專利名稱：一種仿生海龜水下機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及的是一種仿生水下機器人，具體地說是一種仿海龜運動的自主式水下機 器人。
(二)
背景技術(shù)：
隨著陸地不可再生資源的日漸枯竭，海洋因其蘊藏著豐富的生物及礦產(chǎn)資源，已成為人 類可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富和最后空間。水下機器人是人類開發(fā)利用海洋資源的重要工具，其 大致可分為,(ROV: Remotely Operated Vehicle)、 AUV (AUV: Autonomous Underwater Vehicle)和仿生水下機器人三類，ROV和AUV在狹義概念上指采用傳統(tǒng)推進(螺旋槳)方式 的水下機器人，仿生水下機器人是指基于仿生原理、采用非傳統(tǒng)推進方式的水下機器人。
經(jīng)歷長時間優(yōu)勝劣汰后的海洋生物在游動及姿態(tài)控制等方面的能力是目前基于傳統(tǒng)推進 與操縱系統(tǒng)的水下機器人所無法比擬的，仿生水下機器人已成為水下機器人領(lǐng)域研究的重要 內(nèi)容之一。生物水中推進方式主要有擺動法、劃動法、水翼法和噴射法四種，當(dāng)前水下仿生 推進技術(shù)研究熱點，主要集中在仿魚擺動法推進技術(shù)，已取得很好的研究成果，而對以海龜 前肢運動為代表的水翼法推進方式研究較少。所謂水翼法推進，就是某些水生動物，如海龜 等，它們在游動時，翼狀的前肢在水中上下拍動，使水產(chǎn)生反作用力推動它們前進的游動方 法，猶如飛鳥在空中拍動翅膀飛行一樣，因此它們的流線型運動器官也叫做水翼(引自欽俊 德院士主編《動物的運動》，清華大學(xué)出版社)。這種推進方式具有靈活性好和噪聲低的突出 特點，姿態(tài)控制方式獨特。上海交通大學(xué)曾申請過一個名為《水陸兩棲仿生機器龜》的實用 新型專利，專利申請?zhí)枮?00310108109.9。他們的機器龜以兩棲淡水龜為研究對象，其四 肢結(jié)構(gòu)完全相同、對稱分布、功能單一，以單電機通過間歇齒輪組及連桿機構(gòu)實現(xiàn)單肢的機 械運動。此機器龜?shù)倪\動為固定周期的機械式劃動，具有不可調(diào)性，且無法實現(xiàn)升沉運動。 我們的實用新型是以海龜為研究對象，單肢的雙電機的耦合驅(qū)動使前后肢功能分明、動作可 調(diào)。前肢以海龜水翼法游動為運動模型，可為機器人提供各個方向的主動力；后肢以海龜后 肢擺動為運動模型，具有平衡舵和輔助推進功能。每個電機自由可調(diào)，使前后肢可隨時改變 運動方式，實現(xiàn)機器人水中的靈活三維運動和適應(yīng)不同的水況環(huán)境。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種能夠自主靈活航行、能耗低、低噪聲、運動范圍大的仿 海龜運動的仿生海龜水下機器人。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它包括海龜狀流線型外殼、安裝在海龜狀流線型外殼頭肩部的傳感測試單元、胸部的控制驅(qū)動單元、腹部的電源儲備單元、尾部的通信系統(tǒng)單元 以及前肢運動單元和后肢運動單元。頭部流線型外殼以法蘭方式與本體實現(xiàn)靜密封連接，尾 部天線通過防水電連接器頭式實現(xiàn)拆裝方便的螺旋靜密封連接，傳感測試單元連接控制驅(qū)動 單元，控制驅(qū)動單元連接通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，電源儲備單元連 接傳感測試單元、控制驅(qū)動單元、通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，傳感測 試單元由聲吶探測器、水下攝像頭、多束光源組成，控制驅(qū)動單元由執(zhí)行級控制器和協(xié)調(diào)級 控制器組成，電源儲備單元包括電機驅(qū)動供電模塊和控制器供電模塊，通信系統(tǒng)單元由通信 系統(tǒng)模塊和外部天線組成。
