CN113148078B - 一种泥下运行机器鱼 - Google Patents

Abstract

一种泥下运行机器鱼，属于泥下运行机器技术领域。包括罩体、驱动装置、浮潜装置和方向控制装置，罩体的筒罩两端分别连接头罩和尾罩；在所述罩体内设置整体骨架；驱动装置的前驱动机构的驱动齿圈安装在头罩和筒罩间，后驱动机构的驱动齿圈安装在筒罩和尾罩间，且前驱动机构和后驱动机构的驱动齿圈上分别设置有旋向相反的驱动叶片，前、后驱动齿圈及其上的驱动叶片在工作时转动方向相反；浮潜装置的驱动机构设置在筒罩内，驱动设置在筒罩外的浮潜板摆动方向相反，控制整体上浮下潜；方向控制装置连接在尾罩处，控制运行方向。本发明采用两旋向相反的螺旋叶片驱动，依靠泥壤反作用，推动机器前进，结构简单，便于实现高速前进，且调速方便。

Description

一种泥下运行机器鱼

技术领域

本发明涉及一种泥下运行机器鱼,可携带检测装置，应用于水田种植、水产养殖等泥下采样、监测作业，也可应用于泥下考古、泥下勘探等。

背景技术

随着仿生技术的不断改善，仿生机器人已经广泛应用到世界各个领域，为了提高机器人的性能，研究学者们利用传感器、微型计算机、无线控制技术对机器人进行协助操作。仿生学是研究生物的特殊结构及运动肌理，为科学技术提供新的设计理念和工作方式的一种技术科学，为机器人的发展与方向提供了新的思路。

现有的水下拱泥机器人(专利申请号为CN201710445841.7)是利用蚯蚓的独特的拱泥方式，通过对其外形结构、运动肌理进行仿生分析设计而成。用于水产养殖业、水下考古、水下探险、测量水底污染程度、沉船事故救援以及测绘海底地图等领域。其具体技术方案：一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人，包括顺序连接的拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构、尾部仓和通信单元，所述第一前进转向机构中的第一球铰链与拱泥头机构中的前端盖连接；第一前进转向机构中的第一万向节铰链与第一支撑机构中的第一连接板连接；第二前进转向机构中的第二球铰链与第一支撑机构的后端连接；第二前进转向机构中的第二万向节铰链与第二支撑机构中的第二连接板连接；第二支撑机构的后端连接尾部仓，通信单元和拱泥头机构、第一前进转向机构、第一支撑机构、第二前进转向机构、第二支撑机构及尾部仓电连接。这种机器人的蠕动拱泥方式结构复杂、移动速度慢，机动性差，影响作业效率。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种泥下运行机器鱼，采用两旋向相反的螺旋叶片驱动，依靠泥壤反作用，推动机器前进，结构简单，便于实现高速前进，机动性好，且调速方便，且可以在水中运行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种泥下运行机器鱼，包括罩体、驱动装置、浮潜装置、方向控制装置和控制系统；

所述罩体包括头罩、筒罩和尾罩，所述筒罩两端通过支撑盘、骨架分别连接头罩和尾罩；在所述罩体内设置整体骨架；

所述驱动装置包括前驱动机构和后驱动机构，前驱动机构的驱动齿圈安装在头罩和筒罩间，后驱动机构的驱动齿圈安装在筒罩和尾罩间，且前驱动机构和后驱动机构的驱动齿圈外缘分别设置有旋向相反的驱动叶片，前、后驱动齿圈及其上的驱动叶片在工作时转动方向相反；

所述浮潜装置包括前、后浮潜机构，其驱动机构设置在筒罩内，浮潜板设置在筒罩外，驱动设置在筒罩外的浮潜板摆动方向相反，控制整体上浮下潜。

所述方向控制装置连接在尾罩处，控制运行方向；

所述控制系统分别连接驱动装置、浮潜装置及方向控制装置，控制各装置运行，并汇集处理检测信号和姿态信号，传送至地面工作站。

进一步地，所述骨架上位于罩筒两端分别连接两个支撑盘，其中筒罩两端分别为支撑盘Ⅱ和支撑盘Ⅲ，头罩和尾罩分别与支撑盘Ⅰ、支撑盘Ⅳ连接，每个所述支撑盘与头罩、筒罩、尾罩间均设置密封装置。

