CN112917493B - 一种仿鱼类水下机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仿生机器人的技术领域，具体而言，涉及一种仿鱼类水下机器人,包括外壳、驱动组件和张拉整体摆动件。张拉整体摆动件包括若干张拉绳和张拉件。相邻两个张拉件之间通过若干张拉绳连接，以使若干张拉件串联。驱动组件和张拉整体摆动件设置于外壳内部。驱动组件设置于外壳的头部。张拉整体摆动件一端连接于外壳的尾部，另一端连接于驱动组件。使用时，驱动组件驱动张拉整体摆动件摆动，进而产生前进的动力。利用张拉整体骨骼结构取代传统的仿鱼类摆尾结构，只需在第一个张拉件进行合适的驱动，并添加适当的约束，就可以实现摆尾动作，无需对每个张拉件进行驱动，因此，有效地降低了控制的难度，并且避免增加整体的尺寸和重量。

Description

一种仿鱼类水下机器人
技术领域
本发明涉及仿生机器人的技术领域，具体而言，涉及一种仿鱼类水下机器人。
背景技术
海洋脊椎生物通常一般通过左右或者上下摆动尾鳍来提供运动的动力，其他鱼鳍配合完成运动。目前大多数人造海上通行工具利用螺旋桨来提供运动的动力，这种驱动方式的优点是可以提供很大的驱动力，缺点则是产生的噪音过大。相反模仿鱼类通过摆动提供动力则可以减少噪音的产生。
在一些其他的鱼类摆尾发明创造中，通常使用球副来连接鱼的每一节骨骼，每一个关节都可以绕着球副在一定范围内自由转动，进而带动下一节骨骼运动，若干个重复单元会形成复杂的运动，并且如果不加以限制，则无法确定每一节骨骼之间的运动关系。要实现预期的运动，需要添加很多电机去驱动不同的骨骼单元。这样会增加设计和布局的复杂性，并且会减小仿生鱼体中的可利用空间。
申请内容
本发明的目的在于提供一种仿鱼类水下机器人，其结构稳定，控制简单。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种仿鱼类水下机器人，包括外壳、驱动组件和张拉整体摆动件；所述张拉整体摆动件包括若干张拉绳和张拉件；相邻两个所述张拉件之间通过若干所述张拉绳连接，以使若干所述张拉件串联；
所述驱动组件和张拉整体摆动件设置于所述外壳内部；所述驱动组件设置于所述外壳的头部；所述张拉整体摆动件一端连接于所述外壳的尾部，另一端连接于所述驱动组件。
进一步地，所述张拉件呈十字形；奇数位的若干所述张拉件位于同一平面内；偶数位的每个所述张拉件所在的平面均相交于奇数位的若干所述张拉件所在平面；若干所述张拉件的中心位于偶数位的若干所述张拉件所在的平面与奇数位的若干所述张拉件所在的平面的相交线上。
进一步地，所述张拉件呈中心对称；偶数位的每个所述张拉件所在的平面均垂直于奇数位的若干所述张拉件所在平面。
进一步地，所述张拉整体摆动件一端固定连接于所述外壳的尾部，另一端铰接于所述外壳的头部；所述驱动组件包括驱动电机、齿轮组和两个扭转绳；所述张拉件铰接点两侧分别连接于一个所述扭转绳；两个所述扭转绳另一端分别连接于一个齿轮；所述齿轮组的若干齿轮相互啮合；连接所述扭转绳的两个所述齿轮的转向相反；所述驱动电机传动连接于所述齿轮。
进一步地，所述齿轮设置有4个；4个所述齿轮沿直线分布；所述扭转绳分别连接于两端的两个所述齿轮。
进一步地，每个所述扭转绳包括两条相互缠绕的绳，以使所述扭转绳呈双绞线状。
进一步地，所述扭转绳的材质为尼龙线、碳纤线或编织线等。
进一步地，所述外壳的形状与海豚的形状相同；所述张拉整体摆动件驱动所述尾部相对于所述头部上下摆动。
