一种波动鳍推进的新型仿生两栖机器人
阅读说明：本技术 一种波动鳍推进的新型仿生两栖机器人 (Novel bionic amphibious robot propelled by wave fin ) 是由 舒雯雯 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本公开的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人,采用敞孔球壳设计,包括等差角摇杆联动装置和单向驱动的曲柄摇杆机构；等差角摇杆联动装置采用两侧对称的周期鱼鳍面,每个鱼鳍面安装有六组单向驱动的曲柄摇杆机构,所述每个鱼鳍面的任意两组单向驱动的曲柄摇杆机构的差角为60度。能够实现两栖机器人自主悬浮,驱动力大,具有高机动性,姿态形状易于控制,高隐蔽性的特点,便于执行水下的任务,解决现有鳍面两栖机器人控制复杂、驱动力小、适应性差、成本高等问题。(The novel bionic amphibious robot propelled by the wave fins adopts an open-hole spherical shell design and comprises an equal-difference angle rocker linkage device and a one-way driving crank rocker mechanism; the equal differential angle rocker linkage device adopts periodic fin surfaces which are symmetrical on two sides, each fin surface is provided with six groups of one-way driving crank rocker mechanisms, and the differential angle of any two groups of one-way driving crank rocker mechanisms on each fin surface is 60 degrees. The amphibious robot has the advantages of being capable of achieving autonomous suspension, large in driving force, high in maneuverability, easy to control posture and shape and high in concealment, facilitating underwater task execution, and solving the problems that an existing fin-surface amphibious robot is complex in control, small in driving force, poor in adaptability, high in cost and the like.)
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种波动鳍推进的新型仿生两栖机器人。
背景技术
随着陆上资源的不断枯竭以及国家海洋战略的提出，对海洋的开发利用得到更多的关注，也促进了探索海洋环境的水下机器人的发展。而仿鱼类水下机器人由于其自身优越的运动性能，已成为机器人领域研究的热点。现在大多的水下机器人都是以螺旋桨为驱动器，螺旋桨虽然容易购买而且容易控制且动力较强，但能耗高、体积大、机动性差等缺点让它难以满足人们在深海领域需要的高效率、低功耗和高机动性等需求。为了取代螺旋桨，人们开始研究仿鱼鳍驱动的机器人，这里面的机器人又分为尾鳍驱动和中央鳍驱动，尾鳍驱动和螺旋桨的驱动特点很类似，速度快但是机动性差，为了满足高机动性，必须从中央鳍入手。目前中央鳍驱动机器人主要分为记忆合金驱动、气动和电机驱动。记忆合金驱动虽然可以使鱼鳍产生想要的形状，但由于记忆合金和鳍面的连接问题，无法产生足够的推力。气动需要在机器内部放置充气泵和储气罐，占用体积大且控制较难。电机驱动常用可以控制的步进电机和舵机，电机驱动占用体积小而且可以通过电信号精确控制。而常用的电机驱动又分为多鱼鳍独立驱动和多鱼鳍联动。多鱼鳍独立驱动需要每个鱼鳍支撑杆配备一个电机，这样好处在于可以更加精准的控制水下航行器的位置和姿态，但缺点也很明显，需要很多组笨重的电机和复杂的驱动程序，而且还会增加设置防水装置的难度，除此之外大部分鱼鳍的来回摆动都需要电机的正反转来实现。
日本大阪大学2002年以乌贼作为仿生对象，设计了一套波动鱼鳍装置，该装置两侧各有15根鳍条，鳍条间以柔性材料相互连接，每个鳍条都由单独的电机控制，可以实现两侧鱼鳍任意形式的运动，并且该团队进行了浮潜和转弯实验，具有良好的机动性，参考技术文献“Toda Y,Suzuki T,Uto S,et al.Fundamental Study of a Fishlike Body withTwo Undulating SideFins[M].Bio-mechanisms of Swimming and Flying.SpringerJapan,2004”。
