CN104309788A - 双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器 - Google Patents

Abstract

双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，它涉及一种仿鳐鱼水下航行器，以解决现有水下航行器存在机械结构复杂以及仿生胸鳍推进式水下航行器运动控制困难、运动形式单一和仿生效果与真实胸鳍推进有较大差别的问题，它包括供电及控制模块，它还包括腹腔组件和两套波动胸鳍组件；腹腔组件包括腹腔底盘和腹腔顶盖；每套波动胸鳍组件包括柔性翼、第一压电纤维复合材料驱动关节、两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节，柔性翼内嵌装有并列布置的第一压电纤维复合材料驱动关节、两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节。本发明用于海洋科学。

Description

双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器

技术领域

本发明涉及一种仿鳐鱼水下航行器，属于仿生水下航行器领域。

背景技术

随着现代社会陆地资源紧缺和能源需求不断增加的矛盾日益严峻，越来越多的国家和地区的政府和研究机构将目光投向了海洋，因此对海洋资源的大规模开发利用必将成为今后世界发展的一个热点问题。但由于海洋尤其是深海区域并不属于人类传统的生活地带，为了解决这个问题必然要发展水下航行器，特别是高效、清洁、环境友好型的水下航行器。

现有的水下航行器大多数采用螺旋桨作为推进机构，这种方式存在着很多不可避免的缺点，如体积大、重量大、噪声大、效率低，且对周围流体的扰动容易影响海洋生物的生存，甚至对环境造成一定程度的破坏。这些缺点一定程度上限定了水下航行器的应用。

在解决科学问题和工程需求的驱动下，科学家们通过对鱼类的大量研究，发现鱼类在水中又懂事，受到的流体阻力非常小而得到的推力却非常大，无论在效率、机动性还是对周围环境的影响上，鱼类的推进模式均优于传统的螺旋桨推进模式，其卓越的水中运动能力为各式现代化的水面舰船和水下航行器所莫及，这也为我们研制新型水下航行器提供了仿生原型。以此为基础，诞生了通过模仿鱼类游动机理来提高速度、效率和机动性的水下推进器—仿鱼水下航行器。

在诸多仿鱼水下航行器中，采用波动鳍推进的仿生机器人具有较好的机动性能，适合复杂空间和洋流环境下的持续作业，在海底探测、资源探测等许多领域均有迫切需求。鳐鱼作为一种采用胸鳍推进的海洋鱼类，具有机动性好、隐蔽性强以及适合深海运动等优点，在这几年得到了越来越多研究人员的关注。人们通过开发不同原理和推进形式的机器鳐鱼来进一步探讨鳐鱼的运动机理及潜在的应用价值。

经文献检索，授权公告日为2012年2月1日、授权公告号为CN101665147B的发明名称为“胸鳍柔性摆动机器鱼”的发明专利，它首次提出了一种利用凸轮滚子传递电机运动带动胸鳍进行摆动的机器鱼，这种机器鱼可以通过胸鳍的摆动获得推进动力，但由于胸鳍不具备有直接可控的展向柔性和弦向柔性，因此，其仿生效果跟真实鱼鳍相比也会受到一定程度的制约。

授权公告日为2013年5月22日、授权公告号为CN102248995B的发明名称为“咽颌运动模式欠驱动柔性胸鳍仿生装置”的发明专利，它首次提出了一种采用欠驱动机构模式的仿生胸鳍，将主动摆动构件和从动摆动构件结合应用，其中主动摆动构件由电机直接驱动，而从动摆动构件则由主动摆动构件通过阻尼器传递运动，实现了胸鳍的波动运动。但由于带动胸鳍运动的鳍条都是刚性的摆动构件，因此只能实现胸鳍的展向柔性，而不具备弦向柔性，这与自然界中真实鱼鳍的结构和运动有一定的区别。

发明内容

本发明是为解决现有水下航行器存在机械结构复杂以及仿生胸鳍推进式水下航行器运动控制困难、运动形式单一和仿生效果与真实胸鳍推进有较大差别的问题，进而提供一种双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器包括供电及控制模块，它还包括腹腔组件和两套波动胸鳍组件；腹腔组件包括腹腔底盘和腹腔顶盖；

每套波动胸鳍组件包括柔性翼、第一压电纤维复合材料驱动关节、两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节，柔性翼内嵌装有并列布置的第一压电纤维复合材料驱动关节、两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节，第一压电纤维复合材料驱动关节水平布置在柔性翼的中部，两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节分别以第一压电纤维复合材料驱动关节为对称轴对称布置，第二压电纤维复合材料驱动关节位于第一压电纤维复合材料驱动关节和第三压电纤维复合材料驱动关节之间，第二压电纤维复合材料驱动关节的长度小于第一压电纤维复合材料驱动关节的长度且第二压电纤维复合材料驱动关节的长度大于第三压电纤维复合材料驱动关节的长度；

