CN109591990B - 一种海底探测仿生鱼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海底探测仿生鱼，左右两个胸鳍组件采用若干胸鳍驱动单元，在胸鳍的中胸鳍驱动单元部分，根据平行四边形易变形的机理，设计了一种驱动杆、固定杆和连接杆构成的双平行四边形结构以复现蝠鲼胸鳍的三维运动，从而使海底探测仿生鱼能在水中平稳的运行，且具有较高的速度，较好的机动性，较小的环境干扰，并且结构和控制都较为简单，进一步，尾部组件采用曲柄连杆部件，将第二驱动器的旋转运动转化为尾翼的上下摆动，避免了采用舵机时的无法精确控制转弯的问题，提高了转弯时的效率。

Description

一种海底探测仿生鱼

技术领域

本发明涉及海底探测技术领域，尤其是一种海底探测仿生鱼。

背景技术

我国幅员辽阔资源丰富，海洋国土面积有300多万平方公里，大约是我国陆地面积的三分之一。随着陆地资源开发与利用的日趋成熟与完善，海洋资源的开发与利用的重要性日益凸显。海底资源与海洋空间资源的开发利用都涉及海洋设施状态的检测与维修。比如作为海洋石油、天然气传输主要途径的海底石油管道，是目前海洋资源开发过程中重要的海洋设施。准确探明海底管道的位置及状态，为海底管道的维护及后期治理提供准确的数据是一项十分迫切和重要的任务。故设计一种海底探测仿生鱼在海底探测方面有着十分重要的应用价值，对促进我国海洋经济发展，提升海洋产业竞争力作用明显，同时有助于提高我国浅海海底探测技术的发展。

自然界中的鱼类推进方式主要有两种：身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式，水下仿生鱼也主要分为这两大类。类蝠鲼的胸鳍摆动推进模式属于中间鳍/对鳍推进模式，相对于身体/尾鳍推进模式，中间鳍/对鳍推进模式具有高机动性、高稳定性、高效率等特点，因此越来越多的科研工作者试图通过仿生方式来提高水下推进器的性能。但现有的仿蝠鲼仿生鱼要么是胸鳍结构过于简单，只由柔性材料加舵机的方式进行推进，难以复现蝠鲼胸鳍的三维运动，要么就是胸鳍的内部结构过于复杂，虽然能复现胸鳍的三维运动，但其制作、控制困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底探测仿生鱼，以解决现有的仿蝠鲼仿生鱼制作、控制困难等问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种海底探测仿生鱼，包括主机体、两个胸鳍组件、头部组件及尾部组件，两个所述胸鳍组件对称设置于所述主机体的左右两侧，所述头部组件及所述尾部组件分别设置于所述主机体的前后两侧；

每个所述胸鳍组件均包括上蒙皮、下蒙皮及设置于所述上蒙皮和下蒙皮之间的沿前后方向顺次设置的若干胸鳍驱动单元，所述上蒙皮和下蒙皮的一端连接，另一端均固定于所述主机体上，每个所述胸鳍驱动单元包括顺次连接的第一驱动器、涡轮螺杆部件及驱动杆，前后两个所述胸鳍驱动单元的驱动杆的端部与所述上蒙皮铰接，中间的所述胸鳍驱动单元还包括一与其驱动杆异侧的固定杆，中间的所述胸鳍驱动单元的驱动杆与一连接杆的一端铰接，所述连接杆与所述上蒙皮固定，所述固定杆的一端与所述涡轮螺杆部件铰接，另一端与所述连接杆远离所述驱动杆的一端铰接，所述第一驱动器驱动所述涡轮螺杆部件传动，以使若干所述驱动杆驱动所述上蒙皮与所述下蒙皮上下摆动。

可选的，所述头部组件包括头部罩及设置于所述头部罩内的照明单元和摄像单元，所述照明单元固定于所述头部罩内，所述摄像单元能够在所述头部罩内旋转并进行拍摄。

可选的，所述照明单元包括对称设置于所述摄像单元两侧的照明灯，每个所述照明灯均固定于所述头部罩内。

可选的，所述摄像头设置于一第一云台上，所述第一云台与一第一舵机固定，所述第一舵机与一第一舵盘固定，所述第一舵盘与一第二云台固定，所述第一云台与所述第二云台铰接，所述第二云台与一第二舵机固定，所述第二舵机与一第二舵盘固定，所述第二舵盘与第三云台固定，所述第三云台固定于所述头部罩内。

