一种仿生水下机器人可动头部装置

1.本技术属于仿生水下机器人结构设计技术领域，尤其涉及一种仿生水下机器人可动头部装置。

背景技术：

2.水下机器人执行任务需要进行转弯、浮潜等姿态调节动作。常规水下机器人通常依赖螺旋桨与舵进行姿态调节，而仿生水下机器人是一种利用生物运动机理设计的水下机器人，通过仿照生物的生理结构和运动特性，设计相应的运动执行机构进行驱动和姿态调节。然而海洋生物往往拥有高度灵活的躯体和柔软光滑的皮肤，通过改变自身形态来改变自身运动状态，对于仿生水下机器人来说，灵活可控的机体运动与良好的水动力外形至关重要。
3.在现有技术中，常规水下机器人依赖螺旋桨或舵实现姿态调节，能量利用效率与姿态调节效率不可兼得，然而仿生水下机器人在结构设计上仍有不足：一是水动力外形上，运动结构与主架体连接部分往往存在间隙，使用柔性外皮是一种被广泛使用的方法，但无刚性结构支撑，无法提供稳定良好的水动力外形；二是刚性结构与柔性结构各有优劣，刚性结构无法实现仿生柔性运动，柔性结构则无法获得稳定可控的运动规律和结构稳定性。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种仿生水下机器人可动头部装置。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种仿生水下机器人可动头部装置，由从头到尾依次相连的若干节连接单元组成，位于尾部的连接单元与驱动装置连接；所述连接单元由柔性外皮、骨架和关节组成，每个连接单元内的骨架与关节相连；位于头部的连接单元的骨架为圆顶结构，其他连接单元的骨架为空心圆台结构，所述空心圆台结构的顶部向下一体形成有漏斗状肋板，所述漏斗状肋板上设有镂空槽，所述漏斗状肋板的底部设有用于与关节相连的连接板；所述柔性外皮灌注成型于所述骨架上，各个连接单元内所述关节从头到尾依次通过转动副连接，各个连接单元内所述骨架从头到尾依次套接；任意相邻两节连接单元的柔性外皮在运动时呈切向运动，互不干涉。
7.进一步的，所述空心圆台结构的外壁上均设有贯穿沟槽。
8.进一步的，所述关节包括头部关节、过渡关节和中间关节，过渡关节安装于头部关节和中间关节之间；所述中间关节由依次相连的前臂、主架体和后臂组成，所述前臂和后臂均由相互平行且相同的板状结构组成，所述主架体包括骨架安装环和竖槽，所述骨架安装环用于和骨架连接，所述前臂上设有前横槽和前轴孔，所述后臂上设有后轴孔和后横槽；所述前轴孔的直径大于后轴孔的直径；每个中间关节的后轴孔与后一中间关节的前轴孔通过转动轴连接；每个中间关节的竖槽与前一中间关节的后横槽、后一中间关节的前横槽通过
圆柱形滑动轴连接。
9.进一步的，位于头部的连接单元的骨架中部设置有带有螺纹孔的连接柱，所述头部关节包括主架体和后臂，主架体的前端设有与所述螺纹孔相配合的螺纹柱，主架体的尾端设有后臂，后臂上设有后轴孔和后横槽，主架体上还设有骨架安装环和竖槽。
10.进一步的，所述前臂的两个板状结构之间的距离小于后臂的两个板状结构之间的距离。
11.进一步的，所述柔性外皮为与所述骨架形状相契合的回转体型，相邻两节外皮的接触面在纵切面内为圆弧型，圆心所在位置为两节连接单元所连关节的相对转动中心，当关节带动柔性外皮运动时，相邻的柔性外皮之间发生切向运动，互不干涉。
12.进一步的，相邻连接单元的柔性外皮之间存在间隙。
13.进一步的，所述关节相互串联形成单自由度机构，在单个驱动作用下每个相邻关节之间均会发生相对转动。
14.进一步的，所述柔性外皮由硅橡胶或热塑性树脂灌注制成。
15.进一步的，所述关节安装架和驱动装置均安装在安装板上，所述驱动装置包括驱动舵机、偏心转轴，尾部的关节与关节安装架通过转动副连接，且与驱动舵机带动的偏心转轴滑动配合。
16.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
