CN108058799B - 一种新型仿生机械鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型仿生机械鱼，它包括鱼体外壳、鱼体内部龙骨和若干鱼体内部骨架，鱼体内部龙骨上还设有控制盒和电池盒，鱼体内部龙骨首端连接转向沉浮机构，尾部连接鱼尾，它与鱼体内部龙骨以前后两处螺栓相连；鱼体内部骨架与鱼体内部龙骨和鱼尾螺栓连接，用于形成鱼体外轮廓，控制盒内部包含控制系统，用于控制仿生机械鱼运动，电池盒内部包含锂离子高性能电池，用于给仿生机械鱼供电。本机械鱼的整体设计简单明了，加工难度不大，控制简单，通过胸鳍和腹鳍的配合控制可实现机械鱼的转弯和上浮下潜，完成多钟多样的水下运动。外形轮廓是根据金枪鱼外形仿生设计的，具有较好的流线和良好的动力学性能。

Description

一种新型仿生机械鱼

技术领域

本发明属于仿生用品技术领域，具体涉及一种新型仿生机械鱼。

背景技术

近年来，全球人口的快速增长，陆地资源的逐渐匮乏，占据地球面积71%的海洋必将成为人类今后资源开发的主战场；随着我国综合实力不断增强，海洋的主权意识贯彻始终，军事上走出去离不开先进的海洋装备。因此，对海洋资源的勘测、海洋生物的研究和军事侦察等等在未来会变得尤为重要。采用何种方式对海洋资源进行探测是一个极为重要的问题，毫无疑问，对海洋进行探测的水下探测器必须具有效率高、速度快、灵活性高等特点，而海洋中数量庞大的鱼类恰好具备这些特点。目前国内主要由北京航空航天大学、中国科学院自动化所、中科院研究生院、中国科学技术大学、哈尔滨工业大学，沈阳自动化所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等机构开展了仿生机械鱼的研制工作。

目前国内仿生机械鱼研究可粗略的分为两类，一类是利用胸鳍作为动力，这种方式使得机械鱼的机动性能很高但推进效率不高；另一类是仿尾鳍的方式，利用胸鳍上浮下潜，推进效率虽高但是机动性较弱。而真实的鱼类在一定程度上可以配合使用两种驱动方式，既可以高速游动，又由很强的机动性。而现有市场上的仿生鱼尾推进机构大多以曲柄摇杆机构为主，仿生性低，推进效率不高；有些甚至是直接控制电机正反转实现鱼尾摆动，电机耗损严重。

发明内容

针对上述现有的问题，本发明有的目的在于提供一种新型仿生机械鱼。

所述的一种新型仿生机械鱼，包括鱼体外壳、鱼体内部龙骨和若干鱼体内部骨架，其特征在于鱼体内部龙骨上还设有控制盒和电池盒，鱼体内部龙骨首端连接转向沉浮机构，尾部连接鱼尾，转向沉浮机构、鱼尾与鱼体内部龙骨通过螺栓相连；鱼体内部骨架与鱼体内部龙骨和鱼尾螺栓连接，用于形成鱼体外轮廓，控制盒内部包含控制系统，用于控制仿生机械鱼运动，电池盒内部包含锂离子高性能电池，用于给仿生机械鱼供电。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于鱼尾包括设置在鱼体内部龙骨上的鱼尾支撑架，减速直流电机和曲柄圆盘设置在鱼尾支撑架上、下位置且相互连接，滑块通过两个光轴设置在两个鱼尾支撑架之间，鱼尾支撑架端部设有U型支撑块，U型支撑块通过螺栓与鱼体内部龙骨连接，U型限位块、鱼尾拉杆和鱼尾中杆一端通过转轴与U型支撑块活动连接，U型限位块位于鱼尾拉杆下方，滑块一端通过第一鱼尾连杆连接鱼尾拉杆，另一端通过第二鱼尾连杆连接曲柄圆盘，鱼尾中杆另一端与鱼尾连接块连接，鱼尾连接块还连接鱼尾斜杆一端和尾鳍，鱼尾斜杆另一端固定在鱼尾拉杆上，减速直流电机连接控制盒和电池盒。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于鱼尾连接块为直角形结构，鱼尾中杆与鱼尾连接块的连接点为直角位置，鱼尾斜杆、尾鳍与鱼尾连接块的连接点分别为两直角边的外端部。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于转向沉浮机构包括沉浮控制机构及转向控制机构。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于沉浮控制机构包括活动安装在轴承支架上的胸鳍输出轴及胸鳍舵机，胸鳍舵机通过胸鳍摇杆连接胸鳍连杆一端，胸鳍连杆另一端通过胸鳍拉杆设置在胸鳍输出轴中部，胸鳍输出轴两端分别连接左胸鳍和右胸鳍，胸鳍舵机与连接控制盒和电池盒，胸鳍连杆上贯穿设置圆形件，内部龙骨与圆形件通过直角连接件和螺栓连接。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于胸鳍连杆穿出鱼体内部骨架，中部通过鱼体内部骨架定位。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于转向控制机构包括活动安装在轴承支架上的腹鳍输出轴及腹鳍舵机，腹鳍舵机通过腹鳍摇杆连接腹鳍连杆一端，腹鳍连杆另一端通过腹鳍拉杆连接腹鳍输出轴，腹鳍输出轴底部连接腹鳍，腹鳍舵机与连接控制盒和电池盒。

