CN104627342A - 一种滑翔机器海豚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑翔机器海豚，由头部舱模块、任务舱模块、胸鳍舱模块、控制舱模块、腰关节舱模块和尾关节舱模块组成，胸鳍舱模块中设置了胸鳍驱动机构、吸排水机构和舱体抛载机构，控制舱模块中设置了重心调节机构，腰关节舱模块中设置了偏航驱动机构和尾部驱动机构，尾关节舱模块中设置了尾鳍驱动机构。本发明通过尾部驱动机构和尾鳍驱动机构使尾部两关节上下摆动，实现背腹式推进；通过吸排水机构调节整体净浮力，实现浮力驱动推进。本发明可以通过胸鳍调节运动时的俯仰角和横滚角，通过偏航驱动机构调节偏航角。本发明兼具机器海豚高速、高机动性和水下滑翔器续航能力强的优点，并且采用模块化设计，易于安装和维护。

Description

一种滑翔机器海豚

技术领域

本发明涉及一种水下机器人，更具体地涉及一种滑翔机器海豚。

背景技术

海豚是一种具有快速、高机动运动能力的海洋哺乳动物，在水中拥有近乎完美的运动技能。海豚的身体呈流线形，肌肉发达，依靠尾部和尾鳍的上下摆动及鳍肢的配合，瞬时游速可超过11m/s(约3～5倍体长/秒)。海豚的转弯半径可以小至0.11至0.17倍体长，转弯速度高达450度/秒。此外，由于海豚躯干有两个摆动自由度，因此海豚在跃出水面后，在空中还能完成空中转体等复杂动作，这些高难度动作是鱼类所不能实现的。

海豚优异的运动能力，引起了水下仿生机器人领域研究学者们的热切关注，他们试图将生物海豚高效的运动机制应用到水下机器人上，从而催生了机器海豚的研究。随着对新一代集高效性、机动性、灵活性和隐形性于一体的无人水下航行器的需求的增长，机器海豚已经成为一个新的研究热点。一方面，与传统的基于螺旋桨推进的水下航行器相比，机器海豚实现了推进器与舵的统一，具有高效、高机动、低扰动等优点，从而更适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探、救援等作业；另一方面，以机器海豚为实验平台，还可以进行一些无法在活体海豚上进行的实验，以进一步加深对生物海豚运动机理及减阻机制的理解。近年来，国内外的一些高校和科研院所进行了机器海豚的研究，并研制出了一些机器海豚的原型样机。

但是，目前的机器海豚运动的能量基本来源于内部携带的电池，而驱动机器海豚尾部摆动的电机耗能较大，电池能量不足以供机器海豚进行长时间运动。所以，目前的机器海豚虽然具备一定的机动性能，但续航时间较短，这一点限制了机器海豚的推广和应用。因此，有必要设计一种新型的机器海豚，使之具备长续航能力。受生物海豚能够通过滑翔运动节省能量和水下滑翔器通过浮力驱动实现低能耗的启发，本专利申请将水下滑翔器上的浮力驱动机制引入到机器海豚上，使之兼具高机动性和长续航能力的优点。

发明内容

有鉴于此，针对目前的机器海豚能耗高、续航能力弱的技术问题，本发明的主要目的在于提供一种滑翔机器海豚，以提供一种高机动、续航能力强、模块化的新型水下仿生运载与观测平台。

为实现上述目的，本发明提出了一种滑翔机器海豚，躯体仿照生物海豚躯体设计，其特征在于，所述滑翔机器海豚能够实现背腹式推进和浮力驱动推进的两种运动方式。

所述的滑翔机器海豚采用模块化设计，至少包括位于所述滑翔机器海豚胸鳍部的胸鳍舱模块、位于所述滑翔机器海豚后部的腰关节舱模块和尾关节舱模块，所述胸鳍舱模块包括吸排水机构，所述腰关节舱模块包括尾部驱动机构，所述尾关节舱模块包括尾鳍驱动机构；

其中，所述滑翔机器海豚通过所述尾部驱动机构和所述尾鳍驱动机构使尾部两关节上下摆动，实现背腹式推进，或者通过所述吸排水机构调节整体净浮力，实现浮力驱动推进。

其中，所述吸排水机构中设置有液囊，所述液囊与所述滑翔机器海豚的壳体外部相通；所述吸排水机构能够使所述液囊吸水或者排水，以使所述滑翔机器海豚下潜或者上浮。

其中，所述腰关节舱模块还包括偏航驱动机构，所述偏航驱动机构用来驱动所述腰关节舱模块横向摆动，以使所述滑翔机器海豚进行转向。

其中，所述尾关节舱模块还包括尾鳍，所述尾鳍仿照生物海豚的尾鳍制作，用来在所述滑翔机器海豚进行背腹式推进时产生推进力，在所述滑翔机器海豚进行浮力驱动推进时调节运动的俯仰角。

