仿生蝠鲼机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及仿生蝠鲼机器人。

背景技术：

仿生机器人是仿生学与机器人学交叉结合的产物，是利用生物系统结构、性状、原理、行为以及相互作用来启发与指导机器人的研制。是一个包含机械、电气、光等各种元器件的综合机器人系统，不仅在运动机理和感知模式等方面体现了生物的形态特征，而且能够在未知环境下准确而高效的完成特定的复杂任务。因此开展仿生机器人领域的研究，将使人类利用科技改造自然的能力得到极大的提高，给人类社会的发展带来巨大的经济效益。随着机器人技术及生物学的发展，仿生机器人技术也得到了长足的发展。

蝠鲼身体扁平，体呈菱形，体长可达8米，体重可达1吨以上。蝠鲼具有强大的胸鳍，通过胸鳍的波动运动来产生前进的推力。蝠鲼不仅拥有高效的巡游性能，其机动性也非常强，可以快速灵活地实现原地转向。仿生蝠鲼机器人是基于蝠鲼生物原型，模仿蝠鲼柔性胸鳍的运动特性的机器人。这种机器人动力驱动系统模仿蝠鲼胸鳍能在水中完成波动或振荡拍打运动，从而为机器人提供前进的动力。例如，中国专利cn102923286a公开了一种基于智能材料ipmc的仿蝠鲼水下航行器，中国专利cn209142363u公开了模拟胸鳍系统以及仿生水下机器人，中国专利cn209905021u公开了仿蝠鲼的水陆两栖水下机器人。蝠鲼机器人灵活性高，可操纵性强，同时还具备高隐蔽性，能很好地融入环境，对周围环境影响小。该类机器人在容纳摄像头、传感器等探测设备下，能够在远程、狭窄等水域进行独立自主作业，实现水下高隐蔽性的侦察、探测工作。

现有的仿生蝠鲼机器人不足之处主要在于，在运动过程中对机器人俯仰角的调节较为缓慢或困难。目前，这类机器人主要是通过浮力调节机构或者尾舵对机器人的俯仰角进行调节，进而实现上浮、下潜运动能力，但浮力调节机构体积较大，对机器人俯仰角控制缓慢，而通过尾舵控制机器人的俯仰角会影响机器人的整体水动力，对机器人运动控制系统要求较高，较难实现机器人俯仰角调整。同时，机器人在水底要受较大的浮力作用，很难产生胸鳍与水底地面的摩擦力，故现有的仿生蝠鲼机器人，甚至是可以在地面爬行的两栖机器人都不能够通过胸鳍摆动实现水底爬行。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供仿生蝠鲼机器人，该机器人可快速调节机器人的俯仰角，以实现机器人上浮下潜运动，增强了机器人的机动性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种仿生蝠鲼机器人，包括躯干，两个胸鳍，以及驱动所述胸鳍摆动的胸鳍驱动机构，以所述躯干长度方向为横向、宽度方向为纵向、高度方向为竖向，两个所述胸鳍分设于所述躯干的纵向两侧，所述躯干还安装有两个螺旋桨，所述螺旋桨安装有可驱动螺旋桨双向转动的螺旋桨驱动机构，所述螺旋桨的转轴沿竖向设置，且所述螺旋桨的转轴所在直线与所述躯干的横向中心线相交。

作为优选，两个所述螺旋桨相对于所述躯干纵向中心线所在竖向平面对称设置。

作为优选，所述躯干开设有两个导流道，两个所述螺旋桨分别安装于两个所述导流道内，所述导流道的中轴线沿竖向设置且与所述躯干的横向中心线相交。

作为优选，以所述躯干横向两端分别作为所述躯干的头部和尾部，两个所述导流道分别靠近所述头部和尾部设置。

作为优选，所述胸鳍驱动机构包括用于带动所述胸鳍摆动的驱动单元和胸鳍驱动控制单元；所述胸鳍驱动控制单元用于控制所述驱动单元，以带动所述胸鳍在所述躯干下方绕竖向的摆动中心线摆动，或在所述躯干两侧绕纵向的摆动中心线摆动。

作为优选，所述胸鳍设为柔性胸鳍，所述胸鳍包括柔性鳍皮，以及沿所述柔性鳍皮远离所述躯干一侧的外缘线设置的鳍足；所述鳍足设为波浪形曲线结构，所述鳍足表面密布倒刺结构。

