一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法

技术特征：
1.一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，包括头部组件、胸鳍关节组件、螺旋桨推进器组件、尾部组件四大部分；所述头部组件和尾部组件完全密封形成密封舱，胸鳍关节组件和螺旋桨推进器组件防水能够直接暴露在水中，四大部分之间能够进行通信与供电；所述头部组件用于水下机器人的控制和传感，以及控制水下机器人动作，监测运动状态，同时与上位机通讯；所述胸鳍关节组件和尾部组件构成机器人的仿生驱动器，与螺旋桨推进器组件共同构成混合推进系统。2.根据权利要求1所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述头部组件包括额部外壳、视觉模块、姿态角度传感器、背部外壳、背鳍、电池降压模块、stm32单片机、控制模块安装板、锂电池、电池盒、舵机控制器、额部密封盖板以及补光灯泡；所述头部组件通过电池盒与胸鳍关节组件螺钉固定连接，补光灯泡与视觉模块通过螺钉固定于额部外壳内，并利用额部密封盖板封装；所述姿态角度传感器、电池降压模块、stm32单片机以及舵机控制器利用阳螺柱安装在控制模块安装板上；所述锂电池放置于电池盒内，背部外壳、控制模块安装板以及电池盒自上至下采用螺钉连接形成密封，背鳍螺钉之间固定在背部外壳上；优选的，stm32单片机选用stm32f103c8t6型，舵机控制器选用16路pca9685型，用于与上位机通信和控制舵机动作，实现鱼鳍的仿生摆动；所述视觉模块采用openmv视觉模组，配备ov7725摄像头，能够通过openmv视觉模组识别物体并与stm32单片机通信。3.根据权利要求2所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述胸鳍关节组件包括胸鳍关节连接板、两侧的胸鳍关节以及胸鳍关节支撑架；每一胸鳍关节包括外螺纹轴承固定壳套、第一舵机下防水外壳、第一舵机支撑板、第二胸鳍舵机、第一舵机上防水外壳、胸鳍、胸鳍安装支架、第一胸鳍舵机、外螺纹轴承和橡胶垫片；所述头部组件的电池盒分别与胸鳍关节连接板、胸鳍关节支撑架螺钉连接，所述胸鳍关节支撑架与螺旋桨推进器组件固定连接；两侧的胸鳍关节前部分别通过其外螺纹轴承固定壳套与胸鳍关节连接板螺钉连接，后部分别通过其第二胸鳍舵机与胸鳍关节支撑架螺钉连接；两侧的胸鳍关节结构以连接方式相同，对于一侧的胸鳍关节，第一胸鳍舵机通过螺钉固定在第一舵机支撑板上，与第一舵机上防水外壳、第一舵机下防水外壳通过螺钉固定形成密封的防水外壳；防水外壳前端安装有外螺纹轴承，外螺纹轴承和橡胶垫片外套有外螺纹轴承固定壳套；防水外壳后侧通过螺钉与第二胸鳍舵机的金属舵盘固连；所述第一胸鳍舵机的金属舵盘通过螺钉与胸鳍安装支架固连，所述胸鳍安装支架通过螺钉连接胸鳍；第一胸鳍舵机下防水外壳一端连接第二胸鳍舵机的金属舵盘，另一端通过外螺纹轴承配合橡胶垫片安装在外螺纹轴承固定壳套内，两侧胸鳍关节的外螺纹轴承固定壳套由胸鳍关节连接板连接，第二胸鳍舵机转动时，外螺纹轴承内圈转动，进而整个第一胸鳍舵机转动；优选的，第二胸鳍舵机为大扭矩防水舵机，第一胸鳍舵机为普通舵机，每一胸部关节的两个自由度分别由第一胸鳍舵机和第二胸鳍舵机提供，即第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机各
