CN102079371A - 一种侧鳍波动推进式仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用侧鳍作为振源在柔性膜上形成一系列向后移动的波从而产生推进力的适合于深海探测或作业的仿生机器鱼，该机器鱼包括一密封的主舱体和位于主舱体两侧的柔性侧鳍，主舱体由密封连接的左右半壳体构成，在每一半壳体的后部设有垂直于主舱体轴向的后隔板，位于后隔板前侧的壳体外表面开设有平行于后隔板的条形凹腔，凹腔内设有侧鳍上下移动的推进机构，与凹腔的底壁相对一侧的壳体内设有与推进机构相配合的动力机构，推进机构和动力机构分别设有位置对应、极性相反的可直线移动强力磁块，动力机构通过控制电路与电池连接；柔性侧鳍的弹性鳍条一端固定于凹腔内的推进机构。本发明的机器鱼结构简单、空间紧凑、密封性能好，且侧鳍上下移动呈正弦形式，特别适合于深海等极端高压海域的探测和作业。

Description

一种侧鳍波动推进式仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种推进器，尤其涉及一种模仿海底动物、特别是鱼类游动的推进模式而设计的仿生机器鱼，更具体是涉及一种利用侧鳍波动进行推进的适合于深海探测或作业的仿生机器鱼。

背景技术

现有的水下推进器主要采用的是螺旋推进，有噪声和水花等局限，并且容易缠绕到水草等水生植物，无法应用在深海对鱼群生物等的探测。由于鱼类在海底游动时具有高灵敏性、低噪声和隐蔽性强等优点，特别是在急转和零加速时，其速度之快更是无与伦比。近年来，西方发达国家对小型鱼类的仿生机器人技术的研究开发给予了越来越多的重视，海生动物的推进模式成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活潜水器的模仿对象。在开发制造模仿鱼类游动的潜水器方面，研究比较多的是那些模仿尾鳍的摆动进行推进的机器鱼，对于模仿侧鳍的摆动进行推进的机器鱼，目前还比较少。申请号200910092737.X、名称“一种仿牛鼻鲼的胸鳍推进式机器鱼”的中国专利申请，公开了一种利用侧鳍摆动进行推进的机器鱼，该机器鱼通过在机身的左右两侧采用电机驱动左翼组件和右翼组件的上下拍动，实现机器鱼的前进。上述专利申请的机器鱼结构复杂，且其减速机输出轴必须从鱼身壳体内伸出壳体外部，不可避免的使用了动密封，而动密封在高压下必须有复杂的设计，且压力越大，难度和代价越高；另外，其左右翼组件的上下拍动是通过控制转轴不同方向的转动来实现的，即前半周顺时针转，后半周逆时针转，这样必须克服转轴旋转的惯性，能耗大，不符合节能环保的要求。该专利还有以下缺点：1)要精确实现各种模式特别是锯齿形式的摆动，需要较高传动比的变速齿轮箱，效率降低，机构累赘；2)波沿斜向外侧传播而非完全平行于舱体轴向方向传播，有一个分力浪费掉；3)整个柔性鳍只有一端点固定，无支承，遇到复杂海流等情况柔性膜容易扭曲失效。

鱼类不管是尾鳍波动推进，还是侧鳍波动推进，都是正弦形式的上下或左右摆动，现有解决人工鳍移动的方法主要是采用四连杆机构，然而四连杆机构具有急回特征，并非合适的正弦形式，而且所采用的摆动形式是将摆杆的一端固定，另一端摆动，这种摆动形式在形成平行于机身轴向的波的同时也形成了一个垂直于舱体的力，这一左一右两个垂直于机身的力相对相互抵消，对机身的推进没有任何帮助，不仅消耗了能量，而且降低了效率。要使尾鳍或侧鳍上下或左右平动，必须解决一个线性密封的问题，现有点密封的耐压防水技术已经很成熟，但线性密封技术还不够成熟，特别是用于高压海域的线性密封，更是处于探索阶段。

