CN106043643A - 波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法，属于仿生机器鱼技术领域。它包括上壳体、下壳体、环形长鳍推进机构、姿态控制机构及电池与控制系统电路板。本发明的仿生机器魟鱼能够模仿鱼类的胸鳍波动推进方式，实现直线游动、机动转弯及上浮与下潜运动。本发明的仿生机器魟鱼既可以用于研究鱼类的波动推进机理，也可以用于水下作业等相关领域。

Description

波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法，属于仿生机器鱼技术领域。

背景技术

随着人类开发利用海洋资源的脚步不断加快，各种水下机器人应运而生。传统的基于螺旋桨的水下推进器，在推进过程中会产生侧向涡流，增加能量消耗，降低推进效率，而且桨叶易被水草缠绕，对环境扰动较大。而在长期的自然选择中，海洋生物进化出了优异的水下运动能力。由于仿生水下机器人游动机动性、游动效率、以及对环境扰动小等方面的优势，国内外研究人员根据鱼类的游动特性已经研究出了多种水下仿生机器人。

目前鱼类的运动推进模式主要分为两种：身体/尾鳍（Body and/or Caudal Fin，BCF）推进模式和中央鳍/对鳍（Median and/or Paired Fin，MPF）推进模式。BCF推进模式仿生机器鱼最早问世，MPF推进模式仿生机器鱼起步较晚，但由于在低速游动下，推进效率、机动性、稳定性较BCF模式更为出色，更加适应水下搜救任务、环境监测、资源勘查、军事侦察等。其中鳐科（Rajiform）的胸鳍波动推进仿生机器鱼具有优异的游动性能，国内外科研人员已经对胸鳍波动推进机理进行了相关研究，并研制出了各类仿生机器鱼。

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。

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。

本发明基于胸鳍波动推进鱼类魟鱼的生物学特征，提出一种仿生机器魟鱼的环状长鳍设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有与魟鱼波动推进方式相似的，能够实现高机动性与稳定性的仿生机器鱼，为水下作业等提供一种新的工具。

本发明包括水平基板，以及与水平基板固定的上壳体及下壳体;

其中上壳体与水平基板之间还安装有控制系统电路板、电池及姿态控制机构；其中下壳体与水平基板之间还安装有环形长鳍推进机构。

所述姿态控制机构由若干沿周向均匀分布方式或沿中心对称分布方式安装于水平基板上的姿态调节单元组成；所述姿态调节单元由第一导轨、第一丝杠、与第一丝杠相连的第一步进电机、安装于第一丝杆和第一导轨上的质量块组成，所述第一步进电机的输出轴与水平基板平行。

所述环形长鳍推进机构由环形硅胶薄膜和若干沿周向均匀分布的环形长鳍推进单元组成；其中环形长鳍推进单元由电机径向位移控制机构、电机径向滑动机构、鳍条摆动机构、鳍面加持单元组成。

上述电机径向位移控制机构由第二步进电机、第二丝杠、升降台、丝杠固定基座组成；第二步进电机的输出轴与水平基板垂直；升降台安装于第二丝杠上，第二丝杠一端与第二步进电机相联，另一端与丝杠基座相联；第二步进电机与水平基板固联，丝杠固定基座与下壳体固联。

上述电机径向滑动机构包括滑台基座、滑台、电机固定基座、第三步进电机；其中滑台基座与下壳体固联，滑台安装于滑台基座上可在其上径向滑动，电机固定基座与滑台固联，第三步进电机安装于电机固定基座上，第三步进电机输出轴与水平基板平行；有一连杆，其一端与电机径向滑动机构中的电机固定基座铰接，另一端与电机径向位移控制机构中的升降台铰接。

上述鳍条摆动机构由光滑曲杆、第一光滑直杆、第二光滑直杆、摆动机构基座及密封橡胶圈组成；第一光滑直杆与第二光滑直杆相平行，它们安装在摆动机构基座上；摆动机构基座与下壳体铰接；密封橡胶圈安装于下壳体上，光滑曲杆位于第一光滑直杆与第二光滑直杆之间，光滑曲杆内侧一端通过密封橡胶圈延伸到壳体内，并与上述电机径向滑动机构中的第三步进电机通过联轴器相联。

上述鳍面加持单元由上鳍条和下鳍条组成；上鳍条和下鳍条夹持住所述环形硅胶薄膜；上鳍条和下鳍条的内侧一端通过固定螺丝安装在鳍条摆动机构的摆动机构基座上。上述上鳍条和下鳍条均为碳纤维材料。

当机器魟鱼具体工作时，通过控制姿态控制机构中每个姿态调节单元中质量块的位置，从而改变仿生机器魟鱼的重心，达到调节姿态的目的；

电机径向滑动机构中第三步进电机通过联轴器连接光滑曲杆，当第三步进电机带动光滑曲杆在第一光滑直杆与第二光滑直杆之间转动，由于光滑曲杆弯曲的末端，当光滑曲杆做圆周运动时，使得摆动机构基座产生摆动；

