CN112224369A - 一种仿生鱼尾水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿生鱼尾水下机器人，包括外壳、推进机构、姿态调整机构以及控制系统，推进机构和姿态调整机构均设于外壳上，推进机构包括安装板、一端固定连接于安装板上的扭力簧串、固定连接于扭力簧串的另一端的尾鳍、包裹于扭力簧串外的弹性尾体以及用于驱动安装板摆动的第一动力组件；姿态调整机构包括设于外壳的相对两侧的胸鳍、设于外壳的顶部的背鳍以及用于驱动胸鳍和背鳍摆动的第二动力组件；第一动力组件和第二动力组件电性连接于控制系统。与现有技术相比，本发明通过采用扭力簧串模仿海洋动物和鱼类的游动方式，从而获得鱼类游动的速度和效能，充分发挥机器人的动力资源，高效能输出力矩，且上述推进方式具有低噪音的优点。

Description

一种仿生鱼尾水下机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种仿生鱼尾水下机器人。

背景技术

随着国家海洋战略推进，水下机器人在海洋生物研究、海底资源探测以及海洋军事任务等军民两用领域得到了广泛的应用。传统的水下机器人普遍采用螺旋桨作为驱动方式，使得水下机器人能在水中移动。

然而，基于螺旋桨推进机构的传统的水下机器人存在以下缺点与不足：能量消耗率高且能量利用率低，桨叶曲率固定不变，是效能低的主要原因，会产生较大的噪音和尾涡。

因此，亟需一种具有高效能和低噪音的特性的水下机器人。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种仿生鱼尾水下机器人，以解决现有技术中存在的水下机器人的效能低和噪音大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种仿生鱼尾水下机器人，包括：

外壳；

推进机构，设于所述外壳上，所述推进机构包括安装板、一端固定连接于所述安装板上的扭力簧串、固定连接于所述扭力簧串的另一端的尾鳍、包裹于所述扭力簧串外的弹性尾体以及用于驱动所述安装板摆动的第一动力组件；

姿态调整机构，设于所述外壳上，所述姿态调整机构包括设于所述外壳的相对两侧的胸鳍、设于所述外壳的顶部的背鳍以及用于驱动所述胸鳍和所述背鳍摆动的第二动力组件；以及

控制系统，所述第一动力组件和所述第二动力组件电性连接于所述控制系统。

在一个实施例中，所述扭力簧串包括固定连接于所述安装板上的第一固定部、固定连接于所述尾鳍上的第二固定部以及多个依次连接在所述第一固定部和所述第二固定部之间的扭簧单体，每一所述扭簧单体包括簧圈以及分别连接于所述簧圈的两端的扭力杆。

在一个实施例中，沿所述第一固定部至所述第二固定部的方向，所述扭簧单体的簧圈的直径逐渐增大。

在一个实施例中，沿所述第一固定部至所述第二固定部的方向，所述扭簧单体的簧圈的圈数逐渐增加。

在一个实施例中，所述第一动力组件包括推进驱动件、推进减速器以及推进驱动轴，所述推进驱动件设于所述外壳内部且与所述控制系统电性连接，所述推进驱动件的输出端与所述推进减速器的输入端固定连接，所述推进减速器的输出端与所述推进驱动轴固定连接，所述安装板固定连接于所述推进驱动轴上。

在一个实施例中，第二动力组件包括第一驱动件、第一驱动轴、第二驱动件以及第二驱动轴，所述第一驱动件和所述第二驱动件均设于所述外壳内部且与所述控制系统电性连接，所述第一驱动件的输出端与所述第一驱动轴固定连接，所述胸鳍固定连接于所述第一驱动轴上；所述第二驱动件的输出端与所述第二驱动轴固定连接，所述背鳍固定连接于所述第二驱动轴上。

在一个实施例中，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳内的电源，所述电源与所述控制系统电性连接。

在一个实施例中，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的机械手和摄像机构，所述机械手和所述摄像机构电性连接于所述控制系统。