作为优选，所述驱动单元包括连接所述胸鳍的鳍条，以及驱动所述鳍条转动的伺服电机，所述鳍条两端分别固定连接所述鳍足和所述伺服电机驱动轴，所述驱动轴中轴线横向设置，所述鳍条垂直于所述驱动轴中轴线设置；每个所述胸鳍上均设有多个沿横向排列的所述鳍条，靠近所述胸鳍横向两端设置的所述鳍条长度短于同一所述胸鳍上其他鳍条的长度，所述伺服电机与所述鳍条一一对应设置，所述伺服电机固定安装于所述躯干，所述胸鳍驱动控制单元包括控制多个所述伺服电机转动的电机控制器。

作为优选，两个所述胸鳍上安装的所述鳍条相对所述躯干横向中心线所在竖向平面对称设置。

作为优选，所述鳍条与所述鳍足的连接端设有用于卡接所述鳍足的环形卡槽，所述鳍条还开设有用于插设所述柔性鳍皮的长型槽，所述环形卡槽与所述长型槽连通，所述鳍足设为具有弹性的柔性支撑结构，所述柔性鳍皮设为柔性薄膜结构。

作为优选，所述鳍条设为刚性支撑结构。

作为优选，所述长型槽胶接所述柔性鳍皮，所述环形卡槽胶接所述鳍足。

作为优选，所述躯干包括躯干壳体，所述伺服电机固定安装于所述躯干壳体内，所述躯干壳体开设有用于穿设所述鳍条且不阻碍鳍条摆动的通道口，所述通道口与所述鳍条一一对应设置。

作为优选，所述躯干壳体由顶盖和底盖拼接构成，所述躯干壳体内安装有用于安装供电电池的电池仓，用于安装电子元件的电子仓，安装有摄像机的摄像仓，以及用于调节机器人的浮力与重力平衡的调平部件；所述电池仓、电子仓和所述摄像仓均设为防水舱体，所述调平部件用于使机器人的浮心和重心都位于所述躯干横向中心线附近且浮心要高于重心，所述调平部件设为配重块或浮块。

作为优选，所述摄像仓包括中轴线沿竖向设置的筒体，以及分别安装于所述筒体两端的两个透明球罩，所述摄像舱安装于所述躯干中央，所述躯干壳体开设有可穿设所述筒体的中央通孔，所述筒体密封连接所述中央通孔，两个所述透明球罩设于所述躯干壳体外。

作为优选，所述躯干壳体内设有用于固定安装所述电池舱和所述电子仓的第一安装支架，所述电池仓和所述电子仓分设于所述摄像仓的横向两侧，所述躯干壳体的头部和尾部分别内设有一个调平部件，两个所述螺旋桨分别靠近两个所述调平部件设置。

作为优选，所述电子仓内安装有所述胸鳍驱动控制单元和控制所述螺旋桨转动的螺旋桨控制器，所述电池仓电连接所述伺服电机、所述螺旋桨驱动机构、所述胸鳍驱动控制单元和所述螺旋桨控制器。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：提供了仿生蝠鲼机器人，该机器人可快速调节机器人的俯仰角，以实现机器人上浮下潜运动，增强了机器人的机动性。具体而言：

(1)该机器人除了具有一对胸鳍提供驱动动力外，还具有两个螺旋桨作为辅助动力，通过两个螺旋桨转动可快速地产生俯仰倾覆力矩用于调节机器人的俯仰角，灵活快速地控制机器人上浮下潜运动，提高了机器人运动的灵敏性。

(2)优选方案中，所述胸鳍驱动机构可驱动胸鳍立于水底地面上摆动时，可配合两个螺旋桨产生的下推力，使胸鳍对海底产生一定的压力，从而利用胸鳍与地面的摩擦力作为动力，实现海底蜿蜒爬行。

