CN101758916A - 一种自主式机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主式机器鱼，它包括一密封的主舱体，主舱体两侧分别通过一动密封装置连接一胸鳍，主舱体后端部通过上、下两连接杆连接一扇形尾鳍，上连接杆与主舱体的尾鳍驱动输出端之间设置有一动密封结构；主舱体包括上壳体和下壳体，上壳体密封连接下壳体，上壳体内设置有控制装置和通信模块；下壳体内前部设置有摄像头转动机构，中部设置有一对对称分布的左、右胸鳍推进机构，后部设置有尾鳍推进机构；尾鳍推进机构舵机下方设置有逻辑电源，在控制板密封盒下方，两胸鳍推进机构舵机的上方设置有动力电源；尾鳍推进机构舵机的一侧设置有电源模块。本发明采用多种仿生的推进方式，在水环境中具有多种运动形态，可自由切换，能实现自主定位、自主决策等功能。本发明可以广泛应用于环境监测、海底勘查、打捞救助以及军事侦察等任务。

Description

一种自主式机器鱼

技术领域

本发明涉及一种水下仿生机器鱼，特别是关于一种基于云台式视觉系统的自主式机器鱼。

背景技术

人类正面临着人口、资源和环境三大难题，为了生存和发展，海洋开发势在必行。海洋蕴藏着丰富的矿物资源和生物资源，是人类可持续发展的重要财富。随着陆地上资源的不断减少，海洋对于人类的发展和社会的进步将起到至关重要的作用。探索、考察和有效利用海洋空间以及海底资源是对各国经济发展和军事战略装备提出的更高挑战。

水下生物种类繁多，具有卓越的信息感知能力和运动能力，因此仿生水下机器人引起了各国研究人员的广泛关注。根据水下生物的运动机理，研制高速、低噪声、机动灵活的新型仿生水下机器人成为水下航行器领域一个重要的研究方向。从生产成本和研发时间的角度去考虑，小型水下仿生机器人成为很多科研机构和企业的首选，因其不仅可以实现各种大型水下航行器的运动模式，而且研制周期较短，成本较低，其机理更可以推广到大型水下航行器中去，有效地节省了科研成本。

经过亿万年的自然选择，鱼类因其对水环境良好的适应能力以及多样的推进方式，成为水下机器人领域的重点仿生对象，随着相关领域技术的不断完善，仿生机器鱼技术得到了迅速的发展。自主式机器鱼除了具有灵活机动的水下三维运动能力，还要具有一定的智能性，以适应复杂多变的水下环境，其研究价值主要体现在：(1)将鱼类推进机理应用于水下航行器，提高水下航行器的推进效率和机动性能；(2)通过研究水下仿生机器人，揭示鱼类卓越运动本领的奥秘；(3)机器鱼具有水下三维运动的能力，能够完成各种水下任务；(4)信息采集设备的加入，使得自主式机器鱼具有一定的智能性，在无法跟人交互的情况下，可以独立完成指定任务；(5)自主式机器鱼形体小，耗能少，所以能够在有限能源支持下，工作较长的时间。仿生对象是机器鱼研制的首要问题，选择具有卓越运动能力、同时又易于在工程上实现的仿生对象，是机器鱼研制成功的关键。此外，目前机器人获得外界信息的手段主要依靠摄像头，即单目视觉，受硬件设备的影响较大，视野范围较窄，因而如何扩大机器鱼的视野范围是自主式机器鱼设计中亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能自主定位、自主决策且易于功能扩展和二次开发的自主式机器鱼。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种自主式机器鱼，其特征在于：它包括一密封的主舱体，所述主舱体两侧分别通过一动密封装置连接一由硬木材质制成的胸鳍，所述主舱体后端部通过上、下两连接杆连接一由柔软橡胶材质制成的扇形尾鳍，所述上连接杆与所述主舱体的尾鳍驱动输出端之间设置有一采用油密封的动密封结构；所述主舱体包括一上壳体和一下壳体，所述上壳体密封固定连接所述下壳体，所述上壳体内设置有一密封盒，所述密封盒内设置有一控制装置和一与天线连接的通信模块；所述下壳体内前部设置有一摄像头转动机构，中部设置有一对对称分布的左、右胸鳍推进机构，后部设置有一尾鳍推进机构；在所述尾鳍推进机构舵机的下方，设置有一逻辑电源；在所述密封盒下方，两所述胸鳍推进机构舵机上方设置有一动力电源；所述尾鳍推进机构舵机的一侧设置有一置于所述密封盒内的电源模块。

所述左、右胸鳍的胸鳍推进机构为对称结构，均包括舵机支架，所述舵机支架通过螺丝固定在所述下壳体上，所述舵机支架上固定设置有所述胸鳍推进机构的舵机；所述舵机的输出力矩通过一联轴器传递给一大齿轮，所述大齿轮与一小齿轮啮合，所述小齿轮固定设置在一通过轴承与轴承座连接的输出轴上，所述轴承座通过螺丝固定连接一顶盖，所述顶盖固定在所述下壳体上；所述输出轴的另一端依次穿过所述顶盖和一与所述顶盖紧配合的法兰盖后，分别与所述左、右胸鳍连接。

