一种拍动式推进水污染监测仿生机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种拍动式推进水污染监测仿生机器人，包括机器人本体、胸鳍模块、水污染检测模块和控制系统。所述机器人本体的两侧安装胸鳍模块，后端安装用于控制仿生机器人浮潜的尾鳍模块；胸鳍模块的外表面套设有蒙皮，能够在水环境中产生弦向和展向柔性变形；水污染检测模块安装在机器人本体的底部；控制系统用于读取水污染检测模块采集的数据，并控制仿生机器人进行巡游和污染监测。本发明专利技术胸鳍在舵机带动下可做上下拍动，通过控制胸鳍前、后的舵机相位差，使胸鳍弦向变形，从而推动水流向后运动，利用反作用力推动机器人前进。在驱动舵机和水环境作用下胸鳍会发生展向变形。本发明专利技术同时搭载水污染检测传感器，监测水污染时稳定性好。性好。性好。

【技术实现步骤摘要】
一种拍动式推进水污染监测仿生机器人


[0001]本专利技术属于水质监测机器人
，涉及一种拍动式推进水污染监测仿生机器人。

技术介绍

[0002]随着经济社会的发展，人类的生产能力正逐渐增强，产生的工业废水也污染了水资源，水污染监测为解决水污染问题提供了保障。监测水污染需要前往较深、较远的水域采样，尤其是远离陆地地区。水下环境复杂，需要使用水下机器人携带传感器探测。然而现有的螺旋桨水下机器人噪声大、效率低，在水中游动过程中容易干扰水下生物，影响生物的正常生存。并且机器人的工作地点通常水草丛生，工作环境恶劣，螺旋桨容易被水草缠绕。同时，使用螺旋桨推进的水下机器人在运行过程中，螺旋桨快速旋转过程中会产生振动，造成水下机器人整体结构振动，作为载体搭载传感器运行不稳定。而相较于螺旋桨推进，鱼类高效、稳定的游动方式一直是科研人员追求的目标。
[0003]鱼类经过上亿年的自然选择，具备非凡的游泳能力。按鱼类推进部位不同可划分为身体/尾鳍推进模式和中央/对鳍推进模式。以金枪鱼为代表的身体/尾鳍推进模式游动模式优点是游动速度快、加速度性能好，但其机动性、稳定性稍差。而以蝠鲼为代表的中央/对鳍推进模式相较身体/尾鳍推进模式机动性更强、稳定性更好、效率更高。而水污染传感器需要一个稳定的水下移动平台作为载体。因此可将胸鳍拍动式推进水下机器人作为水污染检测传感器安装载体。就目前而言，气动式胸鳍拍动水下机器人需要携带气泵，体积庞大，灵活性较差。而采用介电弹性体等智能材料驱动推进力较小，很难携带水污染检测传感器，在实际应用中较少，游动距离和承载能力受到限制。因此以电机驱动的结构简单、实用的新胸鳍结构有待研究。
[0004]拍动式水下机器人属于仿生水下机器人，目前投入应用的拍动式水下机器人大多使用电机驱动，具有效率高、噪声小、运行平稳等特点。但是，以专利技术专利CN106005338A为例，仿生胸鳍推进装置，设计上采用同步带机构、齿轮减速机构、曲柄导杆机构等较为复杂传动结构，建模、控制都比较困难。其结构复杂，体积庞大，不方便携带，并不适合携带水污染检测传感器执行水下探测任务。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种拍动式推进水污染监测仿生机器人，本专利技术推进效率高、稳定性好、机动性强、监测效率高。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种拍动式推进水污染监测仿生机器人，包括：
[0008]机器人本体，所述机器人本体的两侧安装胸鳍模块，后端安装用于控制仿生机器人浮潜的尾鳍模块；
[0009]胸鳍模块，所述胸鳍模块的外表面套设有蒙皮，能够在水环境中产生弦向和展向
柔性变形；
[0010]水污染检测模块，所述水污染检测模块安装在机器人本体的底部；
[0011]控制系统，所述控制系统用于读取水污染检测模块采集的数据，并控制仿生机器人进行巡游和污染监测。
[0012]本专利技术进一步的改进在于：
[0013]所述机器人本体包括身体外壳以及前端的头部外壳；头部外壳和身体外壳通过插拔式连接，二者之间安装防水垫片，并通过螺钉拧紧固定；身体外壳的两侧对称设置有凸台，所述胸鳍模块安装在凸台上，并且蒙皮的边缘也固定在凸台上；所述尾鳍模块安装在身体外壳的尾部；身体外壳的上部设置有用于连接安全绳的吊环，底部开设有圆形的开口，所述水污染检测模块固定在开口处；所述水污染检测模块的探头的位置高于身体外壳的开口位置。
[0014]所述胸鳍模块包括胸鳍骨架，所述胸鳍骨架包括位于根部的两个胸鳍驱动舵机，以及位于胸鳍末端的鳍条连接件；两个胸鳍驱动舵机分别与前鳍条和后鳍条的根部相连，前鳍条和后鳍条的端部与鳍条连接件相连；前鳍条和后鳍条之间还设置有中鳍条，所述中鳍条的根部通过铰接件与身体外壳的凸台铰接，端部连接在鳍条连接件上；前鳍条、中鳍条和后鳍条上自根部至端部依次套设第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片。
[0015]所述凸台上开设有凹槽和走线孔位，两个胸鳍驱动舵机安装在凹槽处。
[0016]所述前鳍条、中鳍条和后鳍条的直径由根部至端部逐渐缩小，且前鳍条的直径大于中鳍条的直径，中鳍条的直径大于后鳍条的直径。
