CN117902022B - 一种分离式mpf推进的水下机器人及其移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离式MPF推进的水下机器人及其移动方法，涉及海洋设备航行器领域，包括波动鳍、底板、外壳、控制舱、驱动系统，所述外壳底部设置有底板，所述外壳和底板形成的空腔内设置有控制舱和驱动系统，所述外壳上预留有安装孔用于安装波动鳍，所述波动鳍与驱动系统连接，所述波动鳍包括四个，四个所述波动鳍形状符合正弦曲线，四个所述波动鳍均能实现正反方向波动。本发明依靠MPF推进方式自身即可实现六自由度移动，无需增加任何机构，具有高机动性，稳定可靠，低噪音、低扰动的优点。

Description

一种分离式MPF推进的水下机器人及其移动方法

技术领域

本发明涉及海洋设备航行器领域，尤其是一种分离式MPF推进的水下机器人及其移动方法。

背景技术

海洋设备的开发也逐渐成为大家关注的焦点。传统的航行器采用螺旋桨作为驱动装置，这种驱动方式具有较大噪音且生物亲和性差。仿生学通过研究和模仿生物结构来解决具体问题的科学。

鱼类的推进模式根据推进器官的不同分为身体/尾推进模式(Body and/orCaudalFin，BCF)和中央/对推进模式(Median and/or Paired Fin，MPF)两大类BCF模式的鱼类约占鱼类总量的85%,MPF模式的约占15%。整体而言,BCF模式比MPF模式能够达到更高的游泳速度,MPF模式在机动性,稳定性等方面相较于BCF模式都有着巨大的优势。因此，MPF推进模式更适合在水下作业机器人上应用。

水下机器人在进行水下工作的时候，往往需要进行某一个方向的单向移动，例如进行海洋剖面观测需要进行Z方向的移动。传统MPF推进方式的水下机器人在进行某一个方向的运动时，往往会产生其他方向的分力。这使得它的单向运动变得困难，传统的MPF推进形式的水下机器人仅可以实现X方向的移动和绕Z方向的定向。

传统实现MPF六自由度的方法包括：添加螺旋桨或增加重心调节装置。上述方法均具有一定的局限性。添加螺旋桨的方法在进行生物观测任务或执行军事任务时，其产生的噪音容易引起任务的失败。通过添加重心调节装置，让机器人产生倾覆，从而完成六自由度的实现，这种方法速度较慢，且控制难度较大，在实际使用过程中，极其容易受到外部的干扰。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种分离式MPF推进的水下机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种分离式MPF推进的水下机器人，包括波动鳍、底板、外壳、控制舱、驱动系统，所述外壳底部设置有底板，所述外壳和底板形成的空腔内设置有控制舱和驱动系统，所述外壳上预留有安装孔用于安装波动鳍，所述波动鳍与驱动系统连接，所述波动鳍包括四个，四个所述波动鳍形状符合正弦曲线，四个所述波动鳍均能实现正反方向波动。

上述的一种分离式MPF推进的水下机器人，所述驱动系统包括舵机、连接杆，所述舵机固定安装于底板上，所述舵机与舵机臂连接，所述舵机臂通过连接杆与转向座连接，所述转向座与转向杆固定连接，所述转向杆与波动鳍固定连接。

上述的一种分离式MPF推进的水下机器人，所述外壳为树脂材料，所述底板为碳纤维材料。

上述的一种分离式MPF推进的水下机器人，所述波动鳍形状具体表达式为：

;

其中，a表示波动鳍的幅值，z表示波动鳍的z坐标，f表示波动鳍的波动频率，t表示时间，φ表示相位，λ表示波数，x₁表示前波动鳍的x坐标，x₂表示后波动鳍的x坐标，y₁表示前波动鳍的y坐标，y₂表示后波动鳍的y坐标。

一种分离式MPF推进的水下机器人的移动方法，基于上述的一种分离式MPF推进的水下机器人，具体包括：

水下机器人水平放置时建立坐标系，以平行于外壳方向为X轴，以垂直于外壳方向为Z轴，以横穿外壳方向为Y轴波动鳍，在Y轴和Z轴组成的二维坐标系中，自右上角开始逆时针依次为象限1、象限2、象限3、象限4；四个波动鳍自右上角开始顺时针依次为波动鳍一、波动鳍二、波动鳍三、波动鳍四；验证X轴正方向的波动为正运动，验证X轴负方向的运动为反运动；

