一种仿生裸海蝶水下探测机器人

1.本发明涉及仿生水下机器人技术领域，特别是涉及一种仿生裸海蝶水下探测机器人。

背景技术：

2.随着海洋经济的发展和海洋权益保护的日益重要，海洋资源已经成为各国争夺的焦点，这就对海洋勘测和救捞设备提出了更多的要求。如今仿生机器人层出不穷，将仿生学应用于鱼类等水下生物制作出的水下机器人也不在少数，但是这些机器人的尺寸往往很大，机动性也有所欠缺，同时，大部分都无法进行深海探测。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种仿生裸海蝶水下探测机器人，以解决上述现有技术存在的问题，尺寸小，机动性能好，能够进行深海探测。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种仿生裸海蝶水下探测机器人，包括主机体部分，所述主机体部分内设有控制系统；所述主机体部分两端活动设置有对称布置的翼足部分，所述翼足部分能够实现俯仰摆动和前后摆动；所述主机体部分底部活动连接有尾腹部部分，所述尾腹部部分能够实现上下摆动和左右摆动。本发明较传统的仿鱼机器人，由于设计重心的位置，该机器人水下运动时基本保持竖直姿态，可长时间在水下定深度悬停静默，功耗较低，全身设置的多自由度舵面快速作动使得机器人具有高机动性，面对水下复杂地形环境具有强适应性，能够快速定位不同深度、躲避湍流、急转弯与换向。为实现水下机器人的悬浮静平衡状态，需考虑机器人重心和浮心的相对位置关系，保证左右和前后质量分布均匀，保证机器人的密度和水的密度接近水的密度，该机器人单体遵循水下“不倒翁”力学特征。
6.可选的，所述翼足部分包括翼形pvc板，所述翼形pvc板一端活动连接有前后摆动驱动机构，所述前后摆动驱动机构远离所述翼形pvc板的一端活动连接有俯仰摆动驱动机构，所述俯仰摆动驱动机构与所述主机体部分一侧连接。
7.可选的，所述前后摆动驱动机构包括舵机b，所述舵机b具有双输出轴，所述翼形pvc板一端固定连接有硬质树脂材质的翼部夹取件，所述翼部夹取件远离所述翼形pvc板的一端设有u型框架，所述u型框架上下两端分别与所述舵机b的双输出轴键连接。
8.可选的，所述俯仰摆动驱动机构包括舵机a，输出轴轴线垂直主机体左右对称平面设置，所述舵机b一端固定卡接于u型结构的舵机支架b上，所述舵机支架b一端与所述舵机a的输出轴连接，所述舵机a固定安装于所述主机体部分上；所述舵机a的输出轴延长线与所述舵机b的输出轴延长线垂直布置；由此通过控制舵机a可实现翼足结构绕舵机a输出轴轴线的转动运动，进而实现翼足结构的俯仰摆动；通过控制舵机b实现翼足结构绕舵机b输出轴轴线的转动运动，进而实现翼足结构的前后摆动。通过对舵机a和舵机b的配合控制实现翼足的扑打。左右翼足结构按照主机体左右对称平面镜像对称，装配方式相同。
9.可选的，所述翼形pvc板包括扇形板状结构，所述扇形板状结构其中一条侧边开设有凹槽，所述翼部夹取件远离u型框架的一端设有与所述凹槽匹配的夹取槽，所述夹取槽固定夹持所述凹槽的侧边，以胶粘连接方式加固连接。
10.可选的，所述尾腹部部分包括十字尾鳍，所述十字尾鳍顶部连接有上下摆动驱动机构，十字尾鳍插接于上下摆动驱动机构的树脂尾腹部接插槽实现连接，以胶粘连接方式加固，所述上下摆动驱动机构顶部连接有左右摆动驱动机构，所述左右摆动驱动机构顶部与所述主机体部分底部连接。
11.可选的，所述上下摆动驱动机构包括舵机d，所述舵机d具有双输出轴，所述十字尾鳍顶部固定连接有u型尾部夹取件，所述u型尾部夹取件两侧分别与所述舵机d的双输出轴活动连接。
12.可选的，所述左右摆动驱动机构包括舵机c，所述舵机c具有双输出轴，输出轴轴线垂直主机体左右对称平面设置，且所述舵机c的双输出轴竖直投影与所述舵机d的双输出轴竖直投影垂直；所述舵机d顶部固定卡接于u型结构的舵机支架d内，所述舵机支架d顶部与所述舵机c底部固定连接，所述舵机c的双输出轴连接有u型结构的舵机支架c，所述舵机支架c顶部与所述主机体部分底部固定连接；由此通过控制舵机c可实现尾腹部结构绕舵机c输出轴轴线的转动运动，使得尾腹部结构上下摆动进而实现整机的俯仰运动；通过控制舵机d可实现尾腹部结构绕舵机d输出轴轴线的转动运动，使得尾腹部结构左右摆动进而实现整机的滚转运动。通过对舵机c和舵机d的协调控制实现尾腹部的二自由度运动，尾腹部大幅度主动摆动可实现机器人大机动运动，通过两个方向上的快速摆动实现游动姿态的调节和稳定，通过对舵机c和舵机d的配合控制实现尾腹部二自由度的运动，通过差速实现位姿的矫正与变换。
