一种叶足动物仿生水下机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种一种仿生叶足动物（lobopodia，早寒武纪–下石炭纪）运动形式和策略的水下机器人。

背景技术：

通常意义上，水下机器人是指在水下完成各种工作的特种机器人，例如，可用于海洋数据监测、海洋生物观察、海底管线铺设与施工、水下救援、水下设备维护与维修、潜水娱乐、海洋资源与水产养殖等民用邻域，也可以用于侦察、水下布雷与扫雷等军用领域。按照目前市场需求，水下机器人可大致分为观察探测型和作业型两种。

经过十几年的发展，当今水下机器人的研究已经取得了长足的进步，正在逐步形成产业，应用范围已日趋广泛。由于水下机器人是一种技术密集性高且系统性强的交叉学科型工程，它涉及到的专业学科多达几十种，技术门槛相对较高。目前市场上的传统水下机器人大多是通过螺旋桨和舵的经典组合来实现水下运动的，因为动力学的分布需求，其动力装置常常会占用机器人很大的空间，致使机器人的外观呈现规则的立方体或者圆柱体，而这种形状的水下机器人在水中的灵活性往往较低，显得十分笨拙。相对于传统水下机器人的发展，近年来人们对仿生水下机器人的关注度也在增加。水下仿生机器人就是模仿水生生物的形态、动作和策略等的机器人，其中模仿鱼类游动的仿鱼机器人种类最多，有仿生金枪鱼机器人、仿生鳐鱼机器人和仿生鳗鱼机器人等；有模仿龙虾爬行的龙虾机器人，这种机器人使用足来运动，其动作灵活，能量利用率高；也有模仿水下软体动物的仿生乌贼机器人和仿生海星机器人等等，但是按照动物的运动策略和生活习性不同，相应的仿生机器人各有不同的优点和优势。目前的仿生水下机器人普遍缺少冗余性设计，在一些情况下，若机器人的某个动力源失效，则整个水下机器人都会面临失控的问题。此外，现有的水下机器人控制单元还存在一定缺陷，机器人行动在一些情况下无法满足更灵活、可靠性更高和更特殊的运动要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有动物仿生水下机器人存在的问题，提供一种更加灵活的、更加实用的、依靠冗余设计更加可靠的水下仿生机器人。

本发明的构思是：本发明设计参照的水生动物来源于寒武纪时代的著名优势物种—叶足动物门类群。叶足动物具有体节、身侧长有叶状附肢，外观上与节肢动物和有爪动物接近。叶足动物门下分有恐虾（dinocarida）和异虫（xenusia）两纲，其中恐虾纲叶足动物依靠其特殊的身体构造，具备了高速度和高灵活性运动的优点，成为寒武纪海洋中食物链顶端的掠食者。如果能将古生物优势物种的身体形状构造和水下机器人技术起来，便能创造出一种新型的、更加灵活的、更加实用的、依靠冗余设计更加可靠的水下仿生机器人。

本发明的的技术方案是这样的：一种叶足动物仿生水下机器人，它包括基体、动力模块、平衡模块、云台、外壳、防水薄膜、电池、控制与通信系统。动力模块、平衡模块、云台、外壳、防水薄膜、电池、控制与通信系统均固定在基体上；基体由基体主体和基体尾部构成，基体主体设置有两个对称的支撑结构，基体尾部带有支撑固定结构，且基体主体的支撑结构上均留有安装孔，可以安装除机器人本身自有设备外的其他设备，如机械手等；动力模块包括在基体主体两侧对称分布安装的7对14个动力单元，每一个动力单元包含三个舵机、动力单元连接件一、动力单元连接件二、动力单元连接件三和对应的动力桨叶；平衡模块包括在基体尾部后部对称安装的3对6个平衡单元，每一个平衡单元，包含1个舵机、平衡单元连接件和对应的平衡尾叶；云台由两个舵机、云台连接件一、云台连接件二、云台连接件三和摄像头组成。

