CN102490884A - 具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，包括鱼身主体、波动鱼鳍机构和重心调节机构；所述鱼身主体包括外壳、盖板、控制电路板、电池组，负责与外界水环境接触，并起到对其它部件和机构密封安装、控制、供电等作用；所述波动鳍机构包括长支架、鳍条、鳍膜、小型舵机，鳍膜将所有鳍条连接在一起，构成波动鱼鳍，由小型舵机带动产生推动机器人运动的行波；所述重心调节机构包括配重块及其运动承载部件、负责驱动配重块做直线运动的驱动部件、与仿鳐鱼机器人外壳直接固定相连的支撑部件，负责调节重心位置。本发明具有结构紧凑、机动性高、隐蔽性好、高稳定性强、适用范围广等特点，其运动方式具有很好的理论与实际应用前景。

Description

具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构

技术领域  

本发明属于仿生机器鱼技术应用领域，特别涉及一种仿照鳐鱼两侧双鳍波动推进方式、通过重心调节机构调节机器鱼的重心位置、可在水下实现三维运动的仿鳐鱼机器人本体结构及其运动方式。

 

背景技术 

进入二十一世纪，人类在水下环境中的生产、科研活动不断增加，水下作业任务的要求有了新的需要：在军事领域中，水下侦查、声波干扰、扫雷与布雷等需要结构尺寸小、运动灵活性强、隐蔽性好的水下探测和侦查系统；在民用事业上，海洋资源勘探与开发、水下救援、水下安全监控等需要持续工作时间长、机动性高、稳定性好的水下检测和作业系统。而传统水下推进器多采用螺旋桨式、喷流回转式或叶轮式推进结构，其能源利用率低、结构尺寸和重量大、运动灵活性和隐蔽性差，难以满足现代水下作业任务的需要。

近年来，随着仿生学和机器人学研究的不断进步，以鱼类为模仿对象，进行仿鱼水下推进技术的研究已经成为新型水下推进系统研究的热点。自然界中的鱼类经过千百万年的进化，获得了卓越的水中运动能力，为高效、小尺寸、高机动性、低噪声和易隐蔽的现代水下推进器的研制提供了一种新的思路。

目前仿鱼水下机器人的研究中，以裸背鳗科、鳐科为代表的具有高机动性的鱼类的研究工作具有特别的意义。在国内，国防科技大学针对“尼罗河魔鬼”鱼开展的仿生长鳍游动运动研究最为突出，开发了仿生长鳍游动装置；中国科学院自动化研究所在对鲹科鱼类游动机理深入研究的基础上，研制了多关节微小型仿生机器鱼。在国外，日本大阪大学在鳐科鱼类研究的基础上研制了双侧长鳍波动推进的机器人系统；美国西北大学也开发了长鳍波动推进实验装置来检测不同控制策略下长鳍产生的推进力；新加坡的NTU大学开展了长鳍波动推进的研究工作，研制了相应的长鳍波动推进机构和实验装置。

在现有公开的技术中，仿照鲹科、鳗鲡科等鱼类运动方式的仿鱼水下机器人，采用的是尾鳍推进的方式，推进过程中需要借助鱼体的运动，鱼体的运动必然影响了鱼体的稳定性，对环境的扰动大，隐蔽性也随之变差；采用尾鳍推进方式，只能实现前向游动，不能实现倒退游动，当需要进行转向时，采用尾鳍推进必须以一定的转弯半径来实现方向的改变。此外，现有的仿生波动鱼鳍水下机器人只能够验证二维平面的运动性能，难以体现波动鱼鳍推进方式的优点，对新型水下推进器设计的指导作用有限。

复杂海洋环境下对机动性、隐蔽性和稳定性更高的要求，迫切需要开发一些特殊的推进方式，为适合于复杂海洋环境工作的，适用于军事侦查、海洋勘探、水下救援、水下监控等不同工作需求的新型仿鱼水下机器人的研制与应用提供新的思路。 