本實用新型還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征
1、 所述的前肢運動單元包括對稱安裝在機器人前部左右兩側(cè)的兩套相同的前肢運動機 構(gòu)，以左側(cè)一套為例，它由前肢板l、連接件25、錐齒輪副2、小軸承3、小軸4、電機軸套 5、小軸承26、密封件6、密封件7、軸承8、電機套筒9、直齒輪10、直齒輪24、直齒輪軸 23、伺服電機12和伺服電機22組成，伺服電機12固定封閉在電機套筒9內(nèi)，其輸出軸套入 電機軸套5內(nèi)；而電機軸套5的前端經(jīng)過小軸承26的定位后從電機套筒9內(nèi)伸出，密封件7 套在電機軸套5的伸出部分，鑲嵌在電機套筒9上；錐齒輪副2中的一個錐齒輪安裝在電機 軸套5的最前端，而另一個則安裝在小軸4上；小軸4則通過兩個小軸承3與電機套筒9活 動連接，前肢板1經(jīng)過兩個連接件25固定在小軸4上；伺服電機22固定在機器人內(nèi)部，其 輸出軸套入直齒輪軸23內(nèi)；直齒輪24安裝在直齒輪軸23上，直齒輪10安裝在電機套筒9 上，兩齒輪嚙合；兩個軸承8安裝在電機套筒9上，密封件6套在電機套筒9上，鑲嵌在外 殼21上；
2、 所述的后肢運動單元包括對稱安裝在機器人后部左右兩側(cè)的兩套相同的后肢運動機 構(gòu)，以右側(cè)一套為例，它由后肢板15、連接件33、密封件34、電機筒29、電機筒前蓋35、 小軸承36、電機軸套37、實轉(zhuǎn)軸30、空心轉(zhuǎn)軸38、軸承31、軸承39、密封件32、密封件 40、同步齒形輪16、同步齒形輪14、齒形帶28、大電機軸套27、伺服電機17和伺服電機 41組成，伺服電機41固定封閉在電機筒29內(nèi)，其輸出軸套入電機軸套37內(nèi)；電機軸套37 的前端經(jīng)過小軸承36的定位后伸出電機筒前蓋35;電機筒前蓋35與電機筒29密封固定； 密封件34套在電機軸套37的伸出部分，鑲嵌在電機筒前蓋35上；連接件33安裝在電機套 筒37的最前端，且與后肢板15固連；電機筒29的上下兩端分別同軸裝有實轉(zhuǎn)軸30和空心 轉(zhuǎn)軸38，且它們分別用軸承31和軸承39在外殼21上定位；密封件32和密封件40鑲嵌在 外殼21上，再分別套在實轉(zhuǎn)軸30和空心轉(zhuǎn)軸38上；空心轉(zhuǎn)軸38為空心軸，實轉(zhuǎn)軸30的上 端裝有同歩齒形輪16，且通過齒形帶28與同步齒形輪14連接，同步齒形輪14安裝在大電機軸套27上，大電機軸套27安裝在伺服電機17上。
本實用新型海龜機器人的每個單肢均有兩個電機耦合，有兩個自由度。前肢既能作繞小 軸4軸線的拍水運動，又可作繞電機套筒9軸線的旋轉(zhuǎn)運動。后肢既可作繞電機筒29軸線的 旋轉(zhuǎn)運動，又可作繞實轉(zhuǎn)軸30軸線的劃水運動。這是我們從仿生角度出發(fā)，采用的最接近海 龜運動的機構(gòu)方案，前肢的運動模仿海龜前肢的水翼法游動，后肢則模仿海龜后肢作為平衡 舵和輔助劃水前進。前后肢形狀均模仿海龜生物原型，采用流線型橫截面，力求符合水動力 學(xué)原理。機器人在旋轉(zhuǎn)輸出部分均采用骨架油封動密封方式，防止水流從旋轉(zhuǎn)縫隙中流入機 器人內(nèi)部。
本實用新型各單元之間聯(lián)系緊密、錯落有致，充分利用了機器人內(nèi)部空間，模擬了海龜 的體態(tài)特性。本實用新型的優(yōu)點在于提供了一種基于仿生原理的新型自主式水下機器人， 此機器人結(jié)構(gòu)緊湊、體小質(zhì)輕、易于制造，完全模仿海龜?shù)乃矸ㄓ蝿臃绞?，可自主調(diào)節(jié)各 電機的運轉(zhuǎn)方向、角度、速度，以完成在水下的前進、轉(zhuǎn)向、升沉等基本動作；在其傳感器 和控制計算機的協(xié)調(diào)下，還可進行水下自主航行和數(shù)據(jù)采集等作業(yè)；同時可實時接受上位機 的控制信號。另外，機器人外殼21既是內(nèi)部模塊的安裝載體，又為整個機器人提供保護，外 形上還兼顧水動力學(xué)和仿生學(xué)原理。機器人的具體運動形式將在本文第五部分進行描述。
