一种仿生线驱动腕乌贼的制作方法

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种仿生线驱动腕乌贼。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪，随着陆地资源的枯竭，海洋资源的开发利用与蓝色经济的需求逐渐增大。由于水环境的恶劣性、复杂性、高度的腐蚀性、强压力和对传感器的不透明性，这使得水环境下的作业任务发生了很大变化，一般的潜水技术已无法适应现代高深度综合考察、研究以及完成各种作业和应用的需要。鱼类经过长期的自然选择，进化出性能完备的游动机能和器官，为人类研制新型水下推进控制系统提供了模仿对象。从20世纪90年代开始，仿生机器鱼成为人们重点发展对象，和普通的水下推进器相比，鱼类的游动具有推进效率高、机动性能好、隐蔽性能好等优点。仿生机器鱼作为鱼类推进机理和机器人技术的结合点，为研制新型的水下航行器提供了一种新思路，具有重要的研究价值和应用前景。

目前水下航行器大体上分为rov和仿生机器鱼，传统的rov体积大、能耗高、对于环境扰动较大，而目前国内外设计的仿生机器鱼其原理基本上是仿照机器鱼的结构外形，其材料多为刚性材料并且与螺旋桨为主要驱动方式，仿真效果低，动作姿态不灵活。线驱动仿生机器鱼有着推进效率高、可控性良好和较快的推进速度等优点,但是目前的仿生机器鱼所展示出的游动性能还远远比不上生物鱼。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种仿生线驱动腕乌贼，具有水下游动动作丰富，仿生度高，灵活性强的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿生线驱动腕乌贼，包括腕乌贼本体，所述腕乌贼本体包括腕乌贼胴体、腕乌贼头部、腕乌贼触腕、腕乌贼外套膜，所述腕乌贼胴体包括腕乌贼胴体尾部和腕乌贼胴体躯干，所述腕乌贼胴体尾部为圆锥形结构支撑件，所述腕乌贼胴体躯干由万向节骨架结构和胴体线驱动纵向肌组成，所述腕乌贼胴体尾端左右两侧分别设有第一驱动机构、第二驱动机构，所述腕乌贼头部通过万向节骨架结构和胴体线驱动纵向肌与腕乌贼胴体尾部相连，所述腕乌贼触腕通过第三驱动机构与所述腕乌贼头部前方相连，所述腕乌贼外套膜从腕乌贼胴体尾部向下包裹，包裹腕乌贼胴体至腕乌贼头部尾端，所述腕乌贼外套膜包括肉鳍外套膜和胴体外套膜，所述胴体外套膜为套在所述腕乌贼酮体尾部及所述腕乌贼胴体躯干空腔部分的外套膜，其在水中运动时自动充水，可形成具有一定升力的流体外形结构。

进一步，所述第一驱动机构、第二驱动机构、第三驱动机构分别包括舵机支架以及设置在所述舵机支架内的舵机，所述腕乌贼胴体尾部左右两侧的舵机分别与所述腕乌贼胴体尾部左右两侧肉鳍内驱动碳纤维板相连接，与腕乌贼外套膜组成腕乌贼肉鳍驱动结构。

进一步，所述第三驱动机构连接腕乌贼触腕组成触腕驱动结构，所述腕乌贼触腕内部设有尼伦材料，外部由软体硅橡胶材料包裹。

所述腕乌贼外套膜由硅橡胶材料塑形浇铸而成，腕乌贼外部整体呈流线型结构。

进一步，所述腕乌贼头部设有电控舱，所述电控舱四周设置有四个沉浮控制舱，所述电控舱中有用于固定控制电路板及线路的舱内固定件，所述电控舱前后设置用于梳理电路的穿线槽。

进一步，所述电控舱内设置控制电路板的微型电脑，所述微型电脑驱动板输出对应的电控信号来控制舵机、喷水推进器，所述电控舱内设置电源管理板、供给用电器用电的锂电池组。

进一步，所述腕乌贼外套膜套置在腕乌贼胴体外部，所述腕乌贼胴体躯干部分四周形成可充水的空腔，所述腕乌贼胴体尾部设计为下底凸，上底平的结构。

进一步，所述腕乌贼胴体躯干内部设置有万向节组成的可弯曲骨架支撑结构，使腕乌贼在实现动作组时身体可以做出沿动作方向的“弓”字形弯曲，辅助动作完成。

进一步，所述腕乌贼胴体躯干有沿弦向围绕万向节骨架的十六条弹力绳材料，所述弹力绳材料浇铸在柔性硅橡胶材料中组成胴体线驱动纵向肌。

进一步，所述电控舱上端设置水密接口与传感器组和第一驱动机构、第二驱动机构相连接，用于传感器信号的输出与数据回收和腕乌贼肉鳍驱动结构的信号输出与控制；所述电控舱下端设置水密接口与第三驱动结构相连，用于腕乌贼触腕驱动结构的信号输出与控制。

