模拟胸鳍系统以及仿生水下机器人的制作方法

本实用新型属于水下仿生领域，尤其涉及一种仿生水下机器人。

背景技术：

为了拓展国家海洋利益、保障海洋国土安全、引领海洋科技发展、促进海洋经济增长，国家提出了“透明海洋”计划，对水下机器人产生了很大的需求，现阶段水下机器人的驱动部分大致可以分为推进器式和仿生式两种。传统的推进器式是靠推进器产生驱动力，驱动力有限，并且桨叶旋转时会产生较大的噪声和水花，并且由于没有实际水下生物采用类似推进器式的行进，推进器产生的异常水流容易被捕捉到。

中国实用新型专利CN 102303701 B中公开了一种多关节仿牛鼻鲼驱动骨架，该驱动骨架由一个躯干和八个运动关节组成，八个运动关节以躯干左右对称布置。运动关节上的弦向驱动鳍条采用独立舵机驱动，实现了每根鳍条在摆动频率、摆动幅度、相位差角等参数上的灵活可控。

上述现有专利的运动形式虽然可实现前向游动、左向游动、右向游动、翻转游动和俯仰游动，但是该现有专利中，其采用舵机转动，因舵机转速高扭矩低，而仿生水下机器人如仿生蝠鲼等的胸鳍，其摆动频率很低，大约在1Hz左右，并且摆动幅度在±45度左右，如此要求使舵机中较大部分功率被浪费，且该种带大减速比减速器的舵机尺寸较大，重量重，价格贵。且由于该现有专利中的三关节滑块-摇杆机构为单自由度机构，运动轨迹是一定的，因此由胸鳍向外的波动较为固定，不具有灵活性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种模拟胸鳍系统以及仿生水下机器人，该实用新型实现了胸鳍多级的柔顺摆动，并产生较大的推动力。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种模拟胸鳍系统，包括至少一级可产生摆动运动的摆动组件，每级所述摆动组件包括至少一节辐条，每节辐条设置有可驱动所述辐条摆动的驱动件。

作为本实用新型的进一步优化，所述驱动件为电机或液压缸。

作为本实用新型的进一步优化，所述电机为直线电机。

作为本实用新型的进一步优化，所述辐条为刚性材质。

一种仿生水下机器人，包括本体，以及安装于所述本体上的模拟胸鳍系统，所述模拟胸鳍系统为上述任一实施例所述的模拟胸鳍系统。

作为本实用新型的进一步优化，所述模拟胸鳍系统包括有6-10级摆动组件，且对称设置于所述本体的左右两侧。

作为本实用新型的进一步优化，每侧所述本体上的摆动组件包括位于中部位置处的一级摆动组件，以及对称于所述一级摆动组件上下两侧的次级摆动组件，其中，一级摆动组件中的辐条数量多于次级摆动组件的数量。

作为本实用新型的进一步优化，所述一级摆动组件包括有三节辐条，每节辐条上均设置有可驱动该辐条摆动的驱动件。

作为本实用新型的进一步优化，所述次级摆动组件包括至少一级摆动组件。

作为本实用新型的进一步优化，进一步包括包覆于仿生水下机器人外部的外皮。

作为本实用新型的进一步优化，所述外皮为弹性材质。

作为本实用新型的进一步优化，所述本体内设置有摄像机。

作为本实用新型的进一步优化，所述本体与所述模拟胸鳍系统组合形成为蝠鲼状。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

1、本实用新型的模拟胸鳍系统，其具有多级由驱动件连接辐条形成的摆动组件，摆动组件包含至少一节，通过每一级摆动组件的伸缩，以模拟胸鳍产生柔顺摆动，从而产生较大的推动力。

2、本实用新型的模拟胸鳍系统，其辐条采用刚性辐条，并通过控制各级摆动组件中驱动件的相位差，错开各级速度最大值的出现时机，显著降低了远端的最大速度。

3、本实用新型的仿生水下机器人，其采用了本实用新型的模拟胸鳍系统，实现了仿生水下机器人的柔顺摆动。

4、本实用新型仿生水下机器人的控制方法，其通过控制每一节摆动组件中驱动件之间的相位差，可以产生近似柔性的摆动，对辐条强度要求小，结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型模拟胸鳍系统的结构示意图；