电机径向位移控制机构中的第二步进电机带动第二丝杠转动，进而控制升降台做上下运动；电机径向滑动机构中第三步进电机可相对滑台基座做径向移动；由于连杆一端与电机固定基座铰接，另一端与升降台铰接；当升降台做上下运动时，通过连杆转化为第三步进电机的径向移动，第三步进电机又因为通过联轴器连接光滑曲杆，所以最终升降台的上下运动，会转化为光滑曲杆径向的伸缩运动；因为光滑曲杆末端为弯曲状，所以光滑曲杆的径向位移会改变摆动机构基座的摆动幅值；

每个鳍面加持单元的规律性运动形成环形长鳍宏观上的波动运动，并推动仿生机器魟鱼游动。

本发明的仿生机器魟鱼，可以实现类似于仿生原型的胸鳍波动推进，可以实现直线巡游、原地机动性转弯以及上浮下潜运动，且低速下稳定性极高，而且机动灵活，适合水下复杂的非结构化环境。本发明的仿生机器魟鱼还可用于研究鱼类的波动推进机理和军事侦察等相关领域。

附图说明

图1 仿生机器魟鱼外形结构示意图；

图2 仿生机器魟鱼内部结构示意图；

图3 环形长鳍推进单元结构示意图；

图4 环状柔性鳍面结构示意图；

图5 鳍条摆动机构示意图；

图6 电机径向滑动机构示意图；

图7 电机径向位移控制机构示意图；

图8 姿态控制机构示意图；

图中标号名称：1、上壳体，2、下壳体，3、环形长鳍推进机构，4、连接螺丝，5、控制系统电路板，6、电池，7，姿态控制机构，8、水平基板，401、上鳍条，402、下鳍条，403、硅胶环状薄膜，404、摆动机构基座，405、固定螺丝，501、光滑曲杆，502、第一光滑直杆，503、第二光滑直杆，504、密封橡胶圈，601、第三步进电机，602、联轴器，603、电机固定基座，604、滑台，605、滑台基座，606、连杆，701、第二步进电机，702、第二丝杠，703、升降台，704、丝杠固定基座，801、第一步进电机，802、第一导轨， 804、第一丝杠，805、质量块，806、安装基板。

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1、2所示，本发明的仿生机器魟鱼由上壳体1、下壳体2、环形长鳍推进机构3、连接螺丝4、控制系统电路板5、电池6、姿态控制机构7、水平基板8组成。

上壳体1与下壳体2之间通过连接螺丝4连接，连接时在上下壳的配合面涂有防水硅胶，以防机器鱼在水下作业时，有水流通过连接缝隙渗入到机器鱼内部。

环形长鳍推进机构由环状柔性鳍面结构、鳍条摆动机构、电机径向滑动机构、电机径向位移控制机构组成。如图4所示，上鳍条401与下鳍条402通过夹持环形硅胶薄膜403，并且在接合面涂有粘合胶水，使得碳纤维鳍条与环形硅胶薄膜牢固连接，形成一个基本鳍条单元，本发明有20个沿圆周均布的鳍条单元，每个鳍条单元的规律性运动形成环形长鳍宏观上的波动运动，碳纤维鳍条末端通过固定螺丝405安装在摆动机构基座404上。如图5所示，鳍条摆动机构主要由光滑曲杆501、第一光滑直杆502、第二光滑直杆503、摆动机构基座404、密封橡胶圈504组成。密封橡胶圈504安装于下壳体2上，光滑曲杆501通过密封橡胶圈504延伸到壳体内，防止光滑曲杆501在转动时有水流渗透到壳体内。光滑曲杆501在第一光滑直杆502与第二光滑直杆503之间做圆周运动，第一光滑直杆502、第二光滑直杆503与摆动机构基座404固联，由于光滑曲杆501弯曲的末端，使得光滑曲杆501做圆周运动时，摆动机构基座404可以做上下摆动。如图6所示，第三步进电机601与光滑曲杆501通过联轴器602连接，第三步进电机601安装在电机固定基座603上，电机固定基座603与滑台604固联，滑台604可以在滑台基座605上做径向滑动，滑台基座605与下壳体2固联。电机固定基座603与连杆606通过铰链连接，形成转动副。如图7所示，电机径向位移控制机构由第二步进电机701、第二丝杠702、升降台703、丝杠固定基座704组成。第二步进电机701与第二丝杠702固联，第二步进电机701固定于水平基板8上，第二丝杠702另一端固定于丝杠固定基座704上，丝杠固定基座704与下壳体2固联。第二步进电机701带动第二丝杠702转动，进而控制升降台703做上下运动。升降台703与连杆606之间为铰链连接，如图3所示，所以升降台703的上下运动通过连杆606传递，转化为第三步进电机601的径向运动，第三步进电机601又因为通过联轴器602连接光滑曲杆501，所以最终升降台703的上下运动，会转化为光滑曲杆501径向的伸缩运动，因为光滑曲杆501末端为弯曲状，所以光滑曲杆501的径向位移会改变摆动机构基座404的摆动幅值。

