CN108408006B - 一种输流管驱动的水下仿生机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，包括：鱼头、鱼身、背鳍、尾鳍、胸鳍、水囊、水泵、输流管系统、控制器和电源；鱼身内部为密封腔体，水泵、控制器、输流管系统均安装在腔体内；尾鳍输流软管内部水流超过临界流速时会发生颤振，进而带动尾鳍摆动提供鱼向前推进的动力；胸鳍输流软管在内部水流超过临界流速时同样会发生颤振，导致左右胸鳍上下摆动，在提供推进动力的同时，还可以控制鱼身转向；通过水泵与输流管系统控制水囊中储水量，增加或减小鱼身重量，以实现鱼身的下沉与上浮；电源为需电设备提供所需电量，控制器控制仿生鱼的各种运动形态。本发明能够模拟鱼类运动，减少对水下生物的干扰，降低被困风险。
Description
技术领域
本发明属于水下探测机器人领域，更具体地，涉及一种输流管驱动的水下仿生机器鱼。
背景技术
目前，针对水下机器人的研制相当普遍，并且投入了巨大的费用。这些水下机器人主要用于水下污染源的检测，水质的勘察，海洋事故船搜救，海底鱼群观测等领域。但是现有的水下机器人大多采用电机带动螺旋桨推动机器人前进，这就不可避免的存在一些缺陷，例如：螺旋桨转动引起的尾涡对环境扰动很大而影响附近鱼群；水底复杂的生态环境容易造成螺旋桨被水草或者废弃物等缠住，而导致机器人被困水底。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其目的在于通过输流管驱动，配合鱼类的仿生机器构造模拟鱼类运动，由此替代现有的螺旋桨驱动方式，降低对鱼群的影响，同时降低被困风险。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，包括：鱼头、鱼身、胸鳍、尾鳍、电源、控制器、输流硬管、输流软管单元、控流阀单元以及水泵；
鱼头、鱼身、尾鳍和两个胸鳍按照鱼类仿生结构组装连接，两个胸鳍分布于鱼身左右两侧；鱼身内部为密封腔体，电源、控制器、和水泵均设于密封腔体内部；电源用于向各用电部件供电，控制器连接控流阀单元以及水泵；
输流硬管固定于鱼身内，沿鱼身前后方向设置，且输流硬管的前端开口位于鱼头前端；
输流软管单元包括尾鳍输流软管和两个胸鳍输流软管；尾鳍输流软管连通输流硬管的后端，两个胸鳍输流软管连通输流硬管中段的对应部位；尾鳍输流软管固定在尾鳍上作为尾骨，且尾鳍的末端开口向后设置；两个胸鳍输流软管伸出鱼身外部且伸出鱼身外部的部分一一对应固定在两个胸鳍上，且两个胸鳍输流软管的末端开口分别朝向鱼身左右两侧设置；
控流阀单元包括尾鳍排水控流阀和两个胸鳍控流阀；尾鳍排水控流阀设于输流硬管上且位于两个胸鳍与输流硬管的连接部后方；两个胸鳍控流阀分别一一对应设于两个胸鳍输流软管上或设于两个胸鳍输流软管与输流硬管的连接部；
水泵设于输流硬管上且位于两个胸鳍输流软管与输流硬管的连接部前方。
进一步地，该水下仿生机器鱼还包括水囊，输流软管单元还包括水囊输流软管，控流阀单元还包括硬管前控流阀、水囊前控流阀以及水囊后控流阀；
输流硬管上从前到后依次设置硬管前控流阀、三通接头、水泵、五通接头和尾鳍排水控流阀；
三通接头中的两个接口连接输流硬管，一个接口连接水囊输流软管前端；五通接头中的两个接口连接输流硬管，两个接口分别连接两个胸鳍输流软管，一个接口连接水囊输流软管后端；水囊连接于水囊输流软管中段。
进一步地，鱼头与鱼身一体成型，且整体呈流线型。
进一步地，鱼头前端的鱼嘴处设有第一密封环，鱼身与尾鳍连接处设有第二密封环；输流硬管前端固定在第一密封环上，另一端固定在第二密封环上。
进一步地，鱼头上设有鱼眼摄像头，用于模拟鱼眼获取水下图像，控制器连接鱼眼摄像头。
