一种仿生微型水下机器人及其控制方法与流程

本发明属于机器人技术领域，更具体地说，涉及一种仿生微型水下机器人及其控制方法。

背景技术：

伴随着人类文明的发展，可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积占地球面积的71％，海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源，人类开发和利用海洋的脚步随着科技的发展逐渐加快。同时，发展海洋环境监测技术对于保护海洋环境、开发海洋资源、维护国家海洋权益和主权利益、增强国家海洋科学研究实力和发展国民经济等诸多方面具有重大的意义。随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越高。水下机器人作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

目前，用传统螺旋桨驱动的大中型水下机器人的发展已经达到了实用化的程度，微小型水下机器人的研究，仍然处于试验摸索阶段。随着对于水下机器人的需求越来越多，特别是对能够适应于海底复杂狭小空间环境的微型水下机器人的需求就日益迫切，如海底火山的监测、海底管道内的检测及维护、珊瑚礁内生物的监测、海底岩缝中矿物采样等。水下机器人用于完成不同的任务时，其形状、大小、运动方式等就有着不同的要求，同时考虑到对周围环境的影响，对水下机器人的驱动方式提出了一定的挑战。

经检索，可以根据推进装置将水下机器人分成几类：1)机械推进装置，如中国专利cn200520020571.8公开了一种仿鱼尾推进系统的机械传动装置，该装置的电机驱动蜗轮蜗杆副，并通过蜗轮带动偏心轮转动，进而带动滑动框架作直线往复运动，再经拉杆使l型摆杆绕其拐角处的铰链摆动，并在l型摆杆摆动的同时，固定半齿轮又迫使传动齿轮组转动，进而带动摆杆、弹簧片、尾鳍一起同向摆动；如中国专利cn201610489896.3公开了一种鳍科类仿生机器鱼，鱼尾通过尾部传动机构与尾部舵机连接，鱼身内设有密封筒和浮力调节缸，密封筒内设有电池、控制器和胸鳍舵机，浮力调节缸的后端设有浮力电机，鱼身头部设有开关和摄像头，上述两件专利均采用齿轮作为传动部件，在力的传递过程中，扭矩大，能量损耗大，对于微型的水下机器人来说，动力小，无法满足其动力使用需要该推进装置；2)电磁推进装置，如中国专利cn201610851210.0公开了一种刚度可控的水下仿生推进装置，该装置包括仿生推进装置主体、变刚度关节、关节连接框架、仿生鱼尾鳍，其中：仿生推进装置主体是有两个或以上的变刚度系统组成，每个变刚度系统由变刚度关节和关节连接框架组成；一个系统内的关节连接框架与前一个系统的变刚度关节中部活动零件转动连接，用于仿生水下推进装置的摆动；如中国专利cn201510383391.4公开了一种新型水下仿生机器人推进装置，该装置包括受力单元、施力单元、基座、上支撑板和下支撑板；受力单元包括尾鳍、尾鳍连杆、旋转轴、永磁体和永磁体紧固框架；施力单元包括磁性线圈、铁芯和水密接插头；如中国专利cn201410167326.3公开了一种轻小型磁致摆动的仿生机器鱼，鱼身与磁动力鱼尾通过u型块连接，磁动力鱼尾包括磁感应线圈、转动轴、pvc筒管、圆形永磁体和柔性鱼尾；如美国专利us20130017754a1公开了一种仿生鱼，在身体组件包括左侧壳体和右侧壳体，其中各装有一粒磁石，两粒磁石相对面的极性相同；尾部组件包括密封圈和支持架；左侧壳体和右侧壳体通过尾部组件的密封圈和支持架而将尾部组件浮动支持；尾部轴穿过密封圈中心的孔而固定，尾部轴的外侧端套设有鱼尾，内侧一端插入一个线圈支架的侧向小孔中，线圈支架的中间大孔中固定有一个线圈，上述的几件专利均是通过电磁线圈来吸引铁环或磁石来实现尾部的摆动，但是由于电磁线圈结构的限制，使得尾部摆动幅度小，提供的动力小，在较深的水域，水阻力大则无法满足使用需求。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有微型水下机器人动力部件提供的动力小，无法满足较深水域的使用需要，以及完成微小环境下的驱动，同时在使用过程中对周围环境的影响大的问题，本发明提供一种仿生微型水下机器人及其控制方法，将电机动能缓慢储存，并进行快速释放，使得小功率器件能够在短时间内以高功率密度的形式将能量进行释放，进而产生足够大的推力，促使机器人前进；在产生相同推力的情况下，利用伸缩驱动机构能够最大限度的降低电机的功率与体积要求，从而使得本发明能够更好地实现小型化和轻量化，进而能够适用于微小环境下的使用。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种仿生微型水下机器人，包括本体、伸缩驱动机构和摆尾机构，所述本体用于安装固定伸缩驱动机构和摆尾机构，伸缩驱动机构用于将电能转化为势能，摆尾机构与伸缩驱动机构固定连接，将势能转化为动能，为水下机器人提供动力。