其中，所述胸鳍舱模块还包括胸鳍和胸鳍驱动机构，所述胸鳍驱动机构可以驱动所述胸鳍转动，所述胸鳍仿照生物海豚的胸鳍制作，用来当所述滑翔机器海豚进行背腹式推进或者浮力驱动推进时，调节所述滑翔机器海豚的俯仰角和横滚角。

其中，所述胸鳍舱模块还包括舱体抛载机构，当遇到紧急情况时，所述舱体抛载机构使所述胸鳍舱模块与所述滑翔机器海豚分离；其中，所述舱体抛载机构通过永磁铁来实现所述分离动作。

所述的滑翔机器海豚还包括头部舱模块，所述头部舱模块包括传感器，所述传感器用来测量所述滑翔机器海豚自身的运动状态和四周的环境信息。

所述的滑翔机器海豚还包括任务舱模块，用于根据任务需求在其中安装仪器设备和载荷。

所述的滑翔机器海豚还包括控制舱模块，所述控制舱模块包括重心调节机构和控制电路板；

其中，所述重心调节机构用来消除所述滑翔机器海豚质量分布不均匀而导致的重心偏移，并在所述滑翔机器海豚运动时调节俯仰角和横滚角；所述控制电路板用来对所述滑翔机器海豚的运动进行控制。

基于上述技术方案可知，本发明提出的滑翔机器海豚兼具机器海豚和水下滑翔器的优点，能够实现机器海豚的高机动性能与水下滑翔器长续航能力的优势互补；可以通过切换不同的工作模式来适应不同的水下环境和任务要求：在滑翔时，所述的滑翔机器海豚采用浮力驱动的方式，消耗能源少，续航能力强，能够进行远距离、长时间的航行；在海豚的背腹式推进方式下，所述的滑翔机器海豚航行速度快，机动性能强，适用于要求速度快和机动性较高的任务；可以将胸鳍作为控制翼面，改变运动时的俯仰角和滚转角，还可以利用尾鳍调节俯仰角，与已有的水下滑翔器通过移动质量滑块进行姿态调节的方式相比，调节速度快，调节范围大；流线型躯干、胸鳍和尾鳍在滑翔模式下能够提供较大升力，所以其翼展明显小于水下滑翔器的翼展，能更方便地在复杂水域中执行任务；采用模块化设计，方便在维护时或者进行不同的任务时对相应模块进行拆卸、更换；胸鳍舱模块采用了可分离的机构设计，因而可以在水中抛弃，以避免在翼面被水草缠绕或者吸排水管道被异物阻塞等紧急情况下机器海豚或者滑翔器无法回收的问题。

附图说明

图1为本发明的滑翔机器海豚的整体结构示意图；

图2为本发明的滑翔机器海豚的头部舱模块的外部示意图；

图3为本发明的滑翔机器海豚的头部舱模块的内部示意图；

图4为本发明的滑翔机器海豚的任务舱模块的外部示意图；

图5为本发明的滑翔机器海豚的任务舱模块的内部示意图；

图6为本发明的滑翔机器海豚的胸鳍舱模块的外部示意图；

图7为本发明的滑翔机器海豚的胸鳍舱模块的内部示意图(1)；

图8为本发明的滑翔机器海豚的胸鳍舱模块的内部示意图(2)；

图9为本发明的滑翔机器海豚的控制舱模块的外部示意图；

图10为本发明的滑翔机器海豚的控制舱模块的内部示意图(1)；

图11为本发明的滑翔机器海豚的控制舱模块的内部示意图(2)；

图12为本发明的滑翔机器海豚的腰关节舱模块的外部示意图；

图13为本发明的滑翔机器海豚的腰关节舱模块的内部示意图；

图14为本发明的滑翔机器海豚的尾关节舱模块的外部示意图；

图15为本发明的滑翔机器海豚的尾关节舱模块的内部示意图；

图16为本发明的滑翔机器海豚滑翔时的运动轨迹示意图。

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。

本发明公开了一种滑翔机器海豚，躯体仿照生物海豚躯体设计，能够实现背腹式推进和浮力驱动推进的两种运动方式。

所述滑翔机器海豚采用模块化设计，至少包括位于所述滑翔机器海豚胸鳍部的胸鳍舱模块、位于所述滑翔机器海豚后部的腰关节舱模块和尾关节舱模块，所述胸鳍舱模块包括吸排水机构，所述腰关节舱模块包括尾部驱动机构，所述尾关节舱模块包括尾鳍驱动机构；其中，所述滑翔机器海豚通过所述尾部驱动机构和所述尾鳍驱动机构使尾部两关节上下摆动，实现背腹式推进，或者通过所述吸排水机构调节整体净浮力，实现浮力驱动推进。

其中，所述吸排水机构中设置有液囊，所述液囊与所述滑翔机器海豚的壳体外部相通；所述吸排水机构能够使所述液囊吸水或者排水，以使所述滑翔机器海豚下潜或者上浮。

其中，所述腰关节舱模块还包括偏航驱动机构，所述偏航驱动机构用来驱动所述腰关节舱模块横向摆动，以使所述滑翔机器海豚进行转向。

其中，所述尾关节舱模块还包括尾鳍，所述尾鳍仿照生物海豚的尾鳍制作，用来在所述滑翔机器海豚进行背腹式推进时产生推进力，在所述滑翔机器海豚进行浮力驱动推进时调节运动的俯仰角。

