CN109866903B - 一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼，包括鱼身主体、供电及控制模块、主动力模块、胸鳍折叠模块、方向调节模块；用以解决现有水下航行器存在机械结构复杂以及仿生胸鳍推进式水下航行器运动控制困难、运动形式单一的问题；主动力模块采用了一种利用凸轮滚子传递电机运动带动胸鳍进行摆动的结构，其机械结构简单可靠、易于实施。本发明的胸鳍可折叠，在机器鱼运动时可略回收机器鱼的胸鳍，增大后掠角，减小水的阻力，减小能量损耗，增大机器鱼游动的速度；本发明的方向调节模块使用了副翼、方向舵和副翼操纵机构，利用流体压强和流速的关系，可以使机器鱼实现转向、上浮和下潜；本发明可以用于海洋探测、海底生态灾难救援等。

Description

一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼

技术领域

本发明属于仿生机器鱼技术应用领域，特别涉及一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼。

背景技术

近些年来，深海资源的开发与利用为水下机器人研究提供了广泛的背景与需要。世界上许多国家都非常重视水下机器人技术的研究，将水下机器人作为一个重点研究项目并大力发展。但当前水下机器人多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、质量重、能耗高、综合效率低、瞬间响应有滞后的现象、运动灵活性能差，并且伴有较大的噪声和尾涡。螺旋桨效率低也是水下机器人能源瓶颈的主要原因之一。螺旋桨推进器的这些缺点不利于开发具有大范围转移能力和高机动性能的水下机器人。为了克服螺旋桨推进器的这些缺陷，适应未来水下机器人技术发展的要求，人们在开发新能源的同时，也在积极寻找性能更加优良的新型推进方式。

鱼类经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动能力，这给人们研究水下机器人提供了新的思路。如果能仿制出像鱼类一样的水下机器人，利用先进的现代水下导航、探测和控制技术对之进行控制，就可以完成许多目前还不能完成的任务，并大大地提高水下作业效率。鱼类游动具有高速、高效、高机动性和低噪声等特点，将鱼类推进和操纵系统用于水下机器人，替代传统的桨——舵系统，具有十分重要的意义。

目前水下仿生技术研究方面，众多的研究主要集中于尾鳍的运动和鱼体的运动，如振动的薄片产生推力等。这样会导致机器鱼只能做有限的运动，难以实现悬浮和定位等运动。用尾鳍摆动作为推进的方式，虽然与螺旋桨相比具有一定的优势，但是仍然具有不少缺点。例如在水中的灵活性不够，致使其在转弯和掉头的时候不灵活；在机器鱼的前进过程中，产生摆艏的现象，姿态不稳定，头尾难以协调。

在自然界中，很多鱼类，在低速情况下，是利用胸鳍实现良好的动力定位和机动。胸鳍推进机器鱼是模仿自然界鳐鱼、蝠鲼等生物的胸鳍推进方式设计的一种机器鱼，胸鳍推进式机器鱼具有高效率、低噪声、在低速的情况下实现稳定的悬浮等优点。且本发明涉及的机器鱼的胸鳍可折叠，在胸鳍折叠的情况易于储存、运输，且方便发射入水。在机器鱼运动时还可以略回收机器鱼的胸鳍，增大后掠角，减小水对机器鱼的阻力，减小能量损耗，增大机器鱼游动的速度。经查阅资料发现，此种胸鳍可折叠的机器鱼尚未出现。

专利CN102490884A公开了一种具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，其包括鱼身主体、波动鱼鳍机构和重心调节机构。通过波动鱼鳍机构中的小型舵机带动产生推动机器人运动的行波，通过重心调解机构调节配重块的位置来调节机器鱼的重心位置。但是其波动鱼鳍的运动范围较小，不能为机器鱼提供强大的动力，且其在运动过程中，要靠波动鱼鳍中的鳍条的差动运动来帮助机器人转向、上浮和下潜，机械机构复杂，实现起来比较困难。

