用于海洋牧场监控的仿生海蛇的制作方法

本发明涉及仿生机器人领域，特别是涉及一种用于海洋牧场监控的仿生海蛇。

背景技术：

随着以海水养殖为重点的海洋渔业的迅猛发展，如何利用现代海洋工程技术，对鱼类的水下活动状态、自然生态的水下修复效果、人工鱼礁的抛设后评估和海洋牧场水质状况等情况进行监控，就是眼前海洋牧场必须解决的问题。就目前的现代海洋技术而言，采用水下机器人辅助进行水下监控就是解决方案之一。

而目前水下机器人大多为传统式水下航行器，采用螺旋桨、喷水推进器等传统推进方式，其明显的缺点在于能耗大、体积大，结构纯刚性连接的环境共融性低，故其存在对于环境扰动较大、环境局限性较强等缺点，仿生型水下航行器则具有机动性高、能耗低，可适应于多种复杂环境与狭窄空间，与环境具有良好的共融性。海洋牧场严格的工作环境与工作要求，该种高度仿生的灵活性水下机器人具有明显优势。

但是，目前大多数仿生水下航行器仍具有以下不足：1、能耗高、可控性与灵活性较差；2、推进能力与速度较低；3、航行稳定性较差，易受环境影响。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种用于海洋牧场监控的仿生海蛇，旨在至少解决现有技术或相关技术中仿生水下航行器能耗高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于海洋牧场监控的仿生海蛇，包括：依次相连的蛇头、蛇身和蛇尾；所述蛇头上设有图像采集器，用于采集仿生海蛇所处位置的图像信息；所述蛇身包括多个交替连接的泡沫板和杆端轴承；位于第一端部的泡沫板远离所述杆端轴承的一侧与所述蛇头靠近所述蛇身的一侧相连，位于第二端部的杆端轴承远离所述泡沫板的一端与所述蛇尾靠近所述蛇身的一侧相连。

(三)有益效果

本发明提供的一种用于海洋牧场监控的仿生海蛇，通过在蛇身采用交替连接的泡沫板与杆端轴承结构，使得该仿生海蛇可以在狭小空间中灵活运动，提高了仿生海蛇的灵活性；且该种结构形式的蛇身结构在一定程度上降低其能耗；以及，通过在蛇头上设置图像采集器可以实时采集仿生海蛇所到之处的图像信息，提高了仿生海蛇的智能化水平。

附图说明

图1为本发明提供的用于海洋牧场监控的仿生海蛇的一个优选实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的蛇头的一个优选实施例的结构示意图；

图3为图2所示的蛇头的另一角度的视图；

图4为本发明提供的俯仰机构的一个优选实施例的结构示意图；

图5为本发明提供的动力机构的一个优选实施例的结构示意图；

图6为本发明提供的蛇身的一个优选实施例的结构示意图；

图7为本发明提供的蛇尾的一个优选实施例的结构示意图；

图8为本发明提供的杆端轴承的一个优选实施例的结构示意图；

图9为本发明提供的泡沫板的一个优选实施例的结构示意图；

图10为图1所示的仿生海蛇中防水密封舱内的微控制器与主控单片机的连接关系图；

图中，1-蛇头；101-图像采集器；102-导流外壳；103-避障传感器；104-导流板；2-防水密封舱；3-俯仰机构；301-第一舵机；302-第三u型支架；303-第二舵机；304-第六u型支架；305-第四u型支架；306-第五u型支架；4-动力机构；401-第二u型支架；402-第一u型支架；403-双轴舵机的转轴；404-双轴舵机；5-蛇身；501-杆端轴承；502-泡沫板；521-通孔；504-第七u型支架；505-第八u型支架；6-蛇尾；601-固定扣环；602-仿生骨架；603-第二硅胶；7-微控制器；8-电力线调制解调器；9-上位机；11-主控单片机；12-多路舵机控制板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明用于海洋牧场监控的仿生海蛇的一个优选实施例，如图1所示，该仿生海蛇包括：依次相连的蛇头1、蛇身5和蛇尾6；蛇头1上设有图像采集器101，用于采集仿生海蛇所处位置的图像信息；蛇身5包括多个交替连接的泡沫板502和杆端轴承501；位于第一端部的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧与蛇头1靠近蛇身5的一侧相连，位于第二端部的杆端轴承501远离泡沫板502的一端与蛇尾6靠近蛇身5的一侧相连。