可选的，所述主机体的上下两个表面上分别设置有上支架及下支架，每个所述胸鳍组件的上蒙皮的一端均与所述上支架固定，每个所述胸鳍组件的下蒙皮的一端均与所述下支架固定。

可选的，每个所述涡轮螺杆部件均包括相啮合的涡轮及蜗杆，所述第一驱动器固定于所述主机体上且与所述蜗杆的一端连接，所述涡轮的两侧分别设置有涡轮支架及所述驱动杆，所述涡轮支架的两端与所述蜗杆的两端固定，所述涡轮的芯轴固定于所述涡轮支架的中部，所述驱动杆的一端与所述涡轮固定连接，当所述涡轮绕其芯轴转动时，带动所述驱动杆运动。

可选的，所述尾部组件包括两个对称设置的尾部摆动单元及设置于两个所述尾部摆动单元之间的柔性尾巴单元，每个所述尾部摆动单元包括第二驱动器、曲柄连杆部件及尾翼，所述第二驱动器与所述曲柄连杆部件连接以驱动所述曲柄连杆部件运动，并带动所述尾翼上下摆动，所述柔性尾巴单元包括第三驱动器及柔性尾巴，所述第三驱动器与所述柔性尾巴连接以驱动所述柔性尾巴摆动。

可选的，所述曲柄连杆部件包括曲柄、第一连杆、摇杆、第二连杆及第三连杆，所述第二驱动器固定于所述主机体上且与所述曲柄的一端固定，所述曲柄的另一端与所述第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述摇杆的一端铰接，所述摇杆的另一端与所述第二连杆的一端铰接，所述第二连杆通过连接块固定于所述主机体上，所述第三连杆的一端与所述摇杆固定，另一端与所述尾翼固定。

有益效果:

(1)左右两个胸鳍组件采用若干胸鳍驱动单元，在胸鳍的中胸鳍驱动单元部分，根据平行四边形易变形的机理，设计了一种驱动杆、固定杆和连接杆构成的双平行四边形结构以复现蝠鲼胸鳍的三维运动；

(2)尾部组件采用曲柄连杆部件，将第二驱动器的旋转运动转化为尾翼的上下摆动，避免了采用舵机时的无法精确控制转弯的问题，提高了转弯时的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的外形图；

图2为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的背部图；

图3为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的腹部图；

图4为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的左胸鳍驱动单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的中胸鳍驱动单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的头部组件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的海底探测仿生鱼的尾部组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供了一种海底探测仿生鱼，包括主机体1、两个胸鳍组件(分别为左胸鳍组件3及右胸鳍组件2)、头部组件4及尾部组件5，两个所述胸鳍组件对称设置于所述主机体1的左右两侧，所述头部组件4及所述尾部组件5分别设置于所述主机体1的前后两侧，所述主机体1、两个胸鳍组件、头部组件4及尾部组件5共同构成仿生鱼的外形。

进一步，如图2所示，左右两个所述胸鳍组件均包括上蒙皮6、下蒙皮10及设置于所述上蒙皮6和下蒙皮10之间的沿前后方向顺次设置的若干胸鳍驱动单元，所述上蒙皮6和下蒙皮10的一端连接，另一端均固定于所述主机体1上。具体的，所述主机体1的上下两个表面上对称设置有上支架7及下支架11，所述上支架7通过第一角码8和第二角码9与主机体1的上表面固定，所述下支架11通过第三角码12和第四角码13与所述主机体1的下表面固定，每个所述胸鳍组件的上蒙皮6的一端均与所述上支架7固定，每个所述胸鳍组件的下蒙皮10的一端均与所述下支架11固定。两个所述胸鳍组件呈三角形以模仿蝠鲼的胸鳍的形状。

进一步，如图3所示，本实施例中，每个所述胸鳍组件均有三个所述胸鳍驱动单元14，分别为前胸鳍驱动单元17、中胸鳍驱动单元16及后胸鳍驱动单元15，所述前胸鳍驱动单元17及所述后胸鳍驱动单元15对称设置，所述中胸鳍驱动单元16位于所述前胸鳍驱动单元17及所述后胸鳍驱动单元15之间。