进一步地，还包括无线传输组件，无线传输组件与控制器连接。
进一步地，还包括远程控制台，用于通过无线传输组件与控制器通讯，发送控制指令和/或接收控制器上传的水下图像。
进一步地，输流硬管材料为铜或铝合金。
进一步地，鱼身上部设有背鳍。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
1、采用水泵直接利用环境中的水为输流管单元供水，拥有无限的水源，可以随时提供所需动力；
2、当软管中的水流速度大于或等于软管发生颤振的临界流速时，软管会出现颤振失稳。通过控制器调节尾鳍输流管中水流速度，控制软管颤振幅度以及速度，从而控制尾鳍摆动速度，能够模拟鱼类的摆尾前进动作，控制仿生鱼前进速度。
3、通过控制器调节胸鳍输流管中水流速度，控制左右胸鳍的摆动状态，能够模拟鱼类的转身动作，促使仿生鱼灵活转身。
4、本发明的仿生鱼采用输流管颤振驱动来代替螺旋桨驱动，一方面更接近于野生鱼的运动形态，容易为野生鱼群所接受，能更好的观测野生鱼的生活状态与习性；另一方面不会绞入水草或废弃物，大大降低了被困风险；
5、本发明的仿生鱼推进、浮沉及转向控制均靠水泵泵水及控流阀控流实现，尤其是浮沉过程可以借助于浮力实现，相比于传统的螺旋桨驱动，整体能耗更低；
6、通过水泵以及控制器可以将水囊中的水排尽，并注入附近水域的水，可以实现采集水样并用于研究分析的目的。
附图说明
图1是本发明中涉及的输流管驱动的水下仿生机器鱼的结构示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的水下仿生机器鱼包括：鱼头1、鱼眼摄像头2、鱼身3、背鳍4、电源5(本实施例为锂电池)、控制器6、密封腔体7、第一密封环71、第二密封环72、尾鳍8、尾鳍输流软管91、胸鳍输流软管92、水囊输流软管93、胸鳍10、水囊11、三通接头12、五通接头13、输流硬管14、硬管前控流阀151、水囊前控流阀152、水囊后控流阀153、胸鳍控流阀154、尾鳍排水控流阀155以及水泵16。
本实施例中输流硬管14采用铜管，被水泵16分割为头部输流铜管141和鱼身输流铜管142两部分。尾鳍输流软管91、胸鳍输流软管92、水囊输流软管93构成输流软管单元。硬管前控流阀151、水囊前控流阀152、水囊后控流阀153、胸鳍控流阀154、尾鳍排水控流阀155构成控流阀单元。
由于本实施例按照鱼类的生理构造设计整体外观及结构，因此外形构造上左右对称，图1只显示了鱼左侧的外形构造，右侧外形构造省略。并且，为了便于直观展示鱼身内部构造及连接关系，胸鳍10的位置在图中向后移了一些，并非实际设计的位置。实际设计时，胸鳍10的位置应当靠前一些，参考鱼类的正常生理构造设计即可。
鱼身3中包含有密封腔体7并在两端通过密封环密封，所述输流铜管系统的进水端靠近鱼嘴并且固连在第一密封环71上，出水端分别固定在密封腔体7与第二密封环72上，并分别与胸鳍输流软管92及尾鳍输流软管91连接；密封腔体7中依次固定有电源5、控制器6、水囊11、三通接头12、五通接头13、输流硬管14、控流阀单元15、水泵16，这些部件均采用支架或粘胶方式固定在密封腔体上；电源5为锂电池，用于向需电设备例如鱼眼摄像头2、控制器6、水泵16等提供电源；所述控制器6与水泵16、控流阀单元15、鱼眼摄像头2之间电连接，并控制这些部件的运行。
水囊11底部固连在密封腔体7上(或者说鱼身3的内壁)，上部分别与水囊输流软管93的进水管及出水管连接，当开启水囊后控流阀153关闭水囊前控流阀152时，水泵16向水囊11中注入大量水，鱼身重量增加而下潜；反之，关闭水囊后控流阀153开启水囊前控流阀152时，水囊11中的水被水泵16吸走从鱼尾排出，仿生机器鱼整体重量减少而上浮，当仿生机器鱼整体重量刚好等于所受浮力时，可以悬浮于水中。