于本发明一种可能的实施方式中，所述伸缩驱动机构包括电机、螺纹滑杆、滑动块、移动套筒、弹簧和移动轴，电机固定在本体上，螺纹滑杆与电机相连，螺纹滑杆外圈设置有矩形螺纹槽，矩形螺纹槽在螺纹滑杆的轴向方向上开有竖槽，滑动块设置在移动套筒内部，并与螺纹滑杆的矩形螺纹槽配合，移动轴远离电机端固定在本体上，弹簧套装在移动轴上，一端与移动套筒连接，另一端与摆尾机构连接。

于本发明一种可能的实施方式中，所述竖槽设置在一个螺距范围内，且竖槽与矩形螺纹槽的起点平行。

于本发明一种可能的实施方式中，所述矩形螺纹槽的螺旋比是弹簧螺旋比的2-4倍。

于本发明一种可能的实施方式中，所述摆尾机构包括横梁、驱动杆、摆动杆、随动杆和弹性杆，横梁与弹簧固连，摆动杆一端与本体铰接，另一端与随动杆铰接，摆动杆通过驱动杆与横梁铰接，弹性杆一端铰接于摆动杆，另一端铰接于随动杆。

于本发明一种可能的实施方式中，所述摆尾机构包括套杆、摆动杆、随动杆和弹性杆，套杆与弹簧固连后套装在移动轴，摆动杆一端与套杆铰接，另一端与随动杆铰接，摆动杆与本体铰接，摆动杆通过驱动杆与横梁铰接，弹性杆一端铰接于摆动杆，另一端铰接于随动杆。

于本发明一种可能的实施方式中，所述摆尾机构还包括转向前杆、转向后杆和转向电机，转向后杆的一端与转向前杆相连，另一端与转向电机转轴相连，转向电机固连在本体上，转向前杆与摆动杆铰接。

于本发明一种可能的实施方式中，还包括压力传感器和控制器，压力传感器设置在本体的前端，控制器分别与电机、转向电机和压力传感器电气连接。

本发明的仿生微型水下机器人的控制方法，包括以下具体步骤：

1)储能过程：使所述压力传感器反馈压力信号给控制器，控制器发出指令，电机转动带动螺纹滑杆转动，螺纹滑杆的矩形螺纹槽与滑动块组成螺旋副，随着螺纹滑杆的转动，滑动块向电机一侧移动，带动移动套筒和移动轴向电机一侧运动，弹簧被拉长；

2)放能过程：当电机继续转动时，螺纹滑杆继续转动，滑动块继续向电机一侧移动，当滑动块移动到螺纹滑杆外圈的矩形螺纹槽上开设的竖槽上时，滑动块在弹簧的拉力下，沿着竖槽被拉回到初始位置；

3)弯曲过程：当摆尾机构横梁向电机一侧运动时，通过驱动杆带动摆动杆向电机一侧摆动，此时随动杆在水流的作用下向弹性杆一侧摆动，并压缩弹性杆；

4)伸张过程：当摆尾机构横梁向电机相反的一侧运动时，通过驱动杆带动摆动杆向电机相反一侧摆动，此时摆动杆和随动杆对水流进行反推，并且弹性杆开始回复，并对随动杆施加反力，增加了随动杆对水流的反推力。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明仿生微型水下机器人的伸缩驱动机构利用机构设计，将电机动能缓慢储存，并进行快速释放，使得小功率器件能够在短时间内以高功率密度的形式将能量进行释放，进而产生足够大的推力，促使机器人前进；在产生相同推力的情况下，利用伸缩驱动机构能够最大限度的降低电机的功率与体积要求，从而使得本发明能够更好地实现小型化和轻量化，进而能够适用于微小环境下的使用；

(2)本发明仿生微型水下机器人采用的驱动机构，体积小重量轻，能够适应于微小环境下的探测，并且能够进入极端环境下工作，一方面提高了水下机器人的使用范围，另一方面为人们的生活提供方便；

(3)本发明仿生微型水下机器人采用仿生原理设计，摒弃了传统水下机器人利用螺旋桨驱动的方式，利用往复式间隙推动来产生推力，类似于生物界间隙性推进机制，驱动与前进更加柔和，能够适用于未知水域等特定情况；

(4)本发明仿生微型水下机器人的伸缩驱动机构的工作原理类似于生物肌肉的间隙性工作，有储能和放能两种工作模式，符合自然界的传统运行模式，在水下探测时能够避免惊扰其他生物，并且增加了机器人的隐蔽性；