所述的外壳由主外壳和前部透明外壳构成。

所述的防水薄膜组件包括动力模块防水薄膜组件和平衡模块防水薄膜组件两部分。

所述的控制与通信系统由通信单元、总控制单元、云台控制单元、运动控制单元、平衡控制单元、传感器单元和控制电路构成。

本发明装置使用流程如下：通信单元接收并解调外部计算机发送的指令信号后，将生成的指令信息发送给总控制单元进行处理。总控制单元将指令信息分包为不同的控制信息分别发送给云台控制单元、运动控制单元和平衡控制单元。云台控制单元依据收到的控制信息，利用控制信号控制云台。运动控制单元依据收到的控制信息，利用控制信号控制动力单元，使动力桨叶运动。平衡控制单元依据收到的控制信息，通过控制信号控制平衡单元，使平衡尾叶运动。云台与环境交互获得图像信息，将其传送给通信单元。动力桨叶与环境交互，使机器人运动。平衡尾叶与环境交互，使机器人保持平衡。传感器单元与环境交互，获得位置、姿态和安全信息等反馈信号，将其传送给总控制单元。总控制单元获得反馈信号，可以更新控制信息，也可以将反馈信号打包为反馈信息传送给通信单元。通信单元将反馈信息和图像信息调制为反馈信号，发送给外部计算机进行处理。

本发明的动力单元的工作原理是：（1）由运动控制单元在每一时刻产生不同的控制信号分别控制各个动力单元；（2）各个动力单元按照自己接收到的信号完成相应的独立动作；（3）多个动力单元在完成各自动作的同时恰好完成共同协作，使机器人完成特定运动进而完成特定的工作任务。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明运用叶足动物门恐虾纲的生物种类特点，通过有规律的拍动自身两侧的叶状附肢，利用波动使自己在水中平稳运动，这些桨叶般的附肢在其身体中央达到最宽，而向前与向后方逐渐变窄，其特点是：（1）通过不同的时序组合拍动多个或多对不同的桨叶，可以得到特征完全不同的运动效果；（2）通过特定的规划来控制桨叶的拍动，可以实现特定的动作，且效果稳定。

2、本发明平衡模块的设计参照了叶足动物门恐虾纲生物的特征，可以大大增加机器人在水中运动的平衡性与稳定性，通过调整平衡桨叶，机器人也可以完成例如翻转这样的高难度动作。

3、本发明参照了叶足动物门水生生物的形态特征，具有运动灵活性高、冗余可靠性高、噪音小和能量效率高的优点。

4、本发明根据用途的不同，可在机器人上加装各种不同的设备或模块，如机械手、声呐、光学扫描仪器等，使机器人具备更多的功能和使用范围。

5、本发明可以使用电池作为电源，并且使用无线通信模块与人工交互，可以使机器人脱离缆线的限制，运动范围得到很大提升。

6、本发明防水薄膜采用特殊柔性材料制作而成，可以在防水的同时保证动力单元的运动流畅无阻。

7、本发明的结构采用了十分接近实际生物特征的仿生学设计，配合高级机器人算法和人工智能，可以为相关生物学研究提供参考。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明拆去外壳和防水薄膜后的机器人立体效果图。