在现有公开的技术中，经关键词 “鳍波动”检索，比较典型相关的有专利公开号CN10143573 “仿生长鳍波动推进实验装置”（公开日2009.05.20，申请号200710177403.3）、专利公开号CN101332868 “液压驱动波动鳍仿生水下推进器”（公开日2008.12.31，申请号200810031901.1），专利公开号CN101435739主要涉及一种通过绕自身中轴的转动实现前后游动的仿生长鳍波动推进实验装置，专利公开号CN101332868主要设计了一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器，通过模拟水下生物柔性长鳍的波动运动，产生平行于支架长轴方向的推进力。它们并不能轻易地在前向、倒退、转弯种游动方式之间轻易地切换，进行转向运动时的转弯半径也较大，且不具有水下三维运动能力，应用受到很大的限制。

 

发明内容  

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是:仿照鳐科鱼类生物两侧双鳍波动的运动方法，发明设计一种外形呈扁平状、采用两侧波动鱼鳍机构和重心调节机构实现水下前进、后退、原地转弯、上升和下潜三维运动的仿鳐鱼机器人本体结构。  

本发明的技术方案是：具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，包括鱼身主体、波动鱼鳍机构和重心调节机构；所述鱼身主体包括外壳和盖板，二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置控制电路板和电池组；所述波动鳍机构包括长支架、鳍条、鳍膜、小型舵机，所述波动鱼鳍机构通过长支架安装在鱼身主体的外壳两侧，所述鳍膜将若干根鳍条连接在一起，构成波动鱼鳍，由所述小型舵机带动产生推动机器人运动的行波；所述重心调节机构安装在鱼身主体的腔体内。  

所述鱼身主体的外壳采用玻璃钢材料加工，玻璃钢材料具有强度高、材质轻、耐腐蚀和易于加工成型等特点；所述外壳关于中心轴线左右对称，前后对称；所述外壳外形呈扁平状，内部中空，上端面开口，负责与外界水环境接触，并起到支撑安装在其内部的其它部件和机构的作用；所述盖板安装在外壳的上端面开口处，负责密封外壳，起到保护安装在外壳内部的部件和机构不受水侵蚀的作用；所述鱼身主体的外壳和盖板，二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置控制电路板和电池组；所述控制电路板、电池组安装在外壳内部的左右侧壁上，所述控制电路板负责控制波动鱼鳍机构和重心调节机构上的电机按指定的要求运动，所述电池组起到向机器人电机和控制电路板供电的作用。 

所述波动鱼鳍机构包括长支架、鳍条、鳍膜、小型舵机；所述长支架呈长条状，负责承载波动鱼鳍机构中其它部件，并起到将波动鱼鳍机构中其它部件联接到外壳的作用；所述鳍条前部为细长圆柱形钢条，后端为一圆盘状轴套，鳍条通过圆盘状轴套安装在小型舵机上，所述单根鳍条和相对应的单个小型舵机组成一个驱动模块；所述鳍膜为柔顺性较好、弹性模量适中的乳胶薄膜，所述鳍膜呈带状，其宽度与鳍条长度相等，其长度等于长支架上安装的第一根鳍条到最后一根鳍条的长度，所述鳍膜覆于鳍条上，将所有鳍条连接在一起，构成波动鱼鳍，所述波动鱼鳍安装在外壳的左右两侧；所述组成驱动模块的小型舵机有若干个，平行等距安装在长支架上，负责带动鳍条做周期性摆动运动，进而带动鳍膜按预定的规律波动，产生推动机器人运动的行波，实现仿鳐鱼机器人的水下三维运动。

