CN103213665B - 一种仿生长鳍波动推进机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种仿生长鳍波动推进机器鱼，其包括：机器鱼主体，其包括圆筒形外壳和扣合在所述圆筒形外壳两侧的两个半球形端盖，三者构成一个密封腔体，所述密封腔体内部安装有舵机，所述舵机通过舵机动力输出轴通过所述圆筒形外壳上的轴孔延伸至所述圆筒形外壳外部；所述舵机动力输出轴位于所述圆筒形外壳外部的顶端具有第一锥齿轮；波动鳍机构，包括齿轮箱机构和鳍条；所述齿轮箱机构包括底部开口的齿轮箱壳体，所述齿轮箱壳体的侧壁上安装有鳍条动力输出轴，所述鳍条动力输出轴位于所述齿轮箱壳体内部的顶端具有第二锥齿轮，其位于所述齿轮箱壳体外部的一端固定有鳍条。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器鱼技术领域，尤其涉及一种模仿蝠鲼游动方式的仿生长鳍波动推进机器鱼。
背景技术
随着陆地资源日益枯竭，人类对海洋资源的开发需求越来越大，各种具有水下勘探、水下捞救、水下侦查、水下跟踪功能的水下机器人正逐渐成为海洋资源开发、利用的重要工具。在军事领域中，需要体积小巧、隐蔽性强、机动性高的水下侦查、攻击系统；在民用领域中，需要续航能力强、稳定性高、对环境影响小的水下作业系统。而传统的水下机器人系统多以螺旋桨、喷射等方式作为推进方式，其在推进过程中会产生侧向的涡流，增加能量的无功消耗，降低能源利用率，并且体积大、机动性低、隐蔽性差，难以满足现代水下作业系统的要求。
鱼类经过长期的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性强、噪声低、对周围环境影响小等优点，为研制满足现代水下作业需求的新型水下推进器提供了一种新思路。
自世界上第一条仿生机器鱼诞生至今，国内外的研究人员已针对鱼类的各种游动模式研制出多种仿生机器鱼系统。其中，以模仿尾鳍摆动推进的机器鱼居多，而由于长鳍波动推进机器鱼具有稳定性高、抗干扰能力强等优点，且在紊流环境和低速状态下具有灵活的机动能力，因此对于长鳍波动推进机器人的研究与应用，可为提升水下机器人和水下航行器的低速稳定性、抗干扰能力提供改进思路。在国内，国防科技大学对仿生长鳍推进机器人的研究最为突出，研制了多种仿生推进装置；北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在对蝠鲼游动机理的研究基础上，分别开发了仿蝠鲼机器人。在国外，日本大阪大学在研究鳐鱼游动机理的基础上，研制了依靠两侧长鳍波动推进的仿生机器人系统；美国西北大学在研究电鳗游动机理的基础上开发了一种长腹鳍波动推进装置；新加坡南洋理工大学在深入研究长鳍波动推进机理的基础上，研制了相应的长鳍波动推进系统；荷兰代尔夫特理工大学通过模仿鳐鱼的运动方式研制了一种仿鳐鱼机器人。上述长鳍推进装置虽能实现前后推进以及转弯机动，但由于结构限制，其运动模式较少，且难以实现快速浮潜运动，对研制新型水下推进器的指导作用有限。
在现有公开技术中，专利“一种侧鳍波动推进式仿生机器鱼”(申请公布号CN102079371A，申请公布日2011.06.01)以及专利“一种波动仿生机器鱼”(授权公告号CN2905655Y，授权公告日2007.05.30)分别涉及了两种不同结构的长鳍波动推进装置，实现了在二维水平面中的运动，但不能实现在垂直方向的浮潜运动，极大约束了其应用前景。
发明内容
针对现有技术中存在的以上问题，本发明的目的是提供一种外形呈圆筒状、采用两侧波动鳍机构实现水下三维空间运动的仿生长鳍波动推进机器鱼。
本发明公开了一种仿生长鳍波动推进机器鱼，其包括：
机器鱼主体，其包括圆筒形外壳和扣合在所述圆筒形外壳两侧的两个半球形端盖，三者构成一个密封腔体，所述密封腔体内部安装有舵机，所述舵机通过舵机动力输出轴通过所述圆筒形外壳上的轴孔延伸至所述圆筒形外壳外部；所述舵机动力输出轴位于所述圆筒形外壳外部的顶端具有第一锥齿轮；