附图说明

图1为本实施例的仿生蝠鲼机器人水下游动状态的结构示意图；

图2为本实施例的仿生蝠鲼机器人的内部结构示意图；

图3为本实施例的仿生蝠鲼机器人水底爬行状态的结构示意图；

图4为本实施例的仿生蝠鲼机器的底盖结构示意图；

图5为本实施例的仿生蝠鲼机器的鳍条结构示意图；

图6为本实施例的仿生蝠鲼机器的鳍足局部结构示意图；

图7为本实施例的仿生蝠鲼机器的摄像仓分解图；

图8为本实施例的仿生蝠鲼机器的电机基座结构示意图；

1-躯干，11-底盖，111-长条型支架，112-安装支架，113-导流道，114-中央通孔，115-通道口，12-顶盖，13-伺服电机，14-基座，15-电池仓，16-电子仓，17-摄像仓，171-透明球罩，172-筒体，18-调平部件，2-螺旋桨，3-胸鳍，31-鳍条，311-环形卡槽，312-长型槽，32-柔性鳍皮，33-鳍足，331-倒刺结构。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至8所示，一种仿生蝠鲼机器人，包括躯干1，两个胸鳍3，以及驱动所述胸鳍3摆动的胸鳍驱动机构，以所述躯干1长度方向为横向、宽度方向为纵向、高度方向为竖向，两个所述胸鳍3分设于所述躯干1的纵向两侧，所述躯干1还安装有两个螺旋桨2，所述螺旋桨2安装有可驱动螺旋桨2双向转动的螺旋桨驱动机构，所述螺旋桨2的转轴沿竖向设置，且所述螺旋桨2的转轴所在直线与所述躯干1的横向中心线相交。

上述机器人在水下游动过程中除了由胸鳍驱动机构驱动胸鳍3摆动提供运动动力外，两个螺旋桨2也可作为辅助动力，通过两个螺旋桨2转动可快速地产生俯仰倾覆力矩用于调节机器人的俯仰角，实现机器人上浮下潜运动，增强了机器人的机动性。具体的，所述机器人在水下游动过程可简述为：如图1所示，机器人在水下游动时，胸鳍3在胸鳍驱动机构驱动下绕纵向的摆动中心线摆动以拍打水体，胸鳍驱动机构控制两侧胸鳍3以相同速度摆动时可实现前进运动；当两侧胸鳍以不相速度摆动时可实现转向运动。以机器人前进方向作为前方，将两个螺旋桨2区别为前螺旋桨和后螺旋桨。当螺旋桨驱动机构驱动前螺旋桨旋转产生向上的推力，后螺旋桨旋转产生向下的推力时，躯干1在两个螺旋桨2作用下快速产生仰角，此时两侧胸鳍3以相同速度摆动，机器人可快速实现上浮运动；同理，当螺旋桨驱动机构驱动前螺旋桨产生向下的推力，后螺旋桨产生向上的推力时，躯干1在两个螺旋桨2作用下快速产生俯角，此时两侧胸鳍3以相同速度摆动，机器人可快速实现下潜运动。

该机器人通过两个螺旋桨2控制自己的俯仰角，可快速调节机器人的俯仰角，灵活快速地控制机器人上浮下潜运动，提高了机器人运动的灵敏性。

具体的，两个所述螺旋桨2相对于所述躯干1纵向中心线所在竖向平面对称设置。

具体的，所述躯干1开设有两个导流道113，两个所述螺旋桨2分别安装于两个所述导流道113内，所述导流道113的中轴线沿竖向设置且与所述躯干1的横向中心线相交。两个安装于导流道113内的螺旋桨2可同时产生等大同向的推力，以对躯干1产生向上或向下的推力；也可产生等大反向的推力，以使机器人具备一定的俯仰力矩，最终该俯仰力矩会与重力和浮力的形成的恢复力矩达到平衡，使机器人的俯仰角稳定在一个常值，可实现躯干1俯仰角的快速调整。

具体的，以所述躯干1横向两端分别作为所述躯干1的头部和尾部，两个所述导流道113分别靠近所述头部和尾部设置。

具体的，所述胸鳍驱动机构包括用于带动所述胸鳍3摆动的驱动单元和胸鳍驱动控制单元；所述胸鳍驱动控制单元用于控制所述驱动单元，以带动所述胸鳍3在所述躯干1下方绕竖向的摆动中心线摆动，或在所述躯干1两侧绕纵向的摆动中心线摆动。胸鳍驱动机构设为上述结构，可使该机器人既可在水下游动，也可在螺旋桨驱动的配合下实现水底地面爬行。具体而言，如图1所示机器人在水下游动时，胸鳍驱动机构带动所述胸鳍3在躯干1两侧绕纵向的摆动中心线摆动以驱动机器人在水中游动。当机器人落于水底时，所述胸鳍驱动机构还可以带动胸鳍在躯干1下方绕竖向的摆动中心线摆动(如图3所示状态)，胸鳍3立于水底地面上，胸鳍3外缘与水底地面接触，此时螺旋桨驱动机构驱动两个螺旋桨2转动以提供向下的推力，从而克服机器人所受浮力，并使胸鳍3外缘与地面间产生压力，故当胸鳍3摆动时，能产生类似蛇类蜿蜒运动的波动运动，从而与地面产生摩擦力，为机器人水底爬行提供动力；当两侧胸鳍3以相同速度摆动时，机器人可实现前进爬行运动，当两侧胸鳍3摆动速度不同时，机器人可实现转向爬行运动。即上述仿生机器人可以解决现有机器人较难实现水底爬行的技术问题，该机器人在螺旋桨的驱动下，胸鳍可对海底产生一定的压力，从而实现海底蜿蜒爬行。

