一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人

技术领域

本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人。

背景技术

随着科技的不断发展，水下勘测、监测和救援等领域对机器人的需求越来越大。复杂的水下环境对机器人的结构、材料、电路、传感器等都提出了极高的要求。传统的硬件机器人通常采用刚性材料和电动机作为主要组成部分，这使得它们在水下运动时受到很大的阻力和损耗，而且容易受到碰撞和腐蚀的影响。此外，传统的硬件机器人还需要携带电池或连接电缆作为能源供应，这也限制了它们在水下的工作时间和范围。因此，开发一种体积小、重量轻、柔性变形、适应性强、连续驱动、可操作性高的水下机器人显得尤为重要。

化学反应驱动技术是指通过化学反应释放能量，将其转化为机械能或其他形式的能量。在水下环境中，机器人往往难以采用传统的电池或者燃料电池等能源，因为它们存在着体积大、重量重等问题。而化学反应能源具有能量密度高、体积小、重量轻等特点，能够更好地适应水下环境的需求。

仿生软体机器人是一种模仿生物体结构和运动方式的机器人，采用柔性材料作为主要组成部分，具有柔性、变形、适应性强、重量轻等特点，这使得它们在水下运动时具有较低的阻力和损耗，而且能够适应复杂多变的水下环境。仿生软体机器人还可以实现多种形态变化和功能切换，以满足不同任务的需求。因此，仿生软体机器人在水下勘测、监测和救援等领域有着广泛的应用前景。

无线传输技术是一种通过无线信号传输数据的技术。在海洋声学监测中，传统的监测设备通常需要通过电缆等物理连接方式将采集到的数据传输至地面站进行处理，而采用无线传输技术可以避免传输线路的限制，实现远程监测和控制，提高了海洋声学监测的效率和准确性。通过无线传输模块，水下机器人能够将采集到的数据通过无线传输技术传输至地面站，可以避免传统硬件机器人通过电缆等物理连接方式传输数据的限制，使机器人更加自由灵活，适应性更强。同时，传统的硬件机器人需要通过电缆等物理连接方式与地面站通信，容易受到海洋环境的干扰和损坏，从而导致机器人数据传输的中断和机器人本身的故障。采用无线传输技术可以避免这些问题，提高机器人的可靠性和安全性。

区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于其材料的形变和弹性。软体机器人的材料具有可变形、可压缩、可弯曲的特性，常见的材料有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等。软体机器人的驱动方式可以分为外部驱动和内部驱动两种。外部驱动是指利用外部的力或者场来操纵软体机器人的运动，例如磁场、电场、光场等。内部驱动是指利用软体机器人内部的能量源来产生运动，例如气压、液压等。但传统的驱动方式无法在短时间内产生较大的推动力，影响水下软体机器人的启动速度和运动状态。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的技术方案。

一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人，包括机壳组件及设置于机壳组件中的充气模块、控制模块和第一驱动模块，所述机壳组件具有驱动安装腔和第一水腔，所述第一水腔上开有与外界连通的排水孔，所述第一驱动模块包括第一驱动壳体、第一柔性弹力隔膜、第一进气阀和第一火花塞，所述第一驱动壳体和第一柔性弹力隔膜围构形成驱动气腔，第一驱动壳体设置于驱动安装腔，所述充气模块与第一进气阀连接，用以为第一驱动模块供应化学放能反应气体，所述控制模块与第一火花塞连接，用以控制第一火花塞放电；

所述第一驱动模块配置为：当充气模块为第一驱动模块供气，同时控制模块控制第一火花塞放电时，驱动气腔内的化学放能反应气体发生化学放能反应，使第一柔性弹力隔膜鼓起，第一柔性弹力隔膜推动第一水腔中的水从排水孔向外喷射排出，进而产生使仿水母水下软体机器人向前的驱动力。

进一步地，还包括设置于机壳组件中的监测模块，所述监测模块用以进行水下声音监测，其包括第一电池、声学传感器、第一无线传输模块、第一单片微控制器，所述声学传感器将声学信号转化为电压信号有线传输至第一单片微控制器，所述第一单片微控制器控制第一无线传输模块将信号无线传输至接收端，所述第一电池为声学传感器、第一无线传输模块、单片机提供电能。