所述大齿轮和小齿轮的齿数比为2∶1；所述舵机的旋转角度为180°。

所述扇形尾鳍的尾鳍推进机构包括一舵机，所述舵机设置在一舵机前支架和一舵机支后架之间；所述舵机的输出端通过一联轴器将输出力矩传输给一输出轴，所述输出轴依次通过所述动密封机构和上连接杆连接所述扇形尾鳍，与所述输出轴同轴设置有一连接在所述下壳体上的被动输出轴，所述被动输出轴通过所述下连接杆连接所述扇形尾鳍。

所述摄像头转动机构包括一对固定在所述下壳体上的舵机支架，所述舵机支架上设置有一舵机，所述舵机的输出端通过一联轴器与一摄像头输出轴连接，所述摄像头输出轴与一摄像头支架连接，所述摄像头支架上固定连接一摄像头。

所述自主式机器鱼的身体设置为流线型的立方体，所述上、下壳体的前后端均设置为圆弧形的立方体形状。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于是以盒子鱼为原型设计，采用多种仿生的推进方式，在水环境中具有多种运动形态，可自由切换，因此具有良好的环境适应能力。2、本发明由于采用基于旋转式摄像头的方式采集环境信息，具有更广阔的视野范围，能实现自主定位、自主决策等功能。3、本发明采用的左右胸鳍推进机构，在静止时，胸鳍摆动翼水平的置于主舱体两侧，通过以一致的振幅和频率对称摆动来实现推进和后退，通过不对称的摆动来实现转弯，通过同时竖直放置来实现刹车，对水面扰动小，因此具有一定的隐蔽性。4、本发明采用的尾鳍推进机构，胸鳍摆动翼水平的置于主舱体两侧，通过扇形尾鳍的摆动实现前进和转弯，具有较高的推进效率以及良好的机动性能。5、本发明可以结合胸鳍和扇形尾鳍实现游动，如胸鳍实现推进，扇形尾鳍作为舵，改变运动方向；或者胸鳍成一定的攻角，靠扇形尾鳍实现推进，完成上升和下潜运动。由于具有多种游动步态，可以使机器鱼在水环境中根据具体情况选择不同游动步态，进一步提高了机器鱼对复杂环境的适应能力。6、本发明由于采用具有较高比能量的可充电锂电池作为动力电源和逻辑电源，分别给动力源(舵机)和控制系统(控制电路板)供电，因此保证了系统的稳定运行。7、本发明由于采用将控制板由专用的密封盒密封，因而避免了因鱼体防水效果不好而导致控制板无法稳定启动的情况。8、本发明机械结构精简，功能全面，控制效果良好，实现了机器鱼的水下三维复杂运动。本发明可以广泛应用于环境监测、海底勘查、打捞救助以及军事侦察等任务。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的主舱体结构分解示意图

图3是本发明的胸鳍推进机构示意图

图4是本发明的尾鳍推进机构示意图

图5是本发明的摄像头转动机构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一密封的主舱体10，主舱体10两侧分别通过一动密封装置30连接有一由硬木材质制成的胸鳍40，主舱体10后端部通过上、下两连接杆50、51连接一由柔软橡胶材质制成的扇形尾鳍60，上连接杆50与主舱体10的尾鳍驱动输出端之间设置有一采用油密封的动密封结构70。

如图2所示，本发明的主舱体10包括一上壳体11和一下壳体12，将整个机器鱼的身体设计成近似流线型的立方体，同时为了减小阻力，上、下壳体11、12的前后端均设置为圆弧形的立方体形状。上壳体11通过0型密封圈螺纹固定在下壳体12上，且上、下壳体11、12为直口密封。上壳体11内设置有一密封盒13，密封盒13内设置有一控制装置和一与天线14连接的通信模块。下壳体12内前部设置有一摄像头转动机构15，下壳体12的中部设置有一对对称分布的左、右胸鳍推进机构16，在下壳体12的后部设置有一尾鳍推进机构17。为了提高电源设备的使用效率，采用逻辑电和动力电分开供应的方式，在尾鳍推进机构17舵机的下方，设置有一逻辑电源18，在密封盒13下方，两胸鳍推进机构16舵机的上方设置有一动力电源19。为了节省空间以及方便使用各种电源设备，将控制系统中的电源部分单独隔离开来构成电源模块20，电源模块20设置于尾鳍推进机构17舵机的一侧并置于密封盒内单独密封。本发明的控制系统由电源模块20和密封盒13内的控制装置两部分组成。

如图3所示，本发明左胸鳍40的胸鳍推进机构16包括舵机支架41，舵机支架41通过螺丝固定在下壳体12上，舵机支架41上固定设置有胸鳍推进机构16的舵机42。舵机42的输出力矩通过一联轴器43传递给一大齿轮44，大齿轮44与一小齿轮45啮合，小齿轮45固定设置在一通过轴承与轴承座46连接的输出轴47上，进而实现对输出轴47的传动。且轴承座46通过螺丝固定连接一顶盖48，顶盖48固定在下壳体12上，输出轴47的另一端依次穿过动密封装置30的顶盖48和一与顶盖48紧配合的法兰盖49后，与左胸鳍40连接，进而实现将舵机42的力矩传递给胸鳍40。右胸鳍40的胸鳍推进机构16与左胸鳍40的胸鳍推进机构16结构相同，各部件的位置与左胸鳍40相对应。其中，顶盖48内充满黄油，顶盖48和法兰盖49构成动密封装置30。

