CN100465065C - 一种模块化仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化机器鱼，其特征在于：它包括单独密封且模块化设置的鱼头模块，左、右胸鳍模块，至少两个驱动模块和尾鳍；所述鱼头模块内设置有控制装置和带动所述左、右胸鳍模块做沉浮运动的主电机，所述左、右胸鳍模块的主轴通过动密封机构连接所述主电机；所述左、右胸鳍模块内分别设置有带动所述翼形胸鳍做俯仰运动的辅电机，所述翼形胸鳍的胸鳍轴通过动密封机构连接所述辅电机，所述驱动模块通过摆杆依次串连摆动连接，第一个所述驱动模块通过头尾连接机构固定连接在所述鱼头模块的后方，所述尾鳍通过尾鳍连接件连接在最后一个所述驱动模块的后方。本发明的模块化设置和两自由度的胸鳍机构，使仿生机器鱼更灵活可靠，可广泛用于水下探测，海洋资源开发等各领域中。

Description

一种模块化仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种模块化仿生机器鱼，特别是关于一种具有两自由度胸鳍机构的模块化仿生机器鱼。

背景技术

随着人类对海洋资源的不断开发与利用，当今的自主水下机器人(AutonomousUnderwater Vehicle，AUV)已经成为了人类进行海洋研究和探索的重要平台。AUV大多具有类似鱼雷的水动力学外形，采用螺旋桨推进器来产生推进力，利用多个控制面进行机动运动。采用这种设计机构的AUV存在着推进效率低，机动性能差，对环境扰动大等缺点，因此极大地限制了AUV在狭窄，复杂和动态环境中的应用。与人造水下潜器相比，鱼类和鲸豚类等海洋生物经过亿万年的自然选择和环境适应，进化出了集推进和机动运动于一体的推进机制，获得了非凡的水中运动能力，其游动的高效率，高机动性以及良好的隐蔽性都是AUV所无法企及的。随着人类对鱼类游动机理认识的不断深入和相关技术的发展，近年来一种采用仿生推进机制的水下潜器应运而生。

机器鱼是一种利用鱼类游动机理实现推进的水下潜器，大多采用柔软的身体和摆动的尾鳍来产生推进力，如美国麻省理工学院的第一条机器鱼“Robotuna”和后来的“RoboPike”，美国Draper实验室的采用涡控制实现推进的自主水下机器人“VCUUV”，日本运输省船舶技术研究所的系列机器鱼，日本名古屋大学采用形状记忆合金推进的微型波动式水下机器人以及英国Essex大学开发的各种机器鱼。为了实现防水密封，机器鱼大多采用整体密封方式，即以防水蒙皮包裹柔性尾部，并用密封胶粘接在刚性头部上的方式。整体密封方式可在一定程度上实现机器鱼的防水密封，但是具有密封性能差，游动效率低，上升下潜困难等缺点，严重地限制了机器鱼推进性能的提高。另外，以往的机器鱼都采用单一的尾鳍实现推进和转弯，然而自然界中的鱼类除了尾鳍，还具有胸鳍，背鳍，臀鳍，腹鳍等，它们在鱼类的推进，转弯，维持平衡，上升下潜，减速制动等方面起着重要的作用，研究各类鱼鳍的结构和功能，并采用人工的手段模拟复现鱼鳍的运动将大幅提高机器鱼的游动性能。以上两个方面是机器鱼投入实际应用的关键技术难题，灵活可靠的防水密封方式以及运动自如的仿鱼鳍机构在仿生机器鱼领域仍是空白，有待开发。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种单独密封的模块化的且具有两自由度胸鳍机构的模块化仿生机器鱼。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模块化机器鱼，其特征在于：它包括单独密封且模块化设置的鱼头模块，左、右胸鳍模块，至少两个驱动模块和尾鳍；所述鱼头模块内设置有控制装置和带动所述左、右胸鳍模块做沉浮运动的主电机，所述左、右胸鳍模块的主轴通过动密封机构连接所述主电机；所述左、右胸鳍模块内分别设置有带动所述翼形胸鳍做俯仰运动的辅电机，所述翼形胸鳍的胸鳍轴通过动密封机构连接所述辅电机，所述驱动模块通过摆杆依次串连摆动连接，第一个所述驱动模块通过头尾连接机构固定连接在所述鱼头模块的后方，所述尾鳍通过尾鳍连接件连接在最后一个所述驱动模块的后方。