进一步地，所述外壳的形状与鲤鱼的形状相同；所述张拉整体摆动件驱动所述尾部相对于所述头部左右摆动。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明的仿鱼类水下机器人使用时，驱动组件驱动张拉整体摆动件摆动，进而产生前进的动力。利用张拉整体骨骼结构取代传统的仿鱼类摆尾结构，只需在第一个张拉件进行合适的驱动，并添加适当的约束，就可以实现摆尾动作，无需对每个张拉件进行驱动，因此，有效地降低了控制的难度，并且避免增加整体的尺寸和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的仿鱼类水下机器人的结构示意图；
图2为驱动组件的结构示意图；
图3为张拉整体摆动件与头部的连接示意图；
图4为张拉整体摆动件的结构示意图。
图标：1-外壳，11-头部，12-尾部，2-驱动组件，21-驱动电机，22-齿轮，23-扭转绳，3-张拉整体摆动件，31-张拉绳，32-张拉件，321-支杆。
具体实施方式
实施例1：
如图1-图4所示，本发明提供一种仿鱼类水下机器人，包括外壳1、驱动组件2和张拉整体摆动件3。外壳1由中空的头部11和尾部12构成。头部11和尾部12均适应于海豚的外形进行设计，使得两者组合后的外形和海豚的外形相同。同时，尾部12由柔软可弯折的材料制成，使得尾部12在张拉整体摆动件3的作用下能够摆动。
驱动组件2和张拉整体摆动件3设置于外壳1内部。张拉整体摆动件3包括若干张拉绳31和张拉件32。相邻两个张拉件32之间通过若干张拉绳31连接，以使若干张拉件32串联。张拉整体摆动件3所在位置为海豚的腰部和尾部12，张拉整体摆动件3摆动即可开动海豚的腰部和尾部12摆动，进而产生前进的动力。
驱动组件2设置于外壳1的头部11。张拉整体摆动件3一端连接于外壳1的尾部12，另一端连接于驱动组件2。
本发明的仿鱼类水下机器人使用时，驱动组件2驱动张拉整体摆动件3摆动，进而产生前进的动力。利用张拉整体骨骼结构取代传统的仿鱼类摆尾结构，只需在第一个张拉件32进行合适的驱动，并添加适当的约束，就可以实现摆尾动作，无需对每个张拉件32进行驱动，因此，有效地降低了控制的难度，并且避免增加整体的尺寸和重量。
本实施例中，张拉件32呈十字形。如图4所示，奇数位的若干张拉件32位于同一平面内。偶数位的每个张拉件32所在的平面均相交于奇数位的若干张拉件32所在平面。若干张拉件32的中心位于偶数位的若干张拉件32所在的平面与奇数位的若干张拉件32所在的平面的相交线上。张拉件32包括四个支杆321。四个支杆321的一端共同连接于中心且四个支杆321呈十字形分布。四个支杆321的另一端即末端呈放射状向外分布。若干张拉件32排布后，每个支杆321的末端有三个相邻的支杆321末端。分别是该支杆321所在的张拉件32相邻的张拉件32的两个支杆321；同时，这两个支杆321分布于该支杆321的两侧。另外一个支杆321是该支杆321所在的张拉件32相间的张拉件32的一个支杆321末端。每个支杆321的末端通过张拉绳31连接于与其相邻的三个支杆321末端，同时还通过张拉绳31连接该支杆321所在的张拉件32相邻的张拉件32的中心。通过这种方式使得若干张拉件32连接为一个有机的整体。
奇数位的若干张拉件32用于限制张拉整体摆动件3的竖直方向的晃动。偶数位的若干张拉件32用于限制奇数位若干张拉件32的水平方向的晃动，起到稳固作用。奇数位的若干张拉件32和偶数位的若干正拉件配合共同保证张拉整体摆动件3的稳定性。
张拉件32呈中心对称。偶数位的每个张拉件32所在的平面均垂直于奇数位的若干张拉件32所在平面。这就使得张拉整体摆动件3的结构更加稳定可靠。
本实施例中，张拉整体摆动件3一端固定连接于外壳1的尾部12，另一端铰接于外壳1的头部11。驱动组件2包括驱动电机21、齿轮22组和两个扭转绳23。驱动电机21为直流无刷电机或直流有刷电机。张拉件32铰接点两侧分别连接于一个扭转绳23。两个扭转绳23另一端分别连接于一个齿轮22。齿轮22组的若干齿轮22相互啮合。连接扭转绳23的两个齿轮22的转向相反。驱动电机21传动连接于齿轮22。