进一步地，所述前驱动机构和后驱动机构结构相同，均包括驱动电机、驱动齿轮、驱动齿圈和多个驱动叶片，所述驱动电机输出轴端均安装驱动齿轮，驱动齿轮与所述驱动齿圈啮合传动；沿驱动齿圈外周上均匀间隔设置有多个螺旋驱动叶片。

进一步地，所述浮潜装置包括浮潜舵机、驱动摆杆、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、前浮潜机构和后浮潜机构，所述浮潜舵机输出轴上连接有驱动摆杆，驱动摆杆两端分别通过连杆Ⅰ连接前浮潜机构，通过连杆Ⅱ连接后浮潜机构，驱动摆杆摆动带动两端连接的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ带动前、后浮潜机构摆动。

进一步地，所述前浮潜机构和后浮潜机构结构相同，均包括浮潜板和驱动轴，所述浮潜板连接在驱动轴两端，前浮潜机构驱动轴与连杆Ⅰ铰接，后浮潜机构驱动轴与连杆Ⅱ铰接，通过连杆Ⅰ和连杆Ⅱ分别带动与其连接的驱动轴摆动，带动与驱动轴连接的浮潜板摆动，实现浮潜。

进一步地，在所述浮潜板工作前方还设置有防缠板，所述防缠板固定在筒罩外周上。

进一步地，所述防缠板呈流线型结构，防缠板的前端宽度小于后端宽度，前端厚度小于后端厚度，且防缠板工作后端与其相近的浮潜板的工作前端宽度和厚度相同。

进一步地，所述驱动轴两端通过轴承支撑连接在骨架上，在轴承外侧，驱动轴与筒罩间设置驱动轴密封。

进一步地，所述方向控制装置设置于尾罩末端，包括方向舵机、尾部和尾部连接架，所述方向舵机置于尾罩内整体骨架上，其输出轴两端伸出尾罩连接尾部连接架，所述尾部连接在尾部连接架末端，所述方向舵机输出轴和尾罩间设置有尾罩密封。

进一步地，所述尾部横截面呈楔形结构，由连接端至自由端横截面逐渐减小；纵截面呈弧扇形结构，由连接端至自由端逐渐增大，即纵向尾部自由端宽度大于连接端宽度。

本发明的有益效果为：

1.本发明的罩体由通过支撑盘、骨架连接的头罩、筒罩和尾罩构成，在罩体内设整体骨架，在头罩和筒罩间安装前驱动机构的驱动齿圈，在筒罩和尾罩间安装后驱动机构的驱动齿圈，前后驱动齿圈上分别设置旋向相反的驱动叶片，前、后驱动齿圈及其上的驱动叶片在工作时转动方向相反；浮潜装置包括前、后浮潜机构，其驱动机构设置在筒罩内，驱动设置在筒罩外的浮潜板摆动方向相反，控制整体上浮下潜；在尾罩处连接方向控制装置，控制运行方向。本发明通过螺旋驱动叶片转动，依靠泥壤反作用，推动机器前进，保证前进方向推力的同时，可平衡圆周方向力，保持机器平衡；整体结构简单，便于实现高速前进，且调速方便，机动性好。

2.本发明驱动装置的驱动齿轮和驱动齿圈采用内切传动方式，螺旋叶片设置在驱动齿圈外圆周上。通过驱动电机带动驱动齿轮转动，进而带动与其啮合的驱动齿圈驱动齿圈转动，使得其上的驱动叶片运动，驱动机器鱼在泥下运行，也可在水中运动；前、后驱动叶片旋向相反、转动方向相反，保证前、后驱动叶片均有向前的驱动力，圆周上的驱动力相平衡，有利保持机器鱼不翻转。