17.1.本发明以特定形式串联而成的多个关节作为核心传动机构，能实现稳定的近柔性弯曲运动；关节通过骨架带动柔性外皮运动，各节柔性外皮的形状均结合其特有运动规律设计，使整个装置在近柔性弯曲过程中能始终保持良好的水动力外形。
18.2.本发明中多个关节以特定形式串联连接作为核心传动机构，每个关节都连接对应的骨架，进而连接柔性外皮，每组关节、骨架、柔性外皮构成一个连接单元，相邻关节由转动副连接，使相邻两个连接单元可以发生相对转动；除相邻关节之间存在转动副以外，还存在隔位关节之间的滑动副配合，每个关节上的纵向滑槽与前后关节的横向滑槽共同配合于一圆柱滑动轴，整个机构为单自由度机构；关节采用了分层分状结构，使关节之间相互配合又不发生干涉。
19.3.本发明中柔性外皮位于装置最外层，数量等同于关节，由对应的关节带动，各节柔性外皮的形状依照其运动规律及整体外形设计，相邻柔性外皮的接触面为同心球面，球心为对应两关节的相对转动中心，在两连接单元相对转动时，对应的两柔性外皮呈切向运动，互不干涉。为减小摩擦，相邻连接单元的柔性外皮之间存在一定间隙，在水下机器人行进时，柔性外皮在水阻力作用下发生柔性变形，使相邻柔性外皮之间相互贴合，进一步保证外形平整光滑；装置在整个运动周期内都具有相对光滑平整的柔性外表面。
20.4.本发明中骨架位于装置的中层，作用是连接关节与柔性外皮，结构呈回转体型，其中心通过螺纹与关节连接，外缘与柔性外皮灌注连接，外缘形状与柔性外皮相似，厚度随外皮厚度减小而减小；嵌入柔性外皮的部分，有圆周阵列排布的缝隙，用以强化与柔性外皮的连接和灌注过程的排气。
21.5.本发明以多个刚性关节作为核心传动机构，每个关节可以摆动一定的角度，以多节刚性结构实现了近柔性运动，这与生物体的脊柱结构相一致，既拥有刚性结构的强度高、稳定性好、操控性强的优点，又具有了柔性结构的运动特征。
22.6.本发明中各关节的结构参数、关节数量可以灵活调整，可以基于仿生、性能、运动特性等不同出发点进行相应的开发应用。
23.7.本发明中骨架与柔性外皮为一体灌注成型，这种成型方式使柔性外皮与刚性骨架的连接稳固可靠，刚性骨架作为柔性外皮的支撑，这种刚柔耦合结构既具有抗冲击、降噪等柔性材料的优点，又具有强度高、稳定性好等刚性材料的优点，同时与生物骨肉的生理构造相仿，达到了良好的仿生效果。
附图说明
24.图1为本发明的可动头部装置弯曲状态外观示意图。
25.图2为本发明的可动头部装置剖面结构示意图。
26.图3为本发明的其中一个连接单元的结构示意图。
27.图4为本发明的其中一个连接单元的剖面结构示意图。
28.图5为本发明的一个柔性外皮灌注模具装配的结构示意图。
29.图6为本发明的一个柔性外皮灌注模具装配的剖面结构示意图。
30.图7为本发明实施例中的一个骨架的结构示意图。
31.图8-1至8-3为本发明实施例中的一个中间关节的结构示意图。
32.图9为本发明实施例中的头部关节的结构示意图。
33.图10为本发明的过渡关节的结构示意图。
34.图11为本发明实施例中的尾部关节的结构示意图。
35.图12为本发明实施例中的相连3个中间关节的装配示意图。
36.图13为本发明实施例中位于头部的连接单元的骨架结构示意图。
37.附图标记：1、柔性外皮；2、头部骨架；3、头部关节；4、过渡关节；5、骨架；6、中间关节；7、尾部关节；8、关节安装架；9、安装板；10、驱动舵机；11、机身柔性外皮；12、偏心转轴；13、机身外壳；14、模具a；15、模具b；16、转动轴；17、滑动轴；
38.2-1、螺纹孔；3-1、螺纹柱；5-1、贯穿沟槽；5-2、矩形槽；5-3、螺纹孔；5-4、镂空槽；6-1、前臂；6-2、主架体；6-3、后臂；6-4、前横槽；6-5、前轴孔；6-6、骨架安装环；6-7、竖槽；6-8、后轴孔；6-9、后横槽；14-1、灌注口；14-2、密封圈安装槽；14-3、螺栓孔；15-1、定位孔；15-2、螺栓孔；
具体实施方式