没有发生上下摆尾的动作时，两根扭转绳23都有不同程度的扭曲，当接通电路，驱动电机21开始转动时，其中一根扭转绳23逐渐松弛变长，另一根扭转绳23继续扭曲缩短，进而产生沿着扭转绳23方向的拉力，拉动张拉整体摆动件3绕着铰接点转动，进而使得张拉整体摆动件3末端的鱼尾随之摆动，当摆动角度达到设定的角度，电机开始反向转动，两根扭转绳23状态与前一阶段相反，鱼尾向另一个方向开始摆动。
本实施例中，齿轮22设置有4个。4个齿轮22沿直线分布。扭转绳23分别连接于两端的两个齿轮22。这就使得连接两个扭转绳23的两个齿轮22相距较远，避免两个扭转绳23想个太近导致相互摩擦或缠绕。齿轮22的数量任意，其也可以是两个，只要保证两个扭转绳23相距较远即可。
本实施例中，每个扭转绳23包括两条相互缠绕的绳，以使扭转绳23呈双绞线状。实际中，扭转绳23为对折的绳子。
本实施例中，扭转绳23的材质为尼龙线、碳纤线或编织线等。
本发明可以通过选择不同形状的张拉整体摆动件3和驱动组件2的安装个数和位置来实现不同的运动。本文选用十字形张拉件32组合成张拉整体摆动件3代替海豚的骨骼。张拉整体摆动件3有很多优点，例如在张拉整体摆动件3的节点和基本结构形式不变的情况下，可以适当改变张拉件32的形状以便与其他部件的连接。本发明在连接驱动电机21和张拉整体摆动件3就利用了这种特性。在最靠近海豚头部11的张拉件32两端，分别连接一根对折的柔性双绞线，另一端分别连接在两侧的齿轮22上。当驱动电机21转动时，由于齿轮22的传动特性，两根扭转绳23会以相同的速度反向运动，一根扭转绳23会扭曲，长度会不断变短，另一根扭转绳23会松弛，长度不断变长，直到达到绳子的原长，进而拉动张拉整体摆动件3不断上下摆动，而鱼尾和张拉整体摆动件3的末端固连在一起，也会随之摆动。当驱动电机21向相反的方向转动时，原本扭紧缩短的扭转绳23逐渐松弛，原本松弛的扭转绳23逐渐扭紧变短，然后带动海豚尾部12向相反的方向摆动，从而完成摆尾动作。摆尾的速度和方向由驱动电机21的转速和转向决定，摆尾的角度由张拉整体摆动件3的长度和扭转绳23的最大变化长度决定。驱动电机21为直流无刷电机或直流有刷电机，以直流无刷电机或直流有刷电机作为主要驱动源，系统运行平稳且噪音小。
实施例2：
本实施例是实施例1的一种变化。本实施例中，将实施例1中的张拉整体摆动件3和驱动组件2沿同样的方向旋转90°，这就使得张拉整体摆动件3的竖直方向摆动切换为水平方向摆动。即，张拉整体摆动件3驱动所述尾部12相对于所述头部11左右摆动。张拉整体摆动件3水平方向摆动即可适应于左右摆尾的鱼类，进而适应于常规的鱼类的仿生机器人。具体的，外壳1的形状可以设置为鲤鱼的形状，也可已设置为其他鱼类的形状。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明中，利用张拉整体摆动件3取代传统的仿鱼类摆尾结构，只需在第一个张拉件32进行合适的驱动，并添加适当的约束，就可以实现摆尾动作，无需对每个张拉件32进行驱动，因此，有效地降低了控制的难度，并且避免增加整体的尺寸和重量。
(2)本发明中，驱动电机21为直流无刷电机或直流有刷电机，以直流无刷电机或直流有刷电机作为主要驱动源，系统运行平稳且噪音小。
(3)本发明中，通过双绞线来控制驱动躯干，选取弹性形变较小的材料如尼龙线、碳纤线、编织线等作为双绞线，这些材料制成的双绞线在扭曲时，其长度会逐渐减小，甚至会在局部形成环状，绞线缩短会产生一定的轴向力，由于电机和齿轮22部分是固定的，所以绞线会带动张拉整体骨骼结构和鱼尾运动。