所述驱动模块的尾部均呈完整半圆弧面，所述驱动模块的头部均呈与所述完整半圆弧面同心的不完整半圆弧面。

所述鱼头模块的流线形壳体和驱动模块的框架主体、顶盖均采用轻质铝合金材料，所述鱼头模块和驱动模块的侧盖均采用密封粘接的透明有机玻璃材料。

所述动密封机构包括一被密封轴，两个轴承的内圈分别设置在所述被密封轴的轴肩上，一压盖穿过所述被密封轴压住其中一所述轴承的外圈，一个端盖穿过所述被密封轴压住另一轴承的外圈，且所述端盖通过螺钉固定在所述压盖上，在所述两轴承之间填充有密封用的黄油层，在所述压盖的周向设置有用于安装的凸缘，所述凸缘上间隔设置有安装孔。

所述黄油层的轴向长度至少为8mm。

所述头尾连接机构将包括，包括一U形连接件，所述U形连接件的背部和两伸出端上分别设置有与所述鱼头模块和第一所述驱动模块固定安装的连接孔，所述U形连接件的下部设置有与所述左、右两胸鳍模块转动连接的两支撑轴。

所述尾鳍连接件为上、下两个弓形部件，所述尾鳍连接件头部设置有用于与后续驱动模块尾部连接的安装孔，所述尾鳍连接件尾部设置有连接所述尾鳍的安装孔。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用模块化思路设计机器鱼，将机器鱼本体划分为多个独立密封防水的模块，单个模块的泄漏不会影响其它的模块，提高了机器鱼的可靠性。2、对于机器鱼的故障，可从单个独立的模块着手进行维修，免除了对整体的拆卸、安装和再密封，使机器鱼的维护方便快捷。3、通过模块之间的连接实现机器鱼的柔性身体，可免除防水蒙皮由于水压变化造成的机器鱼体积的可变性，保证机器鱼的浮力为一定值，使上升下潜容易实现。4、通过改变驱动模块的数量，能够实现具有不同形态和游动模式的机器鱼，可方便地研究不同形态机器鱼的运动学和水动力学问题，以及为不同游动模式的机器鱼设计运动控制算法。5、本发明具有两自由度的胸鳍机构可实现机器鱼的上升下潜，转弯，制动，提高机器鱼运动的灵活性。6、本发明将鱼头模块和驱动模块的侧盖全部使用透明有机玻璃材料，因此可以方便观察漏水情况。7、本发明将相邻驱动模块的头尾连接处设置成完整半圆弧面和同心连接的不完整半圆弧面的结合，因此使驱动模块之间的配合紧密，最大限度地降低了结构对水产生的阻力。8、本发明提供的动密封装置，通过黄油层密封，结构简单，阻力小。本发明提供的仿生机器鱼稳定可靠，运动灵活，可以广泛用于水下探测，海洋资源开发等各领域中。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是本发明安装有控制装置的鱼头模块内部结构示意图

图3是本发明胸鳍模块半剖立体示意图

图4是本发明驱动模块半剖立体示意图

图5是本发明头尾连接机构示意图

图6是本发明尾鳍与尾鳍连接件结构示意图

图7是本发明动密封机构示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括鱼头模块1，在鱼头模块1的后下方对称摆动连接一左、右胸鳍模块2、3，在鱼头模块1的后方依次串联第一驱动模块4，第二驱动模块5和尾鳍6，在鱼头模块1与第一驱动模块4之间由头尾连接机构7固定连接，第一驱动模块4通过摆杆8与第二驱动模块5摆动连接，第二驱动模块5通过尾鳍连接件9与尾鳍6摆动连接，在各摆动连接的动力输出部位分别设置有动密封机构10。

