一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人

1.本实用新型涉及仿生水下机器人领域，尤其涉及一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人。


背景技术：

2.目前技术成熟的水下推进技术以螺旋桨为主。传统机械的螺旋桨推进技术虽然驱动力大，可以实现大位移运动，但是也存在噪音大、耗能高、自持力不足等缺点。为了克服螺旋桨式水下推进的缺点，对水下生物进行仿生研究，改进水下推进技术，成为近年来水下机器人研究的热点。
3.水下生物由于自身结构的特殊性，具备了运动高效率的特点。水下生物的推进方式主要包括尾鳍摆动驱动、水射流驱动。尾鳍摆动驱动是对鱼类水下生物进行仿生，但对其运动控制难以实现。水射流驱动是对水母进行仿生，具有极好的机动性，并且运动效率高。水母是海洋中重要的浮游生物。水母本身机构整体呈现为伞状，水母伞状结构下布有多个触手。水母运动原理就是通过收缩伞体，控制触手的运动，实现对伞体下液体的相互作用，对整体结构产生推进力。
4.仿生水母对腔内结构的设计，可以放置各类型设备，应用在环境复杂的水域中，包括海洋生物考察、海洋资源勘探、海洋环境监测等场景。此外，仿生水母相比于螺旋桨推进，具有噪音低的特点，可以实现更强的隐蔽性。在军事领域探测侦查中，不容易被发现，并且成本更低，具有显著的优势。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人。
6.为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，包括仿生鱼鳔、鱼鳔固定装置、软体推进单元、控制单元以及驱动单元；所述仿生鱼鳔呈半球状，所述仿生鱼鳔包括内膜和外膜，所述仿生鱼鳔的内膜与所述鱼鳔固定装置固结，所述内膜与所述鱼鳔固定装置之间形成一个空心的密封舱，所述控制单元和驱动单元装载在所述密封舱内，所述软体推动单元固定在所述鱼鳔固定装置的下端。
7.优选地，所述仿生鱼鳔外膜和内膜之间形成中空的气囊，所述内膜中心位置设有进气孔，所述驱动单元通过气管连接所述进气孔，所述密封舱内还均布装载第一气管，所述第一气管直接与驱动单元和控制单元相连。
8.优选地，所述软体推进单元由n个软体驱动器圆周均布固定在鱼鳔固定装置下端（n≥4），所述软体驱动器由应变层和预拉伸层构成，所述预拉伸层朝向内侧，所述应变层朝向外侧。
9.优选地，所述应变层顺着延伸方向均匀设置m个气囊（m≥7），气囊之间设有连接通道；所述应变层通过均匀设置间隔将相邻气囊分隔开，所述连接通道与所述第一气管相接
通。
10.优选地，所述预拉伸层的厚度小于所述应变层的厚度，所述应变层的气囊的横向壁厚要小于纵向壁厚，并且横向壁厚要大于预拉伸层。
11.优选地，所述控制单元包括电源、控制器、三极管放大电路、继电器组；所述驱动单元包括电磁阀、调压阀、微型气泵，所述电源与控制单元连接，所述控制单元与所述微型气泵相连，所述控制单元还连接所述电磁阀和所述调压阀，对仿生鱼鳔和软体推进单元进行单独充放气控制。
12.优选地，鱼鳔固定装置的下方设置一个圆柱状的下密封舱，电源安装在下密封舱中。
13.优选地，所述软体推进单元是由弹性材料一体成型制成。
14.优选地，所述密封舱内还固定有传感器。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：（1）仿生鱼鳔包括内膜和外膜，内膜和外膜之间形成中空气囊，驱动单元通过气管接通该气囊，通过改变仿生鱼鳔内气体的压力，实现整个鱼鳔体积的膨胀收缩，带动整个仿生水母实现垂直水平面方向上的上下移动；（2）所述软体推进单元由多个软体驱动器构成，圆周均布固定在鱼鳔固定装置下端；所述控制单元，通过对软体驱动器气腔内气体压力的控制，实现单个或多个软体驱动器的变形，帮助整个机器人产生变向或前进，整个装置驱动力强，并且成本低，有良好的应用前景；（3）所述密封舱内还固定有各类传感器，还可以放置各类型设备，能够应用在环境复杂的水域中，包括海洋生物考察、海洋资源勘探、海洋环境监测等场景。此外，仿生水母相比于螺旋桨推进，具有噪音低的特点，可以实现更强的隐蔽性。在军事领域探测侦查中，不容易被发现。
附图说明
16.图1为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的结构示意图；
17.图2为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的俯视图；
18.图3为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的预拉伸变形图；
19.图4为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的软体驱动器收缩状态示意图；
20.图5为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的软体驱动器的结构示意图；
21.图6为本实用新型一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人的软体驱动器预拉伸层模具。
具体实施方式
22.以下将结合附图1到附图6对本实用新型做进一步地说明，但不应以此来限制本实用新型的保护范围。为了方便说明且理解本实用新型的技术方案，以下说明均以附图所展示为准。