13.可选的，所述主机体部分包括头部和躯体；其中，头部预留孔位，可外接传感器，扩展功能；躯体两侧安装左右翼足部分，下侧安装尾腹部部分；躯体包括通过元件固定孔连通的电气舱和控制舱，所述电气舱外侧设有电气舱板盖，所述电气舱板盖通过穿设于电气舱固定孔内的螺栓与所述电气舱外侧固定连接；所述控制舱外侧设有控制舱板盖，所述控制舱板盖通过穿设于控制舱固定孔内的螺栓与所述控制舱外侧固定连接；所述电气舱和控制舱两端对称设有翼足部分安装槽，所述翼足部分安装槽外侧设有舵机固定孔；控制舱与电气舱隔离设置，同时做国标o圈静密封处理，实现良好的防水性能，所有外接的控制端子选择满足ip68标准的防水端子来实现；分为两密封舱体保证锂电池频繁拆卸更换与控制系统互不干扰；所述电气舱和控制舱底部设有尾腹部固定孔，所述尾腹部固定孔一侧开设有舵机线限位孔。
14.本发明分别采用两个舵机驱动单翼足、尾腹部的方式，将该生物双翼足扑打和腹部摆动的复杂运动解耦，其中尾腹部部分设计为“十字”型尾鳍形状，配合二自由度舵机云台，实现其在空间中主动摆动。十字尾鳍形状前进方向与前进方向的垂直方向上投影面积不同，这不但降低了其运动方向上的阻力，而且执行横侧向滚转运动时还可以提供更大转矩。整机重心靠下，机器人在静止状态下可竖直悬浮于水中达到静稳定。运动时采用多舵机协同控制策略，将六舵机分为两组，左右翼足部分四个舵机构成一组，尾腹部两舵机为一组。每次运动时，首先控制翼足部分的舵机a与舵机b按照频率2：1进行转动，设置两舵机初始速度互为反向，当舵机a完成一周期转动时，舵机b刚好完成两周期运动，二者同时回到中
间位置，另一侧舵机镜像同理设置，此时完成一次正常的扑打，以此高效地保证翼足产生有用水动力。尾腹部舵机在此过程中进行细微的作动，以维持机体姿态的稳定。当姿态传感器检测到欧拉角较大时，机器人可快速主动控制尾腹部舵机摆动，舵机c和舵机d输出姿态调节力矩偏转“十字”尾鳍结构使机器人保持稳定的水下姿态，进而保证鳍正常工作。通过调整设置左右翼足作动的相位差，可实现前游、偏航和后退等运动；通过控制舵机c和翼足中的4个舵机，可实现自然裸海蝶捕食时的俯仰翻滚大机动动作。
15.可选的，所述控制系统包括设置于所述控制舱内的主控板，所述主控板外接有传感器，所述主控板分别与所述翼足部分和尾腹部部分连接；所述控制板电连接有电池，所述电池设置于所述电气舱内；所述电气舱和控制舱顶部设有头部传感器安装口，所述头部传感器安装口处设有摄像头。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
17.本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，具有双自由度的单翼足独创机械结构，结构简洁可靠性高；本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，该机器人单体具有较高的机动性，使得机器人面对水下复杂地形环境具有强适应性，达到快速改变水深、躲避湍流、转弯与换向的多重目的，环境适应性强；本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，分别采用两个舵机驱动单翼足、尾腹部的方式，将该生物扑打的复杂运动解耦，实现方式简洁，控制精准。本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，较传统的仿鱼机器人，呈竖直姿态，自由度更多，机动性更高，结构设计更加巧妙。对不同舵机速度、转动幅度的组合控制，可实现机体各个姿态的调整，支持扩展多种传感器，可以更加灵活地执行探测任务。本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，尾腹部有十字尾鳍形状，配合二自由度舵机，实现在平面上对力和速度的分解，通过对舵机速度、运动幅度的控制，实现差速，进而实现姿态的矫正，控制简单精确。本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，尾腹部十字尾鳍形状前进方向与前进方向的垂直方向上投影面积不同，实现在运动方向上减小阻力，在执行偏航旋转动作时提供更大转矩，兼具两种优势。