如图8所示，姿态控制机构由四个相同的滑台机构组成，每个滑台机构由第一步机电机801、第一导轨802、第一丝杠804、质量块805组成。通过控制第一步机电机801带动第一丝杠804，进而控制质量块805沿第一导轨802移动，从而改变仿生机器魟鱼的重心，达到调节姿态的目的。

Claims (4)

1.一种波动推进仿生机器魟鱼，其特征在于：

包括水平基板（8），以及与水平基板（8）固定的上壳体（1）及下壳体（2）；

其中上壳体（1）与水平基板（8）之间还安装有控制系统电路板（5）、电池（6）及姿态控制机构（7）；其中下壳体（2）与水平基板（8）之间还安装有环形长鳍推进机构（3）；

所述姿态控制机构（7）由若干沿周向均匀分布方式或沿中心对称分布方式安装于水平基板（8）上的姿态调节单元组成；所述姿态调节单元由第一导轨（802) 、第一丝杠（804）、与第一丝杠（804）相连的第一步进电机（801）、安装于第一丝杆和第一导轨上的质量块（805）组成，所述第一步进电机（801）的输出轴与水平基板（8）平行；

所述环形长鳍推进机构（3）由环形硅胶薄膜（403）和若干沿周向均匀分布的环形长鳍推进单元组成；其中环形长鳍推进单元由电机径向位移控制机构、电机径向滑动机构、鳍条摆动机构、鳍面加持单元组成；

上述电机径向位移控制机构由第二步进电机（701）、第二丝杠（702）、升降台（703）、丝杠固定基座（704）组成；第二步进电机（701）的输出轴与水平基板（8）垂直；升降台（703）安装于第二丝杠（702）上，第二丝杠（702）一端与第二步进电机（701）相联，另一端与丝杠基座（704）相联；第二步进电机（701）与水平基板（8）固联，丝杠固定基座（704）与下壳体（2）固联；

上述电机径向滑动机构包括滑台基座（605）、滑台（604）、电机固定基座（603）、第三步进电机（601）；其中滑台基座（605）与下壳体（2）固联，滑台（604）安装于滑台基座（605）上可在其上径向滑动，电机固定基座（603）与滑台（604）固联，第三步进电机（601）安装于电机固定基座（603）上，第三步进电机（601）输出轴与水平基板（8）平行； 有一连杆（606），其一端与电机径向滑动机构中的电机固定基座（603）铰接，另一端与电机径向位移控制机构中的升降台（703）铰接；

上述鳍条摆动机构由光滑曲杆（501）、第一光滑直杆（502）、第二光滑直杆（503）、摆动机构基座（404）及密封橡胶圈（504）组成；第一光滑直杆（502）与第二光滑直杆（503）相平行，它们安装在摆动机构基座（404）上；摆动机构基座（404）与下壳体（2）铰接；密封橡胶圈（504）安装于下壳体（2）上，光滑曲杆（501）位于第一光滑直杆（502）与第二光滑直杆（503）之间，光滑曲杆（501）内侧一端通过密封橡胶圈（504）延伸到壳体内，并与上述电机径向滑动机构中的第三步进电机（601）通过联轴器（602）相联；

上述鳍面加持单元由上鳍条（401）和下鳍条（402）组成；上鳍条（401）和下鳍条（402）夹持住所述环形硅胶薄膜（403）；上鳍条（401）和下鳍条（402）的内侧一端通过固定螺丝（405）安装在鳍条摆动机构的摆动机构基座（404）上。

2.根据权利要求1所述的波动推进仿生机器魟鱼，其特征在于：

所述的水平基板（8）为圆形。

3.根据权利要求1所述的波动推进仿生机器魟鱼，其特征在于：

上述上鳍条（401）和下鳍条（402）均为碳纤维材料。

4.根据权利要求1所述的波动推进仿生机器魟鱼的工作方法，其特征在于包括以下过程：

通过控制姿态控制机构中每个姿态调节单元中质量块（805）的位置，从而改变仿生机器魟鱼的重心，达到调节姿态的目的；

电机径向滑动机构中第三步进电机（601）通过联轴器（602）连接光滑曲杆（501），当第三步进电机（601）带动光滑曲杆在第一光滑直杆（502）与第二光滑直杆（503）之间转动，由于光滑曲杆（501）弯曲的末端，当光滑曲杆（501）做圆周运动时，使得摆动机构基座（404）产生摆动；

电机径向位移控制机构中的第二步进电机（701）带动第二丝杠（702）转动，进而控制升降台（703）做上下运动；电机径向滑动机构中第三步进电机（601）可相对滑台基座（605）做径向移动；由于连杆（606）一端与电机固定基座（603）铰接，另一端与升降台（703）铰接；当升降台（703）做上下运动时，通过连杆（606）转化为第三步进电机（601）的径向移动，第三步进电机（601）又因为通过联轴器（602）连接光滑曲杆（501），所以最终升降台（703）的上下运动，会转化为光滑曲杆（501）径向的伸缩运动；因为光滑曲杆（501）末端为弯曲状，所以光滑曲杆（501）的径向位移会改变摆动机构基座（404）的摆动幅值；

每个鳍面加持单元的规律性运动形成环形长鳍宏观上的波动运动。