(5)本发明仿生微型水下机器人的摆尾机构设置弯曲过程和伸张过程，在弯曲过程中，其姿态能够在水流的作用下进行改变，进而减小水流对机器人的运行阻力，同时能够将水流的产生的部分阻力贮存到弹性杆中，转变成弹性杆的势能，等到下一运行周期，将势能进行释放，转化成动能，从而产生助推；在伸张过程中，摆尾机构对水流产生反推，使机器人产生推进力，同时摆尾机构的弹性杆将势能转化为动能，进一步增大了推进力；本发明中摆尾机构的设计，能够根据机器人的运行状态自行切换其状态，不仅减小了运行阻力，而且也最大化的将阻力贮存起来，将运行阻力转化为推进力，提高了能源利用率，并增大了推进速度；

(6)本发明仿生微型水下机器人，利用连杆结构来改变一侧尾翼的摆幅和角度，进而来控制机器人的前进方向，无需单独设立转向机构，简化了机器人的结构，使得机器人的整体结构减小，便于在微小型场合的应用。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明仿生微型水下机器人的结构示意图；

图2为本发明仿生微型水下机器人中螺纹滑杆的立体结构示意图；

图3为本发明仿生微型水下机器人中伸缩驱动机构的原理图；

图4为本发明仿生微型水下机器人实施例2的示意图；

图5为本发明仿生微型水下机器人实施例3的示意图；

图6为本发明仿生微型水下机器人实施例3的a-a剖视图。

图中：1、本体；2、压力传感器；3、电机；4、伸缩驱动机构；5、螺纹滑杆；5-1、矩形螺纹槽；5-2、竖槽；6、滑动块；7、移动套筒；8、弹簧；9、移动轴；10、横梁；11、驱动杆；12、摆动杆；13、随动杆；14、弹性杆；15、摆尾机构；16、转向前杆；17、转向后杆；18、转向电机；19、套杆。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

如图1至图3所示，本发明的一种仿生微型水下机器人，包括本体1、伸缩驱动机构4和摆尾机构15，本体1用于安装固定伸缩驱动机构4和摆尾机构15，伸缩驱动机构4用于将电能转化为势能，摆尾机构15与伸缩驱动机构4固定连接，将势能转化为动能，为水下机器人提供动力。伸缩驱动机构4的储能过程与摆尾机构15的弯曲过程相结合，此时机器人处于蓄能状态，并未有向前的推进力，伸缩驱动机构4的放能过程与摆尾机构15的伸张过程相结合，此时机器人处于释放能量状态，利用摆尾机构15对水流的推力，形成水流对其的反推力，进而促使机器人向前运动。

本发明的发明人通过大量的试验和力学分析，得到本发明的技术方案，效果是：将电机3动能缓慢储存，并进行快速释放，使得小功率器件能够在短时间内以高功率密度的形式将能量进行释放，进而产生足够大的推力，促使机器人前进；在产生相同推力的情况下，利用伸缩驱动机构4能够最大限度的降低电机3的功率与体积要求，从而使得本发明能够更好地实现小型化和轻量化，进而能够适用于微小环境下的使用。

本实施例中，伸缩驱动机构4包括电机3、螺纹滑杆5、滑动块6、移动套筒7、弹簧8和移动轴9，电机3固定在本体1上，螺纹滑杆5与电机3相连，螺纹滑杆5外圈设置有矩形螺纹槽5-1，矩形螺纹槽5-1在螺纹滑杆5的轴向方向上开有竖槽5-2，滑动块6设置在移动套筒7内部，并与螺纹滑杆5的矩形螺纹槽5-1配合，移动轴9远离电机3端固定在本体1上，弹簧8套装在移动轴9上，一端与移动套筒7连接，另一端与摆尾机构15连接。

本实施例中，摆尾机构15包括横梁10、驱动杆11、摆动杆12、随动杆13和弹性杆14，横梁10与弹簧8固连，摆动杆12一端与本体1铰接，另一端与随动杆13铰接，摆动杆12通过驱动杆11与横梁10铰接，弹性杆14一端铰接于摆动杆12，另一端铰接于随动杆13。

该摆动机构可以完成弯曲过程和伸张过程，在弯曲过程中，其姿态能够在水流的作用下进行改变，进而减小水流对机器人的运行阻力，同时能够将水流的产生的部分阻力贮存到弹性杆14中，转变成弹性杆14的势能，等到下一运行周期，将势能进行释放，转化成动能，从而产生助推；在伸张过程中，摆尾机构15对水流产生反推，使机器人产生推进力，同时摆尾机构15的弹性杆14将势能转化为动能，进一步增大了推进力；本发明中摆尾机构15的设计，能够根据机器人的运行状态自行切换其状态，不仅减小了运行阻力，而且也最大化的将阻力贮存起来，将运行阻力转化为推进力，提高了能源利用率，并增大了推进速度。

