一種基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于柔性胸鰭驅動的仿生水下機器人，同時屬于模塊化設計機器，具體來說，是一種基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人。
【背景技術】
[0002]仿生魚是機器人(魚)研宄的重要領域。魚類經過幾億年漫長的進化過程，形成了近乎完美的在水中行進的生理結構與運動模式。它們憑借優良流體力學效能的身體結構，獲得極高推進效率和機動性，其性能遠遠高于螺旋槳推進系統。其中以胸鰭為主要推進來源的機器魚憑借其推進效率高、轉彎機動性高、運動穩定性等優勢得到了科研人員的廣泛關注。由于魚類的這些優越性，本發明水下機器人(魚)基于體平扁、寬大于長、具備肥大胸鰭的蝠鲼進行仿生設計，在軍事偵查、水下探測、生物觀察、娛樂觀賞等多個領域具有極高的應用價值和廣闊的發展前景。
[0003]自然原型為胸鰭擺動推進模式魚類一一蝠鲼的仿生機器魚，以其兼具高效率、高機動性等優勢特征成為水下機器人(魚)的一個熱點研宄領域。胸鰭擺動推進模式(類似于鳥類在空中的翅膀拍動)是胸鰭推進模式的一種，具有胸鰭推進模式中最高的推進效率與速度。通過對蝠鲼、牛鼻鲼實地觀測分析和生物學研宄成果的總結，得出胸鰭擺動推進模式魚類的典型身體結構特征和運動變形規律。當前胸鰭擺動推進仿生魚研宄成果多數基于剛性機構和類似撲翼附柔性薄膜的驅動機構。具體而言，目前采用胸鰭擺動推進模式仿生魚樣機的驅動、傳動機構、中部機體多是剛性并且分離的，無法產生整體漸變的柔性變形，造成胸鰭運動過程的柔順性不足。

【發明內容】

[0004]本發明設計了主動輸出胸鰭全柔性變形結構，以最接近蝠鲼本身運動方式的方法實現水下機器人胸鰭的全柔性拍動。
[0005]本發明水下機器人包括主機體、左柔性胸鰭模塊、右柔性胸鰭模塊與尾鰭模塊。左柔性胸鰭模塊與右柔性胸鰭模塊結構相同，分別通過鰭部連接件安裝在主機體左右兩側，且鏡像對稱；尾鰭模塊通過尾鰭連接件螺釘連接于主機體后部。
[0006]所述左柔性胸鰭模塊與右柔性胸鰭模塊均包括柔性胸鰭骨架和胸鰭驅動系統。其中，柔性胸鰭骨架仿飛機機翼機構設計，包括6根鰭肋沿胸鰭展向設置，由根部至尖端的鰭肋外邊框依次等距縮小。
[0007]所述胸鰭驅動系統包括兩個防水舵機、胸鰭主干骨與兩根鋼絲；令兩個舵機分別為防水舵機A與防水舵機B。防水舵機A與防水舵機B均具有一字搖臂，驅動一字搖臂轉動；防水舵機A固定安裝于胸部連接件上，防水舵機B的一字搖臂兩端通過螺釘固定安裝在位于尖端的鰭肋上設計的連接梁上。胸鰭主干骨根部與鰭肋連接件固定，尖端與防水舵機A固定；除位于根部與尖端鰭肋外，其余鰭肋的上下緣均通過鋼桿與胸鰭主干骨固定。
[0008]令兩根鋼絲分別為鋼絲A與鋼絲B。其中，鋼絲A對折后，兩端分別由尖端至根部依次穿過各個鰭肋上下緣通孔后，與防水舵機A中一字搖臂兩端鉸接。鋼絲B彎折后，一端依次穿過各個鰭肋前緣通孔，與感知艙側面固定；另一端依次穿過各個鰭肋前緣通孔，與尾艙側面固定。
[0009]所述尾鰭模塊包括尾部定位架、尾部防水舵機、連桿A、連桿B、尾部連接件與尾鰭。其中，尾部定位架前端與主機體中尾艙后端部固定；尾部防水舵機同樣具有一字搖臂；固定安裝在尾部安裝架一側。一字搖臂的兩端分別與連桿A和連桿B的一端相連；連桿A與連桿B另一端與尾部連接件兩端鉸接；使一字連桿、連桿A、連桿B與尾部連接件間形成平行四連桿結構。尾部連接件后部設計有連接平面，與尾鰭相連；尾部連接件還與尾部定位架間鉸接。
[0010]上述結構水下機器人整體外部包覆有透水彈性蒙皮。
[0011]本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，分析了鲼類胸鰭的水動力模型，將胸鰭的運動分解為垂直機體縱軸線方向上的上下彎曲拍動與以為軸心的扭轉運動。胸鰭骨架的結構設計，采用類似飛機翼肋的結構，以對稱翼型為基本形狀，通過一字型胸鰭主干骨及鋼絲串連、拼接成剖面為流線型的胸鰭模塊。在胸鰭根部與尖端，安置了一大一小兩個舵機，控制胸鰭的上下拍動與扭轉運動。通過調整兩個舵機的運動幅度，運動頻率與相位差，可以實現不同胸鰭運動姿態，更好地完成魚體運動。
[0012]本發明的優點在于:
[0013]1、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，由流線型柔性胸鰭骨架、柔性連接傳動鋼絲及透水彈性蒙皮3者組成的全柔性胸鰭在胸鰭驅動系統作用下可以產生整體漸變的柔性變形，輔以輸出精確舵面作動的尾鰭模塊，使機器人水下運動具有高機動性、高隱蔽性、高效、低頻、低阻的特點，整機柔順減阻性能良好，水下最高運動速度可達0.7m/s，轉彎半徑最小為0.lm, 2200mAh的鋰電池可支持機器人以0.3m/s航速運動2小時以上；
[0014]2、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，主機體頭部采用機體縱剖呈橢圓型形狀(曲率半徑最小為1mm)過渡，尾部采用機體縱剖成流線型形狀(曲率半徑最小為1200mm)過渡，水下阻力小，可大大減少能量損耗，提高運動效率，且該設計尺寸合適不會因為尺寸過大影響機器人的性能；
[0015]3、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，整機仿生設計扁平寬大，整機重心位置可調，極易在水下實現自平衡；