23.本实用新型提供了一种基于软体驱动器的仿水母水下机器人，如图1所示，包括仿生鱼鳔、鱼鳔固定装置5、软体推进单元、控制单元13以及驱动单元6；所述仿生鱼鳔呈半球状，所述仿生鱼鳔包括内膜3和外膜1，所述仿生鱼鳔的内膜3与所述鱼鳔固定装置5固结，所
述内膜3与所述鱼鳔固定装置5之间形成一个空心的密封舱12，所述控制单元13和驱动单元6装载在所述密封舱12内，软体推动单元由软体驱动器8构成，所述控制单元13通过对软体驱动器8气腔内气体压力的控制，实现单个或多个软体驱动器8的变形，帮助整个机器人变向或前进；所述软体推动单元固定在所述鱼鳔固定装置5的下端。仿生鱼鳔、鱼鳔固定装置5选用胶粘或密封圈密封，防止密封舱进水，也可对内部电子设备起防水保护作用。
24.如图1和图2所示，所述仿生鱼鳔外膜1和内膜3之间形成中空的气囊17，所述内膜3中心位置设有进气孔，所述驱动单元通过气管2连接所述进气孔，驱动单元6的充放气，气囊体积的改变可为整个机器人提供可调节的浮力，使得能够实现上浮和下沉的功能，所述密封舱12内还均布装载第一气管4，所述第一气管4直接与驱动单元6和控制单元13相连。
25.进一步的，所述软体推进单元由6个软体驱动器8圆周均布固定在鱼鳔固定装置5下端，下端包围式的设计，多个软体驱动器8的共同弯曲，可以产生较大合力，实现对周围水体的相互作用，所述软体驱动器8由应变层10和预拉伸层11构成，所述预拉伸层11朝向内侧，所述应变层10朝向外侧。所述应变层10顺着延伸方向均匀设置7个气囊14，气囊14之间设有连接通道15；所述应变层10通过均匀设置间隔将相邻气囊14分隔开，所述连接通道与所述第一气管4相接通。软体驱动器8数量与第一气管4的数量相同，所述预拉伸层11的厚度小于所述应变层10的厚度。所述预拉伸层11为硅胶材料制作，在原长的基础上拉伸10%，再通过硅胶与应变层10粘连，且在未通气的情况下，应变层10有向预拉伸层11弯曲的趋势；在施加气压的作用下，每相邻的两个气囊产生横向的大变形，而预拉伸层11比应变层10薄，因此预拉伸层11变形更大，使得软体驱动器整体向内收缩，预拉伸层11表面积越大，与水体接触作用面积越大。所述应变层10的气囊的横向壁厚要薄于纵向壁厚，并且横向壁厚要厚于预拉伸层11；当对气囊进行加压时，气囊由于内部压力大于外部压力会膨胀产生大变形；由于预拉伸层11更薄，所以变形时会在横向产生更大的变形，从而产生较大的驱动力。
26.进一步的，所述控制单元包括电源7、控制器、三极管放大电路、继电器组；所述驱动单元6包括电磁阀、调压阀、微型气泵，所述电源与控制单元连接，所述控制单元13与所述微型气泵相连，所述控制单元13还连接所述电磁阀和所述调压阀，对仿生鱼鳔和软体推进单元进行单独充放气控制。所述驱动单元，气体通过两位三通电磁阀分为六路，再通过调压阀调节需要的气压，通过控制单元stm32开发板控制电磁阀的通断，实现对仿水母水下机器人的六个软体致动器的充放气控制，从而实现不同方向复杂运动；驱动单元、控制单元均安装在水母机器人的密封舱中。
27.进一步的，如图1所示，鱼鳔固定装置5的下方设置一个圆柱状的下密封舱16，电源7安装在下密封舱16中。并且进行防水处理，整体结构用密封胶密封，防止进水，保证电气安全。
28.进一步的，所述软体推进单元是由弹性材料一体成型制成。所述软体驱动器8属于超弹性体，常用硅胶材料为drgoin skin系列和ecoflex系列，本实用新型采用的是ecoflex50制作。
29.所述软体驱动器8的制作过程为：首先要预先设计好软体驱动器的气囊间隔、整体的横向壁厚和纵向壁厚，通过3d打印出模具，如图6所示；将搅拌后的硅胶倒入制作好的模具中，倒满硅胶后，放置在合适的位置，静置一段时间，等待硅胶的固化成型，最后进行脱模。
30.进一步的，所述密封舱内还固定有各类传感器9，还可以放置各类型设备，能够应用在环境复杂的水域中，包括海洋生物考察、海洋资源勘探、海洋环境监测等场景。
31.机器人的上浮下潜过程：
32.如图3所示，在舒张阶段，控制器控制电磁阀断路，此时驱动单元处于停机状态，水母机器人内部未进行充气，此时结构内部压力与外部流体压力持平，软体驱动器保持原始形状，但由于自重问题，将缓慢下沉直至保持静止状态。驱动单元6使气体进入仿生鱼鳔的中空气囊17中，调压阀可以调节气压，实现结构内部压力与外部压力差的改变，使得整个水母机器人可以上升不同的高度。
33.机器人的前进过程：
34.如图3所示，在舒张阶段，即软体驱动器8进行放气，控制器控制电磁阀断开，此时高压气体不再进入软体驱动器8，并恢复到初始状态，此时水母伞状体处于静止状态。如图4所示，在收缩阶段，控制器控制电磁阀打开，此时驱动单元将气体吸入气囊14中，调压阀调至30kpa，软体驱动器内部发生膨胀，多个气囊14之间进行相互挤压，产生整体弯曲的变形；多个软体驱动器8的同时弯曲，来模拟水母的触手收缩状态，此时水母进行能量的储存。
35.机器人的转向过程：
36.机器人需要转向运动时，驱动单元6将气体吸入气囊14中，调压阀调至30kpa，通过控制器分别连接软体驱动器8的电磁阀中的五个电磁阀通，一个电磁阀断，使得机器人的整个结构方向倾斜，设置不同电磁阀的通断，实现水母的多种转向运动，直至水母转到目标角度。
37.通过控制器控制电磁阀的通断，当驱动单元与电磁阀通路时，驱动单元6将气体吸入增压输出，气体充入软体驱动器8，内部的气囊14膨胀，多个气囊14之间相互挤压，使得整体结构发生弯曲变形，通过软体驱动器的变形，来模拟水母伞状结构和触手的运动。
38.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
39.最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。