一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人 |
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| 申请号 | CN201710445841.7 | 申请日 | 2017-06-14 | 公开(公告)号 | CN107187568A | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 桂林电子科技大学; | 发明人 | 周祖鹏; 唐玉华; 甘良棋; 张晓东; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了仿蚯蚓的 水 下拱泥 机器人 ，包括顺序连接的拱泥头机构、第一前进转向机构、第一 支撑 机构、第二前进转向机构、第二支撑机构、尾部仓和通信单元，所述第一前进转向机构中的第一球 铰链 与拱泥头机构中的前端盖连接；第一前进转向机构中的第一 万向节 铰链与第一支撑机构中的第一连接板连接；第二前进转向机构中的第二球铰链与第一支撑机构的后端连接；第二前进转向机构中的第二万向节铰链与第二支撑机构中的第二连接板连接；第二支撑机构的后端连接尾部仓，通信单元和拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构及尾部仓电连接。这种机器人结构简单、灵活性好、成本低、作业时间长、效率高及运动速度快。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人，其特征在于，包括顺序连接的拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构、尾部仓和通信单元，所述第一前进转向机构中的第一球铰链与拱泥头机构中的前端盖连接；第一前进转向机构中的第一万向节铰链与第一支撑机构中的第一连接板连接；第二前进转向机构中的第二球铰链与第一支撑机构的后端连接；第二前进转向机构中的第二万向节铰链与第二支撑机构中的第二连接板连接；第二支撑机构的后端连接尾部仓，通信单元和拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构及尾部仓电连接。 |
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| 说明书全文 | 一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人技术领域背景技术[0002] 随着仿生技术的不断改善，仿生机器人已经广泛应用到世界各个领域，为了提高机器人的性能，研究学者们利用传感器、微型计算机、无线控制技术对机器人进行协助操作。仿生学是研究生物的特殊结构及运动肌理，为科学技术提供新的设计理念和工作方式的一种技术科学，为未来机器人的发展与方向提供了新的思路。 [0003] 蚯蚓属于环节动物，体内没有骨骼，蚯蚓的肌肉属斜纹肌，肌肉发达运动灵活，这种斜纹肌对保留体表粘液具有积极作用，蚯蚓依靠纵肌、环肌及刚毛的配合而向前蠕动，当蚯蚓前进时，体前端的环肌收缩，纵肌舒张，此段体节变细变长，后部刚毛插入土内不动，身体就向前移动；然后前部的刚毛插入土内不动，后部的刚毛缩回，纵肌收缩，环肌舒张，此段体节变粗变短，身体前部的体节一节一节地向前缩短而前进，以此方式不断循环，蚯蚓就能慢慢向前蠕动。 [0004] 仿生蚯蚓机器人是目前仿生机器人领域中较为新颖的研究对象，蚯蚓的运动机理给水下拱泥机器人提供了新的设计思路，利用蚯蚓的独特的拱泥方式，通过对其外形结构、运动肌理进行仿生分析，设计出一款能像蚯蚓一样在水下淤泥中蠕动爬行的机器人能够取替人类完成一些恶劣环境下无法完成的工作任务。