对称分布于所述圆筒形外壳两侧的波动鳍机构，其包括齿轮箱机构和鳍条；所述齿轮箱机构包括底部开口的齿轮箱壳体，其固定安装在所述圆筒形外壳上延伸有舵机动力输出轴的位置处，形成密封腔；所述齿轮箱壳体的侧壁上安装有鳍条动力输出轴，所述鳍条动力输出轴位于所述齿轮箱壳体内部的顶端具有第二锥齿轮，其位于所述齿轮箱壳体外部的一端固定有鳍条；
其中，所述第一锥齿轮和第二锥齿轮位于所述齿轮箱壳体内部，且相互咬合；所述舵机动力输出轴和鳍条动力输出轴将所述舵机产生的动力转换为驱动所述鳍条的摆动运动。
本发明由于采用了以上技术方案，与现有机器鱼相比，具有以下优点：1、本发明的机器鱼主体呈圆筒形，且两端用半球形端盖密封，可有效减小机器鱼在水下三维空间中游动的阻力，提高机器鱼的运动效率；2、本发明的机器鱼主体顶端设有防水电缆接头，可增强机器鱼充电、通讯连接的便利性，且不影响机器鱼的密封性能；3、本发明的机器鱼的动力源全部安装在机器鱼主体腔内，通过动力输出轴和锥齿轮将舵机的转动运动转换为鳍条的摆动运动，进而驱动机器鱼的长鳍运动；4、本发明的机器鱼的鳍条是相互独立的，可对每一鳍条的运动进行单独控制，进而可驱动机器鱼的长鳍产生多种模式的行波或振动；5、本发明的机器鱼结构简单、价格低廉、隐蔽性好、稳定性高、易于控制，为研制高效、高隐蔽性、高稳定性的新型水下推进器提供关键技术基础。
附图说明
图1为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的外形结构示意图。
图2为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的内部结构示意图。
图3为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的端盖密封结构示意图。
图4为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的电缆接头组成示意图。
图5为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的驱动模块安装示意图。
图6为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的动力输出轴结构示意图。
图7为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的齿轮箱结构示意图。
图8为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的动力传动结构示意图。
图9为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的配重板安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明公开的仿生长鳍波动推进机器鱼的外形结构示意图。图2为本发明公开的仿生长鳍波动推进机器鱼的内部结构示意图。
如图1、图2所示，所述仿生长鳍波动推进机器鱼包括：圆筒形外壳1；扣合在所述圆筒形外壳1两端的半球形端盖6；安装在所述圆筒形外壳1上方一侧的电缆接头固定板3；安装在所述电缆接头固定板3上的电缆接头2；设置在所述圆筒形外壳1上方中部的手柄4；对称安装在所述圆筒形外壳1两侧的波动鳍机构5；对称安装在所述圆筒形外壳内部两侧的舵机安装架9；安装在所述舵机安装架9上的舵机10；安装在所述圆筒形外壳1腔内底部的配重板12；安装在所述圆筒形外壳1腔内两端的配重固定板13；安装在所述配重板12上的运动驱动控制器14和电池组15；所述运动驱动控制器14控制所述波动鳍机构5产生期望运动；所述电池组15为所述仿生长鳍波动推进机器鱼提供能源。
