一种磁力驱动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，涉及一种磁力驱动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，可以将水下机器人的推进装置分成几类：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，且安排有另外一套方向控制机构，造成体积大，或根本没有方向控制机构，进一步限制了使用。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有小体积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，以及方向控制机构造成体积大的问题，本发明提供一种磁力驱动微型水下机器人及其控制方法，当电流到线圈时，产生的磁场与磁块的磁场相互作用，一侧产生的是吸力，另一侧产生的则是推力，当电流方向改变时，力的方向也随之改变，从而推动尾部产生摆动作用，进而推动整个身体前进，同时改变通电时间，实现方向的控制。

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：

本发明的一种磁力驱动微型水下机器人，包括本体和鱼尾驱动组件，所述鱼尾驱动组件包括至少一线圈和摆尾机构，摆尾机构具有一对相对面极性相反的上磁块和下磁块，通过线圈通电吸引或排斥上磁块和下磁块，为摆尾机构提供动力。

于本发明一种可能的实施方式中，所述摆尾机构还包括上摆杆、下摆杆、横梁和尾翼，所述上摆杆和下摆杆的一端通过横梁与尾翼相连，另一端与本体铰接，所述上磁块固定在上摆杆上，下磁块固定在下摆杆上，所述上磁块和下磁块与线圈相邻的一侧极性相反。

于本发明一种可能的实施方式中，所述线圈置于上磁块、下磁块之间，线圈缠绕在本体的固定杆上。

于本发明一种可能的实施方式中，所述线圈的中心轴线与上磁块或下磁块平行。

于本发明一种可能的实施方式中，所述线圈的中心轴线与上磁块或下磁块垂直，由于线圈在两级的磁性最大，可以增大尾翼的摆动力，从而增大机器人的推进力。

于本发明一种可能的实施方式中，所述线圈的数目为三个，三个线圈平行设置，其中一个线圈位于上磁块和下磁块之间，一个线圈位于上磁块外侧，一个线圈位于下磁块外侧，利用三个线圈来实现对上磁块和下磁块的控制，从而进一步增大了尾翼的摆动力，从而增大机器人的推进力，在机器人负载较大或需要快速游动的情况下，同时对机器人体积要求不大的场合，可以采用此种方式。

于本发明一种可能的实施方式中，所述上磁块或下磁块与线圈距离相等，且距离l＝asin【3.14(b1+b2)/360】+c，b1为线圈的磁场强度大小，b2为磁块的磁场强度大小，a、c为变量系数，其中a与电流成正比，c与磁块的宽度成反比，通过设计上磁块或下磁块与线圈距离，使得上磁块或下磁块动作灵活，不存在滞后性，同时使得整个水下机器人的结构较为紧凑，水下机器人的体积小。

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，控制器分别与驱动电机、调节电机和压力传感器电气连接，通过压力传感器接收到水的压力信号，压力传感器反馈信号至控制器，然后控制器发出信息，驱动线圈工作。

本发明还提供了一种磁力驱动微型水下机器人的控制方法，具体步骤如下：

1)水下机器人前进控制：

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，线圈通电产生磁场，由于上磁块和下磁块与线圈相邻的一侧极性相反，故线圈在吸引上磁块的同时，会排斥下磁块，进而带动横梁、尾翼向下摆动，反之切换线圈的电流方向，线圈在排斥上磁块的同时，会吸引下磁块，进而带动横梁、尾翼向上摆动，从而达到驱动机器人在水中的前进；

本发明还提供了一种磁力驱动微型水下机器人的控制方法，具体步骤如下：

2)机器人方向控制：

对线圈施加正向电压记为u0，施加反向电压记为-u0，假设线圈在正向电压下使得尾翼向上摆动，线圈在反向电压下使得尾翼向下摆动，若施加的正反向电压的占比相同，即正向电压施加时间为t，反向电压施加时间为t，则尾翼上下摆动幅度相同，即向正前方运动，若施加正向电压施加时间为t，反向电压施加时间为nt/m，则尾翼随着m、n的变化而改变上下摆动幅度的比值，进而来控制前进方向。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明磁力驱动微型水下机器人，采用线圈与磁块配合，当电流到线圈时，产生的磁场与磁块的磁场相互作用，一侧产生的是吸力，另一侧产生的则是推力，当电流方向改变时，力的方向也随之改变，从而推动尾部产生摆动作用，进而推动整个身体前进，同时改变通电时间，实现方向的控制，无需另设方向控制机构，使得本发明的水下机器人体积小，使用灵活方便；

(2)本发明磁力驱动微型水下机器人，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，驱动与前进更加柔和，由于摒弃了电机，降低了机器人运动时的噪声，在水下进行探测时，减小了对水生物的干扰，并增加了机器人的隐蔽性；

(3)本发明磁力驱动微型水下机器人，采用驱动机构，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，同时由于重量轻，本发明可以通过对本体的结构进行设计，使其在水中处于悬浮状态，进而省去了机器人需要对抗重力而设计的机构；

(4)本发明磁力驱动微型水下机器人的控制方法新颖，能够利用单一机械机构实现前进与转弯的二自由度的同时控制，其利用正反向电压的占比来完成对运动方向的控制，控制方式简单，无需专门设计转向机构，进一步简化了机器人的结构，减小了机器人的体积，降低了机器人的重量，为机器人实现小型化、轻型化提供了基础；

(5)本发明磁力驱动微型水下机器人，利用尾翼驱动，其工作原理类似于生物肌肉的间隙性工作，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，增加了机器人的隐蔽性；