3.本发明的浮潜装置是由同一个舵机驱动前后浮潜机构，在所述浮潜舵机输出轴上连接驱动摆杆，驱动摆杆两端分别通过连杆Ⅰ连接前浮潜机构的驱动轴，通过驱动摆杆带动驱动轴摆动，带动与驱动轴连接的浮潜板摆动，实现浮潜。本发明采用前后两组浮潜板，分别设置在整个机器形心的前后和上下方，且摆动方向相反，以利机器上浮下潜。特别后浮潜板保证本发明机器初期入泥。前、后浮潜板的设置可防止机器侧翻，起到平衡作用。

4.本发明在浮潜板前部设置防缠板，防缠板呈流线型，防止浮潜板及其转轴处缠草，同时防缠板可防止机器侧翻，起到平衡作用。

6.本发明在尾部设置方向控制装置，所述尾部仿泥鳅尾鳍形状，采用方向舵机驱动，实现方向控制；并可防止机器侧翻，起到平衡作用。

7.本发明在支撑盘与头罩、筒罩、尾罩间均设置密封装置；浮潜装置的驱动轴两端通过轴承支撑连接在骨架上，在轴承外侧，驱动轴与筒罩间设置驱动轴密封；在所述方向舵机输出轴和尾罩间设置有尾罩密封。保证罩体内的密封空间，防止泥水进入。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明的局部剖视示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图中：

1.罩体，11.头罩，12.罩筒，13.尾罩，14.尾罩密封；

2.检测系统；

3.驱动装置，31.前驱动机构，311.驱动电机，312.前驱动叶片，313.驱动齿轮，314.驱动齿圈，32.后驱动机构，321.后驱动叶片，

4.浮潜装置，41.前浮潜机构，411.前浮潜板，412.前防缠板，413.前驱动轴，42.后浮潜机构，421.后浮潜板，422.后防缠板，423.后驱动轴，43.驱动摆杆，44.浮潜舵机，45.连杆Ⅰ，46.连杆Ⅱ，47.驱动轴密封，48.轴承支撑；

5.控制器，51.姿态传感器，52.信号接收发射器，53.电源；

6.骨架；

7.方向控制装置，71.尾部，72.方向舵机，73.尾部连接架，74.舵机连接架；

8.密封装置；

91.支撑盘Ⅰ，92.支撑盘Ⅱ，93.支撑盘Ⅲ，94.支撑盘Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例：本发明一种泥下运行机器鱼，包括罩体1、驱动装置3、浮潜装置4、方向控制装置7和控制系统，

所述罩体1包括头罩11、筒罩12和尾罩13，所述筒罩12两端通过支撑盘、骨架分别连接头罩11和尾罩13；整体骨架6置于罩体1内，用于安装驱动装置3、浮潜装置4和方向控制装置7；

所述驱动装置3包括前驱动机构31和后驱动机构32，前驱动机构31的驱动齿圈314安装在头罩11和筒罩12间，后驱动机构32的驱动齿圈安装在筒罩12和尾罩13间，且前驱动机构31和后驱动机构32的驱动齿圈上分别设置有旋向相反的驱动叶片，前、后驱动齿圈及其上的驱动叶片在工作时转动方向相反；

所述浮潜装置4包括前、后浮潜机构41、42，其驱动机构设置在筒罩12内，浮潜板411、421设置在筒罩12外，驱动设置在筒罩外的浮潜板摆动方向相反，控制整体上浮下潜；

所述方向控制装置7连接在尾罩13处，控制运行方向；

所述控制系统分别连接驱动装置3、浮潜装置4及方向控制装置7，控制各装置运行，并汇集处理检测信号和姿态信号，传送至地面工作站。

进一步地，筒罩12两端的骨架6上分别连接两个支撑盘，分别为支撑盘Ⅰ91、支撑盘Ⅱ92、支撑盘Ⅲ93、支撑盘Ⅳ94，其中筒罩两端分别为支撑盘Ⅱ92和支撑盘Ⅲ93，头罩11和尾罩13分别连接在两端部的支撑盘Ⅰ91和支撑盘Ⅳ94上；每个所述支撑盘与头罩11、筒罩12、尾罩13间均设置密封8，本例所述密封8采用现有结构。