所述重心调节机构包括配重块及其运动承载部件、负责驱动配重块做直线运动的驱动部件、与仿鳐鱼机器人外壳直接固定相连的支撑部件；所述配重块及其运动承载部件包括配重块、直线滑块导轨组合、长方形固定板，直线滑块导轨组合固定在仿鳐鱼机器人外壳底部上，直线滑块导轨组合负责承载配重块和保证配重块准确的直线运动，配重块通过长方形固定板与直线滑块导轨组合中的滑块连接，滑块置于导轨上, 二者承载配重块并使配重块沿导轨方向作直线运动，所述驱动部件包括电机、圆柱直齿轮对、丝杆、丝杆推块，电机负责输出旋转运动，圆柱直齿轮对与丝杆负责传递电机输出的运动，丝杆推块中内嵌螺旋副，负责将丝杆传递的旋转运动转化为直线运动，所述支撑部件包括支撑架、电机支架、轴承，支撑架同样固定在仿鳐鱼机器人外壳底部上，电机支架将电机固定在支撑架上、轴承负责连接支撑架与驱动部件中的丝杆。

所述电机通过圆柱齿轮对、丝杆和丝杆推块推动配重块运动,所述圆柱直齿轮对包括与电机轴相连的圆柱直齿轮和与丝杆相连的圆柱直齿轮，通过齿轮的拟合作用将安装位置较高的电机输出旋转运动传递为安装位置较低的丝杆旋转运动，圆柱直齿轮均通过定位销与各自的轴相连接。

所述滑块导轨组合包括滑块和导轨两部分，滑块的截面呈凹字型，导轨的截面呈口字型，滑块通过钢珠与导轨接触并被限制在导轨上滑动。

本发明为模仿鱼类运动/研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验装置，为制造效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的水下运输设备提供基本的实验平台。

本发明采用双鳍波动实现水下运动的机理是：鳍膜覆于多根鳍条上，将鳍条连接在一起，构成波动鱼鳍。鳍条呈周期性摆动，鳍条的运动规律决定着波动鱼鳍的运动形态，多根鳍条的协调摆动带动鳍膜运动实现波动鱼鳍的波动，继而在波动鱼鳍上产生行波，两侧波动鱼鳍的波动运动在水中产生推进力，进而推动整体机器人运动， 在此过程中仿鳐鱼机器人本体在运动过程中基本保持不动。由于单根鳍条和单个小型舵机组成一个单独的驱动模块，其运动规律仅由控制电路板中预先设置的控制策略决定，而不与其它驱动模块中的鳍条和电机相关，因此，布置在仿鳐鱼机器人两侧的波动鱼鳍机构可以实现不同的波动运动。仿鳐鱼机器人通过改变两侧波动鱼鳍上行波的传播方向，可以轻易地实现前向和倒退游动；而通过两侧波动鱼鳍相反方向的行波波动，仿鳐鱼机器人可以实现原地的转向。

本发明配重块的运动过程是：固定在支撑架上的电机带动圆柱直齿轮做旋转运动，通过齿轮啮合的方式，将旋转运动传递到丝杆上；通过丝杆推块中螺旋副的作用将丝杆的旋转运动转化为配重块的直线运动；并依靠直线滑块导轨组合限制配重块只能沿导轨方向做直线运动。

本发明的调节重心适应上升下潜运动的方法是：仿鳐鱼机器人的左右两侧各布置一个波动鱼鳍，波动鱼鳍由小型舵机驱动做有规律的运动，具有在水中保持鱼体平衡的功能。配重块由电机带动的丝杆驱动沿导轨运动到仿鳐鱼机器人的前部，因重力的作用鱼体头部朝下，尾部向上，适应仿鳐鱼机器人的下潜运动；配重块沿导轨运动到仿鳐鱼机器人的后部，因重力的作用鱼体头部朝上，尾部向下，适应仿鳐鱼机器人的上升运动；仿鳐鱼机器人在前后方向上倾斜的角度，与配重块距仿鳐鱼机器人体中心的距离相关；直线滑块导轨组合限制配重块向其他方向的运动，配重块只能沿导轨方向作直线运动，减小仿鳐鱼机器人发生向左右方向侧翻的可能性。 

