CN114475986B - 一种尾鳍推进深海软体机器鱼 - Google Patents

一种尾鳍推进深海软体机器鱼 Download PDF

Info

Publication number
CN114475986B
CN114475986B CN202210053700.1A CN202210053700A CN114475986B CN 114475986 B CN114475986 B CN 114475986B CN 202210053700 A CN202210053700 A CN 202210053700A CN 114475986 B CN114475986 B CN 114475986B
Authority
CN
China
Prior art keywords
tail fin
module
fish head
voltage
dielectric elastomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210053700.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114475986A (zh
Inventor
张艳艳
梁艺鸣
钱辰
白云鹤
陈泽宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang Lab
Priority to CN202210053700.1A priority Critical patent/CN114475986B/zh
Publication of CN114475986A publication Critical patent/CN114475986A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114475986B publication Critical patent/CN114475986B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/08—Propulsion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
    • B63H1/36—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type swinging sideways, e.g. fishtail type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/001—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations
    • B63G2008/002—Underwater vessels adapted for special purposes, e.g. unmanned underwater vessels; Equipment specially adapted therefor, e.g. docking stations unmanned

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Toys (AREA)

Abstract

本发明提供一种尾鳍推进深海软体机器鱼，包括仿生鱼头和躯干/尾鳍；所述仿生鱼头与躯干/尾鳍相连接，仿生鱼头包含舱体和侧鳍，舱体设置在仿生鱼头内部并居中布置，舱体包含能源模块与控制模块；所述侧鳍对称布置在仿生鱼头两侧，所述躯干/尾鳍包括推进模块，推进模块由2个以上串联的介电弹性体柔性关节组成，每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架、介电弹性体薄膜、柔性电极和导线。仿生鱼头和躯干/尾鳍的连接采用硅胶一体浇筑，以实现软机器鱼深海压力自适应。本发明的尾鳍推进深海软机器鱼具有高效、灵活和强隐蔽性的特点，无需硬质外壳和压力补偿装置，可实现低成本深海探测，具有广泛的应用前景。

