CN108298046A - 一种扑翼型仿生水下机器人 - Google Patents

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    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
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    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor

Abstract

本发明公开了一种扑翼型仿生水下机器人，包括蝠鲼鱼扁形壳体、对称设置在蝠鲼鱼扁形壳体两侧的胸鳍、设于蝠鲼鱼扁形壳体下端中间偏后的方向舵和设于蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵，蝠鲼鱼扁形壳体内部形成鱼形空腔，鱼形空腔的头部内装有摄像头和传感器，蝠鲼鱼扁形壳体对应摄像头的头部设有摄像机罩，鱼形空腔腹部装有电池、胸鳍驱动电机、接收机、舵面驱动舵机，胸鳍驱动电机通过四连杆传动结构带动胸鳍上下摆动，舵面驱动舵机分别与方向舵和升降舵连接，蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵内设有数据采集接口。本发明仿生鱼结构设计，采用胸鳍推进方式，具有高机动性，以及低噪声、对环境扰动小等优点，适用于军事及农业等领域的水下作业中。

Description

一种扑翼型仿生水下机器人
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种扑翼型仿生水下机器人。
背景技术
随着海洋经济的发展和军事需求的增加以及仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、新型材料科学、自动控制理论等学科的不断进步,科研工作者开始越来越多地把目光投向对长期生活在水下的各种生物运动机理的研究上。经过几亿年的进化，鱼类具备了非常出色的水下游动能力，不仅可以保持低能耗、高效率长时间巡游，而且表现出良好的机动性。目前广泛应用的水下航行器基本都是采用螺旋桨推进，由于在螺旋桨尾部的水流分离、漩涡多、气泡大等原因造成明显的能量损失，其推进效率只能达到40％；而鱼类推进效率可以达到80％以上。鱼类水下游动的高机动性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小等优点在民用、军事领域有着十分广阔的应用前景。本作品以扑翼型仿生水下机器人为载体，将其与水下探测、水质监测等设备相结合，在功能与结构机动性方面较以往仿生学设备有了较大的改进。它具备水下图像采集、自主避障、水质监测等功能，可实现程控和遥控两种控制方式之间的切换。本仿生鱼采用电动驱动方式，游动噪声小，且有蝠鲼鱼外形，对周围水生生物影响较小，另其上加装由摄像头，多种传感器，和无线传输装置，能很好的用于水底探测等方面，可很好的利用于生物研究、水体监测工作中。
基于鱼类水下游动高机动性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小等优点。本专利以扑翼型仿生水下机器人为载体，探索胸鳍推进方式的优点和规律，并将载体与水下探测、水质监测等设备相结合，使之具备水下图像采集、自主避障、水质监测等功能，在功能与结构机动性方面较以往仿生学设备有较大的改进。在控制方式上可实现程控和遥控两种控制方式之间的切换。采用电机驱动方式，游动噪声小，且有蝠鲼鱼外形，以减小对周围水生生物影响。此外，通过仿生鱼尾部的方向舵和升降舵实现运动方向的改变，实现控制方便，推进方式独特以及转向方便等研究目标。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高机动性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小的扑翼型仿生水下机器人。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种扑翼型仿生水下机器人，包括蝠鲼鱼扁形壳体、对称设置在蝠鲼鱼扁形壳体两侧的胸鳍、设于蝠鲼鱼扁形壳体下端中间偏后的方向舵和设于蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵，蝠鲼鱼扁平的身体与头部合为一体，大大降低了游动时的形状阻力，有效缩小边界层的流动分离区域，达到减小形状阻力的效果,提高了仿生鱼的推进效率，所述蝠鲼鱼扁形壳体内部形成鱼形空腔，鱼形空腔的头部内装有摄像头和传感器，所述蝠鲼鱼扁形壳体对应摄像头的头部设有摄像机罩，所述鱼形空腔腹部装有电池、胸鳍驱动电机、接收机、舵面驱动舵机，所述胸鳍驱动电机通过四连杆传动结构带动胸鳍上下摆动，，接收机装于胸鳍驱动电机下方，所述舵面驱动舵机分别与方向舵和升降舵连接，所述蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵内设有数据采集接口。
进一步的，所述蝠鲼鱼扁形壳体下端还设有气嘴和深度计。
进一步的，所述胸分为刚性鳍部分和柔性鳍部分，刚性鳍部分采用厚度为2MM厚的碳纤维板。而柔性鳍部分采用2MM厚的透明硅橡胶板，使胸鳍具有一定的柔性，从而可以将仿生鱼的胸鳍扑动转化为前进运动。
进一步的，所述方向舵和升降舵均为流线型设计，并采用玻璃钢材料制成。
进一步的，所述传感器包括避障传感器、液位变送传感器、红外光电开关传感器。
进一步的，所述扑翼型仿生水下机器人采用闭环PID控制，可通过红外光电开关传感器实现程控与遥控之间的控制切换，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明仿生鱼结构设计，采用电机驱动胸鳍推进方式，高效的同时提高推进效果，提高了推进速度与运动稳定性，具有高机动性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小等优点，能够在一定水深内根据控制实现前进、转向、上升及下潜等运动，适用于军事及农业等领域的水下作业中。