本實用新型以海龜為生物原型，研發(fā)了一種自主式的仿生海龜機器人，擬研究水下載體 的水翼法推進機理和操縱方式，對水下機器人推進方式進行新的嘗試。對于研究新的水下機 器人驅(qū)動方式，研究微小型模塊化結(jié)構(gòu)，降低噪聲，提高水下機器人的機動性和隱形性，實 現(xiàn)自主式航行，提高水下機器人與上位機通信穩(wěn)定性，應(yīng)用水下機器人完成探測作業(yè)等任務(wù)， 都具有重要的理論研究意義和探索價值。
實用新型人通過相關(guān)實驗，對真實海龜進行了實地觀測，積累了大量實體運動影像資料， 運用影像剖析和數(shù)學(xué)解析等方法對生物原型及其運動器官進行了系統(tǒng)研究，基本掌握了水翼 法推進方式的運動機理和海龜游動的動作要領(lǐng)，研制了這種仿生海龜機器人。通過研發(fā)此機 器人，有望對水翼法推進這種重要的水中推進方式的推進性能和操縱性能進行系統(tǒng)研究，這 對于水下航行體的降低能耗、提高推進效率、擴大運動范圍、開拓水下探測方式等都有著重 要的探索價值。另外，研發(fā)此機器人，模擬海龜原型的運動特征，有助于促進海龜生物的研 究，在動物形態(tài)學(xué)和動物行為學(xué)研究方面也有著應(yīng)用價值。

圖1-圖2是本實用新型仿生海龜機器人的總體外觀圖3是本實用新型仿生海龜機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4是本實用新型仿生海龜機器人的前肢機構(gòu)圖；圖5是本實用新型仿生海龜機器人的后肢機構(gòu)圖； 圖6-圖9是本實用新型仿生海龜機器人的電機控制器圖； 圖10-圖12是本實用新型仿生海龜機器人的協(xié)調(diào)控制器圖； 圖13是本實用新型仿生海龜機器人的控制系統(tǒng)示意圖。 具體實施方式
以下結(jié)合附圖舉例對本實用新型做更詳細(xì)的描述
實施例h (附圖中的一些虛線框可以作為一個元件進行標(biāo)注并描述，并且交代一下這些 元件或單元是現(xiàn)有技術(shù)中可以有很多方法來解決的，否則可能被認(rèn)為是公開不充分。)
結(jié)合圖1-圖5，本實施例包括海龜狀流線型外殼、安裝在海龜狀流線型外殼前面頭肩部 的傳感測試單元、前面胸部的控制驅(qū)動單元、下面腹部的電源儲備單元、后面尾部的通信系 統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，傳感測試單元由聲吶探測器、水下攝像頭、多束 光源組成，控制驅(qū)動單元由執(zhí)行級和協(xié)調(diào)級兩部分控制器組成，電源儲備單元包括電機驅(qū)動
供電模塊和控制器供電模塊，通信系統(tǒng)單元由通信系統(tǒng)模塊和外部天線組成。流線型外殼21
即仿造海龜殼體形狀而設(shè)計的機器人流線型外殼，既為減小機器人水阻力而考慮又為機器人 內(nèi)部部件安裝提供了載體。
結(jié)合圖3中的圖框11及機器人雙肩的圖框部分，所述頭肩部的傳感測試單元由聲吶探測
器、水下攝像頭、多束光源及其相關(guān)電路等組成。它安裝在機器人頭部和肩部，有廣闊的作 用范圍，為機器人獲取外部信息，進行避障和水下拍攝等作業(yè)。