图3是本发明机器人基体主体与基体尾部和前端透明外壳的连接示意图。

图4是本发明云台、控制与通信系统、动力单元安装结构关系的示意图。

图5是本发明基体主体、基体尾部与外壳、7对动力单元安装位置关系示意图。

图6是本发明主体侧视状况下动力单元示意图。

图7是本发明一号动力单元的结构示意图。

图8是本发明一号动力单元俯仰运动时的示意图。

图9是本发明一号动力单元进行横摆运动时的示意图。

图10是本发明一号动力单元进行侧滚运动时的示意图。

图11是本发明机器人动力单元运动时进行协作的示意图。

图12是本发明机器人的平衡模块、舵机安装在基体尾部后的立体效果图。

图13是本发明机器人云台连接件、摄像头、舵机连接的位置关系与局部放大图。

图14是本发明机器人各平衡单元结构示意图。

图15是本发明动力模块防水薄膜组件与基体主体和动力单元连接件三的连接示意图。

图16是本发明平衡模块防水薄膜组件与基体尾部和平衡单元连接件的连接示意图。

图17是本发明控制与通信系统及动力单元、平衡单元的位置关系和物理线路连接示意图。

图18是控制与通信系统工作原理图。

图中：1-基体，11-基体主体，12-基体尾部，111-基体主体支撑结构，121-基体尾部支撑固定结构，2-动力模块，7对动力单元（201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214），2011-一号动力单元连接件一，2012-一号动力单元连接件二，2013-一号动力单元连接件三，2014-一号动力单元桨叶；3-平衡模块，3对平衡单元（31、32、33、34、35、36），3对平衡单元连接件（311、321、331、341、351、361），3对平衡尾叶（312、322、332、342、352、362），4-云台，41-云台连接件一，42-云台连接件二，43-云台连接件三，5-外壳，51-主外壳，52-前端透明外壳，6-防水薄膜，61-动力模块防水薄膜组件，62-平衡模块防水薄膜组件，611-柔性防水薄膜一，621-柔性防水薄膜二，612-防水薄膜固定支架一，622-防水薄膜固定支架二，7-电池；8-控制与通信系统，81-通信单元，82-总控制单元，83-云台控制单元，84-运动控制单元，85-平衡控制单元，86-传感器单元，87-控制电路，9-舵机；10-摄像头，131-橡胶垫圈一，132-橡胶垫圈二，14-主控制器，15-通信元器件，16-左侧动力单元控制器，17-右侧动力单元控制器，18-平衡单元控制器，19-外部计算机，20-环境。

具体实施方式

为了更清楚地了解本发明实施方式，下面将结合实施例进行进一步说明。

实施例1：请参看图1、图2、图3，一种叶足动物仿生水下机器人，它包括基体1、动力模块2、平衡模块3、云台4、外壳6、防水薄膜6、电池7、控制与通信系统8。动力模块2、平衡模块3、云台4、外壳5、防水薄膜6、电池7、控制与通信系统8均固定在基体1上；基体1由基体主体11和基体尾部12构成，基体主体11设置有两个对称的基体主体支撑结构111，基体尾部带有支撑固定结构121，且基体主体11的支撑结构上均留有安装孔，可以安装除机器人本身自有设备外的其他设备，如机械手等；基体主体11和基体尾部12通过螺纹连接，其连接处带有橡胶垫圈131用来防水；基体主体11和前部透明外壳52通过螺纹连接，其连接处带有橡胶垫圈132用来防水。

参看图4、图5、图6和图7，本发明动力模块2包括在基体主体11两侧对称分布安装的7对14个动力单元201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214，每一个动力单元包含三个舵机9、动力单元连接件一2011、动力单元连接件二2012、动力单元连接件三2013和对应的动力桨叶2014；本实施方式的动力单元，如一号动力单元201可不限于包含3个舵机9，根据实际任务与运动精度需要，可以安装1至3个舵机。本发明主外壳51通过防水接口与基体主体11固连。7对动力单元（201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212、213、214）与基体主体11连接处均设置有动力模块防水薄膜组件；3对平衡单元（31、32、33、34、35、36）与基体尾部12连接处均设置有平衡模块防水薄膜组件62。

参看图8、图9、图10，本发明具体实施方式的动力单元，如一号动力单元201及其连接件2011、2012、2013和动力桨叶2014可以根据实际任务与运动精度需要，依靠不同位置上的舵机9完成俯仰、横摆和侧滚三个动作。动力桨叶2014由柔性材料制作而成。

参看图11，本说明具体实施方式的动力单元201至214互相协作，可以通过规律的时序运动如：类正弦波运动，实现驱动机器人的作用。

参看图4、图5、图6和图12，本发明具体实施方式的平衡模块3包括在基体尾部12后部对称安装的3对6个平衡单元31、32、33、34、35、36，每一个平衡单元，包含1个舵机9，3对平衡单元连接件311、321、331、341、351、361，以及对应的3对平衡尾叶312、322、332、342、352、362。