其中，所述胸鳍舱模块还包括胸鳍和胸鳍驱动机构，所述胸鳍驱动机构可以驱动所述胸鳍转动，所述胸鳍仿照生物海豚的胸鳍制作，用来当所述滑翔机器海豚运动时，调节所述滑翔机器海豚的俯仰角和横滚角。

其中，所述胸鳍舱模块还包括舱体抛载机构，当遇到紧急情况时，所述舱体抛载机构使所述胸鳍舱模块与所述滑翔机器海豚分离；其中，所述舱体抛载机构通过永磁铁来实现所述分离动作。

所述的滑翔机器海豚还包括头部舱模块，所述头部舱模块包括传感器，所述传感器用来测量所述滑翔机器海豚自身的运动状态和四周的环境信息。

所述的滑翔机器海豚还包括任务舱模块，用于根据任务需求在其中安装仪器设备和载荷。

所述的滑翔机器海豚还包括控制舱模块，所述控制舱模块包括重心调节机构和控制电路板；

其中，所述重心调节机构用来消除所述滑翔机器海豚质量分布不均匀而导致的重心偏移，并在所述滑翔机器海豚运动时调节俯仰角和横滚角；所述控制电路板用来对所述滑翔机器海豚的运动进行控制。

作为本发明的一个优选实施例，本发明的滑翔机器海豚采用模块化设计，包括头部舱模块、任务舱模块、胸鳍舱模块、控制舱模块、腰关节舱模块和尾关节舱模块。

其中，所述头部舱模块位于所述滑翔机器海豚的最前端，包括壳体、传感器支架、传感器和传感数据采集电路板，所述传感器支架固定于壳体内壁上，所述传感器和传感数据采集电路板固定于传感器支架上，所述传感器的功能是测量所述滑翔机器海豚的自身的运动状态和四周的障碍物信息，所述传感器通过导线与所述传感数据采集板相连，所述传感数据采集板的功能是获取、处理传感数据并将处理结果发送至所述控制舱模块中的控制电路板。

其中，所述任务舱模块安装于所述头部舱模块的后方，包括壳体、永磁铁和永磁铁固定板，所述永磁铁固定板将所述永磁铁固定于所述壳体内壁底部，所述任务舱模块中可根据任务需求安装其它仪器设备和载荷。

其中，所述胸鳍舱模块位于任务舱模块的正下方，包括壳体、舱体抛载机构、吸排水机构、胸鳍和胸鳍驱动机构。其中，所述舱体抛载机构中装有永磁铁，正常工作的情况下，所述胸鳍舱模块通过所述永磁铁与所述任务舱模块中的永磁铁之间的吸引力而固定在所述任务舱模块下。在遇到紧急情况时，所述舱体抛载机构可以带动所述永磁铁使之与所述任务舱模块中的永磁铁分离以消除吸引力，并产生排斥力，从而使所述胸鳍舱模块与所述任务舱模块分离。所述的吸排水机构中设置有液囊，所述液囊固定于所述壳体内壁，带有开口并与所述壳体的外部相通。所述吸排水机构可以使液囊吸水或者排水，以改变所述滑翔机器海豚的净浮力，使其在滑翔运动中下潜或者上浮。所述胸鳍驱动机构固定于所述胸鳍舱模块的内部，其中带有舵机，并通过齿轮组合和传动轴与胸鳍相连，其功能是驱使所述胸鳍转动。所述胸鳍是仿照生物海豚的胸鳍的外形制作的，位于所述壳体的外部并通过所述传动轴与所述胸鳍驱动机构相连，当所述滑翔机器海豚进行背腹式推进或者浮力驱动推进时，其作为控制翼面调节所述滑翔机器海豚的俯仰角和横滚角。

其中，所述控制舱模块安装于所述任务舱模块和胸鳍舱模块后方，包括壳体、重心调节机构、控制电路板和背鳍。其中，所述重心调节机构的主要功能是消除所述滑翔机器海豚由于制造、装配带来的质量分布不均匀而导致的重心偏移，也可以在所述滑翔机器海豚运动时调节俯仰角和横滚角。所述重心调节机构包括压载物、驱动电机和传动机构，所述压载物由电池块充当，以节省空间并减轻整体的重量，所述驱动电机通过传动机构带动压载物移动，以调节所述滑翔机器海豚的重心。所述电池块对所述滑翔机器海豚中的所有电气元件进行供电。所述控制电路板安装于壳体内部，其功能是通过预定的程序分析所述传感器的测量数据并依此产生控制指令，以对所述滑翔机器海豚的运动进行控制。所述背鳍是仿照生物海豚的背鳍的外形制作的，并安装在所述壳体外壁顶部，用来对所述滑翔机器海豚的运动姿态起到稳定作用。