在一个实施例中，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的鱼雷发射机构，所述鱼雷发射机构电性连接于所述控制系统。

在一个实施例中，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的声呐探测机构，所述声呐探测机构电性连接于所述控制系统。

本发明提供一种仿生鱼尾水下机器人，包括外壳、推进机构、姿态调整机构以及控制系统，其中，推进机构和姿态调整机构均设于外壳上，推进机构包括安装板、一端固定连接于安装板上的扭力簧串、固定连接于扭力簧串的另一端的尾鳍、包裹于扭力簧串外的弹性尾体以及用于驱动安装板摆动的第一动力组件；姿态调整机构包括设于外壳的相对两侧的胸鳍、设于外壳的顶部的背鳍以及用于驱动胸鳍和背鳍摆动的第二动力组件；第一动力组件和第二动力组件电性连接于控制系统。与现有技术相比，本发明的推进机构的结构简单，扭力簧串可以储存和释放能量，产生鞭状摆动动作，逼真地模拟了鱼类的游进动作，即通过采用扭力簧串模仿海洋动物和鱼类的游动方式，从而获得鱼类游动的速度和效能，充分发挥机器人的动力资源，高效能输出力矩，且上述推进方式具有低噪音的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的仿生鱼尾水下机器人的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的仿生鱼尾水下机器人的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的扭力簧串的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100-外壳；200-推进机构；210-安装板；220-扭力簧串；221-第一固定部；222-第二固定部；223-扭簧单体；2231-簧圈；2232-扭力杆；230-弹性尾体；240-尾鳍；250-第一动力组件；251-推进驱动轴；300-姿态调整机构；310-胸鳍；320-背鳍；330-第二动力组件；331-第一驱动轴；332-第二驱动轴；400-电源；500-机械手；600-摄像机构；700-鱼雷发射机构；800-声呐探测机构；900-控制系统。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1与图2，本发明实施例提供一种仿生鱼尾水下机器人，包括外壳100、推进机构200以及控制系统900，推进机构200设于外壳100上，推进机构200具体包括安装板210、扭力簧串220、尾鳍240、弹性尾体230以及第一动力组件250，扭力簧串220的一端固定连接于安装板210上，扭力簧串220的另一端固定连接于尾鳍240，弹性尾体230包裹于扭力簧串220外，第一动力组件250用于驱动安装板210摆动，第一动力组件250电性连接于控制系统900。