进一步地，所述监测模块还包括第一外壳，所述第一外壳为防水塑料盒，内部的第一电池、声学传感器、第一无线传输模块、第一单片微控制器采用导线连接，并用防水胶固定于第一外壳内部底板。

进一步地，所述充气模块包括第二电池、第一电磁继电器、第二无线传输模块、第二单片微控制器、电磁阀、储气软管，所述第二无线传输模块接收无线信号，通过第二单片微控制器处理信号，并控制第一电磁继电器回路的接通或分断，实现电磁阀的开闭，控制储气软管的气体进入第一驱动模块，所述第二电池为第一电磁继电器、第二无线传输模块、第二单片微控制器、电磁阀提供电能。

进一步地，所述充气模块还包括第二外壳，所述第二外壳为防水塑料盒，内部的第二电池、第一电磁继电器、第二无线传输模块、第二单片微控制器采用导线连接，并用防水胶固定于第二外壳内部底板。

进一步地，所述控制模块包括第三电池、第二电磁继电器、第三单片微控制器、升压变压器、第三无线传输模块，第三无线传输模块接收无线信号，通过第三单片微控制器处理信号，并控制第二电磁继电器回路的接通或分断，实现控制第一驱动模块的第一火花塞放电形成电火花点燃反应气体，第三电池为第二电磁继电器、第三单片微控制器、升压变压器、第三无线传输模块提供电能。

进一步地，所述控制模块还包括第三外壳，所述第三外壳为防水塑料盒，内部的第三电池、第二电磁继电器、第三单片微控制器、升压变压器、第三无线传输模块采用导线连接，并用防水胶固定于第三外壳内部底板。

进一步地，所述机壳组件为软体材料，其包括依次连接的上部单位、中部单元和下部单元，所述监测模块、充气模块、控制模块设置于上部单位内，所述第一驱动模块设置于下部单元上端，所述第一水腔设置于下部单元内。

进一步地，所述机壳组件为蘑菇状结构。

进一步地，所述第一水腔的底部和侧面均开有排水孔。

进一步地，所述机壳组件的左右两侧或前后左右四侧均设置定向驱动器，所述定向驱动器包括驱动器壳体和第二驱动模块，所述驱动器壳体具有上安装腔和第二水腔，所述第二水腔上开有与外界连通的排水孔，所述第二驱动模块包括第二驱动壳体、第二柔性弹力隔膜、第二进气阀和第二火花塞，所述第二驱动壳体和第二柔性弹力隔膜围构形成驱动气腔，第二驱动壳体设置于上安装腔，所述充气模块与第二进气阀连接，用以为第二驱动模块供应化学放能反应气体，所述控制模块与第二火花塞连接，用以控制第二火花塞放电；

所述定向驱动器配置为：当充气模块为第二驱动模块供气，同时控制模块控制第二火花塞放电时，驱动气腔内的化学放能反应气体发生化学放能反应，使第二柔性弹力隔膜鼓起，第二柔性弹力隔膜推动第二水腔中的水从排水孔向外喷射排出，进而产生使仿水母水下软体机器人变向的驱动力。

与现有的驱动方式相比，本发明采用的化学放能反应连续驱动技术具有反应次数多、反应速度极快的特点，可以通过多次反应放能并进行喷射来实现连续驱动，从而实现机器人在水下更长时间的多次移动。本发明在充气模块和控制模块中均采用了无线传输模块和单片微控制器，进一步实现可控的化学放能反应，可根据控制指令实现机器人的连续运动。

本发明基于化学放能反应驱动方式，并结合柔性材料，以自然界水母为仿生对象，设计了一种仿水母的软体机器人。该机器人可以通过控制化学反应的发生来实现水下的自主运动和操纵，可以发生多次化学反应，进行多次快速驱动。并结合了无线传输技术将采集到的数据传输至地面站进行处理，实现远程监测和控制。

