相对稀疏的网格，在不影响计算精度的同时又减少了计算时间。
在求解器设置中，采用可实现k-ε模型；对控制方程组基于有限体积法的离散格式选择二阶迎风格式，增加计算精度；对离散方程组的进一步求解选择分离解法，应用压力修正法求解；时间离散方式选择隐式1阶离散格式，取时间步长为0.5ms，最终可以得到鳍条波动模型的数值计算结果。
其次，本实施例还对第一推进机构进行了ADAMS仿真，具体的，将鳍条的三维模型导入Adams中，通过增加固定约束及平移约束限制鳍条的位移及转角，给定鳍条的运动参数建立驱动模型，通过仿真得到理想的计算结果验证了鳍条的柔性结构，并得到其位移及速度参数。
另一个实施例中，如图3所示，所述第二推进机构包括：
移动平台2-1和固定平台2-3，移动平台2-1和固定平台2-3之间设置有伸缩件2-5，移动平台2-1通过与固定平台2-3作相对运动以带动伸缩件2-5进行轴向拉伸和压缩。
本实施例中，当移动平台相对固定平台运动时，伸缩件因受力会进行如图4所示的轴向拉伸或压缩运动，从而实现伸缩件内部空间的体积变化，通过“吸水-喷水-吸水”的循环运动进而实现喷水推进。
此外，移动平台上端设置有进水单向阀2-2，固定平台下端设置有出水单向阀2-6，伸缩件拉伸时，水流从进水单向阀进入伸缩件，压缩时，水流从伸缩件经出水单向阀排出，从而通过上部进水、下部喷水实现了水流的单向流动，通过伸缩件压缩挤压喷水实现缓慢游动。
进一步的，移动平台上端还设置有直线轴承2-4，用于减少移动平台和固定杆间的摩擦力，便于移动平台在固定杆上实现直线运动。
本实施例对第二推进结构进行了CFD仿真，具体过程如下：
基于排水结构的长度和高度，将其化简成一个高度为103.7312mm，半径为50.9066mm的圆柱体。建立二维模型，模型在初始状态是一个101.8132mm×103.7312mm的矩形，并在矩形上表面设置出水口。下表面设置成运动边界，利用UDF自定义运动状态。伴随着排水结构的运动，周围的网格随之发生变化，其运动边界的位移相对网格尺寸过大，因此采用局部网格重组法(local remeshing)对网格进行重构，将超出网格尺寸标准的质量较差的网格进行合并，并生成满足尺寸标准的网格。通过在FLUENT中对简化的折纸排水结构进行不同出水口面积及不同高度的仿真设计，得出以下结论：(1)第二推进机构产生的最大推进力随高度的增加而增加；(2)第二推进机构产生的最大推进力随出水口面积的减小而增加。结合实际仿生水母设计运动推进力及驱动力，最终选取出水口面积为314mm2，运动时间1s，压缩高度为0.065m，此时得到的最大推力为0.1802N。
另一个实施例中，如图5所示，所述驱动机构包括舵机座3-3，舵机座3-3上设置有第一舵机3-2，第一舵机3-2依次通过第一舵臂3-7和第一连杆3-6连接滑块1-6；舵机座3-3和移动平台2-1之间设置有第二舵机3-4，第二舵机3-4通过第二舵臂3-5和第二连杆3-8连接移动平台2-1；舵机座3-3上还设置有固定杆3-1，固定杆3-1的两端分别与滑块1-6和移动平台2-1贯穿连接。
本实施例中，第一舵机转动以带动第一舵臂和第一连杆运动，进而带动滑块沿固定杆上下循环往复运动，从而带动鳍条产生扑水效果。同样，第二舵机转动带动第二舵臂和第二连杆运动，进而带动移动平台沿固定杆上下循环往复运动，从而使得伸缩件轴向拉伸或压缩。需要说明的是，由于第一舵臂和第二舵臂均具有急回特性(是指在四杆机构中，当舵臂为主动件做匀速回转时，从动件摇杆的往返摆动行程和往返速度不同，返程比往程要快的特性)，从而，在第一舵机的带动下能够实现鳍条的“慢展快缩”以及在第二舵机的带动下能够实现伸缩件的“慢上快下”。
以水母向上运动为例，鳍条伸展时所受到的力阻碍其向上运动，而收缩时受到的力促进其向上运动，由公式
可知，“慢展快缩”可使促进水母向上运动的力大于阻碍其向上运动的力，因此可以实现水母的向上运动。同理，“慢上快下”也可使促进其向上运动的力大于阻碍其向上运动的力，以实现水母的向上运动。
另一个实施例中，如图6所示，所述仿生水母还包括重心调节机构4，用于调节水母的重心以调整水母的运动方向。
本实施例中，重心调节机构4包括底座4-5，底座4-5下面设置有压板4-6，底座4-5上面设置有透明亚克力筒4-4，亚克力筒4-4内设置有配重块4-1，配重块4-1通过连接件4-7连接至第三舵机4-2。
具体的，可通过连接件实现舵机带动配重块旋转一定角度，使其重心也随之移动，从而实现重心的变化，当重力与浮力不再共线时，产生旋转趋势，进而改变仿生水母的倾斜程度和运动方向。例如，当水母需要左转时，配重块旋向左侧，水母重心向左移动，于是整体向左倾斜，实现水母的转向。倾斜的最终程度依靠重心的变化，旋转速度等无关，而达到倾斜程度的时间和与旋转速度有关，旋转速度越快，达到所需倾斜程度的速度就越快。同时，当水母受到外部扰动时，可以通过调节重心来使水母保持平衡，例如，当水母在水下运动时突然受到向左的水流冲击，水母会向左偏斜，为使其在水下保持稳定，重物块会移向右侧，使重心向右侧偏移，使水母保持平衡。
