本發明屬于水下機器人領域，具體是涉及一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人。
背景技術：
1、傳統水下機器人普遍采用剛性結構或單一自由度關節設計，導致運動靈活性不足。這類機器人通常依賴螺旋槳推進，能耗高、噪聲大，且在狹窄空間或復雜地形中轉向、制動能力受限。螳螂蝦憑借其獨特的柔性脊柱結構和快速彈射能力，展現出卓越的機動性和推進效率，是水下機器人理想的仿生對象。現有針對仿螳螂蝦機器人的結構設計中，其重心位置通常固定不變，無法動態調節，導致機器人在湍流或障礙環境中姿態調節能力弱，影響運動精度。此外，現有的仿螳螂蝦機器人缺少沉浮系統，限制了機器人在三維空間中的靈活性和多模態運動能力（如快速上浮/下潛、懸停等）。本發明基于上述問題，并實現了具有創新性的設計功能，包含多功能柔性脊柱設計、沉浮系統設計，推進裝置設計。
技術實現思路
1、本發明為了提升仿螳螂蝦機器人的運動能力，提供一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，設計了具有重心調節功能的柔性脊柱、機器人沉浮系統以及推進裝置。
2、本發明的技術方案是：
3、一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，包括頭部、身體和尾部；所述頭部設置有控制硬件以及沉浮結構。所述身體由多功能柔性脊柱以及腹足模塊組成。所述多功能柔性脊柱由轉向調節結構和重心調節結構兩部分組成，為機器人提供轉向調節與重心調節功能。所述多功能柔性脊柱的一端連接所述頭部，另一端連接所述尾部。所述腹足模塊包括多個沿多功能柔性脊柱依次設置的仿生腹足結構，用于驅動機器人前進。
4、作為實施例的優選，所述多功能柔性脊柱分為轉向調節結構和重心調節結構兩部分。兩者通過一個鋼絲橡膠管結合在一起，整體的結構緊湊。轉向調節結構與重心調節結構分別通過一個防水伺服電機控制。通過控制防水伺服電機的角度調整所述多功能柔性脊柱的彎曲角度以及重心調節結構重心（質量塊）的位置。
5、作為實施例的優選，所述重心調節結構，包括帶輪、質量塊、鋼絲橡膠管、同步齒形帶、齒輪組以及重心調節伺服電機。所述鋼絲橡膠管兩側分別固定有主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座，所述主動齒形帶輪基座與齒輪組固定，所述被動齒形帶輪基座固定在轉向基座上；所述主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座上分別固定有主動齒形帶輪和被動齒形帶輪，所述同步齒形帶設置在所述鋼絲橡膠管內，張緊在兩側帶輪上，通過帶輪運動帶動所述同步齒形帶運動。所述質量塊與鋼絲橡膠管內的一側同步齒形帶固連。所述齒輪組的初始主動輪與重心調節伺服電機輸出端相連，齒輪組末端從動輪與主動齒形帶輪固定在一個軸上。
6、作為實施例的優選，所述尾部固定在鋼絲橡膠管末端，包括扇形外殼。所述扇形外殼下方設置有重心調節所需的齒輪組和重心調節伺服電機。所述齒輪組設置在齒輪組上固定板和齒輪組下固定板之間，所述齒輪組上固定板固定連接所述扇形外殼下端；所述齒輪組下固定板的一端固定連接所述主動齒形帶輪基座，另一端設置有重心調節伺服電機。
7、作為實施例的優選，所述轉向調節結構包括轉向基座、轉向舵盤、鋼絲繩和轉向調節伺服電機；所述轉向調節伺服電機安裝在所述轉向基座上；所述轉向舵盤連接所述轉向調節伺服電機的輸出軸；所述鋼絲繩纏繞在所述轉向舵盤上，所述鋼絲繩的兩端依次穿過各仿生腹足結構上設置的通孔后與尾部固定；所述尾部固定設置有兩個空心螺栓，所述鋼絲繩的端部穿過空心螺栓后與尾部固定。