所述的一种新型仿生机械鱼，其特征在于腹鳍连杆穿出鱼体内部骨架，中部通过鱼体内部骨架定位。

通过采用 上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明的新型仿生机械鱼它包括鱼体外壳、鱼体内部结构、胸鳍、腹鳍、尾鳍等，鱼体内部结构设计为一根龙骨和若干骨架，其中胸鳍所在的升降舵、腹鳍所在的方向舵、鱼尾、控制电路和电池均固定在龙骨上、左右胸鳍连接在同一根光轴上，由一个舵机提供动力；方向舵的动力由另一个舵机通过光轴输出、鱼尾的动力由一个减速直流电机驱动，第二节的尾鳍以恒定相位差落后第一节鱼尾进行配合周期运动；龙骨上方是电池盒和控制盒用来存放锂电池和控制电路；龙骨中部的下方可根据情况添加配重，其设计简单明了、加工难度低、控制简单，通过胸鳍和腹鳍的配合控制可实现机械鱼的转弯和上浮下潜，完成多钟多样的水下运动，外形轮廓是根据金枪鱼外形仿生设计的，具有较好的流线和良好的动力学性能；

2）本发明采用双关节的尾部推进机构，该机构配合曲柄滑块机构可由电机的整周回转运动来实现尾部的摆动动作，通过单片机或者航模的航模专用的飞控器件可实现减速电机的调速以满足不同的速度要求；

3）本发明针对现有市场上仿生机械鱼尾部摆动仿生特性低的问题，通过对金枪鱼外形轮廓的拟合，设计出符合金枪鱼外形的壳体；同时，根据金枪鱼尾部的运动规律研制出一种新型双关节的尾部推进机构，该机构的双关节以恒定90°相位差的周期性运动为其主要特征，能极大的增强仿生性能，提高推进效率，节约能耗；

4）本发明针对现有仿生机械鱼驱动方式单一的问题，通过控制胸鳍来回以一定频率摆动来实现胸鳍驱动，具有较高的机动性；在以尾鳍推动为主时，通过胸鳍倾斜角度的调整，实现机械鱼的上浮下潜。机械鱼的转向主要由控制方向舵的倾斜角度来实现。

