CN110015391B - 一种蝠鲼模式水下机器鱼装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蝠鲼模式水下机器鱼装置及系统，装置包括：基体，所述基体前端设置有摄像舱、底部并列设置有电子仓和电池组件舱；设置在所述基体中部侧面位置、对称设置的仿生蝠鲼胸鳍，所述仿生蝠鲼胸鳍能够上下摆动；设置在所述基体尾部位置的推进组件；以及附着在所述基体底部表面的仿生外套膜。本发明的技术方案解决了现有蝠鲼机器鱼存在不能兼顾直线推进和灵活转向的问题。

Description

一种蝠鲼模式水下机器鱼装置及系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体而言，尤其涉及一种蝠鲼模式水下机器鱼装置及系统。

背景技术

水下机器人在小型化、智能化的方向上快速发展，因此其承担了越来越多的水下作业工作。传统的蝠鲼水下机器鱼在海底环境探查、海洋生物研究等方面应用广泛，其具有水中转向灵活，游动速度稳定的特点，但由于缺乏水中直线加速能力，限制了其在需要快速响应的研究及使用领域的应用和推广。

发明内容

根据上述提出的现有记忆合金驱动蝠鲼机器鱼存在水下推进速度慢的技术问题，而提供一种基于多模式推进的蝠鲼模式水下机器鱼，兼顾其在狭小水域中转向灵活与在开阔水域中直线加速的能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于，包括：

基体，所述基体前端设置有摄像舱、底部并列设置有电子仓和电池组件舱；

在所述基体中部侧面位置、对称设置的仿生蝠鲼胸鳍，所述仿生蝠鲼胸鳍能够上下摆动；

在所述基体尾部设置的推进组件；以及

附着在所述基体表面的仿生外套膜。

进一步地，所述仿生外套膜为v型布丝仿生膜。

进一步地，所述推进组件包括：

设置在基体尾部的水舱，所述水舱包括附着于水舱下部的进水膜、设置于水舱中部的仿生喷嘴；以及

呈十字型设置于基体尾部外周的尾鳍。

进一步地，所述电子仓内设置有主控模块、游动推进模块、摄像控制模块，前进模式切换模块，俯仰控制模块，航向检测模块和电源管理模块；所述游动推进模块、所述摄像控制模块、所述前进模式切换模块、所述俯仰控制模块、所述航向检测模块和所述电源管理模块均与所述主控模块连接；所述前进模式切换模块分别与所述仿生蝠鲼胸鳍及所述推进组件连接。

进一步地，所述电子仓内还设置有无线传输模块，所述无线传输模块与所述主控模块连接。

进一步地，所述摄像舱包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头，所述摄像头连接所述摄像头控制模块。

本发明还提供了一种应用上述任意一项所述装置的蝠鲼模式水下机器鱼系统，其特征在于包括上位机及上述任意一项所述的机器鱼装置，所述上位机与所述机器鱼装置通过无线网络连接。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的水下机器鱼装置将蝠鲼喷水推进模式与布丝仿生外套膜有机结合起来，在蝠鲼式机器鱼具有灵活转向能力的基础上，提高了其在水下的直线加速能力。

2、本发明提供的水下机器鱼装置通过各模块协同工作，进提高其下水下运动的机动性，进而提升装置的科研功能性。

3、本发明提供的水下机器鱼系统通过无线模块实现上位机与机器鱼的信息传输，大大扩展了系统在科研工作中的应用范围。

基于上述理由本发明可在水下探查、水下生物研究等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明机器鱼装置主视图。

图2为本发明机器鱼装置后视图。

图3为本发明机器鱼装置仰视图。

图4为本发明机器鱼系统结构示意图。

图5为本发明实施例机器鱼系统结构示意图。

图中：1、基体；2、仿生外套膜；3、进水膜；4、仿生蝠鲼胸鳍；5、尾鳍；6、摄像舱；7、电子厂；8、水舱；9、电池组件舱；10、仿生喷嘴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