此外，如图7所示，亚克力筒内还设置有底板4-3，底板4-3包括底板下部4-3-1和槽轨4-3-2，通过底板来支撑配重块，防止其因较大的质量产生下坠，因底板与槽轨接触面积过大导致摩擦很大，所以通过设计槽轨减小配重块和底板的接触面积从而减少二者在旋转过程中产生的摩擦，以减小配重块的磨损。
另一个实施例中，如图8所示，所述仿生水母还包括防水机构。
本实施例中，防水结构为密封圈式防水结构，包括腔体顶部5-1、腔体主舱5-2和平面密封圈5-3，通过仿瓶盖三螺纹防水结构进行设计，依靠腔体顶部和腔体主舱的螺纹实现对底部平面密封圈的压紧，从而实现防水的目标，实际中可以通过在接触面上涂加凡士林进一步提高防水效果。
另一个实施例中，所述仿生水母还包括感光系统，用于对周围环境进行感测。
本实施例中，感光系统包括若干光感模组，均匀分布在水母侧肋间。感光模组中，核心器件采用德州仪器OPT-101集成运放光电二极管芯片，其对于960nm红外波段具有良好的响应特性。同时，红外滤光膜的应用，提高了感光系统抵抗外界环境光干扰的能力。
基于机器学习算法对光源位置的精确预测，我们为水母设计了追踪光源位置的特性，并优化了重物块位置的配置算法。根据重物块的几何尺寸要求，在进行重物块的位置配置过程中加入限位保护；重物块运动速度由程序自动调整，以适应舵机在电气系统电压改变时机械特性的改变。当未在周围区域探测到红外光源时，重心调节机构通过微调重物块的位置配置，使水母保持竖直姿态。当仿生水母捕获到周围区域内存在光源，将会主动改变重心调节机构的位置配置，使水母向光源的位置偏转；同时驱动机构参与动作，使仿生水母向光源位置逐渐靠近。
另一个实施例中，所述防水水母还包括微控制器系统。
本实施例中，微控制系统核心采用STM32F4主控芯片，结合配套的通讯、电源、传感、动作等电气组件，构成控制系统的硬件部分。主要控制器件包括位于主仓中的核心控制板，在亚克力筒中的光传感模组、压力传感模组、陀螺仪模组、辅助灯光模组等，以及四台舵机。系统通过锂离子聚合物电池供电，带有电源电压监测与欠压保护等功能。系统核心控制板的电路原理图如图9所示。
在软件层面，应用FreeRTOS实时操作系统实现高鲁棒性的分时多任务控制。系统通过阵列布置的六个光感模组的数据，判断光源的方位与距离，并据此驱动重心调节机构、鳍条扑水机构和折纸喷水机构，向光源位置运动。在这个过程中，使用陀螺仪数据判断当前运动姿态，并结合压力传感数据保证仿生水母始终处于合适的水压区间内。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本公开原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本公开的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个方案均受本公开之约束。

Claims (9)

1.一种仿生水母，包括：
第一推进机构，用于以第一推进方式对水母进行推进；
第二推进机构，用于以第二推进方式配合第一推进机构同时对水母进行推进；
驱动机构，用于驱动第一推进机构和第二推进机构同时运动并对水母进行推进。
2.根据权利要求1所述的仿生水母，其中，优选的，所述第一推进机构包括：
滑块，滑块与驱动机构连接，且滑块周边设置有多个鳍条，滑块沿驱动机构上下滑动以带动鳍条摆动。
3.根据权利要求2所述的仿生水母，其中，所述第二推进机构包括：
移动平台和固定平台，移动平台和固定平台之间设置有伸缩件，移动平台通过与固定平台作相对运动以带动伸缩件进行轴向拉伸和压缩。
4.根据权利要求3所述的仿生水母，其中，所述驱动机构包括舵机座，舵机座上设置有第一舵机，第一舵机通过第一舵臂和第一连杆连接滑块。
5.根据权利要求4所述的仿生水母，其中，所述舵机座和移动平台之间设置有第二舵机，第二舵机通过第二舵臂和第二连杆连接移动平台；舵机座上还设置有固定杆，固定杆的两端分别与滑块和移动平台贯穿连接。
6.根据权利要求1所述的仿生水母，其中，所述仿生水母还包括重心调节机构，用于调节水母的重心以调整水母的运动方向。
7.根据权利要求1所述的仿生水母，其中，所述仿生水母还包括防水机构。
8.根据权利要求1所述的仿生水母，其中，所述仿生水母还包括感光系统，用于对周围环境进行感测。
9.根据权利要求1所述的仿生水母，其中，所述仿生水母还包括微控制器系统。
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