上述实施例中，大齿轮44和小齿轮45的齿数比为2∶1；舵机42的旋转角度为180°，因此两胸鳍40可以实现360°的旋转。

如图4所示，本发明扇形尾鳍60的尾鳍推进机构17包括一舵机61，舵机61设置在一舵机前支架62和一舵机支后架63之间。舵机61的输出端通过一联轴器64将输出力矩传输给一输出轴65，输出轴65穿过动密封机构70(如图1所示)后，通过上连接杆50连接扇形尾鳍60，与输出轴65同轴设置有一连接在下壳体12上的被动输出轴(图中未示出)，被动输出轴通过下连接杆51连接扇形尾鳍60。当舵机61转动时，通过联轴器64将力矩通过输出轴65传递给扇形尾鳍60，实现扇形尾鳍60左右各90°的摆动。

如图5所示，上述实施例中，摄像头转动机构15包括一对固定在下壳体12上的舵机支架151，舵机支架151上设置有一舵机152，舵机152的输出端通过一联轴器153与一摄像头输出轴154连接，摄像头输出轴154与一摄像头支架155连接，带动摄像头支架155转动。摄像头支架155上固定连接一摄像头156，进而实现摄像头156随摄像头支架155作左、右各90°的转动。

上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种自主式机器鱼，其特征在于：它包括一密封的主舱体，所述主舱体两侧分别通过一动密封装置连接一由硬木材质制成的胸鳍，所述主舱体后端部通过上、下两连接杆连接一由柔软橡胶材质制成的扇形尾鳍，所述上连接杆与所述主舱体的尾鳍驱动输出端之间设置有一采用油密封的动密封结构；

所述主舱体包括一上壳体和一下壳体，所述上壳体密封固定连接所述下壳体，所述上壳体内设置有一密封盒，所述密封盒内设置有一控制装置和一与天线连接的通信模块；所述下壳体内前部设置有一摄像头转动机构，中部设置有一对对称分布的左、右胸鳍推进机构，后部设置有一尾鳍推进机构；在所述尾鳍推进机构舵机的下方，设置有一逻辑电源；在所述密封盒下方，两所述胸鳍推进机构舵机上方设置有一动力电源；所述尾鳍推进机构舵机的一侧设置有一置于所述密封盒内的电源模块。

2.如权利要求1所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述左、右胸鳍的胸鳍推进机构为对称结构，均包括舵机支架，所述舵机支架通过螺丝固定在所述下壳体上，所述舵机支架上固定设置有所述胸鳍推进机构的舵机；所述舵机的输出力矩通过一联轴器传递给一大齿轮，所述大齿轮与一小齿轮啮合，所述小齿轮固定设置在一通过轴承与轴承座连接的输出轴上，所述轴承座通过螺丝固定连接一顶盖，所述顶盖固定在所述下壳体上；所述输出轴的另一端依次穿过所述顶盖和一与所述顶盖紧配合的法兰盖后，分别与所述左、右胸鳍连接。

3.如权利要求2所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述大齿轮和小齿轮的齿数比为2∶1；所述舵机的旋转角度为180°。

4.如权利要求1或2或3所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述扇形尾鳍的尾鳍推进机构包括一舵机，所述舵机设置在一舵机前支架和一舵机支后架之间；所述舵机的输出端通过一联轴器将输出力矩传输给一输出轴，所述输出轴依次通过所述动密封机构和上连接杆连接所述扇形尾鳍，与所述输出轴同轴设置有一连接在所述下壳体上的被动输出轴，所述被动输出轴通过所述下连接杆连接所述扇形尾鳍。

5.如权利要求1或2或3所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述摄像头转动机构包括一对固定在所述下壳体上的舵机支架，所述舵机支架上设置有一舵机，所述舵机的输出端通过一联轴器与一摄像头输出轴连接，所述摄像头输出轴与一摄像头支架连接，所述摄像头支架上固定连接一摄像头。

6.如权利要求4所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述摄像头转动机构包括一对固定在所述下壳体上的舵机支架，所述舵机支架上设置有一舵机，所述舵机的输出端通过一联轴器与一摄像头输出轴连接，所述摄像头输出轴与一摄像头支架连接，所述摄像头支架上固定连接一摄像头。

7.如权利要求1或2或3或6所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述自主式机器鱼的身体设置为流线型的立方体，所述上、下壳体的前后端均设置为圆弧形的立方体形状。

8.如权利要求4所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述自主式机器鱼的身体设置为流线型的立方体，所述上、下壳体的前后端均设置为圆弧形的立方体形状。

9.如权利要求5所述的一种自主式机器鱼，其特征在于：所述自主式机器鱼的身体设置为流线型的立方体，所述上、下壳体的前后端均设置为圆弧形的立方体形状。

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