CN211943686U - 一种水下仿生机器人及其运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种水下仿生机器人，包括机体，设置于所述机体左右两侧的胸鳍及设置于所述机体尾部的尾鳍，所述机体内设有控制器，所述胸鳍包括多个侧鳍条及连接于所述侧鳍条的柔性鳍面，所述尾鳍包括一尾鳍条及连接于尾鳍条的尾鳍软体，每个所述侧鳍条或所述尾鳍条连接于独立的鳍条摆动机构，所述鳍条摆动机构被所述控制器控制运动，以使两侧的所述侧鳍条以相同频率不同相位角上下摆动，所述尾鳍条左右摆动。采用胸鳍推进和尾鳍推进两种推进模式，通过侧鳍条的上下摆动和尾鳍条的左右摆动来产生推进力，可有效提高机器人的机动性和推进效率，有效提高了仿生机器人的综合性能，能更好地适应狭窄、复杂和动态的水下环境，便于开展监测、勘探、搜索及救援等任务。

Description

一种水下仿生机器人及其运动控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种水下仿生机器人及其运动控制系统。

背景技术

水下机器人传统的推进方式主要是螺旋桨推进和喷气推进，但其存在流体推进效率低、动作不灵活、噪声大等问题，因此水下仿生机器人逐渐受到重视。水下仿生机器人是模仿水下生物游动的推进机理，利用机械电子元器件或智能材料来实现水下推进的一种运动装置。水下生物的种类繁多，其中以鱼类为最多。大部分鱼类都具备非凡的水下运动能力，具有高效、高机动、低噪声等运动特点，因此仿生鱼类机器人成为了国内外学者的研究热点。

水下仿生机器人需要研究鱼类的运动推进模式及仿生机器人技术开发。水下仿生机器人是众多高新技术的产物，结合了仿生学、机械学、电子学、控制学和材料学等学科交叉技术。模仿鱼类的结构形态、工作原理以及控制机制等，可提高水下机器人的推进速度与效率。大部分鱼类的推进方式分为尾鳍摆动推进和胸鳍摆动推进两种模式，前者主要通过尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时加速性能好，巡航能力强；后者主要依靠胸鳍的摆动产生推进力，其机动性能好。近年来，随着仿生材料、柔性材料的出现，柔性驱动渐成水下仿生机器人的一个研究热点。柔性驱动机器人大部分以柔软的硅橡胶为材料，增加了机器人的灵活性和耐用性。

现有水下仿生机器人存在以下技术缺点：(1)尾鳍摆动推进模式瞬时加速性能好，巡航能力强，但是机动性不是很灵活；胸鳍摆动推进模式机动性能好，但是瞬时加速性能与巡航能力不足。(2)柔性驱动机器人灵活性较好，适应能力强，可是推进能力不足，同时在电池以及电子部件上一直难以找到合适的柔性替代材料，因此难以做到全柔性结构。因此，有必要设计一种更好的水下仿生机器人，以解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种可有效提高机动性和推进效率，能够很好地适应海洋复杂环境的水下仿生机器人及其运动控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种水下仿生机器人，包括机体，设置于所述机体左右两侧的胸鳍及设置于所述机体尾部的尾鳍，所述机体内设有控制器，所述胸鳍包括多个侧鳍条及连接于所述侧鳍条的柔性鳍面，所述尾鳍包括一尾鳍条及连接于尾鳍条的尾鳍软体，每个所述侧鳍条或所述尾鳍条连接于独立的鳍条摆动机构，所述鳍条摆动机构被所述控制器控制运动，以使两侧的所述侧鳍条以相同频率不同相位角上下摆动，所述尾鳍条左右摆动。

进一步，所述机体的两侧分别设有间隔均匀的五个所述侧鳍条，每侧所述柔性鳍面上两两相邻的所述侧鳍条相位差为π/2。

进一步，所述鳍条摆动机构包括舵机和连杆，所述连杆连接于所述侧鳍条或所述尾鳍条，通过所述舵机控制所述连杆带动所述侧鳍条或所述尾鳍条摆动。

进一步，所述柔性鳍面由膜状或板状的柔性硅橡胶制成。

进一步，所述机体的头部设有用于采集水下监控画面的摄像机。

进一步，所述机体上还设有用于检测运动姿态角的姿态仪。

进一步，所述机体设有用于检测是否入水的溢水探测器。

进一步，所述机体设有用于探测与水底之间距离的声呐。

一种基于上述水下仿生机器人的运动控制系统，包括所述控制器，所述控制器与PC上位机通信连接，所述控制器通过通信接头连接于所述鳍条摆动机构，以控制所述侧鳍条及所述尾鳍条的运动，所述控制器通过所述通信接头连接于声呐、溢水探测器、姿态仪及摄像机，以获取所述水下仿生机器人在水下的实时数据，通过所述控制器传输给所述PC上位机。