結(jié)合圖3中的圖框13部分，所述胸部的控制驅(qū)動單元由執(zhí)行級和協(xié)調(diào)級兩部分控制器組 成。執(zhí)行級控制器包括電機驅(qū)動器和電機控制器，電機控制器采用成熟的AVR技術(shù)，其主要 構(gòu)成圖見圖6-圖9，用以完成本體運動單元(單肢)的驅(qū)動和控制，協(xié)調(diào)級控制器采用成熟 的DSP技術(shù)，其主要構(gòu)成圖見圖10-圖12，用以按照海龜生物原型各種游動姿態(tài)協(xié)調(diào)各肢運 動，以實現(xiàn)相應(yīng)的本體運動。海龜機器人的電機需要運轉(zhuǎn)，就必須有專用的電機驅(qū)動器以及 完成單肢運動控制的電機控制器。作為一個自主的水下機器人，海龜機器人也必須擁有協(xié)調(diào) 級控制器，將獲取的外部信息融合后轉(zhuǎn)換成指令，控制各電機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自主航行。本實用 新型控制系統(tǒng)示意圖見圖13，控制系統(tǒng)采用堆棧式安裝。
結(jié)合圖3中的圖框20部分，所述腹部的電源儲備單元，選用常用的鋰電池，它為其他單 元提供電力支持，是整個機器人的能源倉庫，它分成兩個部分， 一部分為電機驅(qū)動供電，一 部分為控制器供電，分開供電保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。考慮到電源模塊重量較大， 將它放置在機器人腹部，以調(diào)整整個機器人的重心，用以模擬真實海龜?shù)捏w態(tài)特征。
結(jié)合圖3中的框圖19和外部天線18部分，所述尾部的通信系統(tǒng)單元，它由通信系統(tǒng)模塊和外部天線18組成。不論是海龜機器人將采集的數(shù)據(jù)傳回上位機，還是上位機向機器人發(fā) 布命令，都需要通信系統(tǒng)使機器人和上位機進行實時的信息交換，因此我們充分利用機器人 尾部的較小空間安裝通信系統(tǒng)模塊，并且在海龜尾巴位置安裝了外部天線18，以保持機器人 在一定水深的通信順暢。
結(jié)合圖3和圖4，所述前肢運動單元，即對稱安裝在機器人前部左右兩側(cè)的兩套相同的 前肢運動機構(gòu)，現(xiàn)取其中的左側(cè)一套進行連接描述。它由前肢板l、連接件25、錐齒輪副2、 小軸承3、小軸4、電機軸套5、小軸承26、密封件6、密封件7、軸承8、電機套筒9、直齒 輪10、直齒輪24、直齒輪軸23、伺服電機12和伺服電機22等組成。伺服電機12固定封閉 在電機套筒9內(nèi)，其輸出軸則套入電機軸套5內(nèi)，而電機軸套5的前端經(jīng)過小軸承26的定位 后從電機套筒9內(nèi)伸出。密封件7采用骨架油封動密封方式，套在電機軸套5的伸出部分， 鑲嵌在電機套筒9上。錐齒輪副2中的一個錐齒輪安裝在電機軸套5的最前端，而另一個則 安裝在小軸4上。小軸4則通過兩個小軸承3與電機套筒9活動連接。前肢板l經(jīng)過兩個連 接件25也固定在小軸4上，這樣電機12輸出的旋轉(zhuǎn)運動最終傳遞到了前肢板1上。伺服電 機22固定在機器人內(nèi)部，其輸出軸則套入直齒輪軸23內(nèi)。而直齒輪24安裝在直齒輪軸23 上，直齒輪10安裝在電機套筒9上，兩齒輪正確嚙合，又有兩個軸承8安裝在電機套筒9上， 因此電機22的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過這對直齒輪副，將傳遞到電機套筒9上，最終帶動前肢板l -同 旋轉(zhuǎn)。密封件6也采用骨架油封動密封方式，套在電機套筒9上，鑲嵌在外殼21上，防止水 流進入機器人內(nèi)部。
結(jié)合圖3和圖5，所述后肢運動單元，即對稱安裝在機器人后部左右兩側(cè)的兩套相同的
后肢運動機構(gòu)，現(xiàn)取其中的右側(cè)一套進行連接描述。它由后肢板15、連接件33、密封件34、
電機筒29、電機筒前蓋35、小軸承36、電機軸套37、實轉(zhuǎn)軸30、空心轉(zhuǎn)軸38、軸承31、
軸承39、密封件32、密封件40、同步齒形輪16、同步齒形輪14、齒形帶28、大電機軸套
27、伺服電機17和伺服電機41等組成。伺服電機41固定封閉在電機筒29內(nèi)，其輸出軸則
套入電機軸套37內(nèi)，而電機軸套37的前端經(jīng)過小軸承36的定位后伸出電機筒前蓋35。電
