CN110239712B - 一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器。本发明通过控制尾部推进模块实现身体/尾鳍式的水下仿鱼推进，通过调节变结构胸鳍机构实现仿生机器飞鱼空中的滑翔运动以及快速溅落式入水运动，通过控制尾部推进模块与俯仰胸鳍机构间的配合实现水空跨介质过渡的出水运动，通过检测传感器检测周围环境，通过控制器控制仿生飞鱼运动模式。本发明有益效果为：本发明兼具水下高速、高机动性游动及空中滑翔的水空两栖跨介质运动能力，采用小型化和轻量化设计，有效降低成本及能量消耗，同时有效提高了水下运动性能及推进效率，实现低扰动游动并缩短了跨介质过渡时间。

Description

一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼

技术领域

本发明涉及水空两栖跨介质机器人领域，具体涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼。

背景技术

水空两栖跨介质机器人是在空气介质和水体环境中同时具备生存能力的海空一体化机器人，它能够在水和空气两种不同的流体介质间进行运动过渡，并且在两种介质中具备运动能力，它融合了水下航行器的强隐蔽性和空中飞行器的高机动性等优势，在海上侦察、监视、通信中继等军事领域和海洋灾难搜救、生态环境监测、海洋资源探索等民事领域具有广泛的应用前景。

国内外的科研人员积极开展了水空两栖跨介质机器人的探索和研究工作，目前水空两栖跨介质机器人还处于概念设计、关键技术和功能验证以及样机制作阶段，已有的水空两栖跨介质机器人样机较少，且大多采用螺旋桨推进的方式实现水空介质之间的过渡，具有水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长等缺点，给水空跨介质任务的执行带来诸多不便，鉴于水空跨介质任务对过渡过程的较高要求，因此需要提出跨介质航行器快速、高效地实现水空介质过渡的新技术方案。

飞鱼是一种具有快速、高机动游动能力以及跃出水面在空中进行滑翔运动的海洋鱼类，拥有高超的运动技能。在水下，飞鱼将可折叠的胸鳍紧贴在身体两侧，减小水中的阻力，依靠身体尾部和尾鳍进行快速推进，能够以10m/s(约20～40倍体长/秒)的速度跃出水面。一旦身体出水，飞鱼展开胸鳍，并以高达35Hz的摆动频率继续拍动处于水中的尾鳍下叶，在水面继续加速滑行，最终达到将近20m/s的速度完全跃出水面。然后，开始在空中进行滑翔运动，距离可以达到50m。当滑翔至水面时，飞鱼将尾鳍再次浸入水中，进行快速摆动，在水面进行加速滑行，实现连续的滑翔飞行运动，飞鱼高超的运动技巧能够有效地躲避捕食者并同时提高运动效率，这些高超的运动能力是其他鱼类所不能具备的。

飞鱼优异的水空两栖跨介质运动能力，吸引了仿生机器人领域研究人员的广泛关注，他们试图将飞鱼高效的跨介质运动机制应用到仿生机器人中，研制出具有出色运动性能的水空两栖跨介质机器人。一方面，与螺旋桨推进的跨介质航行器相比，仿生机器飞鱼采用鱼类摆尾式的仿生推进方式，具有高效、高机动、低扰动等优点，具备更好的水下运动性能，从而更适合在狭窄、复杂的水下环境中进行监测、搜索、救援等作业；另一方面，仿生机器飞鱼采用高速游动的方式跃出水面进行滑翔运动，具有快速实现水空介质过渡的能力以及节省能量、高效航行的特点。近年来，国内外的一些研究机构对仿生机器飞鱼开展了研究，但是并没有研制出能够依靠尾部推进实现水空两栖跨介质运动的仿生机器飞鱼样机。

仿生机器飞鱼采用摆尾式的推进方式跃出水面，实现水空两栖跨介质运动，该过程需要很快的游动速度，因此需要具有大推进力的驱动机构，同时，仿生机器飞鱼出水速度和体长密切相关，空中滑翔距离和质量相关，因此，需要设计一种新型的具有高功率密度(尺寸小、质量轻、功率高)的驱动推进系统。仿生机器飞鱼要实现水下的高速游动以及空中的滑翔运动，需要设计一种新的变结构胸鳍机构，以满足不同介质航行的结构兼容性要求，具体地，在水中能够紧紧贴合在身体两侧，减小水中运动的阻力，实现快速游动；在空中能够展开胸鳍，提供升力满足长距离滑翔运动的要求；而在入水过程中，需要满足结构强度的要求。

