本發(fā)明屬于仿生水下機器人領(lǐng)域，特別是一種基于軟體驅(qū)動器的仿水母水下機器人。

背景技術(shù)：

水下推進技術(shù)在海上運輸方面占據(jù)很重要的地位，而目前最主要的水下推進技術(shù)仍以螺旋槳推進為主。傳統(tǒng)的螺旋槳推進技術(shù)具有推進效率低，噪音大，能源利用率低等明顯的缺點。為了克服螺旋槳式水下推進的缺點，仿生水下推進技術(shù)正在成為近年來人們研究的熱點。水下生物經(jīng)過數(shù)億年的進化，已具備了低耗能，高效率等能力。水下生物的驅(qū)動模式大致可分為三類：身體/尾鰭驅(qū)動模式(bca)，中間/對鰭驅(qū)動模式(mpa)，噴射推進模式(jet)。尾鰭驅(qū)動模式推進效率高，但其機動性差。對鰭驅(qū)動模式機動性好但推進效率較低。而噴射推進模式機動性與推進效率都比較高。水母是運用噴射推進裝置的典型代表，所以國內(nèi)外針對水母的游動特點研制出多款仿生機器水母。

申請?zhí)枮?01410403989.0發(fā)明名稱為“一種并聯(lián)機械手臂驅(qū)動的仿生水母機器人”的專利，他提出了一種采用電機作為驅(qū)動本體，通過帶動并聯(lián)機械手臂來模擬水母的收縮與舒張的過程，由于采用連桿機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且并無換向功能，其機動性較差。

申請?zhí)枮?01410583170.7發(fā)明名稱為“內(nèi)嵌式柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿水母水下推進裝置”的專利，它提出了一種以柔性壓電纖維復(fù)合材料作為驅(qū)動，通過給壓電材料供斷電，來實現(xiàn)觸手的收縮與舒張。由于其采用壓電材料，其變形量有限，且智能材料的機理研究有待完善，驅(qū)動力無法達到實用級別。

目前，仿生水下推進裝置主要有采用電機驅(qū)動剛性機械結(jié)構(gòu)和電控柔性智能材料兩種。采用電機驅(qū)動特定的機械結(jié)構(gòu)的仿生水下推進裝置，其特點主要有高驅(qū)動力，但由于其剛性結(jié)構(gòu)的限制，運動副的位置受到剛性結(jié)構(gòu)件的制約，載荷突變易造成構(gòu)件損壞，整個裝置的尺寸也受到電機及剛性結(jié)構(gòu)件的尺寸和重量的限制。采用智能材料驅(qū)動的仿生水下推進裝置，可控參數(shù)多，但驅(qū)動力不足，且需要復(fù)雜的驅(qū)動電路，當(dāng)驅(qū)動力需求較大時，智能材料的形變無法達到要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種基于軟體驅(qū)動器的仿水母水下機器人，解決了現(xiàn)有仿生水母機器人存在負載能力較弱、控制系統(tǒng)復(fù)雜、運動效率低、轉(zhuǎn)向不靈活等問題。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于軟體驅(qū)動器的仿水母水下機器人，包括上端的密封艙、下端的固定裝置，以及控制單元、軟體推進單元；所述密封艙與固定裝置固接；所述軟體推進單元包括軟體觸手和與軟體觸手相連的管道；所述軟體觸手的數(shù)量為n(n≥3)，均勻固定安裝在固定裝置上端的一周，作為整個機器人的柔性驅(qū)動器；所述控制單元，用于控制經(jīng)管道對軟體觸手提供或切斷有壓力的流體，以使單個或多個軟體觸手產(chǎn)生變形以使整個機器人產(chǎn)生變向或運動。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過軟體觸手模擬水母的觸手舒展與收縮，軟體觸手變形幅度大，驅(qū)動力強，效率高，仿生效果明顯。

(2)本發(fā)明的轉(zhuǎn)向靈活度極高，可控制任意單個或多個觸手彎曲直至達到目標(biāo)角度。

(3)本發(fā)明的密封艙處為中空結(jié)構(gòu)，可為整個機器人提供較大浮力。

(4)本機器人可在底部載物板處搭載小型機械手爪等，集成夾持采樣功能等各種水下作業(yè)模塊；在密封艙內(nèi)安裝攝像頭用于水下拍照取樣等，用途廣泛，兼容性好。