腹腔顶盖的开口端盖合在腹腔底盘的开口端上且二者可拆卸密封连接，两套波动胸鳍组件以腹腔底盘的中心线为对称轴对称布置，每套波动胸鳍组件的柔性翼与腹腔底盘可拆卸连接，供电及控制模块安装在腹腔顶盖与腹腔底盘构成的封闭空腔中，供电及控制模块分别与每套波动胸鳍组件中的第一压电纤维复合材料驱动关节、两个第二压电纤维复合材料驱动关节和两个第三压电纤维复合材料驱动关节电连接。

本发明的有益效果是：一、本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器主要通过内嵌于波动胸鳍组件的压电纤维复合材料(MFC)驱动关节的弯曲变形带动柔性翼进行波动或者摆动运动，以模拟真实鳐鱼的鳍变形模式，实现有效运动。跟大多数参考文献一致，本发明暂且规定压电纤维复合材料(MFC)驱动关节长度方向为展向，腹腔底盘的长度方向的中心线为弦向。由于鳐鱼的胸鳍一般呈不规则的几何形态，展向尺寸沿弦向一般会有所变化，因此本发明的每个波动胸鳍内嵌有三组长度不同的压电纤维复合材料(MFC)驱动关节，以最大限度地利用展向长度空间，使得运动执行效率更高。根据鳐鱼的水动力学推进机理，其胸鳍弦向波动的波数、频率、波幅以及展向方向摆幅等运动学参数和形态参数直接决定了整体的推进效率、推进速度的动力学性能。本发明根据这个原理，采用模块化设计的理念将仿鳐鱼航行器分为腹腔组件和波动胸鳍组件等独立的模块，其中腹腔组件作为航行器基体，而波动胸鳍组件则作为动作单元。由于压电纤维复合材料(MFC)驱动关节是嵌入柔性翼的，引起其运动也会同步复现在柔性胸鳍的变形上。当压电纤维复合材料(MFC)驱动关节的只有一侧延展时，便会带动柔性翼产生弯曲变形，在柔性胸鳍的运动形态上体现出来的就是绕腹腔底盘的长度方向的中心线的偏摆，此时会有击水的效果；若合理控制沿腹腔底盘的长度方向分布压电纤维复合材料(MFC)驱动关节的摆动幅值，则可以让柔性胸鳍呈现出波动形态或者扭转摆动形态。根据鳐鱼运动学特性合理地调节胸鳍的动作，即可实现航行器的有效推进或者转弯等动作。

二、本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器是通过控制压电纤维复合材料(MFC)驱动关节两端的电压来实现运动的。根据压电纤维复合材料的力学特性，在其两端通正向电压时会产生延展变形，通负向电压时则会产生收缩变形，因此根据鳐鱼胸鳍的运动学模型来控制压电纤维复合材料的通电时间和电压来控制压电纤维复合材料驱动关节的运动时间和变形幅度。对同一波动胸鳍组件上的不同压电纤维复合材料驱动关节组件进行分别控制，便可让胸鳍拟合出波动变形和摆动变形，实现类似于自然界中鳐鱼流畅优雅的运动形态。

三、本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器具有设计灵活、结构简单、系统集成度高的优点。通过多个压电纤维复合材料驱动关节与柔性翼的一体化设计，以简练的结构实现了利用波动胸鳍进行仿鳐鱼航行器的直线推进和转弯偏航等机动性，本发明的动作行为与真实胸鳍的推进行为接近，仿生效果与自然界中真实鱼鳍游动差距很小，在形态和运动效果方面都与真实鳐鱼较为相近，可用于仿生水下航行器的制作领域，在海洋科学研究和产业应用中具有较好的前景。本发明可用作研究鱼类游动流体控制机理的实验平台，也可用于科普展览、海洋探测等领域。

附图说明

图1是本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器的立体结构示意图，图2是图1的侧视图，图3是本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器的主剖面示意图，图4是本发明的腹腔底盘整体结构示意图，图5是本发明的波动胸鳍组件的立体结构示意图，图6是图5的主剖面结构示意图，图7是压电纤维复合材料驱动关节在两侧分别通电时的一种变形示意图，图8是压电纤维复合材料驱动关节在两侧分别通电时的另一种变形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器包括供电及控制模块3，它还包括腹腔组件和两套波动胸鳍组件5；腹腔组件包括腹腔底盘1和腹腔顶盖7；