Description

一种尾鳍推进深海软体机器鱼
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及一种尾鳍推进深海软体机器鱼。
背景技术
海中生物和矿产资源丰富，探索深海对于研究生命起源、资源储备、环境探测与保护有至关重要的意义。由于万米深海存在高达1100个大气压的静水压，一直是地球上最大的未知领域之一。在浅海区域，潜器在水下执行任务时已具备优良的可操作性和功能性，但当海洋深度达到3000m至11000m时，为应对高达110MPa的极端静水压，传统深潜器需配备厚重的耐压刚性外壳或复杂的压力补偿系统，成本高昂、能耗大，且在此种极端条件下仍面临结构破坏的风险，因而深海探测仍具有较大挑战。
受生活在深8000m左右的狮子鱼启发，已有学者开发出首个无需刚性容器、可在万米深海游动的抗压智能软机器鱼，在Mariana海沟中进行现场测试时成功到达最深处(10,900m)并游动45分钟，这项研究成果近期在《Nature》杂志报道。此软机器鱼通过控制侧鳍拍打，驱动鱼体游动；侧鳍驱动柔性关节由介电高弹体(Dielectric Elastomers，DE)制作成；同时上述首个深海软机器鱼的研究者指出，此DE致动侧鳍拍打驱动的软机器鱼游动速度0.45BL/s(每秒0.45倍身长)较低，驱动效率和巡游稳定性有待提升。
对鱼类游动特点的统计结果表明仿生鱼的身体/尾鳍驱动模式(Body and/orCaudal Fin,BCF)较侧鳍驱动的效率和游动速度更高，且增加尾鳍关节数量可有效增大仿生机器鱼的游动速度，但相对于DE侧鳍拍动最大变形角6.3°，尾鳍DE柔性关节弯曲变形增加至接近90°，需结合鱼类游动运动学特征标定BCF驱动模式的游动姿态，制作尾鳍推进深海软机器鱼原型机，提升现有深海软机器鱼的游动灵活性能，设计一种低成本的适用于深海的尾鳍推进软机器鱼。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种尾鳍推进深海软体机器鱼。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种尾鳍推进深海软体机器鱼，包括仿生鱼头和躯干/尾鳍，所述仿生鱼头与躯干/尾鳍相连接，所述仿生鱼头包含舱体和侧鳍，所述舱体设置在仿生鱼头的内部并居中布置；所述舱体包含能源模块与控制模块，所述侧鳍对称布置在仿生鱼头两侧，所述躯干/尾鳍包括推进模块，所述推进模块由2个以上串联的介电弹性体柔性关节组成，每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架、介电弹性体薄膜、柔性电极；所述介电弹性体薄膜绷设于支撑骨架的对应镂空处，所述柔性电极涂覆于介电弹性体薄膜上。
进一步地，所述舱体内部的能源模块与控制模块的元件经排布后，舱体的质心在深海软体机器鱼的仿生鱼头的中心线上，实现尾鳍推进深海软体机器鱼在静态时左右对称。
进一步地，所述能源模块包括依次相连的锂电池、升压模块和稳压模块，所述锂电池输出3.7V电压并为控制模块提供能源，所述控制模块通过脉宽调制方法调节升压模块和稳压模块，从而向推进模块输出电压；所述升压模块通过反激式转换器发生高压信号调节电压，将锂电池输出的3.7V电压升高至5～8KV；所述稳压模块在升压模块电压调节过程中起稳压作用。
进一步地，其驱动模式为身体/尾鳍推进。
进一步地，所述仿生鱼头和躯干/尾鳍的各个部分均采用硅胶一体化浇筑。
进一步地，所述仿生鱼头和躯干/尾鳍的连接采用硅胶一体化浇筑。
本发明的有益效果是：
1、本发明中仿生软体机器鱼仿深海狮子鱼的游动模式，具有很好的隐蔽性；
2、本发明中的骨架为柔性结构，电源、电子模块由硅胶封装，具备优异的深海压力自适应能力；
3、本发明中的软体机器鱼，可以不依赖发动机、电机进行推进，无需刚性耐压壳体等金属附加机构，重量轻、运动灵活且制造成本低，有较大应用潜力。
附图说明
图1为本发明提供的一种尾鳍推进深海软体机器鱼的整体结构示意图；
图2为本发明提供的一种尾鳍推进深海软体机器鱼的整体结构侧面示意图；
图3为2个介电弹性体柔性关节构成的尾鳍推进深海软体机器鱼的关节示意图；
图4为3个介电弹性体柔性关节构成的尾鳍推进深海软体机器鱼的关节示意图；
图中，1-仿生鱼头，11-舱体，12-侧鳍，111-能源模块，112-控制模块，2-躯干/尾鳍，21-支撑骨架，22-介电弹性体薄膜，23-柔性电极，24-导线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本发明进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不是全部的实施例。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，均在本发明保护范围。
以下结合图1-图4，本发明提供了一种尾鳍推进深海软体机器鱼，包括仿生鱼头1和躯干/尾鳍2，所述仿生鱼头1与躯干/尾鳍2相连接。所述的仿生鱼头1包含舱体11和侧鳍12，所述舱体11设置在仿生鱼头1的内部并居中布置；所述舱体11包含能源模块111与控制模块112，分别作为尾鳍推进深海软体机器鱼的能源中心和控制中心；所述侧鳍12对称布置在仿生鱼头1两侧，在尾鳍推进深海软体机器鱼游动过程中起平衡作用；所述躯干/尾鳍2包括推进模块，所述推进模块由2个以上串联的介电弹性体柔性关节组成，每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架21、介电弹性体薄膜22、柔性电极23和导线24；所述介电弹性体薄膜22绷设于支撑骨架21的对应镂空处，所述柔性电极23涂覆于介电弹性体薄膜22上，所述导线24连接各柔性电极至能源模块111。
仿生鱼头1的形状仿水下8000m发现的深海狮子鱼的鱼头外形，为舱体内的各组件提供兼具灵活性和耐极端静水压的外形特征。
所述舱体11内部的能源模块111与控制模块112的元件经排布后，舱体11的质心在仿生鱼头1的中心线上，实现尾鳍推进深海软体机器鱼在静态时左右对称，后续调控尾鳍推进深海软体机器鱼的游动姿态时不需额外的平衡装置。
所述能源模块111包括依次相连的锂电池、升压模块和稳压模块，所述锂电池输出3.7V电压并可直接为控制模块112供能；所述控制模块112通过脉宽调制(PWM)方法调节升压模块和稳压模块，从而向推进模块输出电压；所述升压模块通过反激式转换器发生高压信号调节电压，将锂电池输出的3.7V电压升高至5～8KV；所述稳压模块在升压模块电压调节过程中起稳压作用，经稳压模块稳压后的电压通过导线24向推进模块输出。