本发明实施例的仿生鱼尾水下机器人的工作原理为：控制系统900可以控制第一动力组件250工作，使得第一动力组件250驱动安装板210往复摆动并带动扭力簧串220一起摆动，此时，包裹于扭力簧串220外的弹性尾体230也随扭力簧串220同步摆动，弹性尾体230摆动产生的推进力促使仿生鱼尾水下机器人向前游动。在该实施例中，控制系统900可以通过控制第一动力组件250来调整安装板210摆动的频率和角度，来控制仿生鱼尾水下机器人的游速、转向以及启停等。与现有技术相比，本发明实施例的推进机构200的结构简单，扭力簧串220可以储存和释放能量，产生鞭状摆动动作，逼真地模拟了鱼类的游进动作，即通过采用扭力簧串220模仿海洋动物和鱼类的游动方式，从而获得鱼类游动的速度和效能，充分发挥机器人的动力资源，高效能输出力矩，且上述推进方式具有低噪音的优点。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图1和图2所示，仿生鱼尾水下机器人还包括姿态调整机构300，姿态调整机构300设于外壳100上，姿态调整机构300包括胸鳍310、背鳍320以及第二动力组件330，胸鳍310设于外壳100的相对两侧且能相对于外壳100进行摆动，背鳍320设于外壳100的顶部且能相对于外壳100进行摆动，第二动力组件330用于驱动胸鳍310和背鳍320摆动，第二动力组件330电性连接于控制系统900。此结构下，控制系统900可以控制第二动力组件330工作，使得第二动力组件330驱动胸鳍310和背鳍320摆动，从而调整胸鳍310和背鳍320的角度，一方面可以控制仿生鱼尾水下机器人的平衡状态，另一方面，还能辅助仿生鱼尾水下机器人调整游速和调整姿态(转向、启停等)。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，仿生鱼尾水下机器人的左右两侧的胸鳍310均具有扑翼(摆动)和扭转两个自由度，可以实现全航速的减摇控制，有利于控制仿生鱼尾水下机器人的平衡状态、游速和姿态。可以理解的是，根据实际情况的选择和具体需求，胸鳍310可以具有更多自由度，在此不作唯一限定。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，请参阅图3，同时结合图2，本发明实施例的仿生鱼尾水下机器人通过模拟鲨鱼的高速游动机理，对扭力簧串220进行设计，扭力簧串220具体包括固定连接于安装板210上的第一固定部221、固定连接于尾鳍240上的第二固定部222以及多个依次连接在第一固定部221和第二固定部222之间的扭簧单体223，每一扭簧单体223包括簧圈2231以及分别连接于簧圈2231的两端的扭力杆2232。此结构下，当第一动力组件250驱动安装板210正向摆动时，簧圈2231的两端的扭力杆2232能相对转动，簧圈2231可以储存弹性势能；当第一动力组件250驱动安装板210反向摆动时，簧圈2231能够释放弹性势能，簧圈2231的两端的扭力杆2232在所释放的弹性势能和安装板210摆动的作用下相对转动，重复上述操作，使得扭力簧串220整体呈现鞭状运动状态，逼真地模拟了鱼类的游动方式。

具体来说，工作时，第一动力组件250驱动安装板210向一侧正向转动一定角度，由于弹性尾体230整体受水的阻力作用，最靠近安装板210的一端的第一个扭簧单体223受力最大，首先屈服并弯曲一定角度后储存弹性势能，然后第二个扭簧单体223开始屈服并弯曲一定角度后储存弹性势能，依次类推，其他的扭簧单体223屈服并弯曲一定角度后储存弹性势能；

安装板210向一侧转动一定角度后，第一动力组件250驱动安装板210向另一侧反向转动一定角度，最靠近安装板210的一端的第一个扭簧单体223释放弹性势能并反方向扭转屈服，带动第二个扭簧单体223仍继续按原方向转动一定角度，然后第二个扭簧单体223释放弹性势能并反方向扭转屈服，依次类推，其他的扭簧单体223先朝原方向转动一定角度然后释放弹性势能并反方向扭转屈服。在水的阻力作用下，扭力簧串220整体呈现鞭状运动状态，安装板210反复摆动，弹性尾体230和尾鳍240反复扭曲向侧后方推水，产生反作用力，使仿生鱼尾水下机器人获得前进力，在连续游进中，扭力簧串220沿正弦曲线轨迹运动，逼真地模拟了鱼类的游动方式，实现了只利用一个驱动件(普通电机)的正反转控制即可实施尾鳍240的定幅值摆尾和调幅。

进一步地，作为本发明的一个可选实施方式，由第一固定部221至第二固定部222的方向，扭簧单体223的簧圈2231的直径逐渐增大。此结构下，多个自由度不同的扭簧单体223呈一字分布，使得扭力簧串220的扭簧单体223扭力矩由第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减小，扭力簧串220的刚度自第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减弱，有利于实现扭力簧串220的鞭状运动。

进一步地，作为本发明的一个可选实施方式，沿第一固定部221至第二固定部222的方向，扭簧单体223的簧圈2231的圈数逐渐增加。此结构下，多个自由度不同的扭簧单体223呈一字分布，使得扭力簧串220的扭簧单体223扭力矩由第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减小，扭力簧串220的刚度自第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减弱，有利于实现扭力簧串220的鞭状运动。