本实施例中，竖槽设置在一个螺距范围内，且竖槽与矩形螺纹槽的起点平行，这样一来，滑动块6可以直接被弹簧8拉到起点，使得更多的能量可以通过弹簧8传递给横梁10，从而摆动机构获得更大的推力。

值得说明的是，矩形螺纹槽的螺旋比是弹簧8螺旋比的2-4倍，具体的取值可以为2倍、2.5倍、3倍、3.5倍或者4倍。矩形螺纹槽的螺旋比与弹簧8螺旋比的设计，是为了使弹簧8的势能达到最大值，从而使得水下机器人获得最大的推力。

实施例2

本实施例的仿生微型水下机器人，在实施例1的基础上，摆尾机构15包括套杆19、摆动杆12、随动杆13和弹性杆14，套杆19与弹簧8固连后套装在移动轴9，摆动杆12一端与套杆19铰接，另一端与随动杆13铰接，摆动杆12与本体1铰接，摆动杆12通过驱动杆11与横梁10铰接，弹性杆14一端铰接于摆动杆12，另一端铰接于随动杆13。

将摆尾机构15进行简化，省去了实施例1中的横梁10、驱动杆11，使得结构得到简化，但机器人的蓄能状态与释放能力状态与实施例1相反，即伸缩驱动机构4的储能过程时，机器人产生推力，向前运动，而当伸缩驱动机构4的放能过程时，机器人处于蓄能状态，不产生推力。

实施例3

本实施例的仿生微型水下机器人，在实施例1的基础上，摆尾机构15还包括转向前杆16、转向后杆17和转向电机18，转向后杆17的一端与转向前杆16相连，另一端与转向电机18转轴相连，转向电机18固连在本体1上，转向前杆16与摆动杆12铰接。利用连杆结构来改变一侧尾翼的摆幅和角度，进而来控制机器人的前进方向，无需单独设立转向机构，简化了机器人的结构，使得机器人的整体结构减小，便于在微小型场合的应用。

在转向前杆16的下端面设置有一圆弧凸起，对应地在本体1上设有至少两个圆弧卡槽，且圆弧卡槽位于转向前杆16的运动轨迹上。在现有技术中，需要提供一套新的机构来完成机器人的转向或者根本没有转向机构，本发明的发明人在设计动力机构的基础上，通过连杆结构，实现了转向的调节，同时由于转向前杆16的圆弧凸起、转向后杆17的端部固定，利用三角形稳固性可知，摆尾机构15不会产生晃动，保障了使用的精确性。

实施例4

本实施例的仿生微型水下机器人，在实施例1的基础上，还包括压力传感器2和控制器，压力传感器2设置在本体1的前端，控制器分别与电机3、转向电机18和压力传感器2电气连接。通过压力传感器2接收到水的压力信号，压力传感器2反馈信号至控制器，然后控制器发出指令，驱动电机3工作。

其中，在实际应用中，控制器可以选用arduino单片机，arduino是一个开放源代码的硬件项目平台，该平台包括一块具备简单i/o功能的电路板以及一套程序开发环境软件，可以用来开发交互产品，也可以开发出与pc连接的周边装置，能在运行时与pc上的软件进行通信。

其中，在实际应用中，水下机器人还包括电池(图中未标注)，电池为锂离子电池，电池重心位置与水下机器人的重心位于同一竖直线上，保持良好的平稳姿态，具有灵敏的反应速度和高效的动力学性能。

实施例5

基于实施例4的结构，本发明的仿生微型水下机器人的控制方法，包括以下具体步骤：

1)储能过程：使所述压力传感器2反馈压力信号给控制器，控制器发出指令，电机3转动带动螺纹滑杆5转动，螺纹滑杆5的矩形螺纹槽与滑动块6组成螺旋副，随着螺纹滑杆5的转动，滑动块6向电机3一侧移动，带动移动套筒7和移动轴9向电机3一侧运动，弹簧8被拉长；

2)放能过程：当电机3继续转动时，螺纹滑杆5继续转动，滑动块6继续向电机3一侧移动，当滑动块6移动到螺纹滑杆5外圈的矩形螺纹槽上开设的竖槽上时，滑动块6在弹簧8的拉力下，沿着竖槽被拉回到初始位置；

3)弯曲过程：当摆尾机构15横梁10向电机3一侧运动时，通过驱动杆11带动摆动杆12向电机3一侧摆动，此时随动杆13在水流的作用下向弹性杆14一侧摆动，并压缩弹性杆14；

4)伸张过程：当摆尾机构15横梁10向电机3相反的一侧运动时，通过驱动杆11带动摆动杆12向电机3相反一侧摆动，此时摆动杆12和随动杆13对水流进行反推，并且弹性杆14开始回复，并对随动杆13施加反力，增加了随动杆13对水流的反推力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。