[0016]4、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，采用分艙段模塊化設計方法，每個模塊獨立設計，可根據用戶需求改變各個模塊設計，提高了水下機器人的研發效率和便攜性；
[0017]5、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，主機體采用分艙段模塊化設計，各個模塊分別單獨設計，在設計制作的最后階段，將各個模塊按預先設定的機械和電氣接口快速連接到一起，即可完成整機的裝配，提高了設計和裝配的效率，并且可以根據機器人用途和性能需求改變各個模塊的設計，快速實現產品的二次開發，縮短研發周期。
[0018]6、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，主機體采用分艙段局部密封、機械傳動及電氣接口都按照相應防水標準設計，使其具有良好的密封效果；
[0019]7、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，主機體上采用易于連接的可靠機械接口和基于IP68級防水航插插座的電氣接口設計，各模塊之間易于實現機械和電氣連接，可隨時隨地快速組裝，將模塊拆解存放，更加便攜不易損壞。
[0020]8、本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，結合成本較低的機電控制系統實現運動的控制，在結構設計方面實現了自主創新，誕生仿生鲼類機器魚設計新思路，提高運動姿態的可控性。通過進一步完善系統動力學模型，改進控制算法可以更加精確地模仿蝠鲼的運動，進一步提高游動速度與機動性，降低噪聲，充分發揮胸鰭推進模式的優勢。
【附圖說明】
[0021]
[0022]圖1為本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人整機結構示意圖；
[0023]圖2為本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人整機結構爆炸圖；
[0024]圖3為本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人中胸鰭模塊裝配圖；
[0025]圖4為本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人中胸鰭模塊結構示意圖；
[0026]圖5為胸鰭模塊中鰭肋結構示意圖；
[0027]圖6為本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人尾鰭模塊裝配圖；
[0028]圖中:
[0029]1-主機體2-左柔性胸鰭模塊 3-右柔性胸鰭模塊
[0030]4-尾鰭模塊5-柔性胸鰭骨架6-胸鰭驅動系統
[0031]7-胸部連接件101-感知艙102-控制艙
[0032]103-中段艙104-尾艙401-尾部定位架
[0033]402-尾部防水舵機 403-連桿A404-連桿B
[0034]405-尾部連接件406-尾鰭501-鰭肋
[0035]601-防水舵機A602-防水舵機B603-—字搖臂
[0036]604-胸鰭主干骨605-鋼桿606-鋼絲A
[0037]607-鋼絲B608-上緣通孔609-下緣通孔
[0038]610-前緣通孔611-前緣通孔
[0039]具體實施方案
[0040]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0041]本發明基于全柔性胸鰭的新型模塊化仿生水下機器人，采用模塊化設計，包括主機體1、左柔性胸鰭模塊2、右柔性胸鰭模塊3與尾鰭模塊4，如圖1所示。左柔性胸鰭模塊與右柔性胸鰭模塊3結構相同，分別通過鰭部連接件安裝在主機體I左右兩側，且鏡像對稱。尾鰭405模塊4通過尾鰭連接件螺釘連接于主機體I后部。
[0042]所述主機體I采用分段設計，包括4段艙體，沿縱軸線從前向后依次為感知艙101、控制艙102、中段艙103、尾艙104，如圖2所示。其中，感知艙101和中段艙103通過螺釘與控制艙102固連，尾艙104通過螺釘與中段艙103固連。中段艙103與尾艙104內設計有沿主機體I縱軸線對稱分布的蜂窩狀配重孔，通過在孔中插入等直徑圓柱形鉛條實現機器人整體密度及重心位置的調整。上述主機體主機體I前部縱剖呈橢圓型形狀(曲率半徑最小為1mm)過渡，后部縱剖成流線型形狀(曲率半徑最小為1200mm)過渡，使主機體水下阻力小，可大大減少能量損耗，提高運動效率，且該設計尺寸合適不會因為尺寸過大影響機器人的性能。上述主機體I內搭載有感知及控制設備；其中，感知艙101內安裝有水下白光LED照明、微型聲吶探頭、水下尚清攝像機等感知設備。控制艙102內安裝有基于以尚速處理芯片STM32F103的核心控制單元、6軸運動處理組件MPU-6050、基于2200mAh鋰聚合物電池和LM2596的供電單元、淺水無線通訊和深水拖纜串口通訊單元等控制設備；控制艙102的輸入輸出等電氣接口通過嵌在控制艙102周圍的IP68級別的防水航插插座引出。同時，尾艙104內還具有機器人供電及通訊防水開關、鋰電池防水充電接口。
[0043]所述左柔性胸鰭模塊2與右柔性胸鰭模塊3均包括柔性胸鰭骨架5和胸鰭驅動系統6，如圖3所示。其中，柔性胸鰭骨架5仿飛機機翼機構設計，包括6根鰭肋501，如圖4所示；6根鰭肋501均為按對稱翼型設計的中空框架結構，結構輕薄纖細保證柔性，沿胸鰭展向設置，前緣曲率半徑小，后緣曲率半徑大，且相