其中，杆端轴承501是带有杆端或装于杆端的关节轴承，它属于关节轴承中的一支类。关节轴承是球面滑动轴承，基本型是由具有球形滑动球面接触表面的内、外圈组成。关节轴承主要是由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成，能承受较大的负荷。根据其不同的类型和结构，可以承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向同时存在的联合负荷。一般用于速度较低的摆动运动，也可在一定角度范围内作倾斜运动，当支承轴与轴壳孔不同心度较大时，仍能正常工作。

具体地，蛇头1、蛇身5和蛇尾6依次相连，例如，蛇头1与蛇身5之间采用螺纹紧固件配合连接，蛇身5与蛇尾6之间也采用螺纹紧固件配合连接；例如，蛇身5与蛇尾6之间可以采用固定扣环601相连。在蛇头1上设置图像采集器101用于采集仿生海蛇所处位置的图像信息，例如，该图像采集器101为高清摄像头等。以及，在蛇身5内设置多个杆端轴承501和多个泡沫板502，例如，蛇身5内设置有两个、五个或十个等杆端轴承501，以及两个、五个或十个等泡沫板502，可以根据需要设定杆端轴承501和泡沫板502的数量。

在本实施例中以在蛇身5内设置十二个杆端轴承501和十二个泡沫板502为例进行说明，但并不用于限制本发明的保护范围。例如，泡沫板502的形状可以设为类似圆板或椭圆板等；将泡沫板502与杆端轴承501交替连接，例如，在泡沫板502的中间开设贯穿泡沫板502的厚度方向的通孔，将杆端轴承501的动作端与泡沫板502上的通孔机械配合连接形成一个运动单元，例如，二者采用螺纹配合连接等，即该泡沫板502相当于蛇身5的躯干椎关节，杆端轴承501相当于蛇身5的枢椎关节。之后，将十二个运动单元依次相连即可，如图6所示。位于第一端部的运动单元(即，第一运动单元)中的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧与蛇头1靠近蛇身5的一侧相连，例如，二者通过第八u型支架505相连；位于第二端部的运动单元(即，第十二个运动单元)中的杆端轴承501远离泡沫板502的一端与蛇尾6靠近蛇身5的一侧相连，例如，二者通过第七u型支架504相连。

则仿生海蛇在海洋牧场中游动时，可通过其蛇头1上的图像采集器101采集其游到之处的海洋牧场的图像信息；另外，由于蛇身5部分采用泡沫板502和杆端轴承501交替相连的结构，使得仿生海蛇可在狭小空间中灵活运动；且采用该种结构形式的蛇身5结构可以适当较少舵机数量，进而降低仿生海蛇的能耗。

在本实施例中，通过在蛇身5采用交替连接的泡沫板502与杆端轴承501结构，使得该仿生海蛇可以在狭小空间中灵活运动，提高了仿生海蛇的灵活性；且该种结构形式的蛇身5结构在一定程度上降低其能耗；以及，通过在蛇头1上设置图像采集器101可以实时采集仿生海蛇所到之处的图像信息，提高了仿生海蛇的智能化水平。

另外，还可将交替连接的泡沫板502和杆端轴承501放入蛇形的模具中灌注第一硅胶，例如，在泡沫板502和杆端轴承501外灌注零度硅胶等，形成欠驱动的软体蛇身5部件，即该第一硅胶构成蛇身5的肌肉神经，使得蛇身5为刚柔耦合结构。且欠驱动的运动形式，可以减少电磁波对水中鱼群的影响，对鱼群的扰动更小。

另外，蛇尾6可以包括固定扣环601、仿生骨架602和第二硅胶603，该仿生骨架602的一端与固定扣环601的一侧相连，固定扣环601的另一侧与蛇身5靠近蛇尾6的一端相连，如图7所示；第二硅胶603灌注在仿生骨架602外，例如，该第二硅胶603也为零度硅胶等；例如，该仿生骨架602采用球形杆端轴承；使得该蛇尾6形成刚柔耦合结构。