其中，所述腰关节舱模块安装于所述控制舱模块后方，包括壳体、偏航驱动机构和尾部驱动机构。其中，所述偏航驱动机构的功能是驱动所述腰关节舱模块相对于所述控制舱模块横向摆动，以使所述滑翔机器海豚进行转向。所述偏航驱动机构安装于所述壳体内壁，包括电机和传动机构。所述偏航驱动机构的传动机构中具有一根传动轴，该传动轴垂直于所述壳体顶部并伸出至所述壳体顶部外，且固定于所述控制舱模块的壳体的顶壁上，即所述控制舱模块和所述偏航关节舱模块通过所述传动轴相连。当所述偏航驱动机构中的电机转动时，通过所述偏航驱动机构的传动机构将动力传送至所述偏航驱动机构的传动轴，所述腰关节舱模块就会相对于所述控制舱模块进行横向摆动。所述尾部驱动机构的功能是驱动所述尾关节舱模块上下摆动，以产生纵向的推进力。所述尾部驱动机构安装于所述壳体内壁，包括电机和传动机构。所述尾部驱动机构的传动机构具有一根传动轴，该传动轴垂直于并伸出至所述壳体侧壁外，且两端安装于所述尾关节模块壳体的侧壁上，即所述偏航关节舱模块和所述尾关节舱模块通过所述尾部驱动机构的传动轴相连。当所述尾部驱动机构中的电机往复转动时，通过所述尾部驱动机构的传动机构将动力传至所述尾部驱动机构的传动轴，进而带动所述尾部关节舱模块上下摆动。

其中，所述尾关节舱模块位于所述腰关节舱模块后方，并与所述腰关节舱模块构成所述滑翔机器海豚的背腹式推进机构。所述尾关节舱模块包括壳体、尾鳍驱动机构和尾鳍。其中，所述尾鳍驱动机构安装于所述壳体内部，用来驱动所述尾鳍上下拍动，以产生纵向的推进力。所述尾鳍驱动机构包括电机和传动机构，该传动机构中的一根传动轴横向安装于所述壳体侧壁的末端。所述尾鳍是仿照生物海豚的尾鳍的外形制作的，通过连接件安装于所述尾鳍驱动机构的传动轴上，且处于所述壳体外部。当所述尾鳍驱动机构的电机往复转动时，通过所述尾鳍驱动机构的传动机构将动力传送至所述传动轴，以带动所述尾鳍上下拍动。当所述滑翔机器海豚进行背腹式运动时，所述尾鳍用来产生纵向的推进力，当所述滑翔机器海豚进行浮力驱动推进时，所述尾鳍用来作为控制翼面对运动的俯仰角进行调节。

下面通过结合附图对本发明的技术方案作进一步地阐述说明。

如图1所示，本发明的滑翔机器海豚的整体外形仿照生物海豚的流线型设计，具躯干包括：头部舱模块、任务舱模块、胸鳍舱模块、控制舱模块、腰关节舱模块和尾关节舱模块。

本发明的头部舱模块位于所述滑翔机器海豚的最前端，其基本功能是为摄像头等传感器提供安装空间。其外部设计如图2所示，包括顶壳1和底壳2。其中，所述顶壳1为半椭球形透明壳体，其底部凸起3用于固定所述胸鳍舱模块；所述底壳2通过螺钉固定于所述顶壳1的底部，其上凸起5为连接件，用于固定所述任务舱模块，所述连接件5上装有电气插头公头4，用于不同舱体之间的导线连接，以进行供电或者通信，并且方便不同舱体之间进行分离。所述头部舱模块的内部结构如图3所示，所述底壳2的侧面上带有凹槽6，用于安装用于密封的O型圈，防止所述顶壳1与底壳2之间的空隙漏水，传感器支架9固定于所述头部舱模块底壳2内壁，红外传感器7、摄像头10和传感数据采集电路板8均固定于所述传感器支架9上。其中，所述红外传感器7用于探测所述头部舱模块四周的障碍物信息，所述摄像头10用于采集所述头部舱模块前方的图像数据，所述传感器数据采集电路板8与所述红外传感器7和摄像头10通过导线相连，用来获取、处理传感数据并将处理结果发送至所述控制舱模块中的控制电路板。并且，所述传感数据采集电路板8上装有惯性导航单元，用于测量所述滑翔机器海豚运动时的姿态和加速度。

本发明的任务舱模块位于所述头部舱模块的后方，二者通过连接件5固定连接。设置任务舱模块的目的是为因任务需求而搭载的设备提供安装空间，其外部设计如图4所示，包括顶壳11和底壳14。其中，所述顶壳11上带有电气插头母头13，可以与所述头部舱模块底壳2上的电气插头公头4相通，所述顶壳11上带有连接件12，用于固定所述控制舱模块，所述底壳14通过螺钉固定于所述顶壳11的底部。所述任务舱模块的内部结构如图5所示，所述底壳14上带有槽15，固定板17将两只永磁铁固定于槽15内，所述的两只永磁铁相同朝向的磁极的极性相反，其中一只为永磁铁16。所述永磁铁16的作用是，通过与所述胸鳍舱中安装的永磁铁33之间的吸引力来固定所述胸鳍舱。所述底壳还带有电气插头母头18。