(6)本发明磁力驱动微型水下机器人，结构简单，设计合理，易于制造。

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为本发明磁力驱动微型水下机器人的结构示意图；

图2为本发明磁力驱动微型水下机器人的控制电压示意图；

图3为本发明磁力驱动微型水下机器人的上磁块的结构示意图；

图4为本发明磁力驱动微型水下机器人实施例2的结构示意图；

图5为本发明磁力驱动微型水下机器人实施例3的结构示意图。

图中：1、本体；1-1、固定杆；2、传感器；3、线圈；4、上摆杆；5、下摆杆；6、上磁块；6-1、凸起；7、下磁块；8、横梁；9、尾翼。

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、图2、图3所示，本发明的磁力驱动微型水下机器人包括本体1和鱼尾驱动组件，鱼尾驱动组件包括至少一线圈3和摆尾机构，摆尾机构具有一对相对面极性相反的磁块，通过线圈3通电吸引或排斥磁块，为摆尾机构提供动力。

本发明采用线圈3与磁块配合，当电流到线圈3时，产生的磁场与磁块的磁场相互作用，一侧产生的是吸力，另一侧产生的则是推力，当电流方向改变时，力的方向也随之改变，从而推动尾部产生摆动作用，进而推动整个身体前进，同时改变通电时间，实现方向的控制。

本实施例中，摆尾机构包括上摆杆4、下摆杆5、横梁8、尾翼9、上磁块6和下磁块7，上摆杆4和下摆杆5的一端通过横梁8与尾翼9相连，另一端与本体1铰接，上磁块6固定在上摆杆4上，下磁块7固定在下摆杆5上，上磁块6和下磁块7与线圈3相邻的一侧极性相反。

本实施例中，线圈3置于上磁块6、下磁块7之间，线圈3缠绕在本体1的固定杆1-1上，线圈3的中心轴线与上磁块6或下磁块7平行。

本实施例中，发明人通过大量的试验和力学分析，上磁块6或下磁块7与线圈3距离相等，且距离l＝asin【3.14(b1+b2)/360】+c，b1为线圈3的磁场强度大小，b2为磁块的磁场强度大小，a、c为变量系数，其中a与电流成正比，c与磁块的宽度成反比，通过设计上磁块6或下磁块7与线圈3距离，使得上磁块6或下磁块7动作灵活，不存在滞后性，同时使得整个水下机器人的结构较为紧凑，水下机器人的体积小。

值得说明的是，在图3中，本实施例的上磁块6和下磁块7的相对面上均设有若干凸起6-1，凸起6-1呈圆台状，凸起6-1的高度h＝(0.1-0.2)l，单位为mm，凸起6-1沿螺旋线进行分布，上磁块6和下磁块7通过凸起6-1增强磁场分布，使得上摆杆4或下摆杆5所受力达到最大值，同时可以避免线圈3受力跳动。

在本发明中，上磁块6或下磁块7与线圈3距离l、线圈3的电流(与场强成正比关系)以及磁块的表面场强共同决定了上摆杆4和下摆杆5的运动精度，它们之间的关系很是重要。申请人对上述关系进行深入研究，根据磁块与线圈3的距离为5mm，经过长期试验总结得到凸起6-1的高度不超过0.5-1mm，超过此范围，在实际操作过程中，上磁块6或下磁块7与线圈3之间要么吸引力不足，要么线圈3容易发生跳动。

实施例2

如图4所示，本实施例的磁力驱动型水下机器人，在实施例1的基础上，线圈3的中心轴线与上磁块6或下磁块7垂直，由于线圈3在两级的磁性最大，可以增大尾翼9的摆动力，从而增大机器人的推进力。

实施例3

如图5所示，本实施例的磁力驱动型水下机器人，在实施例1的基础上，线圈3的数目为三个，三个线圈3平行设置，其中一个线圈3位于上磁块6和下磁块7之间，一个线圈3位于上磁块6外侧，一个线圈3位于下磁块7外侧，利用三个线圈3来实现对上磁块6和下磁块7的控制，从而进一步增大了尾翼9的摆动力，从而增大机器人的推进力，在机器人负载较大或需要快速游动的情况下，同时对机器人体积要求不大的场合，可以采用此种方式。

实施例4

本实施例的磁力驱动型水下机器人，在实施例1的基础上，如图1所示，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，控制器分别与驱动电机、调节电机和压力传感器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，然后控制器发出信息，驱动线圈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

本发明还提供了一种磁力驱动微型水下机器人的控制方法，具体步骤如下：

1)水下机器人前进控制：

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，线圈3通电产生磁场，由于上磁块6和下磁块7与线圈3相邻的一侧极性相反，故线圈3在吸引上磁块6的同时，会排斥下磁块7，进而带动横梁8、尾翼9向下摆动，反之切换线圈3的电流方向，线圈3在排斥上磁块6的同时，会吸引下磁块7，进而带动横梁8、尾翼9向上摆动，从而达到驱动机器人在水中的前进；

本发明还提供了一种磁力驱动微型水下机器人的控制方法，具体步骤如下：

2)机器人方向控制：

对线圈3施加正向电压记为u0，施加反向电压记为-u0，假设线圈3在正向电压下使得尾翼9向上摆动，线圈3在反向电压下使得尾翼9向下摆动，若施加的正反向电压的占比相同，即正向电压施加时间为t，反向电压施加时间为t，则尾翼9上下摆动幅度相同，即向正前方运动，若施加正向电压施加时间为t，反向电压施加时间为nt/m，则尾翼9随着m、n的变化而改变上下摆动幅度的比值，进而来控制前进方向。

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。