(4)本发明中，依据齿轮22啮合传动的特点，利用四个参数完全一致的外直齿轮22构成的齿轮22，可以改变两根双绞线的旋转方向而保持旋转速度不变，通过这种方法只需要一个驱动电机21就可以同时驱动两根双绞线向相反的方向运动，实现所需要的功能。
(5)本发明中，利用合适的机械结构(铰接)，限制张拉整体摆动件3水平自由度，进而带动鱼尾在竖直平面内摆动。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种仿鱼类水下机器人，其特征是：包括外壳(1)、驱动组件(2)和张拉整体摆动件(3)；所述张拉整体摆动件(3)包括若干张拉绳(31)和张拉件(32)；相邻两个所述张拉件(32)之间通过若干所述张拉绳(31)连接，以使若干所述张拉件(32)串联；
所述驱动组件(2)和张拉整体摆动件(3)设置于所述外壳(1)内部；所述驱动组件(2)设置于所述外壳(1)的头部(11)；所述张拉整体摆动件(3)一端连接于所述外壳(1)的尾部(12)，另一端连接于所述驱动组件(2)；
所述张拉件(32)呈十字形；奇数位的若干所述张拉件(32)位于同一平面内；偶数位的每个所述张拉件(32)所在的平面均相交于奇数位的若干所述张拉件(32)所在平面；若干所述张拉件(32)的中心位于偶数位的若干所述张拉件(32)所在的平面与奇数位的若干所述张拉件(32)所在的平面的相交线上。
2.根据权利要求1所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述张拉件(32)呈中心对称；偶数位的每个所述张拉件(32)所在的平面均垂直于奇数位的若干所述张拉件(32)所在平面。
3.根据权利要求2所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述张拉整体摆动件(3)一端固定连接于所述外壳(1)的尾部(12)，另一端铰接于所述外壳(1)的头部(11)；所述驱动组件(2)包括驱动电机(21)、齿轮(22)组和两个扭转绳(23)；所述张拉整体摆动件(3)的铰接点设置于所述张拉件(32)；所述张拉件(32)铰接点两侧分别连接于一个所述扭转绳(23)；两个所述扭转绳(23)另一端分别连接于一个齿轮(22)；所述齿轮(22)组的若干齿轮(22)相互啮合；连接所述扭转绳(23)的两个所述齿轮(22)的转向相反；所述驱动电机(21)传动连接于所述齿轮(22)。
4.根据权利要求3所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述齿轮(22)设置有4个；4个所述齿轮(22)沿直线分布；所述扭转绳(23)分别连接于两端的两个所述齿轮(22)。
5.根据权利要求3所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：每个所述扭转绳(23)包括两条相互缠绕的绳，以使所述扭转绳(23)呈双绞线状。
6.根据权利要求3所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述扭转绳(23)的材质为尼龙线、碳纤线或编织线。
7.根据权利要求3所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述外壳(1)的形状与海豚的形状相同；所述张拉整体摆动件(3)驱动所述尾部(12)相对于所述头部(11)上下摆动。
8.根据权利要求3所述的仿鱼类水下机器人，其特征是：所述外壳(1)的形状与鲤鱼的形状相同；所述张拉整体摆动件(3)驱动所述尾部(12)相对于所述头部(11)左右摆动。
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