文献“Willy A,Low K H.Initial experimental investigation of undulatingfin[C].International Conference on Intelligent Robots and Systems.IEEE,2005:1600-1605”记载了新加坡南阳理工大学在2010年研制了一款名为RoMan-II的水下仿鱼机器人，该装置的鱼鳍由两侧6条柔性鳍组成，每个鳍条由单独的电机控制，电机控制鳍条的上下运动，鳍条带动柔性体波动，波动产生推进力，还可以实现水下滑翔运动，降低了整体的能耗，在身体不动的情况下可以实现偏转和后移运动，运动速度最高可达0.4m/s。
日本大阪大学在2015年研制了新型软体机器人，这种机器人由很大的软体结构包裹密封，软体结构既可以当作密封体，也可以用作波动推进的柔性体，该柔性体有很多个鳍条驱动，每根鳍条都有相应的驱动电机。结构灵活，可以实现鱼体自适应的变形，采用多舵机控制鳍条，可以实现高速旋转和全方位的运动，但是运动速度较低，见文献“Urai K,Sawada R,Hiasa N,et al.Design and control of a ray-mimicking soft robot basedon morphological features for adaptive deformation[J].Artificial Life&Robotics,2015,20(3):237-243”。
由技术文献“谢海斌.基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计、建模与控制[D].国防科学技术大学博士学位论文,2006”可知，国防科技大学谢海滨率先在国内将波动鳍推进模式应用于水下机器人的设计，设计了4个大的鱼鳍，每个鱼鳍柔性面由9跟等长的鱼鳍条驱动，通过多个舵机驱动控制，多鳍协作运动可增强水下推进器的稳定性和机动性。除此之外，谢海滨还对鱼鳍的波动模式进行了研究，把仿生鱼鳍的波动模式划分为固定波形模式和独立驱动模式，以运动模型来描述波动鳍的主动变形，通过仿真分析了几何参数、波动参数以及速度有关的动力学特性。
文献“孙檀,邵千钧,梁冬泰,等.仿生鳐鱼水下机器人的设计与仿真分析[J].机械制造,2018,56(09):51-55.”记载了宁波大学孙檀模仿真实鳐鱼的胸鳍形状，采用对称的设计模式，每侧胸鳍各包含6根鳍条，并且鳍条的长度自前往后依次递减。结构中，前面的底板主要是为了固定舵机，后面的底板起到固定各轴的作用；曲轴与底座连接在一起，同时底座固定在舵机上，左右两个舵机分别控制两侧的鳍条，实现舵机的转动带动曲轴的转动，进而实现鳍条的上下往复摆动，所有的鳍条连起来近似为鱼鳍的波动。
但是，现有水下仿鱼机器人及水陆两栖机器人存在以下问题：仿鱼机器人的动力来源主要分为电机驱动和智能材料驱动，以智能材料提供的驱动虽然具有噪音小、灵活小巧、结构简单的优点，但驱动力太小，不能满足水下航行器对运动速度的要求。大多数水陆两栖机器人采用两套独立的驱动机构，导致结构复杂化，控制难度高，实用性能差。大多数水陆两栖机器人采用开架式非流线型设计，容易受到水草缠绕，降低机器人使用安全性；且不能同时实现两栖环境作业，所以两栖机器人并未真正实现。目前已存在的仿波动鳍样机中，波动鳍结构中的鳍条基本是以等长或以中间鳍条对称排列来设计，采用多个舵机控制鳍面变形进而产生动力，成本较高，结构也较为复杂。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种波动鳍推进的新型仿生两栖机器人，解决现有鳍面两栖机器人控制复杂、驱动力小、适应性差、成本高等问题。
根据本公开的一方面，本发明提供一种波动鳍推进的新型仿生两栖机器人，所述两栖机器人采用敞孔球壳设计，包括等差角摇杆联动装置和单向驱动的曲柄摇杆机构；所述等差角摇杆联动装置采用两侧对称的周期鱼鳍面，每个鱼鳍面安装有六组单向驱动的曲柄摇杆机构，所述每个鱼鳍面的任意两组单向驱动的曲柄摇杆机构的差角为60度。
在一种可能的实现方式中，所述单向驱动的曲柄摇杆机构包括：75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆、左摇杆；所述75度夹角摇杆设置有1-1和1-2两个固定孔，上部摇杆的两端设有固定孔2-1和2-2，下部摇杆设置有3-1和3-2两个固定孔，左摇杆设置有6-1和6-2两个固定孔，其中，所述75度夹角摇杆的固定孔1-1和上部摇杆的固定孔2-2相配合，固定孔1-2和下部摇杆的固定孔3-2相配合；所述左摇杆的固定孔6-1和上部摇杆的固定孔2-2相配合，固定孔6-2和下部摇杆的固定孔3-1相配合。
在一种可能的实现方式中，所述75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆和左摇杆组成平行四边形。
在一种可能的实现方式中，所述单向驱动的曲柄摇杆机构还包括：摇杆驱动齿轮和固定架；