附图说明
18.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。
19.图1是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人的整体结构装配正等轴侧图；
20.图2是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人的整体结构装配正视图；
21.图3是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人的整体结构装配侧视图；
22.图4是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人翼足部分的三维爆炸图；
23.图5是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人尾腹部分的三维爆炸图
24.图6是本发明仿生裸海蝶水下探测机器人主机体部分的三维爆炸图；
25.附图标记说明：1-主机体部分，2-左右翼足部分，3-尾腹部部分，101-头部传感器安装口，102-尾腹部固定孔，103-舵机固定孔，104-控制舱固定孔，105-电气舱固定孔，106-控制舱板盖，107-电气舱板盖，108-元件固定孔，109-舵机线限位孔，201-舵机a，202-舵机b，203-翼部夹取件，204-翼形pvc板，205-舵机支架b，301-舵机c，302-舵机d，303-u型尾部
夹取件，304-十字尾鳍，305-舵机支架c，306-舵机支架d。
具体实施方式
26.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本发明的目的是提供一种仿生裸海蝶水下探测机器人，以解决上述现有技术存在的问题，尺寸小，机动性能好，能够进行深海探测。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.本发明以裸海蝶作为仿生学原型，设计一种可用于深海探测的仿生裸海蝶水下探测机器人。裸海蝶是一种浮游软体动物，学名clionelimacina，是海若螺科一种生活在北冰洋及南冰洋水深达350米的海天使。它的尺寸较小，身体可长至5cm，其运动通过身体两侧的翼足拍动实现，这些“翅膀”大约每秒拍动两次，具有高机动性、可长时间悬浮水中等特点。参考裸海蝶身体结构，基于“不倒翁”原理配置机器人重心和浮心的相对位置，使本发明机器人能以独特的竖直机体姿态长时间悬浮在水中，并保持动态平衡，通过多自由度翼足扑动配合特殊形状的惯性尾腹部来实现水下机动运动，多种控制的输入提高了机器人的可控性。所研制的仿生机器人可以同时通过多自由度的尾腹部和独立驱动的左右翼足快速实现水下姿态的调整，具有较高的运动机动性和续航时间，这些特点将在很大程度上弥补小型长航时深海探测机器人领域的空缺。
30.翼足与尾腹部的运动需要使用合适的驱动源，电机、液压作动器等都是常见的动力输出单元，本发明设计的仿生机器人受限于其尺寸和舱内空间，需要选用功率密度较高的作动器，而采用小型防水舵机具有控制模式简单、角度控制精确等优点可实现0～180
°
输出角度控制，满足系统需要。
31.生物的水下推进方式很多，以鱼类为例，自然界鱼类主要分为五种运动形式：
32.(1)躯干摆动型(bca-o)：作为最常见的鱼类游动方式，具有较高稳定性。躯干摆动时，两侧进行不对称的交替收缩或舒张，在躯干前端产生低压涡推动鱼前进。
33.(2)躯干波动型(bca-u)：机器人仿照带鱼、鳝鱼结构，能够通过自身的高自由度在海底、珊瑚丛等复杂地形中灵活穿行。
34.(3)翼(鳍)扑动型(mpa-o)：对称设计结构简单，制造方便可靠，游动速度较快，成为现今水下软体机器人研究的热门领域。
35.(4)翼(鳍)波动型(mpa-u)：主要仿造乌贼的游动方式通过两侧翼(鳍)对称波动实现前游，不同频率，不同相位或不同幅值的波动实现转向，稳定性高，可较好地实现较大较长尺寸的水下软体机器人驱动。