本发明的胸鳍舱模块位于所述任务舱模块的正下方，其功能是搭载胸鳍驱动机构、吸排水机构和舱体抛载机构。所述胸鳍舱模块的外部设计如图6所示，包括顶壳22、底壳21、胸鳍驱动轴20和胸鳍19。其中，所述顶壳22通过螺钉固定于所述底壳21顶部，所述顶壳22上带有电气插头公头23，该插头可以与所述任务舱模块底壳14上的电气插头母头18相连接。所述胸鳍驱动轴20横向安装，并与所述胸鳍驱动机构连接，用来将所述胸鳍驱动机构的运动传递至所述胸鳍19。所述胸鳍19通过螺钉固定于胸鳍传动轴20的末端，且可以随所述胸鳍传动轴20转动，所述胸鳍19的外形是仿照生物海豚的胸鳍的外形制作的。所述底壳21的前壁24上设有通孔25，为所述吸排水机构的进出水口。所述胸鳍舱模块中搭载的机构如图7、图8所示，包括胸鳍驱动机构、吸排水机构和舱体抛载机构。

所述胸鳍驱动机构包括：舵机26，其输出轴与所述胸鳍驱动轴20平行，并通过紧固件固定于所述胸鳍舱内部；主动圆柱齿轮27，固定于所述舵机26的输出轴末端；胸鳍传动轴20，一端穿过所述底壳21侧面上固定的陶瓷轴承并伸出至所述底壳21外部，与所述胸鳍19相连；从动圆柱齿轮43，安装于胸鳍驱动轴20上，并与所述主动圆柱齿轮27啮合；永磁制动器45，所述胸鳍传动轴20插入所述永磁制动器45的空心轴中，所述永磁制动器45用来在不需要胸鳍转动时，抱紧所述胸鳍传动轴20，进而阻止所述胸鳍19因水流扰动而转动。应当注意的是，所述滑翔机器海豚上带有两只可以独立运动的胸鳍，所以所述胸鳍舱模块上安装有两套相同并独立的所述胸鳍驱动机构，并且这两套胸鳍驱动机构的部件相对所述胸鳍舱模块的垂直对称面左右对称分布。所述胸鳍用来作为所述滑翔机器海豚运动时的控制翼面，以调整俯仰角和滚转角。当所述两只胸鳍的攻角同向时，所述滑翔机器海豚做俯仰运动；当所述两只胸鳍的攻角反向时，所述滑翔机器海豚做滚转运动。

所述吸排水机构包括：液囊39，位于所述胸鳍舱模块最前端，为空心圆筒，其前壁紧贴所述胸鳍舱模块的底壳21的前壁24，且前壁开口并与底壳21上的通孔25相通，以使液体能够出入所述液囊39，所述液囊39的后壁40为可以在液囊39内部前后移动的圆片；滚珠丝杆，包括丝杆41和丝杆螺母42；其中，所述丝杆41纵向安装，中间带有螺纹，两端为光杆，其后端穿过永磁制动器31的空心轴；所述丝杆螺母42可以随所述丝杆41的转动而在所述丝杆41的螺纹区上移动；推拉杆44，处于所述丝杆41的正下方并与之平行，具后端通过连接件固定在所述丝杆螺母42上，所述液囊39的后壁40通过螺钉固定于其前端上；电机29，通过紧固件固定于所述胸鳍舱模块底壳21的内壁，其输出轴指向后方；主动圆柱齿轮28，安装于所述电机29的输出轴的末端；从动圆柱齿轮30，安装于所述丝杆41的后端，并与所述主动圆柱齿轮28啮合，其作用是使所述电机29带动所述丝杆41转动；永磁制动器31，用来在不需要进行吸排水时抱死所述丝杆41，以避免所述液囊39的后壁40因两侧的压力差而移动。所述吸排水机构的工作过程是，当所述电机29转动时，因圆柱齿轮28和30的传动作用，所述丝杆41会转动，并带动所述丝杠螺母42前后移动，而所述推拉杆44与所述丝杆螺母固连，因此会随所述丝杆螺母42前后移动，进而带动所述液囊39的后壁40在所述液囊39的腔体内前后移动。当向前移动时，液体通过所述胸鳍舱模块的前壁上的通孔25排出，即排水；反之，当向后移动时，由于所述胸鳍舱模块外液体的压力，液体会通过通孔25进入所述液囊39，即吸水。在正常情况下，除了所述液囊39腔体内可以存在液体，所述胸鳍舱模块舱体内其它部分不应存在液体。所以，在所述液囊39的圆柱腔体的内壁和其后壁40边缘接触处应作防水处理。

