CN106697240A

CN106697240A - 一种仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人

Info

Publication number: CN106697240A
Application number: CN201611224006.2A
Authority: CN
Inventors: 梁新; 王成才; 何宇帆; 李申堂; 戴磊; 肖�琳; 张克雷
Original assignee: Marine Information Technology (beijing) Co Ltd Division; CET MARINE INSTITUTE OF INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-05-24

Abstract

本发明公开了一种仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人，涉及水下机器人技术领域，该仿生鱼型机器人推进系统包括多个依次相连的推进单元，每个所述推进单元包括驱动装置、驱动装置固定卡件和驱动装置轴连支架；驱动装置固定卡件固定安装在驱动装置上，驱动装置轴连支架的一端连接到驱动装置的输出轴上，驱动装置轴连支架的另一端以可转动的方式连接到驱动装置固定卡件上；该仿生鱼型机器人包括上述推进系统。本发明提高了仿生度，也提高了推进的效率及装置运动的灵活度。

Description

一种仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人。

背景技术

目前，常见的水下推进器为螺旋桨结构为主的涡轮推进装置，而该装置存在推进效率低下以及工作噪声较大等缺陷，后来出现了结合鱼体仿生学的模拟鱼类躯干运动的水下推进装置，该类装置能够模仿鱼类躯干左右摆动向两侧排水而产生反作用力推进装置向前运动。目前常见的此类仿生推进装置多使用单关节的摆动来产生推进的动力，即将单关节与尾鳍相连，通过该关节的运动带动鱼鳍的运动进而排水并产生反向作用力。上述仿生学推进装置比起最初的蜗轮推进装置具有一定的进步性，但是仍存在以下比较明显的缺点：

缺点一：单纯通过尾鳍摆动来产生推进的动力，不仅存在动力不足的问题，而且其摆动角度受到限制，并不能模拟出真实鱼类移动时的摆动姿态；

缺点二：目前的仿生推进装置由于关节旋转角度的限制，难以实现小角度转动以及原地自转等灵活度较高的运动。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人，该仿生鱼型机器人推进系统及仿生鱼型机器人提高了仿生推进装置对鱼体运动的模拟程度，同时也提高了推进的效率及装置运动的灵活度。

根据本发明的一个方面，提供了一种仿生鱼型机器人推进系统，包括多个依次相连的推进单元，每个推进单元包括驱动装置、驱动装置固定卡件和驱动装置轴连支架；驱动装置固定卡件固定安装在驱动装置的外侧，驱动装置轴连支架的一端连接到驱动装置的输出轴上并随输出轴转动，驱动装置轴连支架的另一端以可转动的方式连接到驱动装置固定卡件上，驱动装置轴连支架的中部与其后方的推进单元的驱动装置固定卡件固定连接。

多个推进单元依次连接，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，可以实现灵活度高的运动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态，此外，多个推进单元也增大了推进系统产生的推进力，提高推进效率。

进一步的，驱动装置固定卡件包括U形的卡件主体，卡件主体的两端对称的设有第一安装板，驱动装置的两侧分别设有第二安装板，第一安装板和第二安装板一一对应的固定连接在一起，卡件主体将驱动装置上与输出轴相对的侧面罩住。

卡件主体的U形架结构在实现其功能的前提下最为节省材料，减轻推进系统的重量，便于仿生鱼型机器人的内部搭载更多其他的工作模块；驱动装置轴连支架与驱动装置之间以及驱动装置轴连支架与其他的推进单元之间通过驱动装置固定卡件进行连接，更加牢固可靠且便于连接件的安装；驱动装置固定卡件还对驱动装置形成一定的保护作用。

进一步的，驱动装置轴连支架包括两块横板和一块竖板，两块横板对称的安装在竖板的两端，其中一块横板与驱动装置的输出轴相连接，另一块横板与驱动装置固定卡件相连接。

驱动装置轴连支架形成一个向一侧旋转90°的U形结构，竖板与其后方的推进单元连接，使整个推进系统的结构非常紧凑。

进一步的，在同一个推进单元中，驱动装置轴连支架的两端同轴转动。驱动装置轴连支架的两个横板同轴转动，可降低在驱动装置轴连支架转动过程中，推进单元各个部件所受到的剪切力，增加推进系统工作的可靠性，延长推进系统的使用寿命，降低维护维修的成本。