尾鳍8中，尾鳍输流软管91安装在尾鳍8的轴线位置，打开硬管前控流阀151以及尾鳍排水控流阀155，同时调节尾鳍排水控流阀155通过流量，当尾鳍输流软管91内部流速小于临界流速时，产生较小推力推动仿生机器鱼整体缓慢前进；当尾鳍输流软管91内部流速大于或等于临界流速时发生颤振，受尾鳍8的竖直布置方式限制，尾鳍输流软管91的颤振方向为左右方向，尾鳍8会随尾鳍输流软管91一起左右摆动，推动仿生机器鱼快速向前游动。在其他实施例中(未图示)，如果将尾鳍8设置为水平，则尾鳍输流软管91的颤振方向为上下方向，尾鳍8会随尾鳍输流软管91一起上下摆动。
胸鳍10的安装位置以靠近头部安装为宜，更利于仿生机器鱼的整体运动平衡，胸鳍输流软管92安装在胸鳍10的轴线位置。与尾鳍8的运动原理类似，打开硬管前控流阀151以及胸鳍控流阀154，同时调节胸鳍控流阀154通过流量，当胸鳍输流软管92内部流速大于或等于其临界流速时会发生颤振，胸鳍10会上下摆动，可以快速产生侧向的推进力；当控制左侧的胸鳍10摆动而右侧胸鳍静止时，仿生机器鱼会往右侧转身，反之则往左侧转身。当胸鳍输流软管92内部流速小于临界流速时，则产生较小的侧向推力，可以缓慢转身。此外，通过控制水泵16的泵水速度也能够调节输流硬管与各输流软管内的水流流速。
在本实施例中，鱼眼摄像头2拍摄的影像资料可以经由控制器6和无线传输组件实时传回远程平台，为进一步指导仿生鱼的前进方向提供参考或者供技术人员、研究人员观察水下环境及生物。在其他实施例中(未图示)，也可以直接在控制器6中内置仿生机器鱼的行进路线，实现无人操作，此时也可以不设置或者不启动鱼眼摄像头2。
如果将仿生机器鱼的整体重量配置为水囊11注水达到一定量时整体重量才会大于浮力而下沉，则还可以利用水囊11采集水下污染源处的水样，并将其带回以供技术研究。具体地，假设水囊11使仿生机器鱼下沉的临界注水量为V，则先注水大于V，使仿生机器鱼下沉至污染源，然后在污染源处继续注水直到水囊11中的水全部替换为污染源水样，再将水囊11排水至内部水量小于V，然后关闭水囊前控流阀152和水囊后控流阀153，待仿生机器鱼上浮至水面后回收仿生机器鱼即可。
本发明提供的输流管驱动的水下仿生机器鱼，不仅可以自由下潜与上浮，还能灵活转身，推进系统能耗低并且生态友好，能采集水样供技术人员研究分析，外型仿造鱼身设计，减少了运行阻力且容易为野生鱼群所接受，便于观测野生鱼群的生活习性，操作灵活，功能多样，具有极大的推广应用前景。
本领域的技术人员容易理解，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 (9)
1.一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，包括：鱼头(1)、鱼身(3)、尾鳍(8)、电源(5)、控制器(6)、输流硬管(14)、输流软管单元以及水泵(16)；
鱼头(1)、鱼身(3)和尾鳍(8)按照鱼类仿生结构组装连接；鱼身(3)内部为密封腔体，电源(5)、控制器(6)和水泵(16)均设于密封腔体内部；电源(5)用于向各用电部件供电，控制器(6)连接水泵(16)，水泵(16)设于输流硬管(14)上；
输流硬管(14)固定于鱼身(3)内，沿鱼身前后方向设置，且输流硬管(14)的前端开口位于鱼头(1)前端，该前端开口靠近鱼嘴并且固连在第一密封环(71)上；
输流软管单元(9)包括尾鳍输流软管(91)，尾鳍输流软管(91)连通输流硬管(14)的后端；尾鳍输流软管(91)固定在尾鳍(8)上作为尾骨，且尾鳍(8)的末端开口向后设置；
