CN107161304A - 一种仿箱鲀科自主机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下仿生机器鱼技术领域，尤其涉及一种可实现沉浮运动的仿箱鲀科自主机器鱼。本发明中采用重心调节法和吸排水的方法实现机器鱼既能依靠胸、尾鳍推进，重块调节倾角的高速水下潜浮运动，也能实现通过自身重力改变实现机器鱼低速条件下的潜浮运动，调节范围和精确程度较之前机构大有改进，能实现仿生机器鱼各种速度下的直游、转向、上浮、下潜等运动，提高了机器鱼水下运动的能力。所述上壳体分为上壳体上盖和上壳体连接件，上壳体连接件与下壳体连接，连接处涂抹703硅橡胶，两壳体之间形成静密封。所述滚珠丝杠两端设有深沟球轴承；所述机构支架上设有限位开关和编码器，编码器与滚珠丝杠连接。配重块运动的情况通过编码器传回数据，实现精确度高的闭环回路。经过这样的设计保证了鱼头能按照需要调整鱼体倾角，以达到设定的深度。
Description
技术领域
本发明属于水下仿生机器鱼技术领域，尤其涉及一种可实现沉浮运动的仿箱鲀科自主机器鱼。
背景技术
随着人们对于海洋资源开发进程逐步加快，引起人们探索海洋的无限兴趣。虽然传统的水下运载工具已经为人们探索海洋带来极大的便利，但现有的技术远不能满足迫切的需求，一种具备推进效率高、阻力小、机动性高等特点的新型水下运载工具---机器鱼应运而生。机器鱼具有良好的启动性能，具备直游、倒游、转弯、制动、悬停、潜浮等运动，同时游动噪音小、环境干扰力小等优点。
目前国内外对研究机器鱼的研究主要集中在水面的游动机理，而对于水下研究则相对较少，实现机器鱼的三维运动是实现机器鱼水下灵活运动的前提。现有的实现机器鱼潜入水下的方法主要有：吸排水法、重心调节法、胸鳍和尾鳍高速摆动法。在专利CN101322878A中在鱼体前端和中心轴线交界位置设有一垂直通道，上端位置固定有一直流电机，电机输出轴连接螺旋桨实现机器鱼的沉浮，该方法仅能实现机器鱼瞬间快速潜入水下而不能实现机器鱼低速情况的水下运动，并且由于螺旋桨安装在圆形通道内部，极大的影响了螺旋桨的推进效率。在专利CN101348165A中在鱼头部位置安装有重心调节机构，通过重块位置的变化实现机器鱼头部倾角的变化，结合胸尾鳍的配合快速潜入水下，但鱼尾部占用空间较大且只适用于机器鱼运动速度不为零的情况下的运动，采用的线性位置传感器不能很好的记录重块移动的距离，很难形成闭环回路。鉴于上述不足之处，本发明为一种仿箱鲀科自主机器鱼，通过吸排水和重心调节法相结合的技术方案，实现机器鱼水下直游、水下垂直面转弯、下潜、上浮等多种游动模式。
仿箱鲀科机器鱼具有游动性能好、外形体积大、机动性能优等优点，该优点使得仿箱鲀机器鱼可以灵活的在水下运动、方便搭载更多的应用型传感器及其他机构，如，配重调心机构、机械臂机构、复杂的单关节尾鳍机构、高蓄能电源等。通过结合现代传感器技术、机械密封技术、现代智能控制技术等研究使得仿箱鲀科机器鱼的游动机理是未来仿生机器鱼研究的热点和趋势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服原有机构的缺陷并做出改进，鉴于鱼类的游动机理及现实应用需要，为机器鱼实现水下复杂运动高效的推进能力提供一种仿箱鲀科自主机器鱼。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种仿箱鲀科自主机器鱼，包括上壳体、下壳体、尾鳍和胸鳍，所述上壳体分为上壳体上盖和上壳体连接件，上壳体连接件与下壳体连接，胸鳍与壳体连接处设有密封连接件。
还包括重心调节机构，重心调节机构包括机构支架、配重块、动力源电机和动力源电机支架，所述动力源电机通过弹性联轴器与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠与配重块上的滚珠丝杠螺母螺纹连接，配重块上设有直线轴承，直线轴承与光轴连接。
所述滚珠丝杠两端设有深沟球轴承；所述机构支架上设有限位开关和编码器，编码器与滚珠丝杠连接。
所述尾鳍通过尾鳍摆动架连接固定板，固定板上设有尾鳍电机支架和双输出轴电机，尾鳍电机支架的下固定板上设有双输出轴电机，双输出轴电机分别通过联轴器与尾鳍摆动架连接。
所述尾鳍摆动架上设有密封组件。
所述下壳体分隔为配重块安放区、胸鳍固定区、底板安放区和壳体连接区。
