一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人

1.本发明涉及水下机器人领域，特别涉及一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人。


背景技术：

2.水下机器人作为机器人的一类，能够在人类难以触及的深度和广度上进行作业，利用水下机器人可以轻松实现水质检测、环境探查等水下工作。仿生机器鱼是参照真实鱼类的生物结构和动力学原理进行设计的，因此在水中的游动能够更加自然，并利用流体力学的原理进行控制，优越的机动性和稳定性都是传统的基于螺旋桨推动的水下机器人无法比拟的。因此仿生机器鱼无论是在经济领域还是军事领域的水下探索开发中都具有重要的研究价值和广阔的应用前景。对仿生机器鳗鱼而言，小而灵活的身体使其能够在狭小的水域环境游动作业，有限的空间同时也对续航问题提出了挑战，如何利用好有限的能源实现更高的游动效率是一个重要的研究课题。现有的仿生机器鳗鱼主要存在以下缺点：一是采用多电机控制等方式实现鳗鱼身体的控制，存在能量转换效率低的问题；二是采用的软体长度过长，驱动段对鳗鱼身体运动的控制有限，难以模拟鳗鱼游动时的波形传递。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种能量转换率高、具有高度仿生特性的多段欠驱动仿生鳗鱼机器人。
4.根据本发明的第一方面实施例的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，包括
5.牵引段，所述牵引段设置为至少两个，所述牵引段包括第一牵引段和第二牵引段，所述第一牵引段设置有用于摆动前进的第一摆动机构，所述第二牵引段设置有用于摆动前进的第二摆动机构；
6.随动段，所述随动段设置为硅胶材质，所述随动段设置为至少两个，所述随动段包括中部随动段和尾部随动段，所述中部随动段设置在两个所述牵引段之间，所述尾部随动段设置在所述第二牵引段的末端，所述第一牵引段、所述中部随动段、所述第二牵引段和所述尾部随动段依次相连。
7.根据本发明第一方面实施例的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，至少具有如下有益效果：本发明的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，包括至少两个牵引段和至少两个随动段，牵引段包括第一牵引段和第二牵引段，随动段包括中部随动段和尾部随动段，第一牵引段、中部随动段、第二牵引段和尾部随动段依次相连，通过两个牵引段加两个随动段的多段欠驱动结构，能够更好地模拟真实鳗鱼的波形传递和游动步态；本发明的单个摆动机构能够对牵引段和随动段进行控制，能量转换率高；随动段的设置能够平衡水的外力，提高游动效率，灵活性高。
8.根据本发明的一些实施例，所述第一摆动机构包括第一电机、设置在所述第一电机上方的第一舵盘、缠绕在所述第一舵盘上的第一拉线和若干用于摆动的第一关节，所述第一关节之间转动连接，所述第一关节包括依次设置的第一支撑关节、第一活动关节和第
一连接关节，所述第一拉线穿过所述第一支撑关节和所述第一活动关节固定在所述第一连接关节上。
9.根据本发明的一些实施例，所述牵引段外设置有用于密封的硅胶套。
10.根据本发明的一些实施例，所述第一支撑关节和所述第一连接关节设置有向外凸出的凸出部，以对所述硅胶套进行支撑。
11.根据本发明的一些实施例，所述中部随动段包括随动主体、设置在所述随动主体两侧的凸台，所述凸台用于与所述牵引段连接。
12.根据本发明的一些实施例，所述随动主体上设置有凹槽。
13.根据本发明的一些实施例，所述第二摆动机构包括第二电机、设置在所述第二电机上方的第二舵盘、缠绕在所述第二舵盘上的第二拉线和若干用于摆动的第二关节，所述第二关节包括依次设置的第二支撑关节、第二活动关节和第二连接关节，所述第二拉线穿过所述第二支撑关节和所述第二活动关节固定在所述第二连接关节上。
14.根据本发明的一些实施例，所述第二支撑关节设置有用于与所述随动段连接的连接部。
15.根据本发明的一些实施例，所述牵引段设置有多个，所述中部随动段设置有多个，每个所述中部随动段设置在两个所述牵引段之间。
16.根据本发明的一些实施例，所述尾部随动段包括尾部主体、设置在所述尾部主体上的卡接部，所述尾部主体朝远离所述牵引部的方向逐渐变小，所述卡接部用于与所述牵引段连接，所述尾部主体上还设置有凹槽。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是本发明一实施例的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人的结构示意图；
20.图2是图1所示出的第一牵引段的结构示意图；
21.图3是图1所示出的第二牵引段的结构示意图；
22.图4是图1所示出的中部随动段的结构示意图；
23.图5是图1所示出的尾部随动段的结构示意图；
24.图6是图1所示出的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人静止状态的俯视图；