本发明所述的尾鳍推进深海软体机器鱼的游动模式为身体/尾鳍推进模式(BCF模式)，身体/尾鳍游动模式所需要的推力主要靠鱼身的S形波动产生。
所述控制模块112不断调节升压模块和稳压模块，向推进模块输出不断变化的电压；推进模块收到来自能源模块111不断变化的电压，即各介电弹性体柔性关节受到不断变化的电压，因介电弹性体柔性关节的弯曲角具有随电压变化的特性，各介电弹性体柔性关节随着不断变化的电压发生不同程度的弯曲，各介电弹性体柔性关节的弯曲形变组成躯干/尾鳍2的S形摆动，躯干/尾鳍2推动尾鳍推进深海软体机器鱼两侧水波，可实现尾鳍推进深海软体机器鱼高效向前游动，具有较强的实用性和便捷灵活性，在深海中游动时无需复杂的刚性耐压仓和压力平衡设备，可实现低成本的深海探测。
所述仿生鱼头1和躯干/尾鳍2的各个部分均采用硅胶一体化浇筑；即舱体11、侧鳍12、能源模块111、控制模块112、支撑骨架21、介电弹性体薄膜22、柔性电极23分别采用硅胶一体化浇筑。
所述仿生鱼头和躯干/尾鳍的连接也采用硅胶一体化浇筑。
实施例1
如图3所示，本实施例提供的一种尾鳍推进深海软体机器鱼，由2个介电弹性体柔性关节串联组成；每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架21、介电弹性体薄膜22、柔性电极23和导线；所述介电弹性体薄膜22绷设于支撑骨架21的对应镂空处，所述柔性电极23涂覆于介电弹性体薄膜22上，所述导线24连接各柔性电极至能源模块111。
所述控制模块112通过脉宽调制(PWM)方法不断调节能源模块111中的升压模块和稳压模块，向推进模块输出不断变化的电压；推进模块收到来自能源模块111不断变化的电压，即2个介电弹性体柔性关节受到不断变化的电压，因介电弹性体柔性关节的弯曲角具有随电压变化的特性，2个介电弹性体柔性关节随着不断变化的电压发生不同程度的弯曲，2个电弹性体柔性关节的弯曲形变组成躯干/尾鳍2的S形摆动，躯干/尾鳍2推动尾鳍推进深海软体机器鱼两侧水波，从而获得向前的驱动力，可实现尾鳍推进深海软体机器鱼高效向前游动，具有较强的实用性和便捷灵活性，在深海中游动时无需复杂的耐压仓和压力平衡设备，可实现低成本的深海探测。
本发明所述的尾鳍推进深海软体机器鱼的游动模式为BCF推进，其原理如下：
鱼类BCF推进所需要的推力主要是靠身体的S形波动产生的，由于介电弹性体柔性关节的弯曲角具有随电压变化的特性，本实施例中的推进模块由2个介电弹性体柔性关节串联而成，如图3所示。通过仿生鱼头1内部的控制模块112调节各加在各介电弹性体柔性关节的电压，使介电弹性体柔性关节发生不同程度的弯曲，各介电弹性体柔性关节的形变组成躯干/尾鳍2的S形摆动，躯干/尾鳍推动鱼体两侧水波，可实现尾鳍推进深海软体机器鱼高效向前游动。
实施例2
如图4所示，本实施例提供的一种尾鳍推进深海软体机器鱼，由3个介电弹性体柔性关节串联组成；每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架21、介电弹性体薄膜22、柔性电极23和导线；所述介电弹性体薄膜22绷设于支撑骨架21的对应镂空处，所述柔性电极23涂覆于介电弹性体薄膜22上，所述导线24连接各柔性电极至能源模块111。
所述控制模块112通过脉宽调制(PWM)方法不断调节能源模块111中的升压模块和稳压模块，向推进模块输出不断变化的电压；推进模块收到来自能源模块111不断变化的电压，即3个介电弹性体柔性关节受到不断变化的电压，因介电弹性体柔性关节的弯曲角具有随电压变化的特性，3个介电弹性体柔性关节随着不断变化的电压发生不同程度的弯曲，3个电弹性体柔性关节的弯曲形变组成躯干/尾鳍2的S形摆动，躯干/尾鳍2推动尾鳍推进深海软体机器鱼两侧水波，从而获得向前的驱动力，可实现尾鳍推进深海软体机器鱼高效向前游动，具有较强的实用性和便捷灵活性，在深海中游动时无需复杂的耐压仓和压力平衡设备，可实现低成本的深海探测。
本发明的躯干/尾鳍中介电弹性体柔性关节的个数至少为2个，介电弹性体柔性关节个数为3时为较佳的实施例，但不局限于3个。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种尾鳍推进深海软体机器鱼，其特征在于，包括仿生鱼头(1)和躯干/尾鳍(2)，所述仿生鱼头(1)与躯干/尾鳍(2)相连接，所述仿生鱼头(1)包含舱体(11)和侧鳍(12)，所述舱体(11)设置在仿生鱼头(1)的内部并居中布置；所述舱体(11)包含能源模块(111)与控制模块(112)，所述侧鳍(12)对称布置在仿生鱼头(1)两侧，所述躯干/尾鳍(2)包括推进模块，所述推进模块由2个以上串联的介电弹性体柔性关节组成，每个介电弹性体柔性关节包括支撑骨架(21)、介电弹性体薄膜(22)、柔性电极(23)；所述介电弹性体薄膜(22)绷设于支撑骨架(21)的对应镂空处，所述柔性电极(23)涂覆于介电弹性体薄膜(22)上；所述能源模块(111)包括依次相连的锂电池、升压模块和稳压模块，所述锂电池输出3.7V电压并为控制模块(112)提供能源，所述控制模块(112)通过脉宽调制方法调节升压模块和稳压模块，从而向推进模块输出电压；所述升压模块通过反激式转换器发生高压信号调节电压，将锂电池输出的3.7V电压升高至5～8KV；所述稳压模块在升压模块电压调节过程中起稳压作用；其游动模式为身体/尾鳍游动模式；所述仿生鱼头(1)和躯干/尾鳍(2)的各个部分均采用硅胶一体化浇筑；所述仿生鱼头(1)和躯干/尾鳍(2)的连接采用硅胶一体化浇筑。
2.根据权利要求1所述的一种尾鳍推进深海软体机器鱼，其特征在于，所述舱体(11)内部的能源模块(111)与控制模块(112)的元件经排布后，舱体的质心在深海软体机器鱼的仿生鱼头(1)的中心线上，实现尾鳍推进深海软体机器鱼在静态时左右对称。
CN202210053700.1A 2022-01-18 2022-01-18 一种尾鳍推进深海软体机器鱼 Active CN114475986B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210053700.1A CN114475986B (zh) 2022-01-18 2022-01-18 一种尾鳍推进深海软体机器鱼