每套波动胸鳍组件5包括柔性翼19、第一压电纤维复合材料驱动关节18、两个第二压电纤维复合材料驱动关节17和两个第三压电纤维复合材料驱动关节16，柔性翼19内嵌装有并列布置的第一压电纤维复合材料驱动关节18、两个第二压电纤维复合材料驱动关节17和两个第三压电纤维复合材料驱动关节16，第一压电纤维复合材料驱动关节18水平布置在柔性翼19的中部，两个第二压电纤维复合材料驱动关节17和两个第三压电纤维复合材料驱动关节16分别以第一压电纤维复合材料驱动关节18为对称轴对称布置，第二压电纤维复合材料驱动关节17位于第一压电纤维复合材料驱动关节18和第三压电纤维复合材料驱动关节16之间，第二压电纤维复合材料驱动关节17的长度小于第一压电纤维复合材料驱动关节的长度且第二压电纤维复合材料驱动关节17的长度大于第三压电纤维复合材料驱动关节16的长度；

腹腔顶盖7的开口端盖合在腹腔底盘1的开口端上且二者可拆卸密封连接，两套波动胸鳍组件5以腹腔底盘1的中心线为对称轴对称布置，每套波动胸鳍组件5的柔性翼19与腹腔底盘1可拆卸连接，供电及控制模块3安装在腹腔顶盖7与腹腔底盘1构成的封闭空腔4中，供电及控制模块3分别与每套波动胸鳍组件5中的第一压电纤维复合材料驱动关节18、两个第二压电纤维复合材料驱动关节17和两个第三压电纤维复合材料驱动关节16电连接。

本实施方式的压电纤维复合材料驱动关节通过导线15引线的方式与供电及控制模块电连接，航行器整体外形采用仿生流线型设计。本实施方式的柔性翼可以采用硅胶或聚四氟乙烯等有机材料。本实施方式的供电及控制模块为现有技术，主要是给压电纤维复合材料驱动关节供电并实现对压电纤维复合材料驱动关节的信号通讯及控制，以实现压线纤维复合材料驱动关节的变形。当压电纤维复合材料(MFC)驱动关节的只有一侧延展时，便会带动柔性翼产生弯曲变形，在柔性胸鳍的运动形态上体现出来的就是绕腹腔底盘的长度方向的中心线的偏摆(如图2所示)。本发明的压电纤维复合材料(MFC)驱动关节长度方向为展向(如图6所示)，腹腔底盘的长度方向的中心线为弦向(如图2和图4所示)。

具体实施方式二：结合图6说明，本实施方式所述的柔性翼19由硅胶制成。如此设置，化学性质稳定，有较高的机械强度，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式所述腹腔底盘1和腹腔顶盖7均由硅胶制成。这种实施方案的鱼体本身具备了一定的柔性，与自然界中鳐鱼的物理特性较为相近，因此获得更好的仿生效果。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明，本实施方式所述第一压电纤维复合材料驱动关节18、两个第二压电纤维复合材料驱动关节17和两个第三压电纤维复合材料驱动关节16均为板状压电纤维复合材料驱动关节。如此设置，拆装方便，使用便捷。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图3说明，本实施方式所述腹腔组件还包括两条密封条2，腹腔顶盖7的开口端的前侧端面通过一个密封条2与腹腔底盘1的开口端的前侧端面密封，腹腔顶盖7的开口端的后侧端面通过一个密封条2与腹腔底盘1的开口端的后侧端面密封。如此设置，密封可靠，使用方便。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式所述腹腔组件还包括第一螺栓10、两个第二螺栓9和六个第三螺栓8；腹腔顶盖7的后侧端通过第一螺栓与腹腔底盘1的后侧端可拆卸连接，腹腔顶盖7的前侧端通过两个第二螺栓9与腹腔底盘1的前侧端可拆卸连接，位于腹腔底盘1的中心线两侧的柔性翼19分别与腹腔顶盖7和腹腔底盘1通过三个第三螺栓8可拆卸连接。如此设置，连接方便可靠，使用便捷，本实施方式的腹腔底盘1和腹腔顶盖7上加工有与第一螺栓10对应的同轴的螺纹孔13，与第二螺栓9对应的同轴的螺纹孔12，以及腹腔底盘1、腹腔顶盖7和柔性翼19上与第三螺栓8对应的同轴的螺纹孔20。其它与具体实施方式五相同。

工作原理

本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器在制造的时候，压电纤维复合材料(MFC)驱动关节与柔性翼19可进行一体化成型，具体而言，是将制作好的三组压电纤维复合材料驱动关节放入模具内部，按照设计好的空间位置分布，然后浇铸柔性材料(如硅胶)溶液，待柔性材料(如硅胶)溶液固化后，便可获得一体化的柔性波动胸鳍组件5。

本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器在制造的时候，腹腔顶盖7与腹腔底盘1的结合面14设计有密封圈以防止外部流体渗入。由于固化后的柔性材料(如硅胶)具备一定程度的密封性能，因此波动胸鳍组件5上的结合面21与腹腔底盘1的定位槽11不需要额外分布密封圈等密封装置，制造的时候，采用过盈配合，保证结合面21在定位槽11中处于预压紧状态，以达到密封功能。

