CN109367746B - 一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪，属于水下机器人领域。其机器头部壳体为密封腔体，后端与机器尾部密封连接；机器尾部包括左右对称分布的左尾部和右尾部；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，控制器连接水泵，水泵设于输流硬管上；输流硬管沿前后方向固定于机器头部壳体内，且输流硬管的前端开口位于机器头部壳体前端；右尾输流软管和左尾输流软管分别固定在右尾部和左尾部，且均具有向后设置的末端开口，前端连接输流硬管的出水口。尾部输流软管内的水流超过临界流速时会发生颤振，进而带动尾部摆动提供机器向前推进的动力；双尾部结构可以增强游动时的稳定性，提高游动速度，适于狭小空间作业。

Description

一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪
技术领域
本发明属于水下机器人领域，更具体地，涉及一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪。
背景技术
随着科技的发展，人类开发还有和利用海洋的脚步也逐渐加快，具有海洋勘测、海底探查、海底管道检测等功能的水下机器人已经成为探索海洋以及开发海洋的重要工具。采用传统的螺旋桨推进器的水下机器人，在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流。增加能量消耗、降低推进效率，且有噪音。
为此，到目前为止，研究人员研制出了多种仿生机器鱼，但是现有的仿生机器鱼仍难以满足实用性的要求。大多数仿生鱼是靠关节串联的摆尾装置驱动，结构复杂，控制复杂；并且仿生鱼重量大，体积大，对于海洋底部一些狭小的地形，仿生机器鱼无法进入。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪，其目的在于，基于异化的双尾仿生蝌蚪主体构造，结合流致振动驱动动力单元结构设计，获得一种重量轻、体积小的水下仿生机器，由此解决现有技术中仿生机器鱼无法进入一些狭小地形的技术问题。
基于流致振动驱动的仿生机器，可在狭小地形完成勘测、探查、水质采样等功能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于流致振动驱动的水下仿生机器，包括：机器头部壳体、电源、控制器、机器尾部、水泵、输流硬管；
机器头部壳体为密封腔体，后端与机器尾部密封连接；机器尾部包括左右对称分布的左尾部和右尾部；
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，控制器连接水泵，水泵设于输流硬管上；
输流硬管沿前后方向固定于机器头部壳体内，且输流硬管的前端开口位于机器头部壳体前端；
输流软管单元包括右尾输流软管和左尾输流软管，分别固定在右尾部和左尾部上作为尾骨，且均具有向后设置的末端开口；右尾输流软管、左尾输流软管的前端连接输流硬管的出水口。
进一步地，还包括控流阀单元；控流阀单元包括右尾控流阀和左尾控流阀，分别设于右尾输流软管、左尾输流软管的前端，且均连接控制器。
进一步地，还包括气囊、三通接头和四通接头；输流软管单元还包括两根气囊输流软管；输流硬管包括进水输流铜管和出水输流铜管；控流阀单元还包括进水控流阀、前控流阀、后控流阀，均连接控制器；
水输流铜管分为前后两段，前段和后段通过三通接头的两个接口连接，后段的出口连接水泵的入口；水泵的出口连接出水输流铜管的前端，出水输流铜管后端的出水口与右尾输流软管和左尾输流软管的前端通过四通接头的三个接口连接；
气囊具有两个开口，各通过一根气囊输流软管分别连接三通接头的第三个接口和四通接头的第四个接口；
进水控流阀设于水输流铜管前段，前控流阀、后控流阀分别设于气囊和三通接头、四通接头之间对应的气囊输流软管上。
进一步地，机器头部壳体与机器尾部一体成型。
进一步地，密封腔体前端设有第一密封环，后端设有第二密封环；输流硬管前端固定在第一密封环上，右尾输流软管、左尾输流软管的前端固定在第二密封环上。
进一步地，机器头部壳体前部设有与控制器连接的眼部摄像头。
进一步地，还包括信号收发器，信号收发器与控制器连接。
进一步地，还包括远程控制台，用于通过信号收发器与控制器通讯，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。
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、本仿生机器采用水泵为输流管单元供水，提供了一个无限的水源，并且纯天然无污染。
2、本仿生机器仿造蝌蚪的形状来设计，但又相对于仿生蝌蚪进行了改进，采用了双尾结构设计，不仅使仿生机器在水下的游动更加稳定，并且双尾同时摆动时，机器的前进动力更强，游速更快。
3、通过控制器调节尾部输流软管的流速，控制仿生机器的游动速度；调节控流阀的开关，可灵活控制机器的下潜、上浮、前进以及转向，转向动作幅度及所需空间比仿生鱼更小。
4、本仿生机器采用流致振动驱动来代替螺旋桨驱动，有利于减小能量消耗、增大推进效率，降低噪音；并且相较仿生鱼而言，体积较小，可以在一些狭小地形完成勘探、探查和水质采样等任务。
附图说明
图1为本发明中涉及的基于流致振动驱动的水下仿生机器的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-机器头部壳体、2-电源、3-控制器、41-第一密封环、42-第二密封环、5-机器尾部、51-右尾部、52-左尾部、6-输流软管单元、61-右尾输流软管、62-左尾输流软管、63-气囊输流软管、7-气囊、8-眼部摄像头、9-水泵、10-输流硬管、101-进水输流硬管、102-出水输流硬管、111-三通接头、112-四通接头、12-控流阀单元、121-进水控流阀、122-前控流阀、123-后控流阀、124-右尾控流阀、125-左尾控流阀。
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。
本发明提供的一种基于流致振动驱动的水下仿生机器，如图1所示，包括机器头部壳体1和机器尾部5。所述机器头部壳体1为密封腔体，其内部设有电源2、控制器3、密封环4、气囊输流软管63、气囊7、眼部摄像机8、水泵9、输流硬管10、三通接头111、四通接头112、控流阀单元12。这些结构均通过支架或胶粘的形式固定在密封腔体内部。所述进水输流硬管101一端固定于第一密封环41上，另一端固定在水泵9的进水口处；所述出水输流硬管102一端固定在水泵9的出水口处，另一端固定在四通接头112上；所述气囊7通过气囊输流软管63一端固定在三通接头111上，另一端固定在四通接头112上；所述控制器3包含有信号收发器(未图示)并与眼部摄像机8、水泵9、控流阀单元12电连接，既能接收技术人员下达的指令，又能做出相应的控制响应行为；所述电源2为整个结构提供持续电源。所述机器尾部5包括右尾部51、右尾输流软管61、左尾部52和左尾输流软管62；所述尾部5通过第二密封环42固定在头部壳体1上；所述右尾输流软管61和左尾输流软管62分别套在四通接头42的两个分接头上。
在一种优选的实施方式中，所述气囊7一端通过三通接头111与进水输流硬管101连接，另一端通过四通接头112与出水输流硬管102连接；当开启后控流阀123关闭前控流阀122时，气囊中注入大量水，机器头部重量增加而下潜，反之关闭后控流阀123开启前控流阀122时，气囊中水被水泵9吸走，机器头部重量减少而上浮，当机器头部重量刚好等于浮力重量时，仿生机器可以悬浮于水中；并且所述气囊7还可以采集水样。
在一种优选的实施方式中，所述右尾输流软管61和左尾输流软管62通过四通接头112的两个接头与出水输流硬管102相连；通过调节出水速度来控制尾部输流软管的排水速度，进而实现机器尾部的摆动，使仿生机器向前游动，双尾的结构使机器游动更加稳定并且动力更强；通过打开右尾部处的右尾控流阀124关闭左尾部处的左尾控流阀124，可使仿生机器向左转向；反之，可使仿生机器向右转向。
在一种优选的实施方式中，眼部摄像头8拍摄的影像资料可以实时传回技术人员，方便技术人员观察周围地形，以此来进一步调节仿生机器的运动形式。
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)