附图说明

图1为仿生机械鱼整体外形示意图；

图2为仿生机械鱼整体内部结构示意图；

图3为仿生机械鱼关键部件整体示意图；

图4为仿生机械鱼鱼尾整体示意图；

图5为仿生机械鱼鱼尾俯视图；

图6为仿生机械鱼胸鳍和舵机连接关系结构示意图；

图7为图6中的转向机构俯视结构示意图。

图中：1-鱼尾；101-减速直流电机；102-光轴；103-滑块；104-第一鱼尾连杆；105-U型限位块；106-鱼尾中杆；107-鱼尾连接块；108-尾鳍；109-鱼尾斜杆；110-U型支撑块；111-鱼尾拉杆；112-第二鱼尾连杆；113-曲柄圆盘；114-鱼尾支撑架；2-鱼体内部骨架；3-转向沉浮机构；301-右胸鳍；302-胸鳍舵机；303-胸鳍连杆；304-胸鳍摇杆； 305-腹鳍摇杆；306-腹鳍舵机；307-腹鳍连杆；308-腹鳍；309-左胸鳍；310-胸鳍输出轴；311-腹鳍输出轴；312-轴承支架，313-腹鳍拉杆；314-胸鳍拉杆；4-鱼体内部龙骨；5-控制盒；6-电池盒，7-虚线，8-中心线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-7示，本发明的一种新型仿生机械鱼，以金枪鱼为例，主要包括鱼体外壳、鱼体内部龙骨4和若干鱼体内部骨架2，鱼体内部龙骨4上还设有通过螺栓固定连接的控制盒5和电池盒6，转向沉浮机构3为独立的机构，转向沉浮机构3和内部龙骨4的首端以螺栓相连，尾部连接鱼尾1，它与鱼体内部龙骨4轴向左右对称六处共12枚螺栓相连；鱼体内部骨架2与鱼体内部龙骨4和鱼尾1螺栓连接，用于形成鱼体外轮廓，控制盒5内部包含控制系统，用于控制仿生机械鱼运动，电池盒6内部包含锂离子高性能电池，用于给仿生机械鱼供电。鱼体内部骨架2包括一组大小不同的支撑板，具体为仿生鱼的类别定，用于形成鱼体外轮廓，鱼体内部骨架2之间相互以胶水固结，与鱼体内部龙骨4和鱼尾中杆106螺栓连接；鱼尾1与鱼体内部龙骨4之间通过U型支撑块110螺钉连接，并在U型支撑块110与鱼体内部龙骨4之间装配有一根光轴。

如图1-5所示，本发明的鱼尾1主要包括减速直流电机101、光轴102、滑块103、第一鱼尾连杆104、U型限位块105、鱼尾中杆106、鱼尾连接块107、尾鳍108、鱼尾斜杆109、U型支撑块110、鱼尾拉杆111、第二鱼尾连杆112、曲柄圆盘113和鱼尾支撑架114，鱼尾支撑架114设置在鱼体内部龙骨4上，减速直流电机101和曲柄圆盘113设置在鱼尾支撑架114上、下位置且相互连接，滑块103通过两个光轴102设置在两个鱼尾支撑架114之间，以上为鱼尾第一节，鱼尾第二节包括由鱼尾连接块107连接的尾鳍108、鱼尾斜杆109和鱼尾中杆106，鱼尾支撑架114端部设有U型支撑块110，U型限位块105、鱼尾拉杆111和鱼尾中杆106一端通过转轴与U型支撑块110活动连接，U型限位块105位于鱼尾拉杆111下方，转轴贯穿鱼尾拉杆111，滑块103一端通过第一鱼尾连杆104连接鱼尾拉杆111，另一端通过第二鱼尾连杆112连接曲柄圆盘113，鱼尾中杆106另一端与鱼尾连接块107连接，鱼尾连接块107还连接鱼尾斜杆109一端和尾鳍108，本发明实施例中的鱼尾连接块107为直角形结构，鱼尾中杆106与鱼尾连接块107的连接点为直角位置，鱼尾斜杆109、尾鳍108与鱼尾连接块107的连接点分别为两直角边的外端部；鱼尾斜杆109另一端固定在鱼尾拉杆111上，减速直流电机101连接控制盒5和电池盒6，本发明在鱼体内部龙骨4中下部留有空间，可根据情况适当增加配重。