機筒前蓋35與電機筒29密封固定。密封件34采用骨架油封動密封方式，套在電機軸套37
的伸出部分，鑲嵌在電機筒前蓋35上。連接件33安裝在電機套筒37的最前端，且與后肢板
15固連，這樣就把電機41的旋轉(zhuǎn)運動傳遞給了后肢板15。電機筒29的上下兩端分別同軸裝
有實轉(zhuǎn)軸30和空心轉(zhuǎn)軸38，且它們分別用軸承31和軸承39在外殼21上定位。密封件32
和密封件40也都采用骨架油封動密封方式，鑲嵌在外殼21上，再分別套在實轉(zhuǎn)軸30和空心
轉(zhuǎn)軸38上，防止水流進入機器人內(nèi)部?？招霓D(zhuǎn)軸38采用空心軸形式，既是為了讓電機41的
線路通過，又可將電機筒29內(nèi)可能滲入的積水及時排出，保護電機。實轉(zhuǎn)軸30的上端裝有同步齒形輪16，且通過齒形帶28與同步齒形輪14形成一個完整的同步齒形帶傳動機構(gòu)。同 步齒形輪14安裝在大電機軸套27上，而大電機軸套27則安裝在伺服電機17上。這樣電機 17的旋轉(zhuǎn)運動便通過同步齒形帶傳動機構(gòu)傳遞給了電機筒29，也使得后肢板14跟隨電機筒 29 —起做旋轉(zhuǎn)運動。
實用新型人在進行了大量的生物觀察試驗后發(fā)現(xiàn)，海龜有三種基本的運動形式水平直 線運動、升沉運動和轉(zhuǎn)向運動。因此，本實用新型海龜機器人根據(jù)生物原型的運動特點設(shè)計 了三種運動方案。結(jié)合圖3、圖4、圖5，本水平直線運動實施方案是前肢進行水翼法游動； 而后肢在直線運動啟動時進行輔助劃水，啟動結(jié)束后則保持水平滑翔。以左側(cè)前肢為例，前 肢水翼法游動的執(zhí)行方案是在圖示位置時，電機22順時針啟動，通過直齒輪副的轉(zhuǎn)動將旋 轉(zhuǎn)傳遞到電機套筒9上。電機套筒9則帶動前肢板1開始一起繞其軸線(圖上己標(biāo))逆時針 旋轉(zhuǎn)。電機22轉(zhuǎn)動一定角度后停止，前肢板l從圖示狀態(tài)逆時針轉(zhuǎn)動到與紙面成一定角度， 即猶如海龜前肢的前緣下沉。此時電機12順時針啟動，通過錐齒輪副2使得時前肢板1開始 做繞小軸4軸線(圖上己標(biāo))的旋轉(zhuǎn)運動，這樣就形成了前肢板l向后下方的對水拍動。這 就相當(dāng)于海龜?shù)那爸谶\動時，首先將前緣下沉，然后向后下方拍動，使水產(chǎn)生向前上方的 反作用力一樣。當(dāng)前肢板1拍動到后下端與殼體21近似平行時，電機12即停止，此時猶如 海龜前肢拍動到最下端時緊貼身體。緊接著電機22逆時針啟動，轉(zhuǎn)動它第一次轉(zhuǎn)動時的雙倍 角度后停止，使前肢板l從剛才的后下端轉(zhuǎn)到前下端，即從前緣下沉狀態(tài)轉(zhuǎn)為前緣上翹狀態(tài)， 電機12再逆時針啟動。這個過程猶如海龜前肢拍動到最下端時，先改前緣下沉為前緣上翹， 再向后上方拍動，以獲得向前下方的反作用力，來保持前進方向受力的連續(xù)性。當(dāng)前肢板
拍動到后上端時與殼體21再次近似平行時，電機12停止，然后電機22再順時針轉(zhuǎn)動，將前 肢板l轉(zhuǎn)到前上端，準(zhǔn)備再次向后下方拍水。下面各電機又按上述順序往復(fù)啟、停，以實現(xiàn) 前肢板1往復(fù)地向后下方和后上方拍水，使海龜機器人獲得幾乎不間斷的向前分力。整個運 動過程猶如海龜前肢拍動到末端時及時改變前緣上翹、下沉狀態(tài)，再反向拍動，以獲得連續(xù) 的向前分力一樣。前肢運動單元有兩套對稱的前肢運動機構(gòu)，上述左側(cè)機構(gòu)完成的動作，右 側(cè)機構(gòu)同樣可以完成。左右機構(gòu)的同時運行便完成了本機器人仿海龜前肢的水翼法游動。以 右側(cè)后肢為例，后肢在機器人直線運動啟動時的輔助劃水方案是在圖示位置時，伺服電機 17首先逆時針啟動，通過同步齒形帶使得實轉(zhuǎn)軸30跟隨做逆時針轉(zhuǎn)動。因為實轉(zhuǎn)軸30與電 機筒29固連，此時電機筒29及后肢板15開始繞實轉(zhuǎn)軸30的軸線(圖上己標(biāo))做逆時針旋 轉(zhuǎn)，將后肢板15前送至劃水起點，猶如海龜后肢準(zhǔn)備劃水前的后肢前伸。當(dāng)后肢板15轉(zhuǎn)到 最前端時，電機17停止，電機41順時針啟動，使后肢板15開始前緣下沉。電機41旋轉(zhuǎn)90 °后停止，后肢板15從圖2所示平行于紙面狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直于紙面狀態(tài)，即如海龜?shù)暮笾珡乃綘顟B(tài)翻轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)，準(zhǔn)備以最大迎水面積劃水。接著電機17順時針啟動運行，運行速度 較逆時針時快，后肢板15則以最大迎水面積開始快速劃水，使機器人得到一個向前的反作用 分力，如同海龜后肢的劃水推進。當(dāng)電機17轉(zhuǎn)動90。后停止，后肢板15到達劃水終點位置， 電機41再逆時針啟動，使得后肢板14重新回到水平狀態(tài)。此后電機17逆時針轉(zhuǎn)動，將后肢 板15以最小的迎水面積慢速送回至劃水起點，完成一個劃水周期，仿佛海龜后肢劃水完成后 再平行于水面前送至劃水起點。下面各電機又按上述步驟周期運行，完成后肢板15的周期性 劃水動作。因為后肢板15是以最大迎水面積向后劃水，以最小迎水面積回程，且劃水速度大 于回程速度，所以它在此階段所受向前的反作用力大于向后的水阻力。左右兩套后肢機構(gòu)同 時運動，就像海龜兩后肢向后劃水一般，給機器人以向前推力。當(dāng)機器人達到一定航速時， 控制器將改變后肢狀態(tài)為水平滑翔狀態(tài)，具體執(zhí)行方案是電機41將后肢板15從當(dāng)時狀態(tài) 轉(zhuǎn)回水平位置，電機17再將后肢板15送至其劃水終點，即到達身體的最后端，然后保持不 變。左右兩后肢板在機器人水平直線運動穩(wěn)定后，即保持如此滑翔姿態(tài)，與海龜在水平游動 時將后肢保持在身體后端水平滑翔如出一轍。 實施例2:
結(jié)合圖3、圖4、圖5，本實施例仿生海龜機器人的基本結(jié)構(gòu)同實施例1，升沉運動在水 平直線運動的基礎(chǔ)上進行轉(zhuǎn)換，其實施方案是前肢進行不對稱的水翼法游動；而后肢保持一
定偏角的滑翔狀態(tài)。以機器人上升游動為例，前肢不對稱水翼法游動的執(zhí)行方案是根據(jù)上
段所述水翼法中各電機的運行順序，當(dāng)前肢板1前緣下沉拍動到后下端時，電機22繼續(xù)順時 針啟動，轉(zhuǎn)動180°將前肢板1轉(zhuǎn)到其運動的前上端。然后電機12啟動，仍舊進行向后下方 拍水，而省略了前肢的向后上方拍水，這相當(dāng)于一個不對稱的水翼法游動周期。下面各電機 又按上述步驟運行，使前肢板1只進行向后下方的拍動，而不進行向后上方的拍動，這樣就 使得機器人只受到向前上方的反作用力，而不受向下的分力，推動機器人上升游動。而后肢
在機器人上升游動時的偏角滑翔狀態(tài)的實施方案是當(dāng)協(xié)調(diào)級控制器給出上升命令時，后肢
應(yīng)處于水平滑翔狀態(tài)。以右后肢為例，電機41首先逆時針轉(zhuǎn)動，使得后肢板15的前緣上翹。 接著電機17逆時針，將后肢板15從身體最后端轉(zhuǎn)回大約圖2所示位置，此時后肢板15將與 機器人前進方向成一銳角，就會受到來流對后肢板15向斜后上方的作用力。因為左右后肢是 對稱的，所以此作用力中只有向后和向上的分力對機器人起作用。此后各電機將保持不動， 使后肢板15保持此偏角滑翔狀態(tài)。這樣從整體上來看，機器人前后肢都只受向上的分力，而 沒有向下分力，也就實現(xiàn)了機器人的上升游動。機器人的下沉游動與此道理相同，只是前后 肢的轉(zhuǎn)動角度有所改變而己。 