CN104743088B - 一种仿生水下机器鱼驱动机构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生水下机器鱼驱动机构及其工作方法，它的动力鳍翅由一个主动鳍翅和两个以上的前后排列的从动鳍翅组成；所述的主动鳍翅和从动鳍翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一个或数个上下排列的翅片组成，翅片的上端两侧通过轴铰接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各个翅框的下框之后；主动鳍翅和从动鳍翅在机器鱼壳体外侧从前向到后顺序排列安装，形成多组连在一起的平行四连杆机构。本发明实现了舵机转向不变的前提下完成动力鳍翅的前后不同速度的摆动和翅叶自如的开闭，从而使机器鱼向前推进，达到运动速度快、效率高、噪音小、不缠草和能通过水道狭窄处的目的。

Description

一种仿生水下机器鱼驱动机构及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种仿生水下机器人，尤其涉及仿生水下机器鱼。

背景技术

目前，有些水下机器人驱动机构采用鱼类的鱼鳍外形，通过模仿鱼类的泳动动作来为机器人提供前进的动力。但是由于难以模仿鱼鳍的柔韧性和鱼类本身的协调能力，使得水下机器人的控制比较复杂；有些水下机器人采用螺旋桨作为水下推进装置，这样在行进过程中不可避免会产生涡流，加大能量消耗，降低行进效率，且附带有大的噪声。如何使得水下机器人的驱动装置既能充分发挥好机械装置的性能特点，又能保留某些水生物泳动的优点，并且不对周围环境产生较大的扰动和噪声，这是相关研究人员一直在探索的问题。

为了解决上述问题，申请人公开了“动力鳍式机器鱼及其前进动作的实现方法(公开号CN103241354A)”专利；它主要是在现有机器鱼中部两侧对称设动力鳍；动力鳍是由布置在机器鱼壳体内的动力传动机构和动力鳍翅所组成；动力传动机构是由动力鳍舵机和曲柄连杆机构组成；曲柄连杆机构的曲柄与动力鳍舵机上的舵机盘连接，曲柄连杆机构的摇杆与动力鳍翅的传动轴相连；其中，所述的动力鳍翅由翅框和布置在翅框上的若干翅叶组成，翅叶的一侧设有轴，翅叶通过竖直轴安装在上、下框的轴孔上，且翅叶朝向后方并可在一定角度内左右摆动。工作原理是，动力鳍舵机带动连杆机构的摇杆摆动，摇杆带动动力鳍翅摆动，使得机器鱼产生很大的前进动力。这种机器鱼虽然有一定的仿生效果，但是其结构的横向空间较大，在水道狭窄处不易通过，运动时容易与其它物品发生刮碰。为此，还需要对这种动力鳍式机器鱼动力鳍进行改进。

发明内容

为了使这种动力鳍式机器鱼在保证仿生效果好的前提下，在水道狭窄处易通过，同时保证推进鳍向前摆动到达极限位置时,翅片能在重力作用下自动实现关闭翅框的效果，本发明提供了这种仿生水下机器鱼的驱动机构。

技术方案是：一种仿生水下机器鱼驱动机构，由对称布置在机器鱼身两侧的两个推进鳍组成，每个推进鳍由机器鱼壳体内的动力鳍舵机、曲柄连杆机以及机器鱼壳体外侧的动力鳍翅所组成；动力鳍舵机上的舵机盘与曲柄连杆机构的曲柄连接，曲柄连杆机构的摇杆支撑端上设有竖向的传动轴；其特征在于，所述的动力鳍翅由一个主动鳍翅和两个以上的前后排列的从动鳍翅组成；所述的主动鳍翅和从动鳍翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一个或数个上下排列的翅片组成，翅片的上端两侧通过轴铰接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各个翅框的下框之后；主动鳍翅和从动鳍翅在机器鱼壳体外侧从前向到后顺序排列安装，安装时主动鳍翅的上下框探伸头安装固定在摇杆支撑端的传动轴上，从动鳍翅的上下框探伸头铰接在机器鱼壳体上，主动鳍翅和从动鳍翅再通过上、下连杆顺序铰接在一起，形成多组连在一起的平行四连杆机构。