本发明有别于传统的、借助鱼体运动的尾鳍推进方式，通过改变两侧波动鱼鳍上行波的传播方向，实现前向和倒退游动；通过两侧波动鱼鳍相反方向的行波波动，实现原地的转向；通过改变仿鳐鱼机器人重心在机器人前部和后部的方法，实现上升和下潜的运动。仿鳐鱼机器人通过改变两侧波动鱼鳍上行波的传播方向，可在前向、倒退、转弯几种游动方式之间轻易地切换，可原地转弯，灵活性强；通过改变重心位置可快速实现上升和下潜运动，具有水下三维运动能力；且运动过程中机器人的本体不发生运动，保证了稳定性和隐蔽性。

本发明的有益效果是：相对于现有技术而言，利用左右波动双鳍和重心调节机构的仿鳐鱼机器人是一种可实现水下三维运动的仿生机器人，其由小型舵机带动的鳍条在鳍膜上产生行波作为驱动方式，结合重心调节机构，可实现前进、后退、原地转弯、上升和下潜，以绕过复杂海洋环境下的障碍物，拓展了水下机器人的运动能力和工作空间。具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人具有结构紧凑、机动性高、隐蔽性好、高稳定性强、适用范围广等特点，其运动方式在复杂海洋领域的应用领域具有很好的实际应用前景，并为高效、小尺寸、高机动性、高隐蔽性的新型水下推进器的设计提供重要的基础理论和关键技术的支撑。

 

附图说明

图1为具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人的本体结构三维示意图。 

图2为仿鳐鱼机器人的鱼身主体的组成结构示意图。 

图3为仿鳐鱼机器人的波动鱼鳍机构的示意图。 

图4为仿鳐鱼机器人的驱动模块的结构示意图。 

图5为仿鳐鱼机器人的鳍条的结构示意图。 

图6为仿鳐鱼机器人的重心调节机构的立体组成示意图。 

图7为重心调节机构承载部件的立体组成示意图。 

图8为重心调节机构驱动部件的立体组成示意图。  

图9为重心调节机构中采用的滑块导轨组成正视示意图。

图10为重心调节机构中采用的滑块导轨组成侧视示意图。

图11为波动鱼鳍产生波动运动的示意图。  

图12为仿鳐鱼机器人前进的运动示意图。  

图13为仿鳐鱼机器人后退的运动示意图。

图14为仿鳐鱼机器人右转弯的运动示意图。

图15为仿鳐鱼机器人左转弯的运动示意图。

图16为仿鳐鱼机器人配重块位置变化产生上升或下潜的运动示意图。

  

具体实施方式  下面结合附图对本发明的实施作进一步解释：

图1为具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人的本体结构三维示意图。在图1中：1为鱼身主体，2为波动鱼鳍机构，3为重心调节机构。鱼身主体1负责与外界水环境接触，并承受组成仿鳐鱼机器人的其它部件，由舵机驱动的波动鱼鳍机构2布置在仿生鳐鱼机器人鱼身主体1的左右两侧，负责实现仿鳐鱼机器人双鳍的波动运动，重心调节机构3安装在鱼身主体1的内部，负责迅速改变仿生鳐鱼机器人的重心位置，以改变仿生鳐鱼机器人上升和下潜的角度和速度。

图2为仿鳐鱼机器人的鱼身主体的组成结构示意图。在图2中：为4外壳、5为盖板、6为控制电路板、7为电池组。外壳4关于中心轴线左右对称，前后对称；盖板5安装在外壳4的上端面开口处，负责密封外壳4，起到保护安装在外壳4内部的部件和机构不受水侵蚀的作用；所述控制电路板6、电池组7安装在外壳4内部的左右侧壁上。