如图所示，鱼尾1的工作过程如下：减速直流电机101通过曲柄圆盘113和第二鱼尾连杆112将回转运动转变为滑块103的往复周期运动，尾部第一节是由一个U型支撑块110通过一根轴来连接U型限位块105、鱼尾拉杆111和鱼尾中杆106，这三者均可绕该轴转动，鱼尾第二节由鱼尾连接块107连接尾鳍108、鱼尾斜杆109和鱼尾中杆106，通过第一鱼尾连杆104将滑块103的往复运动传递给鱼尾拉杆111，鱼尾拉杆111带动U型限位块105做往复运动，由于限位作用鱼尾中杆106跟着做往复运动，同时鱼尾拉杆111通过鱼尾斜杆109将动力传给鱼尾连接块107，使得鱼尾中杆106和尾鳍108配合运动，整体机构在减速直流电机101的带动下实现尾部第一节和第二节以恒定相位差的周期性往复运动。

如图1-3及图6所示，本发明的转向沉浮机构3包括沉浮控制机构及转向控制机构；

所示沉浮控制机构包括活动安装在轴承支架312上的胸鳍输出轴310及胸鳍舵机302，胸鳍舵机302通过胸鳍摇杆304连接胸鳍连杆303一端，胸鳍连杆303另一端通过胸鳍拉杆314设置在胸鳍输出轴310中部，胸鳍输出轴310两端分别连接左胸鳍309和右胸鳍301，胸鳍舵机302与连接控制盒5和电池盒6；胸鳍连杆303穿出鱼体内部骨架2，中部通过鱼体内部骨架2定位，转向沉浮机构3的胸鳍连杆303上贯穿设置圆形零件，圆形零件与内部龙骨4之间以直角连接件和螺栓连接。

所述转向控制机构包括活动安装在轴承支架312上的腹鳍输出轴311及腹鳍舵机306，腹鳍舵机306通过腹鳍摇杆305连接腹鳍连杆307一端，腹鳍连杆307另一端通过腹鳍拉杆313连接腹鳍输出轴311，腹鳍输出轴311底部连接腹鳍308，腹鳍舵机306与连接控制盒5和电池盒6；腹鳍连杆307穿出鱼体内部骨架2，中部通过鱼体内部骨架2定位。

如图所示，本发明的沉浮控制机构和转向控制机构可以同时工作，也可以分别工作。

沉浮控制机构实现沉浮的功能，其工作过程如下：控制系统驱动胸鳍舵机302顺时针旋转一定的角度，胸鳍舵机302通过2-3-5曲柄连杆机构（胸鳍摇杆304、胸鳍连杆303、胸鳍拉杆314）带动胸鳍输出轴310旋转一定的角度，从而使得与胸鳍输出轴310固结的左胸鳍309、右胸鳍301顺时针旋转一定的角度，由于水压力的作用，胸鳍位置相对于鱼体重心会产生一定大小的颠覆力矩，所以这个颠覆力矩使得鱼的头部向上倾斜，从而实现鱼体的上升，与此相反，当控制系统驱动胸鳍舵机302逆时针旋转一定的角度时，可以实现鱼体的下潜，实现机械鱼的上浮下潜。

转向控制机构实现转向的功能，其工作过程如下：控制系统驱动腹鳍舵机306顺时针旋转一定的角度，腹鳍舵机306通过2-3-4曲柄连杆机构（腹鳍摇杆305、腹鳍连杆307、腹鳍拉杆313）带动腹鳍输出轴311旋转一定的角度，从而使得与腹鳍输出轴311固结的腹鳍308逆时针旋转一定的角度，此时腹鳍308与鱼体游动速度方向有一定的夹角，流动的水会给腹鳍308一个垂直于游动方向的力，这个力对重心所在轴产生力矩，使得鱼体绕着重心所在轴线向左旋转，从而实现仿生机械鱼的向左转弯的功能；于此相反，如图7所示，当控制系统驱动腹鳍舵机306逆时针旋转一定的角度，并且虚线9与中心线8重合后再旋转成一定角度，可实现仿生机械鱼向右转弯的功能。