发明内容

为克服以上存在的问题，本发明的目的是提供一种利用侧鳍作为振源在柔性膜上形成一系列向后移动的波从而产生推进力的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，该机器鱼结构简单、空间紧凑、密封性能好，且侧鳍上下移动呈正弦形式。

为实现以上目的，本发明的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，包括一密封的主舱体、位于主舱体两侧的柔性侧鳍，特点是：主舱体包括密封连接的左右半壳体，在每一半壳体的后部设有垂直于主舱体轴向的后隔板，位于后隔板前侧的壳体外表面开设有平行于后隔板的条形凹腔，凹腔内设有侧鳍上下移动的推进机构，与凹腔的底壁和后侧壁相对一侧的壳体内设有与推进机构相配合的动力机构，推进机构和动力机构分别设有位置对应、极性相反的可直线移动强力磁块，动力机构通过控制电路与电池连接；柔性侧鳍包括一弹性鳍条和沿鳍条侧面延伸的扇形柔性膜，鳍条的一端固定于凹腔内的推进机构，柔性膜的一端固定于半壳体的尾部。

上述动力机构包括一固定于凹腔底部的电机、固定于后隔板且垂直于主舱体轴向和电机转轴方向的竖向滑杆、平行于主舱体轴向的横向滑杆和可沿滑杆来回运行的滑块，上述强力磁块固定于竖向滑杆上的滑块，电机的转轴套接于一垂直于转轴方向的连杆端部，连杆的另一端与位于横向滑杆上的滑块铰接，横向滑杆的一端通过一平行于电机转轴的连杆与竖向滑杆上的滑块刚性连接；

为了避免磁块在壳体上运动对壳体造成的伤害及减少磁块运动的摩擦力，上述推进机构包括固定于凹腔左右侧壁且垂直于主舱体轴向的上下导轨、位于上下导轨之间的滚珠轴承和连接滚珠轴承的连接块，滚珠轴承的外圈设有可沿导轨滑行的轮套，上述强力磁块和鳍条的一端固定于连接块上。

为了使固定于推进机构的磁块运行更加平稳，上述导轨有四根，分设于凹腔的上下左右，滚珠轴承有四个，连接块呈“T”字型，连接块横向两端部的侧面固定有四个可供滚珠轴承内圈套接的轴座，竖向端部面向壳体条形凹腔的后壁，强力磁铁固定于竖向端部开设的凹孔内，并用环氧树脂材料封住，鳍条的一端固定于连接块的顶面。

上述左右半壳体内的电机设有各自独立的控制器，通过控制左右电机转速的不同，使左右侧鳍上下移动的速度不同，实现机器鱼的转向。

上述主舱体位于动力机构的前侧还设有垂直于主舱体轴向的前隔板，在前隔板和主舱体头部构成的腔室内设有丝杆驱动平衡机构，该平衡机构包括电机、连轴器、丝杆和旋接在丝杆上的平衡块，用于调整机器鱼上升或下潜的姿态。

上述控制电路和电池位于壳体后隔板与尾部构成的腔室内。

为了探测需要，上述主舱体的头部还设有摄像头。

为了减轻机器鱼的重量并确保应有的强度，上述主舱体采用玻璃钢制作。

为了保证推进机构具有很好的防水性能和运行性能，上述滚珠轴承采用防水的陶瓷滚珠轴承，轮套采用耐磨性和自润滑性优越的聚甲醛制作，连接块采用有机玻璃或玻璃钢制作。

本发明的侧鳍推进式仿生机器鱼，与现有机器鱼相比，具有如下的优点：

1、本发明的机器鱼采用的是侧鳍上下平动形成波的推进方式，通过主舱体内的磁块带动主舱体外的磁块做线性的运动，避免了目前还比较棘手的线性密封问题，保持了舱体的完整性，特别适合于深海等极端高压海域的探测和作业。

