本發(fā)明屬于水下機(jī)器人領(lǐng)域，具體是涉及一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人。
背景技術(shù)：
1、傳統(tǒng)水下機(jī)器人普遍采用剛性結(jié)構(gòu)或單一自由度關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致運(yùn)動靈活性不足。這類機(jī)器人通常依賴螺旋槳推進(jìn)，能耗高、噪聲大，且在狹窄空間或復(fù)雜地形中轉(zhuǎn)向、制動能力受限。螳螂蝦憑借其獨(dú)特的柔性脊柱結(jié)構(gòu)和快速彈射能力，展現(xiàn)出卓越的機(jī)動性和推進(jìn)效率，是水下機(jī)器人理想的仿生對象。現(xiàn)有針對仿螳螂蝦機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其重心位置通常固定不變，無法動態(tài)調(diào)節(jié)，導(dǎo)致機(jī)器人在湍流或障礙環(huán)境中姿態(tài)調(diào)節(jié)能力弱，影響運(yùn)動精度。此外，現(xiàn)有的仿螳螂蝦機(jī)器人缺少沉浮系統(tǒng)，限制了機(jī)器人在三維空間中的靈活性和多模態(tài)運(yùn)動能力（如快速上浮/下潛、懸停等）。本發(fā)明基于上述問題，并實(shí)現(xiàn)了具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)功能，包含多功能柔性脊柱設(shè)計(jì)、沉浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)，推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明為了提升仿螳螂蝦機(jī)器人的運(yùn)動能力，提供一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，設(shè)計(jì)了具有重心調(diào)節(jié)功能的柔性脊柱、機(jī)器人沉浮系統(tǒng)以及推進(jìn)裝置。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：
3、一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，包括頭部、身體和尾部；所述頭部設(shè)置有控制硬件以及沉浮結(jié)構(gòu)。所述身體由多功能柔性脊柱以及腹足模塊組成。所述多功能柔性脊柱由轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)兩部分組成，為機(jī)器人提供轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與重心調(diào)節(jié)功能。所述多功能柔性脊柱的一端連接所述頭部，另一端連接所述尾部。所述腹足模塊包括多個沿多功能柔性脊柱依次設(shè)置的仿生腹足結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)。
4、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述多功能柔性脊柱分為轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)兩部分。兩者通過一個鋼絲橡膠管結(jié)合在一起，整體的結(jié)構(gòu)緊湊。轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)分別通過一個防水伺服電機(jī)控制。通過控制防水伺服電機(jī)的角度調(diào)整所述多功能柔性脊柱的彎曲角度以及重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)重心（質(zhì)量塊）的位置。
5、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，包括帶輪、質(zhì)量塊、鋼絲橡膠管、同步齒形帶、齒輪組以及重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。所述鋼絲橡膠管兩側(cè)分別固定有主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座，所述主動齒形帶輪基座與齒輪組固定，所述被動齒形帶輪基座固定在轉(zhuǎn)向基座上；所述主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座上分別固定有主動齒形帶輪和被動齒形帶輪，所述同步齒形帶設(shè)置在所述鋼絲橡膠管內(nèi)，張緊在兩側(cè)帶輪上，通過帶輪運(yùn)動帶動所述同步齒形帶運(yùn)動。所述質(zhì)量塊與鋼絲橡膠管內(nèi)的一側(cè)同步齒形帶固連。所述齒輪組的初始主動輪與重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)輸出端相連，齒輪組末端從動輪與主動齒形帶輪固定在一個軸上。
6、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述尾部固定在鋼絲橡膠管末端，包括扇形外殼。所述扇形外殼下方設(shè)置有重心調(diào)節(jié)所需的齒輪組和重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。所述齒輪組設(shè)置在齒輪組上固定板和齒輪組下固定板之間，所述齒輪組上固定板固定連接所述扇形外殼下端；所述齒輪組下固定板的一端固定連接所述主動齒形帶輪基座，另一端設(shè)置有重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。
7、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向基座、轉(zhuǎn)向舵盤、鋼絲繩和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)；所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)安裝在所述轉(zhuǎn)向基座上；所述轉(zhuǎn)向舵盤連接所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的輸出軸；所述鋼絲繩纏繞在所述轉(zhuǎn)向舵盤上，所述鋼絲繩的兩端依次穿過各仿生腹足結(jié)構(gòu)上設(shè)置的通孔后與尾部固定；所述尾部固定設(shè)置有兩個空心螺栓，所述鋼絲繩的端部穿過空心螺栓后與尾部固定。