25.图7是图6所示出的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人摆动状态的俯视图。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右、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。
28.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
29.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接、装配、配合等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
30.下面参照图1至图7描述本发明实施例的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人。
31.本发明实施例的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，如图1至图7所示，包括牵引段和随动段，牵引段设置为至少两个，牵引段包括第一牵引段100和第二牵引段300，第一牵引段100设置有用于摆动前进的第一摆动机构，第二牵引段300设置有用于摆动前进的第二摆动机构，随动段设置为硅胶材质，随动段设置为至少两个，随动段包括中部随动段200和尾部随动段400，中部随动段200设置在两个牵引段之间，尾部随动段400设置在第二牵引段300的末端，第一牵引段100、中部随动段200、第二牵引段300和尾部随动段400依次相连。参照图1，中部随动段200设置在第一牵引段100和第二牵引段300之间，尾部随动段400设置在第二牵引段300的末端，第一牵引段100设置有第一摆动机构，第一摆动机构带动第一牵引段100摆动，第二摆动机构带动第二牵引段300摆动，随动段设置为硅胶材质，中部随动段200随第一牵引段100的摆动滞后跟随摆动，尾部随动段400随第二牵引段300的摆动滞后跟随摆动，通过第一摆动机构能够带动第一牵引段100和中部随动段200运动，通过第二摆动机构能够带动第二牵引段300和尾部随动段400运动，整体结构小巧，能够实现较高的推进效率和能量转换率。近年来，越来越多的研究表明，鱼类在游动过程中存在着被动机制。真实鱼类游动过程中，稳定游泳所需的大部分力量是由鱼体前部和中部的肌肉组织产生，鱼体后部的肌肉组织只将力量传递到尾巴。多段欠驱动的结构能够很好地模拟真实鳗鱼的运动步态，具有更高的灵活性，有效地提高仿生鳗鱼机器人的游动性能。
32.具体地，参照图7，当两个牵引段在不同的相位差下进行运动时，第一牵引段100向上偏转，中部随动段200受第一牵引段100的作用进行跟随运动，中部随动段200的运动在水的阻力下存在滞后，导致与第一牵引段100共同组成一个s型运动；同理，第二牵引段300向下偏转，尾部随动段400受第二牵引段300的作用进行跟随运动，尾部随动段400的运动在水的阻力下存在滞后，尾部随动段400与第二牵引段300共同组成一个s型运动。通过调整相位差和波形，能够很好地模拟真实鳗鱼运动时的波形传递。本发明提出一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，通过多段牵引段和多段随动段的组合，利用随动段顺从牵引段运动被动运动的节能机理，通过多段欠驱动结构来拟合鳗鱼的游动步态，能够实现更高效的仿鳗鱼运动，不仅能够实现仿生鳗鱼机器人的波形运动，还能够提高仿生运动过程中的能量转换率。
33.本发明的一种多段欠驱动仿生鳗鱼机器人，包括至少两个牵引段和至少两个随动段，牵引段包括第一牵引段100和第二牵引段300，随动段包括中部随动段200和尾部随动段400，第一牵引段100、中部随动段200、第二牵引段300和尾部随动段400依次相连，通过两个牵引段加两个随动段的多段欠驱动结构，能够更好地模拟真实鳗鱼的波形传递和游动步
态；本发明的单个摆动机构能够对牵引段和随动段进行控制，能量转换率高；随动段的设置能够平衡水的外力，提高游动效率，灵活性高。
34.可以理解的是，在一些实施例中，根据仿生和探查作业等的实际需要，可以通过调整牵引段和中部随动段200的数量对仿生鳗鱼机器人的长度进行调整。具体地，牵引段设置有多个，中部随动段200设置有多个，根据中部随动段200的数量设置，每个中部随动段200设置在两个牵引段之间，每个牵引段均设置有摆动机构，能够带动牵引段一侧的随动段运动，对真实鳗鱼的波形传递和游动步态进行模拟。
35.根据本发明的一些实施例，参照图2，第一摆动机构包括第一电机110、设置在第一电机110上方的第一舵盘120、缠绕在所述第一舵盘120上的第一拉线130和若干用于摆动的第一关节，第一关节之间转动连接，第一关节包括依次设置的第一支撑关节140、第一活动关节150和第一连接关节160，第一拉线130穿过第一支撑关节140和第一活动关节150固定在第一连接关节160上。第一拉线130的长度固定，第一拉线130缠绕在第一舵盘120上，第一电机110带动第一舵盘120转动，能够对第一拉线130两端的长度进行调整，第一拉线130穿过第一支撑关节140和第一活动关节150固定在第一连接关节160上，带动第一活动关节150摆动。具体地，当第一舵盘120在第一电机110的带动下转动，第一拉线130的一侧缩短，另一侧伸长，产生的扭矩会使第一活动关节150一起呈现出一个c型的弯曲运动，通过控制第一电机110的反复旋转就能够控制牵引段的来回摆动，牵引段的摆动传递到随动段上，对真实鳗鱼的波形传递和游动步态进行模拟。