本发明所述头罩11通过螺纹与前支撑盘Ⅰ91连接，其头罩11内部空间用于安装使用时需要勘测的检测系统2(现有设备)，用于泥下勘测。

所述整体骨架6在置于筒体1内，两端部分别连接支撑盘并伸出支撑盘，在头罩11内用于安装检测系统2，在尾罩13内连接方向控制装置。整体骨架从前驱动机构31的驱动齿圈314、各个支撑盘内穿越，分别连接4个支撑盘、两个驱动电机311、浮潜舵机44、方向舵机72、前、后驱动轴413、423、信号接收器52、信号发射器51、电源53及控制器。

进一步地，所述前驱动机构31和后驱动机构32结构相同，以前驱动机构为例：包括驱动电机311、驱动齿轮313、驱动齿圈314和多个前驱动叶片312，所述驱动电机311置于靠近头罩11的筒罩12端内侧，其输出轴端安装驱动齿轮313，所述驱动齿圈314与所述驱动齿轮313内切啮合传动；沿驱动齿圈314外周上均匀间隔设置有多个螺旋前驱动叶片312。

所述驱动齿圈314两端通过轴承安装在其两侧的支撑盘上，即前驱动机构31的驱动齿圈通过轴承安装在支撑盘Ⅰ91和支撑盘Ⅱ92上，后驱动机构32的驱动齿圈314通过轴承安装在支撑盘Ⅲ93和支撑盘Ⅳ94上，驱动齿圈314内可以穿越骨架等部件，各支撑盘分别与整体骨架连接。

本例所述前、后驱动机构分别设置两组驱动叶片，前驱动叶片312、后驱动叶片321的旋向相反，前、后驱动齿圈及其外圆周上螺旋驱动叶片在工作时转动方向相反，通过前驱动机构31和后驱动机构32驱动电机带动驱动齿轮转动，进而带动与其啮合的驱动齿圈传动，使得设置在驱动齿圈外周的前、后驱动叶片312、321转动，带动机器鱼在泥下运行。前驱动机构31的前驱动叶片312和后驱动机构32的后驱动叶片321旋向相反，保证前、后驱动叶片312、321均有向前的驱动力，圆周上的驱动力相平衡，有利保持机器鱼不翻转。

进一步地，所述浮潜装置4包括浮潜舵机44、驱动摆杆43、连杆Ⅰ45、连杆Ⅱ46、前浮潜机构41和后浮潜机构42，所述浮潜舵机44输出轴上连接有驱动摆杆43，驱动摆杆43两端分别通过连杆Ⅰ45连接前浮潜机构41，通过连杆Ⅱ46连接后浮潜机构42，驱动摆杆43摆动带动两端连接的连杆Ⅰ45和连杆Ⅱ46摆动，进而带动前、后浮潜机构摆动41、42，前、后浮潜机构41、42摆动方向相反。

所述前浮潜机构41和后浮潜机构42结构相同，以前浮潜机构41为例，包括前浮潜板411和前驱动轴413，所述前浮潜板411连接在前驱动轴413两端，前浮潜机构41的前驱动轴413与连杆Ⅰ45铰接，后浮潜机构42的后驱动轴423与连杆Ⅱ铰接。

所述浮潜装置4通过连杆Ⅰ45和连杆Ⅱ46分别带动与其连接的前、后驱动轴413、423摆动，带动与前、后驱动轴413、423连接的前、后浮潜板411、421摆动，实现浮潜。所述前、后浮潜板411、421分别设置在整个机器形心的前后和上下方向，且摆动方向相反，以利机器上浮下潜。后浮潜板421保证本发明机器初期入泥，前、后浮潜板的设置可防止机器侧翻，起到平衡作用。