8、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述仿生腹足結(jié)構(gòu)包括仿生腹足基座上部、仿生腹足基座下部和推進(jìn)裝置。所述仿生腹足基座上部與仿生腹足基座下部可拆卸連接在多功能柔性脊柱上。所述仿生腹足基座上部的左右兩側(cè)設(shè)置有用于穿過所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)鋼絲繩的通孔。所述推進(jìn)裝置成對設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端的左右兩側(cè)。
9、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述推進(jìn)裝置采用三關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，包括腹足運(yùn)動伺服電機(jī)、腹足關(guān)節(jié)和金屬合頁。所述腹足運(yùn)動伺服電機(jī)固定設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端，第一腹足關(guān)節(jié)為主動關(guān)節(jié)，所述第一腹足關(guān)節(jié)頂部的一端通過連桿與腹足運(yùn)動伺服電機(jī)的輸出軸固定連接，所述第一腹足關(guān)節(jié)頂部的另一端通過連桿可擺動地設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端，兩側(cè)連桿的擺動軸線同軸；第二、第三腹足關(guān)節(jié)為被動關(guān)節(jié)，每個腹足關(guān)節(jié)之間采用金屬合頁鉸鏈連接，通過每一腹足關(guān)節(jié)上設(shè)置的凸起限位限制金屬合頁的旋轉(zhuǎn)角度。所述腹足關(guān)節(jié)運(yùn)動角度為90度-180度。每一腹足關(guān)節(jié)的迎流面為弧形。
10、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述沉浮結(jié)構(gòu)由蠕動泵、水囊和防水艙組成。所述蠕動泵和水囊設(shè)置在所述防水艙內(nèi)部，所述蠕動泵具有兩端排水口，通過蠕動泵的正反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)水與排水的轉(zhuǎn)換。所述蠕動泵的一端排水口通過水管穿過所述防水艙與外界環(huán)境連接，所述蠕動泵的另一端排水口通過水管與水囊連接，所述蠕動泵在停止工作的時候具有止水閥的功能。
11、作為實(shí)施例的優(yōu)選，所述控制硬件包括主控、電源、運(yùn)動控制硬件與環(huán)境感知硬件，所述運(yùn)動控制硬件與環(huán)境感知硬件與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制。所述運(yùn)動控制硬件包括伺服電機(jī)驅(qū)動板和蠕動泵驅(qū)動板，所述伺服電機(jī)驅(qū)動板用于控制腹足運(yùn)動伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)和重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，所述蠕動泵驅(qū)動板用于控制蠕動泵抽排水。所述環(huán)境感知硬件包括視覺主控和數(shù)據(jù)解算板，所述視覺主控接收設(shè)置在頭部前端的視覺傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)解算板用于接收設(shè)置在頭部中的深度傳感器和姿態(tài)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
12、本發(fā)明的有益效果如下：
13、1.本發(fā)明提出將可調(diào)節(jié)重心模塊與仿生柔性脊柱相結(jié)合的新型柔性脊柱，該設(shè)計(jì)通過將重心調(diào)節(jié)模塊集成于仿生柔性脊柱內(nèi)部，采用滑動質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重心位置的動態(tài)調(diào)整，同時不影響脊柱的彎曲運(yùn)動。這種一體化設(shè)計(jì)不僅簡化了驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜性，還顯著降低了機(jī)器人的整體重量和體積，使其更適合在狹窄水下環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。
14、2.本發(fā)明基于蠕動泵在機(jī)器人頭部集成了一種小型沉浮系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有小型化、低成本和快速響應(yīng)等顯著特點(diǎn)。
15、3.本發(fā)明仿生腹足結(jié)構(gòu)采用可拆卸模塊化設(shè)計(jì)，推進(jìn)部分（腹足關(guān)節(jié)）的迎流面為弧形可以減少水流阻力，整體設(shè)計(jì)便于維修與更換。
1.一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，包括頭部、身體和尾部；所述頭部設(shè)置有控制硬件以及沉浮結(jié)構(gòu)；所述身體由多功能柔性脊柱以及腹足模塊組成；所述多功能柔性脊柱由轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)兩部分組成，為機(jī)器人提供轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與重心調(diào)節(jié)功能；所述多功能柔性脊柱的一端連接所述頭部，另一端連接所述尾部；所述腹足模塊包括多個沿多功能柔性脊柱依次設(shè)置的仿生腹足結(jié)構(gòu)，用于驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述多功能柔性脊柱分為轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)兩部分；兩者通過一個鋼絲橡膠管結(jié)合在一起，整體的結(jié)構(gòu)緊湊；轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)分別通過一個防水伺服電機(jī)控制；通過控制防水伺服電機(jī)的角度調(diào)整所述多