受生物飞鱼能够利用变结构胸鳍和摆尾式推进达到快速游动进而实现水空两栖跨介质运动以及利用变结构胸鳍实现空中滑翔运动节省能量的启发，本发明将飞鱼高效的跨介质运动机制引入到仿生机器飞鱼上，使之兼具水下高速、高机动性游动以及空中滑翔的水空两栖跨介质运动能力的优点，有效解决现有技术中水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长的问题。

发明内容

本发明要解决的问题是水空两栖跨介质机器人水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及水空介质过渡时间长。

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决水空两栖跨介质机器人水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及水空介质过渡时间长等问题，本发明实施例提供了一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，

所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体；

所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体；

所述尾部推进模块安装在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的后方；

所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部推进模块的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端均与所述控制器信号连接。

在一些优选实例中，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述俯仰胸鳍转动，所述第一传动机构包括主动齿轮、从动齿轮、轴承和第一传动轴，所述第一动力装置的动力输出端与所述主动齿轮传动连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮均可转动地安装于所述本体并且啮合，所述第一传动轴与所述从动齿轮同轴固定连接，所述第一传动轴通过所述轴承可转动地安装于所述本体，所述第一传动轴的两端分别与一个所述俯仰胸鳍固定连接。

在一些优选实例中，所述变结构胸鳍包括鳍条和鳍膜，其中，每个所述变结构胸鳍均包括前缘鳍条和后缘鳍条，所述后缘鳍条固定于所述本体，所述前缘鳍条在所述第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体，借以将固定于所述前缘鳍条和所述后缘鳍条的所述鳍膜展开或折叠，以实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的空中滑翔运动以及溅落式入水运动。

在一些优选实例中，所述变结构胸鳍还包括可转动地安装于所述本体的第二传动轴，所述第二传动轴与所述第二动力装置传动连接，所述前缘鳍条固定连接于所述第二传动轴；

所述鳍条还包括中间鳍条，所述中间鳍条设置有D型孔，所述第二传动轴上设置有与所述D型孔间隙配合的滑动转动部，所述滑动转动部包括沿所述第二传动轴连接并封闭的平面区和圆柱面区，所述滑动转动部设置有作用槽，所述作用槽贯通所述平面区和所述圆柱面区；

所述作用槽与所述圆柱面区的连接处、所述作用槽与所述平面区的连接处沿着所述第二传动轴的转动方向依次布置；

所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角；

在一些优选实例中，所述鳍膜为两个，所述两个鳍膜对称布置在所述本体的左右两侧，所述鳍膜与所述前缘鳍条、所述中间鳍条和所述后缘鳍条固定连接。

在一些优选实例中，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部推进模块、偏心轮和滑轨，其中，

所述尾部推进模块包括尾部驱动模块和尾部关节模块，其中，

所述尾部驱动模块包括第三动力装置和减速箱，所述减速箱固定连接于所述第三动力装置的输出端，所述偏心轮固定连接于所述减速箱的输出端，所述第三动力装置驱动所述减速箱、所述偏心轮转动；

所述尾部关节模块包括尾部关节和尾鳍，所述尾部关节铰接于所述本体，所述滑轨铰连接于所述尾部关节，并用于将所述减速箱的输出轴的单方向连续转动转化为所述尾部关节的左右往复摆动。

所述尾鳍铰接于所述尾部关节，或者，所述尾鳍固定于所述尾部关节。

在一些优选实例中，还包括作用杆，所述偏心轮在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的长度方向垂直的平面内可转动地安装，所述作用杆固定于所述偏心轮并且到所述偏心轮的转动轴线保持距离；

所述滑轨包括两个作用部，所述两个作用部对称布置在所述主体的左右两侧，所述作用杆的自由端到所述滑轨的铰接轴的距离＞所述作用部朝向所述偏心轮的侧面到所述滑轨的铰接轴的距离。

在一些优选实例中，所述尾部关节包括两个作用部，所述两个作用部呈V字形固定连接，所述尾部关节的两个作用部连接端设置有限位挡板，所述限位挡板用来调整所述尾鳍的最大摆动角度。

在一些优选实例中，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括通信模块，所述通信模块与外界通讯连接，用于发送所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼运动状态或者接收外界发送的不同游动模式指令。

在一些优选实例中，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部防水蒙皮，所述尾部防水蒙皮覆盖于所述本体的尾部，用于所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的防水密封。