在所述浮潜板工作前方还设置有防缠板，所述防缠板固定在筒罩12外周上。即：在前浮潜板411前方设置前防缠板412，后浮潜板421前方设置后防缠板422。

所述前防缠板412和后防缠板422结构相同，均呈流线型，本例的防缠板前端宽度小于后端宽度，前端厚度小于后端厚度，形成前窄后宽，前薄后厚的结构，且防缠板工作后端与其相近的浮潜板的工作前端宽度和厚度相同。以前防缠板412为例，前防缠板412的前端外缘与筒罩12工作前端连接在一起，后端与前浮潜板411的前端同宽同厚，防止上浮下潜的浮潜板及其转轴处缠草。同时防缠板还可防止机器侧翻，起到平衡作用。

所述前、后防缠板412、422均设置在筒罩12外侧，前、后浮潜板411、421均为两个，分别连接在前、后驱动轴413、423两端，位于筒罩12两侧，所述前、后驱动轴413、423两端分别通过轴承支撑48连接在整体骨架6上，在轴承支撑48外侧，前、后驱动轴413、423与筒罩12间设置驱动轴密封37，保证罩体1内的密封性。

所述前驱动轴413和后驱动轴423为曲轴，分别在连杆Ⅰ45和连杆Ⅱ46的作用下，转动一定角度，进而带动浮潜板411和浮潜板421摆动一定角度，使泥壤对浮潜板产生向上或向下的分力，实现整体浮潜。

本发明通过驱动浮潜舵机44，带动其输出轴上连接的驱动摆杆43摆动，通过驱动摆杆43两端连接的连杆Ⅰ45和连杆Ⅱ46带动其连接的前、后驱动轴413、423摆动，从而带动前、后驱动轴413、423上连接的前、后浮潜板411、421摆动，本例驱动摆杆43顺时针摆动，通过连杆Ⅰ45、前驱动轴413带动前浮潜板411向上摆动一定角度，使泥壤对前浮潜板411产生向下的分力；通过连杆Ⅱ46、后驱动轴423带动后浮潜板421向下摆动一定角度，使泥壤对前后浮潜板421产生向上的分力，两个分力使整体转动，实现下潜，反之，上浮。

所述方向控制装置7设置于尾罩13末端，包括方向舵机72、尾部71和尾部连接架73，所述方向舵机72置于尾罩13内，通过舵机连接架74固定在整体骨架6上，其输出轴两端伸出尾罩13连接尾部连接架73，所述尾部71连接在尾部连接架73末端，所述方向舵机72输出轴和尾罩13间设置有尾罩密封14。具体方向控制为：方向舵机72驱动尾部连接架73带动尾部71向左转动，则整体向左转向，方向舵机72驱动尾部连接架73带动尾部71向右转动，则整体向右转向。

本例所述尾罩密封14、密封装置8和驱动轴密封47均为现有结构。

所述尾部71为仿泥鳅尾鳍形状，尾部71横截面呈楔形结构，由连接端至自由端截面逐渐减小；纵截面呈图形结构，由连接端至自由端逐渐增大。

所述控制系统包括信号接收发射器52、姿态传感器51、控制器5。信号接收发射器52位于筒罩12中部，固定于整体骨架6上；姿态传感器51置于尾罩13内，固定于整体骨架6；控制器5位于筒罩12中部，固定于整体骨架6上。

通过所述信号接收发射器接收陆地工作站的控制信号，发射头罩11内检测系统2的检测信号和本发明机器鱼的姿态信号。姿态传感器检测本发明机器鱼的浮潜、转向、倾斜等信息。控制器分别连接前驱动机构31和后驱动机构32的驱动电机、浮潜舵机44及方向控制装置7，将接收的控制信号转换处理后发送到各被控装置，汇集处理检测信号和姿态信号，传送到信号接收发射器发射。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种泥下运行机器鱼，其特征在于：包括罩体、驱动装置、浮潜装置、方向控制装置和控制系统；