发明内容

本发明是为解决现有水下航行器存在机械结构复杂以及仿生胸鳍推进式水下航行器运动控制困难、运动形式单一的问题，进而提供一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案如下：

一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼，其特征在于该机器鱼包括供电及控制模块、主动力模块、胸鳍折叠模块、方向调节模块、鱼身主体；所述鱼身主体包括外壳、盖板和鱼尾；所述外壳和所述盖板二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置所述供电及控制模块和所述主动力模块，外接所述胸鳍折叠模块、所述方向调节模块和所述鱼尾；所述外壳做成小船形状，关于中心轴线左右对称，采用铝合金加工，内部中空，上端开口，所述盖板安装在所述外壳的上端开口处，采用铝合金加工；所述鱼尾焊接在所述外壳的后部，采用铝合金加工，内部中空，关于外壳中心轴线左右对称；所述胸鳍折叠模块包括电机缸、副电机、丝杠、小滑块、固定三角形、平行四边形、可变三角形；所述电机缸铰接于所述外壳侧面；所述副电机固定安装在所述电机缸内；所述小滑块安装在所述电机缸内，并与所述电机缸形成移动副；所述小滑块与所述副电机通过所述丝杠连接；所述固定三角形由三个首尾相连的杆组成，产生三个节点，其中一个节点与所述小滑块相连，形成转动副；所述平行四边形由四根长度相等的杆组成，产生四个节点，其中两个节点与所述固定三角形的两个节点相连，形成转动副，另有一个节点连在所述电机缸的外壳上，形成转动副；所述可变三角形由三根杆和一个滑块组成，产生三个节点和一个移动副，其中两个节点与所述平行四边形的两个节点相连，形成转动副，另一节点与滑块相连，形成转动副；所用的杆均为内部中空的铝合金管材；胸鳍外部使用延展性较好的塑料胶皮包裹；所述主动力模块包括主电机、变速器、偏心轮、导轨、大滑块以及推杆；所述主电机固定安装在所述外壳底部，电机轴通过联轴器与所述变速器的输入轴连接，所述变速器的输出轴与所述偏心轮连接；所述偏心轮被几何封闭于所述大滑块的型腔内，形成高副；所述大滑块套在所述导轨上，形成移动副；所述推杆的一端与所述大滑块连接，形成转动副，另一端与所述电机缸的外壳相连，形成转动副；所述方向调节模块包括俯仰翼、副翼、垂直尾翼、方向舵、副翼操纵机构、方向舵电机；所述俯仰翼焊接于所述鱼尾上，所述副翼通过轴连接于所述俯仰翼上，形成转动副；所述垂直尾翼焊接于所述鱼尾上，所述方向舵通过轴连接于所述垂直尾翼上，形成转动副；所述副翼操纵机构是一种两摇杆长度相等的双摇杆机构，包括左副翼电机、右副翼电机、连架杆、连杆、所述俯仰翼、所述副翼；所述左副翼电机和所述右副翼电机固定安装在所述鱼尾的空腔内，所述连架杆安装在所述俯仰翼的下侧面，形成转动副，所述连杆同时与所述连架杆和所述副翼连接，形成转动副；所述方向舵电机固定安装在所述鱼尾的空腔内，所述方向舵与所述方向舵电机直接通过联轴器连接。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明的主动力模块采用了一种利用凸轮滚子传递电机运动带动胸鳍进行摆动的结构，其机械结构简单可靠、易于实施。为了保证胸鳍的运动同步性，机器鱼的一对胸鳍用同一个电机带动。

2.考虑到机器鱼在深水区胸鳍所受载荷增加，本发明在主动力模块中使用了变速器，可以将胸鳍摆动从高速切换到低速状态，实现输出扭矩的增加，以适应深水下的工作环境。

3.本发明的机器鱼的胸鳍可折叠，当机器鱼的胸鳍完全折叠的时候，易于储存、运输，且方便发射入水。在机器鱼游动时可通过适当收缩胸鳍，增大后掠角，减小水对机器鱼的阻力，达到降低能量损耗，提高机器鱼游动速度的目的。

