CN102514697B - 仿生机器魟鱼及其运动方式 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生机器魟鱼及其运动方式,属于仿生机器鱼技术领域。它包括上壳体、下壳体、推进机构、沉浮控制机构、姿态调整机构和能源及控制系统。本发明的仿生机器魟鱼既能够通过模仿鱼类尾鳍摆动推进模式实现高游速游动运动,还可通过模仿鱼类胸鳍波动运动和水母浮游运动实现高机动性游动运动。本发明的仿生机器魟鱼可用于研究鱼类的游动运动机理,还用于水下探测和侦察等相关领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿生水下机器鱼及其运动方式,属于仿生机器鱼技术领域。
背景技术
海洋面积占地球面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪被称为海洋的世纪,人类开发海洋和利用海洋的脚步,随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、管道等人造水下结构物检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人(Unmanned Underwater Vehicle, UUV),已成为探索、开发海洋资源和海洋防卫的重要工具。
模仿鱼类的游动推进模式,研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼,用以进行水下复杂环境作业,已经成为研究人员追求的目标。随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展,科研人员研制出了多种类型的仿生机器鱼。目前,现有的仿生机器鱼主要是模仿鱼类的身体/尾鳍推进模式(body and/or caudal fin,BCF)实现游动。而模仿鱼类的中央鳍/对鳍推进模式(Median and/or pair fin,MPF)中的鳍波动推进方式游动的仿生机器鱼,因其良好的游动机动性、稳定性和较高的推进效率而成为研究人员近年来研究的热点。
国防科技大学以尼罗河魔鬼鱼为仿生对象,理论分析了鳍波动推进的波形、推力和效率,并进行了相关的流体动力学研究,研制了长背鳍波动推进器。中科院自动化研究所从尼罗河魔鬼鱼的带状鳍运动得到灵感,研制了以两个带状长鳍驱动的仿生机器鱼。日本大阪大学户田研究室成功研制了“鱿鱼”水下机器人,它长而扁平的身体结构能够很容易地进入狭窄复杂的水下区域。它的两侧分别安装17个橡胶鳍,这些橡胶鳍通过内置的伺服电机致动器可使机器人有节奏地向前游动。南洋理工大学研制了带状长鳍推进器。该推进器由电机带动鳍条(曲轴)转动,鳍条间由薄膜连接,该机构能实现前进、后退等功能。美国西北大学Michael Epstein等人发表的文章“A Biologically Inspired Robotic Ribbon Fin”介绍了该校开发的模拟裸背电鳗目辐鳍鱼纲魔鬼刀鱼的臀鳍带状鳍推进装置(见图1)。该带状鳍包括13个电机驱动的鳍条,通过所有鳍条的规律摆动实现柔性鳍面的鳍波动推进运动。该推进装置中电机按直线等距离排布固定在直线滑轨上,电机通过锥齿轮带动鳍条运动,柔性鳍面将所有鳍条连接起来。该带状鳍推进装置能够在电机的驱动下实现类似鱼类的鳍波动运动,但由于电机直线排布的方式使得其只能模仿弓鳍目和裸背鳗鱼类的背鳍和臀鳍的鳍波动运动模式,游动的机动性不足,运动模式单一。
上述以鳍波动方式游动推进的仿生机器鱼和推进机构都以电机直线排布的带状长鳍作为推进装置,游动的灵活性差,且只能模仿单一的鱼类游动模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够模仿多种鱼类游动模式运动的,具有较高游动速度和较好机动性的仿生机器鱼及其运动方式。为水下探测、救捞以及海洋资源开发提供一种新型的工具。
为了实现上述目标,以海洋软骨鱼类魟鱼的外形、身体结构和运动方式为参考,以结构简单,控制方便为设计思想,本发明的一种仿生机器魟鱼,其特征在于:所述的仿生机器魟鱼包括机身、推进机构、能源及控制系统、沉浮控制机构和姿态调整机构组成;其中能源及控制系统包括电池和控制系统硬件电路;其中机身由上壳体和下壳体组成,所述的能源及控制系统、姿态调整机构和沉浮控制机构均位于机身内;其中推进机构由N个沿周向安装于机身内侧的伺服电机、N个分别垂直安装于所述伺服电机输出轴且伸出机身并用封严圈密封的柔性鳍条、通过所述柔性鳍条安装于机身外周的环形弹性鳍面组成;其中沉浮控制机构安装于机身底部,由微型水泵、弹性贮水舱、第一连接导管和第二连接导管组成;其中第一连接导管一端与外界相连另一端与微型水泵连接,第二连接导管一端与微型水泵连接另一端与弹性贮水舱连接。