蝠鲼的胸鳍存在自鳍根部向末端的展向波动以及向后的弦向波动，而传统蝠鲼机器鱼在模仿蝠鲼胸鳍运动时简化了部分的胸鳍动作，当胸鳍运动时，本身的惯性力与粘滞力相互作用，使得仿生胸鳍发生弯曲和扭转，同时胸鳍会受到沿摆动方向相反的阻力，从而推动机器鱼向前运动。受上述研究背景启发，如图1-3所示，本发明提供了一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于包括：基体(1)，基体(1)中部侧面位置、对称设置有仿生蝠鲼胸鳍(4)，所述仿生蝠鲼胸鳍(4)能够上下摆动，尾部设置有推进组件；表面附着有仿生外套膜(2)。进一步地，所述仿生外套膜(2)为v型布丝仿生膜。所述推进组件包括：设置在基体(2)尾部的水舱(8)，所述水舱包括附着于水舱下部的进水膜(3)、设置于水舱(8)中部的仿生喷嘴(10)；以及呈十字型设置于基体尾部外周的尾鳍(5)。基体(1)前端设置有摄像舱(6)、底部并列设置有电子仓(7)和电池组件舱(9)。电子仓(7)内设置有主控模块、游动推进模块、摄像控制模块，前进模式切换模块，俯仰控制模块，航向检测模块和电源管理模块；其中游动推进模块、摄像控制模块、前进模式切换模块、俯仰控制模块、航向检测模块和电源管理模块均与所述主控模块连接；前进模式切换模块分别与所述仿生蝠鲼胸鳍及所述推进组件。此外电子仓(7)内还设置有无线传输模块，所述无线传输模块与所述主控模块连接。摄像舱(6)包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头，所述摄像头连接所述摄像头控制模块。

如图4所示，本发明还提供了一种应用上述装置的蝠鲼模式水下机器鱼系统，包括上位机及上述的机器鱼装置，其中上位机与所述机器鱼装置通过无线网络连接。

下面通过具体的实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

作为本发明一种较佳的实施方式，本实施例提供了一种结合v型布丝仿生外套膜喷射的蝠鲼模式水下机器鱼系统，如图1-5所示，包括基体(1)，仿生外套膜(2)，进水膜(3)，仿生喷嘴(10)，柔性仿生蝠鲼胸鳍(4)，尾鳍(5)，摄像舱(6)，电子舱(7)，水舱(8)，电池组件舱(9)。其中，所述的基体(1)内部设置电子舱(7)，摄像舱(6)，电池组件舱(9)，基体(1)外包裹仿生外套膜(2)，基体(1)的前部设置有摄像仓(6)，侧设置有柔性仿生蝠鲼胸鳍(4)，基体(1)尾部装有尾鳍(5)、仿生喷嘴(10)、仿生进水膜(10)以及水舱(8)。

摄像舱(6)包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头，摄像舱由电子舱控制。

所述电池组件舱(9)包括锂电池组。

所述无线通讯模块使用蓝牙模块，可远程接受摄像头所收集的实时数据。

电子舱(7)内设有主控模块、游动推进模块、无线传输模块，摄像控制模块，前进模式切换模块，俯仰控制模块，航向检测模块和电源管理模块，其中前进模式切换模块控制机器鱼在使用柔性胸鳍与尾鳍的过程中，停止其摆动，并调整角度，再由仿生进水膜进水，并进行膜喷射。从而实现装置在普通蝠鲼模式驱动与仿生外套膜喷射两种不同模式下进行切换，使其兼顾在狭小水域中转向灵活以及较开阔水域高速推进的能力。

水下机器人处于普通蝠鲼机器鱼驱动模式时，主控模块控制柔性仿生蝠鲼胸鳍(4)保持规律性摆动，并随时保持尾鳍(5)的实时转动，当水下机器鱼处于仿生外套膜喷射状态下，控制柔性仿生蝠鲼胸鳍(4)收拢靠近基体，仿生进水膜开始进水，并保持相对喷射频率通过仿生喷嘴进行喷射，使其在短时间内达到较大加速度。本实施例中采用了独立360度转轴连接仿生胸鳍，并配备单独电机来驱动，可以充分模仿蝠鲼在水下的运动情况，除此之外也可以满足该机器鱼两种驱动模式切换的要求，即切换到相应的膜喷射过程中，可以有效保证胸鳍的水平固定。

具体到该机器鱼的驱动模式，当机器鱼采用传统蝠鲼模式驱动时，胸鳍按照拍动周期，仿生胸鳍鳍首首先向上扬45度角再恢复水平姿态，然后向下倾斜45度角，继续恢复水平姿态，完成一个连续的运动周期，当仿生胸鳍达到上下俯仰角最大时，其形变量也最大，而当胸鳍处于水平姿态时，形变量最小，而机器鱼的速度最大，整个胸鳍的拍动频率为1.0Hz,拍动幅度为18度，而当切换到仿生膜喷射状态时，电子舱中的前进切换模块发出信号，调控俯仰控制模块调整机器鱼的游动方向，倾斜角度以及游动推进模块控制仿生胸鳍，尾鳍保持水平静止。而当机器鱼启用仿生喷射系统时，机器鱼主要完成仿生膜收缩喷射过程以及冲水过程。在仿生膜收缩喷射过程中，嵌入在仿生外套膜中的SMA体收缩，并且相邻的硅胶材料开始积蓄能量，同时仿生进水膜的封闭作用使得腔内压力升高，当达到一定压力时，空腔内的水由仿生喷嘴喷出，同时提供水平方向以及矢量推力。当机器鱼处于冲水过程中，硅胶中的弹性势能因为SMA丝断电而迅速释放，同时外套膜开始扩张，在腔内形成负压，机器鱼周围的水通过仿生进水膜进入腔内，仿生外套膜结束充水过程，继续开始收缩喷射过程。