所述底板安放区上设有底板，底板上设有浮力调节机构，浮力调节机构包括水囊、动力泵、进出水口，水囊通过动力泵与进出水口连通；底板上设有配重块隔离槽，配重块隔离槽内设有重心调节机构。
所述底板上设有安全吊装环。
所述下壳体通过支架连接胸鳍驱动机构，胸鳍驱动机构包括主动力电机、齿轮组、舵机、摆动架和柔性蒙皮；所述齿轮组分为主动齿轮和从动齿轮，主动齿轮和从动齿轮固定在齿轮固定板，主动力电机的传动轴设在主传动轴支架上，传动轴与摆动架连接，摆动架与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承、第二轴承和第三轴承。
所述第一轴承设在传动轴上，传动轴与舵机托架和转动舵机连接，转动舵机通过舵机固定板与摆动架连接，摆动架与连接套筒连接，连接套筒与滑动杆一端连接，滑动杆另一端连接胸鳍；所述滑动杆上设有第二轴承座和第三轴承座，第二轴承座上连接第二轴承，第二轴承内侧设有关节轴承；第三轴承座上设有第三轴承；所述第三轴承座两侧设有第三轴承端盖；第二轴承座上第二轴承端盖；鱼壳壳体与胸鳍之间设有柔性蒙皮，柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶。
还包括运动控制系统，运动控制系统包括电源功能管理模块、控制主板、控制模块、传感器数据处理模块和传感器模块，控制主板与控制模块和传感器模块连通，传感器模块通过传感器数据处理模块与控制主板连通，电源功能管理模块通过控制模块与电机驱动模块连接，电机驱动模块包括胸鳍驱动电机模块、尾鳍驱动电机模块、配重机构驱动电机模块和泵驱动模块；传感器模块包括红外感知避障功能模块、水下压力测试模块、姿态获取模块、视觉传输模块、水下通讯模块和GPS定位模块。
与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：
本发明中采用重心调节法和吸排水的方法实现机器鱼既能依靠胸、尾鳍推进，重块调节倾角的高速水下潜浮运动，也能实现通过自身重力改变实现机器鱼低速条件下的潜浮运动，调节范围和精确程度较之前机构大有改进，能实现仿生机器鱼各种速度下的直游、转向、上浮、下潜等运动，提高了机器鱼水下运动的能力。
所述上壳体分为上壳体上盖和上壳体连接件，上壳体连接件与下壳体连接，连接处涂抹703硅橡胶，两壳体之间形成静密封。
所述滚珠丝杠两端设有深沟球轴承；所述机构支架上设有限位开关和编码器，编码器与滚珠丝杠连接。配重块运动的情况通过编码器传回数据，实现精确度高的闭环回路。经过这样的设计保证了鱼头能按照需要调整鱼体倾角，以达到设定的深度。
所述下壳体分隔为配重块安放区、胸鳍固定区、底板安放区和壳体连接区。所述底板安放区上设有底板，底板上设有浮力调节机构，浮力调节机构包括水囊、动力泵、进出水口，水囊通过动力泵与进出水口连通；底板上设有配重块隔离槽，配重块隔离槽内设有重心调节机构。保证了水囊不会因为机器鱼的运动而受到破坏，同时下壳底部的压仓物采用钢珠和硅胶混合既能满足压仓物的实际作用也能满足在鱼壳底部的曲面位置放置压仓物的要求。合理布设壳体内空间，保证仿生鱼水下多功能实现。所述底板上设有安全吊装环，方便吊装和拆卸检修。
本发明的鱼壳底部设有放置水囊的隔离仓，本发明的控制系统通过红外避障感知功能模块、水下压力测试模块、视觉传输模块、姿态获取模块、水下通讯模块、GPS位置信息获取模块等六个主要模块更加精确的控制机器鱼的运动状态，获得更多的水下实时信息，确保机器鱼高效、安全、稳定的水下运动。
下面结合附图对本发明一种仿箱鲀科自主机器鱼做进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明重心调节机构示意图；
图3是本发明重心调节机构剖视图；
图4是本发明尾鳍结构示意图；
图5是本发明下壳体结构示意图；
图6是本发明胸鳍驱动机构结构示意图；
图7是本发明运动控制系统结构示意图。
具体实施方式
一种仿箱鲀科自主机器鱼，包括上壳体、下壳体、尾鳍和胸鳍，所述上壳体分为上壳体上盖1和上壳体连接件3，上壳体连接件3与下壳体4连接，胸鳍与壳体连接处设有密封连接件6。
还包括重心调节机构，重心调节机构包括机构支架28、配重块29、动力源电机21和动力源电机支架22，所述动力源电机21通过弹性联轴器23与滚珠丝杠26连接，滚珠丝杠26与配重块29上的滚珠丝杠螺母210螺纹连接，配重块29上设有直线轴承25，直线轴承25与光轴24连接。所述滚珠丝杠26两端设有深沟球轴承211；所述机构支架28上设有限位开关20和编码器27，编码器27与滚珠丝杠26连接，编码器27控制滚珠丝杠26的转速。