36.(5)喷射型(jet)：软体机器人的灵感来源于水母和墨鱼，通过水泵装置泵水后挤出形成反冲驱动机器人前游，体积可大可小、对称性高、定向性好、加工方便，加速度较高。
37.具体的，本发明仿生裸海蝶水下探测机器人，包括主机体部分1、左右翼足部分2和尾腹部部分3，如图1～图6所示。主机体部分1包括主板、控制舱板盖106、电气舱板盖107，形
成控制舱、电气舱两个相互独立的内部空间，二者通过元件固定孔108彼此连通。其中，控制舱板盖106通过控制舱固定孔104与主机体由m3螺栓相配合；电气舱板盖107通过电气舱固定孔105与主机体由m3螺栓相配合，如图3所示；主机体上顶部有两组对称设置2x2共8个m3螺钉孔位作为头部传感器安装口101，用于外接传感器扩展模块，下底部同理设置有8个m3螺钉孔位作为尾腹部固定孔102，用于同尾腹部部分连接，其一侧设有舵机线限位孔109，用于舵机线的固定和穿设，左右两侧设置有舵机支架和对称设置4个m4螺钉孔位作为舵机固定孔103，用于同左右翼足部分连接，如图6所示；主机体主板部分关于主机体左右对称平面对称设置元件固定孔108阵列，通过绑带束缚内部电子元件、锂电池等，以保证电气系统可靠性和重心位置等力学参数保持不变，如图6所示。
38.左右翼足部分2包括左侧翼足部分与右侧翼足部分，分别安装于主机体部分1中左右两侧，通过舵机固定孔103与主机体由m4螺栓相配合。左侧翼足部分与右侧翼足部分均包括舵机a201、舵机b202、舵机支架b205与仿翼结构，仿翼结构包括翼部夹取件203与翼形pvc板204；分别安装于主机体左右两侧对称位置，如图2所示。
39.左侧翼足部分与右侧翼足部分结构相同，关于主机体左对称平面呈镜像对称。其中，舵机支架b205为u型框架结构，通过m2螺钉与舵机a201法兰盘相配合，实现彼此间紧密连接，进一步实现舵机支架b205同舵机b202绕舵机a201输出轴转动，通过m2螺钉与舵机b202机身相配合，实现彼此间相对固定；翼部夹取件203设计有类似舵机支架b的u型框架结构，通过m2螺钉与双输出轴结构的舵机b两法兰盘相配合，实现彼此间紧密连接，进一步实现仿翼结构绕舵机b输出轴转动。
40.尾腹部部分3包括舵机c301、舵机支架c305、舵机d302、舵机支架d306、u型尾部夹取件303、十字尾鳍304，安装于主机体部分1下侧，通过尾腹部固定孔102与主机体由m4螺栓相配合，如图5所示。
41.上述电气舱内部电池通过导线连接舵机、主控板，并通过主机体上开设的走线孔连接外部传感器，实现各设备供电。电池采用11.1v输出的锂电池，锂电池通过稳压降压模块，将电压稳定到5v的工作电压。主控板为单片机，优选为esp32单片机，舵机a、舵机b、舵机c、舵机d均通过导线与舵机控制板连接，通过舵机控制板控制四种舵机的转动。本发明中还在躯体中设置有姿态传感器模块，实现仿生裸海蝶水下探测机器人单体的位姿闭环反馈。本发明中外接摄像头优选采用无线摄像头，将无线摄像头的主体安置在头部传感器扩展孔上，获得更加广阔的探测视野；通过仿生裸海蝶水下探测机器人单体多自由度的稳定运动，使无线摄像头拍摄画面平滑稳定，到充分达采集图像的目的。
42.运动控制时，将六舵机分为两组，左右翼足部分四个舵机构成一组，尾腹部两舵机为一组。每次运动时，首先控制翼足部分的舵机a与舵机b按照频率2：1进行转动，设置两舵机初始速度互为反向，当舵机a完成一周期转动时，舵机b刚好完成两周期运动，二者同时回到中间位置，另一侧舵机镜像同理设置，尾腹部舵机保持不变，此时完成一次正常的扑打；当姿态传感器检测到欧拉角较大时，尾腹部舵机通过差速控制舵机c和舵机d使机器人保持竖直姿态，此时保证机器人正常工作状态。通过调整设置左右翼足的差速，可实现偏航与旋转动作；通过调用舵机c和翼足部分四舵机，可实现自然裸海蝶捕食时的滚转动作。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：包括主机体部分，所述主机体部分内设有控制系统；所述主机体部分两端活动设置有对称布置的翼足部分，所述翼足部分能够实现俯仰摆动和前后摆动；所述主机体部分底部活动连接有尾腹部部分，所述尾腹部部分能够实现上下摆动和左右摆动。