1.一种基于流致振动驱动的水下仿生蝌蚪，其特征在于，包括：机器头部壳体(1)、电源(2)、控制器(3)、机器尾部(5)、水泵(9)、输流硬管(10)以及输流软管单元(6)；
机器头部壳体(1)为密封腔体，后端与机器尾部(5)密封连接；机器尾部(5)包括左右对称分布的左尾部(52)和右尾部(51)；
电源(2)、控制器(3)和水泵(9)均设于密封腔体内部；电源(2)用于向各用电部件供电，控制器(3)连接水泵(9)，水泵(9)设于输流硬管(10)上；
输流硬管(10)沿前后方向固定于机器头部壳体(1)内，且输流硬管(10)的前端开口位于机器头部壳体(1)前端；
输流软管单元(6)包括右尾输流软管(61)和左尾输流软管(62)，分别固定在右尾部(51)和左尾部(52)上作为尾骨，且均具有向后设置的末端开口；右尾输流软管(61)、左尾输流软管(62)的前端连接输流硬管(10)的出水口。
2.根据权利要求1所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，还包括控流阀单元(12)；控流阀单元(12)包括右尾控流阀(124)和左尾控流阀(125)，分别设于右尾输流软管(61)、左尾输流软管(62)的前端，且均连接控制器(3)。
3.根据权利要求2所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，还包括气囊(7)、三通接头(111)和四通接头(112)；输流软管单元(6)还包括两根气囊输流软管(63)；输流硬管(10)包括进水输流铜管(101)和出水输流铜管(102)；控流阀单元(12)还包括进水控流阀(121)、前控流阀(122)、后控流阀(123)，均连接控制器(3)；
水输流铜管(101)分为前后两段，前段和后段通过三通接头(111)的两个接口连接，后段的出口连接水泵(9)的入口；水泵(9)的出口连接出水输流铜管(102)的前端，出水输流铜管(102)后端的出水口与右尾输流软管(61)和左尾输流软管(62)的前端通过四通接头(112)的三个接口连接；
气囊(7)具有两个开口，各通过一根气囊输流软管(63)分别连接三通接头(111)的第三个接口和四通接头(112)的第四个接口；
进水控流阀(121)设于水输流铜管(101)前段，前控流阀(122)、后控流阀(123)分别设于气囊(7)和三通接头(111)、四通接头(112)之间对应的气囊输流软管(63)上。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，机器头部壳体(1)与机器尾部(5)一体成型。
5.根据权利要求1～3任意一项所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，密封腔体前端设有第一密封环(41)，后端设有第二密封环(42)；输流硬管(10)前端固定在第一密封环上(41)，右尾输流软管(61)、左尾输流软管(62)的前端固定在第二密封环(42)上。
6.根据权利要求1～3任意一项所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，机器头部壳体(1)前部设有与控制器(3)连接的眼部摄像头(8)。
7.根据权利要求1～3任意一项所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，还包括信号收发器，信号收发器与控制器(3)连接。
8.根据权利要求7所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，还包括远程控制台，用于通过信号收发器与控制器(3)通讯，发送控制指令和/或接收控制器(3)上传的水下图像。
9.根据权利要求1～3任意一项所述的水下仿生蝌蚪，其特征在于，输流硬管(10)材料为铜或铝合金。
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