水下机器人沿X轴方向移动：四个波动鳍均采用正运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、象限4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、象限3运动；

水下机器人沿Y轴方向移动：波动鳍一、波动鳍二保持不动，波动鳍三在象限2、象限3内正运动，波动鳍四在象限2、象限3内反运动；

水下机器人沿Z轴方向移动：波动鳍一、波动鳍四正运动，波动鳍二、波动鳍三反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限4内运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3内运动；

绕X轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3运动；

绕Y轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一在象限1运动，波动鳍二在象限4运动，波动鳍四在象限2运动，波动鳍三在象限3运动；

绕Z轴转动：波动鳍一、波动鳍二采用正运动，波动鳍三、波动鳍四采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、象限4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、象限3运动。

本发明的有益效果是，依靠MPF推进方式自身即可实现六自由度移动，无需增加任何机构，本发明具有高机动性，稳定可靠，低噪音、低扰动的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明水下机器人示意图；

图2为本发明水下机器人爆炸图；

图3为本发明驱动系统结构示意图；

图4为本发明波动鳍数学表达图像；

图5为本发明水下机器人运动象限图；

图6为本发明波动鳍力学曲线。

图中1.波动鳍一，2.波动鳍二，3.波动鳍三，4.波动鳍四，5.底板，6.控制舱，7.外壳，8.驱动系统，9.转向杆，10.转向座，11.连接杆，12.舵机臂，13.舵机，14.舵机底座。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

如图1-2所示，本实施例公开了一种分离式MPF推进的水下机器人，建立了四个波动的鳍面，通过鳍面的差动来实现六自由度的运动，具体包括波动鳍、底板5、外壳7、控制舱6、驱动系统8，外壳1采用树脂材料使用3D打印技术制作，外壳1与底板5采用螺栓连接，底板5采用碳钎维板制作。外壳7和底板5形成的空腔内设置有控制舱6和驱动系统8，外壳上预留有安装孔用于安装波动鳍，波动鳍与驱动系统螺栓连接，波动鳍包括四个，四个波动鳍形状符合正弦曲线，四个波动鳍均能实现正反方向波动。

波动鳍形状具体表达式为：

;

其中，a表示波动鳍的幅值，z表示波动鳍的z坐标，f表示波动鳍的波动频率，t表示时间，φ表示相位，λ表示波数，x₁表示前波动鳍的x坐标，x₂表示后波动鳍的x坐标，y₁表示前波动鳍的y坐标，y₂表示后波动鳍的y坐标。具体图像如图4所示。

如图3所示，驱动系统包括舵机13、连接杆11，舵机底座14与底板5采用螺栓连接。舵机13作为驱动系统8的元动件提供动力系统。舵机臂12与舵机13连接用来保证力的传递。连接杆11用来连接舵机臂12和转向座10，整个过程采用螺栓进行刚性连接。转向座10和转向杆9采挡圈固定，保证其可绕转向杆9的长轴进行转动。转向杆9和波动鳍一1、波动鳍二2、波动鳍三3、波动鳍四4采用螺栓连接。整个推进系统实现两个自由度。

控制仓3内部装有舵机控制板，用于控制驱动系统。控制仓与底板进行刚性连接。舵机控制板用来控制舵机摆动，进而实现波动鳍的正反运动。整个系统的供电通过线缆由地面提供。

对波动鳍进行受力分析，一个完整的波动鳍在进行运动时（例波动鳍1），会产生三个方向的分力，如图6所示。这三个分力的大小会随着运动频率等因素的变化而不同，但其波动鳍规律呈现一致性。鉴于波动鳍在运动过程的水动力特性，其三个方向的分力无法单独获取，即采用传统波动鳍的驱动方式无法实现某一个方向的定向移动。

通过观法其力学曲线发现，每个方向的曲线均呈现一定的规律性，若通过不同的波动鳍运动来实现其分力的中和，可实现某一个方向的定向移动。

因此，基于上述的一种分离式MPF推进的水下机器人，本实施例还公开了一种实现六自由度运动的方法，具体包括：

水下机器人水平放置时建立坐标系，以平行于外壳方向为X轴，以垂直于外壳方向为Z轴，以横穿外壳方向为Y轴波动鳍，如图4所示，验证X轴正方向的波动为正运动，验证X轴负方向的运动为反运动。