如图4所示，所述前胸鳍驱动单元17及所述后胸鳍驱动单元15均包括第一驱动器A18，所述第一驱动器A18通过第一螺栓19与所述主机体1固定。所述第一驱动器A18通过第一联轴器20与第一蜗杆21固定，所述第一蜗杆21另一端装有第一轴承22，所述第一轴承22与第一竖支撑杆23固定，所述第一竖支撑杆23与第一横支撑杆24的一端固定，所述第一横支撑杆24的另一端与第二竖支撑杆30的一端固定，所述第二竖支撑杆30的另一端与第二横支撑杆31固定，所述第二横支撑杆31与所述主机体1固定，所述第一竖支撑杆23、第一横支撑杆24、第二竖支撑杆30及第二横支撑杆31共同构成第一涡轮支架。进一步，所述第一横支撑杆24的中部与一第一芯轴25固定，所述第一芯轴25上装有第二轴承26，第一蜗轮27套设于所述第二轴承26上并与所述第一蜗杆21啮合，所述第一蜗轮27与所述第一蜗杆21共同构成所述涡轮螺杆部件。进一步，所述第一蜗轮27与第一驱动杆28固定，所述第一驱动杆28与所述上蒙皮6铰接，当所述第一驱动器A18启动时，驱动所述第一蜗杆21旋转并带动所述第一蜗轮27旋转，由于所述第一驱动杆28与所述上蒙皮6铰接，从而可以带动所述上蒙皮6上下摆动模仿蝠鲼的运动。可选的，所述第一芯轴25的槽上还装有第一卡环29。

如图5所示，所述中胸鳍驱动单元16包括第一驱动器B32，所述第一驱动器B32通过第二螺栓33与所述主机体1固定。所述第一驱动器B32通过第二联轴器34与第二蜗杆35固定，所述第二蜗杆35的另一端上装有第三轴承36，所述第三轴承36与第三竖支撑杆37固定，所述第三竖支撑杆37与第三横支撑杆38固定，所述第三横支撑杆38与第四竖支撑杆47固定，所述第四竖支撑杆47与第四横支撑杆48固定，所述第四横支撑杆48与所述主机体1固定。所述第三竖支撑杆37、第三横支撑杆38、第四竖支撑杆47及第四横支撑杆48共同构成第二涡轮支架。进一步，所述第三横支撑杆38的中部与一第二芯轴39固定，所述第二芯轴39上装有第四轴承40，第二蜗轮42套设于所述第四轴承40上并与所述第二蜗杆35啮合，所述第二蜗轮42与所述第二蜗杆35共同构成所述涡轮螺杆部件。进一步，所述第二蜗轮42的一侧与第二驱动杆43固定，所述第二驱动杆43与所述第一连接杆44的一端固定以延长驱动的长度(此时所述第一连接杆44与所述上蒙皮6固定)，所述第一连接杆44的另一端与第二连接杆45铰接(所述第二连接杆45也所述上蒙皮6固定)。所述第二蜗轮42的另一侧设置有固定杆46，所述固定杆46的一端与所述第三横支撑杆38铰接，另一端与所述第二连接杆45铰接。当所述第一驱动器B32启动时，驱动所述第二蜗杆35旋转并带动所述第二蜗轮42旋转，从而可以带动所述上蒙皮6上下摆动模仿蝠鲼的运动。可选的，所述第二芯轴39的槽上还装有第二卡环41。

进一步，所述第二驱动杆、第一连接杆44、第二连接杆45、固定杆46及第二连接杆45与固定杆46之间铰接的铰接杆构成平行四边形结构，根据平行四边形易变形的原理，所述左胸鳍组件3及右胸鳍组件2可以有效的模仿蝠鲼的三维运动，以此来提高水下速度，增强其机动性，减少对环境的干扰。