附图说明

图1为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人结构示意图；

图2为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的监测模块结构示意图；

图3为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的充气模块结构示意图；

图4为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的控制模块结构示意图；

图5为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的第一驱动模块结构示意图；

图6为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的化学反应过程示意图；

图7为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的运动状态示意图；

图8为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人的工作原理流程图；

图9为一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人定向驱动结构示意图。

图中：1-上部单元；2-中部单元；3-下部单元；4-监测模块；401-第一电池；402-声学传感器；403-第一无线传输模块；404-第一单片微控制器；5-充气模块；501-第二电池；502-第一电磁继电器；503-第二无线传输模块；504-第二单片微控制器；505-电磁阀；506-储气软管；6-控制模块；601-第三电池；602-第二电磁继电器；603-第三单片微控制器；604-升压变压器；605-第三无线传输模块；7-第一驱动模块；701-第一进气阀；702-第一火花塞；703-顶部腔室；704-底部腔室；705-第一柔性弹力隔膜；8-第一水腔；9-定向驱动器；900-驱动器壳体；901-第二水腔；902-第二驱动壳体；903-第二柔性弹力隔膜；904-第二进气阀；905-第二火花塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1-图9，一种基于化学放能反应连续驱动的仿水母水下软体机器人，包括上部单元1、中部单元2、下部单元3、监测模块4、充气模块5、控制模块6、第一驱动模块7，上部单元1、中部单元2、下部单元3均为软体材料，上部单元1和中部单元2采用防水胶连接，中部单元2与下部单元3之间采用螺纹连接，三者构成机器人的机壳组件。监测模块4、控制模块5和充气模块6均通过采用螺纹和螺钉的方式固定于上部单元1中，第一驱动模块7采用螺纹固定于下部单元3上端，中部单元2用于连接上部单元1和下部单元3。

继续参阅图2，监测模块4包括第一外壳及内置于第一外壳内的第一电池401、声学传感器402、第一无线传输模块403、第一单片微控制器404。声学传感器402将声学信号转化为电压信号有线传输至第一单片微控制器404。第一单片微控制器404控制第一无线传输模块403将信号无线传输至接收端。第一电池401为声学传感器402、第一无线传输模块403、单片机404提供电能。

继续参阅图3，充气模块5包括第二外壳及内置于第二外壳内的第二电池501、第一电磁继电器502、第二无线传输模块503、第二单片微控制器504、电磁阀505、储气软管506。第二无线传输模块503接收无线信号，通过第二单片微控制器504处理信号，并控制第一电磁继电器502回路的接通或分断，实现电磁阀505的开闭，控制储气软管506的气体进入第一驱动模块7。第二电池501为第一电磁继电器502、第二无线传输模块503、第二单片微控制器504、电磁阀505提供电能。

继续参阅图4，控制模块6包括第三外壳及内置于第三外壳内的第三电池601、第二电磁继电器602、第三单片微控制器603、升压变压器604、第三无线传输模块605。第三无线传输模块605接收无线信号，通过第三单片微控制器603处理信号，并控制第二电磁继电器602回路的接通或分断，实现控制第一驱动模块7的第一火花塞702放电形成电火花点燃反应气体。第三电池601为第二电磁继电器602、第三单片微控制器603、升压变压器604、第三无线传输模块605提供电能。

继续参阅图5，第一驱动模块7包括第一驱动壳体、第一进气阀701、第一火花塞702、第一柔性弹力隔膜705，第一驱动壳体包括顶部腔室703、底部腔室704，第一进气阀701和第一火花塞702设置于顶部腔室703上端，第一进气阀701与电磁阀505通过管路连接，充气模块5控制第一进气阀701向驱动气腔内充入反应气体，如丙烷和氧气。第一火花塞702分别与第三电池601和升压变压器604连接，控制模块6控制第一火花塞702点燃反应气体。气体燃烧膨胀会使第一柔性弹力隔膜705鼓起，第一水腔8内的水通过底部和侧壁的排水孔向外排出，产生向前的驱动力。

以图1，图7，图8为例解释仿水母水下软体机器人的工作过程。当水下软体机器人中的监测模块4探测到相关声学信号后，声学传感器402将声音信号转化为电信号，通过第一无线传输模块403传输至接收端。充气模块5中的第二无线传输模块503接收信号，通过第二单片微控制器504处理信号，并控制储气软管506的气体进入第一驱动模块7。控制模块6中的第三无线传输模块605接收无线信号，通过第三单片微控制器603处理信号，并控制第一驱动模块7的第一火花塞702放电形成电火花点燃反应气体。第一驱动模块7中的气体燃烧膨胀会使第一柔性弹力隔膜705鼓起，第一水腔8内的水通过底部和侧壁的排水孔向外排出，推动水下软体机器人向前运动，并且可以在无线信号的控制下实现迅速启动、连续驱动和水下监测等功能。