有益效果：本发明的一种仿生线驱动腕乌贼，酮体躯干可弯曲辅助动作实现，线驱动触腕控制精度高，推进效率强，整体组合实现仿生线驱动腕乌贼水下游动动作丰富，仿生度高，灵活性强。本发明可实现搭载多种水下探测器、不同水深灵活浮沉、实现水下软体机器手等功能，进行对海洋的探测和开发。

附图说明

图1是本发明一种仿生线驱动腕乌贼一个实施例的整体结构示意图。

图2是本发明一个实施例中腕乌贼胴体结构示意图。

图3是本发明一个实施例中腕乌贼头部结构示意图。

图4是本发明一个实施例中腕乌贼触腕结构示意图。

图5是本发明一个实施例中腕乌贼外套膜结构示意图。

图6是本发明一个实施例中腕乌贼肉鳍驱动结构示意图。

图7是本发明一个实施例中腕乌贼触腕驱动结构示意图。

各符号代表：腕乌贼本体1；腕乌贼胴体11；腕乌贼头部12；腕乌贼触腕13；腕乌贼外套膜14；腕乌贼胴体尾部111；腕乌贼胴体躯干112；声纳回声测深仪1111；万向节骨架结构1121；胴体线驱动纵向肌1122；弹力绳材料11221；柔性硅橡胶材料11222；电控舱121；沉浮控制舱122；摄像头组123；喷水推进器124；尼伦材料131；肉鳍外套膜141；胴体外套膜142；第一驱动机构2；第二驱动机构3；驱动碳钎维板4；第三驱动机构5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2、6所示，图中包括腕乌贼本体1，所述腕乌贼本体1包括腕乌贼胴体11、腕乌贼头部12、腕乌贼触腕13、腕乌贼外套膜14。所述腕乌贼外套膜14由硅橡胶材料塑形浇铸而成，腕乌贼外部整体呈流线型结构，由于全身软体外形，所述腕乌贼在水中阻力减小，游动自如,全身软体外形在水中运动时会减少运动时产生的紊流，具有减阻效果。

所述腕乌贼胴体11包括腕乌贼胴体尾部111和腕乌贼胴体躯干112，所述腕乌贼胴体尾部111为圆锥形结构支撑件，所述腕乌贼胴体躯干112由万向节骨架结构1121和胴体线驱动纵向肌1122组成。所述腕乌贼胴体11尾端左右两侧分别设有第一驱动机构2、第二驱动机构3，所述腕乌贼头部12通过万向节骨架结构1121和胴体线驱动纵向肌1122与腕乌贼胴体尾部111相连。

所述腕乌贼头部12与所述腕乌贼胴体尾部111舵机以同频摆动，所述触腕舵机向内轴线聚拢的平均速度和肉鳍舵机向下拍动的平均速度为别为触手舵机张开和肉鳍向上的平均速度的2.5倍时，所述仿生线驱动腕乌贼实现直行动作组。所述本体尾部两侧舵机反向差动，同时所述触腕舵机的聚拢方向由中间轴线改变为向左倾斜的轴线，所述仿生线驱动腕乌贼实现左转动作组，右转同理。由于所述仿生线驱动腕乌贼本体形状为双凸翼型型，具有一定的升阻比，所以当其运动速度达到一定临界时，身体整体克服重力，所述仿生线驱动腕乌贼实现上浮动作组，降低速度时，所述仿生线驱动腕乌贼实现下潜动作组。

如图1、5、7所示，所述腕乌贼触腕13通过第三驱动机构5与所述腕乌贼头部12前方相连，所述腕乌贼外套膜14从腕乌贼胴体尾部111下套，包裹腕乌贼胴体11至腕乌贼头部12尾端。

所述腕乌贼外套膜14包括肉鳍外套膜141和胴体外套膜142，所述胴体外套膜142为套在所述腕乌贼酮体尾部及所述腕乌贼胴体躯干空腔部分的外套膜，其在水中运动时自动充水，可形成具有一定升力的流体外形结构。所述肉鳍外套膜141包括上下两层，肉鳍外套膜141两层中间设有第一驱动机构2、第二驱动机构3，所述第一驱动机构2、第二驱动机构3由左、右舵机连接舵机支架组成，所述第一驱动机构2、第二驱动机构3由连接舵机支架上的碳纤维板骨架支撑结构。

如图1、2、4、6、7所示，所述第一驱动机构2、第二驱动机构3、第三驱动机构5分别包括舵机支架以及设置在所述舵机支架内的舵机，所述腕乌贼胴体尾部111左右两侧的舵机分别与所述腕乌贼胴体尾部111左右两侧肉鳍内驱动碳纤维板相连接，与腕乌贼外套膜14组成腕乌贼肉鳍驱动结构。

所述第三驱动机构5连接腕乌贼触腕13组成触腕驱动结构，所述腕乌贼触腕13内部设有尼伦材料131，外部由软体硅橡胶材料包裹，柔性软体外形下不失弹性，游动波形传递完整。