如图1及图6所示，所述头部组件4包括头部罩51及设置于所述头部罩51内的照明单元和摄像单元52，所述头部罩51固定于所述主机体1上，所述照明单元固定于所述头部罩51内，所述摄像单元52能够在所述头部罩51内旋转并进行拍摄。具体的，所述照明单元包括对称设置于所述摄像单元52两侧的左照明单元49和右照明单元50，所述第一照明灯49和第二照明灯50均固定于所述头部罩51内。所述左照明单元49和右照明单元50均包括照明灯53，所述照明灯53通过第三螺栓54与头部罩51固定。所述摄像单元52包括摄像头55，所述摄像头55设置于一第一云台56上，所述第一云台56与一第一舵机57固定，所述第一舵机57与一第一舵盘58固定，所述第一舵盘58与一第二云台59固定，所述第一云台56与所述第二云台59铰接，所述第二云台59与一第二舵机60固定，所述第二舵机60与一第二舵盘61固定，所述第二舵盘61与第三云台62固定，所述第三云台62固定于所述头部罩51内。当所述海底探测仿生鱼在进行海底探测时，摄像头55可以左右上下旋转，观察的视角得到拓宽，同时照明单元可以保证在黑暗的环境下仍能完成探测任务。

如图1和图7所示，所述尾部组件5包括两个对称设置的尾部摆动单元及设置于两个所述尾部摆动单元之间的柔性尾巴单元65，两个所述尾部摆动单元分别为左尾部摆动单元63及右尾部摆动单元64，所述左尾部摆动单元63及右尾部摆动单元64结构相同。每个所述尾部摆动单元均包括第二驱动器66、曲柄连杆部件及尾翼76。所述第二驱动器66通过第四螺栓67固定于所述主机体1上，所述第二驱动器66外装有第一防水罩68，所述第一防水罩68与所述主机体1固定。所述第二驱动器66与所述曲柄连杆部件连接以驱动所述曲柄连杆部件运动，并带动所述尾翼76上下摆动。具体的，所述曲柄连杆部件包括曲柄69、第一连杆70、摇杆71、第二连杆72及第三连杆75，所述第二驱动器66固定于所述主机体1上且与所述曲柄69的一端固定，所述曲柄69的另一端与所述第一连杆70铰接，所述第一连杆70的另一端与所述摇杆71铰接，所述摇杆71的另一端与所述第二连杆72铰接，所述第二连杆72通过连接块73固定于所述主机体1上，所述第三连杆75的一端与所述摇杆71固定，另一端与所述尾翼76固定。

进一步，所述柔性尾巴单元65包括第三驱动器77及柔性尾巴81，所述第三驱动器77通过第五螺栓78与所述主机体1固定。所述第三驱动器77外装有第二防水罩79，所述第二防水罩79与所述主机体1固定。所述第三驱动器77与第三舵盘80固定，所述第三舵盘80与所述柔性尾巴81固定，所述第三驱动器77启动时驱动所述柔性尾巴81摆动。

当所述海底探测仿生鱼需要转弯时，除了依靠左右胸鳍组件波动频率、波数、振幅的改变来进行转弯外，还可以通过尾部组件5来辅助转弯，提高了转弯时的效率。

综上，在本发明实施例提供的海底探测仿生鱼中，通过每个所述胸鳍组件能够实现仿蝠鲼的三维运动，从而能在水中平稳的运行，且具有较高的速度，较好的机动性，较小的环境干扰，并且结构和控制都较为简单。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海底探测仿生鱼，其特征在于，包括主机体、两个胸鳍组件、头部组件及尾部组件，两个所述胸鳍组件对称设置于所述主机体的左右两侧，所述头部组件及所述尾部组件分别设置于所述主机体的前后两侧；

每个所述胸鳍组件均包括上蒙皮、下蒙皮及设置于所述上蒙皮和下蒙皮之间的沿前后方向顺次设置的若干胸鳍驱动单元，所述上蒙皮和下蒙皮的一端连接，另一端均固定于所述主机体上，