本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器在制造的时候，出于水动力学特性的考虑，机器整体外形呈仿生流线型，用传统机械加工的方法来实现的周期可能会较长，加工难度也较大，因此可以考虑采用3D打印的技术进行腹腔顶盖7、腹腔底盘1以及用于浇铸波动胸鳍组件5的模具的增材制造。

如图7和图8所示，本发明的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器在制造的时候，控制方式采用关节独立控制，以实现良好的运动效果。以压电纤维复合材料驱动关节作为一个独立运动单元。通过控制通电频率和电压幅值便可以控制压电纤维复合材料驱动关节的弯曲变形，图7是空心箭头侧表示通正电、实现箭头侧表示通负电，闭合空心箭头指向通电后变形的压电纤维复合材料驱动关节，图8是空心箭头侧表示通负电、实现箭头侧表示通正电，闭合空心箭头指向通电后变形的压电纤维复合材料驱动关节。通过让若干个关节保持静止而若干个驱动关节运动，便可实现仿鳐鱼水下航行器的巡游、转弯、加速等机动特性。

Claims (6)

1.双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，它包括供电及控制模块(3)，其特征在于：它还包括腹腔组件和两套波动胸鳍组件(5)；腹腔组件包括腹腔底盘(1)和腹腔顶盖(7)；

每套波动胸鳍组件(5)包括柔性翼(19)、第一压电纤维复合材料驱动关节(18)、两个第二压电纤维复合材料驱动关节(17)和两个第三压电纤维复合材料驱动关节(16)，柔性翼(19)内嵌装有并列布置的第一压电纤维复合材料驱动关节(18)、两个第二压电纤维复合材料驱动关节(17)和两个第三压电纤维复合材料驱动关节(16)，第一压电纤维复合材料驱动关节(18)水平布置在柔性翼(19)的中部，两个第二压电纤维复合材料驱动关节(17)和两个第三压电纤维复合材料驱动关节(16)分别以第一压电纤维复合材料驱动关节(18)为对称轴对称布置，第二压电纤维复合材料驱动关节(17)位于第一压电纤维复合材料驱动关节(18)和第三压电纤维复合材料驱动关节(16)之间，第二压电纤维复合材料驱动关节(17)的长度小于第一压电纤维复合材料驱动关节的长度且第二压电纤维复合材料驱动关节(17)的长度大于第三压电纤维复合材料驱动关节(16)的长度；

腹腔顶盖(7)的开口端盖合在腹腔底盘(1)的开口端上且二者可拆卸密封连接，两套波动胸鳍组件(5)以腹腔底盘(1)的中心线为对称轴对称布置，每套波动胸鳍组件(5)的柔性翼(19)与腹腔底盘(1)可拆卸连接，供电及控制模块(3)安装在腹腔顶盖(7)与腹腔底盘(1)构成的封闭空腔(4)中，供电及控制模块(3)分别与每套波动胸鳍组件(5)中的第一压电纤维复合材料驱动关节(18)、两个第二压电纤维复合材料驱动关节(17)和两个第三压电纤维复合材料驱动关节(16)电连接。

2.根据权利要求1所述的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，其特征在于：所述柔性翼(19)由硅胶制成。

3.根据权利要求1或2所述的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，其特征在于：腹腔底盘(1)和腹腔顶盖(7)均由硅胶制成。

4.根据权利要求3所述的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，其特征在于：所述第一压电纤维复合材料驱动关节(18)、两个第二压电纤维复合材料驱动关节(17)和两个第三压电纤维复合材料驱动关节(16)均为板状压电纤维复合材料驱动关节。

5.根据权利要求1、2或4所述的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，其特征在于：所述腹腔组件还包括两条密封条(2)，腹腔顶盖(7)的开口端的前侧端面通过一个密封条(2)与腹腔底盘(1)的开口端的前侧端面密封，腹腔顶盖(7)的开口端的后侧端面通过一个密封条(2)与腹腔底盘(1)的开口端的后侧端面密封。

6.根据权利要求5所述的双波动胸鳍协同推进的仿鳐鱼水下航行器，其特征在于：所述腹腔组件还包括第一螺栓(10)、两个第二螺栓(9)和六个第三螺栓(8)；腹腔顶盖(7)的后侧端通过第一螺栓与腹腔底盘(1)的后侧端可拆卸连接，腹腔顶盖(7)的前侧端通过两个第二螺栓(9)与腹腔底盘(1)的前侧端可拆卸连接，位于腹腔底盘(1)的中心线两侧的柔性翼(19)分别与腹腔顶盖(7)和腹腔底盘(1)通过三个第三螺栓(8)可拆卸连接。