如图2所示，本发明的鱼头模块1包括由轻质铝合金制成的一流线型壳体11，在流线形壳体11的两侧分别设置一侧盖12，为了方便检测漏水情况，两侧盖12可以采用透明有机玻璃制成，两侧盖12通过防水密封胶与流线形壳体11粘结，在鱼头模块1上部通过防水密封胶安装了防水电源开关13、天线14和充电插头15。在鱼头模块1内部设置了无线通信模块16，运动控制电路板17，可充电电池组18，加速度、压力、温度、红外避障等传感器和驱动左、右胸鳍模块2、3做沉浮运动的驱动装置。

左、右胸鳍模块2、3做沉浮运动的驱动装置是对称的结构，现仅以左胸鳍模块2的驱动装置为例加以说明。左胸鳍模块2做沉浮运动的驱动装置包括主电机19，固定支架20，联轴器21和主轴22。主电机19具有定位孔，通过螺钉固定在固定支架20上，固定支架20通过螺钉固定在流线形壳体11的底面内，主电机19的输出端通过联轴器21与主轴22连接，主轴22穿过位于流线形壳体11尾部的动密封机构10，将运动输出到鱼头模块1外部。

上述运动控制电路板17为机器鱼的控制核心，通过串口接收来自无线通信模块16的上位机命令，对命令进行解释并产生PWM(脉冲宽度调制)信号，完成各个转动轴的伺服运动控制。无线通信模块16通过天线14悬挂在鱼头模块1内的上部，负责完成机器鱼与上位机的无线射频通信。可充电电池组18的容量较大，比如使用4.8V/2500mAh镍氢电池组，为机器鱼的各电机和电路系统提供所需的能源。

如图3所示，本发明的左、右胸鳍模块2、3是对称的结构，故仅以左胸鳍模块2为例加以说明。左侧胸鳍模块2包括翼形胸鳍23，分成两部分的上、下密封壳体24、25，设置在上、下密封壳体24、25连接处的O形密封圈26，固定在下半壳体25内的驱动左胸鳍模块2做俯仰运动的辅电机27，辅电机27的输出端通过一联轴器28与胸鳍轴29连接，胸鳍轴29通过位于上半壳体24的动密封机构10后，通过螺钉与翼形胸鳍23连接。在下半壳体25的两侧分别具有一转轴孔30、31，其中一个转轴孔30用于连接从鱼头模块1后下方伸出的主轴22，另一个转轴孔31用于连接头尾连接机构7上的支撑轴75(此结构将在后面详细描述)，作为辅助支撑。鱼头模块1内的主电机19通过主轴22可带动左胸鳍模块2做沉浮运动，鱼头模块1内的另一主电机19通过另一主轴22可以带动右胸鳍模块3做沉浮运动。左、右胸鳍模块2、3上的翼形胸鳍23既可以通过主电机19带动主轴22的驱动做沉浮运动，又可以通过辅电机27带动鱼鳍轴29的驱动做俯仰运动，从而完成两个自由度的运动，通过对两个自由度的协调控制，能够实现机器鱼的推进，转弯，维持平衡，上升下潜，减速制动等功能。

如图4所示，本发明第一、二驱动模块4、5结构完全相同，下面仅以第一驱动模块4为例加以说明，第一驱动模块4包括采用轻质铝合金加工而成的框架主体41，在框架主体41两侧的采用透明有机玻璃制成的侧盖42，侧盖42通过防水密封胶与框架主体41粘结。框架主体41的上端面设置有O形密封圈，并通过螺钉44密封连接一顶盖45，顶盖45上设置有连接摆杆8的螺纹孔46。框架主体41上设置有电机支架47，在电机支架47内用螺钉固定一驱动电机48，驱动电机48的输出端通过一联轴器49连接一输出轴50，输出轴50穿出顶盖45上的动密封机构10，露出顶盖45。

如图1所示，将铝合金材料制作的摆杆8的一端固定连接在第一驱动模块4顶部的输出轴50上，摆杆8的另一端固定在第二驱动模块5顶部的螺纹孔46中，从而可以通过摆杆8的连接实现两个驱动模块4、5之间的相对摆动。为了实现第一、二驱动模块4、5的顶部和底部联动，在第一驱动模块4的底部设置一轴承座51，在轴承座51内通过轴承连接一与输出轴50同轴线的辅助轴52，在辅助轴52上固定另一摆杆8，摆杆8的另一端通过螺钉固定在与第二驱动模块5顶部螺纹孔46位置对应的螺纹孔中。

