CN107161305A - 一种三自由度仿鲹科自主机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种三自由度仿鲹科自主机器鱼。通过胸尾鳍协同推进来实现仿生机器鱼的前进、后退、转弯等基本运动的仿生机器鱼。包括输出轴、框架、仿生胸鳍、柔性蒙皮、仿生机器鱼外壳、仿生尾鳍和驱动执行机构，所述执行机构包括胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，驱动执行机构带动仿生胸鳍和仿生尾鳍运动，所述框架上连接输出轴、仿生机器鱼外壳，输出轴与仿生胸鳍连接，框架外侧设有柔性蒙皮。分设胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，胸鳍和尾鳍联合驱动使得使机器鱼更加自如、稳定的游动，具有更高的机动性能，更高的效率，框架外侧设有柔性蒙皮保证机械鱼水下运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种三自由度仿鲹科自主机器鱼。通过胸尾鳍协同推进来实现仿生机器鱼的前进、后退、转弯等基本运动的仿生机器鱼。
背景技术
近些年来，随着科学技术的大力发展以及日益进步，海上作业受到了人们越来越多的关注，包括水下勘察、管道检查、水质监测、海洋资源开采、电缆铺设等方面。
传统的水下探测器因其具有效率低、机动性差、噪音高等缺点已经不能满足科研和工程上的需要。仿生学研究表明，仿生机器鱼通过胸尾鳍的协同驱动，可实现快速启动、前进后退、上升下潜、悬停定位以及机动转弯等，具有高效率、高稳定性、优良的机动性、噪音低、对环境扰动小等优势，市场急需研制效率高、机动性好和噪声低的水下航行器满足需求。但机械鱼的协同驱动研制和协同工作存在很大难度，目前现有的绝大多数仿生机器鱼都是利用胸鳍或尾鳍单一的驱动形式来实现机器鱼的驱动，单自由度或二自由度运动机械鱼居多，而三自由度运动机械鱼很多设计不完善的地方，实际使用中存在很多不足导致机械鱼无法满足市场和科研需求。
发明内容
本发明解决现有技术的不足提供一种动作自如、运行稳定的三自由度仿鲹科自主机器鱼。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：
一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，包括输出轴、框架、仿生胸鳍、柔性蒙皮、仿生机器鱼外壳、仿生尾鳍和驱动执行机构，所述执行机构包括胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，驱动执行机构带动仿生胸鳍和仿生尾鳍运动，所述框架上连接输出轴、仿生机器鱼外壳，输出轴与仿生胸鳍连接，框架外侧设有柔性蒙皮。
所述胸鳍驱动组件包括拍翼机构，所述拍翼机构的输出轴设在中间滑块上，中间滑块上连接横纵双向的滑杆，框架上设有皮带轮、机架和线轴承，机架之间设有连接杆，连接杆上设有移动块，移动块与滑杆连接，皮带轮之间设有皮带，拍翼步进电机驱动皮带带动移动块、连接杆和滑杆运动，连接杆和滑杆带动中间滑块移动。
所述胸鳍驱动组件还包括摇翼机构，所述摇翼机构在框架上设置底板，底板上设有连接片，连接片上连接摇翼步进电机、齿轮对、轴承座；摇翼步进电机通过齿轮对带动输出轴旋转。
所述仿生机器鱼外壳上设有鱼壳支撑片，鱼壳支撑片上连接三节活动尾鳍驱动组件，三节活动尾鳍驱动组件上连接尾柄和仿生尾鳍片组成仿生尾鳍，第一节活动尾鳍驱动组件包括第一支架、第一舵机、第一连接件、第一圆片；第二节活动尾鳍驱动组件包括第二支架、第二舵机、第二连接件、第二圆片；第三节活动尾鳍驱动组件包括第三支架、第三舵机、第三连接件。
所述壳体包括机构支撑架、电池模块区域和蒙皮位置，机构支撑架上连接框架，电池模块区域上连接电池，电池与驱动执行机构连通，蒙皮位置上设有柔性蒙皮。
所述壳体还包括密封件，密封件为硅胶薄膜，密封件设在输出轴与框架接触处。
所述仿生机器鱼外壳分为两半，两半壳体通过阶梯状凹槽扣合成一体。
所述阶梯状凹槽填充703硅橡胶。
所述仿生机器鱼外壳的长400-500mm、宽200-260mm、高220-280mm。
所述柔性蒙皮通过703硅橡胶连接在仿生机器鱼外壳上，柔性蒙皮4为仿鱼皮橡胶。
本发明的有益效果为：
1、一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，包括输出轴、框架、仿生胸鳍、柔性蒙皮、仿生机器鱼外壳、仿生尾鳍和驱动执行机构，所述执行机构包括胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，驱动执行机构带动仿生胸鳍和仿生尾鳍运动，所述框架上连接输出轴、仿生机器鱼外壳，输出轴与仿生胸鳍连接，框架外侧设有柔性蒙皮。分设胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，胸鳍和尾鳍联合驱动使得使机器鱼更加自如、稳定的游动，具有更高的机动性能，更高的效率，框架外侧设有柔性蒙皮保证机械鱼水下运行稳定。