所述尾鳍30通过尾鳍摆动架32连接固定板31，固定板31上设有尾鳍电机支架34和双输出轴电机38，尾鳍电机支架34的下固定板37上设有双输出轴电机38，双输出轴电机38分别通过联轴器33与尾鳍摆动架32连接。所述尾鳍摆动架32上设有密封组件35。
所述下壳体4分隔为配重块安放区44、胸鳍固定区45、底板安放区48和壳体连接区410。所述底板安放区48上设有底板42，底板42上设有浮力调节机构，浮力调节机构包括水囊43、动力泵46、进出水口47，水囊43通过动力泵46与进出水口47连通；底板42上设有配重块隔离槽411，配重块隔离槽411内设有重心调节机构。所述底板42上设有安全吊装环41。
所述下壳体4通过支架52连接胸鳍驱动机构，胸鳍驱动机构包括主动力电机51、齿轮组、舵机、摆动架511和柔性蒙皮525；所述齿轮组分为主动齿轮54和从动齿轮56，主动齿轮54和从动齿轮56固定在齿轮固定板55，主动力电机51的传动轴57设在主传动轴支架58上，传动轴57与摆动架511连接，摆动架511与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承524、第二轴承521和第三轴承518。
所述第一轴承设在传动轴57上，传动轴57与舵机托架59和转动舵机523连接，转动舵机523通过舵机固定板510与摆动架511连接，摆动架511与连接套筒513连接，连接套筒513与滑动杆514一端连接，滑动杆514另一端连接胸鳍5；所述滑动杆514上设有第二轴承座519和第三轴承座517，第二轴承座519上连接第二轴承521，第二轴承521内侧设有关节轴承520；第三轴承座517上设有第三轴承518；所述第三轴承座两侧设有第三轴承端盖516；第二轴承座519上第二轴承端盖522；鱼壳壳体与胸鳍5之间设有柔性蒙皮，柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶。
还包括运动控制系统，运动控制系统包括电源功能管理模块66、控制主板68、控制模块67、传感器数据处理模块69和传感器模块610，控制主板68与控制模块67和传感器模块610连通，传感器模块610通过传感器数据处理模块69与控制主板68连通，电源功能管理模块66通过控制模块67与电机驱动模块65连接，电机驱动模块65包括胸鳍驱动电机模块61、尾鳍驱动电机模块62、配重机构驱动电机模块63和泵驱动模块64；传感器模块610包括红外感知避障功能模块611、水下压力测试模块612、姿态获取模块613、视觉传输模块614、水下通讯模块615和GPS定位模块616。
其中控制主板68的单片机型号为TM4C123G，胸鳍驱动电机模块61为42hs03步进电机，工作电压为12V，步距角为1.8，定位转矩200 kg.cm。尾鳍驱动电机模块62为42BYGH双输出轴步进电机，工作电压为3.6V，步距角为1.8，静力矩4.3kg.cm。配重机构驱动电机模块63为42BYGH步进电机，工作电压为4V，步距角为1.8，静力距5.2kg.cm。泵驱动模块64为驱动电压为DC11-36V，可三线控制调速，可正反转。红外感知避障功能模块611为型号E18-D80NK，电器特性：输入电压为DC5V,识别距离为：3-80cm。
水下压力测试模块612为40PC015G，此为单硅片压力传感器，6针DIP 引脚，具有体积小，介质兼容性强等优点。姿态获取模块613为GY-86，也称10DOF模块，供电电源为3-5V，通信方式为：IIC通信协议；
视觉传输模块614为：OV7725摄像头 、VER2.0接口板，供电电压: 1.7-3.0V具有边缘增强、降噪、饱和度自动调节等优点；水下通讯模块615为AS07-M1101S，中心频段：433MHZ，通讯接口：SPI，供电电压:1.8-3.6V；GPS定位模块616为BN-280 GPS，供电电压: 3.0-5.5V。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种仿箱鲀科自主机器鱼实现沉浮运动主要有以下三种情况：