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210053700.1A CN114475986B (zh) 2022-01-18 2022-01-18 一种尾鳍推进深海软体机器鱼

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114475986A CN114475986A (zh) 2022-05-13
CN114475986B true CN114475986B (zh) 2023-03-24

Family

ID=81511538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210053700.1A Active CN114475986B (zh) 2022-01-18 2022-01-18 一种尾鳍推进深海软体机器鱼

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114475986B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115158617B (zh) * 2022-06-29 2024-05-24 中国科学院自动化研究所 仿生机器鱼

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109572966A (zh) * 2018-11-26 2019-04-05 浙江大学 一种软体人工肌肉驱动器
CN109835451A (zh) * 2019-03-01 2019-06-04 哈尔滨工业大学 一种介电弹性体驱动单元、仿生软体机器鱼及其制作方法
CN111806662B (zh) * 2020-06-24 2021-10-15 浙江大学 一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人
CN113086134B (zh) * 2021-03-28 2023-02-10 西北工业大学 一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人

Also Published As

Publication number Publication date
CN114475986A (zh) 2022-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN209956198U (zh) 一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼
CN113086136B (zh) 一种复合推进仿生水母机器人
CN112091988B (zh) 一种软体仿生水下探测机器人
Yu et al. A framework for biomimetic robot fish's design and its realization
CN102923286A (zh) 一种基于智能材料ipmc的仿蝠鲼水下航行器
CN112193389B (zh) 一种仿水母泳动型海底超声波钻探取样机器人
CN114475986B (zh) 一种尾鳍推进深海软体机器鱼
CN106741774A (zh) 一种仿生机器鱼
CN210212733U (zh) 基于波动鳍推进的水陆两栖机器人
CN113060265B (zh) 一种仿生柔性推进装置及波动控制方法
CN113772066A (zh) 一种混合线驱动连续型仿生机器金枪鱼
CN111409803A (zh) 一种基于ipmc驱动的仿生波动鳍
CN113086134A (zh) 一种基于液态电介质驱动器的仿蝠鲼水下软体机器人
CN110775233B (zh) 一种具有滑翔、扑翼运动的仿生柔体潜水器
CN206417164U (zh) 一种仿生鱼型机器人
CN113428329A (zh) 一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人
CN212738470U (zh) 一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼
CN215514068U (zh) 一种可长时间采集信息的水下滑翔装置
CN113771565A (zh) 一种柔性波动鳍仿生潜器
CN113815820A (zh) 波浪能续航型蝠鲼式auv
CN111284663B (zh) 一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法
CN113427494A (zh) 一种基于介电弹性体仿生水蛇形机器人
CN106143844A (zh) 可充电的机器鱼
CN113682435A (zh) 一种多连杆式新型波浪滑翔器
CN215155556U (zh) 一种通过柔性拉带机构驱动的机器鱼

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant