本發(fā)明屬于水下仿生機器人領(lǐng)域，具體涉及一種帶翻滾裝置的水下仿生雙鰭機器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的不斷進步，水下機器人在海洋探測、資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。由于魚類通過擺動身體和身體上的鰭片進行游動，展現(xiàn)出高效的推進能力和優(yōu)良的機動性能。仿生魚形機器人通過模擬魚類的游動方式，可以在復(fù)雜的水下環(huán)境中靈活穿梭，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

2、目前，大多數(shù)的仿生魚形機器人，雖然可以實現(xiàn)高速高機動性的游動動作，但是幾乎都缺乏可以水平翻滾的能力，這對機器人在水下進行水平狹窄空間任務(wù)執(zhí)行的時候造成嚴重制約。即使少部分機器魚可以通過一對胸鰭的拍打來實現(xiàn)后空翻動作，但這在穿越狹窄空間下仍無法進行有效翻滾。

3、翻車鲀作為一種并不常見的海洋魚類，擁有一個巨大的背鰭和一個巨大的臀鰭，它們依靠控制雙鰭的擺動來實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)彎、上升下潛、水平翻滾。然而，現(xiàn)有以翻車鲀?yōu)樵驮O(shè)計的雙鰭機器人在某些特定情況下（如進行翻滾或特定姿態(tài)調(diào)整時）仍存在控制難度大、動作不夠靈活等問題。因此，在雙鰭機器人的基礎(chǔ)上增加翻滾功能，以提升其在水下運動的靈活性和控制精度，對推動仿生機器人的應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過為水下仿生雙鰭機器人增加翻滾裝置，實現(xiàn)機器人翻滾運動和運動姿態(tài)變換，以完成更復(fù)雜、更靈活的水下運動，滿足多樣化應(yīng)用的目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

2、一種帶翻滾裝置的水下仿生雙鰭機器人，包括外殼、雙鰭模塊、傳動模塊、控制系統(tǒng)和翻滾模塊，所述雙鰭模塊對稱安裝于殼體外側(cè)的上下兩端，控制系統(tǒng)通過翻滾模塊使機器人重心偏移，并通過傳動模塊控制雙鰭模塊進行偏置中位相反的上下雙鰭的反向擺動，配合翻滾模塊進行使機器人上下翻滾。

3、進一步地，所述傳動模塊包括上傳動軸、下傳動軸和平傳動軸，所述雙鰭模塊包括上鰭子模塊和下鰭子模塊，所述翻滾模塊包括行星輪、太陽輪、齒輪圈；上傳動軸與上鰭子模塊連接，下傳動軸與下鰭子模塊連接，太陽輪與平傳動軸通過聯(lián)軸器剛性連接，并與環(huán)繞器周圍的一組行星輪嚙合，一組行星輪與齒輪圈內(nèi)嚙合，行星輪由密度較大的金屬材料制成，具有較大的重量，且為單數(shù)均勻排布于太陽輪外圍，從而在保證機器人穩(wěn)定狀態(tài)的同時，通過稍加便宜便能改變機器人重心，太陽輪、行星輪和齒輪圈的齒數(shù)比為18:31:81，齒輪圈與翻滾模塊下殼過盈配合；上下傳動軸與殼體之間防水措施包括兩層油封，并在中間填充防水材料。

4、進一步地，所述翻滾模塊還包括行星架，行星架與行星輪通過軸承滑動連接，使得三個行星輪之間的距離保持相對穩(wěn)定。

5、進一步地，所述殼體包括對稱設(shè)置的包括上殼體、下殼體及設(shè)置于上、下殼體之間的翻滾模塊防水殼，所述上殼體包括平上齒輪圈槽、平上翻滾電機槽、平上平軸承槽，所述下殼體包括平下齒圈槽、平下翻滾電機槽、平下平軸承槽；所述翻滾模塊防水殼包括前防水蓋、后防水蓋；所述傳動模塊包括平油封、平軸承；

6、所述平上齒輪圈槽和平下齒輪圈槽構(gòu)成的齒輪圈槽用于固定翻滾模塊防水殼進而固定翻滾模塊；所述平上翻滾電機槽和平下翻滾電機槽構(gòu)成的翻滾電機槽用于固定翻滾電機；由平傳動軸通過平軸承支撐連接平上平軸承槽和平下平軸承槽；

7、所述前防水蓋設(shè)有與電機殼一致的防水結(jié)構(gòu)，用于固定平油封、平傳動軸和平軸承；所述齒輪圈與后防水蓋過盈配合，平傳動軸穿過前防水蓋和平軸承為翻滾模塊提供偏轉(zhuǎn)動力。

8、翻滾模塊外殼與上下殼體花鍵配合，從而固定翻滾模塊的齒輪，軸承支撐水平傳動軸，水平傳動軸與太陽輪通過成型連接，是整個翻滾模塊的動力源。

9、進一步地，所述上鰭子模塊包括上鰭固定部分、上鰭活動部分，所述下鰭子模塊包括下鰭固定部分、下鰭活動部分，為更換鰭提供了更加快捷便利的方式通時減少對軸的磨損，延長了整機的壽命；所述傳動模塊還包括上外油封、上內(nèi)油封、下外油封、下內(nèi)油封、上軸承、下軸承；

10、所述上鰭固定部分與上鰭活動部分通過螺栓連接組合成為一個完整的鰭，所述上鰭固定部分的孔與上傳動軸配合設(shè)置，上傳動軸通過固定在上軸承限位槽的上軸承從殼體內(nèi)部穿出，并且穿過固定在上外油封槽內(nèi)的上外油封，上傳動軸另一端在殼體內(nèi)部穿過上內(nèi)油封的端面固定在電機一端，從而使電機傳遞的扭矩通過傳動軸傳遞到雙鰭模塊；傳動軸另一段端呈半圓形，用于定位安裝上下鰭固定部分，并由螺栓固定，傳動軸末端與電機表面成型連接并通過螺栓連接，傳動軸的材料為6061鋁，該材料密度相對小，防銹效果強；

11、所述下鰭固定部分與下鰭活動部分通過螺栓連接組合成為一個完整的鰭，所述下鰭固定部分的孔與下傳動軸配合設(shè)置，下傳動軸通過固定在下軸承限位槽的下軸承從殼體內(nèi)部穿出，并且穿過固定在下外油封槽內(nèi)的下外油封，下傳動軸另一端在殼體內(nèi)部穿過下內(nèi)油封的端面固定在電機另一端。

12、進一步地，所述殼體包括對稱設(shè)置的包括上殼體、下殼體及設(shè)置于上、下殼體之間的電機殼，所述電機殼包括上電機殼和下電機殼；殼體由樹脂通過3d打印形成，上下對稱、左右對稱，為順利翻滾提供機械結(jié)構(gòu)條件；

13、所述上殼體包括上電機槽、上軸承槽、上軸承限位槽、上外油封槽，所述下殼體包括下電機槽、下軸承槽、下軸承限位槽、下外油封槽；

14、所述上電機殼包括上電機上殼、上電機下殼，所述下電機殼包括下電機上殼和下電機下殼，上電機上殼包括上油封槽、上上花鍵、上內(nèi)o型橡膠圈槽、上外o型橡膠圈槽、上電機定位銷、上傳動軸孔，所述上電機下殼包括上過線槽孔、上止口槽、上下花鍵；所述上電機上殼通過上電機定位銷定位電機，并在上電機下殼的底部用螺絲連接電機，上電機上殼的外壁通過裝在上內(nèi)o型橡膠圈槽的o型橡膠圈與電機下殼擠壓配合，并且上電機上殼與上止口槽貼合，上傳動軸通過上傳動軸孔和上內(nèi)油封穿出上電機上殼，o型橡膠圈套在上外o型橡膠圈槽并擠壓上電機槽形成軸向密封，為電機提供防水環(huán)境；所述上電機槽通過上上花鍵與上下花鍵和上電機上殼與上電機下殼連接，并加以螺栓固定。

15、電機由電機殼防護，電機電源數(shù)據(jù)線通過過線槽孔進入電機殼內(nèi)部與電機相連，電機與殼體通過花鍵相互配合固定，并通過螺栓固定。

16、電機殼的防水措施包括上下殼擠壓的雙o型橡膠圈，上電機殼與上殼體擠壓的o型橡膠圈，過線孔處和上下蓋貼合處填充防水材料。

17、進一步地，所述殼體包括對稱設(shè)置的包括上殼體、下殼體及設(shè)置于上、下殼體之間的電池殼，所述上殼體包括平上電池槽，所述下殼體包括平下電池槽；所述電池殼包括電池上殼、電池下殼；平上電池槽與平下電池槽構(gòu)成的電池槽用于固定內(nèi)部電池。

18、一種帶翻滾裝置的水下仿生雙鰭機器人的控制方法，通過控制系統(tǒng)控制翻滾模塊轉(zhuǎn)動，使機器人重心偏移，并控制傳動模塊，使雙鰭模塊的偏置中位相反的上下鰭反向擺動，配合翻滾模塊進行使機器人上下翻滾，翻滾后，停止翻滾模塊轉(zhuǎn)動，以使機器人重心平穩(wěn)，同時雙鰭模塊回到零度偏置中位。

19、進一步地，具體包括如下步驟：

20、步驟1：將機器人入水，處于輕微正浮力狀態(tài)；

21、步驟2：通過控制系統(tǒng)控制雙鰭模塊初始化，使上下鰭處于零度中位位置；

22、步驟3：當整體處于平衡狀態(tài)時，控制系統(tǒng)控制傳動模塊驅(qū)動雙鰭模塊的上下鰭在零度偏置中位、同頻率、同方向（即相位差為0度）擺動，此時機器人整體為直線運動狀態(tài)，且保持豎直狀態(tài)；

23、步驟4：當機器人進行翻滾動作時，控制系統(tǒng)控制翻滾模塊進行順時針（或逆時針）轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動方向即控制機器人整體的翻滾方向，翻滾模塊的運行使原本位于機器人左右對稱中心偏下位置的重心往左上方（或右上方）偏移，從豎直狀態(tài)逐漸向水平面一側(cè)傾斜；

24、步驟5：同時，控制系統(tǒng)控制雙鰭模塊的上下鰭中位偏置為相反的角度，兩個鰭反向擺動，這使得機器人在兩個鰭的水平方向產(chǎn)生向外側(cè)的拉力，加速機器人由豎直狀態(tài)向水平方向傾斜的速度，可輔助機器人完成翻滾動作；

25、步驟6：機器人在完成翻滾動作后（即由原來的豎直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)90度，變成水平狀態(tài)），停止翻滾模塊轉(zhuǎn)動，并使其保持重心平衡位置（即由原來的0度位置旋轉(zhuǎn)90度），同時，雙鰭模塊恢復(fù)零度偏置中位、同頻率、同方向擺動，使機器人保持現(xiàn)有運動姿態(tài)。

26、進一步地，所述步驟5中，上下鰭的中位偏置角度相反，雙鰭反向擺動的相位差為180度。

27、本發(fā)明的優(yōu)勢和有益效果在于：

28、本發(fā)明的水下仿生機器人，以翻車鲀?yōu)榉律?，采用上下對稱、左右對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其整體重量分布均勻且對稱，為實現(xiàn)翻滾動作創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)條件，并且機器人整體為紡錘形，具有流線外形，減少了來自前端水流的沖擊，具有良好的水動力特性；本發(fā)明的水下仿生機器人雙鰭模塊和翻滾裝置采用電機直連的方式，可以實現(xiàn)較大范圍的擺動頻率、擺動幅度，并可實時調(diào)整擺動相位和偏置中位，這對實現(xiàn)翻滾動作創(chuàng)造了控制條件，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，實現(xiàn)了機器人的輕量化和小型化，減少了機器人系統(tǒng)復(fù)雜度；本發(fā)明的水下仿生機器人，通過在雙鰭機器人的基礎(chǔ)上增加翻滾裝置，使翻滾裝置與雙鰭裝置配合運動，可實現(xiàn)穩(wěn)定的翻滾動作和運動姿態(tài)切換，擴展了機器人的應(yīng)用場景，為機器人的多運動模態(tài)提供了技術(shù)支撐。