(5)本發(fā)明的機器人相比于采用電機驅(qū)動驅(qū)動的水下推進裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，柔性大的優(yōu)點；且相比于采用智能材料驅(qū)動的水下裝置，具有電路簡單，控制系統(tǒng)方便等優(yōu)點。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的整體外觀俯視圖。

圖3為本發(fā)明軟體推進單元收攏(軟體觸手伸張)狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為軟體觸手自然狀態(tài)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為軟體觸手伸張狀態(tài)剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了說明本發(fā)明的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。

結(jié)合圖1-圖3，本發(fā)明的一種基于軟體驅(qū)動器的仿水母水下機器人，包括上端的密封艙、下端的固定裝置，以及控制單元、軟體推進單元；所述密封艙與固定裝置固接；所述軟體推進單元包括軟體觸手11和與軟體觸手11相連的管道10；所述軟體觸手11的數(shù)量為n(n≥3)，均勻固定安裝在固定裝置上端的一周，作為整個機器人的柔性驅(qū)動器；所述控制單元，用于控制經(jīng)管道10對軟體觸手11提供或切斷有壓力的流體，以使單個或多個軟體觸手11產(chǎn)生變形以使整個機器人產(chǎn)生變向或運動。

進一步的，所述密封艙包括密封蓋1、固定板5；所述密封蓋1與固定板5固接；密封蓋1為半球形結(jié)構(gòu)，固定板5為圓盤結(jié)構(gòu)，密封蓋1與固定板5之間形成中空的密封艙，可對安裝在其內(nèi)的電器起到防水保護作用，且也可為整個機器人提供較大浮力；密封蓋1與固定板5之間采用膠粘及密封圈密封。

進一步的，所述密封艙內(nèi)還安裝有攝像頭2，以便對機器人的水下工作狀態(tài)實時監(jiān)控或水下場景進行錄像。

所述固定裝置包括上端的支撐板12、下端的載物板14，所述支撐板12與載物板14固接；支撐板12的上端與固定板5固接；

優(yōu)選的，所述支撐板12為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，軟體觸手11均勻安裝在支撐板12的一周；支撐板12也可根據(jù)軟體觸手11的數(shù)量設(shè)置為多邊形腔體或其他形狀的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，為了便于安裝和拆卸方便，所述支撐板12為l形回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，固定板5和支撐板12之間通過雙頭螺栓8進行固定，以限制固定板5與支撐板12之間的相對轉(zhuǎn)動；同時固定板5下端設(shè)有環(huán)形凹槽，支撐板12上端安裝在固定板5下端的凹槽內(nèi)，以限制支撐板12的徑向移動；

進一步的，所述軟體觸手11與支撐板12相連端為l形結(jié)構(gòu)，l形結(jié)構(gòu)安裝在支撐板12外側(cè)和固定板5之間的環(huán)形圓槽內(nèi)，并通過圓形外殼9或環(huán)形卡箍緊固。

所述控制單元包括電源3、控制器4、多通接頭6、直流潛水泵15；所電源3、控制器4均安裝在密封艙內(nèi)；所述多通接頭6安裝在支撐板12內(nèi)，多通接頭6與管道10和直流潛水泵15相連；所述直流潛水泵15固定安裝在載物板14內(nèi)側(cè)；電源3于控制器4相連，控制器4與直流潛水泵15相連；優(yōu)選的，所述控制器14為單片機，管道10為軟管；直流潛水泵15的數(shù)量小于或等于軟體觸手11的數(shù)量；通過控制器4，單個直流潛水泵15單獨控制單個軟體觸手11的工作，也可同時控制多個單個軟體觸手11的工作。

結(jié)合圖4、圖5，進一步的，所述軟體觸手11包括上端的柔性拉伸層16和下端的不可拉伸層17；所述柔性拉伸層16延其伸長方向間隔設(shè)置有m(m≥3)個空腔，所述空間之間設(shè)有連通的通道；柔性拉伸層16上端設(shè)置間隙將空腔之間進行分隔，同時間隙也為空腔的變形和柔性拉伸層16拉伸留有空間；空腔由于內(nèi)部壓力大于外部壓力會膨脹產(chǎn)生大變形，每相鄰的兩個空腔由于產(chǎn)生橫向的大變形，所以橫向之間相互擠壓使得柔性拉伸層16在橫向有較大變形，而不可拉伸層17基本不產(chǎn)生變形，由于兩者的變形差使得軟體觸手11整體產(chǎn)生向下彎曲的效果。