在一些优选实例中，所述控制器通过控制所述两个俯仰胸鳍转动、所述变结构胸鳍的收拢或展开以及所述尾部关节摆动以执行所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的水下高速高机动运动、水空介质过渡运动以及空中滑翔运动三种工作模式，其中，

在水下高速高机动运动模式下，所述第三动力装置作为尾部推进机构驱动所述尾部关节左右往复摆动并带动所述尾鳍左右往复摆动提供所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼前进的动力，通过控制所述尾部关节摆动的频率控制仿生机器飞鱼前进的速度，所述第一动力装置通过第一传动机构控制所述俯仰胸鳍运动，通过控制所述俯仰胸鳍的俯仰角实现水中的上浮下潜运动，所述变结构胸鳍收拢于所述本体两侧；

在水空介质过渡运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼通过控制所述俯仰胸鳍的俯仰角并配合所述尾部关节的快速摆动，实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面，在所述变结构胸鳍离开水面后，快速展开所述变结构胸鳍；

在空中滑翔运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面后，展开的变结构胸鳍提供滑翔运动的升力，实现空中滑翔运动，通过控制所述变结构胸鳍展开的角度，控制所述仿生机器飞鱼的滑翔姿态，当在空中完全收拢变结构胸鳍时，能够实现快速的溅落式入水运动。

本发明的有益效果为：本发明兼具水下高速运动以及空中滑翔运动的水空两栖跨介质运动的优点，能够实现生物飞鱼出色的水空两栖跨介质运动能力，可以通过切换不同的航行介质适应不同的任务要求：在水体环境中，通过摆尾式仿生推进方式，所述仿生机器飞鱼游动速度快，机动性强，适用于复杂的水下环境中执行任务，将所述俯仰胸鳍作为控制翼面，可以改变在水下环境运动时的俯仰角，实现上浮下潜运动。该方式具有调节速度快，调节范围大，占用空间小的优点；通过所述仿生机器飞鱼尾部的快速推进和所述俯仰胸鳍配合，能够跃出水面实现水空介质的过渡，进入到空气介质中执行任务；在空气中，所述仿生机器飞鱼通过展开的所述变结构胸鳍提供升力，进行滑翔运动，提高运动效率，适用于空中执行任务。在整体设计过程中采用小型化和轻量化的设计思想，使得仿生机器飞鱼能够更容易实现水空介质过渡以及达到更远的滑翔距离，有效解决了现有技术中水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例整体结构示意图。

图2是本发明一实施例俯仰胸鳍结构示意图。

图3是本发明一实施例变结构胸鳍结构示意图。

图4是本发明一实施例变结构胸鳍的一侧胸鳍完全折叠结构示意图。

图5是本发明一实施例变结构胸鳍的一侧胸鳍完全展开结构示意图。

图6是本发明一实施例第二传动轴的作用槽的局部放大图。

图7是本发明一实施例控制系统模块与尾部推进系统结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明实施例公开了一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，

所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体，所述第一动力装置为所述俯仰胸鳍提供动力，并通过调节所述俯仰胸鳍的俯仰角度来实现对所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的上浮下潜运动模式的调整；

所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体，所述第二动力装置为所述变结构胸鳍提供动力，并根据仿生机器飞鱼在不同的工作模式下控制所述变结构胸鳍的展开或者收拢，与仿生机器飞鱼的运动状态配合，达到仿生机器飞鱼最好的工作状态。

所述尾部推进模块包括尾部驱动模块和尾部关节模块，其中，

所述尾部驱动模块包括第三动力装置和减速箱，所述减速箱固定连接于所述第三动力装置的输出端，所述偏心轮固定连接于所述减速箱的输出端，所述第三动力装置驱动所述减速箱、所述偏心轮转动，即本发明采用电机与减速箱配合提供尾部动力，实现所述仿生机器飞鱼的水下快速游动；

所述尾部关节模块包括尾部关节和尾鳍，所述尾部关节铰接于所述本体，所述滑轨铰连接于所述尾部关节，并用于将所述减速箱的输出轴的单方向连续转动转化为所述尾部关节的左右往复摆动；

所述尾鳍铰接于所述尾部关节，或者，所述尾鳍固定于所述尾部关节。在第三动力装置的驱动下左右可摆动地安装于所述本体的后方，所述第三动力装置为所述尾部关节提供动力，所述尾部关节在所述第三动力装置作用下，可配合机器飞鱼不同的工作模式实现不同的摆动频率；