本发明的工作方法是：在动力鳍舵机的驱动下，借助摇杆的摇动,带动与主动鳍翅上下框的探伸头刚性固结的那个竖向的转动轴转动,进而带动主动鳍翅在鱼身侧面作前后摆动运动,同时,主动鳍翅再通过前面所述的多组连在一起的平行四连杆机构的作用,带动后面的多个从动鳍翅实现同步前后摆动，这样,所有主动鳍翅及从动鳍翅的翅片会同时与水产生作用，从而就产生类似赛龙舟的多桨同步工作的效果，使机器鱼获得更大的有效驱动力；当推进鳍的各个鳍翅都向前摆动时，各个翅片在水流的作用下被向后旋转打开，水流从“匚”形翅框中流过，可以大大减小推进鳍向前摆动时水的阻力；当推进鳍向后摆动时，“匚”形翅片会在自重和水流推力的双重作用下,紧紧搭在推进鳍翅框边沿的后侧不能向前转动，使得“匚”形翅框形成一无缝的平板,在鱼的前进方向上,增加了推进鳍的各个翅片与水流的相互作用的有效面积,通过鳍翅的向后摆动及翅片与水的相互作用,就会产生对仿生水下机器人前进的驱动力；当只摆动某一侧的推进鳍时,可以帮助机器鱼产生向不摆动推进鳍的一侧产生转向运动。

相比“动力鳍式机器鱼及其前进动作的实现方法(公开号CN103241354A)”本发明的主要优点在于:一是将原来绕竖直轴转动的翅片改成绕水平轴转动,这样在推进鳍向前摆动到极限位置时,翅片会在其重力的作用下自然下垂,来封闭住“匚”形翅框,为推进鳍下一步驱动运动做准备,而不是要靠推进鳍的摆动才能实现翅片对“匚”形翅框的封闭，效果更好、更可靠；二是主动鳍翅和多个从动鳍翅相互连接成多组平面平行四连杆机构，通过主动鳍翅的工作可以带动后面的多个从动鳍翅实现同步前后摆动，这样，可以将原来的鳍翅横向尺寸大大缩小，使得鳍翅可以尽可能收拢在机器鱼身体周围，有更好的在狭小水道的通过性，同时通过增加从动鳍的数量来保持足够的拨动水流的作用面积，使机器鱼获得足够大的有效驱动力。

总之，本发明实现了舵机转向不变的前提下完成动力鳍翅的前后不同速度的摆动和翅叶自如的开闭，从而使机器鱼向前推进，达到运动速度快、效率高、噪音小、不缠草和能通过水道狭窄处的目的。

附图说明

图1是仿生水下机器鱼的整体外观图；

图2是图1拆去上壳体后的内部结构图；

图3是图2的中间部位放大图，图中显示拆去一个动力鳍舵机后的曲柄摇杆机构示意图；

图4是推进鳍的结构图。

图中，1-上壳体；2-推进鳍；3-尾鳍；4-下壳体；5-沉浮鳍；6-安装台；7-舵机安装架；8-电池；9-曲柄摇杆机构；10-沉浮鳍舵机；11-动力鳍舵机；12-尾鳍舵机；201-主动鳍翅；202-翅片；203-从动鳍翅；204-鳍连杆；205-转动轴；901-曲柄；902-连杆；903-摇杆。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的一个实施例。

如图1、图2所示，实施例的仿生水下机器鱼，由上壳体1、驱动机构、尾鳍3、下壳体4、沉浮鳍5等组成；在下壳体4尾部安装有尾鳍舵机12；在下壳体4中固定安装着安装台6，安装台6上左右固定安装着两套舵机安装架7，在每套舵机安装架7内前后固定安装着沉浮鳍舵机10和动力鳍舵机11；其中仿生水下机器鱼的驱动机构由对称布置在机器鱼身两侧的两个推进鳍2组成，尾鳍3由尾鳍舵机12驱动，沉浮鳍5由沉浮鳍舵机10驱动上下转动；推进鳍2由动力鳍舵机11驱动；动力鳍舵机11、尾鳍舵机12和沉浮鳍舵机10的动力由电池8提供；上壳体1和下壳体4通过防水密封结构固定连接。

如图2-4所示，仿生水下机器鱼的驱动机构的每个推进鳍2由机器鱼壳体内的动力鳍舵机11、曲柄摇杆机构9以及机器鱼壳体外侧的动力鳍翅所组成；在曲柄摇杆机构9中，曲柄901一端与动力鳍舵机11的输出轴固定连接，并可跟随动力鳍舵机11的输出轴一起转动，曲柄901另一端与连杆902平面铰接连接，连杆902另一端与摇杆903平面铰接连接，摇杆903另一端与推进鳍2的转动轴205固结在一起。所述的动力鳍翅由一个主动鳍翅201和两个以上的前后排列的从动鳍翅203组成，图中设计了每侧有两个从动鳍翅203；所述的主动鳍翅201和从动鳍翅203都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一个或数个上下排列的翅片202组成，图中设计了每个“匚”形翅框内有一个翅片202,翅片202的上端两侧通过轴铰接在翅框的上框上，翅片202的下端下垂在各个翅框的下框之后；主动鳍翅201和从动鳍翅203在机器鱼壳体外侧从前向到后顺序排列安装，安装时主动鳍翅201的上下框探伸头安装固定在摇杆的转动轴205上，从动鳍翅203的上、下框探伸头分别铰接在机器鱼壳体上壳体1和下壳体4上，主动鳍翅201和从动鳍翅203再通过上、下鳍连杆204顺序铰接在一起，形成平行四连杆机构；在动力鳍舵机11的驱动下，主动鳍翅201和从动鳍翅203同步前后摆动，所有翅片202与水产生反作用力，从而产生类似赛龙舟的多桨工作效果，使机器鱼获得驱动力。