本实施例中，控制系统采用了CAN总线协议，包括用于发出指令的上位机和放置在仿生蝠鲼机器人体内的下位机两个不同部分。上位机含有PC机，无线传输模块。下位机控制系统包含电子舱内设置的主控模块、游动推进模块、无线传输模块，摄像控制模块，前进模式切换模块，俯仰控制模块，航向检测模块和电源管理模块。下位机中的主控模块可以实时接收由上位机发出的控制命令，而上位机也可以随时接受由下位机传输来的各项与机体有关的各项数据，诸如深度，游速等并对于上传的数据进行反映，保存和处理。

主控模块可以接受由上位机发出的各项指令信号，同时分解，处理命令并将其以CAN总线传输的形式传输给下位机中的各种相关模块，以及接收由各个控制模块上传的游动数据。

俯仰控制模块可以依据从主控模块接收到的指令操控仿生尾鳍，仿生柔性胸鳍的摆动方向和角度，从而提供蝠鲼机器人在水中游动过程中所需的浮力和角度。

摄像控制模块可以控制摄像舱内的摄像器材实时调整拍摄角度，并传输实时现场状况。

前进模式切换模块的功能是在接受上位机的信号后与俯仰控制模块共同作用使机器人两侧的仿生柔性胸鳍靠拢，单独使用仿生进水膜进水，并经由仿生喷射装置喷出，达到短时间加速度的目的。

电源管理模块可以接收从主控模块发来的指令，并返回电源的实时参数，并检测蝠鲼机器人电源的实时工作情况，为其余模块提供足够的工作电压。

航向检测模块可以接收主控模块传输来的指令，并将仿生蝠鲼机器人的航向定时检测数据发送回上位机。

游动推进模块由仿生柔性胸鳍控制驱动部分和V型布丝仿生膜喷射推进系统控制驱动部分组成，其可以接受指令调整仿生柔性胸鳍的波动频率，波幅和波动速度，尾鳍的摆动频率，摆动方向，并根据主控模块，及前进模式切换模块改变仿生进水膜的收缩量以及频率，仿生喷嘴弯曲的角度以及方向。

为了实现在水中的自由游动，使用机动性能好，本实施例使用高效的推进系统，控制仿生喷嘴，柔性仿生蝠鲼胸鳍，尾鳍等多种运动结构来调控机器人在水中的姿态，平衡，游动速度等多项参数，同时设置检测模块来实时监测机器人的水下状态。而采用高可靠性的通讯协议可以满足机器人对于各项运动姿态下的实时调控，不同模式下的切换，而CAN总线协议拥有任意节点能够向总线上的任意其它节点发送信息，多个不同主机共同工作的方式，信息传输方式多样等多项优点，足以满足机器人相应的需求，来构成驱动控制系统。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于包括：

基体(1)，所述基体(1)前端设置有摄像舱(6)、底部并列设置有电子仓(7)和电池组件舱(9)，所述电子仓(7)内设置有主控模块、游动推进模块、摄像控制模块，前进模式切换模块、俯仰控制模块、航向检测模块和电源管理模块；所述游动推进模块、所述摄像控制模块、所述前进模式切换模块、所述俯仰控制模块、所述航向检测模块和所述电源管理模块均与所述主控模块连接；所述前进模式切换模块分别与所述仿生蝠鲼胸鳍及所述推进组件连接；

在所述基体(1)中部侧面位置、对称设置的仿生蝠鲼胸鳍(4)，所述仿生蝠鲼胸鳍(4)能够上下摆动；

在所述基体尾部设置的推进组件；以及

附着在所述基体表面的仿生外套膜(2)，所述仿生外套膜(2)为v型布丝仿生膜。

2.根据权利要求1所述的一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于所述推进组件包括：

设置在基体(2)尾部的水舱(8)，所述水舱包括附着于水舱下部的进水膜(3)、设置于水舱(8)中部的仿生喷嘴(10)；以及

呈十字型设置于基体尾部外周的尾鳍(5)。

3.根据权利要求1所述的一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于所述电子仓(7)内还设置有无线传输模块，所述无线传输模块与所述主控模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种蝠鲼模式水下机器鱼装置，其特征在于所述摄像舱(6)包括耐压罩、摄像头云台以及摄像头，所述摄像头连接所述摄像头控制模块。

5.一种应用权利要求1-4中任意一项所述装置的蝠鲼模式水下机器鱼系统，其特征在于包括上位机及权利要求1-4中任意一项所述的机器鱼装置，所述上位机与所述机器鱼装置通过无线网络连接。