进一步的，在不同的推进单元之间，驱动装置轴连支架的旋转轴相互平行。各旋转轴相互平行，模拟鱼体真实的关节运动的情况，进一步提高了仿生推进装置对鱼体运动的模拟程度。

进一步的，驱动装置的输出轴纵向布置。驱动装置的输出轴纵向布置时，其转动会带动推进单元左右摆动，与鱼体运动时的摆动情况一致，仿生程度高，灵活度高。

优选的，所述推进单元的数量为三个。三个推进单元所包含的三个驱动装置的输出轴处形成三个关节，通过三个关节的配合协作运动能够实现前进、后退、左转、右转以及原地自传等运动。

本发明的驱动装置可采用舵机、步进电机、直流电机、伺服电机等一切可控电机单元。

根据本发明的另一个方面，提供一种仿生鱼型机器人，包括头部、躯干部和尾部，还包括上述仿生鱼型机器人推进系统，所述的仿生鱼型机器人推进系统设置在躯干部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明示例的仿生鱼型机器人推进系统，设置多个推进单元，增大了推进系统产生的推进力，提高推进效率；此外，多个推进单元之间既可以独立控制，也可以耦合控制，结合实际运行环境可以增加关节推进单元数量以增强推进系统运动性能或者减少关节推进单元数量以控制运动能耗，非常灵活且适用范围广。

2、本发明示例的仿生鱼型机器人推进系统，设置多个推进单元，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，运动方式多样、灵活，能够实现原地急转、高速运动下高曲率转向、狭窄空间内运动等特殊环境下的运动，且能够实现高速运动状态下姿态的平滑切换。更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态。

3、本发明示例的仿生鱼型机器人推进系统，采用模拟生物节律运动的方式，且驱动装置可采用多种可控电机，易于实现，相比较现有螺旋桨推进装置，具有工作噪声小，隐蔽性小等优点。

4、本发明示例的仿生鱼型机器人，可以真实模拟鱼体游动时躯干部的摆动姿态，达到真实仿生运动，灵活度高，推进效率高。

附图说明

图1为本发明实施例推进系统的结构示意图；

图2为本发明实施例推进系统的俯视图；

图3为本发明实施例推进系统模拟真实鱼体躯干的示意图；

图4为本发明实施例推进系统的关节运行轨迹图；

图5为图4中关节的实际运行方式的示意图。

图中：1驱动装置，11第二安装板，

2驱动装置轴连支架，

3驱动装置固定卡件，31第一安装板，32卡件主体。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种仿生鱼型机器人推进系统，包括三个依次相连的推进单元，每个推进单元包括驱动装置1、驱动装置固定卡件3和驱动装置轴连支架2；驱动装置固定卡件3固定安装在驱动装置1的外侧，驱动装置轴连支架2的一端连接到驱动装置1的输出轴上并随输出轴转动，驱动装置轴连支架2的另一端以可转动的方式连接到驱动装置固定卡件3上，驱动装置轴连支架2的中部与其后方的推进单元的驱动装置固定卡件3固定连接。

驱动装置固定卡件3包括U形的卡件主体32，卡件主体32的两端对称的设有第一安装板31，驱动装置1的两侧分别设有第二安装板11，第一安装板31和第二安装板11一一对应的固定连接在一起，卡件主体32将驱动装置1上与输出轴相对的侧面罩住。

驱动装置轴连支架包括两块横板和一块竖板，两块横板对称的安装在竖板的两端，其中一块横板与驱动装置的输出轴相连接，另一块横板与驱动装置固定卡件相连接。驱动装置轴连支架形成一个向一侧旋转90°的U形结构，竖板与其后方的推进单元连接，使整个推进系统的结构非常紧凑。

在同一个推进单元中，驱动装置轴连支架2的两端同轴转动。在不同的推进单元之间，驱动装置轴连支架2的旋转轴相互平行。

驱动装置轴连支架2的两个横板同轴转动，可降低在驱动装置轴连支架2转动过程中，推进单元各个部件所受到的剪切力，增加推进系统工作的可靠性，延长推进系统的使用寿命，降低维护维修的成本。各旋转轴相互平行，模拟鱼体真实的关节运动的情况，进一步提高了仿生推进装置对鱼体运动的模拟程度。

驱动装置1的输出轴纵向布置。驱动装置1的输出轴纵向布置时，其转动会带动推进单元左右摆动，与鱼体运动时的摆动情况一致，仿生程度高，灵活度高。

本实施例的驱动装置1为伺服电机。

本实施例的仿生鱼型机器人，包括头部、躯干部和尾部，还包括上述仿生鱼型机器人推进系统，所述的仿生鱼型机器人推进系统设置在躯干部。

如图2所示，本仿生推进系统通过三个关节单元级联而成。单个关节的最大转动角度θ为正负90度。设关节级联数目为N(N>＝2)，则第N个关节相对第一个关节可达到的最大角度差为正负90*(N-1)。且各关节均可通过仿生推进算法进行控制。可控参数包括每个关节进行周期运动的幅度、周期、速度、各关节之间的角度相位差、各个关节的动态偏置角及静态偏置角度。