2、胸鳍驱动组件包括拍翼机构和摇翼机构，可以实现仿生机器鱼在水中的多种复杂动作，例如前进后退、上升下潜、悬停转弯等等，同时配合仿生尾鳍联合运动，实现了机器鱼在空间中的复杂三维运动。运动性能更佳贴合仿生生物。
3、仿生机器鱼外壳上设有鱼壳支撑片，鱼壳支撑片上连接三节活动尾鳍驱动组件，三节活动尾鳍驱动组件上连接尾柄和仿生尾鳍片组成仿生尾鳍，三节活动尾鳍驱动组件使得尾鳍具有更好的灵活度，尾鳍外侧设有柔性蒙皮，密封件为硅胶薄膜，密封件设在输出轴与框架接触处，保证灵活度和运行安全，柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶，运动特性更接近仿生生物。
4、仿生机器鱼外壳分为两半，两半壳体通过阶梯状凹槽扣合成一体。所述阶梯状凹槽填充703硅橡胶。方便外壳组合和内部设备安装。所述仿生机器鱼外壳的长400-500mm、宽200-260mm、高220-280mm。通过长宽高的尺寸限定确保外形与鲹科鱼类贴合。
综上所述，本发明的提供的三自由度仿鲹科自主机器鱼，和以往大多数机器鱼相比，无论是在驱动形式的多样性或者是自由度数上，都有无以比拟的优势，从而可以使机器鱼更加自如、稳定的游动。有助于胸、尾鳍联合推进技术的研究，提高机器鱼运动性能，也是未来仿生机器鱼的发展与研究趋势，因此对仿生鱼的研究具有深远的意义。
附图说明
图1 是本发明的立体结构示意图；
图2 是本发明胸鳍拍翼机构的结构示意图；
图3 是本发明胸鳍摇翼机构的结构示意图；
图4 是本发明胸鳍驱动组件的结构示意图；
图5 是本发明尾鳍驱动组件的结构示意图；
图6 是本发明鱼壳壳体的结构示意图；
图7 是本发明鱼壳壳体的连接示意图。
具体实施方式
一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，包括输出轴1、框架2、仿生胸鳍3、柔性蒙皮4、仿生机器鱼外壳5、仿生尾鳍和驱动执行机构，所述执行机构包括胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，驱动执行机构带动仿生胸鳍3和仿生尾鳍运动，所述框架2上连接输出轴1、仿生机器鱼外壳5，输出轴1与仿生胸鳍3连接，框架2外侧设有柔性蒙皮4。
所述胸鳍驱动组件包括拍翼机构，所述拍翼机构的输出轴1设在中间滑块20上，中间滑块20上连接横纵双向的滑杆29，框架2上设有皮带轮22、机架26和线轴承25，机架26之间设有连接杆28，连接杆28上设有移动块27，移动块27与滑杆29连接，皮带轮22之间设有皮带23，拍翼步进电机21驱动皮带23带动移动块27、连接杆28和滑杆29运动，连接杆28和滑杆29带动中间滑块20移动。所述胸鳍驱动组件还包括摇翼机构，所述摇翼机构在框架2上设置底板34，底板34上设有连接片31，连接片31上连接摇翼步进电机30、齿轮对32、轴承座33；摇翼步进电机30通过齿轮对32带动输出轴1旋转。
所述仿生机器鱼外壳5上设有鱼壳支撑片41，鱼壳支撑片41上连接三节活动尾鳍驱动组件，三节活动尾鳍驱动组件上连接尾柄45和仿生尾鳍片46组成仿生尾鳍，第一节活动尾鳍驱动组件包括第一支架421、第一舵机422、第一连接件423、第一圆片424；第二节活动尾鳍驱动组件包括第二支架431、第二舵机432、第二连接件433、第二圆片434；第三节活动尾鳍驱动组件包括第三支架441、第三舵机442、第三连接件443。
所述壳体5包括机构支撑架51、电池模块区域52和蒙皮位置54，机构支撑架51上连接框架2，电池模块区域52上连接电池，电池与驱动执行机构连通，蒙皮位置54上设有柔性蒙皮4。所述壳体5还包括密封件53，密封件53为硅胶薄膜，密封件53设在输出轴1与框架2接触处。所述仿生机器鱼外壳5分为两半，两半壳体通过阶梯状凹槽55扣合成一体。所述阶梯状凹槽55填充703硅橡胶。所述仿生机器鱼外壳5的长400-500mm、宽200-260mm、高220-280mm。所述柔性蒙皮4通过703硅橡胶连接在仿生机器鱼外壳5上，柔性蒙皮4为仿鱼皮橡胶。
下面结合附图对本发明的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼作进一步说明。
结合图1-6所示，本发明是一种三自由度仿鲹科自主式机器鱼，胸鳍驱动组件包括胸鳍拍翼机构和胸鳍摇翼机构，主要的胸鳍驱动组件对称分布在鱼体中轴线两侧，固定在外壳5的中下部位，尾鳍驱动组件固定在外壳5的尾部，同时外部全部包裹了柔性蒙皮4。
使用时，可以根据水下情况选择胸、尾鳍单独工作或联合工作。具体情况如下：
1、胸鳍驱动组件运动，尾鳍驱动组件不动时，即紧固在框架上的一个步进电机21运转，与连接片连接的步进电机30运转或者当紧固在框架上的两个步进电机21运转，与连接片31连接的步进电机30运转时，仿生胸鳍3实现拍翼和摇翼的复合动作，此时仿生机器鱼由胸鳍驱动组件提供推进力，可实现仿生机器鱼的直游或转弯的运动形式。