如图1、图2所示，所述波动鳍机构5包括：安装在圆筒形外壳1上的齿轮箱机构11；安装在所述齿轮箱机构11上的鳍条7；粘附在所述鳍条7上的鳍膜8。
图3为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的圆筒形外壳及端盖构成的密封结构示意图。如图3所示，所述圆筒形外壳1和两个半球形端盖6组合构成机器鱼的密封腔体；所述圆筒外壳1采用ABS塑料加工成型，其内部中空，两端开口；所述半球形端盖6采用有机玻璃加工成型，安装在所述圆筒形外壳1的两端开口处；所述圆筒型外壳1和所述半球形端盖6之间设有圆环型密封圈21，可有效防止水从所述圆筒形外壳1的两端口处渗入密封腔体内；所述圆筒形外壳1上设有电缆接头2的安装孔17；所述电缆接头安装孔17完全贯穿所述圆筒形外壳1；所述圆筒形外壳1上设有电缆接头固定板3的螺钉紧固孔16，其按圆周等距分布于所述电缆接头安装孔17外侧；所述螺钉紧固孔16内带螺纹，且未完全贯穿所述圆筒形外壳1；所述圆筒形外壳1上方中部设有手柄4的安装孔19和紧固孔18，所述安装孔19和紧固孔18都未完全贯穿所述圆筒形外壳，且所述紧固孔18内带螺纹；所述圆筒形外壳1两侧分别具有多个用于安装所述舵机动力输出轴29的轴孔20，其两侧还分别具有多个定位孔22，用于固定安装所述齿轮箱机构11。
图4为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的电缆接头组成示意图。如图3、图4所示，所述电缆接头2安装在电缆接头固定板3上，通过六角螺母25紧固，其用于通讯和充电；圆型密封圈23套在所述电缆接头2上，并夹在所述电缆接头2和所述电缆接头固定板3之间，以在所述电缆接头2和所述电缆接头固定板3之间形成密封；所述电缆接头固定板3通过六个螺钉紧固在圆筒型外壳1上；所述电缆接头固定板3具有凹槽，其内设有圆型密封圈24，夹在所述电缆接头固定板3和所述圆筒形外壳1之间，以在所述电缆接头固定板3和所述圆筒形外壳1之间形成密封。
图5为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的驱动模块安装示意图。如图2、图5所示，所述驱动模块包括舵机安装架9和安装在所述舵机安装架9上的多个舵机10。所述舵机安装架9呈U型，其采用铝合金材料加工成型，通过两侧的通孔26对称安装在所述圆筒型外壳1的腔内两侧。且所述舵机安装架9的U型槽底面与所述圆筒形外壳1的水平径向垂直；六个舵机10等距并排安装在所述舵机安装架9上，所述舵机10均朝向所述圆筒形外壳1的外侧；每个所述舵机10由四个螺钉27紧固在舵机安装架9上。
图6为本发明中仿生长鳍波动推进机器鱼的动力输出轴结构示意图。图7为本发明中仿生长鳍波动推进机器鱼的齿轮箱结构示意图。图8为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的动力传动结构示意图。
如图6、图7、图8所示，所述齿轮箱机构11包括：齿轮箱壳体36；箱定位销37；方形密封圈40；安装在舵机10上的舵盘28；安装在所述舵盘28上的舵机动力输出轴29；安装在所述舵机动力输出轴29上的格莱圈30和轴承31；安装在圆筒形外壳1上，用于固定所述轴承31的轴承端盖32；安装在所述舵机动力输出轴29顶端的锥齿轮33；安装在所述齿轮箱壳体36上的鳍条动力输出轴39；安装在所述鳍条动力输出轴39上的格莱圈41和法兰轴承42；安装在所述鳍条动力输出轴39顶端的锥齿轮44。其中所述齿轮箱壳体36安装在所述圆筒型外壳1两侧外壁上，通过两个所述定位销37精确定位所述齿轮箱壳体36的安装位置。另外，所述齿轮箱机构11用于将舵机10输出的转动运动转换为鳍条7的摆动运动；所述鳍膜8将若干根鳍条7连接在一起，形成柔性长鳍，由鳍条7驱动其产生波动运动或振动运动。