1、配重机构工作原理：该系统主要由机构支架28、动力源电机21、动力源电机支架22、弹性联轴器23、直线光轴24、滚珠丝杠26、滚珠丝杠螺母210、直线轴承25、深沟球轴承211、配重块29、编码器27、限位开关20组成，步进电机输出轴正向运动时，丝杠驱动配重块向前运动，为鱼头部位产生正向倾角，同时将配重块移动的距离通过光电式编码器传回主控板，根据需要的角度继续调节配重块的运动，如果配重块运动到丝杠的终端时则会触碰到限位开关，告知主控板步进电机不能再正向运动，必须强制启动电机反向运动功能；步进电机输出轴反向运动时，丝杠26驱动配重块29向后运动，为鱼头部位产生负向倾角，如果配重块29运动到丝杠26的另一终端时则会触碰到另一个限位开关20，告知主控板68动力源电机21不能再反向运动，必须强制启动动力源电机21正向运动功能，确保整个机构的安全运行。
2、浮力调节系统工作原理：该系统主要由动力泵46、管路系统、水囊43、常闭式两位电磁阀、动力泵电机控制板组成，如果动力泵46正向运动时开始将外部的水吸入水囊43中，鱼体的重力改变机器鱼向下运动，如果水囊43内部注满水，则常闭式两位电磁阀断电，动力泵停止工作，胸尾鳍在注水过程中保持运动状态，如果动力泵反向运动时开始将水囊中的水排出鱼体，鱼体的重力改变后机器鱼向上运动，如果水囊43内部的水全部排出鱼体，常闭式两位电磁阀，动力泵46停止工作，同样的，胸尾鳍在注水过程中保持运动状态。
3、重心调节机构、浮力调节系统和胸、尾鳍联合推进同步工作，实现机器鱼在水下垂直面任意两点间沿直线运动，当配重块运动的过程中同步吸排水就能实现机器鱼的游动方式，实现由胸鳍配合其他机构完成机器鱼在水下的直游、转弯、下潜、上浮、悬停等多种运动形式。
本发明一种仿箱鲀科自主机器鱼的传感器模块功能及工作原理：红外避障感知功能模块611安装在鱼体周围当有障碍物时该传感器捕获障碍物位置信息告知主控板68驱动对应胸鳍电机驱动模块使得鱼体开始侧向转弯，从而避开障碍物；水下压力测试模块612安装在鱼壳底部两侧，根据上位机发出的深度指令，重心调节机构和浮力调节系统开始工作，随着机器鱼潜水程度变化，水下压力测试模块612将实时的电压值传回主控板68，主控板68将传回的信息加工获得机器鱼的水下深度值，并和目标深度值比较查看是否达到预定深度；视觉传输模块614由于受限于水下通讯模块不能传输视频信息，水下传输视频采用另外的水下通讯模块；水下通讯模块615采用433MHZ水下通讯模块，该模块主要用来发送和接受信息，同样受限于数据传输距离，设置了无信号情况下的机器鱼自动保护功能，也就是水下通讯模块615在固定时间内没有任何数据传输任务，机器鱼则自动启动上浮功能，当然也可以在程序中设定好上浮下潜整周运动的时间周期；GPS位置信息获取模块616用来获得机器鱼的实时位置信息，保证机器鱼在水下运动的位置信息能及时获取，并传回用户。
本发明一种仿箱鲀科自主机器鱼与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：解决了水下运动状态下的壳体密封问题、采用了吸排水法和重新调节法相结合的方法实现机器鱼在水下垂直面任意两点间沿直线的运动、解决了浅水情况下的通讯问题、提高了机器鱼胸、尾鳍的推进效率、提升了仿生机器鱼水下直游、转向、变速巡游、上浮、下潜的灵活性，增强了机器鱼的水下运动能力。
以上所述仅对本发明的优选实施方案做出描述，并不用于局限制本发明，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域内任何科技工作者，对本发明所作的任何修改、同等替换、机构改进等，均应包含在本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于包括上壳体、下壳体、尾鳍和胸鳍，所述上壳体分为上壳体上盖（1）和上壳体连接件（3），上壳体连接件（3）与下壳体（4）连接，胸鳍与壳体连接处设有密封连接件（6）。
2.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于还包括重心调节机构，重心调节机构包括机构支架（28）、配重块（29）、动力源电机（21）和动力源电机支架（22），所述动力源电机（21）通过弹性联轴器（23）与滚珠丝杠（26）连接，滚珠丝杠（26）与配重块（29）上的滚珠丝杠螺母（210）螺纹连接，配重块（29）上设有直线轴承（25），直线轴承（25）与光轴（24）连接。