實施例3:結(jié)合圖3、圖4、圖5，本實施例仿生海龜機器人的基本結(jié)構(gòu)同實施例1，轉(zhuǎn)向運動亦在 水平直線運動的基礎(chǔ)上進行轉(zhuǎn)換，其實施方案是在允許大轉(zhuǎn)彎半徑時，前肢繼續(xù)進行水翼 法游動，后肢充當(dāng)轉(zhuǎn)向舵；而需要小轉(zhuǎn)彎半徑時，前肢則進行單肢水翼法游動，后肢充當(dāng)轉(zhuǎn) 向舵。前肢的水翼法游動見上所述；而后肢的轉(zhuǎn)向舵作用，以右后肢為例，其具體實施方案 是以水平直線前進時的滑翔狀態(tài)為初始位置，當(dāng)需要右拐時，電機41順時針旋轉(zhuǎn)90°后 停止，使得后肢板15從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)。接著電機17逆時針啟動，使得后肢板15從 最后端向右轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度視情況而定。這和船舶的舵翼在船舶需要右拐時向右偏轉(zhuǎn)一定角 度是同一道理。后肢板15將保持這種右偏狀態(tài)，直至右轉(zhuǎn)完成，再重新回到水平滑翔狀態(tài)。
與此同時，左后肢將不再與右后肢作對稱運動，而僅僅將后肢板從水平狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)， 仍舊保持在身體最后端。待右轉(zhuǎn)過程完成后，左側(cè)后肢板亦重新轉(zhuǎn)回水平滑翔狀態(tài)，整個機 器人則開始在新的航向上進行水平直線前進。而當(dāng)機器人需要左轉(zhuǎn)時，原理與上相同，此時 左后肢充當(dāng)左偏舵，右后肢則保持在身體最后端。若機器人需要較小轉(zhuǎn)彎半徑右拐時，協(xié)調(diào)
級控制器可命令右前肢停止運動，保持圖3所示的滑翔狀態(tài)，讓左前肢進行單肢水翼游動；
同時后肢仍起右拐轉(zhuǎn)向舵的作用。如此，機器人不但有后肢作為右拐轉(zhuǎn)向舵，還有前肢提供 差動轉(zhuǎn)向，使機器人獲得較小的右拐轉(zhuǎn)彎半徑。急速左拐運動，道理與此相同。
以上即是本海龜機器人從模仿生物原型角度出發(fā)而設(shè)定的幾種基礎(chǔ)運動方案，達到了運 動仿生的目的。其中各電機具體的運行速度、角度等都要視當(dāng)時需求而定。當(dāng)然，作為一個 自主的水下機器人，本海龜機器人并不限定在以上的既定動作內(nèi)，它可根據(jù)控制器和上位機 的控制命令，調(diào)整四肢的運動形式，完成其他功能動作。這就是本機器人最大的優(yōu)點，各電 機的自由運轉(zhuǎn)、互不干涉，控制器的快速決策和與上位機的實時通信，使得機器人可根據(jù)具 體水況和任務(wù)而進行實時動作調(diào)整。
權(quán)利要求1、一種仿生海龜水下機器人，它包括海龜狀流線型外殼，其特征在于它還包括安裝在海龜狀流線型外殼前面頭肩部的傳感測試單元、前面胸部的控制驅(qū)動單元、下面腹部的電源儲備單元、后面尾部的通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，頭部以法蘭方式與本體靜密封連接，尾部天線通過防水電連接器頭方式與本體的螺旋靜密封連接，傳感測試單元連接控制驅(qū)動單元，控制驅(qū)動單元連接通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，電源儲備單元連接傳感測試單元、控制驅(qū)動單元、通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，傳感測試單元由聲吶探測器、水下攝像頭、多束光源組成，控制驅(qū)動單元由執(zhí)行級控制器和協(xié)調(diào)級控制器組成，電源儲備單元包括電機驅(qū)動供電模塊和控制器供電模塊，通信系統(tǒng)單元由通信系統(tǒng)模塊和外部天線組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生海龜水下機器人，其特征在于所述的前肢運動單元包括對 