如图1、图2、图5所示，本发明鱼头模块1和第一驱动模块4之间的连接采用头尾连接机构7，头尾连接机构7同时还用于连接并支撑左、右胸鳍模块2、3做沉浮运动。头尾连接机构7包括一U形连接件71，U形连接件71的背部和两伸出端上分别设置有连接孔72、73，在U形连接件71的下部还设置有左右对称的两轴承74，在每一轴承中安装一支撑轴75，并通过端盖76将轴承74固定在连接件71内，U形连接件71上还设置有多个用于模块间连接导线通过的槽77。

头尾连接机构7安装时，将U形连接件71通过其上的连接孔72固定在鱼头模块1的后部；U形连接件71上的两支撑轴75与鱼头模块1后下部的两主轴22位置对应，将左、右鱼鳍模块2、3上的转轴孔30分别与两主轴22固定连接，左、右鱼鳍模块2、3上的转轴孔31分别与两支撑轴75转动连接；将U形连接件71的两伸出端分别通过其上的连接孔73固定在第一驱动模块4顶部的螺纹孔46上。

如图1、图4所示，本发明的机器鱼身体采用由摆杆8串连摆动连接的多个单独密封的驱动模块组成，除上述第一、二驱动模块4、5以外，还可以多个后续的驱动模块，比如第三驱动模块，还有第四驱动模块、第五驱动模块等。本发明各驱动模块的尾部均设计成一完整半圆弧面53，各驱动模块的头部均设计成与完整半圆弧面53同心的不完整半圆弧面54。这样，当前一驱动模块的输出轴50通过摆杆8带动后一驱动模块摆动时，可以保证两驱动模块之间形成间隙很小的光滑的转动连接方式，使结构对水产生的阻力降到最低。

上述第一驱动模块5的头部因与鱼头模块1之间没有相对摆动，因此第一驱动模块5的头部也可以设置成平面形状，以鱼头模块形成较贴近的连接。同时也可以将鱼头模块1的尾部设置成半圆弧面，以适应第一驱动模块4头部的不完全半圆弧面54。相对这些灵活的变化，头尾连接机构7的形状和连接也是可以有所变化的。

如图6所示，本发明的尾鳍连接件9为上下两个弓形部件，尾鳍连接件9的头部设置有安装孔91，用于与第二驱动模块5或最后一个驱动模块(如果是多个驱动模块)的输出轴50和辅助轴52连接。尾鳍连接件9的尾部设置有安装孔，通过螺钉或铆钉92与尾鳍6相连接。尾鳍6呈新月形，采用橡胶或塑胶材料制成，以具有弹性。

本发明中使用了多处动密封机构10，尽管本发明各动密封机构10在被密封装置中的连接结构或位置不尽相同，但是其密封原理相同。如图7所示，动密封机构10包括一为台阶轴的被密封轴101(可以是上述主轴22、胸鳍轴29、输出轴50等)，两个轴承102、103的内圈分别设置在被密封轴101的轴肩104、105上，一压盖106穿过被密封轴101压在轴承102的外圈，一个端盖107穿过被密封轴101压在轴承103的外圈，并通过螺钉108固定在压盖106上，在两轴承102、103之间填充有密封用的黄油层109，为保证可靠的密封，要求黄油层109的轴向长度至少为8mm。在压盖106周向设置有用于安装的法兰盘状凸缘110，凸缘110上间隔设置有安装孔111。

本发明的动密封机构10使用时，将凸缘110上的安装孔111与相对部件(比如：上述流线形壳体11，左、右胸鳍模块2、3的上壳体24，各驱动模块的顶盖45等)上的安装孔对应，通过螺钉固定在一起，便可以通过动密封机构10内的黄油层109实现动密封。本发明的动密封机构10阻力小，结构紧凑，但不易在深水中使用。