8、作為實施例的優選，所述仿生腹足結構包括仿生腹足基座上部、仿生腹足基座下部和推進裝置。所述仿生腹足基座上部與仿生腹足基座下部可拆卸連接在多功能柔性脊柱上。所述仿生腹足基座上部的左右兩側設置有用于穿過所述轉向調節結構鋼絲繩的通孔。所述推進裝置成對設置在所述仿生腹足基座下部底端的左右兩側。
9、作為實施例的優選，所述推進裝置采用三關節設計，包括腹足運動伺服電機、腹足關節和金屬合頁。所述腹足運動伺服電機固定設置在所述仿生腹足基座下部底端，第一腹足關節為主動關節，所述第一腹足關節頂部的一端通過連桿與腹足運動伺服電機的輸出軸固定連接，所述第一腹足關節頂部的另一端通過連桿可擺動地設置在所述仿生腹足基座下部底端，兩側連桿的擺動軸線同軸；第二、第三腹足關節為被動關節，每個腹足關節之間采用金屬合頁鉸鏈連接，通過每一腹足關節上設置的凸起限位限制金屬合頁的旋轉角度。所述腹足關節運動角度為90度-180度。每一腹足關節的迎流面為弧形。
10、作為實施例的優選，所述沉浮結構由蠕動泵、水囊和防水艙組成。所述蠕動泵和水囊設置在所述防水艙內部，所述蠕動泵具有兩端排水口，通過蠕動泵的正反轉可實現進水與排水的轉換。所述蠕動泵的一端排水口通過水管穿過所述防水艙與外界環境連接，所述蠕動泵的另一端排水口通過水管與水囊連接，所述蠕動泵在停止工作的時候具有止水閥的功能。
11、作為實施例的優選，所述控制硬件包括主控、電源、運動控制硬件與環境感知硬件，所述運動控制硬件與環境感知硬件與主控進行數據傳輸，從而實現機器人的運動控制。所述運動控制硬件包括伺服電機驅動板和蠕動泵驅動板，所述伺服電機驅動板用于控制腹足運動伺服電機、轉向調節伺服電機和重心調節伺服電機，所述蠕動泵驅動板用于控制蠕動泵抽排水。所述環境感知硬件包括視覺主控和數據解算板，所述視覺主控接收設置在頭部前端的視覺傳感器傳輸的數據；所述數據解算板用于接收設置在頭部中的深度傳感器和姿態傳感器傳輸的數據。
12、本發明的有益效果如下：
13、1.本發明提出將可調節重心模塊與仿生柔性脊柱相結合的新型柔性脊柱，該設計通過將重心調節模塊集成于仿生柔性脊柱內部，采用滑動質量塊的設計實現重心位置的動態調整，同時不影響脊柱的彎曲運動。這種一體化設計不僅簡化了驅動系統的復雜性，還顯著降低了機器人的整體重量和體積，使其更適合在狹窄水下環境中執行任務。
14、2.本發明基于蠕動泵在機器人頭部集成了一種小型沉浮系統，該系統具有小型化、低成本和快速響應等顯著特點。
15、3.本發明仿生腹足結構采用可拆卸模塊化設計，推進部分（腹足關節）的迎流面為弧形可以減少水流阻力，整體設計便于維修與更換。
1.一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，包括頭部、身體和尾部；所述頭部設置有控制硬件以及沉浮結構；所述身體由多功能柔性脊柱以及腹足模塊組成；所述多功能柔性脊柱由轉向調節結構和重心調節結構兩部分組成，為機器人提供轉向調節與重心調節功能；所述多功能柔性脊柱的一端連接所述頭部，另一端連接所述尾部；所述腹足模塊包括多個沿多功能柔性脊柱依次設置的仿生腹足結構，用于驅動機器人前進。
2.根據權利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述多功能柔性脊柱分為轉向調節結構和重心調節結構兩部分；兩者通過一個鋼絲橡膠管結合在一起，整體的結構緊湊；轉向調節結構與重心調節結構分別通過一個防水伺服電機控制；通過控制防水伺服電機的角度調整所述多功能柔性脊柱的彎曲角度以及重心調節結構重心的位置。