参看图13，本发明云台由两个舵机9、云台连接件一41、云台连接件二42、云台连接件三43和摄像头10组成。

参看图14，该图为本发明6对平衡单元31、32、33、34、35、36相互之间位置、结构示意图。

参看图15、16，本发明具体实施方式的防水薄膜组件6，主要包括动力模块防水薄膜组件61和平衡模块防水薄膜组件62两部分。动力模块防水薄膜组件61由对应柔性防水薄膜611和对应固定支架612构成。其中，柔性防水薄膜611的一端与固定支架612的一端粘接，柔性防水薄膜611的另一端与动力单元，如一号动力单元201的动力单元连接件三2013粘接。固定支架612的另一端与基体主体11粘接。平衡模块防水薄膜组件62由对应柔性防水薄膜621和对应固定支架622构成。其中，柔性防水薄膜621的一端与固定支架622的一端粘接，柔性防水薄膜621的另一端与平衡单元，如五号平衡单元35的平衡单元连接件351粘接。固定支架622的另一端与基体尾部12粘接。

参看图17和图18，本发明具体实施方式的中控制与通信系统8由通信单元81、总控制单元82、云台控制单元83、运动控制单元84、平衡控制单元85、传感器单元86和控制电路87构成。

通信单元81由主控制器14和通信元器件15构成。总控制单元82集成在主控制器14内。云台控制单元83集成在主控制器14内。运动控制单元84由主控制器14、左侧动力单元控制器16和右侧动力单元控制器17构成。平衡控制单元85由主控制器14和平衡单元控制器18构成。传感器单元86由主控制器14内部传感器和外部传感器构成。主控制器14、通信元器件15、左侧动力单元控制器16、右侧动力单元控制器17构成、平衡单元控制器18构成、集成在主控制器14内的内部传感器和电池7通过控制电路87联接。

操作流程：本发明通信单元81接收并解调外部计算机19发送的指令信号后，将生成的指令信息发送给总控制单元82进行处理。总控制单元82将指令信息分包为不同的控制信息分别发送给云台控制单元83、运动控制单元84和平衡控制单元85。云台控制单元83依据受到的控制信息，利用控制信号控制云台4。运动控制单元84依据受到的控制信息，利用控制信号控制动力单元，使动力桨叶如一号动力桨叶214运动。平衡控制单元85依据受到的控制信息，利用控制信号控制平衡单元，使平衡尾叶如一号平衡尾叶312运动。云台4与环境20交互获得图像信息，将其传送给通信单元81。动力桨叶如一号动力桨叶214与环境20交互，使机器人运动。平衡尾叶如一号平衡尾叶312与环境20交互，使机器人保持平衡。传感器单元86与环境20交互，获得位置、姿态和安全信息等反馈信号，将其传送给总控制单元82。总控制单元82获得反馈信号，可以更新控制信息，也可以将反馈信号打包为反馈信息传送给通信单元81。通信单元将反馈信息和图像信息调制为反馈信号，发送给外部计算机19进行处理。本发明既可以作为观察探测型水下机器人使用，也可以作为工程作业型水下机器人使用。

作为观察探测性水下机器人。机器人本身具有云台，可以拍摄记录水下的环境并依靠通信系统将信息上传至外部计算机。机器人依据不同任务要求可以在机身上搭载不同的探测设备如声呐系统等。仿生叶足动物的身体构造，可以使机器人在运动时产生微小的噪声，这对应用于水产养殖领域是有很大帮助的；这种构造还会使以机器人具有很大的灵活性，它可以利用灵活的运动性能对水下物体进行跟踪拍摄，可应用于潜水娱乐和海洋生物观察的任务；此外，仿生的设计也使机器人体积得到缩减，机器人可以穿梭于狭窄的空间，这对于水下侦查与救援也十分有益。

作为工程作业型水下机器人。机器人本身具有云台，可以拍摄记录水下的工况并依靠通信系统将信息上传至工业监控计算机。机器人依据不同任务要求可以在机身上搭载不同的作业工具如机械手等。机器人依据自身搭载的精密传感器如陀螺仪，利用装备的运动控制器可以保持机器人的运动和姿态稳定，从而完成一些难度较高的水下工作。同时，机器人将带有北斗或gps定位系统，将作业地点等信息也一并上传至外部计算机，方便作业任务的记录。高级智能化的本机器人会有机器学习功能，其可以识别水下设备如水下管道的破裂和泄露险情，帮助进行水下设备维护的工作。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，虽然可以对实施例内容进行多种变化、修改、替换和变型，但均不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所述权利要求及其等同物限定。