[发明专利]一种仿生海底生物捕捞机器人

说明书

技术领域

本发明属于全景立体视觉技术、气动伺服控制技术和水下机器人技术在海底生物资源探索和捕捞方面的应用，尤其适用于海参等海底栖生物的捕捞。

背景技术

深海生物捕捞，即对深海生物进行捕捞，把生物从深海捕获出水进行科学研究或者其他商业用途。目前通常采用一种拖网捕获技术，它是一种利用船舶航行的拖拽式捕捞方式。底拖网是一种用于对深海底栖生物等小型生物进行捕获技术。这种底拖网技术对生态系统造成了灾难性伤害，珊瑚、海绵、鱼类和其它动物都将因此受到捕杀。同时众多海洋生物的栖息地—海山等水下生态系统也遭到了严重的破坏。这种捕捞方式对海洋生态系统造成了无法弥补的损失。由于拖网技术很难对生物进行有针对性的捕获，往往造成不分青红皂白的“滥杀无辜”，成功率低且浪费资源。

近年来水下机器人越来越多地运用于人类对深海资源的探索。其中，对深海生物资源的探索也是极为重要的一环。深潜器最直观的优点在于科学家可以远程进行操控并且针对性高，也不会对深海环境造成破坏。但是目前水下机器人十分昂贵，应用于商业用途的海底生物捕捞仍然存在着很多问题。

水下机器人又称无人遥控潜水器，其工作方式是由水面母船上的工作人员通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，采用水下电视、声呐等专用设备进行观察，并由机械手进行水下作业。在深海生物捕获中，水下机器人使用机械手把捕获的生物放入收集舱中带上水面。其中水下电视系统是最具有发展潜力的一种观察设备。如美国的伍兹霍尔（Woods Hole）海洋研究所开发了一台名为“全球最棒的漂流者”的深潜水下机器人，它配备有高清晰度摄像头，能在深达3000米的水下工作，科学家可远距离操作，将水中抓获的生物存放在机器人的收集舱中。但是，目前使用在水下机器人中的水下电视系统所获取的图像仍然是平面视觉信息，无法获得被捕获对象的深度信息；而且视觉范围十分有限。这种水下机器人的制造成本极其昂贵。

针对一些小型深海生物捕捞，研究人员研制了一种像双瓣贝壳的“大洋抓斗”，在撞击到海底时能快速闭合，将样品全部“抓”到斗内。此外，研究人员还设计了箱式取样器、重力取样器和活塞取样器等，将它们垂直下放到海底，利用特殊装置迅速将样品完好地取上来，这样就能对沉积物逐层加以研究。这种捕捞方式作业效率低，制造成本高。

自然界很多动物获取食物的方式给我们设计带来一些启示，即仿生海底生物捕捞机器手设计，如大象的鼻子能轻而易举地把树上的果子摘下，能将地面上的草连根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一块特殊的软骨，起“阀门”一样的作用。象吸水时，喉咙部位的肌肉收缩，“阀门”关闭，水可以顺利进入食道，大象的鼻子像人手一样灵活。研究表明，大象鼻子是近4万块富有弹性的小肌肉组成，它能极灵活地伸缩自如，作出灵巧地动作。在仿生海底生物捕捞机器手设计时，将捕捞机器手上的管道设计成如大象的鼻子，将捕捞过程模拟为象的鼻腔吸入捕捞对象的过程。有些海底生物在捕获食物时采用嘴部的吸力来吞取被捕获的对象，具有与大象的鼻子类似的功能。

对于海底生物捕捞过程，首先控制犹如大象鼻子的捕捞管道对准被捕捞的海底生物，然后利用捕捞管道内的负压发生装置产生真空脉冲来吸入被捕捞的海底生物，最后吸入的被捕捞的海底生物通过管道自动地滑落到水下机器人的收集舱，从而完成整个海底生物的捕捞过程；这种海底生物的捕捞动作是在瞬间完成，能有效提高捕捞速度；由于采用了真空脉冲式的吸入海底生物，能有效减少捕捞过程中的能耗，实现有针对性的高效捕获。

一种理想的仿生海底生物捕捞机器手设计采用人工肌肉实现的末端执行器具有柔顺性、灵巧性，其中人工肌肉技术来模拟大象的鼻子是一种最佳的选择设计方案。人工肌肉除了具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、安装简便等优点之外，还具有高功率／质量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性等优点。

早在1900年，“机构学之父”REULEAUX在关于生物机构学的研究中就提到了采用橡胶管模拟生物肌肉的原理。1913年，WILKINS发明了一种廉价可靠的管状膜片驱动器；真正有关人工肌肉的应用研究从20世纪80年代开始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型气动肌肉重新设计推出了Rubbertuator驱动器，并应用于多关节柔性臂Soft arm，吸引了一些研究者的关注，从此人工肌肉进入了实际应用领域，其潜在价值逐渐被人们认识，应用研究工作也蓬勃兴起。目前人工肌肉的主要研究还仅仅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，类似于大象鼻子的具有捕捞功能的仿生海底生物捕捞机器手的研究非常鲜见。