36.根据本发明的一些实施例，牵引段外设置有用于密封的硅胶套。牵引段外设置有硅胶套，硅胶套用于对牵引段进行密封，对牵引段内的部件进行防水保护。可以理解的是，在一些实施例中，牵引段外的硅胶套设置有两层，通过两侧硅胶套的设置，能够加强对牵引段的密封效果，对牵引段内的部件进行更好地密封保护。
37.根据本发明的一些实施例，参照图1和图2，第一支撑关节140和第一连接关节160设置有向外凸出的凸出部170，以对硅胶套进行支撑。当第一舵盘120在第一电机110的带动下转动，第一拉线130的一侧缩短，另一侧伸长，产生的扭矩会使第一活动关节150一起呈现出一个c型的弯曲运动，为了防止套设在牵引段外的硅胶套与运动中的第一活动关节150产生干涉，第一支撑关节140和第一连接关节160设置有凸出部170，凸出部170向外凸出，能够对硅胶套进行支撑，防止硅胶套与第一活动关节150接触产生干涉，保证第一活动关节150的摆动顺利进行，同时还能够从内部对硅胶套进行保护。
38.根据本发明的一些实施例，参照图4，中部随动段200包括随动主体210、设置在随动主体210两侧的凸台220，凸台220用于与牵引段连接。中部随动段200设置在第一牵引段100和第二牵引段300之间，随动主体210的两侧设置有凸台220，凸台220能够与第一牵引段100和第二牵引段300连接，将中部随动段200固定在第一牵引段100和第二牵引段300之间。具体地，第一牵引段100和第二牵引段300分别设置有相对应的凹部，随动主体210两侧的凸台220与凹部进行卡扣连接，能够实现中部随动段200的固定安装，防止中部随动段200在随动运动时与牵引段的连接断开。
39.根据本发明的一些实施例，参照图4，随动主体210上设置有凹槽。在随动主体210前端的两侧设置凹槽，能够让第一拉线130的末端通过，用于调节第一拉线130的松紧程度，从而对第一活动关节150摆动程度进行调整。
40.根据本发明的一些实施例，参照图3，第二摆动机构包括第二单机310、设置在第二单机310上方的第二舵盘320、缠绕在所述第一舵盘120上的第二拉线330和若干用于摆动的第二关节，第二关节包括依次设置的第二支撑关节340、第二活动关节350和第二连接关节360，第二拉线330穿过第二支撑关节340和第二活动关节350固定在第二连接关节360上。第二拉线330的长度固定，第二拉线330缠绕在第二舵盘320上，第二单机310带动第二舵盘320转动，能够对第二拉线330两端的长度进行调整，第二拉线330穿过第二支撑关节340和第二活动关节350固定在第二连接关节360上，带动第二活动关节350摆动。具体地，当第二舵盘320在第二单机310的带动下转动，第二拉线330的一侧缩短，另一侧伸长，产生的扭矩会使第二活动关节350一起呈现出一个c型的弯曲运动，通过控制第二单机310的反复旋转就能够控制牵引段的来回摆动，牵引段的摆动传递到随动段上，对真实鳗鱼的波形传递和游动步态进行模拟。
41.根据本发明的一些实施例，参照图1和图3，第二支撑关节340和第二连接关节360设置有向外凸出的凸出部370，以对硅胶套进行支撑。当第二舵盘320在第二电机330的带动下转动，第二拉线330的一侧缩短，另一侧伸长，产生的扭矩会使第二活动关节350一起呈现出一个c型的弯曲运动，为了防止套设在牵引段外的硅胶套与运动中的第二活动关节350产生干涉，第二支撑关节340和第二连接关节360设置有凸出部370，凸出部370向外凸出，能够对硅胶套进行支撑，防止硅胶套与第二活动关节350接触产生干涉，保证第二活动关节350的摆动顺利进行，同时还能够从内部对硅胶套进行保护。
42.根据本发明的一些实施例，第二支撑关节340设置有用于与随动段连接的连接部。具体地，参照图1，第二支撑关节340与尾部随动段400相连，第二支撑关节340设置有连接部，尾部随动段400设置有与连接部相对应的卡接部，第二支撑关节340的连接部与随动段的卡接部卡接连接，能够实现第二牵引段300和尾部随动段400的固定安装，防止尾部随动段400在随动运动时与第二牵引段300的连接断开。
43.根据本发明的一些实施例，参照图5，尾部随动段400包括尾部主体、设置在尾部主体上的卡接部，尾部主体朝远离牵引部的方向逐渐变小，卡接部用于与牵引段连接，尾部主体上还设置有凹槽。尾部主体朝远离牵引部的方向逐渐变小，能够对鳗鱼体态进行模拟。尾部主体设置有卡接部，卡接部能够与牵引段连接，实现卡接固定，防止尾部随动段400在随动运动时与第二牵引段300的连接断开。
44.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。