上述仿生机器魟鱼的姿态调整机构具体可以采用以下结构:包括第一水平直线导轨和垂直安装于第一水平直线导轨上的第二水平直线导轨,上述能源及控制系统安装于第二水平直线导轨上,起到质量块的作用。通过电机带动导轨运动,可以调整安装在导轨上的能源及控制系统的水平位置,从而改变机器鱼的重心位置,来调整机器鱼游动过程中的姿态。
所述仿生机器魟鱼的运动方式,其特征在于该仿生机器魟鱼通过N个伺服电机的规律旋转运动带动N个柔性鳍条实现规律摆动运动,从而带动弹性鳍面呈现出鳍面运动形状,以实现模仿鱼类鳐科模式、尾鳍摆动模式和水母游动模式的游动运动。
所述仿生机器魟鱼的运动方式,其特征在于该仿生机器魟鱼通过伺服电机带动柔性鳍条的摆动运动来带动整个弹性鳍面运动,来实现模拟魟鱼的胸鳍的鳍波动运动。具体实现方法即通过控制柔性鳍条之间运动的相位差,可以实现控制弹性鳍面来模拟魟鱼胸鳍的波动运动的波形,并且通过改变波的传播方向可以实现向任意方向的游动运动,运动方向与波的传播方向相反。
所述仿生机器魟鱼的运动方式,其特征在于该仿生机器魟鱼通过控制局部柔性鳍条的摆动运动,可以实现模仿鱼类的尾鳍摆动推进模式。由于柔性鳍条呈圆周均匀分布,所以使得机器鱼能够实现向身体投影平面内的任意方向的游动运动。
所述仿生机器魟鱼的运动方式,其特征在于该仿生机器魟鱼通过控制所有柔性鳍条以同样的摆动规律运动,可以实现模仿水母的游动模式运动。
本发明的仿生机器魟鱼因其特殊的结构设计,可以实现模仿多种鱼类游动推进模式的游动运动。推进机构是机器鱼游动的动力来源。通过改变弹性贮水舱中水的质量,从而改变机器鱼的自身质量,实现沉浮功能。既能够通过尾鳍摆动模式推进实现高速游动,来进行长距离的高速巡游。又能够通过鳐科模式和水母的游动运动模式,来进行高机动性的低速巡游,且该仿生机器魟鱼具有扁平的身体外形结构,所以尤其适合在水下复杂的狭窄空间内进行探测和勘察活动。本发明的仿生机器魟鱼还可用于研究鱼类的游动运动机理,和军事侦察等相关领域。
附图说明
图1美国西北大学研制的带状鳍推进装置;
图2是本发明的仿生机器魟鱼外形结构示意图;
图3是仿生机器魟鱼内部结构示意图;
图4是仿生机器魟鱼剖面结构示意图;
图5伺服电机、柔性鳍条和封严圈连接示意图;
图6是仿生机器魟鱼鳍波动运动方式示意图,图中箭头A代表游动方向,箭头B代表鳍面波的传播方向;
图7是仿生机器魟鱼尾鳍摆动运动方式示意图,图中箭头A代表游动方向;
图8是仿生机器魟鱼模仿水母游动方式示意图。
图中标号名称:1、上壳体,2、下壳体 ,3、推进机构,4、能源及控制系统,5、姿态调整机构,6、沉浮控制机构,7、螺钉,8、电机,9、鳍条,301、伺服电机,302、柔性鳍条,303、弹性鳍面,304、封严圈,501、第一水平直线导轨,502、第二水平直线导轨,601、盖板,602、微型水泵,603、弹性贮水舱,604、连接导管,605、连接导管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的仿生机器魟鱼的具体技术方案进行描述。
如图2~5所示,本发明的仿生机器魟鱼由上壳体1、下壳体2、推进机构3、能源及控制系统4、姿态调整机构5和沉浮控制机构6组成。
上壳体1和下壳体2之间通过螺钉7连接,在安装时为了保证仿生机器魟鱼在水下游动时不漏水,在上壳体1和下壳体2之间涂密封胶。推进机构3由N个伺服电机301、N个柔性鳍条302、一个弹性鳍面303和N个封严圈304组成。柔性鳍条302为能实现柔性弯曲的弹性塑料材料,在摆动过程中能在周围流体阻力作用下产生柔性变形,从而提高弹性鳍面303的波动运动柔性。每个伺服电机301通过螺钉固定在下壳体2上,一个柔性鳍条302连接在一个伺服电机301的输出轴上,每个柔性鳍条302的转动轴外侧套装一个封严圈304,封严圈304的外侧与下壳体2的安装槽配合,弹性鳍面303由硅胶或聚亚安酯等具有较好弹性的非渗透性材料制成,通过成型时的安装孔套装在柔性鳍条302上。通过N个伺服电机301的规律旋转运动带动N个柔性鳍条302实现规律摆动运动,从而带动弹性鳍面303呈现出不同的鳍面运动形状,使得仿生机器魟鱼能够以不同的游动方式游动。