39.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.如图1所示为本实施例可动头部装置弯曲状态外观示意图，各节柔性外皮1相互重叠共同构成了光顺的外表面。该头部装置在0
°
状态时外形为myring型回转体。
41.如图2所示为可动头部装置剖面示意图，可动头部装置安装在水下机器人的机身壳体13。由从头到尾依次相连的8节连接单元组成，位于尾部的连接单元与驱动装置连接，尾部关节7通过与关节安装架8连接从而安装在安装板9上，驱动装置也固定在安装板9上，驱动装置包括驱动舵机10、偏心转轴12，驱动舵机10带动偏心转轴12旋转，偏心转轴12上的偏心轴与尾部关节7的后横槽相配合，舵机转动时，通过偏心转轴带动尾部关节绕其后轴孔
摆动从而驱动所有关节；连接单元由柔性外皮1、骨架和关节组成，每个连接单元内的骨架与关节相连；其中位于头部的连接单元由柔性外皮1、头部骨架2、头部关节3组成；尾部连接单元由柔性外皮1、骨架5和尾部关节7组成，其他连接单元由柔性外皮1、骨架5、过渡关节4和中间关节6组成。每节柔性外皮包覆了对应骨架外缘的一部分，使柔性外皮具有了刚性支撑，能够承受一定的载荷。相邻柔性外皮相接触面为同心球面，且球心为所对应两关节的转动轴16中心，在关节带动柔性外皮1运动时，两相邻柔性外皮之间呈切向运动，两柔性外皮分离开的区域由后一节柔性外皮的原隐藏部位补充，而相互压缩区域则被前一节柔性外皮遮盖，故此弯曲运动过程中结构始终保持较平滑的外表面。
42.如图3、图4、图7和图9所示，除头部连接单元外，其余连接单元具有相同的结构形式。在本实施例中，头部骨架2为圆顶结构，中部设置有带有螺纹孔的连接柱，见图9，头部关节3包括主架体和后臂，主架体的前端设有与所述螺纹孔相配合的螺纹柱3-1，主架体的尾端设有后臂，后臂上设有后轴孔和后横槽，主架体上还设有骨架安装环和竖槽。见图10，过渡关节4不同的是：头部关节3仅有后轴孔和后横槽，头部关节3的后轴孔与过渡关节4的前轴孔相配合，头部关节3的后横槽与过渡关节4的竖槽及第一个中间关节的前横槽配合；过渡关节4没有前横槽，因为不存在前侧的隔位关节。可以认为，轴孔用于邻位配合，槽(前后横槽、竖槽)用于隔位配合。因此这几个特殊关节(头部关节3、过渡关节4)的有些孔、槽是不需要的。
43.其他骨架5为空心圆台结构，空心圆台结构的顶部向下一体形成有漏斗状肋板，漏斗状肋板上设有镂空槽5-4，漏斗状肋板的底部设有用于与关节相连的连接板；连接板上设有螺纹孔5-3和矩形槽5-2，空心圆台结构的外壁上均设有贯穿沟槽5-1；矩形槽5-2与中间关节6的主架体6-2相配合，骨架5的连接板与骨架安装环6-6通过螺纹孔5-3和螺栓连接，镂空槽5-4是为了便于装配的同时减小重量。
44.如图5、图6所示分别为骨架5与柔性外皮1灌注成型的模具装配示意图和剖视图，图7为其中一个骨架5的结构示意图，在本实施例中，模具分为模具a14、模具b15，采用光敏树脂3d打印制成，模具a14上加工有灌注口14-1和密封圈安装槽14-2，模具a14和模具b15的接触面使用o型圈密封，并使用螺栓通过螺栓孔14-3、螺栓孔15-2固定；模具b15上留有定位孔15-1，用以确保灌注时骨架5处在正确的位置；模具a14、模具b15与骨架5接触面采用密封胶密封；灌注材料为液体硅橡胶，固化成型时间6-12小时；骨架上开有若干贯穿沟槽5-1，用于灌注过程排气并加强柔性外皮与骨架的连接强度。
45.如图8-1至图8-3所示为一个中间关节6的结构示意图，每个中间关节可分为三个部分，分别是前臂6-1、主架体6-2、后臂6-3。关节为左右对称、上下对称结构。前臂6-1、后臂6-3均由相互平行且相等的两板状结构组成，目的是保持受力均匀。主架体部分6-2包括骨架安装环6-6、竖槽6-7，前臂6-1上有前横槽6-4、前轴孔6-5，后臂上有后横槽6-9、后轴孔6-8。前臂6-1、后臂6-3、主架体6-2三个部分的实体部分在不同的平面内，互不干涉。需要说明的是，本实施例中，头部关节3、过渡关节4及尾部关节7与中间关节存在差异，如图9、图10、图11所示。其中，头部关节3前端加工有外螺柱3-1，与头部骨架2上的螺纹孔2-1相配合。图13为头部骨架的结构示意图。