两个，分别用于控制左右胸鳍关节的摆动和偏转。4.根据权利要求3所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述螺旋桨推进器组件包括螺旋桨推进器支撑架、潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器；所述胸鳍关节支撑架与螺旋桨推进器支撑架螺钉连接；所述潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器均由7.4v直流微型电机驱动，7.4v直流微型电机由电机控制器控制，电机控制器与stm32单片机连接通讯；所述潜浮螺旋桨推进器安装在螺旋桨推进器支撑架中间，7.4v直流微型电机的输出轴垂直于躯干所在平面；两侧螺旋桨推进器分别安装在螺旋桨推进器支撑架两侧，7.4v直流微型电机的输出轴与躯干的轴向平行。5.根据权利要求4所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述尾部组件包括偏转电机密封舱、偏转电机密封舱盖、尾鳍舵机连接板、电机控制器密封壳、尾鳍、尾鳍舵机、电机控制器固定板、尾部过渡连接板、偏转电机连接件、偏转电机和电机控制器；所述螺旋桨推进器组件的螺旋桨推进器支撑架与偏转电机密封舱螺钉连接；所述偏转电机输出轴连接偏转电机连接件，通过螺钉固定在偏转电机密封舱内，并与偏转电机密封舱盖形成密封；所述尾部过渡连接板前后分别与偏转电机连接件和电机控制器固定板螺钉连接；所述电机控制器通过阳螺柱和螺钉固定在电机控制器固定板上，电机控制器密封壳与电机控制器固定板利用螺钉固连形成密封，电机控制器分别与潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器连接，用来控制潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器联合运动；所述尾鳍利用螺钉固定在尾鳍舵机上，尾鳍舵机接板通过螺钉连接电机控制器密封壳和尾鳍舵机的金属舵盘；优选的，尾部舵机为大扭矩防水双轴舵机，末端固连尾鳍，通过仿生摆动产生向前的推力。6.根据权利要求5所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人，其特征在于，所述额部外壳、背部外壳、控制模块安装板、额部密封盖板、第一舵机下防水外壳、第一舵机支撑板、第一舵机上防水外壳、胸鳍、螺旋桨推进器支撑架、偏转电机密封舱、偏转电机密封舱盖、尾部过渡连接板、电机控制器固定板、电机控制器密封壳、尾鳍以及尾鳍舵机连接板均采用abs塑料或树脂3d打印加工而成；所述电池盒、胸鳍关节连接板、胸鳍关节支撑板、胸鳍安装支架以及偏转电机连接件均采用1060铝合金材料3d打印加工而成。7.一种权利要求6所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人的工作方法，其特征在于，水下机器人的控制模块包括上位机、stm32单片机、舵机控制器以及电机控制器；监测用的传感器为姿态角度传感器，能同时检测三轴加速度、三轴角速度的运动数据以及温度数据；视觉模块的摄像机搭配补光灯泡照明装置用于拍摄并识别到水下的实时画面；水下机器人工作时，通过开启背部外壳上的电源开关使得电池盒内锂电池直接为水下机器人的控制模块供电，锂电池接电池降压模块输出低电压为补光灯泡供电；控制模块以stm32单片机为核心，对传感器收集的数据进行分析并传输；stm32单片机连接有舵机控制器和电机控制器，舵机控制器用来控制第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机和尾鳍舵机的联合运
动，电机控制器控制潜浮螺旋桨推进器和两侧螺旋桨推进器联合运动，二者配合实现仿生水下机器人的多模态运动以及姿态的调整；在正常运行中，利用姿态传感器实时检测水下机器人的姿态信息，一方面检测其是否出现翻转异常姿态现象，另一方面检测其目前的运动状态是否与控制要求相一致；当视觉模块的摄像头测扫到前方有障碍物时，进行信息处理并将信息发送给stm32单片机，stm32单片机将重新计算规划的路径信息发送给舵机控制器和电机控制器，带动各舵机和螺旋桨推进器改变运动状态；所述stm32单片机包括无线通信模块，能够随时与上位机交互通信，反馈设备运动状态。8.