如图3、图5、图6所示，所述舵盘28通过齿轮咬合与舵机10的输出轴耦合在一起，舵机安装架9的大小尺寸保证所述舵机10和所述舵盘28能紧密耦合；舵机动力输出轴29的底座是一个圆盘，可与所述舵盘28完全配合，并通过均匀分布在底座圆盘上的四个通孔紧固在所述舵盘28上；所述舵机动力输出轴29穿过圆筒形外壳1上的轴孔20，将所述舵机10的动力传递到所述圆筒形外壳1外；所述舵机动力输出轴29上开有一个凹槽，安装固定所述舵机动力输出轴29后，所述凹槽恰好位于所述轴孔20的中部，其中安装有格莱圈30，形成一道密封，防止水从齿轮箱壳体36内渗入到机器鱼腔内；所述舵机动力输出轴29外侧套有一个轴承31，可减小所述舵机动力输出轴29和所述圆筒形外壳1之间的摩擦阻力；在所述舵机动力输出轴29上、所述轴承31外侧还套有一个轴承端盖32，所述轴承端盖32紧固在所述圆筒形外壳1上，将所述轴承31固定在所述圆筒形外壳1上的轴孔20内；锥齿轮33安装在所述舵机动力输出轴29的顶端，通过轴向的螺钉35和垫片34紧固，使所述舵机10能带动所述锥齿轮33转动。
如图2、图3、图7、图8所示，所述齿轮箱壳体36是一个方形盒体，底面开口且在所述底面上设有凸沿；在所述凸沿上开有若干通孔，用于将所述齿轮箱壳体36紧固于圆筒形外壳1上；在所述凸沿上还设有两个定位销37，通过与圆筒形外壳1上的定位孔22配合，可精确定位所述齿轮箱壳体36的安装位置；在所述凸沿上还设有一个方形凹槽，其中安装有方形密封圈40。
如图7、图8所示，所述鳍条动力输出轴39安装在齿轮箱壳体36的一侧壁上；所述鳍条动力输出轴39上开有一个凹槽，其中设有格莱圈41，形成一道密封，防止水从机器鱼外部渗入到所述齿轮箱壳体36内；在所述鳍条动力输出轴39上靠所述齿轮箱壳体36内侧套有一个法兰轴承42，可减小所述鳍条动力输出轴39与所述齿轮箱壳体36之间的摩擦阻力；在所述鳍条动力输出轴39的顶端安装有锥齿轮44，通过轴向的螺钉47紧固，使所述锥齿轮44能带动所述鳍条动力输出轴39转动；在所述鳍条动力输出轴39上、所述法兰轴承42和所述锥齿轮44之间还设有一个弹片43，使得对所述锥齿轮44的紧固更加牢固；鳍条7安装在所述鳍条动力输出轴39靠所述齿轮箱壳体36外侧的外端，通过螺钉38紧固。
如图8所示，所述舵机动力输出轴29和鳍条动力输出轴39正交，通过所述两轴顶端的锥齿轮34、44相互耦合，将舵机10的转动运动转换为鳍条7的摆动运动。其中，所述锥齿轮(33、44)的传动比为1∶1。
图9为本发明的仿生长鳍波动推进机器鱼的配重板安装示意图。如图2、图9所示，所述配重板12采用黄铜板加工成U型，其中部挖有矩形凹槽，所述矩形凹槽底部等距开有若干通孔48、49，用于安装运动驱动控制器14和电池组15；所述配重板12安装在所述圆筒形外壳1的腔内底部，通过两侧的配重固定板13紧固，用于平衡所述机器鱼的重力和浮力；运动驱动控制器14、电池组15安装在所述配重板12上；所述运动驱动控制器14控制所述波动鳍机构5产生期望运动；所述电池组15为所述仿生长鳍波动推进机器鱼提供能源。
本发明公开的上述仿生长鳍波动推进机器鱼由于采用圆筒形壳体，使得其在垂直方向上的运动阻力较小；另外，本发明的柔性长鳍由多个舵机驱动，可方便控制柔性长鳍使其与水平面呈一定角度并进行拍动运动，两侧长鳍的拍动运动即可在垂直方向上产生力且在水平方向上不产生力，进而使得本发明的机器鱼具有垂直方向的浮潜运动能力。
而现有技术中虽然也有采用圆筒形外壳的机器鱼，但其长鳍驱动模式单一，不能控制整个长鳍产生拍动运动，而只能产生波动运动，不能实现在垂直方向上产生力的同时又使水平方向的力几乎为零，因此它们不能实现垂直方向的浮潜运动。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿生长鳍波动推进机器鱼，其包括：