进一步地，如图9所示，每个泡沫板502上均开设有通孔521，杆端轴承501的一端穿过通孔521与位于泡沫板502另一侧的杆端轴承501的一端相连。例如，杆端轴承501的一端为设有内螺纹的端口，杆端轴承501的另一端为设有外螺纹的端头；则设在一个泡沫板502一侧的杆端轴承501和设在该泡沫板502另一侧的杆端轴承501的连接关系可以为：其中一个杆端轴承501带有内螺纹的端口穿过泡沫板502上的通孔521，另一个杆端轴承501带有外螺纹的端头与其中一个杆端轴承501带有内螺纹的端口螺纹连接，同时使得泡沫板502套设在该两个杆端轴承501的连接处。

进一步地，泡沫板502上的通孔521至泡沫板502的底边的距离，与泡沫板501的重心至泡沫板501的底边的距离之比为0.62。如此布置的通孔521位置，使得泡沫板502的重心与杆端轴承501的重心之间形成高度差，以提高仿生海蛇在水中游动的稳定性，并明显提高仿生海蛇上浮及下潜时的灵活性，进而提高该仿生海蛇在海洋牧场等复杂狭窄水下环境中的游行能力和通过性。

进一步地，用于海洋牧场监控的仿生海蛇，还包括：设置在泡沫板502和杆端轴承501外的硅胶层。即，在仿生海蛇的泡沫板502和杆端轴承501外灌注硅胶形成硅胶层，使得仿生海蛇形成一种刚柔耦合的连接结构。例如，泡沫板502的侧壁处的硅胶层的厚度为5-10mm，则在仿生海蛇的运动过程中，处于泡沫板502的侧壁处的硅胶层可以提高力的传递性能；该种刚柔耦合结构特性明显优于传统航行器的环境共融性，进而提高仿生海蛇的驱动效率，从而降低仿生海蛇的功耗。

进一步地，该仿生海蛇还包括：设置在蛇头1与蛇身5之间的动力机构4；动力机构4的一端与蛇头1靠近蛇身5的一端相连，动力机构4的另一端与位于第一端部的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧相连，用于带动仿生海蛇运动。则可通过该动力机构4为仿生海蛇提供动力，即通过该动力机构4带动蛇身5内的泡沫板502和杆端轴承501产生蜿蜒运动。

进一步地，结合图5所示，动力机构4包括：至少一个运动关节；运动关节包括第一u型支架402、第二u型支架401和竖直设置的双轴舵机404；双轴舵机404设置在相对布置的第一u型支架402与第二u型支架401围成的区域内；双轴舵机404的转轴403与第一u型支架402的直边相连，第二u型支架401的直边与双轴舵机404的侧壁相连；位于端部的第一u型支架402的底边与蛇头1靠近蛇身5的一端相连，位于另一端部的第二u型支架401的底边与位于第一端部的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧相连。

具体地，该动力机构4可以包括一个、两个或三个等运动关节，例如，在本实施例中以动力机构4包括两个运动关节为例进行说明，但并不用于限制本发明的保护范围。相应地，有两个第一u型支架402、两个第二u型支架401和两个双轴舵机404。将一个第一u型支架402与一个第二u型支架401相对设置围成一个区域，将一个双轴舵机404设置在该区域内；且将第一u型支架402的直边与双轴舵机404的转轴403相连，第二u型支架401的直边与双轴舵机404的转轴403所在侧的侧壁相连，例如，上述连接关系为固定连接或可拆卸连接等，从而构成一个运动关节。

以及，将第一个运动关节中的第一u型支架402的底边与第二个运动关节中的第二u型支架401的底边相连，进而将两个运动关节依次连接起来。且将第一个运动关节中的第一u型支架402的底边与蛇头1靠近蛇身5的一端相连，以及将第二个运动关节中的第二u型支架401的底边与位于端部的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧相连，例如，将第二个运动关节中的第二u型支架401与位于端部的泡沫板502远离杆端轴承501的一侧通过第八u型支架505相连。两个第一u型支架402相互平行布置，且其中的双轴舵机404也相互平行布置，则当两个双轴舵机404都运转时会产生相对速度，使得该驱动产生绝对运动，进而使得该仿生海蛇具有驱动能力，即使得该仿生海蛇可以产生周期性摆动，例如，类似蛇的蜿蜒运动；且还可以使得双轴舵机404的转轴403方向一致，进而使得整个动力机构4的驱动性能的一致性较好，即提高了仿生海蛇运动能力的可控性能和动力性能。当然，也可以根据使用环境的不同，相应地改变动力机构4内运动关节的数量。