所述尾鳍通过旋转轴安装于所述尾部关节的末端，在所述尾部关节和周围流体的相互作用下，被动的绕轴快速左右摆动，为仿生机器飞鱼的快速游动提供推进力。

所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部关节的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端均与所述控制器信号连接，所述检测传感器可检测机器飞鱼的运动状态信息，所述运动状态包括仿生机器飞鱼的俯仰胸鳍的俯仰角度、仿生机器飞鱼的变结构胸鳍的折叠/收拢状态、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、仿生机器飞鱼的尾部关节的摆动频率以及仿生机器飞鱼外部环境状态，所述控制器基于检测到的仿生机器飞鱼当前的工作模式、仿生机器飞鱼的俯仰胸鳍的俯仰角度、仿生机器飞鱼的变结构胸鳍的折叠/收拢状态、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、仿生机器飞鱼的尾部关节的摆动频率以及仿生机器飞鱼外部环境状态信息中的至少一者，发送工作模式指令至第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端，控制所述仿生机器飞鱼实现模式指令。

下面结合附图进一步说明本发明一实施例的优选实施方式。参照附图1，本发明的水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的整体外形采用生物飞鱼的流线型设计，包括躯体舱1、顶盖2、开关3、俯仰胸鳍4、变结构胸鳍5、凹槽6、尾部防水蒙皮7、尾柄关节8、尾鳍9，其中，所述躯体舱1为带有所述凹槽6的流线型壳体，用于放置所述仿生机器飞鱼的机械结构以及控制系统模块，并与所述顶盖2通过粘结材料，在本发明实施例中优选硅橡胶连接在一起，实现防水密封；所述开关3通过粘结材料，在本发明实施例中优选硅橡胶密封固定在所述顶盖2上，能够对所述仿生机器飞鱼进行上电和断电操作；所述俯仰胸鳍4为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体齿轮传动实现旋转运动，在发明实施例中第一动力装置指的是俯仰胸鳍驱动舵机；所述变结构胸鳍5和所述第二动力装置通过传动轴连接在一起，能够实现所述变结构胸鳍5的展开与折叠功能，变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体，在发明实施例中第二动力装置指的是变结构胸鳍驱动舵机；所述凹槽6用于放置折叠后的所述变结构胸鳍5，能够减小仿生机器飞鱼在水中游动的阻力；所述尾部防水蒙皮7通过硅橡胶和所述躯体舱1连接在一起，实现整体的防水密封；所述尾鳍9和鱼体通过所述尾柄关节8连接在一起，实现所述尾鳍9的摆动运动。

参照附图2，所述本体中包含了由固定板10、驱动舵机11、传动齿轮组12、第一传动轴13、第一轴承14、动密封圈15、轴承固定件16、左胸鳍17、右胸鳍18组成的俯仰胸鳍模块。所述固定板10将所述驱动舵机11固定于所述本体中；所述第一动力装置，在本发明一实施例中优选为驱动舵机11，通过第一传动机构，在本发明一实施例中优选为第一传动轴13，驱动所述俯仰胸鳍转动，所述第一传动机构，在本发明一实施例中优选为包括传动齿轮组12、第一轴承14和第一传动轴13，所述驱动舵机11的动力输出端与所述传动齿轮组12的主动齿轮传动连接，主动齿轮和从动齿轮啮合，均可转动地安装于所述本体，所述第一传动轴13与所述传动齿轮组的从动齿轮同轴固定连接，所述第一传动轴13与所述第一轴承14转动地安装于所述本体，所述第一传动轴13的两端分别与一个所述俯仰胸鳍固定，即第一传动轴13左端与左胸鳍17连接，第一传动轴13右端与右胸鳍18连接；所述左胸鳍17和右胸鳍18通过所述驱动舵机11、所述传动齿轮组12以及所述第一传动轴13实现旋转运动，配合仿生机器飞鱼快速的尾部推进，能够实现水中的上浮下潜运动以及仿生机器飞鱼水空介质过渡过程中出水角度的调整；所述第一轴承14用于固定所述第一传动轴13并减小转动过程中的摩擦力；所述动密封圈15用于传动轴转动过程中的防水密封；所述轴承固定件16用于阻止所述第一轴承14的轴向运动。