2.胸鳍驱动组件不动，尾鳍驱动组件运动时，即鱼壳支撑片41带动三关节舵机链，使各个关节的第一舵机422，第二舵机432，第三舵机442提供推进力，使之带动尾鳍46实现来回摆动，从而使仿生机器鱼利用尾鳍驱动力实现直游或转弯的运动形式。
3.胸尾鳍协同推进，即胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件同时提供各自的驱动力，使胸鳍3与尾鳍46同时运动，也可实现仿生机器鱼的直游或转弯的运动形式。因为转动和拍动互不干涉，可以通过调整胸鳍转动的角度、拍动的频率和幅度，实现任意方向上的推进力，实现多种运动方式。两侧胸鳍的运动攻角可单独在0~90度范围内调节，直线运动时两侧运动攻角相同，实现同时向后或向前拍动，同时获得相同方向的推进力，实现前进或后退运动。转弯时可以选择不同运动攻角，仿生机器鱼可实现转弯运动。
Claims (10)
1.一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于包括输出轴（1）、框架（2）、仿生胸鳍（3）、柔性蒙皮（4）、仿生机器鱼外壳（5）、仿生尾鳍和驱动执行机构，所述执行机构包括胸鳍驱动组件和尾鳍驱动组件，驱动执行机构带动仿生胸鳍（3）和仿生尾鳍运动，所述框架（2）上连接输出轴（1）、仿生机器鱼外壳（5），输出轴（1）与仿生胸鳍（3）连接，框架（2）外侧设有柔性蒙皮（4）。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述胸鳍驱动组件包括拍翼机构，所述拍翼机构的输出轴（1）设在中间滑块（20）上，中间滑块（20）上连接横纵双向的滑杆（29），框架（2）上设有皮带轮（22）、机架（26）和线轴承（25），机架（26）之间设有连接杆（28），连接杆（28）上设有移动块（27），移动块（27）与滑杆（29）连接，皮带轮（22）之间设有皮带（23），拍翼步进电机（21）驱动皮带（23）带动移动块（27）、连接杆（28）和滑杆（29）运动，连接杆（28）和滑杆（29）带动中间滑块（20）移动。
3.根据权利要求2所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述胸鳍驱动组件还包括摇翼机构，所述摇翼机构在框架（2）上设置底板（34），底板（34）上设有连接片（31），连接片（31）上连接摇翼步进电机（30）、齿轮对（32）、轴承座（33）；摇翼步进电机（30）通过齿轮对（32）带动输出轴（1）旋转。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述仿生机器鱼外壳（5）上设有鱼壳支撑片（41），鱼壳支撑片（41）上连接三节活动尾鳍驱动组件，三节活动尾鳍驱动组件上连接尾柄（45）和仿生尾鳍片（46）组成仿生尾鳍，第一节活动尾鳍驱动组件包括第一支架（421）、第一舵机（422）、第一连接件（423）、第一圆片（424）；第二节活动尾鳍驱动组件包括第二支架（431）、第二舵机（432）、第二连接件（433）、第二圆片（434）；第三节活动尾鳍驱动组件包括第三支架（441）、第三舵机（442）、第三连接件（443）。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述壳体（5）包括机构支撑架（51）、电池模块区域（52）和蒙皮位置（54），机构支撑架（51）上连接框架（2），电池模块区域（52）上连接电池，电池与驱动执行机构连通，蒙皮位置（54）上设有柔性蒙皮（4）。
6.根据权利要求5所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述壳体（5）还包括密封件（53），密封件（53）为硅胶薄膜，密封件（53）设在输出轴（1）与框架（2）接触处。
7.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述仿生机器鱼外壳（5）分为两半，两半壳体通过阶梯状凹槽（55）扣合成一体。
8.根据权利要求7所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述阶梯状凹槽（55）填充703硅橡胶。
9.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述仿生机器鱼外壳（5）的长400-500mm、宽200-260mm、高220-280mm。
10.根据权利要求1所述的一种三自由度仿鲹科自主机器鱼，其特征在于所述柔性蒙皮（4）通过703硅橡胶连接在仿生机器鱼外壳（5）上，柔性蒙皮（4）为仿鱼皮橡胶。
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