功能柔性脊柱的彎曲角度以及重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)重心的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，包括帶輪、質(zhì)量塊、鋼絲橡膠管、同步齒形帶、齒輪組以及重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)；所述鋼絲橡膠管兩側(cè)分別固定有主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座，所述主動齒形帶輪基座與齒輪組固定，所述被動齒形帶輪基座固定在轉(zhuǎn)向基座上；所述主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座上分別固定有主動齒形帶輪和被動齒形帶輪，所述同步齒形帶設(shè)置在所述鋼絲橡膠管內(nèi)，張緊在兩側(cè)帶輪上，通過帶輪運(yùn)動帶動所述同步齒形帶運(yùn)動；所述質(zhì)量塊與鋼絲橡膠管內(nèi)的一側(cè)同步齒形帶固連；所述齒輪組的初始主動輪與重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)輸出端相連，齒輪組末端從動輪與主動齒形帶輪固定在一個軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述尾部固定在鋼絲橡膠管末端，包括扇形外殼；所述扇形外殼下方設(shè)置有重心調(diào)節(jié)所需的齒輪組和重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)；所述齒輪組設(shè)置在齒輪組上固定板和齒輪組下固定板之間，所述齒輪組上固定板固定連接所述扇形外殼下端；所述齒輪組下固定板的一端固定連接所述主動齒形帶輪基座，另一端設(shè)置有重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向基座、轉(zhuǎn)向舵盤、鋼絲繩和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)；所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)安裝在所述轉(zhuǎn)向基座上；所述轉(zhuǎn)向舵盤連接所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的輸出軸；所述鋼絲繩纏繞在所述轉(zhuǎn)向舵盤上，所述鋼絲繩的兩端依次穿過各仿生腹足結(jié)構(gòu)上設(shè)置的通孔后與尾部固定；所述尾部固定設(shè)置有兩個空心螺栓，所述鋼絲繩的端部穿過空心螺栓后與尾部固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述仿生腹足結(jié)構(gòu)包括仿生腹足基座上部、仿生腹足基座下部和推進(jìn)裝置；所述仿生腹足基座上部與仿生腹足基座下部可拆卸連接在多功能柔性脊柱上；所述仿生腹足基座上部的左右兩側(cè)設(shè)置有用于穿過所述轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)鋼絲繩的通孔；所述推進(jìn)裝置成對設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端的左右兩側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述推進(jìn)裝置采用三關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，包括腹足運(yùn)動伺服電機(jī)、腹足關(guān)節(jié)和金屬合頁；所述腹足運(yùn)動伺服電機(jī)固定設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端，第一腹足關(guān)節(jié)為主動關(guān)節(jié)，所述第一腹足關(guān)節(jié)頂部的一端通過連桿與腹足運(yùn)動伺服電機(jī)的輸出軸固定連接，所述第一腹足關(guān)節(jié)頂部的另一端通過連桿可擺動地設(shè)置在所述仿生腹足基座下部底端，兩側(cè)連桿的擺動軸線同軸；第二、第三腹足關(guān)節(jié)為被動關(guān)節(jié)，每個腹足關(guān)節(jié)之間采用金屬合頁鉸鏈連接，通過每一腹足關(guān)節(jié)上設(shè)置的凸起限位限制金屬合頁的旋轉(zhuǎn)角度；所述腹足關(guān)節(jié)運(yùn)動角度為90度-180度；每一腹足關(guān)節(jié)的迎流面為弧形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述沉浮結(jié)構(gòu)由蠕動泵、水囊和防水艙組成；所述蠕動泵和水囊設(shè)置在所述防水艙內(nèi)部，所述蠕動泵具有兩端排水口，通過蠕動泵的正反轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)水與排水的轉(zhuǎn)換；所述蠕動泵的一端排水口通過水管穿過所述防水艙與外界環(huán)境連接，所述蠕動泵的另一端排水口通過水管與水囊連接，所述蠕動泵在停止工作的時候具有止水閥的功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機(jī)器人，其特征在于，所述控制硬件包括主控、電源、運(yùn)動控制硬件與環(huán)境感知硬件，所述運(yùn)動控制硬件與環(huán)境感知硬件與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制；所述運(yùn)動控制硬件包括伺服電機(jī)驅(qū)動板和蠕動泵驅(qū)動板，所述伺服電機(jī)驅(qū)動板用于控制腹足運(yùn)動伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)伺服電機(jī)和重心調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，所述蠕動泵驅(qū)動板用于控制蠕動泵抽排水；所述環(huán)境感知硬件包括視覺主控和數(shù)據(jù)解算板，所述視覺主控接收設(shè)置在頭部前端的視覺傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)解算板用于接收設(shè)置在頭部中的深度傳感器和姿態(tài)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。