参照附图3，变结构胸鳍模块由驱动舵机19、第二传动轴20(即鳍条传动轴)、第二轴承21、动密封圈22、前缘鳍条23、中间鳍条24、后缘鳍条25、鳍膜26组成。变结构胸鳍为所述本体左右对称的两个，所述两个变结构胸鳍包括两个前缘鳍条、两个中间鳍条、两个后缘鳍条以及两个鳍膜；所述后缘鳍条25固定于所述本体，所述第二传动轴与所述第二动力装置传动连接，在本发明一实施例中第二动力装置指的是驱动舵机19，所述前缘鳍条23在驱动舵机19的驱动下随第二传动轴20同步转动，借以将固定于所述前缘鳍条和所述后缘鳍条的所述鳍膜26撑开或收拢，即所述驱动舵机19通过所述第二传动轴20带动所述前缘鳍条23和所述中间鳍条24进行转动，实现所述变结构胸鳍5的展开与折叠功能；所述轴承21用于固定所述第二传动轴20，所述动密封圈22用于所述第二传动轴20转动过程中的防水密封。

作为优选，所述前缘鳍条23、中间鳍条24、后缘鳍条25采用弹簧钢材料支撑，具备良好的强度以及弹性形变能力。

进一步地，以附图1中右侧变结构胸鳍为例，结合附图4和附图5详细说明本发明一实施例的胸鳍收拢、展开的过程。

如附图4所示，当所述变结构胸鳍完全收拢折叠时，所述前缘鳍条23、中间鳍条24、后缘鳍条25同轴折叠在一起，收拢于所述本体的凹槽内。

如附图5所示，当所述变结构胸鳍完全展开时，即所述前缘鳍条23、中间鳍条24、后缘鳍条25运动到可完全撑开鳍膜的如图位置，所述中间鳍条24设置有D型孔，所述第二传动轴20上设置有与所述D型孔间隙配合的滑动转动部，所述滑动转动部包括沿所述第二传动轴连接并封闭的平面区和圆柱面区，所述滑动转动部设置有作用槽，所述作用槽贯通所述平面区和所述圆柱面区；所述作用槽与所述圆柱面区的连接处、所述作用槽与所述平面区的连接处沿着所述第二传动轴的转动方向依次布置，依次布置为确定方向性，即所述作用槽如图所示设置在所述第二传动轴的左边。

所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角，即所述中间鳍条24与所述第二传动轴20配合转动时，在所述第二传动轴20上设置的所述作用槽的投影线与水平线的夹角(锐角)与胸鳍完全展开时所述前缘鳍条23与所述中间鳍条24在水平面内投影的夹角相一致，在本发明实施例中，所述夹角优选为45度。

当从完全折叠状态即附图4，变成完全展开的状态即附图5时，所述第二传动轴20逆时针转动，所述前缘鳍条23随所述第二传动轴20同步逆时针转动，所述后缘鳍条25固定于所述本体不转动，所述中间鳍条24与所述第二传动轴相对转动至所述中间鳍条24的D型孔的直线面与所述第二传动轴的作用槽完全配合时，所述中间鳍条24随着所述第二传动轴20同步转动，即在本发明一实施例中，所述中间鳍条24与所述第二传动轴相对滑动后，转动了一固定的角度，所述前缘鳍条23则完全随轴转动了90度。

进一步地，如附图6为第二传动轴右轴的作用槽的局部放大图，在发明一实施例中，从上到下，第一个槽(即D型凹槽)和卡簧装配，用以防止所述前缘鳍条在轴向脱离所述第二传动轴，在第一个槽与第二个槽之间的第二传动轴部分为和所述前缘鳍条完全配合的区域，所述前缘鳍条和所述中间鳍条之间优选弹性挡圈固定于所述前缘鳍条下方，防止所述前缘鳍条滑下压住所述中间鳍条，第二个槽为所述中间鳍条与所述第二传动轴相配合的作用槽，即滑动转动部，所述中间鳍条的D型孔在所述作用槽内，跟随所述第二传动轴先相对滑动再完全配合转动。如图所示，所述滑动转动部即为图示中开设的第二个槽部，即所述中间鳍条和所述第二传动轴相对作用的槽，所述作用槽贯通所述平面区(D型孔的平面)和所述圆柱面区(D型孔的曲面)，所述作用槽与所述圆柱面区的连接处(如图所示所述作用槽在水平面的投影线与所述圆柱面的左边交接处)、所述作用槽与所述平面区的连接处(如图所示作用槽在水平面的投影线与所述平面区的右边交接处)沿着所述第二传动轴的转动方向依次布置，即当所述第二传动轴逆时针转动时，所述作用槽设置在第二传动轴如图所示的左侧，作为本领域技术人员所知，所述作用槽的位置与所述传动轴的转动方向相对应，不在此一一赘述；