所述舱体抛载机构包括：滚珠丝杆，包括丝杆32和两只丝杆螺母，其中一只为丝杆螺母35。其中，所述丝杆32纵向安装，所述丝杆螺母可以随所述丝杆32的转动而在所述丝杆32的螺纹区上移动；永磁铁固定架34，处于所述丝杆32上方，并通过连接件固定于前、后两只丝杆螺母上，其前方的丝杆螺母为所述丝杆螺母35；两块永磁铁均通过螺钉固定于所述永磁铁固定架34上，并且二者相同朝向的磁极的极性相反，其中一只为永磁铁33；电机36，通过紧固件固定于所述胸鳍舱模块底壳21的内壁，其输出轴与所述丝杆32平行，且指向前方；主动圆柱齿轮38，安装于所述电机36输出轴末端；从动圆柱齿轮37，安装于所述丝杆32前端，并与所述主动圆柱齿轮38相啮合。在所述滑翔机器海豚正常工作的情况下，所述的两只磁铁应刚好处于所述任务舱模块内的两只磁铁的正下方，且两组磁铁相对的磁极极性相反，因而二者之间会产生吸引力，本发明中仅利用此吸引力将所述胸鳍舱模块固定在所述任务舱模块上。当所述滑翔机器海豚遇到紧急情况，例如所述胸鳍19被水草缠绕无法挣脱，需要抛弃所述胸鳍舱模块时，所述电机36通过所述圆柱齿轮38和37带动所述丝杆32转动，进而使所述的两只磁铁向后移动，当所述的永磁铁33前方的一块永磁体移动至所述任务舱模块内的永磁铁16的正下方时，由于二者相对的磁极极性相同，这样会产生斥力，因而所述胸鳍舱模块就会从所述任务舱模块脱落，以达到抛载的目的。

本发明的控制舱模块位于所述任务舱模块和胸鳍舱模块的后方，其功能主要是搭载重心调节机构和控制电路板。如图9所示，所述控制舱模块的外部主要部件包括：壳体52，其向后伸出的部分为与所述腰关节舱模块的接合处；前盖50，通过螺钉固定于所述壳体52的前端；连接件接合处48，所述任务舱模块壳体上的连接件12通过螺钉固定于此，以将所述控制舱模块固定在所述任务舱模块上；连接件51，位于所述前盖50上，用于将所述控制舱模块固定在所述任务舱模块上，并限制所述胸鳍舱模块横向移动；背鳍47，通过螺钉安装于壳体52的顶端，其外形是仿照生物海豚的背鳍的外形制作的；电气插头母头49，可以与所述任务舱模块后壁上的电气插头公头相连接；轴座46，用于固定所述腰关节伸出的转轴；短轴53，与所述轴座46同轴，其上套有陶瓷轴承，用于固定和托住所述腰关节舱模块，并且能使所述腰关节舱模块自由转动。所述控制电路板固定于所述壳体52内部的上壁，其功能是通过预定的程序分析所述头部舱模块中传感器的测量数据并依此产生控制指令，以对所述滑翔机器海豚的运动进行控制。所述控制舱模块的内部机构如图10、11所示，主要为重心调节机构。所述重心调节结构安装在固定板57和底座64上，所述固定板57通过螺钉固定于所述控制舱壳体52后壁上，所述底座64固定于所述壳体52底部。所述重心调节结构进一步可以分为重心纵向调节机构和重心横向调节机构。所述重心纵向调节机构包括：滚珠丝杆，包括丝杆63和丝杆螺母62，其中，所述丝杆63纵向安装，所述丝杆螺母62可以随所述丝杆63的转动而纵向移动；电机56，通过紧固件横向固定在底座64上；蜗杆55，安装于所述电机56的输出轴上；蜗轮54，安装于所述丝杆63的末端，并与所述蜗杆55相啮合；滑杆65，通过紧固件纵向安装于所述底座64上；滑块67，安装于所述滑杆65上，并可以在所述滑杆65上纵向滑动；固定架59，通过连接件固定在所述丝杆螺母62和所述滑块67上；电池块58，固定于所述固定架59上，此电池块既可以为所述的滑翔机器海豚中的电气元件供电，也可以充当重物，以节省空间。所述重心纵向调节机构的工作过程是，所述电机56转动，所述蜗杆55和蜗轮54将动力传送至所述丝杆63并带动其转动，所述丝杆螺母62会纵向移动，以使所述电池块58纵向移动，因而所述滑翔机器海豚整体的重心会纵向移动。所述重心横向调节结构包括：滚珠丝杆，包括丝杆61和丝杆螺母，其中，所述丝杆63横向安装，所述丝杆螺母可以随所述丝杆63的转动而纵向移动；电机66，通过紧固件纵向固定在底座64上；蜗杆69，安装于所述电机66的输出轴上；蜗轮68，安装于所述丝杆61的末端，并与所述蜗杆69相啮合；两个固定架，其中之一为固定架60，通过连接件关于所述丝杆61前后对称地固定在所述丝杆61上的丝杆螺母上，并且其中也安放了电池块。与所述重心纵向调节机构的工作过程类似，所述重心横向调节机构的工作过程是，所述电机66转动，通过所述蜗杆69、蜗轮68、丝杆61等传动机构的传动，使电池块横向移动。设置所述重心调节机构的主要目的是消除所述滑翔机器海豚由于制造、装配带来的质量分布不均匀而导致的重心偏移，也可以利用它在所述滑翔机器海豚运动时调节俯仰角和横滚角。当不需要进行重心调节时，所述重心纵向调节机构和重心横向调节机构中的蜗杆和蜗轮之间的自锁性可以保证所述电池块保持静止，从而不对重心位置产生影响。