机器鱼主体，其包括圆筒形外壳和扣合在所述圆筒形外壳两侧的两个半球形端盖，三者构成一个密封腔体，所述密封腔体内部安装有舵机，所述舵机的舵机动力输出轴通过所述圆筒形外壳上的轴孔延伸至所述圆筒形外壳外部；所述舵机动力输出轴位于所述圆筒形外壳外部的顶端具有第一锥齿轮；
对称分布于所述圆筒形外壳两侧的波动鳍机构，其包括齿轮箱机构和鳍条；所述齿轮箱机构包括底部开口的齿轮箱壳体，其固定安装在所述圆筒形外壳上延伸有舵机动力输出轴的位置处，形成密封腔；所述齿轮箱壳体的侧壁上安装有鳍条动力输出轴，所述鳍条动力输出轴位于所述齿轮箱壳体内部的顶端具有第二锥齿轮，其位于所述齿轮箱壳体外部的一端固定有鳍条；
其中，所述第一锥齿轮和第二锥齿轮位于所述齿轮箱壳体内部，且相互咬合；所述舵机动力输出轴和鳍条动力输出轴将所述舵机产生的动力转换为驱动所述鳍条的摆动运动。
2.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述圆筒形外壳采用ABS塑料加工成型，其内部中空，两端开口，两侧开有用于安装所述舵机动力输出轴的轴孔；所述半球形端盖采用有机玻璃加工成型，安装在所述圆筒形外壳的两端开口处；所述圆筒形外壳与所述半球形端盖之间设有圆型密封圈。
3.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述圆筒形外壳腔内两侧壁上对称安装有舵机安装架，其采用铝合金材料加工成型，所述舵机并排等距安装在所述舵机安装架上。
4.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述圆筒形外壳腔内具有配重板，其采用黄铜板加工成U型，并通过配重固定板紧固在所述圆筒形外壳的腔内底部，用于平衡所述机器鱼的重力和浮力；所述配重板中部具有U型槽，其内等距开有多个通孔，用于安装运动驱动控制器和电池组；所述配重板上安装有运动驱动控制器和电池组。
5.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述圆筒形外壳的顶部固定安装有电缆接头固定板，其上固定安装有用于通讯和充电的电缆接头，所述电缆接头与所述电缆接头固定板之间设有密封圈；所述电缆接头固定板和所述圆筒形外壳之间也设有密封圈。
6.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述齿轮箱壳体安装在所述圆筒形外壳两侧外壁上，通过两个定位销精确定位所述齿轮箱壳体的安装位置；所述齿轮箱壳体与所述圆筒形外壳之间安装有密封圈。
7.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述舵机与所述舵机动力输出轴通过舵盘连接；且所述舵机动力输出轴上具有凹槽且凹槽内安装有格莱圈，所述格莱圈位于所述圆筒形外壳的轴孔中部；所述舵机动力输出轴上还安装有轴承，用于减小所述舵机动力输出轴与所述圆筒形外壳之间的摩擦阻力；在所述圆筒形外壳的外侧壁上安装有轴承端盖，用于将所述轴承固定于所述轴孔内。
8.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述鳍条动力输出轴具有凹槽且凹槽内设有格莱圈，以在所述齿轮箱壳体的所述侧壁上形成密封；所述鳍条动力输出轴上安装有法兰轴承，用于减小所述鳍条动力输出轴与所述齿轮箱壳体之间的摩擦阻力。
9.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述第一锥齿轮和第二锥齿轮的传动比为1:1。
10.根据权利要求1所述的仿生长鳍波动推进机器鱼，其特征在于：所述密封腔体内部两侧对称分布有多个舵机，所述波动鳍机构与其一一对应，且两侧波动鳍机构的鳍条由鳍膜连接，形成柔性长鳍，多个鳍条的摆动运动带动所述柔性长鳍产生拍动运动或波动运动。
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