所述罩体包括头罩、筒罩和尾罩，所述筒罩两端通过支撑盘、骨架分别连接头罩和尾罩；在所述罩体内设置整体骨架；

所述驱动装置包括前驱动机构和后驱动机构，前驱动机构的驱动齿圈安装在头罩和筒罩间，后驱动机构的驱动齿圈安装在筒罩和尾罩间，且前驱动机构和后驱动机构的驱动齿圈外缘分别设置有旋向相反的驱动叶片，前、后驱动齿圈及其上的驱动叶片在工作时转动方向相反；所述前驱动机构和后驱动机构结构相同，均包括驱动电机、驱动齿轮、驱动齿圈和多个驱动叶片，所述驱动电机输出轴端均安装驱动齿轮，驱动齿轮与所述驱动齿圈啮合传动；沿驱动齿圈外周上均匀间隔设置有多个螺旋驱动叶片；

所述浮潜装置包括前、后浮潜机构，其驱动机构设置在筒罩内，浮潜板设置在筒罩外，驱动机构驱动设置在筒罩外的浮潜板摆动，控制整体上浮下潜；所述浮潜装置包括浮潜舵机、驱动摆杆、连杆Ⅰ、连杆Ⅱ、前浮潜机构和后浮潜机构，所述浮潜舵机输出轴上连接有驱动摆杆，驱动摆杆两端分别通过连杆Ⅰ连接前浮潜机构，通过连杆Ⅱ连接后浮潜机构，驱动摆杆摆动带动两端连接的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ带动前、后浮潜机构摆动；所述前浮潜机构和后浮潜机构结构相同，均包括浮潜板和驱动轴，所述浮潜板均为两个，分别连接在驱动轴两端，位于筒罩两侧，前浮潜机构驱动轴与连杆Ⅰ铰接，后浮潜机构驱动轴与连杆Ⅱ铰接，通过连杆Ⅰ和连杆Ⅱ分别带动与其连接的驱动轴摆动，带动与驱动轴连接的浮潜板摆动，实现浮潜；前、后浮潜板分别设置在整个机器形心的前方、后方以及上方、下方，且前浮潜板与后浮潜板的摆动方向相反；

在所述浮潜板工作前端还设置有防缠板，所述防缠板固定在筒罩外周上；所述防缠板呈流线型结构，防缠板的前端宽度小于后端宽度，前端厚度小于后端厚度，形成前窄后宽，前薄后厚的结构，且防缠板工作后端与其相近的浮潜板的工作前端宽度和厚度相同；即：防缠板的前端外缘与筒罩连接在一起，后端与浮潜板的前端同宽同厚； 所述方向控制装置连接在尾罩处，控制运行方向；

所述控制系统分别连接驱动装置、浮潜装置及方向控制装置，控制各装置运行，并汇集处理检测信号和姿态信号，传送至地面工作站。

2.根据权利要求1所述泥下运行机器鱼，其特征在于：所述骨架上位于罩筒两端分别连接两个支撑盘，其中筒罩两端分别为支撑盘Ⅱ和支撑盘Ⅲ，头罩和尾罩分别与支撑盘Ⅰ、支撑盘Ⅳ连接，每个所述支撑盘与头罩、筒罩、尾罩间均设置密封装置。

3.根据权利要求1所述泥下运行机器鱼，其特征在于：所述驱动轴两端通过轴承支撑连接在骨架上，在轴承外侧，驱动轴与筒罩间设置驱动轴密封。

4.根据权利要求1所述泥下运行机器鱼，其特征在于：所述方向控制装置设置于尾罩末端，包括方向舵机、尾部和尾部连接架，所述方向舵机置于尾罩内整体骨架上，其输出轴两端伸出尾罩连接尾部连接架，所述尾部连接在尾部连接架末端，所述方向舵机输出轴和尾罩间设置有尾罩密封。

5.根据权利要求4所述泥下运行机器鱼，其特征在于：所述尾部横截面呈楔形结构，由连接端至自由端横截面逐渐减小；纵截面呈弧扇形结构，由连接端至自由端逐渐增大，即纵向尾部自由端宽度大于连接端宽度。