2、本发明通过电机带动滑块沿滚动滑杆运行，达到波动推进的方式，使侧鳍很好实现正弦形式的上下移动。

3、本发明采用滚珠轴承推动磁块沿导轨上下移动的方式，具有摩擦力小、能耗少、无噪声、平稳，且不易受水生植物缠绕等优点。

4、本发明可通过控制左右半壳体内电机转速的不同，实现机器鱼的转弯，而通过主舱体前部电机带动丝杆上的平衡块移动，实现机器鱼的上升和下潜，操作简便，反应灵敏。

5、本发明的机器鱼结构简单、空间紧凑、体积小，密封性好，成本低。

附图说明

图1是本发明侧鳍波动推进式仿生机器鱼的结构剖图。

图2是机器鱼动力机构在左半壳体内的位置结构图。

图3是机器鱼侧鳍推进机构在左半壳体表面的位置结构图。

图4是省去壳体后动力机构和推进机构互相配合的结构示意图。

图5是推进机构连接块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的机器鱼结构进行详细描述，所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为限制本发明。

如图1、2、3、4所示，本发明的机器鱼包括一采用玻璃钢制作的圆筒形密封主舱体1和位于主舱体两侧的柔性侧鳍2；侧鳍由带有一定弹性的鳍条21和沿鳍条侧面向后延伸的扇形柔性膜22，柔性膜的一端固定于主舱体的尾部；主舱体由左、右结构对称的两个半壳体构成，左右半壳体密封连接，在每一个半壳体内由垂直于主舱体轴向的前隔板11和后隔板12分成三个腔室3、4、5，中间腔室4的壳体外表面开设有平行于前后隔板的条形凹腔41，凹腔的后侧壁与后隔板预留有一定的间隙，凹腔内设有侧鳍推进机构42，侧鳍推进机构包括四根固定于凹腔左右侧壁且垂直于主舱体轴向的导轨421，四个防水陶瓷滚珠轴承422和“T”字型连接块423，陶瓷滚珠轴承的外圈套接有可沿导轨滑行的带有凹槽的轮套422’，轮套采用耐磨性和自润滑性优越的聚甲醛制作，四个滚珠轴承的内圈套接在连接块横向两端部侧面的轴座424上，构成一车体，连接块的竖向端部面向壳体条形凹腔的后侧壁，竖向端部开设有凹孔，凹孔内固定有强力磁铁425，并用环氧树脂材料封住，侧鳍的柔性鳍条21一端固定在连接块的表面，如图5所示，如果是小型机器鱼，连接块可采用有机玻璃制作，如果是比较大型的机器鱼，连接块可采用玻璃钢制作；与凹腔的底壁相对一侧的壳体内设有动力机构43，该动力机构包括固定于凹腔底部的电机431、固定于后隔板且垂直于主舱体轴向和电机转轴方向的竖向滑杆432、平行于主舱体轴向且垂直于电机转轴方向的横向滑杆433和可沿滑杆来回运行的滑块434、435，固定于竖向滑杆上的滑块434固定有与凹腔内磁块425极性相反的强力磁块436，磁块436与凹腔肉的磁块425等高相向，电机的转轴套接在一垂直于转轴方向的连杆437的端部，连杆的另一端与位于横向滑杆上的滑块435铰接，横向滑杆的一端通过一平行于电机转轴的连杆438与竖向滑杆上的滑块434刚性连接；位于主舱体头部的腔室3内固定有一丝杆驱动平衡机构，该机构包括电机，电机通过联轴器31与丝杆32一端连接，丝杆平行于主舱体的轴向，丝杆上旋接有平衡块33；主舱体的头部还设有摄像头6；位于主舱体尾部的腔室5内固定有电路控制原件51和电池52，各电机均设有各自独立的控制器。