上述空腔截面可選矩形、半圓形、弓形、橢圓、半橢圓等。

進一步的，所述柔性拉伸層16的空腔的橫向壁厚(伸長方向)要薄于縱向壁厚，當(dāng)有壓力的流體通入空腔時，空腔由于內(nèi)部壓力大于外部壓力會膨脹產(chǎn)生大變形，由于空腔的橫向壁厚薄于縱向壁厚，所以空腔變形時會在橫向產(chǎn)生較大的變形，每相鄰的兩個空腔橫向之間相互擠壓使得柔性拉伸層16在橫向有較大變形，產(chǎn)生類似于拉伸效果。

進一步的，柔性拉伸層16的材料為可產(chǎn)生塑性變形的彈性材料，如硅橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯橡膠、乳膠等，邵氏硬度為10-30。

進一步的，軟體觸手11的制作過程為：將上述柔性拉伸層16通過模具澆筑而成，再將柔性拉伸層16置于不可拉伸層17的澆筑模具上，通過澆筑不可拉伸層17，使得不可拉伸層17與柔性臂上層16融合。

本發(fā)明的一種基于軟體驅(qū)動器的仿水母水下機器人，基于軟體驅(qū)動器執(zhí)行仿生動作，通過控制器4控制直流潛水泵15與電源3之間的通斷，當(dāng)水泵15與電源3通路時，電源3供電，直流潛水泵1將外界的水吸入增壓輸出，便產(chǎn)生有壓力的流體，流體充入軟體觸手11，軟體觸手11內(nèi)部的空腔膨脹，多個空腔之間相互擠壓，產(chǎn)生整體彎曲的變形，通過軟體觸手11的變形來模擬水母觸手的彎曲。

觸手舒張工作過程：

在舒張階段，控制器4控制電源3與直流潛水泵15斷路，此時直流潛水泵15處于停機狀態(tài)，內(nèi)部并無有壓力的流體，此時軟體觸手11內(nèi)部也無有壓力的流體與外部流體壓力持平，軟體觸手11此時處于常態(tài)即原始形狀，但由于自重會有少許的彎曲。而機器人由于配重略重于水，當(dāng)其置于水中時處于緩慢下沉狀態(tài)。

機器人前進過程：

在收縮階段，控制器4控制使電源3與直流潛水泵15通路，此時直流潛水泵15處于工作狀態(tài)，直流潛水泵15將外部流體加壓吸入，在直流潛水泵15內(nèi)部形成有壓力的流體，直流潛水泵15將有壓力的流體注入軟體觸手11，軟體觸手11內(nèi)部的空腔膨脹，多個空腔之間相互擠壓，產(chǎn)生整體向下彎曲的變形；多個軟體觸手111同時向下彎曲來模擬水母的傘狀體收攏狀態(tài)；此時軟體觸手11下方的水被軟體觸手11向下方擠壓，從而形成向后的水流使機器人向前推進。

機器人轉(zhuǎn)向過程：

當(dāng)機器人需要轉(zhuǎn)向時，控制器4控制其中單個直流潛水泵15向與轉(zhuǎn)向方向相反的軟體觸手11中注入有壓力的流體，則該軟體觸手11彎曲產(chǎn)生向下的水流使得水下機器人的一側(cè)受到向前的力，則機器人的軀干轉(zhuǎn)向方向傾斜，角度可達360度即繞自身一周，本機器人的轉(zhuǎn)向方式極其靈活，可控制任意單個或多個軟體觸手11彎曲直至目標(biāo)角度。

重復(fù)軟體觸手11的舒張和收縮即可實現(xiàn)水下推進裝置的連續(xù)前行。本發(fā)明通過軟體觸手11模擬水母的觸手舒展與收縮，軟體觸手變形幅度大，驅(qū)動力強，效率高，仿生效果明顯；可控制任意單個或多個觸手彎曲直至達到目標(biāo)角度，轉(zhuǎn)向靈活度極高；在密封艙內(nèi)安裝攝像頭用于水下拍照取樣，也可在載物板14處搭載小型機械手爪等，用途廣泛，兼容性好。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。