图2为本实用新型仿生水下机器人的线条示意图；

图3为本实用新型仿生水下机器人的结构示意图；

图4为本实用新型仿生水下机器人的摆动示意图。

以上各图中：1、摆动组件；11、辐条；12、驱动件；2、本体；3、外皮；4、一级摆动杆组件；5、次级摆动组件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型提供了一种模拟胸鳍系统，该模拟胸鳍系统包括至少一级可产生摆动运动的摆动组件1，每级所述摆动组件1包括至少一节辐条11，每节辐条11设置有可驱动所述辐条11摆动的驱动件12。

上述方案中，通过设置至少一级摆动组件模拟胸鳍，并且，该摆动组件中的所有辐条均对应设置有相应的驱动件进行驱动，能够产生多级的柔顺摆动，进而形成较大的推动力。

进一步详细说明：上述中，辐条11在摆动过程中形同一端固定一端自由的悬臂梁，根据欧拉伯努利梁的固有频率计算公式，随着长度l的增大，固有频率将会快速下降，尤其针对弹性模量较小的柔性材料，以选取辐条为一米长且截面为10mm*10mm的杆件为例说明，一阶固有频率降低到1Hz附近，二阶固有频率在6Hz附近，三阶固有频率在16Hz左右，此时模态还是以一阶为主，和蝠鲼的摆动形式比较类似，如果辐条增长到两米长，那么三阶的固有频率降到了4Hz左右，胸鳍的摆动将不再顺畅连续。而本实施例中通过每个辐条均对应设置驱动件的分节式设计，能够将一整根悬臂梁分成三个部分，分别摆动，固有频率较高，不会出现高阶模态的扰动。

进一步地，本实用新型的上述所述驱动件12优选为电机或液压缸，其中电机优选为直线电机。

另外，上述中，所述辐条11优选为刚性材质。

通过上述模拟胸鳍系统，因柔性辐条的推动力低，当发生形变时，辐条与水接触的等效面积减少，水给胸鳍的推动力就小，而通过分级驱动，不存在形变，只是通过直线电机带动进行摆动，辐条之间的面积比柔性胸鳍的更大，推动力更强。当辐条为刚性结构时，随着辐条尺寸的增大，最远端的线速度增大，水的阻力与速度的二次方成正比，辐条上会受到一个非常的反作用力，刚性结构不能通过变形来降低这个末端速度，所以很容易会出现断裂或塑性形变等问题，通过本实用新型分节式的刚性辐条，通过控制各级的相位差，错开各级速度最大值的出现时机，能够显著降低远端的最大速度。以一具体实施例说明，对于一根450mm长一体的辐条，在1Hz摆动频率，摆角±45度的条件下，最远端线速度是225πmm/s，而如果采用3根150mm的分节式的结构，并设定三级相位差为60度，最远端线速是相较于一体辐条大约减少了25％的线速度，相当于水阻减少了近50％，也就是同样的材料，强度，尺寸可以做的更大，将会获得更大的推动力。

如图2和图3所示，本实用新型还提供了一种仿生水下机器人，该仿生水下机器人包括本体2，以及安装于所述本体2上的模拟胸鳍系统，所述模拟胸鳍系统为上述任一种实施例中所述的模拟胸鳍系统。另外，该仿生水下机器人还包括包覆于仿生水下机器人外部的外皮3。外皮3优选为防水的弹性材质，如硅橡胶材质，以便于保护仿生水下机器人的内部电路或结构等。

本实用新型的仿生水下机器人，通过安装上述实施例中的模拟胸鳍系统，实现了仿生水下机器人的柔顺摆动。

详细如图3所示，所述模拟胸鳍系统包括有6-10级摆动组件1，且对称设置于所述本体2的左右两侧。具体的，以具有10级摆动组件为例说明，则本体的左右两侧各分布有5级摆动组件，且优选每侧摆动组件均上下对称设置。该种设置其主要目的在于模拟水下生物，以蝠鲼为例，中部具有较大的长度，两侧胸鳍对称。