稱安裝在機器人前部左右兩側(cè)的兩套相同的前肢運動機構(gòu)，左前肢運動機構(gòu)由前肢板(l)、 連接件(25)、錐齒輪副(2)、小軸承(3)、小軸(4)、電機軸套(5)、小軸承(26)、密封件(6)、 密封件(7)、軸承(8)、電機套筒(9)、直齒輪(IO)、直齒輪(24)、直齒輪軸(23)、伺服電 機(12)和伺服電機(22)組成，伺服電機(12)固定封閉在電機套筒(9)內(nèi)，其輸出軸套入電 機軸套(5)內(nèi)；而電機軸套(5)的前端經(jīng)過小軸承(26)的定位后從電機套筒(9)內(nèi)伸出，密 封件( )套在電機軸套(5)的伸出部分，鑲嵌在電機套筒(9)上；錐齒輪副(2)中的一個錐齒 輪安裝在電機軸套(5)的最前端，而另一個則安裝在小軸(4)上；小軸(4)則通過兩個小軸 承(3)與電機套筒(9)活動連接，前肢板(1)經(jīng)過兩個連接件(25)固定在小軸(4)上；伺服電 機(22)固定在機器人內(nèi)部，其輸出軸套入直齒輪軸(23)內(nèi)；直齒輪(24)安裝在直齒輪軸(23) 上，直齒輪(10)安裝在電機套筒(9)上，兩齒輪嚙合；兩個軸承(8)安裝在電機套筒(9)上， 密封件(6)套在電機套筒(9)上，鑲嵌在外殼(21)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種仿生海龜水下機器人，其特征在于所述的后肢運動單元包 括對稱安裝在機器人后部左右兩側(cè)的兩套相同的后肢運動機構(gòu)，右一側(cè)的后肢運動機構(gòu)由 后肢板(15)、連接件(33)、密封件(34)、電機筒(29)、電機筒前蓋(35)、小軸承(36)、電 機軸套(37)、實轉(zhuǎn)軸(30)、空心轉(zhuǎn)軸(38)、軸承(31)、軸承(39)、密封件(32)、密封件(40)、 同歩齒形輪(16)、同步齒形輪(14)、齒形帶(28)、大電機軸套(27)、伺服電機(17)和伺服 電機(41)組成，伺服電機(41)固定封閉在電機筒(29)內(nèi)，其輸出軸套入電機軸套(37)內(nèi)； 電機軸套(37)的前端經(jīng)過小軸承(36)的定位后伸出電機筒前蓋(35);電機筒前蓋(35)與電 機筒(29)密封固定；密封件(34)套在電機軸套(37)的伸出部分，鑲嵌在電機筒前蓋(35) 上；連接件(33)安裝在電機套筒(37)的最前端，且與后肢板(15)固連；電機筒(29)的上下兩端分別同軸裝有實轉(zhuǎn)軸(30)和空心轉(zhuǎn)軸(38)，且它們分別用軸承(31)和軸承(39)在外殼(21)上定位；密封件(32)和密封件(40)鑲嵌在外殼(21)上，再分別套在實轉(zhuǎn)軸(30)和空心 轉(zhuǎn)軸(38)上；空心轉(zhuǎn)軸(38)為空心軸，實轉(zhuǎn)軸(30)的上端裝有同步齒形輪(16)，且通過齒 形帶(28)與同步齒形輪(14)連接，同步齒形輪(14)安裝在大電機軸套(27)上，大電機軸套 (27)安裝在伺服電機(17)上。
專利摘要本實用新型提供了一種仿生海龜水下機器人，它包括海龜狀流線型外殼、安裝在海龜狀流線型外殼頭肩部的傳感測試單元、胸部的控制驅(qū)動單元、腹部的電源儲備單元、尾部的通信系統(tǒng)單元以及前肢運動單元和后肢運動單元，傳感測試單元由聲吶探測器、水下攝像頭、多束光源組成，控制驅(qū)動單元由執(zhí)行級控制器和協(xié)調(diào)級控制器組成，電源儲備單元包括電機驅(qū)動供電模塊和控制器供電模塊，通信系統(tǒng)單元由通信系統(tǒng)模塊和外部天線組成。本實用新型具有自主靈活、能耗低、低噪聲、運動范圍大等優(yōu)點。
文檔編號B63H1/36GK201143991SQ20072011613
公開日2008年11月5日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者儲定慧, 劉曉白, 張銘鈞, 王玉甲, 范大勇, 趙文德 申請人:哈爾濱工程大學(xué)