图3为仿鳐鱼机器人的波动鱼鳍机构的示意图，图                                               

为仿鳐鱼机器人的驱动模块的结构示意图， 图

为仿鳐鱼机器人的鳍条的结构示意图。在图3、4、5中：8为长支架、9为鳍条、10为鳍膜、11为小型舵机。 长支架8联接到外壳4上，鳍条9的轴套筒内壁设有内齿，与小型舵机11输出轴外圆周上外齿相配合，可将鳍条9固定于小型舵机11输出轴上；单根鳍条9和单个小型舵机11组成一个驱动模块，驱动模块上下面各安装一个长支架8，通过长支架8与外壳4固定；鳍膜10覆于鳍条9上，将所有鳍条9连接在一起，构成波动鱼鳍。

图6为仿鳐鱼机器人的重心调节机构的立体组成示意图，图7为重心调节机构承载部件的立体组成示意图。 在图6、7中：12为支撑架，采用方柱形，其底部有容纳导轨的方孔，13为丝杆，14为配重块，采用中间有圆孔的方块，15为电机，16为L型电机支架，17为与电机轴连接的圆柱直齿轮，18为与丝杆连接的圆柱直齿轮，19为滑块导轨组合中的导轨，20为内嵌螺旋副的丝杆推块，21为滑块导轨组合中的滑块，22为长方形固定板。配重块14通过长方形固定板22与直线滑块导轨组合中的滑块21连接，滑块21与导轨19负责承载配重块14并使配重块14只能沿导轨19方向作直线运动，限制配重块14运动到其他方向，减小仿生鳐鱼机器人发生向左右方向侧翻的可能性；配重块14由电机15带动的丝杆13驱动沿导轨19运动，改变配重块14距仿生鳐鱼机器人体中心的距离；配重块14沿导轨19运动到仿生鳐鱼机器人的前部或后部，迅速改变仿生鳐鱼机器人的重心位置。

图8为重心调节机构驱动部件的立体组成示意图。在图8中：23为轴承，24为联轴器。电机15通过电机支架16固定在支撑架12上，丝杆13通过轴承23与支撑架12连接，圆柱直齿轮17为轴式齿轮，电机15通过联轴器24和定位销与圆柱直齿轮17连接，圆柱直齿轮18与丝杆13连接，并采用定位销固定，圆柱直齿轮17和圆柱直齿轮18组成的齿轮对将电机15输出的旋转运动传递到丝杆13，内嵌螺旋副的丝杆推块20将丝杆13的旋转运动转化为直线运动。 

图9为重心调节机构中滑块导轨组合正视示意图，图10为滑块导轨组合侧视示意图。在图9、图10中：25为小钢珠。滑块21截面呈凹字型，导轨19截面呈口字型，滑块21通过小钢珠25与导轨19接触，使得滑块21被限制只能在导轨19上滑动，小钢珠25的另一个作用是均匀地把滑块21承受的载荷传递到导轨19上，使得配重块14沿导轨的直线运动更为容易。

图11为波动鱼鳍产生波动运动的示意图，图12为仿鳐鱼机器人前进的运动示意图，图13为仿鳐鱼机器人后退的运动示意图，图14为仿鳐鱼机器人右转弯的运动示意图，图15为仿鳐鱼机器人左转弯的运动示意图。在图11、12、13、14、15中：多根鳍条9的协调摆动带动鳍膜10运动实现波动鱼鳍的波动V _b ，V _b 的运动方向为垂直外壳底部平面，波动V _b 在波动鱼鳍上产生行波运动V _s ； 仿鳐鱼机器人左侧的波动鱼鳍机构产生的波动为V _b1 ，产生的行波运动为V _s1 ，右侧的波动鱼鳍机构产生的波动为V _b2 ，产生的行波运动为V _s2 ；如果行波V _s1 和V _s2 的运动方向一致向前，仿鳐鱼机器人运动V的方向向前，如果行波V _s1 和V _s2 的运动方向一致向后，仿鳐鱼机器人运动V的方向向后，如果行波V _s1 的运动方向向前，行波V _s1 的运动方向向后，仿鳐鱼机器人向右做转弯运动W _R ，如果行波V _s1 的运动方向向后，行波V _s1 的运动方向向前，仿鳐鱼机器人向左做转弯运动W _L 。     