[0017]所述第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片的外形为NACA2414低速翼型，且为镂空结构，边缘宽度从前至后逐渐减小。
[0018]所述第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片结构相同，中部开设圆槽，两端开设U型槽；所述中鳍条分别插入第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片中间的圆槽中，并且能够绕中鳍条旋转；所述前鳍条分别插入第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片前端的U型槽中；所述后鳍条分别插入第一胸鳍片、第二胸鳍片、第三胸鳍片和第四胸鳍片后端的U型槽中。
[0019]所述尾鳍模块包括尾鳍和尾鳍驱动舵机，尾鳍驱动舵机安装在身体外壳的尾部，尾鳍与尾鳍驱动舵机相连，能够在尾鳍驱动舵机的驱动下绕舵机轴旋转。
[0020]所述控制系统包括主控芯片、供电模块、通讯模块、姿态解算模块和水污染检测模块；
[0021]主控芯片，所述主控芯片采用stm32，并通过串口读取水污染检测模块采集的数据；输出PWM信号控制胸鳍模块和尾鳍模块动作；
[0022]通讯模块，所述通讯模块用于与上位机进行数据交互；
[0023]姿态结算模块，所述姿态结算模块用于计算姿态角，并将计算误差反馈给主控芯片，以调整机器人的位置；
[0024]水污染检测模块，所述水污染检测模块为水污染检测传感器。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0026]本专利技术模仿了蝠鲼生物胸鳍的运动状态，将前鳍条、后鳍条作为驱动鳍条，两根主动鳍条驱动力更大，可以主动控制胸鳍弦向变形，同时在胸鳍后舵机失能情况下，在前胸鳍
驱动舵机和水环境作用下实现被动弦向变形，从而实现弦向主、被动变形状态切换。本专利技术前鳍条、中鳍条、后鳍条直径由根部至尖端逐渐变小，保证了展向的刚度逐渐变化，并且前鳍条直径大于中鳍条，中鳍条直径大于后鳍条，保证弦向刚度逐渐变化。本专利技术将胸鳍片设计成NACA2414低速翼型，有利于提高机器人的升力，减少机器人能耗。胸鳍片通过镂空设计，使得边缘的宽度由胸鳍片前端向后端逐渐变小，保证了弦向的刚度可变性，通过鳍条和胸鳍片的柔性渐变设计，提高机器人的效率和稳定性；本专利技术搭载水污染检测传感器的水下载体使用拍动式仿生推进，探测过程中机器人在水下移动平稳，保证传感器监测过程中的稳定性，同时仿生载体易融于水下环境，水污染监测过程中不会干扰到水下其他生物的生存状态。
附图说明
[0027]为了更清楚的说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种拍动式推进水污染监测仿生机器人，其特征在于，包括：机器人本体(1)，所述机器人本体(1)的两侧安装胸鳍模块(3)，后端安装用于控制仿生机器人浮潜的尾鳍模块(2)；胸鳍模块(3)，所述胸鳍模块(3)的外表面套设有蒙皮(5)，能够在水环境中产生弦向和展向柔性变形；水污染检测模块，所述水污染检测模块安装在机器人本体(1)的底部；控制系统，所述控制系统用于读取水污染检测模块采集的数据，并控制仿生机器人进行巡游和污染监测。2.根据权利要求1所述的拍动式推进水污染监测仿生机器人，其特征在于，所述机器人本体(1)包括身体外壳(12)以及前端的头部外壳(6)；头部外壳(6)和身体外壳(12)通过插拔式连接，二者之间安装防水垫片(7)，并通过螺钉(22)拧紧固定；身体外壳(12)的两侧对称设置有凸台，所述胸鳍模块(3)安装在凸台上，并且蒙皮(5)的边缘也固定在凸台上；所述尾鳍模块(2)安装在身体外壳(12)的尾部；身体外壳(12)的上部设置有用于连接安全绳的吊环(4)，底部开设有圆形的开口，所述水污染检测模块固定在开口处；所述水污染检测模块的探头的位置高于身体外壳(12)的开口位置。3.根据权利要求1所述的拍动式推进水污染监测仿生机器人，其特征在于，所述胸鳍模块(3)包括胸鳍骨架(9)，所述胸鳍骨架(9)包括位于根部的两个胸鳍驱动舵机(8)，以及位于胸鳍末端的鳍条连接件(18)；两个胸鳍驱动舵机(8)分别与前鳍条(21)和后鳍条(19)的根部相连，前鳍条(21)和后鳍条(19)的端部与鳍条连接件(18)相连；前鳍条(21)和后鳍条(19)之间还设置有中鳍条(20)，所述中鳍条(20)的根部通过铰接件与身体外壳(12)的凸台铰接，端部连接在鳍条连接件(18)上；前鳍条(21)、中鳍条(20)和后鳍条(19)上自根部至端部依次套设第一胸鳍片(14)、第二胸鳍片(15)、第三胸鳍片(16)和第四胸鳍片(17)。4.根据权利要求3所述的拍动式推进水污染监测仿生机器人，其特征在于，所述凸台上开设有凹槽和走线孔位，两个胸鳍驱动舵机(8)安装在凹槽处。5.根据权利要求3所述的拍动式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张进华，方斌，王俊，成海炎，洪军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：