本发明的腰关节舱模块位于所述控制舱模块后方，其功能是搭载偏航驱动机构和尾部驱动机构。所述腰关节舱模块的整体外观如图12所示，壳体74由上、下两部分壳体通过螺钉组装而成，转轴垂直于并通过陶瓷轴承71安装于壳体顶部73，转轴75垂直于并通过陶瓷轴承76安装于壳体侧壁70。并且，所述转轴72末端为不完整圆柱，插入所述控制舱模块壳体上安装的轴座46上的不完整圆柱孔中，这样，所述转轴72相对于所述的控制舱模块不会转动。所述腰关节舱模块的内部机构如图13所示，主要包括偏航驱动机构和尾部驱动机构。其中，所述偏航驱动机构包括：电机88，纵向安装于固定板87上，其输出轴向前；主动锥齿轮85，安装于所述电机88输出轴上；转轴83，通过陶瓷轴承84安装于支架上；从动锥齿轮86，安装于所述转轴83上，并与所述主动锥齿轮85啮合；主动圆柱齿轮81，也安装于所述转轴83上；从动圆柱齿轮82，安装于所述转轴72上，并与主动圆柱齿轮81啮合。所述偏航驱动机构的工作过程是，所述电机88转动，通过所述锥齿轮85、86传动而带动所述转轴83转动，再通过圆柱齿轮81、82的传动，使所述转轴72相对于所述腰关节舱模块转动。但由于所述转轴72固定在所述的控制舱模块壳体上的轴座46上，从而相对于所述控制舱模块，所述转轴72不动，由于作用力和反作用力的关系，所述电机88会带着固定板87摆动，由于固定板87固定于所述腰关节舱内壁，因而，相对于所述控制舱模块，所述腰关节舱模块会绕所述转轴72横向摆动，进而使所述滑翔机器海豚产生偏航动作。所述尾部驱动机构包括：电机80，纵向安装于固定板87上，其输出轴79指向后方；主动锥齿轮78，安装于所述电机80的输出轴79末端；转轴75，其末端均为不完整圆柱，插入所述尾关节舱模块壳体上安装的轴座，即图14中的轴座92和93上的不完整圆柱孔中；从动锥齿轮77，安装于所述转轴75上，并与所述主动锥齿轮78啮合。所述尾部驱动机构的工作过程是，所述电机80往复转动，通过所述锥齿轮78、77的传动，使所述转轴75往复转动，进而带动所述尾关节舱模块上下摆动。

本发明的尾关节舱模块位于所述控制舱模块后方，其功能是搭载尾鳍驱动机构。所述尾关节舱模块的整体外观如图14所示：壳体94由上、下两部分组装而成，两侧向前伸出的部分为与所述腰关节舱模块的接合处，其上安装了轴座92和93，将所述尾关节舱模块固定在所述转轴75上；所述壳体上安装了电气插头91，用于与所述尾关节舱模块内的电气元件进行电气连接；尾端固定件95通过螺钉安装于所述壳体94末端；尾鳍89通过紧固件90安装于所述尾鳍驱动机构上，其外形是仿照生物海豚的尾鳍的外形制作的。如图15所示，所述的尾鳍驱动机构包括：电机101，通过紧固件100纵向固定于所述壳体94的内壁底部，其输出轴102指向后方，并通过陶瓷轴承99安装在壳体94的后壁；主动锥齿轮103，安装于所述输出轴102的末端；转轴97，通过陶瓷轴承横向安装于所述尾端固定件95的侧壁上；从动锥齿轮98，安装于所述转轴97上，并与所述主动锥齿轮103啮合；尾柄96，安装于所述转轴97上，并且所述紧固件90将所述尾鳍89固定在所述尾柄96上。所述尾鳍驱动机构的工作过程是，所述电机101往复转动，通过所述锥齿轮103、98的传动，使所述转轴97往复转动，进而通过所述尾柄96带动所述尾鳍89上下摆动。

所述的滑翔机器海豚同时具备背腹式推进和浮力驱动这两种推进方式。

在所述的背腹式推进方式下，所述的滑翔机器海豚如同生物海豚一样游动，所述的滑翔机器海豚通过所述的尾部驱动机构和尾鳍驱动机构分别驱动所述的尾关节舱模块和尾鳍89，使二者在水中按照一定的规律上下拍动，进而产生推进力。在这种推进方式下，所述的滑翔机器海豚航行速度快，机动能力强，适用于要求速度快、机动性高的任务。但是，由于所述的尾关节舱模块和尾鳍89需要不停地拍动，这种推进方式耗能较快，不适用于航时较长的任务。