图16为仿鳐鱼机器人配重块位置变化产生上升或下潜的运动示意图。在图16中：电机15带动齿轮17转动，齿轮17和齿轮18组成的齿轮对将运动传递到丝杆13上，丝杆13通过丝杆推杆20将电机15的旋转运动转化为配重块14沿导轨19的直线运动，配重块14从仿生鳐鱼机器人的中心位置运动仿生鳐鱼机器人的前部或后部；配合分布在两侧的波动鱼鳍机构，当配重块14处于前部时，仿生鳐鱼机器人将进行下潜运动，当配重块14处于后部时，仿生鳐鱼机器人将进行上升运动。

本发明针对复杂海洋环境对水下机器人的机动性、隐蔽性和稳定性要求更高、现有尾鳍推进方式和二维波动鱼鳍推进方式有待发展的问题，以具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构和运动方式为侧重点，发明设计一种外形呈扁平状、采用两侧波动鱼鳍机构和重心调节机构实现水下前进、后退、原地转弯、上升和下潜三维运动的仿鳐鱼机器人。仿鳐鱼机器人通过改变两侧波动鱼鳍上行波的传播方向，可在前向、倒退、转弯种游动方式之间轻易地切换，可原地转弯，灵活性强；通过改变重心位置可快速实现上升和下潜运动，具有水下三维运动能力；且运动过程中机器人的本体不发生运动，保证了稳定性和隐蔽性。具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人大大扩展了水下机器人的工作空间和作业灵活性，具有很好的实际应用前景，并为高效、小尺寸、高机动性、高隐蔽性的新型水下推进器的设计提供重要的基础理论和关键技术的支撑。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的：具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，如改进波动鱼鳍机构或重心调节机构，或增加相关的运动方式。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其特征在于：包括鱼身主体（1）、波动鱼鳍机构（2）和重心调节机构（3）；所述鱼身主体（1）包括外壳（4）和盖板（5），二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置控制电路板（6）和电池组（7）；所述波动鳍机构（2）包括长支架（8）、鳍条（9）、鳍膜（10）、小型舵机（11），所述波动鱼鳍机构（2）通过长支架（8）安装在鱼身主体的外壳（4）两侧，所述鳍膜（10）将若干根鳍条（9）连接在一起，构成波动鱼鳍，由所述小型舵机（11）带动产生推动机器人运动的行波；所述重心调节机构（3）安装在鱼身主体的腔体内。

2.根据权利要求1所述的具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其特征在于：所述重心调节机构（3）包括配重块（14）和电机（15），所述配重块（14)通过固定板（22）与滑块（21）连接，滑块（21）置于导轨（19）上，二者承载配重块（14）并使配重块（14）沿导轨（19）方向作直线运动；所述电机（15）通过圆柱齿轮对（17）、丝杆（13）和丝杆推块（20）推动配重块运动。

3.根据权利要求1所述的具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其特征在于：所述外壳（4）外形呈扁平状，关于中心轴线左右对称，前后对称，采用玻璃钢材料加工，内部中空，上端面开口，所述盖板（5）安装在外壳（4）的上端面开口处，所述控制电路板（6）、电池组（7）安装在外壳（4）内部的左右侧壁上。

4.根据权利要求1所述的具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其特征在于：所述鳍条（9）前部为细长圆柱形钢条，后端为一圆盘状轴套，鳍条（9）通过圆盘状轴套安装在小型舵机（11）上，单根鳍条（9）和相对应的单个小型舵机（11）组成一个驱动模块，所述鳍膜（10）覆于鳍条（9）上，将所有鳍条（9）连接在一起，构成波动鳍。

5.根据权利要求4所述的具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其特征在于：所述小型舵机（11）平行等距安装在长支架（8）上，带动鳍条（9）做周期性摆动运动，进而带动鳍膜（10）按预定的规律波动，实现仿鳐鱼机器人的水下三维运动。

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