具体的，所述胸鳍3设为柔性胸鳍，所述胸鳍3包括柔性鳍皮32，以及沿所述柔性鳍皮32远离所述躯干1一侧的外缘线设置的鳍足33；所述鳍足33设为波浪形曲线结构。

具体的，所述鳍足33表面密布倒刺结构331。鳍足33表面的倒刺结构331(如图6所示)用于模拟蛇类粗糙皮肤表面，使其在水底地面运动时能产生各向异性的摩擦力，保证运动动力。

具体的，所述驱动单元包括连接所述胸鳍3的鳍条31，以及驱动所述鳍条331转动的伺服电机13，所述鳍条31两端分别固定连接所述鳍足33和所述伺服电机13驱动轴，所述驱动轴中轴线沿横向设置，所述鳍条3垂直于所述驱动轴中轴线设置；每个所述胸鳍3上均设有多个沿横向排列的所述鳍条31，所述伺服电机13与所述鳍条31一一对应设置，所述伺服电机13固定安装于所述躯干1，所述胸鳍驱动控制单元包括控制多个所述伺服电机13转动的电机控制器。通过电机控制器控制伺服电机13转动可带动胸鳍3摆动，控制器通过控制伺服电机的转动位置和转动幅度，可以实现胸鳍3摆动位置和摆动幅度的控制和调整。

具体的，所述摆动为简谐运动。

具体的，两个所述胸鳍3上安装的所述鳍条31相对所述躯干1横向中心线所在竖向平面对称设置，靠近所述胸鳍3横向两端设置的所述鳍条31长度短于同一所述胸鳍3上其他鳍条31的长度。单侧胸鳍3首尾两根鳍条31短于其他处于胸鳍3中间的鳍条31，这样可保证鳍足33端部位置具有一定的攻角，使机器人具备攀爬与越过障碍的能力。

具体的，所述鳍条31与所述鳍足33的连接端设有用于卡接所述鳍足33的环形卡槽311，所述鳍条31还开设有用于插设所述柔性鳍皮32的长型槽312，所述环形卡槽311与所述长型槽312连通。采用上述结构可更方便胸鳍3的装配。

具体的，所述鳍足33设为具有弹性的柔性支撑结构，所述柔性鳍皮32设为柔性薄膜结构，所述鳍条31可设为弹性支撑结构，也可设为刚性支撑结构，所述鳍条31优选设为刚性支撑结构。

具体的，同一胸鳍3上的相邻鳍条31之间的具有一定的相位差，能够使多个鳍条31驱动的胸鳍3整体在摆动时能行成波动运动，确保胸鳍3摆动能够提供运动动力。

具体的，所述鳍条31设为直杆型结构，所述鳍足33和所述柔性鳍皮32可为橡胶、塑料等具备一定弹性的柔性材料制作而成。所述鳍条31可为硬质塑料等刚性材料制作而成。

具体的，所述长型槽312胶接所述柔性鳍皮32，所述环形卡槽311胶接所述鳍足33。

具体的，所述躯干1包括躯干壳体，所述伺服电机13固定安装于所述躯干壳体内，所述躯干壳体开设有用于穿设所述鳍条31且不阻碍鳍条摆动的通道口115，所述通道口与所述鳍条一一对应设置。

具体的，所述躯干壳体由顶盖12和底盖11拼接构成，所述躯干壳体内安装有用于安装供电电池的电池仓15，用于安装电子元件(如控制器、控制电路等需防水的电子元件)的电子仓16，以及安装有摄像机的摄像仓17，所述电池仓15、电子仓16和所述摄像仓17均设为防水舱体。

具体的，所述的底盖11与所述的顶盖12结构相同。

具体的，所述躯干壳体内安装有用于固定安装所述伺服电机的电机固定组件。

具体的，所述电机固定组件包括固定连接所述伺服电机14本体的基座14，所述基座14与所述伺服电机13一一对应设置，所述底盖11固定安装有两个用于安装所述基座14的长条型支架111，所述长条型支架111沿横向设置，且与同一胸鳍3连接的多个伺服电机13的基座14固定安装于同一长条型支架111上。