进一步地，仿生海蛇还包括：设置在蛇头1与动力机构4之间的俯仰机构3；俯仰机构3的一端与蛇头1靠近动力机构4的一端相连，另一端与动力机构4靠近蛇头1的一端相连，用于带动蛇头1作俯仰运动。则可通过该俯仰机构3带动蛇头1上下摆动，实现蛇头1的俯仰运动。

进一步地，俯仰机构3包括：至少一个第三u型支架302、至少一个第四u型支架和至少一个水平设置的第一舵机301；第一舵机301设置在相对布置的第三u型支架302与第四u型支架305围成的区域内；第一舵机301的转轴与第三u型支架302的直边相连，第四u型支架305的直边与第一舵机301的侧壁相连；位于端部的第三u型支架302的底边与蛇头1靠近动力机构4的一端相连；位于另一端部的第四u型支架305的底边与位于端部的第一u型支架402的底边相连。

例如，俯仰机构3包括一个、两个或三个等第一舵机301；例如，第一舵机301为高扭矩舵机等。图1为俯仰机构3包括一个第一舵机301的结构图，现以图1的俯仰机构3为例进行说明，但并不用于限制本发明的保护范围。相应地，有一个第三u型支架302和一个第四u型支架305；将一个第三u型支架302与一个第四u型支架305相对设置围成一个区域，将一个第一舵机301水平设置在围成的该区域内，且将第三u型支架302的直边与第一舵机301的转轴相连，第四u型支架305的直边与第一舵机301的侧壁相连。以及，第三u型支架302的底边与蛇头1靠近动力机构4的一端相连，第四u型支架305的底边与位于端部的第一u型支架402的底边相连。

在蛇头1需要上下摆动时，该第一舵机301运转，带动与其相连的第三u型支架302上下摆动，从而使得该第三u型支架302202带动与其相连的蛇头1上下摆动。且通过将第一舵机301水平放置、运动关节中的双轴舵机404竖直放置，使得运动关节中的双轴舵机404与俯仰机构3中的第一舵机301正交布置，可以提高仿生机械蛇上浮和下潜的程度。当然，还可以根据使用环境需要增加俯仰机构3中第一舵机301的数量。

进一步地，俯仰机构3还包括：至少一个第五u型支架306、至少一个第六u型支架304和至少一个竖直设置的第二舵机303；第二舵机303设置在相对布置的第五u型支架306与第六u型支架304围成的区域内；第二舵机303的转轴与第五u型支架306的直边相连，第六u型支架304的直边与第二舵机303的侧壁相连；位于端部的第五u型支架306的底边与位于另一端部的第四u型支架305的底边；位于另一端部的第六u型支架304的底边与位于端部的第一u型支架402的底边相连。

具体地，该俯仰机构3还可以包括一个、两个或多个竖直放置的第二舵机303，例如，第二舵机303为高扭矩舵机等。图4为俯仰机构3包括一个第一舵机301和两个第二舵机303的结构图，现以图4的俯仰机构3为例进行说明，但并不用于限制本发明的保护范围。相应地，俯仰机构3还包括两个第五u型支架306和两个第六u型支架304，将一个第五u型支架306与一个第六u型支架304相对设置围成一个区域，即可构成两个区域。

将一个第二舵机303竖直设置在围成的一个区域内，且将第五u型支架306的直边与第二舵机303的转轴相连，第六u型支架304的直边与第二舵机303的侧壁相连。将一个区域中的第六支架的底边与另一个区域中的第五支架的底边相连，进而将两个区域相连构成完整的俯仰机构3，如图4所示。以及，将位于端部的第五u型支架306的底边与第四u型支架305的底边相连，位于另一端部的第六u型支架304的底边与位于端部的第一u型支架402的底边相连。则该俯仰机构3在能够带动蛇头1作俯仰运动的同时，还可通过该第二舵机303带动蛇头1作蜿蜒运动，即带动蛇头1左右摆动，提高了蛇头1的灵活性。根据不同使用环境，正交连接的第一舵机301和第二舵机303数目有所不同；仿生海蛇工作时，正交连接的第一舵机301和第二舵机303结构产生行波的同时，进行仿生海蛇z轴方向的摆动，提高了仿生海蛇的性能。