所述摇杆驱动齿轮的中间设有固定孔4-0，键槽上一次按照60度角分别设置有六个固定孔；所述六个固定孔中的任意一个与所述左摇杆的固定孔6-3相配合；
固定架上设置有5-1和5-2两个固定销，固定销5-1与设置在下部摇杆的固定孔3-3相配合，固定销5-2与摇杆驱动齿轮的固定孔4-0相配合。
在一种可能的实现方式中，针对每侧的任意相邻的两组单向驱动的曲柄摇杆机构的差角为60度，包括：相邻的两组单向驱动的曲柄摇杆机构的左摇杆的固定孔6-3分别依次与其摇杆驱动齿轮的六个固定孔相配合。
在一种可能的实现方式中，所述等差角摇杆联动装置包括电机驱动齿轮12、齿轮8、动力齿轮6和传动轴9；其中，电机驱动齿轮12和齿轮9相啮合，传动轴9用于连接所述齿轮8与动力齿轮6的轴心。
在一种可能的实现方式中，所述固定架上还设置固定销5-3，所述固定销5-3用于固定所述动力齿轮6，所述动力齿轮6和所述摇杆驱动齿轮相啮合。
本公开的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人，采用敞孔球壳设计，包括等差角摇杆联动装置和单向驱动的曲柄摇杆机构；等差角摇杆联动装置采用两侧对称的周期鱼鳍面，每个鱼鳍面安装有六组单向驱动的曲柄摇杆机构，所述每个鱼鳍面的任意两组单向驱动的曲柄摇杆机构的差角为60度。能够实现两栖机器人自主悬浮，驱动力大，具有高机动性，姿态形状易于控制，高隐蔽性的特点，便于执行水下的任务，解决现有鳍面两栖机器人控制复杂、驱动力小、适应性差、成本高等问题。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人的整体示意图；
图2示出了根据本公开一实施例的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人的仰视图；
图3示出了根据本公开一实施例的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人的半拆视角图；
图4示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的整体结构示意图；
图5示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的75度夹角摇杆结构示意图；
图6示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的上部摇杆结构示意图；
图7示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的下部摇杆结构示意图；
图8示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的左摇杆结构示意图；
图9示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的摇杆驱动齿轮结构示意图；
图10示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的固定架结构示意图；
图11示出了根据本公开一实施例的等差角摇杆联动装置的仰视图；
图12示出了根据本公开一实施例的等差角摇杆联动装置的侧视图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明针对目前现有的多鱼鳍联动机器人，多个鱼鳍由单个电机控制，水陆各具备不同的驱动装置，具有高机动性，姿态形状易于控制，高隐蔽性的特点，为了简化其结构和更加易于控制，且水陆采用一种驱动装置，能够更便捷的执行水下的任务，设计了一种基于可单向驱动的曲柄摇杆机构和等差角联动装置的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人。
图1-图3分别示出了根据本公开一实施例的波动鳍推进的新型仿生两栖机器人的整体示意图、仰视图和半拆视角图。
如图1-3所示，该波动鳍推进的新型仿生两栖球形机器人采用敞孔球壳设计，包括等差角摇杆联动装置和单向驱动的曲柄摇杆机构。等差角摇杆联动装置采用两侧对称的周期鱼鳍面，每个鱼鳍面安装有六组单向驱动的曲柄摇杆机构，每个鱼鳍面的任意两组单向驱动的曲柄摇杆机构的差角为60度，能够实现每组鱼鳍的等差相位波动和在电机不用来回转向就可以实现鱼鳍的上下往复波动。
为了鱼鳍面产生最大浮力和驱动力，鱼鳍面通常需要两个转动方向相反的活动杆进行驱动，通常情况下两个活动杆都需要对应的电机驱动，需要两套电路控制系统，但是电机的重量会影响活动杆的灵活性，而且通常电机位于两个活动杆关节处，这就要求电机的尺寸不能太大。由于每个活动杆是单独驱动的，这就意味着水中游走或者陆上行走前需要设置初始状态角度，限制该机器人的适应性，且鱼鳍的摆动需要电机来回转向，加速电机的衰老。本专利采用单向驱动的曲柄摇杆机构，可以实现在一个曲柄单向转动的情况下，实现两个鳍杆的收缩和扩张。
图4示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的整体结构示意图；图5-图10分别示出了根据本公开一实施例的单向驱动的曲柄摇杆机构的75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆、左摇杆、摇杆驱动齿轮和固定架的结构示意图。