根据权利要求7所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人的工作方法，其特征在于，当水下机器人在水下执行低速巡游运动时，单独采用仿生摆动驱动系统，仅使用胸鳍关节组件和尾部组件作为驱动器，该状态下具有高机动灵活性，同时能够节省电池功耗；由stm32单片机控制舵机控制器发出指令，第二胸鳍舵机的舵盘转动带动第一舵机防水外壳沿舵机旋转中轴线摆动，第一胸鳍舵机的转动带动两侧胸鳍安装支架运动，进而使两侧胸鳍摆动拍击水流，使水下机器人获得一定的反作用推进力；当第二胸鳍舵机运转而第一胸鳍舵机不运转时，胸鳍连同其防水外壳一起转动，实现绕躯干轴向的摆动动作；当第一胸鳍舵机运转而第二胸鳍舵机不运转时，左、右胸鳍实现绕垂直于躯干轴向的摆动动作；当第一胸鳍舵机与第二胸鳍舵机分别运转时，胸鳍实现绕沿躯干轴向和垂直于躯干轴向的拍动与摆动的复合动作；进一步，通过舵机控制器控制尾鳍舵机的转动角度最大值以控制尾鳍的摆动幅度，从而控制机器人的游动速度；转弯时，控制尾鳍舵机非对称摆动，同时第一胸鳍舵机、第二胸鳍舵机带动胸鳍完成高自由度运动使其保持相对平衡；通过采用双自由度的胸鳍结构，使得水下机器人具备更高的机动性能，配合尾鳍摆动能够实现其在空间中的滑翔、巡游、变速、转弯复杂的空间运动。9.根据权利要求7所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人的工作方法，其特征在于，当仿生水下机器人需要瞬时动力输出、快速下潜或处于复杂水下环境时，单独采用螺旋桨驱动系统，便于提升驱动力；所述螺旋桨推进器组件包括两个能够提供沿机体轴线方向上的力、结构对称的螺旋桨推进器，以及一个提供垂直与机体方向上力的潜浮螺旋桨推进器；当两侧螺旋桨推进器的螺旋桨以相同的转速同向顺向旋转时，两侧推进器同时向后推动，提供较大的向前的反作用推进力，水下机器人前运动；同时逆向推动时，水下机器人反向运动；当两侧螺旋桨推进器的螺旋桨反向旋转时，水下机器人实现两侧转向运动；水下机器人的重心和浮心经过配平，保持在一条沿重力方向的直线上；当水下机器人进行上浮下潜运动时，由电机控制器发出指令，控制潜浮螺旋桨推进器正转得到一个向下的推进力，实现下潜运动，反转则实现上浮运动；通过潜浮螺旋桨推进器15的正反转使仿生水下机器人实现上浮下潜运动。10.根据权利要求7所述的基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人的工作方法，其特征在于，高游速是水下机器人能跃出水面的是关键，当螺旋桨推进器组件和胸鳍关节组件、尾部组件同时工作时，水下机器人具有较大驱动力，能够获得更高的游动速度；此时，所述偏转电机带动偏转电机连接件转动，进而带动尾部组件整体转动，旋转90度调整尾部
姿态，使水下机器人切换至豚式游动模式，此时尾鳍配合胸鳍摆动获得合适的俯仰角，两侧螺旋桨推进器提供推进力，提高游动速度，从而使水下机器人能够跃出水面，当其跃出水面时胸鳍关节展平以保持较大的翼展作滑翔状运动。

技术总结
本发明涉及一种基于仿生摆动与螺旋桨混合驱动的水下机器人及其工作方法，属于水下仿生机器人技术领域，包括头部组件、胸鳍关节组件、螺旋桨推进器组件、尾部组件四大部分；本发明结合了仿生推进的隐蔽性和高机动性以及螺旋桨推进的快速性等优点，通过控制各仿生鳍驱动舵机的摆动频率和角度，以及螺旋桨驱动电机的转速和方向，使仿生摆动和螺旋桨驱动相互配合来精确控制航行器的运动姿态，能够实现水下滑翔、巡游、变速、转弯多模态复杂的空间运动以及跨介质跃水运动。对制造高效率、高机动灵活性、低能耗、低成本、对环境扰动小的探测设备具有重要的指导和借鉴意义。有重要的指导和借鉴意义。有重要的指导和借鉴意义。


技术研发人员：薛钢 白发刚 刘延俊 郭磊 任平顺 黄健堃 李厚池
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2022/12/30