一种仿生柔性扑翼水下机器人

本发明属于水下机器人，具体为一种仿生柔性扑翼水下机器人。

背景技术：

1、为了对水下生态环境进行有效保护，水下勘探、救援等机器人必不可少。现有水下机器人存在许多缺点，如体积大、噪音大、效率低、机动性差等。受水流与非结构化复杂环境影响，水下机器人机动控制困难，难以平稳前行。此外，普遍采用的螺旋桨推进方式，效率低，且存在高流体扰动，对动物生长环境的侵入性过大，易破坏海洋生态环境，存在机动性差、生物亲和性弱等缺点，这些因素严重限制了水下机器人的发展。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种仿生柔性扑翼水下机器人，为一类新型的水下装备，借鉴、模仿了自然界水生生物蝠鲼的结构形态、运动特性和驱动机理，相对传统螺旋桨推进的水下机器人有许多优势，基于软组织的流线型扁平躯体，能有效借助流体的能量实现滑行运动，具有低噪音、高机动性、体积小、易携带、隐蔽性高的特点。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种仿生柔性扑翼水下机器人，包括壳体、位于壳体两侧的两个侧翼扑动机构、位于壳体尾部的尾翼扑动机构、位于壳体前端的摄像机舱、位于壳体内部前端的舵机控制舱和位于壳体内部后端的重力调节舱，两个侧翼扑动机构对称布置在壳体的两侧，侧翼扑动机构包括侧翼舵机、扑动组件和柔性的侧翼鳍面，扑动组件包括扑动传动组件、固定棒和多个鳍条，多个鳍条间隔布置，鳍条的一端连接扑动传动组件、中部被固定棒穿过、另一端连接侧翼鳍面，侧翼舵机连接并驱动扑动传动组件，扑动传动组件带动鳍条的一端摆动，所有鳍条没有在一个平面内，使鳍条摆动时连接在所有鳍条上的侧翼鳍面呈现波浪形起伏摆动。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、各鳍条的长度方向都和固定棒的长度方向垂直，固定棒相对壳体固定或可自转，固定棒穿过所有鳍条的中部，各鳍条各自错开相互不平行。

6、所述扑动传动组件包括多个曲轴组件，多个曲轴组件依次连接，每个曲轴组件连接一个鳍条，曲轴组件包括长轴、短轴、第一轴键、第二轴键，长轴和短轴平行间隔布置，第一轴键和第二轴键的长度方向垂直于长轴的长度方向，第一轴键和第二轴键平行间隔布置，第一轴键的一端固定连接长轴的一端，第一轴键的另一端铰接短轴的一端，短轴的另一端铰接第二轴键的一端，第二轴键的另一端固定连接另一个曲轴组件的长轴的一端，该长轴的另一端连接所在曲轴组件的第一轴键，短轴穿过鳍条的一端，所有长轴在同一条直线上，各第一轴键各自错开相互不平行。

7、鳍条的一端设有长条形的通孔，该通孔为连接孔，短轴穿过连接孔且能在垂直于短轴长度方向上移动，鳍条的另一端设有凹槽，侧翼鳍面插入凹槽后用同时穿过鳍条和侧翼鳍面的螺栓锁紧。

8、尾翼扑动机构包括尾翼舵机、夹具和柔性的尾翼鳍面，尾翼鳍面安装在夹具上，尾翼舵机传递驱动至夹具，使夹具上下摆动。

9、尾翼扑动机构还包括两个垫块和u形块，夹具为u形，两个垫块位于夹具的u形开口内，两个垫块之间有间隙，尾翼鳍面的一端插入两个垫块之间的间隙中并通过穿过两个垫块和夹具的螺栓连接锁紧，u形块和夹具固定连接，u形块为u形结构，尾翼鳍面位于夹具的远离u形块的一端，u形块的开口一端为远离夹具的一端，u形块的开口一端铰接在壳体上，尾翼舵机连接并驱动u形块上下摆动。

10、摄像机舱内安装有摄像头和图传模块，摄像机舱为由多块亚克力板依次连接形成的长方体结构，亚克力板之间用热熔胶进行密封，图传模块可和终端设备的软件进行通信，图传模块将摄像头拍摄的画面传输至终端设备。