如图4所示，单向驱动的曲柄摇杆机构由6个零件组成，包括：75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆、左摇杆、摇杆驱动齿轮和固定架。
如图5所示，75度夹角摇杆设置有1-1和1-2两个固定孔。如图6所示，上部摇杆在其左右两端分别设有固定孔2-1和2-2。如图7所示，下部摇杆的左右两端分别设有固定孔3-1和3-2，中间设有固定孔3-3。如图8所示，左摇杆一共设有三个固定孔6-1、6-2和6-3，左摇杆用于连接摇杆驱动齿轮、上部摇杆和下部摇杆。
如图4所示，75度夹角摇杆的固定孔1-1和上部摇杆的固定孔2-2相配合，固定孔1-2和下部摇杆的固定孔3-2相配合；左摇杆的固定孔6-1和上部摇杆的固定孔2-2相配合，固定孔6-2和下部摇杆的固定孔3-1相配合。通过该装配方式，75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆和左摇杆可以组成平行四边形，能够使上部摇杆和下部摇杆同步位移。
如图9所示，摇杆驱动齿轮的中间设有较大的固定孔4-0，用来传递驱动力，固定孔4-0上的键槽用来锁定方向。键槽旁边依次按照60度夹角分布4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6共六个固定孔。如图4所示，固定孔4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6用于与左摇杆的固定孔6-3配合。
如图10所示，固定架上设有三个固定销5-1、5-2和5-3，固定销5-1与设置在下部摇杆的固定孔3-3相配合，固定销5-2和/或5-3与摇杆驱动齿轮的固定孔4-0相配合，用于固定摇杆驱动齿轮，此外下面的固定销5-3还可以用于固定动力齿轮。
本公开的单向驱动的曲柄摇杆机构通过下部摇杆的固定孔3-1和3-3，以及摇杆驱动齿轮的固定孔4-1和4-0这四个固定孔的圆心构成的四边形曲柄摇杆机构，固定孔3-3和4-0由固定架进行固定。其中，摇杆驱动齿轮作为曲柄摇杆机构提供动力以驱动左摇杆和下部摇杆双向反向运动，可以避免电机来回反转的麻烦。另，还可以通过由75度夹角摇杆、上部摇杆、下部摇杆和左摇杆组成平行四边形将运动平移到75度夹角摇杆实现角度的改变，进而实现一侧鱼鳍的两个鳍面反向转动(下部摇杆和75度夹角摇杆对应的两个鳍面)，避免了使用反向转动电机或舵机转向实现鳍面反向转动的复杂结构。
已有机器人每个鱼鳍摆动摇杆都需要分配舵机(电机)进行控制和驱动，这虽然能更全面的控制机器人的整体姿态，但会导致机体整体偏重，且小型舵机提供的动力有限，除此之外，还需要给所有鱼鳍驱动摇杆设置初始角度，成本高、结构也复杂。因此，本公开设计了一种等差角摇杆联动装置，可以使每组单向驱动的曲柄摇杆机构以固定的相位差运动。
图11和图12分别示出了根据本公开一实施例的等差角摇杆联动装置的仰视图和侧视图。
由于等差角摇杆联动装置采用两侧对称的周期鱼鳍面，每个鱼鳍面安装有六组单向驱动的曲柄摇杆机构，为了方便描述，以等差角摇杆联动装置的单侧鱼鳍面为例进行说明。
如图11-12所示，等差角摇杆联动装置包括电机驱动齿轮12、齿轮8、动力齿轮6和传动轴9；其中，电机驱动齿轮12和齿轮8相啮合，传动轴9用于连接齿轮8与动力齿轮6的轴心，动力齿轮由带键槽的传动轴8进行固定和驱动。
相对于上面的单向驱动的曲柄摇杆机构，等差角摇杆联动装置需要在图10的固定销5-3的位置处添加动力齿轮，即在每个鱼鳍面的六组单向驱动的曲柄摇杆机构的固定销5-3的位置处分别添加动力齿轮构成。通过动力齿轮和摇杆驱动齿轮相啮合啮合，电机驱动齿轮12通过齿轮8、传动轴9、动力齿轮6和摇杆驱动齿轮以向曲柄摇杆机构提供单向运动的驱动力。
针对每一侧鱼鳍面的六组单向驱动的曲柄摇杆机构，任意相邻的两组单向驱动的曲柄摇杆机构的左摇杆的固定孔6-3分别依次与其摇杆驱动齿轮的六个固定孔4-1、4-2、4-3、4-4、4-5和4-6相配合。例如，第一组曲柄摇杆机构的左摇杆的固定孔6-3与固定孔4-1对应配合，第二组曲柄摇杆机构的左摇杆的固定孔6-3与固定孔4-2对应配合，…，第六组曲柄摇杆机构的左摇杆的固定孔6-3与固定孔4-6对应配合，当然这只是一种实施方式，本公开不仅仅限于此安装方式。这样就可以使得每组曲柄摇杆机构满足60度的相位差，通过电机驱动齿轮12通过齿轮8、传动轴9、动力齿轮6和摇杆驱动齿轮能够驱动曲柄摇杆机构进行等位差运动。
每侧鱼鳍面的6组曲柄摇杆机构之间通过柔性面连接，这样在等差角联动时形成波动面，从而像鳐鱼的两侧的鱼鳍一样进行摆动。通过等差角摇杆联动装置可以使每组摆动杆以固定的相位差运动并能够保证足够的驱动力，克服了现有机器人每个鱼鳍摆动杆都需要分配舵机进行控制和驱动所导致的驱动力有限和相位差难以控制的问题。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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