所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处(右边投影交点)和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处(左边投影交点)之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角(即所述作用槽在水平面的投影线与所述D型孔的平面区在水平面的投影线的夹角)；

作为优选，所述后缘鳍条25采用圆形孔与所述传动轴20连接且为间隙配合，并不随轴转动，并且使用粘结剂粘结在所述本体的凹槽的平面上。

作为优选，所述鳍膜26采用弹性薄膜制成，通过粘结剂粘结在所述前缘鳍条23、所述中间鳍条24、所述后缘鳍条25上面，作为变结构胸鳍的鳍面，为仿生机器飞鱼在空中运动提供升力，实现滑翔运动。

为本领域技术人员所知的是，所述前缘鳍条23与所述中间鳍条24的夹角可根据需要自行设计，并不仅仅限于本发明实施例中所述角度；鳍条与传动轴的连接也不仅仅限于本发明实施例中采用的方式，只要能满足本发明实施例中运动要求均可。

参照附图7，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的尾部推进模块包括电机32、减速箱33、固定架34、偏心轮35、滑轨36、尾部关节37、关节轴38、尾柄关节8和尾鳍9，其中，所述减速箱33固定连接于所述第三动力装置的输出端，在本发明实施例中所述第三动力装置指的是电机32，所述偏心轮35固定连接于所述减速箱33的输出端，所述电机32驱动所述减速箱33、所述偏心轮35转动；所述尾部关节37铰接于所述本体，所述滑轨36通过所述关节轴38可转动地铰接于所述尾部关节37，并用于将所述减速箱33的输出轴的单方向连续转动转化为所述尾部关节37的左右往复摆动；所述尾鳍铰接于所述尾部关节，或者，所述尾鳍固定于所述尾部关节。所述电机32为航模电机，其转子为电机外壳，采用挡板41和电机罩42对所述电机32进行隔离，保证仿生机器飞鱼在运行过程中的安全，即所述电机32采用具有高功率密度的航模电机，在保证尺寸小和质量轻的前提下，具有很高的输出功率，能够满足仿生机器飞鱼快速游动出水的推进能力要求以及轻量化、小型化的需求；由于电机32具有转速快、输出扭矩较小的特点，通过与所述减速箱33进行装配，能够大大增加输出的扭矩实现所述尾部关节37快速摆动；所述减速箱33通过所述固定架34固定在所述躯体舱1上，输出轴与所述偏心轮35进行装配；所述偏心轮35和所述滑轨36进行连接，将所述减速箱33输出轴快速单方向的连续转动转化为所述尾部关节37左右对称的快速往复摆动，大大地提高了所述电机32的转动效率，进而实现仿生机器飞鱼尾部的快速推进。所述尾柄关节8和所述尾部关节37通过所述关节轴38连接，所述尾柄关节8和所述尾鳍9固定连接在一起，在所述尾部关节37的带动下，所述尾鳍9能够相对于所述关节轴38进行被动地左右往复摆动，所述限位挡板39能够限制被动尾鳍的最大摆动角度，在本发明实施例中，所述尾鳍可左右摆动的角度为所述本体的轴线两侧的-40°到40°范围，为本领域技术人员可知的是，可根据实际需要通过所述限位挡板的位置设置，规划所述尾鳍左右摆动的角度；当所述尾鳍与所述尾部关节固定连接时，即在所述螺纹孔40处通过螺丝将所述尾柄关节8固定，所述仿生机器飞鱼就可以变成单关节的推进结构。所述仿生机器飞鱼推进可以通过改变所述偏心轮35的直径以及所述限位挡板39的位置分别调整所述尾部关节37的摆动幅值和所述尾柄关节8的摆动角度，进而得到最好的仿生机器飞鱼推进性能；所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部防水蒙皮，所述尾部防水蒙皮覆盖于所述本体的尾部，所述尾部防水蒙皮优选采用乳橡胶材料制成，具有良好的柔性和防水性能，通过密封胶将所述尾部防水蒙皮和鱼体进行密封连接，实现所述仿生机器飞鱼尾部的防水功能，满足所述仿生机器飞鱼水下运动的需求。