进一步，所述鳍条摆动机构包括舵机和连杆，所述连杆连接于所述侧鳍条或所述尾鳍条，所述控制器通过所述通信接头连接于所述舵机，所述控制器接收所述PC上位机发送的指令，并控制所述侧鳍条或所述尾鳍条的摆动角度和速度。

本实用新型的有益效果：

本实用新型水下仿生机器人采用胸鳍推进和尾鳍推进两种推进模式，通过侧鳍条的上下摆动和尾鳍条的左右摆动来产生推进力，可有效提高机器人的机动性和推进效率，每个侧鳍条和尾鳍条可通过鳍条摆动结构独立控制，使两侧的侧鳍条以相同频率不同相位角上下摆动，游动时鳍面形状可根据仿生机器人的运动模式而改变，具有很好的机动性，有效提高了仿生机器人的综合性能，能更好地适应狭窄、复杂和动态的水下环境，便于开展监测、勘探、搜索及救援等任务。

附图说明

图1为本实用新型水下仿生机器人的结构示意图；

图2为本实用新型水下仿生机器人一侧胸鳍面各侧鳍条运动状态示意图；

图3为本实用新型水下仿生机器人运动控制系统的示意图；

图中，1—机体、11—控制器、12—摄像机、13—声呐、14—溢水探测器、15—姿态仪、16—锂电池组、17—通信接头、2—胸鳍、21—侧鳍条、22—柔性鳍面、3—尾鳍、31—尾鳍条、4—鳍条摆动机构、41—舵机、42—连杆、5—PC上位机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1，本实用新型提供一种水下仿生机器人，包括机体1，设置于机体1左右两侧的胸鳍2及设置于机体1尾部的尾鳍3。胸鳍2是机器人的主推进机体，尾鳍3是机器人的辅助推进器，本实用新型的水下仿生机器人，其形态结构与推进机理参考了一种浅水鱼类“黄貂鱼”，结合了胸鳍推进和尾鳍推进两种推进模式，可有效提高机器人的机动性和推进效率。机体1采用刚性结构，胸鳍2包括多个侧鳍条21及连接于侧鳍条21的柔性鳍面22，尾鳍3包括一尾鳍条31及连接于尾鳍条31的尾鳍软体32，柔性鳍面22和尾鳍软体32均为柔性材料，增加了机器人本身的柔韧性。在本实施例中，柔性鳍面22由膜状或板状的柔性硅橡胶制成，与刚性的机体1通过互补优化了仿生机器人的综合性能，能更好地适应狭窄、复杂和动态的水下环境，便于开展监测、勘探、搜索及救援等任务。

机体1作为水下仿生机器人的电子控制舱，负责安置各类机械电子元器件。机体1内设有控制器11，控制器11是机器人的运动控制单元，主要负责实现机器人的运动控制算法以及各功能模块之间的通信。

如图1及图2，每个侧鳍条21或尾鳍条31连接于独立的鳍条摆动机构4，鳍条摆动机构4被控制器11控制运动，以使两侧的侧鳍条21以相同频率不同相位角上下摆动，尾鳍条31左右摆动。在本实施例中，机体1的两侧分别设有间隔均匀的五个侧鳍条21，每个侧鳍面22上两两相邻的侧鳍条21相位差为π/2。五个侧鳍条21的长度不等，其中中间的侧鳍条21最长，两侧的侧鳍条21长度依次减小。胸鳍2两侧的侧鳍条21都做相同频率不同相位角的正弦摆动，来产生各个运动方向的推动力，游动时单侧胸鳍面22呈正弦波形状态，而尾鳍3左右摆动则可增加仿生机器人的瞬时推进加速度。

鳍条摆动机构4包括舵机41和连杆42，连杆42连接于侧鳍条21或尾鳍条31，通过舵机41控制连杆42带动侧鳍条21或尾鳍条31摆动。舵机41与控制器11通过通信接头17连接，因此通过控制器11对舵机41的运动进行控制，从而控制侧鳍条21和尾鳍条31的运动。在本实施例中，舵机41是一种数字舵机，负责准确地驱动侧鳍条21和尾鳍条31的摆动角度和速度。舵机41的输出轴与连杆42之间通过密封紧固件进行密封和紧固，实现良好的防水和固定。

机体1的头部设有摄像机12、声呐13、溢水探测器14，机体1上设有姿态仪15，机体1内还设有锂电池组16，机体1的尾部设有通信接头17。其中，摄像机12为高清摄像机，用于采集机器人在水体内游动过程中前方的监控画面。声呐13用于探测机器人与水底之间的距离。溢水探测器14用于检测机器人是否入水，作为机器人的启动开关之用。姿态仪15用于检测机器人在水体空间中的运动姿态角(即欧拉角)，包括航向角、翻滚角以及俯仰角。锂电池组16负责整个机器人的电力供应和电源管理。通信接头17用于机器人与PC上位机5之间的通信连接，由水密封接头构成。