本发明的工作方法是：在动力鳍舵机11的驱动下，借助摇杆903的摇动,带动与主动鳍翅201上下框的探伸头刚性固结的那个竖向的转动轴转动,进而带动主动鳍翅201在鱼身侧面作前后摆动运动,同时,主动鳍翅201再通过多组连在一起的平行四连杆机构的作用,带动后面的多个从动鳍翅203实现同步前后摆动，这样,所有主动鳍翅201及从动鳍翅203的翅片会同时与水产生作用，从而就产生类似赛龙舟的多桨同步工作的效果，使机器鱼获得更大的有效驱动力；当推进鳍2的各个鳍翅都向前摆动时，各个翅片在水流的作用下被向后旋转打开，水流从“匚”形翅框中流过，可以大大减小推进鳍2向前摆动时水的阻力；当推进鳍2向后摆动时，“匚”形翅片会在自重和水流推力的双重作用下,紧紧搭在推进鳍2翅框边沿的后侧不能向前转动，使得“匚”形翅框形成一无缝的平板,在鱼的前进方向上,增加了推进鳍2的各个翅片与水流的相互作用的有效面积,通过鳍翅的向后摆动及翅片与水的相互作用,就会产生对仿生水下机器人前进的驱动力；当只摆动某一侧的推进鳍2时,可以帮助机器鱼产生向不摆动推进鳍2的一侧产生转向运动。

Claims (2)

1.一种仿生水下机器鱼驱动机构，由对称布置在机器鱼身两侧的两个推进鳍组成，每个推进鳍由机器鱼壳体内的动力鳍舵机、曲柄连杆机构以及机器鱼壳体外侧的动力鳍翅所组成；动力鳍舵机上的舵机盘与曲柄连杆机构的曲柄连接，曲柄连杆机构的摇杆支撑端上设有竖向的传动轴；其特征在于，所述的动力鳍翅由一个主动鳍翅和两个以上的前后排列的从动鳍翅组成；所述的主动鳍翅和从动鳍翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一个或数个上下排列的翅片组成，翅片的上端两侧通过轴铰接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各个翅框的下框之后；主动鳍翅和从动鳍翅在机器鱼壳体外侧从前向到后顺序排列安装，安装时主动鳍翅的上下框探伸头安装固定在摇杆支撑端的传动轴上，从动鳍翅的上下框探伸头铰接在机器鱼壳体上，主动鳍翅和从动鳍翅再通过上、下连杆顺序铰接在一起，形成多组连在一起的平行四连杆机构。

2.一种如权利要求1所述的仿生水下机器鱼驱动机构的工作方法，其特征在于，在动力鳍舵机的驱动下，借助摇杆的摇动,带动与主动鳍翅上下框的探伸头刚性固结的那个竖向的转动轴转动,进而带动主动鳍翅在鱼身侧面作前后摆动运动,同时,主动鳍翅再通过前面所述的多组连在一起的平行四连杆机构的作用,带动后面的多个从动鳍翅实现同步前后摆动，这样,所有主动鳍翅及从动鳍翅的翅片会同时与水产生作用，从而就产生类似赛龙舟的多桨同步工作的效果，使机器鱼获得更大的有效驱动力；当推进鳍的各个鳍翅都向前摆动时，各个翅片在水流的作用下被向后旋转打开，水流从“匚”形翅框中流过，可以大大减小推进鳍向前摆动时水的阻力；当推进鳍向后摆动时，“匚”形翅片会在自重和水流推力的双重作用下,紧紧搭在推进鳍翅框边沿的后侧不能向前转动，使得“匚”形翅框形成一无缝的平板,在鱼的前进方向上,增加了推进鳍的各个翅片与水流的相互作用的有效面积,通过鳍翅的向后摆动及翅片与水的相互作用,就会产生对仿生水下机器人前进的驱动力；当只摆动某一侧的推进鳍时,可以帮助机器鱼产生向不摆动推进鳍的一侧产生转向运动。