所述仿生机器飞鱼还包括作用杆，所述偏心轮36在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的长度方向垂直的平面内可转动地安装，所述作用杆固定于所述偏心轮并且到所述偏心轮的转动轴线保持距离；所述滑轨包括两个作用部，所述两个作用部对称布置在所述主体的左右两侧，所述作用杆的自由端到所述滑轨的铰接轴的距离>所述作用部朝向所述偏心轮的侧面到所述滑轨的铰接轴的距离，即所述作用杆为用于所述偏心轮与所述滑轨的作用件，优选地，所述作用杆的长度要保证处于所述滑轨内部，当偏心轮周向转动时，所述作用杆在所述偏心轮的带动下转动，所述作用杆在所述滑轨受到所述滑轨两作用部的限制，在所述滑轨内做上下移动，即所述作用端既做周向运动，又做直线运动，也就是，所述滑轨将所述减速箱的输出轴的快速单方向的连续转动转化为所述尾部关节的左右快速往复摆动。

所述尾部关节包括两个作用部，所述两个作用部呈V字形固定连接，所述尾部关节的两作用部连接端设置有限位挡板，所述限位挡板用来限制所述尾鳍的最大摆动角度，所述尾部关节优选如图6结构，极大地减少了所述仿生机器飞鱼在水中的阻力，而且重量轻，节约材料，降低成本。

进一步地，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括控制系统模块，所述控制系统模块包括锂电池27、陀螺仪28、通信模块29、电机驱动模块30和控制模块31；所述控制模块31和所述电机驱动模块30由所述锂电池27进行供电；所述控制模块31通过所述通信模块29和上位机进行通信，即所述通信模块与外界通讯连接，用于发送所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼运动状态即能够发送所述陀螺仪28获取到的仿生机器飞鱼的姿态信息，或者接收外界发送的不同游动模式指令，也能够接收上位机发送的控制指令，对所述电机32、驱动舵机11、驱动舵机19进行驱动控制，进而实现相应的游动模式。

所述控制器通过控制所述两个俯仰胸鳍转动、所述变结构胸鳍的收拢或展开以及所述尾部关节摆动以执行所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的水下高速高机动运动、水空介质过渡运动和空中滑翔运动三种工作模式，其中，

在水下高速运动模式下，所述第三动力装置作为尾部推进机构驱动所述尾鳍左右往复摆动提供所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼前进的动力，通过控制所述尾部关节摆动的频率控制仿生机器飞鱼前进的速度，通过控制所述俯仰胸鳍的转动，实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼在水中的上浮下潜运动，所述变结构胸鳍收拢于所述本体两侧。

在水空介质过渡运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼通过控制所述俯仰胸鳍的俯仰角并配合所述尾部关节的快速摆动，实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面，在所述变结构胸鳍离开水面后，快速展开所述变结构胸鳍。

在空中滑翔运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面后，展开的变结构胸鳍提供滑翔运动的升力，实现空中滑翔运动，通过控制所述变结构胸鳍展开的角度，控制所述仿生机器飞鱼的滑翔姿态，当在空中完全收拢变结构胸鳍时，能够实现快速的溅落式入水运动。所述的仿生机器飞鱼采用轻量化和小型化的设计思想，以便实现更好的游动性能、降低水空过渡的难度和具备更好的空中滑翔运动能力。

基于上述技术方案可知，本发明提出的仿生机器飞鱼兼具水下高速运动以及空中滑翔运动的水空两栖跨介质运动的优点，能够实现生物飞鱼出色的水空两栖跨介质运动能力；可以通过切换不同的航行介质适应不同的任务要求：在水体环境中，通过摆尾式仿生推进方式，所述仿生机器飞鱼游动速度快，机动性强，适用于复杂的水下环境中执行任务；可以将所述俯仰胸鳍作为控制翼面，改变运动时的俯仰角。与现有通过移动质量滑块进行姿态调节的方式相比，该方式具有调节速度快，调节范围大，占用空间小的优点；通过所述仿生机器飞鱼尾部的快速推进和所述俯仰胸鳍配合，能够跃出水面实现水空介质的过渡，进入到空气介质中执行任务；在空气中，所述仿生机器飞鱼通过展开的所述变结构胸鳍提供升力，进行滑翔运动，提高运动效率，适用于空中执行任务。在整体设计过程中采用小型化和轻量化的设计思想，使得仿生机器飞鱼能够更容易实现水空介质过渡以及达到更远的滑翔距离。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，

所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体；

所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体；所述变结构胸鳍包括前缘鳍条、中间鳍条、后缘鳍条、鳍膜和鳍条传动轴，所述前缘鳍条固定安装于所述鳍条传动轴；所述后缘鳍条固定于所述本体；所述中间鳍条设置有D型孔，所述鳍条传动轴上设置有与所述D型孔间隙配合的滑动转动部；在所述第二动力装置的驱动过程中，所述鳍条传动轴带动所述前缘鳍条向外转动，所述中间鳍条在所述鳍膜的带动下通过所述滑动转动部相对于所述鳍条传动轴相对滑动至对应D型孔卡合后同步转动；