11、重力调节舱包括外盒和安装在外盒内的储水装置、左侧水泵、右侧水泵、超声波模块，储水装置用于储水，储水装置为由多块亚克力板依次连接形成的长方体结构，各相邻亚克力板通过紫外线胶密封拼装，储水装置的上板安装有超声波模块，用于实时监测储水装置内的水位，左侧水泵和右侧水泵各自通过水管连接储水装置，左侧水泵一端通过水管连通储水装置、另一端通过水管连通外部环境，右侧水泵一端通过水管连通储水装置、另一端通过水管连通外部环境。

12、舵机控制舱内安装有单片机、舵机驱动板和降压模块。

13、壳体包括上板、上盖、底板、前包围结构、后包围结构和两个侧包围结构，上板和上盖连接形成壳体的顶板，所述顶板、底板、前包围结构、后包围结构和两个侧包围结构连接形成具有内部容腔的壳体，上盖可拆卸或说可盖合地安装在壳体上。

14、本发明的有益效果是：

15、(1)为一类新型的水下装备，借鉴、模仿了自然界水生生物蝠鲼的结构形态、运动特性和驱动机理，相对传统螺旋桨推进的水下机器人有许多优势，基于软组织的流线型扁平躯体，能有效借助流体的能量实现滑行运动，具有低噪音、高机动性、体积小、易携带、隐蔽性高的特点。

16、(2)运动时，侧翼鳍面上下摆动，即实现扑翼动作，侧翼鳍面为柔性的，不同初相位的鳍条通过周期性摆动，实现鳍面的波动运动，鳍面的波动运动形成软组织的流线型扁平躯体，不仅有利于游动推进，还有利于下潜滑行，能有效借助流体的能量实现滑行运动，抗流能力强。

17、(3)所述机器人外形与蝠鲼外形相似、运动相似，其潜行方式不会惊扰到其他生物，环境亲和性好。

技术特征：

1.一种仿生柔性扑翼水下机器人，其特征在于，包括壳体(1)、位于壳体(1)两侧的两个侧翼扑动机构(2)、位于壳体(1)尾部的尾翼扑动机构(3)、位于壳体(1)前端的摄像机舱(4)、位于壳体(1)内部前端的舵机控制舱(5)和位于壳体(1)内部后端的重力调节舱(6)，两个侧翼扑动机构(2)对称布置在壳体(1)的两侧，侧翼扑动机构(2)包括侧翼舵机(21)、扑动组件(23)和柔性的侧翼鳍面(24)，扑动组件(23)包括扑动传动组件、固定棒(237)和多个鳍条(232)，多个鳍条(232)间隔布置，鳍条(232)的一端连接扑动传动组件、中部被固定棒(237)穿过、另一端连接侧翼鳍面(24)，侧翼舵机(21)连接并驱动扑动传动组件，扑动传动组件带动鳍条(232)的一端摆动，所有鳍条(232)没有在一个平面内，使鳍条(232)摆动时连接在所有鳍条(232)上的侧翼鳍面(24)呈现波浪形起伏摆动。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：各鳍条(232)的长度方向都和固定棒(237)的长度方向垂直，固定棒(237)相对壳体(1)固定或可自转，固定棒(237)穿过所有鳍条(232)的中部，各鳍条(232)各自错开相互不平行。

3.根据权利要求1或2所述的水下机器人，其特征在于：所述扑动传动组件包括多个曲轴组件，多个曲轴组件依次连接，每个曲轴组件连接一个鳍条(232)，曲轴组件包括长轴(234)、短轴(235)、第一轴键(233)、第二轴键(238)，长轴(234)和短轴(235)平行间隔布置，第一轴键(233)和第二轴键(238)的长度方向垂直于长轴(234)的长度方向，第一轴键(233)和第二轴键(238)平行间隔布置，第一轴键(233)的一端固定连接长轴(234)的一端，第一轴键(233)的另一端铰接短轴(235)的一端，短轴(235)的另一端铰接第二轴键(238)的一端，第二轴键(238)的另一端固定连接另一个曲轴组件的长轴(234)的一端，该长轴(234)的另一端连接所在曲轴组件的第一轴键(233)，短轴(235)穿过鳍条(232)的一端，所有长轴(234)在同一条直线上，各第一轴键(233)各自错开相互不平行。