所述驱动碳纤维板由半柔性碳纤维材料制作而成，所述半柔性碳纤维材料一定的刚性和韧性，使所述腕乌贼肉鳍驱动结构在高精度控制的情况下，又具有一定柔性的传波作用。

所述第三驱动机构5连接腕乌贼触腕13，组成触腕驱动结构，所述腕乌贼触腕13，内部设置尼伦材料131，外部软体硅橡胶材料包裹，柔性软体外形下不失弹性，游动波形传递完整。所述硅橡胶材料线收缩率高，化学稳定性好，用于在淡水甚至海水中耐腐蚀程度高，使铸造触腕使用寿命长。而且，所述柔性硅橡胶材料11222制作的腕乌贼触腕13，在水中属于全柔性摆动，具有高度的生物仿生性。所述硅橡胶触腕中内置尼伦材料131，运动时所述尼伦材料131对全柔性硅橡胶具有一定的束缚和拉扯作用，使全柔性硅橡胶触腕具有较高的控制精度。

所述腕乌贼外套膜14套置在腕乌贼胴体11外部，所述腕乌贼胴体躯干112部分四周形成可充水的空腔，所述腕乌贼胴体尾部111设计为下底略凸，上底略平的结构，所述腕乌贼游动过程中空腔充水，由于所述腕乌贼胴体尾部111的支撑作用，自主形成双凸翼型的侧面流体结构，其提供的升阻比可使腕乌贼在游动速度较快时呈上浮趋势，在腕乌贼游动速度较慢时呈下降趋势，在某一临界时可以实现维持在某一高度的运动。

所述腕乌贼胴体躯干112内部设置有万向节组成的可弯曲骨架支撑结构，使腕乌贼在实现动作组时身体可以做出沿动作方向的“弓”字形弯曲，辅助动作完成。

所述腕乌贼胴体躯干112有沿弦向围绕万向节骨架的十六条弹力绳材料11221，所述弹力绳材料11221浇铸在柔性硅橡胶材料11222中组成胴体线驱动纵向肌1122，所述胴体线驱动纵向肌1122可使腕乌贼在身体弯曲时受到一定弹性限度下的约束，使身体在具有韧性的情况下，可以维持弦向细长的长锥形流线型外形。所述胴体线驱动纵向肌1122连接所述腕乌贼头部12和腕乌贼胴体尾部111，所述胴体线驱动纵向肌1122的存在可支撑整个腕乌贼的躯干长度，使万向节的不规则摆动受到腕乌贼驱动的间接控制。

所述腕乌贼在做转向运动时所述胴体线驱动纵向肌1122也会起到辅助动作的作用，以所述腕乌贼左转运动为例，所述腕乌贼左转时，所述肉鳍驱动机构中腕乌贼胴体尾部111两侧舵机反向差动，同时所述触腕舵机的聚拢方向由中间轴线改变为向左倾斜的轴线，腕乌贼胴体尾部111向左偏转。同时，所述胴体线驱动纵向肌1122传动使腕乌贼酮体躯干向左弯曲，胴体线驱动纵向肌1122外部硅橡胶材料的弹性配合所述腕乌贼触腕转向动作组使整个胴体可以快速调整姿态，实现转向动作，右转时胴体线驱动纵向肌1122的辅助作用等同。所述腕乌贼胴体躯干112弯曲时，由于所述胴体线驱动纵向肌1122中沿弯曲方向相反方向尼伦材料131产生的约束力，腕乌贼胴体躯干112不会产生过大幅度的弯曲，使其控制精度保持在一个恒定范围内。

所述电控舱121上端设置水密接口与传感器组和第一驱动机构2、第二驱动机构3相连接，用于传感器信号的输出与数据回收和腕乌贼肉鳍驱动结构的信号输出与控制；所述电控舱121下端设置水密接口与第三驱动结构相连，用于腕乌贼触腕驱动结构的信号输出与控制。

如图1、3所示，所述腕乌贼头部12设有电控舱121，所述电控舱121四周设置有四个沉浮控制舱122，所述电控舱121中有用于固定控制电路板及线路的舱内固定件，所述电控舱121前后设置用于梳理电路的穿线槽。

所述腕乌贼尾部顶端设有耦接于所述电控舱121内控制模块的摄像头组123，所述仿生腕乌贼头部12底面设有温度深度集成传感器、九轴姿态仪、声压检测模块，于所述腕乌贼电控舱121内，所述腕乌贼尾端设有红外避障传感器，尾端底部设置有声呐回声测深仪，所述腕乌贼头部12前方设置有喷水推进器124。所述电控舱121内设置控制电路板的微型电脑，其驱动板输出对应的电控信号来控制舵机、喷水推进器124，所述电控舱121内设置电源管理板、供给用电器用电的锂电池组。

所述沉浮控制舱122内设有调节卡槽，用于调节所述腕乌贼游动的沉浮姿态，使所述腕乌贼在水中游动动作更加灵活。所述电控舱121内设置控制电路板树莓派，该中央处理器通过串口通讯将指令发送给对应执行元件驱动板，此时驱动板输出对应的电控信号来控制舵机以及喷水推进器124。供电方面，12v或24v的锂电池输出电能给电源管理板，该板输出不同的电压给不同需求的电子元件，8.4v给执行元件驱动板，5v给大部分传感器和中央处理器和辅助处理器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。