所述尾部推进模块安装在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的后方；

所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部推进模块的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端均与所述控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述俯仰胸鳍转动，所述第一传动机构包括主动齿轮、从动齿轮、轴承和第一传动轴，所述第一动力装置的动力输出端与所述主动齿轮传动连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮均可转动地安装于所述本体并且啮合，所述第一传动轴与所述从动齿轮同轴固定连接，所述第一传动轴通过所述轴承可转动地安装于所述本体，所述第一传动轴的两端分别与一个所述俯仰胸鳍固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述鳍条传动轴与所述第二动力装置传动连接；所述滑动转动部包括沿所述鳍条传动轴连接并封闭的平面区和圆柱面区，所述滑动转动部设置有作用槽，所述作用槽贯通所述平面区和所述圆柱面区，所述作用槽与所述圆柱面区的连接处、所述作用槽与所述平面区的连接处沿着所述鳍条传动轴的转动方向依次布置；

所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角；

所述鳍膜为两个，所述两个鳍膜对称布置在所述本体的左右两侧，所述鳍膜与所述前缘鳍条、所述中间鳍条和所述后缘鳍条固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部推进模块、偏心轮和滑轨，其中，

所述尾部推进模块包括尾部驱动模块和尾部关节模块，其中，

所述尾部驱动模块包括第三动力装置和减速箱，所述减速箱固定连接于所述第三动力装置的输出端，所述偏心轮固定连接于所述减速箱的输出端，所述第三动力装置驱动所述减速箱、所述偏心轮转动；

所述尾部关节模块包括尾部关节和尾鳍，所述尾部关节铰接于所述本体，所述滑轨铰连接于所述尾部关节，并用于将所述减速箱的输出轴的单方向连续转动转化为所述尾部关节的左右往复摆动；所述尾鳍铰接于所述尾部关节，或者，所述尾鳍固定于所述尾部关节。

5.根据权利要求4所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，还包括作用杆，所述偏心轮在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的长度方向垂直的平面内可转动地安装，所述作用杆固定于所述偏心轮并且到所述偏心轮的转动轴线保持距离；

所述滑轨包括两个作用部，所述两个作用部对称布置在所述本体的左右两侧，所述作用杆的自由端到所述偏心轮的距离＞所述作用部朝向所述偏心轮的侧面到所述偏心轮的距离。

6.根据权利要求4所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述尾部关节包括两个作用部，所述两个作用部呈V字形固定连接，所述尾部关节的两作用部连接端末端设置有限位挡板，所述限位挡板用来调整所述尾鳍的最大摆动角度，以实现和尾部关节摆动角度的配合，达到最优的游动性能。

7.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括通信模块，所述通信模块与外界通讯连接，用于发送所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼运动姿态信息以及接收外部发送的控制指令。

8.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部防水蒙皮，所述尾部防水蒙皮覆盖于所述本体的尾部，用于所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的防水密封。

9.根据权利要求5至6中任一项所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述控制器通过控制所述两个俯仰胸鳍转动、所述变结构胸鳍的收拢或展开以及尾部关节的摆动以执行所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的水下高速高机动运动、水空介质过渡运动和空中滑翔运动三种工作模式，其中，

在水下高速高机动运动模式下，所述第三动力装置作为尾部推进机构驱动尾部关节左右往复摆动并带动尾鳍左右往复摆动提供所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼前进的动力，通过控制尾部关节摆动的频率控制仿生机器飞鱼前进的速度，所述第一动力装置通过第一传动机构控制所述俯仰胸鳍运动，通过控制所述俯仰胸鳍的俯仰角实现水中的上浮下潜运动，所述变结构胸鳍收拢于所述本体两侧；

在水空介质过渡运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼通过控制所述俯仰胸鳍的俯仰角并配合尾部关节的快速摆动，实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面，在所述变结构胸鳍离开水面后，快速展开所述变结构胸鳍；

在空中滑翔运动模式下，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼跃出水面后，展开的变结构胸鳍提供滑翔运动的升力，实现空中滑翔运动，通过控制所述变结构胸鳍展开的角度，控制所述仿生机器飞鱼的滑翔姿态，当在空中完全收拢变结构胸鳍时，能够实现快速的溅落式入水运动。

Images