3.根據權利要求2所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述重心調節結構，包括帶輪、質量塊、鋼絲橡膠管、同步齒形帶、齒輪組以及重心調節伺服電機；所述鋼絲橡膠管兩側分別固定有主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座，所述主動齒形帶輪基座與齒輪組固定，所述被動齒形帶輪基座固定在轉向基座上；所述主動齒形帶輪基座和被動齒形帶輪基座上分別固定有主動齒形帶輪和被動齒形帶輪，所述同步齒形帶設置在所述鋼絲橡膠管內，張緊在兩側帶輪上，通過帶輪運動帶動所述同步齒形帶運動；所述質量塊與鋼絲橡膠管內的一側同步齒形帶固連；所述齒輪組的初始主動輪與重心調節伺服電機輸出端相連，齒輪組末端從動輪與主動齒形帶輪固定在一個軸上。
4.根據權利要求3所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述尾部固定在鋼絲橡膠管末端，包括扇形外殼；所述扇形外殼下方設置有重心調節所需的齒輪組和重心調節伺服電機；所述齒輪組設置在齒輪組上固定板和齒輪組下固定板之間，所述齒輪組上固定板固定連接所述扇形外殼下端；所述齒輪組下固定板的一端固定連接所述主動齒形帶輪基座，另一端設置有重心調節伺服電機。
5.根據權利要求2所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述轉向調節結構包括轉向基座、轉向舵盤、鋼絲繩和轉向調節伺服電機；所述轉向調節伺服電機安裝在所述轉向基座上；所述轉向舵盤連接所述轉向調節伺服電機的輸出軸；所述鋼絲繩纏繞在所述轉向舵盤上，所述鋼絲繩的兩端依次穿過各仿生腹足結構上設置的通孔后與尾部固定；所述尾部固定設置有兩個空心螺栓，所述鋼絲繩的端部穿過空心螺栓后與尾部固定。
6.根據權利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述仿生腹足結構包括仿生腹足基座上部、仿生腹足基座下部和推進裝置；所述仿生腹足基座上部與仿生腹足基座下部可拆卸連接在多功能柔性脊柱上；所述仿生腹足基座上部的左右兩側設置有用于穿過所述轉向調節結構鋼絲繩的通孔；所述推進裝置成對設置在所述仿生腹足基座下部底端的左右兩側。
7.根據權利要求6所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述推進裝置采用三關節設計，包括腹足運動伺服電機、腹足關節和金屬合頁；所述腹足運動伺服電機固定設置在所述仿生腹足基座下部底端，第一腹足關節為主動關節，所述第一腹足關節頂部的一端通過連桿與腹足運動伺服電機的輸出軸固定連接，所述第一腹足關節頂部的另一端通過連桿可擺動地設置在所述仿生腹足基座下部底端，兩側連桿的擺動軸線同軸；第二、第三腹足關節為被動關節，每個腹足關節之間采用金屬合頁鉸鏈連接，通過每一腹足關節上設置的凸起限位限制金屬合頁的旋轉角度；所述腹足關節運動角度為90度-180度；每一腹足關節的迎流面為弧形。
8.根據權利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述沉浮結構由蠕動泵、水囊和防水艙組成；所述蠕動泵和水囊設置在所述防水艙內部，所述蠕動泵具有兩端排水口，通過蠕動泵的正反轉可實現進水與排水的轉換；所述蠕動泵的一端排水口通過水管穿過所述防水艙與外界環境連接，所述蠕動泵的另一端排水口通過水管與水囊連接，所述蠕動泵在停止工作的時候具有止水閥的功能。
9.根據權利要求1所述的一種具有多功能柔性脊柱的仿螳螂蝦水下機器人，其特征在于，所述控制硬件包括主控、電源、運動控制硬件與環境感知硬件，所述運動控制硬件與環境感知硬件與主控進行數據傳輸，從而實現機器人的運動控制；所述運動控制硬件包括伺服電機驅動板和蠕動泵驅動板，所述伺服電機驅動板用于控制腹足運動伺服電機、轉向調節伺服電機和重心調節伺服電機，所述蠕動泵驅動板用于控制蠕動泵抽排水；所述環境感知硬件包括視覺主控和數據解算板，所述視覺主控接收設置在頭部前端的視覺傳感器傳輸的數據；所述數據解算板用于接收設置在頭部中的深度傳感器和姿態傳感器傳輸的數據。