本发明的机器鱼通过左右半壳体中间腔室内电机的转动，带动横向滑杆上的滑块左右滑行，从而带动竖向滑杆上的滑块上下滑行，由于磁力的吸引，凹腔内位于连接块的强力磁块上下运动，此时固定于连接块表面的鳍条也跟着上下运动，进而带动柔性侧鳍进行上下移动。由于横向滑杆上的滑块运动方式是直线运动和圆周运动的结合，所以竖向滑杆上的滑块呈正弦形式的上下运动，而凹腔内滚动轴承的运行几乎没有摩擦力，所以凹腔内磁块受磁力吸引也呈正弦形式的上下运动，柔性侧鳍也就呈正弦形式的上下移动。当机器鱼匀速前进时，左右半壳体中间腔室内的电机转速相同，当机器鱼需要转弯时，调整左右半壳体中间腔室内的电机转速，使需要转动一侧的电机转速快于另一侧的转速，当机器鱼需要上升或下潜时，控制主舱体前部腔室中的电机，使丝杆平衡块向后或向前运动。

Claims (10)

1.一种侧鳍波动推进式仿生机器鱼，包括一密封的主舱体、位于主舱体两侧的柔性侧鳍，其特征在于：所述主舱体包括密封连接的左右半壳体，在每一半壳体的后部设有垂直于主舱体轴向的后隔板，位于后隔板前侧的壳体外表面开设有平行于后隔板的条形凹腔，凹腔内设有侧鳍上下移动的推进机构，与凹腔的底壁相对一侧的壳体内设有与推进机构相配合的动力机构，推进机构和动力机构分别设有位置对应、极性相反的可直线移动强力磁块，动力机构通过控制电路与电池连接；柔性侧鳍包括一弹性鳍条和沿鳍条侧面延伸的扇形柔性膜，鳍条的一端固定于凹腔内的推进机构，柔性膜的一端固定于半壳体的尾部。

2.根据权利要求1所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述动力机构包括一固定于凹腔底部的电机、固定于后隔板且垂直于主舱体轴向和电机转轴方向的竖向滑杆、平行于主舱体轴向的横向滑杆和可沿滑杆来回运行的滑块，所述强力磁块固定于竖向滑杆上的滑块，电机的转轴套接于一垂直于转轴方向的连杆端部，连杆的另一端与位于横向滑杆上的滑块铰接，横向滑杆的一端通过一平行于电机转轴的连杆与竖向滑杆上的滑块刚性连接；所述推进机构包括固定于凹腔左右侧壁且垂直于主舱体轴向的导轨、沿导轨滑行的滚珠轴承和连接滚珠轴承的连接块，所述强力磁块和鳍条的一端固定于连接块上。

3.根据权利要求2所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述推进机构包括固定于凹腔左右侧壁且垂直于主舱体轴向的上下导轨、位于上下导轨之间的滚珠轴承和连接滚珠轴承的连接块，滚珠轴承的外圈设有可沿导轨滑行的轮套，上述强力磁块和鳍条的一端固定于连接块上。

4.根据权利要求2或3所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述导轨有四根，分设于凹腔的上下左右，滚珠轴承有四个，所述连接块呈“T”字型，连接块横向两端部的侧面固定有四个可供滚珠轴承套接的轴座，竖向端部面向壳体条形凹腔的后壁，所述强力磁铁固定于竖向端部开设的凹孔内，并用环氧树脂材料封住，所述鳍条的一端固定于连接块的顶面。

5.根据权利要求4所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述左右半壳体内的电机设有各自独立的控制器。

6.根据权利要求5所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述主舱体位于动力机构的前侧还设有垂直于主舱体轴向的前隔板，在前隔板和主舱体头部构成的腔室内设有丝杆驱动平衡机构，该平衡机构包括电机、连轴器、丝杆和旋接在丝杆上的平衡块。

7.根据权利要求6所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述控制电路和电池位于壳体后隔板与尾部构成的腔室内。

8.根据权利要求7所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述主舱体的头部还设有摄像头。

9.根据权利要求7所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述主舱体采用玻璃钢制作。

10.根据权利要求7所述的侧鳍波动推进式仿生机器鱼，其特征在于：所述滚珠轴承采用防水的陶瓷滚珠轴承，轴套采用耐磨性和自润滑性优越的聚甲醛制作，连接块采用有机玻璃或玻璃钢制作。

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