在Y轴和Z轴组成的二维坐标系中，自右上角开始逆时针依次为象限1、象限2、象限3、象限4，如图5所示；四个波动鳍自右上角开始顺时针依次为波动鳍一1、波动鳍二2、波动鳍三3、波动鳍四4，如图1所示。

每个波动鳍在运动分布于象限1、象限2、象限3、象限4，如图5所示。在六自由度的实现过程中，通过控制每个波动鳍的运动象限结合波动鳍的运动方式来实现定向运动。

水下机器人沿X轴方向移动：四个波动鳍均采用正运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、象限4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、象限3运动；

水下机器人沿Y轴方向移动：波动鳍一、波动鳍二保持不动，波动鳍三在象限2、象限3内正运动，波动鳍四在象限2、象限3内反运动；

水下机器人沿Z轴方向移动：波动鳍一、波动鳍四正运动，波动鳍二、波动鳍三反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限4内运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3内运动；

绕X轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3运动；

绕Y轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一在象限1运动，波动鳍二在象限4运动，波动鳍四在象限2运动，波动鳍三在象限3运动；

绕Z轴转动：波动鳍一、波动鳍二采用正运动，波动鳍三、波动鳍四采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、象限4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、象限3运动。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种分离式MPF推进的水下机器人，其特征在于，包括波动鳍、底板、外壳、控制舱、驱动系统，所述外壳底部设置有底板，所述外壳和底板形成的空腔内设置有控制舱和驱动系统，所述外壳上预留有安装孔用于安装波动鳍，所述波动鳍与驱动系统连接，所述波动鳍包括四个，四个所述波动鳍形状符合正弦曲线，四个所述波动鳍均能实现正反方向波动；

基于上述的一种分离式MPF推进的水下机器人的移动方法，具体包括：

水下机器人水平放置时建立坐标系，以平行于外壳方向为X轴，以垂直于外壳方向为Z轴，以横穿外壳方向为Y轴，在Y轴和Z轴组成的二维坐标系中，自右上角开始逆时针依次为象限1、象限2、象限3、象限4；四个波动鳍自右上角开始顺时针依次为波动鳍一、波动鳍二、波动鳍三、波动鳍四；验证X轴正方向的波动为正运动，验证X轴负方向的运动为反运动；

水下机器人沿X轴方向移动：四个波动鳍均采用正运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、象限4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、象限3运动；

水下机器人沿Y轴方向移动：波动鳍一、波动鳍二保持不动，波动鳍三在象限2、象限3内正运动，波动鳍四在象限2、3内反运动；

水下机器人沿Z轴方向移动：波动鳍一、波动鳍四正运动，波动鳍二、波动鳍三反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限4内运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3内运动；

绕X轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1运动，波动鳍三、波动鳍四在象限3运动；

绕Y轴转动：波动鳍一、波动鳍四采用正运动，波动鳍二、波动鳍三采用反运动，波动鳍一在象限1运动，波动鳍二在象限4运动，波动鳍四在象限2运动，波动鳍三在象限3运动；

绕Z轴转动：波动鳍一、波动鳍二采用正运动，波动鳍三、波动鳍四采用反运动，波动鳍一、波动鳍二在象限1、4运动，波动鳍三、波动鳍四在象限2、3运动。

2.根据权利要求1所述的一种分离式MPF推进的水下机器人，其特征在于，所述驱动系统包括舵机、连接杆，所述舵机固定安装于底板上，所述舵机与舵机臂连接，所述舵机臂通过连接杆与转向座连接，所述转向座与转向杆固定连接，所述转向杆与波动鳍固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种分离式MPF推进的水下机器人，其特征在于，所述外壳为树脂材料，所述底板为碳纤维材料。

4.根据权利要求1所述的一种分离式MPF推进的水下机器人，其特征在于，所述波动鳍形状具体表达式为：

其中，a表示波动鳍的幅值，z表示波动鳍的z坐标，f表示波动鳍的波动频率，t表示时间，φ表示相位，λ表示波数，x₁表示前波动鳍的x坐标，x₂表示后波动鳍的x坐标，y₁表示前波动鳍的y坐标，y₂表示后波动鳍的y坐标。