进一步地，蛇头1与俯仰机构3之间设有防水密封舱2，防水密封舱2内设有相连的微控制器7和电力线调制解调器8；图像采集器101与微控制器7相连，以使微控制器7将图像采集器101采集的图像信息通过电力线调制解调器8输送至上位机9。例如，可以将该图像采集器101的信号线与电源线通过防水接头连接于防水密封舱2内的微控制器7；例如，电力线调制解调器8通过网口与微控制器7相连；则图像采集器101可将其采集的图像信息输送至微控制器7，且微控制器7可以将该图像信息存储在其内的存储模块内；以及，还可以通过该电力线调制解调器8将该图像信息传输至上位机9，实现远程监测和远程控制。且由于电力线调制解调器8的环境适应性较强，使得该仿生海蛇的工作范围扩大、大大提高该仿生海蛇的共融性。

进一步地，结合图10所示，防水密封舱2内还设有相连的主控单片机11和多路舵机控制板12；在蛇头1的相对两侧均设置有避障传感器103，避障传感器103用于检测仿生海蛇所处位置附近是否存在障碍物；多路舵机控制板12分别与双轴舵机404及第一舵机301相连，用于控制双轴舵机404和第一舵机301运转；主控单片机11分别与避障传感器103及微控制器7相连，用于将避障传感器103的检测结果发送至微控制器7，以使微控制器7根据避障传感器103的检测结果向主控单片机11发送控制多路舵机控制板12的指令。

例如，避障传感器103为红外测距传感器或超声波测距传感器。例如，在蛇头1的眼睛位置处设置避障传感器103；或者，将避障传感器103与蛇头1的中心线之间构造有第一夹角，例如，将该第一夹角设为30°-60°；例如，将避障传感器103与蛇头1的中心线之间的第一夹角设为50°。例如，主控单片机11与多路舵机控制板12之间进行串口通讯，以及主控单片机11与微控制器7也进行串口通讯；使得主控单片机11与多路舵机控制板12及微控制器7之间的数据传输较可靠。

以及，主控单片机11将避障传感器103的检测结果传送至微控制器7，若避障传感器103检测到仿生海蛇所处位置附近没有障碍物时，微控制器7根据该避障传感器103的检测结果向主控单片机11发出控制多路舵机控制板12的指令，使得多路舵机控制板12根据该指令控制双轴舵机404带动仿生机械蛇继续前行。并且，微控制器7还将该检测结果通过电力线调制解调器8发送至上位机9，使得上位机9可以实时接收到避障传感器103的检测结果。另外，主控单片机11还可以将避障传感器103的检测结果存储在其内的存储模块中。

若避障传感器103检测到仿生机械蛇所处位置附近存在障碍物时，微控制器7根据该避障传感器103的检测结果向主控单片机11发出控制多路舵机控制板12的指令，使得多路舵机控制板12根据该指令控制控制第一舵机301和双轴舵机404带动仿生海蛇后退、左转、右转、上浮、下潜或停止。当俯仰机构包括第二舵机时，也可以通过微控制器7根据该避障传感器103的检测结果向主控单片机11发出控制多路舵机控制板12的指令，使得多路舵机控制板12根据该指令控制控制第二舵机303。则该仿生海蛇可以根据避障传感器103的检测结果实时调整其运行方向，实现仿生海蛇的自主巡航功能。

另外，该蛇头1的外壳由导流外壳102和导流板104组成，避障传感器103设置在导流外壳102上，如图2和图3所示。

另外，该防水密封舱2内还设有电源分配稳压模块，该电源分配稳压模块的输出端分别与多路舵机控制板12及避障传感器103相连，且该电源分配稳压模块的输入端与水下电缆直接相连，用于将220v交流电通转化为+12vdc和+5vdc输出，即为多路舵机控制板12及避障传感器103提供电能。

进一步地，杆端轴承501包括球形杆端轴承501，该球形杆端轴承501的结构如图8所示；泡沫板502包括聚氨酯泡沫板502。采用球形杆端轴承501，使得蛇身5的每节运动关节可以在±60°的范围内摆动，提高了蛇身5的灵活性。以及，将泡沫板502采用聚氨酯泡沫板502，可以减少蛇身5的运动阻力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。