46.如图8-2和8-3所示，本实施例中主架体6-2为长方体框架结构，后臂6-3的两个板状结构分别设置在主架体6-2尾部两侧，前臂6-1的两个板状结构设置在主架体6-2中间，前
臂6-1的两侧与主架体6-2之间存在间隙以使后臂6-3能够插入。竖槽6-7位于主架体6-2中部。
47.如图12所示为相连3个中间关节6的装配示意图，中间关节的前轴孔6-5与前一关节的后轴孔6-8通过转动轴16连接，前轴孔6-5尺寸大于后轴孔6-8，用于安装轴套，本实施例中前轴孔6-5为与两个板状结构相连的中空圆柱结构。同样的，中间关节的后轴孔6-8与后一关节的前轴孔6-5以转动轴16连接。另外，中间关节的竖槽6-7与前一关节的后横槽6-9、后一关节的前横槽6-4共同与一圆柱形滑动轴17配合，对于三关节组成的机构，其中任何一个关节固定，则机构自由度为3*2-2*2-1＝1。同样对于n个关节串联而成的机构，在此条件下，活动件数目为n-1，转动副数目为n-1，滑动副数目为n-2，机构自由度为3*(n-1)-2*(n-1)-(n-2)＝1。在本实施例中，以关节安装架8为固定架，活动关节数为8。
48.在本实施例中，机构运动的具体执行方式为：驱动舵机10带动偏心转轴12旋转，而偏心转轴12与尾部关节7的后横槽6-9相配合，另外尾部关节7的后轴孔6-8与固定在安装板9上的关节安装架8通过转动轴16连接，因此偏心转轴12转动时，将带动尾部关节7绕其后轴孔6-8所在的轴线旋转。以特定形式串联的多关节机构自由度为1，在单个驱动作用下，会发生同步运动，即每相邻的两个关节均会绕与其配合的转动轴16旋转一定角度。而相邻柔性外皮之间的接触面形状为同心球面，关节通过骨架带动柔性外皮运动时，相邻柔性外皮之间会发生切向运动，互不干涉，且距离不变；本实施例中，每两节柔性外皮之间距离为2mm；在水阻作用下，柔性外皮尖端会发生变形而贴合成光滑表面。
49.另外，在本实施例中，关节竖槽6-7位置居中，每个中间关节6长度相同，固每个关节发生相对转动角度相同，即与尾部关节转动角度相同，最大旋转角度大小取决于偏心转轴12的偏心距和尾部关节的后轴孔中心与偏心转轴12中心的距离，在后者不变的条件下，偏心距越大，关节最大转动角度越大，传动比越小，同时最大角度受结构干涉制约。本实施例中，两者比例小于1:5，目的是保证较大的传动比，同时受干涉限制，单节最大摆动角度为10
°
。
50.具体的，本实施例中所有关节仿照海洋哺乳动物生理构造设计，均由aisi 10mg铝合金3d打印制成；所有柔性外皮由硅橡胶混合玻璃微珠灌注成型，密度略低于海水密度；所有骨架为光敏树脂3d打印制成，密度与海水密度接近；装置整体为近中性浮力。
51.此外本实施例中每个中间关节的长度相等，均为40mm，关节上竖槽位置居中，每个关节运动时具有相同的摆动角度，在不发生干涉的条件下，每个关节最大摆动角度为10
°
，极限位置头节中轴线与机身轴线呈80
°
角。
52.尾部关节的后横槽与驱动舵机带动的偏心轴滑动配合，偏心轴的偏心距小于尾部关节的后轴孔中心与偏心轴中心距离的1/5，驱动舵机的最大转动范围为正负90
°
。
53.本实施例的仿生水下机器人可动头部装置，多个刚性关节以特定形式串联成一单自由度机构，拥有近柔性的运动规律，带动多节接触面相切、互不干涉的柔性外皮运动，在装置运动时，兼具近柔性的运动特性与光顺的外表皮。