继续如图3所示，每侧所述本体2上的摆动组件1包括位于中部位置处的一级摆动组件4，以及对称于所述一级摆动组件上下两侧的次级摆动组件5，其中，一级摆动组件4中的辐条数量多于次级摆动组件5的数量。另外，所述一级摆动组件4包括有三节辐条11，每节辐条11上均设置有可驱动该辐条摆动的驱动件12。

同时，上述所述次级摆动组件5包括至少一级摆动组件1，即如图3中所示，该次级摆动组件5可包括上下对称设置的四级摆动组件1，每级摆动组件1可包括一节或多节辐条。

如图3所示，具体举例说明，该胸鳍共有十级摆动组件，其中位于中部位置处的所述一级摆动组件为最长，且每侧均具有三节驱动件与辐条，次级摆动组件位于一级摆动组件的上下两侧，该次级摆动组件包括具有两节驱动件与摆杆的一组摆动组件，以及位于最外侧具有一节驱动件与摆杆的摆动组件。优选辐条为刚性材料组成，通过驱动件的伸长与缩短控制摆角，可以近似的认为驱动件的长度变化与摆杆的角度变化成正比，当驱动件的控制信号呈sin(ωt)时，摆杆产生近似正弦的摆动，当同一级摆动组件上辐条的后一个驱动件控制信号与前一个信号存在一个相位差，即第二个驱动件的控制信号呈sin(ωt+φ1)，第三个驱动件的控制信号呈sin(ωt+φ1+φ2)时，辐条就会产生一个类似蝠鲼的沿胸鳍向外的波动，从而形成胸鳍自最上方摆动到最下方。通过控制摆动的速度、幅值可以凭借水对胸鳍的反作用力进行上浮，下潜和转弯。虽然辐条中的每一节都为刚性，但依靠每一节之间的相位差可以产生近似柔性的摆动，对辐条强度要求小，结构简单。

同时，本实用新型的仿生水下机器人，所述本体2内设置有摄像机，该摄像机优选为双目摄像机，以便于进行双目视觉导航。

结合图3所示，本实用新型的仿生水下机器人，优选模拟蝠鲼，即所述本体2与所述模拟胸鳍系统组合形成为蝠鲼状。此时，本体2为密封舱，该密封舱优选为铝合金材质，模拟胸鳍系统对称分布于本体两侧，以形成左右胸鳍，两侧胸鳍优选通过螺栓连接在抱箍上，抱箍夹紧固定在密封舱上，整体外部包裹有防水弹性外皮，内部填充浮力材料颗粒提供浮力。上述作为密封舱的本体2内可放置电池，传感器，控制电路等，并且可以通过调节电池位置调节重心，前端为玻璃球罩，双目摄像机和照明灯可以在密封舱内工作，直线电机，水声通讯和部分传感器的供电和信号由舱内用水密接头传递。

另外，本实用新型还提供了一种仿生水下机器人的控制方法，该控制方法用于控制上述仿生机器人，具体步骤为：控制每级摆动组件中的驱动件，当该级摆动组件中具有多节辐条时，顺次控制自本体向外部的辐条对应的驱动件，并控制后一节驱动件与前一节驱动件之间存在相位差。优选的，当摆动组件中具有多节辐条时，顺次控制自本体向外部的辐条对应的驱动件，并控制后一节驱动件与前一节驱动件之间存在奇数个相位差。同时，该相位差优选为一个。

本实用新型通过对驱动件依次滞后的正弦信号控制，从而产生了沿身体向后的波动，水的反作用力推动机器人向前行进，同时，如图4所示，每根辐条滞后于前一根辐条，产生类似争先的波动。

本实用新型仿生水下机器人在左侧胸鳍系统和右侧胸鳍系统的组合作用下，可以实现水下机器人的水下俯仰、转弯、翻滚等运动控制；同时，通过调节整体重心可以进行俯仰姿态的调整；通过左右两胸鳍向后波动的差速运动可以实现转弯；通过胸鳍抬起与拍下的差速运动产生的不平衡反作用力可以实现翻滚。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。