[发明专利]一种仿生水黾机器人及其运动控制方法

说明书

本发明提供一种仿生水黾机器人，包括主体框架，分别活动连接于主体框架两侧的一对前支撑腿和一对后支撑腿，对称设于主体框架两侧且位于前支撑腿和后支撑腿之间的一对驱动腿，以及连接驱动腿且用于驱动驱动腿进行往复摆动的传动装置，前支撑腿和后支撑腿与水面接触的部分经过超疏水处理，驱动腿的摆动平面与水面的夹角α为14°～16°。本发明还提供了一种仿生水黾机器人的运动控制方法。本发明克服现有的仿水黾机器人无法更接近于水黾的真实运动形态，运动效率低的不足，本发明在简化机构的基础上能使机器人在运动上更加接近水黾，能减少自重和能量损耗，提高灵敏度和运动效率。

技术领域

本发明涉及水上机器人技术领域，更具体地，涉及一种仿生水黾机器人及其运动控制方法。

背景技术

水黾是一种在湖水、池塘、水田和湿地中常见的小型水生昆虫，水黾科昆虫有3对足，前足较短，中、后足很长，向四周伸开，中间的一对腿是驱动的腿。水黾足的跗节上的毛使得它们可以借助表面张力在水面上非常快地运动，而不会下沉，研究人员发现，水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，这就是这种昆虫非凡浮力的原因。水黾正是利用其腿部特殊的微纳米结构，将空气有效地吸附在这些同一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。近几年仿水黾机器人的发展得到很多方面的关注。

由于仿水黾机器人依赖其超疏水性浮在水面上，因此其活动范围能扩展到传统水上装置无法到达的超浅水域及水下暗礁较多的水域，具有水质监测，水面搜索，特种侦查等作用。同时由于水黾的浮水原理是表面张力主导的，要使其在水面较高效率地运动，不能使用马达和螺旋桨，否则会破坏其超疏水性，导致其失去平衡甚至沉没。中国专利公开了一种水上漂浮仿生水黾机器人，其采用涂有疏水剂的金属丝作为腿部结构，采用电池作为驱动能源的三级齿轮驱动机构；中国专利还公开了一种仿生水黾机器人，主要包括机架、对称安装在机架上的前后四条支撑腿和中间左右两条划水腿、舵机组件和控制电路，其承载能力有所提高，但在波浪中的稳定性较差。

但是，现有的仿水黾机器人公开的结构都只模仿了水黾外形，并没有对其运动状态及水黾的排水原理进行仿生设计，因此运动效率低下且灵敏度低，无法更接近于水黾的真实运动形态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的仿水黾机器人无法更接近于水黾的真实运动形态，运动效率低的不足，提供一种仿生水黾机器人及其运动控制方法。本发明在简化机构的基础上能使机器人在运动上更加接近水黾，能减少自重和能量损耗，提高灵敏度和运动效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种仿生水黾机器人，包括主体框架，分别连接于主体框架前后两端的一对前支撑腿和一对后支撑腿，对称设于主体框架两侧且位于前支撑腿和后支撑腿之间的一对驱动腿，以及连接驱动腿且用于驱动驱动腿进行往复摆动的传动装置，前支撑腿和后支撑腿与水面接触的部分为经过超疏水处理的部分，驱动腿的摆动平面与水面的夹角α为14°～16°。

需要说明的是，本发明依靠前支撑腿和后支撑腿上经过超疏水处理的与水面接触的部分，使得前后支撑腿的表面张力来主导飘浮作用，不同于现有通过浮筒等结构来模仿水黾仿生机器人的结构设计，本发明更贴近水黾本身的飘浮原理；同时通过驱动腿的摆动平面与水面成一定角度，使得驱动腿进行摆动时可以对水黾的运动状态进行划水仿生，采用这种方式对水面进行拨动产生推力，在运动过程中一方面能够起到一定的平衡作用，另一方面能够提供向前的驱动力，结构简单巧妙，且运动过程的灵敏度更高。

进一步的，每个前支撑腿包括一端与主体框架铰接的第一连接腿，铰接在第一连接腿另一端的第一疏水板，后支撑腿包括一端与主体框架铰接的第二连接腿，铰接在第二连接腿另一端的第二疏水板，第一连接腿的长度大于第二连接腿的长度，第一疏水板和第二疏水板与水面保持平行。这样，通过第一连接腿和第二连接腿长度的调整，实现驱动腿摆动平面与水面成一定角度差异，同时疏水板模仿水黾腿部特殊的微纳米结构，实现对水面的表面张力；本发明的疏水板可采用较大面积板材，以提供更大的表面张力。