54.本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，由从头到尾依次相连的若干节连接单元组成，位于尾部的连接单元与驱动装置连接，所述连接单元由柔性外皮、骨架和关节组成，每个连接单元内的骨架与关节相连；位于头部的连接单元的骨架为圆顶结构，其他连接单元的骨架为空心圆台结构，所述空心圆台结构的顶部向下一体形成有漏斗状肋板，所述漏斗状肋板上设有镂空槽，所述漏斗状肋板的底部设有用于与关节相连的连接板；所述柔性外皮灌注成型于所述骨架上，各个连接单元内所述关节从头到尾依次通过转动副连接，各个连接单元内所述骨架从头到尾依次套接；任意相邻两节连接单元的柔性外皮在运动时呈切向运动，互不干涉。2.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述空心圆台结构的外壁上均设有贯穿沟槽。3.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述关节包括头部关节、过渡关节和中间关节，过渡关节安装于头部关节和中间关节之间；所述中间关节由依次相连的前臂、主架体和后臂组成，所述前臂和后臂均由相互平行且相同的板状结构组成，所述主架体包括骨架安装环和竖槽，所述骨架安装环用于和骨架连接，所述前臂上设有前横槽和前轴孔，所述后臂上设有后轴孔和后横槽；所述前轴孔的直径大于后轴孔的直径；每个中间关节的后轴孔与后一中间关节的前轴孔通过转动轴连接；每个中间关节的竖槽与前一中间关节的后横槽、后一中间关节的前横槽通过圆柱形滑动轴连接。4.根据权利要求3所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，位于头部的连接单元的骨架中部设置有带有螺纹孔的连接柱，所述头部关节包括主架体和后臂，主架体的前端设有与所述螺纹孔相配合的螺纹柱，主架体的尾端设有后臂，后臂上设有后轴孔和后横槽，主架体上还设有骨架安装环和竖槽。5.根据权利要求3所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述前臂的两个板状结构之间的距离小于后臂的两个板状结构之间的距离。6.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述柔性外皮为与所述骨架形状相契合的回转体型，相邻两节外皮的接触面在纵切面内为圆弧型，圆心所在位置为两节连接单元所连关节的相对转动中心，当关节带动柔性外皮运动时，相邻的柔性外皮之间发生切向运动，互不干涉。7.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，相邻连接单元的柔性外皮之间存在间隙。8.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述关节相互串联形成单自由度机构，在单个驱动作用下每个相邻关节之间均会发生相对转动。9.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述柔性外皮由硅橡胶或热塑性树脂灌注制成。10.根据权利要求1所述一种仿生水下机器人可动头部装置，其特征在于，所述关节安装架和驱动装置均安装在安装板上，所述驱动装置包括驱动舵机、偏心转轴，尾部的关节与关节安装架通过转动副连接，且与驱动舵机带动的偏心转轴滑动配合。

技术总结

本发明公开一种仿生水下机器人可动头部装置，由从头到尾依次相连的若干节连接单元组成，位于尾部的连接单元与驱动装置连接，所述连接单元由柔性外皮、骨架和关节组成，每个连接单元内的骨架与关节相连；位于头部的连接单元的骨架为圆顶结构，其他连接单元的骨架为空心圆台结构，所述空心圆台结构的顶部向下一体形成有漏斗状肋板，所述漏斗状肋板上设有镂空槽，所述漏斗状肋板的底部设有用于与关节相连的连接板；所述柔性外皮灌注成型于所述骨架上，各个连接单元内所述关节从头到尾依次通过转动副连接，各个连接单元内所述骨架从头到尾依次套接；任意相邻两节连接单元的柔性外皮在运动时呈切向运动，互不干涉。互不干涉。互不干涉。