上述实施例中，各模块的平均密度稍低于水的比重，以保证少量的配重可实现整体的中性浮力；竖直稳定，模块的重心设计在浮心以下，以保证竖直漂浮在水中，重心的调节可以保证机器鱼运动的机动性和稳定性，这是现有技术中通常采取的方法，在此不再赘述。

本发明上述结构中，各部件的形状和连接是可以有所变化的，某些部件的采用和位置的设置也是可以变化的，本发明不应受到上述各实施例的限制，凡根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种模块化机器鱼，其特征在于：它包括单独密封且模块化设置的鱼头模块，左、右胸鳍模块，至少两个驱动模块和尾鳍；所述鱼头模块内设置有控制装置和带动所述左、右胸鳍模块做沉浮运动的主电机，所述左、右胸鳍模块的主轴通过动密封机构连接所述主电机；所述左、右胸鳍模块内分别设置有带动翼形胸鳍做俯仰运动的辅电机，所述翼形胸鳍的胸鳍轴通过动密封机构连接所述辅电机，所述驱动模块通过摆杆依次串连摆动连接，第一个所述驱动模块通过头尾连接机构固定连接在所述鱼头模块的后方，所述尾鳍通过尾鳍连接件连接在最后一个所述驱动模块的后方，所述动密封机构包括一被密封轴，两个轴承的内圈分别设置在所述被密封轴的轴肩上，一压盖穿过所述被密封轴压住其中一所述轴承的外圈，一个端盖穿过所述被密封轴压住另一轴承的外圈，且所述端盖通过螺钉固定在所述压盖上，在所述两轴承之间填充有密封用的黄油层，在所述压盖的周向设置有用于安装的凸缘，所述凸缘上间隔设置有安装孔。

2、如权利要求1所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述驱动模块的尾部均呈完整半圆弧面，所述驱动模块的头部均呈与所述完整半圆弧面同心的不完整半圆弧面。

3、如权利要求1所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述鱼头模块的流线形壳体和驱动模块的框架主体、顶盖均采用轻质铝合金材料，所述鱼头模块和驱动模块的侧盖均采用密封粘接的透明有机玻璃材料。

4、如权利要求2所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述鱼头模块的流线形壳体和驱动模块的框架主体、顶盖均采用轻质铝合金材料，所述鱼头模块和驱动模块的侧盖均采用密封粘接的透明有机玻璃材料。

5、如权利要求1或2或3或4所述一种模块化机器鱼，其特征在于：所述黄油层的轴向长度至少为8mm。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述头尾连接机构包括一U形连接件，所述U形连接件的背部和两伸出端上分别设置有与所述鱼头模块和第一所述驱动模块固定安装的连接孔，所述U形连接件的下部设置有与左、右两胸鳍模块转动连接的两支撑轴。

7、如权利要求5所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述头尾连接机构包括一U形连接件，所述U形连接件的背部和两伸出端上分别设置有与所述鱼头模块和第一所述驱动模块固定安装的连接孔，所述U形连接件的下部设置有与左、右两胸鳍模块转动连接的两支撑轴。

8、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述尾鳍连接件为上、下两个弓形部件，所述尾鳍连接件头部设置有用于与第二驱动模块或最后一个驱动模块的输出轴和辅助轴连接的安装孔，所述尾鳍连接件尾部设置有通过螺钉或铆钉连接所述尾鳍的安装孔。

9、如权利要求5所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述尾鳍连接件为上、下两个弓形部件，所述尾鳍连接件头部设置有用于与第二驱动模块或最后一个驱动模块的输出轴和辅助轴连接的安装孔，所述尾鳍连接件尾部设置有通过螺钉或铆钉连接所述尾鳍的安装孔。

10、如权利要求6所述的一种模块化机器鱼，其特征在于：所述尾鳍连接件为上、下两个弓形部件，所述尾鳍连接件头部设置有用于与第二驱动模块或最后一个驱动模块的输出轴和辅助轴连接的安装孔，所述尾鳍连接件尾部设置有通过螺钉或铆钉连接所述尾鳍的安装孔。

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