进一步地，作为本发明的一个可选实施方式，由第一固定部221至第二固定部222的方向，扭簧单体223的簧圈2231的直径逐渐增大，且扭簧单体223的簧圈2231的圈数逐渐增加。此结构下，多个自由度不同的扭簧单体223呈一字分布，使得扭力簧串220的扭簧单体223扭力矩由第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减小，扭力簧串220的刚度自第一固定部221至第二固定部222的方向逐渐减弱，有利于实现扭力簧串220的鞭状运动。

进一步地，作为本发明的一个可选实施方式，第一固定部221可以通过焊接或螺栓连接等方式固定连接在安装板210上，第二固定部222可以通过焊接或螺栓连接等方式固定连接在尾鳍240上，在此不作唯一限定。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，第一动力组件250包括推进驱动件(图未示)、推进减速器(图未示)以及推进驱动轴251，推进驱动件设于外壳100内部且与控制系统900电性连接，推进驱动件的输出端与推进减速器的输入端固定连接，推进减速器的输出端与推进驱动轴251固定连接，安装板210固定连接于推进驱动轴251上。在该实施例中，第一驱动件可以为普通电机。可以理解的是，根据实际情况的选择和具体需求，第一动力组件250的具体结构可以作适当修改，在此不作唯一限定。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图2所示，第二动力组件330包括第一驱动件(图未示)、第一驱动轴331、第二驱动件(图未示)以及第二驱动轴332，第一驱动件和第二驱动件均设于外壳100内部且与控制系统900电性连接，第一驱动件的输出端与第一驱动轴331固定连接，胸鳍310固定连接于第一驱动轴331上；第二驱动件的输出端与第二驱动轴332固定连接，背鳍320固定连接于第二驱动轴332上。在该实施例中，第一驱动件和第二驱动件可以为普通电机或内燃机。可以理解的是，根据实际情况的选择和具体需求，第二动力组件330的具体结构可以作适当修改，在此不作唯一限定。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图2所示，仿生鱼尾水下机器人还包括设于外壳100内的电源400，电源400具体可以为发电机(内燃机)、燃料电池或锂离子电池，电源400与控制系统900电性连接，从而通过控制系统900为整个仿生鱼尾水下机器人供电。

具体地，推进驱动件为普通电机，具体由发电机(内燃机)、动力锂电池组或者氢燃料电池驱动，驱动轴251垂直于扭力簧串220设置，推进驱动件通过推进减速器驱动驱动轴251进行周期摆动，摆动频率速度可在0.5～10周/秒之间调节，定义单侧摆幅为驱动轴251相对于仿生鱼尾水下机器人的中轴线的最大夹角，单侧摆尾转向为尾鳍240相对于仿生鱼尾水下机器人的中轴线的最大夹角，本实施例中，单侧摆幅在15°～45°之间调节，单侧摆尾转向在15°～45°之间调节，上述摆动频率、摆动幅度以及摆尾转向调节功能均通过控制系统900进行调节。当然，根据实际情况的选择和具体需求，单侧摆幅和单侧摆尾转向也可以大于45°，在此不作唯一限定。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图2所示，仿生鱼尾水下机器人还包括设于外壳100上的机械手500和摄像机构600，机械手500和摄像机构600电性连接于控制系统900。此结构下，使得仿生鱼尾水下机器人具备视觉识别和一定的操作(拾取、搬运或者使用工具)能力，控制系统900可以通过机械手500和摄像机构600配合来进行拾取、搬运以及夹取等操作。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图2所示，仿生鱼尾水下机器人还包括设于外壳100上的鱼雷发射机构700，鱼雷发射机构700电性连接于控制系统900。此结构下，控制系统900可以控制鱼雷发射机构700发射鱼雷，使得仿生鱼尾水下机器人具备一定的军事能力。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，如图2所示，仿生鱼尾水下机器人还包括设于外壳100上的声呐探测机构800，声呐探测机构800电性连接于控制系统900。此结构下，控制系统900可以控制声呐探测机构800进行水下地形勘测、水下侦察、巡航视察以及特定目标搜寻等操作。