4.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于：鳍条(232)的一端设有长条形的通孔，该通孔为连接孔(2321)，短轴(235)穿过连接孔(2321)且能在垂直于短轴(235)长度方向上移动，鳍条(232)的另一端设有凹槽(2322)，侧翼鳍面(24)插入凹槽(2322)后用同时穿过鳍条(232)和侧翼鳍面(24)的螺栓锁紧。

5.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：尾翼扑动机构(3)包括尾翼舵机(31)、夹具(32)和柔性的尾翼鳍面(36)，尾翼鳍面(36)安装在夹具(32)上，尾翼舵机(31)传递驱动至夹具(32)，使夹具(32)上下摆动。

6.根据权利要求5所述的水下机器人，其特征在于：尾翼扑动机构(3)还包括两个垫块(33)和u形块(34)，夹具(32)为u形，两个垫块(33)位于夹具(32)的u形开口内，两个垫块(33)之间有间隙，尾翼鳍面(36)的一端插入两个垫块(33)之间的间隙中并通过穿过两个垫块(33)和夹具(32)的螺栓连接锁紧，u形块(34)和夹具(32)固定连接，u形块(34)为u形结构，尾翼鳍面(36)位于夹具(32)的远离u形块(34)的一端，u形块(34)的开口一端为远离夹具(32)的一端，u形块(34)的开口一端铰接在壳体(1)上，尾翼舵机(31)连接并驱动u形块(34)上下摆动。

7.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：摄像机舱(4)内安装有摄像头和图传模块，摄像机舱(4)为由多块亚克力板依次连接形成的长方体结构，亚克力板之间用热熔胶进行密封，图传模块可和终端设备的软件进行通信，图传模块将摄像头拍摄的画面传输至终端设备。

8.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：重力调节舱(6)包括外盒(61)和安装在外盒(61)内的储水装置(62)、左侧水泵(63)、右侧水泵(65)、超声波模块(66)，储水装置(62)用于储水，储水装置(62)为由多块亚克力板依次连接形成的长方体结构，各相邻亚克力板通过紫外线胶密封拼装，储水装置(62)的上板安装有超声波模块(66)，用于实时监测储水装置(62)内的水位，左侧水泵(63)和右侧水泵(65)各自通过水管连接储水装置(62)，左侧水泵(63)一端通过水管连通储水装置(62)、另一端通过水管连通外部环境，右侧水泵(65)一端通过水管连通储水装置(62)、另一端通过水管连通外部环境。

9.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：舵机控制舱(5)内安装有单片机、舵机驱动板和降压模块。

10.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于：壳体(1)包括上板(11)、上盖(12)、底板(13)、前包围结构(14)、后包围结构(16)和两个侧包围结构(15)，上板(11)和上盖(12)连接形成壳体(1)的顶板，所述顶板、底板(13)、前包围结构(14)、后包围结构(16)和两个侧包围结构(15)连接形成具有内部容腔的壳体(1)，上盖(12)可拆卸或说可盖合地安装在壳体(1)上。

技术总结本发明公开了一种仿生柔性扑翼水下机器人，包括壳体、位于壳体两侧的两个侧翼扑动机构、位于壳体尾部的尾翼扑动机构、位于壳体前端的摄像机舱、位于壳体内部前端的舵机控制舱和位于壳体内部后端的重力调节舱，侧翼扑动机构包括侧翼舵机、扑动组件和柔性的侧翼鳍面，扑动组件包括扑动传动组件、固定棒和多个鳍条，鳍条的一端连接扑动传动组件、中部被固定棒穿过、另一端连接侧翼鳍面，侧翼舵机连接并驱动扑动传动组件，带动鳍条的一端摆动，所有鳍条不在一个平面内，鳍条摆动时侧翼鳍面呈现波浪形起伏摆动。本发明模仿了自然界水生生物蝠鲼的结构形态、运动特性和驱动机理，具有低噪音、高机动性、体积小、易携带、隐蔽性高的特点。技术研发人员：冯明,朱林蕊,李清,苏亮受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/12/12