本实用新型结合了胸鳍推进和尾鳍推进两种推进模式，同时鳍面采用了柔性材料，通过侧鳍条21和尾鳍条31的摆动来产生推进力，每个侧鳍条21和尾鳍条31可独立控制，游动时鳍面形状可根据机器人的运动模式而改变，具有很好的机动性，有效提高了仿生机器人的综合性能。本实用新型经过理论分析与模拟测试，证实可行。

本实用新型还提供一种基于上述水下仿生机器人的运动控制系统，包括控制器11、姿态仪15、溢水探测器14、声呐13、锂电池组16、摄像机12、舵机41和通信接头17等。控制器11与PC上位机5通信连接，控制器11通过通信接头17连接于鳍条摆动机构4，以控制侧鳍条21及尾鳍条31的运动，具体的是，控制器11通过通信接头17连接于舵机41，控制器11接收PC上位机5发送的指令，并控制侧鳍条21或尾鳍条31的摆动角度和速度，PC上位机5则可以设置各鳍条的拍动频率，以适应不同的鳍面摆动速率。控制器11还通过通信接头17连接于声呐13、溢水探测器14、姿态仪15及摄像机12，以获取水下仿生机器人在水下的实时数据，通过控制器11传输给所述PC上位机5。

在本实施例中，控制器11采用ARM微处理器作为核心板，包含I/O，PWM，UART，RS485，CAN等多种外设的通信接头17，具有较高的可扩展性，可满足未来扩展功能需求。其中，姿态仪15采用IMU/AHRS，如串口9轴传感器MPU9250姿态模块，通过UART与控制器11的主控板通信。溢水探测器14采用高灵敏度水压传感器，通过I/O口与控制器11的主控板通信。声呐13采用防水超声波传感器，通过UART与控制器11的主控板通信。摄像机12采用定制型高清迷你摄像头组装，可将监控视频实时传送到PC上位机5或保存在摄像机12内部自带内存卡上，视频上传通信方式采用以太网方式。舵机41采用数字舵机，可以采用总线方式或者PWM控制，本实施例中采用PWM进行控制。通信接头17采用CAN总线方式，传输距离远抗干扰能力强，实现与PC上位机5之间的通信。锂电池组16采用7.4V聚合物锂电池。

本实用新型采用刚性的机体1与柔性的鳍面相结合，同时结合胸鳍推进和尾鳍推进两种模式，优化了仿生机器人的综合性能，运动灵活，能够瞬时推进加速度，续航能力强，通过运动控制系统来控制侧鳍条21和尾鳍条31的运动，游动时可根据机器人的运动模式而改变鳍条的运动速度和角度，具有很好的机动性，能更好地适应狭窄、复杂和动态的水下环境，便于开展监测、勘探、搜索及救援等任务。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种水下仿生机器人，其特征在于，包括：机体，设置于所述机体左右两侧的胸鳍及设置于所述机体尾部的尾鳍，所述机体内设有控制器，所述胸鳍包括多个侧鳍条及连接于所述侧鳍条的柔性鳍面，所述尾鳍包括一尾鳍条及连接于尾鳍条的尾鳍软体，每个所述侧鳍条或所述尾鳍条连接于独立的鳍条摆动机构，所述鳍条摆动机构被所述控制器控制运动，以使两侧的所述侧鳍条以相同频率不同相位角上下摆动，所述尾鳍条左右摆动。

2.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述机体的两侧分别设有间隔均匀的五个所述侧鳍条，每侧所述柔性鳍面上两两相邻的所述侧鳍条相位差为π/2。

3.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述鳍条摆动机构包括舵机和连杆，所述连杆连接于所述侧鳍条或所述尾鳍条，通过所述舵机控制所述连杆带动所述侧鳍条或所述尾鳍条摆动。

4.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述柔性鳍面由膜状或板状的柔性硅橡胶制成。

5.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述机体的头部设有用于采集水下监控画面的摄像机。

6.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述机体上还设有用于检测运动姿态角的姿态仪。

7.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述机体设有用于检测是否入水的溢水探测器。

8.根据权利要求1所述的水下仿生机器人，其特征在于：所述机体设有用于探测与水底之间距离的声呐。

9.一种基于权利要求1所述的水下仿生机器人的运动控制系统，其特征在于，包括：所述控制器，所述控制器与PC上位机通信连接，所述控制器通过通信接头连接于所述鳍条摆动机构，以控制所述侧鳍条及所述尾鳍条的运动，所述控制器通过所述通信接头连接于声呐、溢水探测器、姿态仪及摄像机，以获取所述水下仿生机器人在水下的实时数据，通过所述控制器传输给所述PC上位机。

10.根据权利要求9所述的运动控制系统，其特征在于：所述鳍条摆动机构包括舵机和连杆，所述连杆连接于所述侧鳍条或所述尾鳍条，所述控制器通过所述通信接头连接于所述舵机，所述控制器接收所述PC上位机发送的指令，并控制所述侧鳍条或所述尾鳍条的摆动角度和速度。

Images