2.根据权利要求1所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述翼足部分包括翼形pvc板，所述翼形pvc板一端活动连接有前后摆动驱动机构，所述前后摆动驱动机构远离所述翼形pvc板的一端活动连接有俯仰摆动驱动机构，所述俯仰摆动驱动机构与所述主机体部分一侧连接。3.根据权利要求2所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述前后摆动驱动机构包括舵机b，所述舵机b具有双输出轴，所述翼形pvc板一端固定连接有翼部夹取件，所述翼部夹取件远离所述翼形pvc板的一端设有u型框架，所述u型框架上下两端分别与所述舵机b的双输出轴连接。4.根据权利要求3所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述俯仰摆动驱动机构包括舵机a，所述舵机b一端固定卡接于u型结构的舵机支架b上，所述舵机支架b一端与所述舵机a的输出轴连接，所述舵机a固定安装于所述主机体部分上；所述舵机a的输出轴延长线与所述舵机b的输出轴延长线垂直布置。5.根据权利要求3所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述翼形pvc板包括扇形板状结构，所述扇形板状结构其中一条侧边开设有凹槽，所述翼部夹取件远离u型框架的一端设有与所述凹槽匹配的夹取槽，所述夹取槽固定夹持所述凹槽的侧边。6.根据权利要求1所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述尾腹部部分包括十字尾鳍，所述十字尾鳍顶部连接有上下摆动驱动机构，所述上下摆动驱动机构顶部连接有左右摆动驱动机构，所述左右摆动驱动机构顶部与所述主机体部分底部连接。7.根据权利要求6所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述上下摆动驱动机构包括舵机d，所述舵机d具有双输出轴，所述十字尾鳍顶部固定连接有u型尾部夹取件，所述u型尾部夹取件两侧分别与所述舵机d的双输出轴连接。8.根据权利要求7所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述左右摆动驱动机构包括舵机c，所述舵机c具有双输出轴，且所述舵机c的双输出轴竖直投影与所述舵机d的双输出轴竖直投影垂直；所述舵机d顶部固定卡接于u型结构的舵机支架d内，所述舵机支架d顶部与所述舵机c底部固定连接，所述舵机c的双输出轴连接有u型结构的舵机支架c，所述舵机支架c顶部与所述主机体部分底部固定连接。9.根据权利要求1所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述主机体部分包括通过元件固定孔连通的电气舱和控制舱，所述电气舱外侧设有电气舱板盖，所述电气舱板盖通过穿设于电气舱固定孔内的螺栓与所述电气舱外侧固定连接；所述控制舱外侧设有控制舱板盖，所述控制舱板盖通过穿设于控制舱固定孔内的螺栓与所述控制舱外侧固定连接；所述电气舱和控制舱两端对称设有翼足部分安装槽，所述翼足部分安装槽外侧设有舵机固定孔；所述电气舱和控制舱底部设有尾腹部固定孔，所述尾腹部固定孔一侧开设有舵机线限位孔。10.根据权利要求9所述的仿生裸海蝶水下探测机器人，其特征在于：所述控制系统包括设置于所述控制舱内的主控板，所述主控板外接有传感器，所述主控板分别与所述翼足
部分和尾腹部部分连接；所述控制板电连接有电池，所述电池设置于所述电气舱内；所述电气舱和控制舱顶部设有头部传感器安装口，所述头部传感器安装口处设有摄像头。

技术总结

本发明公开一种仿生裸海蝶水下探测机器人，涉及仿生水下机器人技术领域，包括主机体部分，所述主机体部分内设有控制系统；所述主机体部分两端活动设置有对称布置的翼足部分，所述翼足部分能够实现俯仰摆动和前后摆动；所述主机体部分底部活动连接有尾腹部部分，所述尾腹部部分能够实现上下摆动和左右摆动。本发明提供的仿生裸海蝶水下探测机器人，尺寸小，机动性能好，能够进行深海探测。能够进行深海探测。能够进行深海探测。