如图3所示，本实施例推进系统中，三个推进单元所包含的三个驱动装置1的输出轴处形成三个关节，与真实鱼体的躯干对比，模拟程度高，通过三个关节的配合协作运动能够实现前进、后退、左转、右转以及原地自传等运动。

将最前部的推进单元、中部的推进单元和最后部的推进单元的震动幅度即运动的最大偏角依次设定为10°、20°、30°，如图5所示，水平线部分代表了仿生鱼型机器人的头部，β₃＝30°，β₂＝20°，β₁＝10°，其运动轨迹如图4所示，实线代表偏角为β₁的关节的运动轨迹，点线代表偏角为β₂的关节的运动轨迹，虚线代表偏角为β₃的关节的运动轨迹。如图4，鱼类在游动时的躯干为流线的大波浪型，各个波浪可近似逼近一个余弦函数的波形，在实际躯干运动时，各曲线之间按照前后的固定顺序对应各波形之间存在固定的角度差，对应到本仿生推进系统中则反映在各个关节运动的相角差。同时鱼类加速身体的摆动对应到本仿生推进器中则可通缩短各关节运动的周期实现，其它控制参数的转换同理。

本实施例中卡件主体32的U形架结构在实现其功能的前提下最为节省材料，减轻推进系统的重量，便于仿生鱼型机器人的内部搭载更多其他的工作模块。但是，本发明卡件主体32的形状并不限于实施例所述的形状，还可以设置为将驱动装置1的侧壁下部均罩住的凹槽状结构。驱动装置轴连支架2的形状也不限于实施例所述的形状，横板或者竖板均可以进行延伸。

本发明中，推进单元的数量并不限于实施例所述的三个，可以通过增加推进单元的数量来提高推进系统的推进力以及系统运动形式、形状的多变性；也可以通过减少推进单元的数量来适应简单环境下的运动。多个推进单元依次连接，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，可以实现灵活度高的运动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态。

除去实施例所述的伺服电机外，本发明的驱动装置还可采用舵机、步进电机、直流电机等一切可控电机单元。

本发明中，“前”、“后”仅仅是为了便于描述而采用的相对位置，以鱼形机器人的头部为前方，尾部为后方进行描述，并不能理解为绝对位置而对本发明构成限制。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，包括多个依次相连的推进单元，每个所述推进单元包括驱动装置、驱动装置固定卡件和驱动装置轴连支架；所述驱动装置固定卡件固定安装在所述驱动装置的外侧，所述驱动装置轴连支架的一端连接到所述驱动装置的输出轴上并随所述输出轴转动，所述驱动装置轴连支架的另一端以可转动的方式连接到所述驱动装置固定卡件上，所述驱动装置轴连支架的中部与其后方的推进单元的驱动装置固定卡件固定连接。

2.根据权利要求1所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，所述驱动装置固定卡件包括U形的卡件主体，所述卡件主体的两端对称的设有第一安装板，所述驱动装置的两侧分别设有第二安装板，所述第一安装板和所述第二安装板一一对应的固定连接在一起，所述卡件主体将所述驱动装置上与所述输出轴相对的侧面罩住。

3.根据权利要求1所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，所述驱动装置轴连支架包括两块横板和一块竖板，两块所述横板对称的安装在所述竖板的两端，其中一块横板与所述输出轴相连接，另一块横板与所述驱动装置固定卡件相连接。

4.根据权利要求1～3任一所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，在同一个推进单元中，所述驱动装置轴连支架的两端同轴转动。

5.根据权利要求4所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，在不同的推进单元之间，所述驱动装置轴连支架的旋转轴相互平行。

6.根据权利要求1、2、3或5任一所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，所述驱动装置的输出轴纵向布置。

7.根据权利要求6所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，所述推进单元的数量为三个。

8.根据权利要求1或7所述的仿生鱼型机器人推进系统，其特征是，所述驱动装置为舵机、步进电机、直流电机或者伺服电机。

9.一种仿生鱼型机器人，包括头部、躯干部和尾部，其特征是，还包括权利要求1～9任一所述的仿生鱼型机器人推进系统，所述的仿生鱼型机器人推进系统设置在所述躯干部。