沉浮控制机构和转向控制机构同时工作，即转向和沉浮的组合功能，转向机构和沉浮机构同时工作时可以实现上浮左转、上浮右转、下潜左转、上浮右转四个运动。

Claims (5)

1.一种仿生机械鱼，包括鱼体外壳、鱼体内部龙骨（4）和若干鱼体内部骨架（2），其特征在于鱼体内部龙骨（4）上还设有控制盒（5）和电池盒（6），鱼体内部龙骨（4）首端连接转向沉浮机构（3），尾部连接鱼尾（1），转向沉浮机构（3）、鱼尾（1）与鱼体内部龙骨（4）通过螺栓相连；鱼体内部骨架（2）与鱼体内部龙骨（4）和鱼尾（1）螺栓连接，用于形成鱼体外轮廓，控制盒（5）内部包含控制系统，用于控制仿生机械鱼运动，电池盒（6）内部包含锂离子高性能电池，用于给仿生机械鱼供电；转向沉浮机构（3）包括沉浮控制机构及转向控制机构；沉浮控制机构包括活动安装在轴承支架（312）上的胸鳍输出轴（310）及胸鳍舵机（302），胸鳍舵机（302）通过胸鳍摇杆（304）连接胸鳍连杆（303）一端，胸鳍连杆（303）另一端通过胸鳍拉杆（314）设置在胸鳍输出轴（310）中部，胸鳍输出轴（310）两端分别连接左胸鳍（309）和右胸鳍（301），胸鳍舵机（302）与连接控制盒（5）和电池盒（6），胸鳍连杆（303）上贯穿设置圆形件，内部龙骨（4）与圆形件通过直角连接件和螺栓连接；转向控制机构包括活动安装在轴承支架（312）上的腹鳍输出轴（311）及腹鳍舵机（306），腹鳍舵机（306）通过腹鳍摇杆（305）连接腹鳍连杆（307）一端，腹鳍连杆（307）另一端通过腹鳍拉杆（313）连接腹鳍输出轴（311），腹鳍输出轴（311）底部连接腹鳍（308），腹鳍舵机（306）与连接控制盒（5）和电池盒（6）。

2.根据权利要求1所述的一种仿生机械鱼，其特征在于鱼尾（1）包括设置在鱼体内部龙骨（4）上的鱼尾支撑架（114），减速直流电机（101）和曲柄圆盘（113）设置在鱼尾支撑架（114）上、下位置且相互连接，滑块（103）通过两个光轴（102）设置在两个鱼尾支撑架（114）之间，鱼尾支撑架（114）端部设有U型支撑块（110），U型支撑块（110）通过螺栓与鱼体内部龙骨（4）连接，U型限位块（105）、鱼尾拉杆（111）和鱼尾中杆（106）一端通过转轴与U型支撑块（110）活动连接，U型限位块（105）位于鱼尾拉杆（111）下方，滑块（103）一端通过第一鱼尾连杆（104）连接鱼尾拉杆（111），另一端通过第二鱼尾连杆（112）连接曲柄圆盘（113），鱼尾中杆（106）另一端与鱼尾连接块（107）连接，鱼尾连接块（107）还连接鱼尾斜杆（109）一端和尾鳍（108），鱼尾斜杆（109）另一端固定在鱼尾拉杆（111）上，减速直流电机（101）连接控制盒（5）和电池盒（6）。

3.根据权利要求2所述的一种仿生机械鱼，其特征在于鱼尾连接块（107）为直角形结构，鱼尾中杆（106）与鱼尾连接块（107）的连接点为直角位置，鱼尾斜杆（109）、尾鳍（108）与鱼尾连接块（107）的连接点分别为两直角边的外端部。

4.根据权利要求1所述的一种仿生机械鱼，其特征在于胸鳍连杆（303）穿出鱼体内部骨架（2），中部通过鱼体内部骨架（2）定位。

5.根据权利要求1所述的一种仿生机械鱼，其特征在于腹鳍连杆（307）穿出鱼体内部骨架（2），中部通过鱼体内部骨架（2）定位。