以图2所示为例解释该仿水母水下软体机器人监测模块的工作原理。当监测到目标信号后，声学传感器402将声学信号转化为电压信号有线传输至第一单片微控制器404。第一单片微控制器404控制第一无线传输模块403将信号无线传输至接收端。声学传感器402利用水中声波对水下目标进行探测，可用于海洋勘探、水下测量、水下导航、水下搜索等领域。

以图3所示为例解释该仿水母水下软体机器人的充气模块的工作原理。充气模块5中的第二无线传输模块503接收无线信号，通过第二单片微控制器504处理信号，并控制第一电磁继电器502回路的接通或分断，实现电磁阀505的开闭，控制储气软管506的气体进入第一驱动模块7。

以图4所示为例解释该仿水母水下软体机器人控制模块的工作原理。控制模块6中的第三无线传输模块605接收无线信号，通过第三单片微控制器603处理信号，并控制第二电磁继电器602回路的接通或分断，实现控制第一驱动模块7的第一火花塞702放电形成电火花点燃反应气体。

以图5，6，7所示为例解释该仿水母水下软体机器人第一驱动模块的工作原理。第一驱动模块7中的第一进气阀701与电磁阀505连接，充气模块5控制第一进气阀701向气腔内充入反应气体，如丙烷和氧气。第一火花塞702分别与第三电池601和升压变压器604连接，控制模块6控制第一火花塞702点燃反应气体。气体燃烧膨胀会使第一柔性弹力隔膜705鼓起，第一水腔8内的水通过底部和侧壁的排水孔向外排出，产生向前的驱动力，推动水下软体机器人向前运动。

继续参阅图9，为实现机器人的转向功能，本发明还做如下设置：机壳组件的前后左右四侧均设置定向驱动器9，定向驱动器9包括驱动器壳体900和第二驱动模块，驱动器壳体900具有上安装腔和第二水腔901，第二水腔901底部上开有与外界连通的排水孔，第二驱动模块包括第二驱动壳体902、第二柔性弹力隔膜903、第二进气阀904和第二火花塞905，第二驱动壳体902和第二柔性弹力隔膜903围构形成驱动气腔，第二驱动壳体902设置于上安装腔，第二进气阀904与充气模块5上相应的阀门连接，充气模块5为第二驱动模块供应化学放能反应气体，第二火花塞905与控制模块6的第三电池601和升压变压器604连接，用以控制第二火花塞905放电。当需要向左运动时，机器人右翼的定向驱动器9开始工作。当需要向右运动时，机器人左翼的定向驱动器9开始工作。当需要向前运动时，机器人后翼的定向驱动器9开始工作。当需要向后运动时，机器人前翼的定向驱动器9开始工作。

其中，第二进气阀904和第二火花塞905的管路和电线经机壳组件和驱动器壳体900内部与充气模块5和控制模块6连接，不露于外部，以实现防水。

图9中右侧的驱动器壳体900隐去了驱动器壳体900的顶盖，该顶盖罩住第二进气阀904和第二火花塞905。

上述定向驱动器9的结构相当于机壳组件+第一驱动模块7的组合，具体可参考机壳组件+第一驱动模块7的结构，定向驱动器9的工作方式也与第一驱动模块7相同，具体如下：当监测模块4监测到相关声学信号时，通过第一无线传输模块403传输至接收端，充气模块5中的第二无线传输模块503接收信号，通过第二单片微控制器504处理信号，并根据声学信号的方位控制储气软管506给与该方位相反的定向驱动器9供应气体，控制模块6中的第三无线传输模块605接收无线信号，通过第三单片微控制器603处理信号，并控制同一定向驱动器9的第二火花塞905放电形成电火花点燃反应气体。定向驱动器9中的气体燃烧膨胀会使第二柔性弹力隔903鼓起，第二水腔901内的水通过底部的排水孔向外排出，实现水下软体机器人转向。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。