在所述的浮力驱动方式下，所述的滑翔机器海豚进行滑翔运动，其运动路径呈锯齿状，如图16所示。在这种推进方式下，所述的滑翔机器海豚仅通过所述的吸排水机构的工作就能产生推进力。当所述的吸排水机构吸水至所述的滑翔机器海豚的重力大于浮力时，由于所述的滑翔机器海豚的躯体、胸鳍和尾鳍还受水的升力和阻力的作用，所述的滑翔机器海豚会以一定的滑翔角向下运动；当所述的吸排水机构排水至所述的滑翔机器海豚的重力小于浮力时，由于所述的滑翔机器海豚的躯体、胸鳍和尾鳍还受水的升力和阻力的作用，所述的滑翔机器海豚会以一定的滑翔角向上运动。如此反复，所述的滑翔机器海豚会以所述的浮力驱动方式推进。由于所述的吸排水机构只需要在所述的滑翔机器海豚改变运动方向，即上浮或下潜时工作，除此过程之外，所述的滑翔机器海豚可以只依靠净浮力推进，所以这种推进方式消耗能源少，续航能力强，能够进行远距离、长时间的航行。但是，这种推进方式速度慢，机动性差，不适用于要求速度快、机动性高的任务。

所述的滑翔机器海豚在运动时，可以将所述胸鳍作为控制翼面，调节运动时的俯仰角和滚转角，也可以利用所述胸鳍舱中的重心调节结构来调节运动时的俯仰角和滚转角。此外，所述尾鳍也可以用于调节俯仰角。

所述的滑翔机器海豚的转向可以通过所述的偏航驱动机构驱动所述的腰关节舱模块和尾关节舱模块进行横向摆动来实现，也可以通过滚转运动和俯仰运动组合的方式来实现。

所述的滑翔机器海豚的翼展明显小于水下滑翔器的翼展，能更方便地在复杂水域中执行任务。

所述的滑翔机器海豚采用模块化设计，方便在要执行不同的任务时或者需要维修时对相应模块进行拆卸和更换。

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只体实施例而已，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)

1.一种滑翔机器海豚，躯体仿照生物海豚躯体设计，其特征在于，所述滑翔机器海豚能够实现背腹式推进和浮力驱动推进的两种运动方式。

2.根据权利要求1所述的滑翔机器海豚，采用模块化设计，至少包括位于所述滑翔机器海豚胸鳍部的胸鳍舱模块、位于所述滑翔机器海豚后部的腰关节舱模块和尾关节舱模块；所述胸鳍舱模块包括吸排水机构，所述腰关节舱模块包括尾部驱动机构，所述尾关节舱模块包括尾鳍驱动机构；

其中，所述滑翔机器海豚通过所述尾部驱动机构和所述尾鳍驱动机构使尾部两关节上下摆动，实现背腹式推进，或者通过所述吸排水机构调节整体净浮力，实现浮力驱动推进。

3.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，其中所述吸排水机构中设置有液囊，所述液囊与所述滑翔机器海豚的壳体外部相通；所述吸排水机构能够使所述液囊吸水或者排水，以使所述滑翔机器海豚下潜或者上浮。

4.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，其中所述腰关节舱模块还包括偏航驱动机构，所述偏航驱动机构用来驱动所述腰关节舱模块横向摆动，以使所述滑翔机器海豚进行转向。

5.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，其中所述尾关节舱模块还包括尾鳍，所述尾鳍仿照生物海豚的尾鳍制作，用来在所述滑翔机器海豚进行背腹式推进时产生推进力，在所述滑翔机器海豚进行浮力驱动推进时调节运动的俯仰角。

6.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，其中所述胸鳍舱模块还包括胸鳍和胸鳍驱动机构，所述胸鳍驱动机构可以驱动所述胸鳍转动，所述胸鳍仿照生物海豚的胸鳍制作，用来当所述滑翔机器海豚运动时，调节所述滑翔机器海豚的俯仰角和横滚角。

7.根据权利要求6所述的滑翔机器海豚，其中所述胸鳍舱模块还包括舱体抛载机构，当遇到紧急情况时，所述舱体抛载机构使所述胸鳍舱模块与所述滑翔机器海豚分离；其中，所述舱体抛载机构通过永磁铁来实现所述分离动作。

8.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，还包括头部舱模块，所述头部舱模块包括传感器，所述传感器用来测量所述滑翔机器海豚自身的运动状态和四周的环境信息。

9.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，还包括任务舱模块，用于根据任务需求在其中安装仪器设备和载荷。

10.根据权利要求2所述的滑翔机器海豚，还包括控制舱模块，所述控制舱模块包括重心调节机构和控制电路板；

其中，所述重心调节机构用来消除所述滑翔机器海豚质量分布不均匀而导致的重心偏移，并在所述滑翔机器海豚运动时调节俯仰角和横滚角；所述控制电路板用来对所述滑翔机器海豚的运动进行控制。