基于蚯蚓运动机理设计的仿生水下拱泥机器人对于水产养殖业、水下考古、水下探险、测量水底污染程度、沉船事故救援以及测绘海底地图等具有重要的意义。 [0005] 目前大多数仿生水下机器人主要用于水中作业，还没有一种用于水下拱泥的机器人。 发明内容[0006] 本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人。这种机器人具有结构简单、灵活性好、成本低、作业时间长、效率高及运动速度快等特点。 [0007] 实现本发明的目的技术方案是：一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人，包括顺序连接的拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构、尾部仓和通信单元，所述第一前进转向机构中的第一球铰链与拱泥头机构中的前端盖连接；第一前进转向机构中的第一万向节铰链与第一支撑机构中的第一连接板连接；第二前进转向机构中的第二球铰链与第一支撑机构的后端连接；第二前进转向机构中的第二万向节铰链与第二支撑机构中的第二连接板连接； 第二支撑机构的后端连接尾部仓，通信单元和拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构及尾部仓电连接。 [0008] 所述拱泥头机构包括锥形拱泥头，所述锥形拱泥头为腔体，腔体的后端部设有第一凹槽； 旋转平台，所述旋转平台内设有固定的旋转平台外圈和可活动的旋转平台内圈； 舵机固定板，所述舵机固定板上设有舵机； 前端盖，所述前端盖的内部前端设有第二凹槽； 所述锥形拱泥头、旋转平台、舵机固定板、前端盖顺序配装，内圈通过动力传递杆与锥形拱泥头连接，动力传递杆后端安装在内圈前端面，动力传递杆前端置入第一凹槽内，舵机安装在舵机固定板后端的中心部并嵌入到第二凹槽内，舵机的输出轴与动力传递杆连接。 [0009] 所述第一前进转向机构包括顺序连接的4个球铰链、4个气缸和4个万向节铰链构成4个由一个球铰链、一个气缸和一个万向节铰链组成的第一前进转向单元，其中3个第一前进转向单元为主动件，另1个第一前进转向单元为从动件，从动件设置在前端盖的后端面中心，3个主动件以从动件为中心等距离均匀分布在前端盖的后端面上且每两个主动件形成的夹角为120°，每个气缸上设有位移传感器。 [0010] 所述第一支撑机构包括第一支撑机构内腔，第一支撑机构内腔的前端设有第一连接板，第一支撑机构内腔的外部设有第一支撑气囊。 [0011] 所述第二前进转向机构包括顺序连接的4个球铰链、4个气缸和4个万向节铰链构成4个由一个球铰链、一个气缸和一个万向节铰链组成的第二前进转向单元，其中3个第二前进转向单元为主动件，另1个第二前进转向单元为从动件，从动件设置在第一支撑机构内腔的后端面中心，3个主动件以从动件为中心等距离均匀分布在第一支撑机构内腔的后端面上、每两个主动件形成的夹角为120°，每个气缸上设有位移传感器。 [0012] 所述第二支撑机构包括第二支撑机构内腔，第二支撑机构内腔的前端设有第二连接板，第二支撑机构内腔的外部设有第二支撑气囊12。 [0013] 所述尾部仓为腔体，腔体上设有开口盖，开口盖的设置是为了方便安装通信单元。 [0014] 所述通信单元包括电连接的九轴传感器、 定时程序控制器、单片机以及分别与单片机连接的深度压力传感器、微型摄像头、第一压力传感器、第二压力传感器、第一位移传感器和第二位移传感器，九轴传感器、定时程序控制器和单片机安装在尾部仓腔体内；深度压力传感器和微型摄像头安装在锥形拱泥头的内腔中；第一压力传感器安装在第一支撑气囊的内部，第二压力传感器安装在第二支撑气囊的内部；第一位移传感器安装在第一前进转向机构中的第一气缸上，第二位移传感器安装在第二前进转向机构中的第二气缸上，锥形拱泥头内腔中可按照需要加装备用传感器。 [0015] 所述第一位移传感器为至少4个，分别安装在第一前进转向机构中对应的第一气缸上。 [0016] 所述第二位移传感器为至少4个，分别安装在第二前进转向机构中对应的第二气缸上。 [0017] 所述拱泥头机构中的舵机利用旋转平台将动力传递给动力传递杆及锥形拱泥头，从而驱动锥形拱泥头旋转，以此来排出障碍物，达到前进的目的。 [0018] 所述第一前进转向机构径向设有第一防护套，第二前进转向机构径向设有第二防护套，防护套的作用是为了防止淤泥和水进入机器人的内部。 [0019] 所述机器人通过外设的控制平台改变定时程序控制器的参数配合位移传感器相来驱动前进转向机构中气缸的气缸杆伸出不同的距离，然后带动主动件的三个球铰链转动一定的角度，从而达到转向的目的。 [0020] 所述尾部仓设有缆线和气管，线缆外接控制平台上的计算机控制系统和电源；气管与控制平台上的供气站相连，可以在控制平台上获取安装在尾部仓的九轴传感器的信息对机器人定位，掌握机器人的实时运动状态。 [0021] 当机器人遇到障碍物时，外设的控制平台对机器人反向控制，可以使仿蚯蚓的水下拱泥机器人先做向后退的动作，然后再改变前进方向向前，以实现避开障碍物的目的。 [0022] 这种利用仿生学原理设计的仿生机器人能够像蚯蚓一样在泥土中向前蠕动,可实现前进、后退和灵活转向功能。 [0023] 这种机器人利用安装在尾部仓的定时程序控制器21来控制前进转向机构中的气缸的伸缩量，从而改变机器人的运动方向。 [0024] 这种机器人采用气压作为驱动力，其使用成本低、能实现远距离传送，泄漏后不会污染环境；这种机器人能够在恶劣的环境中工作以及动作响应时间快、维护保养方便。 [0026] 图1 为实施例的结构示意图；图2 为图1的 A-A剖面视图； 图3 为图1中拱泥头的B-B剖面视图； 图4 为图2所示旋转平台的C-C剖面视图； 图5 为图1拱泥头机构半剖视图； 图6 为实施例拱泥机器人蠕动前进的原理示意图。 [0027] 图中，1.锥形拱泥头 2.旋转平台 3.舵机固定板 4.前端盖 5.第一前进转向机构 6.第一连接板 7.第一支撑机构内腔 8.第一支撑气囊 9.第二前进转向机构 10. 第二连接板 11.第二支撑机构内腔 12.第二支撑气囊 13.尾部仓 14. 开口盖 15.线缆 16.气管 17.计算机 18.供气站 19.单片机 20.九轴传感器 21.定时程序控制器 22.第二压力传感器 23.第二万向节铰链 24.第二气缸 25.第二位移传感器 26.第二球铰链 27.第一压力传感器 28.第一万向节铰链 29.第一气缸 30.第一位移传感器 31.第一球铰链 32.第二凹槽 33.舵机 34.旋转平台外圈 35.旋转平台内圈 36.动力传递杆 37.深度压力传感器 38.微型摄像头 39.备用传感器 40.第二防护套 41.第一防护套 42.第一凹槽 43.输出轴 。 具体实施方式[0028] 下面结合附图和实施例对本发明的内容进一步阐述，但不是对本发明的限定。 [0029] 实施例：参见图1、图2、图3、图4、图5，一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人，包括顺序连接的拱泥头机构、第一前进转向机构5、第一支撑机构8、第二前进转向机构9、第二支撑机构12、尾部仓13和通信单元，所述第一前进转向机构5中的第一球铰链31与拱泥头机构中的前端盖4连接； 第一前进转向机构5中的第一万向节铰链28与第一支撑机构8中的第一连接板6连接；第二前进转向机构9中的第二球铰链26与第一支撑机构8的后端连接；第二前进转向机构9中的第二万向节铰链23与第二支撑机构12中的第二连接板10连接；第二支撑机构12的后端连接尾部仓13，通信单元和拱泥头机构、第一前进转向机构5、第一支撑机构8、第二前进转向机构9、第二支撑机构12及尾部仓13电连接,本例中尾部仓13的后端还通过线缆15连接有计算机17，通过气管16连接有供气站18。 [0030] 所述拱泥头机构包括锥形拱泥头1，锥形拱泥头1为腔体，腔体的后端部设有第一凹槽42； 旋转平台2，所述旋转平台2内设有固定的旋转平台外圈34和可活动的旋转平台内圈 35； 舵机固定板3，所述舵机固定板3上设有舵机33； 前端盖4，所述前端盖4的内部前端设有第二凹槽32； 所述锥形拱泥头1、旋转平台2、舵机固定板3、前端盖4顺序配装，内圈35通过动力传递杆36与锥形拱泥头1连接，动力传递杆36后端安装在内圈35前端面，动力传递杆36前端置入第一凹槽42内，舵机33安装在舵机固定板3后端的中心部并嵌入到第二凹槽32，舵机33的输出轴43与动力传递杆36连接。 [0031] 具体地，由第一组前进转向机构5带动拱泥头机构来回往复运动，冲出一个与锥形拱泥头1直径一样大小的孔洞，当拱泥头机构遇到障碍物无法前进时，可以利用旋转平台2来带动锥形拱泥头1旋转，以此来排出障碍物，达到前进的目的。 [0032] 所述第一前进转向机构5包括顺序连接的4个球铰链、4个气缸和4个万向节铰链构成4个由一个球铰链、一个气缸和一个万向节铰链组成的第一前进转向单元，其中3个第一前进转向单元为主动件，另1个第一前进转向单元为从动件，从动件设置在前端盖4的后端面中心，3个主动件以从动件为中心等距离均匀分布在前端盖4的后端面上且每两个主动件形成的夹角为120°，每个气缸上设有位移传感器。 [0033] 具体地，控制平台上的供气站18通过气管16给第一组前进转向机构5中的气缸29供气，气缸杆伸出后推动第一球铰链31和拱泥头机构向前运动，然后气缸杆缩回后带动第一球铰链31和拱泥头机构回到原位；第一前进转向机构5就是依靠气缸杆不断伸出和缩回来驱动拱泥头机构来回往复式运动，以此达到向前打出孔洞的目的，当拱泥头机构需要转向时，可以利用安装在尾部仓13内的定时程序控制器21和第一气缸29上的第一位移传感器30相互配合，来驱动第一前进转向机构5中主动件的三个气缸的气缸杆伸出不同的距离，然后带动四个球铰链转动一定的角度，从而达到转向的目的。 [0034] 所述第一支撑机构包括第一支撑机构内腔7，第一支撑机构内腔7的前端设有第一连接板6，第一支撑机构内腔7的外部设有第一支撑气囊8。 [0035] 具体地，利用控制平台上的供气站18通过气管16给第一支撑气囊8供气，使第一支撑气囊8径向膨胀，给第一前进转向机构5的伸出和缩回提供支撑力，第一支撑气囊8充气过大会影响其寿命，过低又无法给第一前进转向机构5提供较好的支撑力，因此，可以利用安装在第一支撑机构内腔7中的第一压力传感器27来控制第一支撑气囊8的气压。 [0036] 所述第二前进转向机构9包括顺序连接的4个球铰链、4个气缸和4个万向节铰链构成4个由一个球铰链、一个气缸和一个万向节铰链组成的第二前进转向单元，其中3个第二前进转向单元为主动件，另1个第二前进转向单元为从动件，从动件设置在第一支撑机构内腔7的后端面中心，3个主动件以从动件为中心等距离均匀分布在第一支撑机构内腔7的后端面上、每两个主动件形成的夹角为120°，每个气缸上设有位移传感器。 [0037] 具体地，控制平台上的供气站18通过气管16给第二前进转向机构9中的第二气缸24供气，气缸杆伸出后推动第二球铰链26和拱泥头机构、第一前进转向机构5和第一支撑机构向前运动，第二前进转向机构9就是依靠气缸杆不断伸出和缩回来驱动拱泥头机构来回往复式运动，以此达到向前打出孔洞的目的，当拱泥头机构需要转向时，可以利用安装在尾部仓13内的定时程序控制器21配合第一气缸29上的第一位移传感器30来驱动第二前进转向机构9中主动件的三个气缸的气缸杆伸出不同的距离，然后带动四个球铰链转动一定的角度，从而达到转向的目的。 [0038] 所述第二支撑机构包括第二支撑机构内腔11，第二支撑机构内腔11的前端设有第二连接板10，第二支撑机构内腔11的外部设有第二支撑气囊12。 [0039] 具体地，利用控制平台上的供气站18通过气管16给第二支撑气囊12供气，使第二支撑气囊12径向膨胀，给第二前进转向机构9的伸出和缩回提供支撑力，第二支撑气囊12充气过大会影响其寿命，过低又无法给第二前进转向机构9提供较好的支撑力，因此，可以利用安装在第二支撑机构内腔11中的第二压力传感器22来控制第二支撑气囊12的气压。 [0040] 所述的尾部仓13为腔体，腔体上设有开口盖14，开口盖14的设置是为了方便安装通信单元。 [0041] 所述通信单元包括电连接的九轴传感器20、 定时程序控制器21、单片机19以及分别与单片机连接的深度压力传感器37、微型摄像头38、第一压力传感器27、第二压力传感器22、第一位移传感器30和第二位移传感器25，九轴传感器20、定时程序控制器21和单片机19安装在尾部仓腔体13内；深度压力传感器37和微型摄像头38安装在锥形拱泥头1的内腔中； 第一压力传感器27安装在第一支撑气囊8的内部，第二压力传感器22安装在第二支撑气囊 12的内部；第一位移传感器30安装在第一前进转向机构中的第一气缸29上，第二位移传感器25安装在第二前进转向机构中的第二气缸24上，锥形拱泥头1内腔中可按照需要加装备用传感器39。 [0042] 具体地，通过安装通信单元中的九轴传感器20掌握机器人所处的位置和运动姿态；深度压力传感器37可以了解机器人所处的具体深度；微型摄像头38将视频影像通过单片机19传输到控制平台上；第一压力传感器27和第二压力传感器22可以控制第一支撑气囊8和第二支撑气囊12中的气压；定时程序控制器21配合第一位移传感器30、第二位移传感器 25来驱动前进转向机构中气缸的气缸杆伸出不同的距离，然后带动四个球铰链转动一定的角度，从而达到转向的目的；单片机19将收集到的信号传输到控制平台上，利用计算机来控制和监测机器人的运动。 [0043] 所述第一位移传感器30为至少4个，分别安装在第一前进转向机构中对应的第一气缸29上。 [0044] 所述第二位移传感器25为至少4个，分别安装在第二前进转向机构中对应的第二气缸24上。 [0045] 如图6所示，具体说明本例中仿蚯蚓水下拱泥机器人的运动原理：图中，1 a为机器人的最原始状态；b为机器人两组支撑机构膨胀并支撑泥壁； 2 c为拱泥头机构和前进转向机构的配合动作，第一前进转向机构5经过来回往复运动，将前方的泥土冲出长度为25mm的孔洞,即第一前进转向机构5伸出的距离； 3 当第一前进转向机构5伸出25mm时，第一组支撑机构排气，然后第一前进转向机构5收回，第二前进转向机构9伸出，推动第一前进转向机构5向前移动25mm，即d阶段； 4 第二前进转向机构9伸出后，第一组支撑机构充气膨胀并支撑泥壁，第二支撑机构排气； 5 第二支撑机构排气完后，第二前进转向机构9收回，第二组支撑机构充气膨胀并支撑泥壁，即e阶段； 6 经过e阶段后，仿生机器人又回到了初始状态f。这样就完成了仿生机器人的整体蠕动全过程，机器人整体向前移动了一个步距,如此反复,实现机器人的不断向前蠕动。 [0046] 若利用机器人以上的蠕动原理对机器人反向控制，可以使仿蚯蚓的水下拱泥机器人向后退，然后在向前改变前进方向，以实现避开障碍物的目的。 |
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