鱼身(3)上部设有背鳍(4)，以平衡鱼身的运动状态。
2.如权利要求1所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，还包括控流阀单元和两个胸鳍(10)，控制器(6)连接控流阀单元以及水泵(16)；两个胸鳍(10)按照鱼类仿生结构组装连接于鱼身(3)左右两侧；
输流软管单元(9)还包括两个胸鳍输流软管(92)，两个胸鳍输流软管(92)连通输流硬管(14)中段的对应部位，两个胸鳍输流软管(92)伸出鱼身(3)外部且伸出鱼身(3)外部的部分一一对应固定在两个胸鳍(10)上，两个胸鳍输流软管(92)的末端开口分别朝向鱼身左右两侧设置；
控流阀单元包括尾鳍排水控流阀(155)和两个胸鳍控流阀(154)；尾鳍排水控流阀(155)设于输流硬管(14)上且位于两个胸鳍(10)与输流硬管(14)的连接部后方；两个胸鳍控流阀(154)分别一一对应设于两个胸鳍输流软管(92)上或设于两个胸鳍输流软管(92)与输流硬管(14)的连接部；
水泵(16)设于输流硬管(14)上且位于两个胸鳍输流软管(92)与输流硬管(14)的连接部前方。
3.如权利要求2所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，该水下仿生机器鱼还包括水囊(11)，输流软管单元还包括水囊输流软管(93)，控流阀单元还包括硬管前控流阀(151)、水囊前控流阀(152)以及水囊后控流阀(153)；
输流硬管(14)上从前到后依次设置硬管前控流阀(151)、三通接头(12)、水泵(16)、五通接头(13)和尾鳍排水控流阀(155)；
三通接头(12)中的两个接口连接输流硬管(14)，一个接口连接水囊输流软管(93)前端；五通接头(13)中的两个接口连接输流硬管(14)，两个接口分别连接两个胸鳍输流软管(92)，一个接口连接水囊输流软管(93)后端；水囊(11)连接于水囊输流软管(93)中段。
4.如权利要求1～3任意一项所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，鱼头(1)与鱼身(3)一体成型，且整体呈流线型。
5.如权利要求4所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，鱼头(1)前端的鱼嘴处设有第一密封环(71)，鱼身(3)与尾鳍连接处设有第二密封环(72)；输流硬管(14)前端固定在第一密封环(71)上，另一端固定在第二密封环(72)上。
6.如权利要求1～3任意一项所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，鱼头(1)上设有鱼眼摄像头(2)，用于模拟鱼眼获取水下图像，控制器(6)连接鱼眼摄像头(2)。
7.如权利要求6所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，还包括无线传输组件，无线传输组件与控制器(6)连接。
8.如权利要求7所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，还包括远程控制台，用于通过无线传输组件与控制器(6)通讯，发送控制指令和/或接收控制器(6)上传的水下图像。
9.如权利要求1～3任意一项所述的一种输流管驱动的水下仿生机器鱼，其特征在于，输流硬管(14)材料为铜或铝合金。
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