4.本发明的方向调节模块使用了副翼和方向舵，利用流体压强和流速的关系，当需要机器鱼抬头向上游时，控制副翼向上转动，反之则向下转动。当需要机器鱼右转时，则使方向舵向右转动，反之则向左转动。且当遇到突发情况，如被大鱼撞击，使机器鱼失去平衡时，可以采用左右副翼差动，给机器鱼一个翻滚力矩，使机器鱼重新保持平衡。此种方向调节模块操作简单，工作可靠。

附图说明

图1为机器鱼的示意图；

图2为外壳的示意图；

图3为主动力模块的示意图；

图4为垂直尾翼的左视图；

图5为副翼操纵机构的示意图；

图6为俯仰原理图；

图7为转向原理图；

其中：1供电及控制模块，2主动力模块，3胸鳍折叠模块，4方向调节模块，5鱼身主体，6外壳，7盖板，8鱼尾，9电机缸，10副电机，11丝杠，12小滑块，13固定三角形，14平行四边形，15可变三角形，16主电机，17变速器，18偏心轮，19导轨，20大滑块，21推杆，22俯仰翼，23副翼，24垂直尾翼，25方向舵，26左副翼电机，26＇右副翼电机，27连架杆，28连杆，29方向舵电机。

具体实施方式

该机器鱼包括供电及控制模块1、主动力模块2、胸鳍折叠模块3、方向调节模块4、鱼身主体5，其中供电及控制模块1、主动力模块2都置于鱼身主体5中的外壳6和盖板7所形成的密闭空腔内，胸鳍折叠模块3安装在鱼身主体5中的外壳6和盖板7所形成的密闭空腔外，方向调节模块4则置于鱼身主体5中的鱼尾8处。

机器鱼在使用之前胸鳍是完全收缩的，当机器鱼被发射入水之后，供电及控制模块1指示副电机10转动，带动丝杠11转动，从而带动小滑块12在电机缸9内滑动，使机器鱼的胸鳍完全展开，此时整个胸鳍折叠模块3内的构件(固定三角形13，平行四边形14，可变三角形15)变成一个整体。同时主电机16转动，通过变速器17带动偏心轮18转动，偏心轮18把动力传递给大滑块20，使大滑块20在导轨19上滑动，同时把动力传递给推杆21，使推杆21推着电机缸9摆动，从而带动机器鱼的胸鳍摆动，为机器鱼的游动提供动力。

当机器鱼下潜时，左副翼电机26和右副翼电机26＇同时正转，带动连架杆27转动，通过连杆28带动副翼23在俯仰翼22的转动轴上向下转动，机器鱼的头部得到一个向下的力矩，使机器鱼迅速下潜到预计深度。当机器鱼下潜到预计深度后，通过副翼操纵机构使副翼23微微向上转动，机器鱼的头部得到一个向上的力矩，使机器鱼的升力与机器鱼受到的重力平衡，使机器鱼以水平的姿态在水中游动。

当机器鱼在水中游动时，可以使副电机10反转，带动丝杠11转动，从而带动小滑块12在电机缸9内滑动，使机器鱼的胸鳍稍微回收，增大后掠角，减小水对机器鱼的阻力，增大机器鱼的游动速度。当机器鱼在水中需要转向时，可以通过方向舵电机29的转动来带动方向舵25在垂直尾翼24的转动轴上转向，从而改变机器鱼的游动方向。方向舵25左转时，机器鱼的头部得到一个向左的力矩，使机器鱼左转。方向舵25右转时，机器鱼的头部得到一个向右的力矩，使机器鱼右转。当机器鱼在水下遇到特殊情况，如遭大鱼撞击，机器鱼侧翻时，左副翼电机26和右副翼电机26＇一个反转，一个正转，使两侧副翼23差动，从而获得一个翻滚力矩，使机器鱼重新保持平衡。

当机器鱼上浮时，左副翼电机26和右副翼电机26＇同时反转，带动连架杆27转动，通过连杆28带动副翼23在俯仰翼22的转动轴上向上转动，机器鱼的头部得到一个向上的力矩，使机器鱼迅速上浮。