进一步地，作为本发明的一个具体实施方式，本发明实施例的水下仿生鱼尾机器人是自身携带电源400、推进机构200和控制系统900，控制系统900具体可以但不限于为中枢神经发生器(CPG，Central Pattern Generators)模块，使得水下仿生鱼尾机器人成为不需要人工干预、自主航行控制、自主执行作业任务的无人水下机器人。

需要说明的是，本发明实施例的仿生鱼尾水下机器人中，推进机构200、姿态调整机构300、机械手500、摄像机构600、鱼雷发射机构700以及声呐探测机构800为模块化设计，即推进机构200、姿态调整机构300、机械手500、摄像机构600、鱼雷发射机构700以及声呐探测机构800是分别组装后再安装在仿生鱼尾水下机器人上的，有利于小型化以及制造加工工艺的实现，且根据实际情况的选择和具体需求，本发明实施例的仿生鱼尾水下机器人还可以包括其它机构，以增加仿生鱼尾水下机器人的功能，在此不作唯一限定。

值得一提的是，水下仿生鱼尾机器人是一种集运动学和动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制技术、电动伺服随动技术、传感器技术、仿生学、人工智能理论等科学技术为一体的、复杂的仿生移动平台，根据要求搭载各种专用传感器、光学设备、通讯设备等。

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 (10)

1.一种仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，包括：

外壳；

推进机构，设于所述外壳上，所述推进机构包括安装板、一端固定连接于所述安装板上的扭力簧串、固定连接于所述扭力簧串的另一端的尾鳍、包裹于所述扭力簧串外的弹性尾体以及用于驱动所述安装板摆动的第一动力组件；

姿态调整机构，设于所述外壳上，所述姿态调整机构包括设于所述外壳的相对两侧的胸鳍、设于所述外壳的顶部的背鳍以及用于驱动所述胸鳍和所述背鳍摆动的第二动力组件；以及

控制系统，所述第一动力组件和所述第二动力组件电性连接于所述控制系统。

2.如权利要求1所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述扭力簧串包括固定连接于所述安装板上的第一固定部、固定连接于所述尾鳍上的第二固定部以及多个依次连接在所述第一固定部和所述第二固定部之间的扭簧单体，每一所述扭簧单体包括簧圈以及分别连接于所述簧圈的两端的扭力杆。

3.如权利要求2所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，沿所述第一固定部至所述第二固定部的方向，所述扭簧单体的簧圈的直径逐渐增大。

4.如权利要求2所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，沿所述第一固定部至所述第二固定部的方向，所述扭簧单体的簧圈的圈数逐渐增加。

5.如权利要求1所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述第一动力组件包括推进驱动件、推进减速器以及推进驱动轴，所述推进驱动件设于所述外壳内部且与所述控制系统电性连接，所述推进驱动件的输出端与所述推进减速器的输入端固定连接，所述推进减速器的输出端与所述推进驱动轴固定连接，所述安装板固定连接于所述推进驱动轴上。

6.如权利要求1所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，第二动力组件包括第一驱动件、第一驱动轴、第二驱动件以及第二驱动轴，所述第一驱动件和所述第二驱动件均设于所述外壳内部且与所述控制系统电性连接，所述第一驱动件的输出端与所述第一驱动轴固定连接，所述胸鳍固定连接于所述第一驱动轴上；所述第二驱动件的输出端与所述第二驱动轴固定连接，所述背鳍固定连接于所述第二驱动轴上。

7.如权利要求1至6任一项所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳内的电源，所述电源与所述控制系统电性连接。

8.如权利要求1至6任一项所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的机械手和摄像机构，所述机械手和所述摄像机构电性连接于所述控制系统。

9.如权利要求1至6任一项所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的鱼雷发射机构，所述鱼雷发射机构电性连接于所述控制系统。

10.如权利要求1至6任一项所述的仿生鱼尾水下机器人，其特征在于，所述仿生鱼尾水下机器人还包括设于所述外壳上的声呐探测机构，所述声呐探测机构电性连接于所述控制系统。

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