3.根据权利要求2所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述滚珠丝杠（26）两端设有深沟球轴承（211）；所述机构支架（28）上设有限位开关（20）和编码器（27），编码器（27）与滚珠丝杠（26）连接。
4.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述尾鳍（30）通过尾鳍摆动架（32）连接固定板（31），固定板（31）上设有尾鳍电机支架（34）和双输出轴电机（38），尾鳍电机支架（34）的下固定板（37）上设有双输出轴电机（38），双输出轴电机（38）分别通过联轴器（33）与尾鳍摆动架（32）连接；尾鳍摆动架（32）上设有密封组件（35）。
5.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述下壳体（4）分隔为配重块安放区（44）、胸鳍固定区（45）、底板安放区（48）和壳体连接区（410）。
6.根据权利要求5所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述底板安放区（48）上设有底板（42），底板（42）上设有浮力调节机构，浮力调节机构包括水囊（43）、动力泵（46）、进出水口（47），水囊（43）通过动力泵（46）与进出水口（47）连通；底板（42）上设有配重块隔离槽（411），配重块隔离槽（411）内设有重心调节机构。
7.根据权利要求6所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述底板（42）上设有安全吊装环（41）。
8.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述下壳体（4）通过支架（52）连接胸鳍驱动机构，胸鳍驱动机构包括主动力电机（51）、齿轮组、舵机、摆动架（511）和柔性蒙皮（525）；所述齿轮组分为主动齿轮（54）和从动齿轮（56），主动齿轮（54）和从动齿轮（56）固定在齿轮固定板（55），主动力电机（51）的传动轴（57）设在主传动轴支架（58）上，传动轴（57）与摆动架（511）连接，摆动架（511）与轴承组连接，轴承组分为关节轴承、第一轴承（524）、第二轴承（521）和第三轴承（518）。
9.根据权利要求8所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于所述所述第一轴承设在传动轴（57）上，传动轴（57）与舵机托架（59）和转动舵机（523）连接，转动舵机（523）通过舵机固定板（510）与摆动架（511）连接，摆动架（511）与连接套筒（513）连接，连接套筒（513）与滑动杆（514）一端连接，滑动杆（514）另一端连接胸鳍（5）；所述滑动杆（514）上设有第二轴承座（519）和第三轴承座（517），第二轴承座（519）上连接第二轴承（521），第二轴承（521）内侧设有关节轴承（520）；第三轴承座（517）上设有第三轴承（518）；所述第三轴承座两侧设有第三轴承端盖（516）；第二轴承座（519）上第二轴承端盖（522）；鱼壳壳体与胸鳍（5）之间设有柔性蒙皮，柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶。
10.根据权利要求1所述的一种仿箱鲀科自主机器鱼，其特征在于还包括运动控制系统，运动控制系统包括电源功能管理模块（66）、控制主板（68）、控制模块（67）、传感器数据处理模块（69）和传感器模块（610），控制主板（68）与控制模块（67）和传感器模块（610）连通，传感器模块（610）通过传感器数据处理模块（69）与控制主板（68）连通，电源功能管理模块（66）通过控制模块（67）与电机驱动模块（65）连接，电机驱动模块（65）包括胸鳍驱动电机模块（61）、尾鳍驱动电机模块（62）、配重机构驱动电机模块（63）和泵驱动模块（64）；传感器模块（610）包括红外感知避障功能模块（611）、水下压力测试模块（612）、姿态获取模块（613）、视觉传输模块（614）、水下通讯模块（615）和GPS定位模块（616）。
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