沉浮控制机构6安装在下壳体2的底部,该机构由盖板601、微型水泵602、弹性贮水舱603、连接导管604和连接导管605组成。盖板601通过螺钉固定在下壳体2上,微型水泵602固定在盖板601上,弹性贮水舱603放置在下壳体的底部,弹性贮水舱603具有较好的弹性,能够随着注入水量的增加和减少而膨胀和收缩。连接导管604一端通过下壳体2底部的孔与外界相连,另一端与微型水泵602连接。连接导管605一端与微型水泵602连接,另一端与弹性贮水舱603连接。通过微型水泵602来调节吸入和排出弹性贮水舱603内水的质量,可以调节仿生机器魟鱼的自身质量,从而调节仿生机器魟鱼的沉浮游动状态。
姿态调整机构5包括第一水平直线导轨501和垂直安装于第一水平直线导轨上的第二水平直线导轨502。该姿态调整机构5固定在盖板601上。能源及控制系统4安装在第二水平直线导轨502上部。姿态调整机构5能够通过调整安装在其上部的能源及控制系统4的位置来改变仿生机器魟鱼的中心位置,从而来调整仿生机器魟鱼的游动姿态。能源及控制系统4由电池和控制系统硬件组成,在为仿生机器魟鱼提供能源的同时控制仿生机器鱼的游动运动和游动姿态。
仿生机器魟鱼以鳍波动运动方式游动,如图6所示。柔性鳍条302按照一定规律的相位差实现周期性摆动,使得弹性鳍面303产生推进波,从而使仿生机器魟鱼获得与推进波传递方向相反的推进力,来实现游动运动。由于本发明的弹性鳍面303呈圆环形,所以使得其鳍面波形可以产生向任意方向的波动运动,使仿生机器魟鱼具有较高的机动性。
仿生机器魟鱼以尾鳍摆动运动方式游动,如图7所示。整个推进机构3中局部的一个或几个柔性鳍条302按一定的规律摆动,而其余的柔性鳍条302保持静止状态不动,仿生机器魟鱼就能够实现模仿鱼类的尾鳍摆动模式的游动运动。由于本发明的弹性鳍面303呈圆环形,所以可以通过鳍面不同区域的柔性鳍条302的摆动运动使仿生机器魟鱼获得不同方向的推进力,推动其向任意方向游动,由于尾鳍摆动方式的推进力较高,所以可以使仿生机器魟鱼具有较高的游动速度。
仿生机器魟鱼以水母的运动方式游动,如图8所示。整个推进机构3中的所有柔性鳍条302在初始条件为水平状态下都以相同的相位差来进行摆动运动,就可以实现模仿水母的游动运动。
Claims (1)
1.一种仿生机器魟鱼的运动方式,其特征在于:
所述的仿生机器魟鱼包括机身、推进机构(3)、能源及控制系统(4)、沉浮控制机构(6)和姿态调整机构(5)组成;其中能源及控制系统(4)包括电池和控制系统硬件电路;其中机身由上壳体(1)和下壳体(2)组成,所述的能源及控制系统(4)、姿态调整机构(5)和沉浮控制机构(6)均位于机身内;其中推进机构(3)由N个沿周向安装于机身内侧的伺服电机(301)、N个分别垂直安装于所述伺服电机输出轴且伸出机身并用封严圈(304)密封的柔性鳍条(302)、通过所述柔性鳍条(302)安装于机身外周的环形弹性鳍面(303)组成;其中沉浮控制机构(6)安装于机身底部,由微型水泵(602)、弹性贮水舱(603)、第一连接导管(604)和第二连接导管(605)组成;其中第一连接导管(604)一端与外界相连另一端与微型水泵(602)连接,第二连接导管(605)一端与微型水泵连接另一端与弹性贮水舱(603)连接;
该仿生机器魟鱼通过N个伺服电机(301)的规律旋转运动带动N个柔性鳍条(302)实现规律摆动运动,从而带动弹性鳍面(303)呈现出鳍面运动形状,以实现模仿鱼类鳐科模式、尾鳍摆动模式和水母游动模式的游动运动;
该仿生机器魟鱼通过伺服电机(301)带动柔性鳍条(302)的摆动运动来带动整个弹性鳍面(303)运动,来实现模拟魟鱼的胸鳍的鳍波动运动;具体实现方法即通过控制柔性鳍条(302)之间运动的相位差,实现控制弹性鳍面(303)来模拟魟鱼胸鳍的波动运动的波形,并且通过改变波的传播方向可以实现向任意方向的游动运动,运动方向与波的传播方向相反;
该仿生机器魟鱼通过控制局部柔性鳍条(302)的摆动运动,实现模仿鱼类的尾鳍摆动推进模式;由于柔性鳍条(302)呈圆周均匀分布,所以使得机器鱼能够实现向身体投影平面内的任意方向的游动运动;
该仿生机器魟鱼通过控制所有柔性鳍条(302)以同样的摆动规律运动,实现模仿水母的游动模式运动。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140205 Termination date: 20211220 |