2、本发明采用蝠鲼鱼扁形壳体，推进时形状阻力小，提高了推进效率，减少了耗能，符合低碳环保的要求。
3、本发明采用采用闭环PID控制，可通过红外光电开关传感器实现程控与遥控之间的控制切换，能适应复杂的使用环境，提高控制的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种扑翼型仿生水下机器人主视结构示意图；
图2为本发明一种扑翼型仿生水下机器人俯视结构示意图；
图3为本发明一种扑翼型仿生水下机器人侧视结构示意图；
图4为本发明一种扑翼型仿生水下机器人内部结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种扑翼型仿生水下机器人，包括蝠鲼鱼扁形壳体1、对称设置在蝠鲼鱼扁形壳体两侧的胸鳍2、设于蝠鲼鱼扁形壳体下端中间偏后的方向舵3和设于蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵4，所述蝠鲼鱼扁形壳体1内部形成鱼形空腔5，鱼形空腔5的头部内装有摄像头6和传感器7，所述蝠鲼鱼扁形壳体 1对应摄像头的头部设有摄像机罩8，所述鱼形空腔5腹部装有电池9、胸鳍驱动电机10、接收机11、舵面驱动舵机12，所述胸鳍驱动电机10通过四连杆传动结构带动胸鳍2上下摆动，接收机11装于胸鳍驱动电机10下方，所述舵面驱动舵机12分别与方向舵3和升降舵4连接，所述蝠鲼鱼扁形壳体1尾部的升降舵4内设有数据采集接口13。
所述蝠鲼鱼扁形壳体1下端还设有气嘴14和深度计15。
所述胸鳍2分为刚性鳍部分21和柔性鳍部分22，刚性鳍部分21采用厚度为2MM厚的碳纤维板。而柔性鳍部分22采用2MM厚的透明硅橡胶板，使胸鳍具有一定的柔性，从而可以将仿生鱼的胸鳍扑动转化为前进运动。
所述方向舵3和升降舵4均为流线型设计，并采用玻璃钢材料制成，方向舵3根据机翼理论，从升力系数、阻力系数、力矩系数三者出发应用NACA机翼设计软件得出理想舵型并找出舵面的最小压力点，完成方向舵的设计。
所述传感器7包括避障传感器、液位变送传感器、红外光电开关传感器。
所述扑翼型仿生水下机器人采用闭环PID控制，该控制方法具有应用广、参数较易稳定等特点，可通过红外光电开关传感器实现程控与遥控之间的控制切换，以适应复杂的使用环境，加强其可靠性程。
实施例2
一种扑翼型仿生水下机器人，工艺性上全部采用机械结构固定，密封上采用O型圈密封，实现了可拆卸，可组装的灵活应用，包括蝠鲼鱼扁形壳体1、对称设置在蝠鲼鱼扁形壳体两侧的胸鳍2、设于蝠鲼鱼扁形壳体下端中间偏后的方向舵3和设于蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵4，蝠鲼鱼扁平的身体与头部合为一体，大大降低了游动时的形状阻力，有效缩小边界层的流动分离区域，达到减小形状阻力的效果,提高了仿生鱼的推进效率，减少了耗能，符合低碳环保的要求，采用胸鳍推进方式，高效的同时提高推进效果，提高了推进速度与运动稳定性，所述蝠鲼鱼扁形壳体1内部形成鱼形空腔5，鱼形空腔5的头部内装有摄像头6和传感器7，所述蝠鲼鱼扁形壳体1对应摄像头的头部设有摄像机罩8，所述鱼形空腔5腹部装有电池9、胸鳍驱动电机10、接收机11、舵面驱动舵机12，所述胸鳍驱动电机10通过四连杆传动结构带动胸鳍2上下摆动，接收机11装于胸鳍驱动电机10下方，所述舵面驱动舵机12分别与方向舵3和升降舵4连接，所述蝠鲼鱼扁形壳体1尾部的升降舵4内设有数据采集接口13，具有高机动性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小等优点，能够在一定水深内根据控制实现前进、转向、上升及下潜等运动，并在高机动性的基础上，针对不同的实际功能需要辅以不同的设备，如进行水下探测的摄像头、自主避障的红外线避障装置、深度感应器等，发挥好扑翼型仿生水下机器人的载体功能，适用于军事及农业等领域的水下作业中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：包括蝠鲼鱼扁形壳体(1)、对称设置在蝠鲼鱼扁形壳体两侧的胸鳍(2)、设于蝠鲼鱼扁形壳体下端中间偏后的方向舵(3)和设于蝠鲼鱼扁形壳体尾部的升降舵(4)，所述蝠鲼鱼扁形壳体(1)内部形成鱼形空腔(5)，鱼形空腔(5)的头部内装有摄像头(6)和传感器(7)，所述蝠鲼鱼扁形壳体(1)对应摄像头的头部设有摄像机罩(8)，所述鱼形空腔(5)腹部装有电池(9)、胸鳍驱动电机(10)、接收机(11)、舵面驱动舵机(12)，所述胸鳍驱动电机(10)通过四连杆传动结构带动胸鳍(2)上下摆动，接收机(11)装于胸鳍驱动电机(10)下方，所述舵面驱动舵机(12)分别与方向舵(3)和升降舵(4)连接，所述蝠鲼鱼扁形壳体(1)尾部的升降舵(4)内设有数据采集接口(13)。
2.根据权利要求1所述一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：所述蝠鲼鱼扁形壳体(1)下端还设有气嘴(14)和深度计(15)。
3.根据权利要求1所述一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：所述胸鳍(2)分为刚性鳍部分(21)和柔性鳍部分(22)，刚性鳍部分(21)采用厚度为2MM厚的碳纤维板。而柔性鳍部分(22)采用2MM厚的透明硅橡胶板。
4.根据权利要求1所述一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：所述方向舵(3)和升降舵(4)均为流线型设计，并采用玻璃钢材料制成。
5.根据权利要求1所述一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：所述传感器(7)包括避障传感器、液位变送传感器、红外光电开关传感器。
6.根据权利要求5所述一种扑翼型仿生水下机器人，其特征在于：所述扑翼型仿生水下机器人采用闭环PID控制，可通过红外光电开关传感器实现程控与遥控之间的控制切换。
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