具体的，所述基座14与所述伺服电机13通过固定螺丝连接，所述基座14和所述长条型支架111通过固定螺丝连接，所述基座14和所述长条型支架111均开设有对应的螺孔。

具体的，所述躯干壳体安装有用于固定安装所述电池仓15和电子仓16的安装支架112。

具体的，所述摄像仓17包括中轴线沿竖向设置的筒体172，以及分别密封安装于所述筒体172两端的两个透明球罩171，所述摄像舱17安装于所述躯干1中央，所述躯干壳体开设有可穿设所述筒体172的中央通孔114，所述筒体172密封连接所述中央通孔114，两个所述透明球罩171设于所述躯干壳体外。

具体的，所述透明球罩171设为玻璃球罩。

具体的，所述摄像仓17内安装有两个摄像机，可分别通过两个所述透明球罩171实现对机器人上下两个水域摄像监测。

具体的，所述躯干壳体内还安装有用于调节机器人的浮力与重力平衡的调平部件18；所述调平部件18用于使机器人的浮心和重心都位于所述躯干1横向中心线附近且浮心要高于重心，所述调平部件18设为配重块或浮块。

具体的，如图2所示，所述电池仓15和所述电子仓16分设于所述摄像仓17的横向两侧，所述躯干壳体的头部和尾部分别内设有一个调平部件18，两个所述螺旋桨2分别靠近两个所述调平部件18设置。

具体的，所述电子仓16内安装有所述胸鳍驱动控制单元和控制所述螺旋桨转动的螺旋桨控制器，所述电池仓连接所述伺服电机、所述螺旋桨驱动机构、所述胸鳍驱动控制单元和所述螺旋桨控制器，以为其供电。

具体的，所述胸鳍驱动控制单元电连接或信号连接所述伺服电机，以控制所述伺服电机的旋转角度位置和转速，所述螺旋桨控制器电连接或信号连接所述螺旋桨的驱动电机，以控制所述螺旋桨转速和转动方向。

具体的，所述电子仓内还安装有主控单片机。

以下以机器人前进方向为参考，将两个螺旋桨2区别为前螺旋桨和后螺旋桨，将两个胸鳍3区别为左胸鳍和右胸鳍，对本实施例的机器人各项运动能力实现的驱动方式进行举例说明：

前进游动：机器人左胸鳍和右胸鳍以相同速度摆动，两个螺旋桨2无运动。

左转游动：机器人左胸鳍的摆动速度小于右胸鳍，两个螺旋桨2无运动。

右转游动：机器人左胸鳍的摆动速度大于右胸鳍，两个螺旋桨2无运动。

上浮游动：机器人左胸鳍和右胸鳍的摆动速度相同。前螺旋桨产生向上的推力，后螺旋桨产生向下的推力，两推力大小相等方向相反，机器人头部向上倾斜，机器人上浮游动。

下潜游动：机器人左胸鳍和右胸鳍的摆动速度相同。前螺旋桨产生向下的推力，后螺旋产生向上的推力，两推力大小相等方向相反，机器人头部向下倾斜，机器人下潜游动。

海底前进爬行(图3所示)：机器人左胸鳍和右胸鳍向下转动90度至垂直立于海底地面，左胸鳍和右胸鳍的摆动速度相同，两个胸鳍3的鳍足33与水底地面接触。两个螺旋桨2都产生向下的推力，两推力大小相等方向相同，以增大鳍足33与地面的摩擦力，机器人在海底前进爬行。

海底左转爬行：机器人左胸鳍和右胸鳍向下转动90度至至垂直立于海底地面，左胸鳍的摆动速度小于右胸鳍，两个胸鳍3的鳍足33与水底地面接触，两个螺旋桨2都产生向下的推力，两推力大小相等方向相同，以增大鳍足33与地面的摩擦力，机器人在海底左转爬行。

海底右转爬行：机器人左胸鳍和右胸鳍向下转动90度至至垂直立于海底地面，左胸鳍的摆动速度大于右胸鳍，两个胸鳍3的鳍足33与水底地面接触，两个螺旋桨2都产生向下的推力，两推力大小相等方向相同，以增大鳍足33与地面的摩擦力，机器人在海底右转爬行。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除