前后两个所述胸鳍驱动单元的第一驱动器A通过第一螺栓与所述主机体固定，所述第一驱动器A通过第一联轴器与第一蜗杆固定，所述第一蜗杆另一端装有第一轴承，所述第一轴承与第一竖支撑杆固定，所述第一竖支撑杆与第一横支撑杆的一端固定，所述第一横支撑杆的另一端与第二竖支撑杆的一端固定，所述第二竖支撑杆的另一端与第二横支撑杆固定，所述第二横支撑杆与所述主机体固定，所述第一竖支撑杆、第一横支撑杆、第二竖支撑杆及第二横支撑杆共同构成第一蜗轮支架；所述第一横支撑杆的中部与一第一芯轴固定，所述第一芯轴上装有第二轴承，第一蜗轮套设于所述第二轴承上并与所述第一蜗杆啮合，所述第一蜗轮与所述第一蜗杆共同构成前后两个所述胸鳍驱动单元的蜗轮螺杆部件；所述第一蜗轮与第一驱动杆固定，所述第一驱动杆与所述上蒙皮铰接，当前后两个所述胸鳍驱动单元的第一驱动器启动时，驱动所述第一蜗杆旋转并带动所述第一蜗轮旋转；

中间的胸鳍驱动单元的第一驱动器B通过第二联轴器与第二蜗杆固定，所述第二蜗杆的另一端上装有第三轴承，所述第三轴承与第三竖支撑杆固定，所述第三竖支撑杆与第三横支撑杆固定，所述第三横支撑杆与第四竖支撑杆固定，所述第四竖支撑杆与第四横支撑杆固定，所述第四横支撑杆与所述主机体固定；所述第三竖支撑杆、第三横支撑杆、第四竖支撑杆及第四横支撑杆共同构成第二蜗轮支架；所述第三横支撑杆的中部与一第二芯轴固定，所述第二芯轴上装有第四轴承，第二蜗轮套设于所述第四轴承上并与所述第二蜗杆啮合，所述第二蜗轮与所述第二蜗杆共同构成中间的胸鳍驱动单元的蜗轮螺杆部件；所述第二蜗轮的一侧与第二驱动杆固定，所述第二驱动杆与第一连接杆的一端固定以延长驱动的长度，所述第一连接杆的另一端与第二连接杆铰接；所述第二蜗轮的另一侧设置有固定杆，所述固定杆的一端与所述第三横支撑杆铰接，另一端与所述第二连接杆通过固定杆铰接。

2.如权利要求1所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述头部组件包括头部罩及设置于所述头部罩内的照明单元和摄像单元，所述照明单元固定于所述头部罩内，所述摄像单元能够在所述头部罩内旋转并进行拍摄。

3.如权利要求2所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述照明单元包括对称设置于所述摄像单元两侧的照明灯，每个所述照明灯均固定于所述头部罩内。

4.如权利要求2或3所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述摄像单元包括摄像头，所述摄像头设置于一第一云台上，所述第一云台与一第一舵机固定，所述第一舵机与一第一舵盘固定，所述第一舵盘与一第二云台固定，所述第一云台与所述第二云台铰接，所述第二云台与一第二舵机固定，所述第二舵机与一第二舵盘固定，所述第二舵盘与第三云台固定，所述第三云台固定于所述头部罩内。

5.如权利要求1所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述主机体的上下两个表面上分别设置有上支架及下支架，每个所述胸鳍组件的上蒙皮的一端均与所述上支架固定，每个所述胸鳍组件的下蒙皮的一端均与所述下支架固定。

6.如权利要求1所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述尾部组件包括两个对称设置的尾部摆动单元及设置于两个所述尾部摆动单元之间的柔性尾巴单元，每个所述尾部摆动单元包括第二驱动器、曲柄连杆部件及尾翼，所述第二驱动器与所述曲柄连杆部件连接以驱动所述曲柄连杆部件运动，并带动所述尾翼上下摆动，所述柔性尾巴单元包括第三驱动器及柔性尾巴，所述第三驱动器与所述柔性尾巴连接以驱动所述柔性尾巴摆动。

7.如权利要求6所述的海底探测仿生鱼，其特征在于，所述曲柄连杆部件包括曲柄、第一连杆、摇杆、第二连杆及第三连杆，所述第二驱动器固定于所述主机体上且与所述曲柄的一端固定，所述曲柄的另一端与所述第一连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端与所述摇杆的一端铰接，所述摇杆的另一端与所述第二连杆的一端铰接，所述第二连杆通过连接块固定于所述主机体上，所述第三连杆的一端与所述摇杆固定，另一端与所述尾翼固定。

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