Claims (1)

1.一种仿生可折叠胸鳍的机器鱼，其特征在于该机器鱼包括供电及控制模块(1)、主动力模块(2)、胸鳍折叠模块(3)、方向调节模块(4)、鱼身主体(5)；所述鱼身主体(5)包括外壳(6)、盖板(7)和鱼尾(8)；所述外壳(6)和所述盖板(7)二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置所述供电及控制模块(1)和所述主动力模块(2)，外接所述胸鳍折叠模块(3)、所述方向调节模块(4)和所述鱼尾(8)；所述外壳(6)做成小船形状，关于中心轴线左右对称，采用铝合金加工，内部中空，上端开口，所述盖板(7)安装在所述外壳(6)的上端开口处，采用铝合金加工；所述鱼尾(8)焊接在所述外壳(6)的后部，采用铝合金加工，内部中空，关于外壳中心轴线左右对称；所述胸鳍折叠模块(3)包括电机缸(9)、副电机(10)、丝杠(11)、小滑块(12)、固定三角形(13)、平行四边形(14)、可变三角形(15)；所述电机缸(9)铰接于所述外壳(6)侧面；所述副电机(10)固定安装在所述电机缸(9)内；所述小滑块(12)安装在所述电机缸(9)内，并与所述电机缸(9)形成移动副；所述小滑块(12)与所述副电机(10)通过所述丝杠(11)连接；所述固定三角形(13)由三个首尾相连的杆组成，产生三个节点，其中一个节点与所述小滑块(12)相连，形成转动副；所述平行四边形(14)由四根长度相等的杆组成，产生四个节点，其中两个节点与所述固定三角形(13)的两个节点相连，形成转动副，另有一个节点连在所述电机缸(9)的外壳上，形成转动副；所述可变三角形(15)由三根杆和一个滑块组成，产生三个节点和一个移动副，其中两个节点与所述平行四边形(14)的两个节点相连，形成转动副，另一节点与滑块相连，形成转动副；所用的杆均为内部中空的铝合金管材；胸鳍外部使用延展性较好的塑料胶皮包裹；所述主动力模块(2)包括主电机(16)、变速器(17)、偏心轮(18)、导轨(19)、大滑块(20)以及推杆(21)；所述主电机(16)固定安装在所述外壳(6)底部，电机轴通过联轴器与所述变速器(17)的输入轴连接，所述变速器(17)的输出轴与所述偏心轮(18)连接；所述偏心轮(18)被几何封闭于所述大滑块(20)的型腔内，形成高副；所述大滑块(20)套在所述导轨(19)上，形成移动副；所述推杆(21)的一端与所述大滑块(20)连接，形成转动副，另一端与所述电机缸(9)的外壳相连，形成转动副；所述方向调节模块(4)包括俯仰翼(22)、副翼(23)、垂直尾翼(24)、方向舵(25)、副翼操纵机构、方向舵电机(29)；所述俯仰翼(22)焊接于所述鱼尾(8)上，所述副翼(23)通过轴连接于所述俯仰翼(22)上，形成转动副；所述垂直尾翼(24)焊接于所述鱼尾(8)上，所述方向舵(25)通过轴连接于所述垂直尾翼(24)上，形成转动副；所述副翼操纵机构是一种两摇杆长度相等的双摇杆机构，包括左副翼电机(26)、右副翼电机(26＇)、连架杆(27)、连杆(28)、所述俯仰翼(22)、所述副翼(23)；所述左副翼电机(26)和所述右副翼电机(26＇)固定安装在所述鱼尾(8)的空腔内，所述连架杆(27)安装在所述俯仰翼(22)的下侧面，形成转动副，所述连杆(28)同时与所述连架杆(27)和所述副翼(23)连接，形成转动副；所述方向舵电机(29)固定安装在所述鱼尾(8)的空腔内，所述方向舵(25)与所述方向舵电机(29)直接通过联轴器连接。

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