CN115503911B - 仿生鱼式水下滑翔机 - Google Patents

Abstract

仿生鱼式水下滑翔机，它包含依次相连的鱼头、鱼身和鱼尾；鱼身包含滑翔壳体、机翼、襟翼、水下转向机构、浮力调节机构和重力调节机构；鱼尾包含尾壳、尾鳍和摆动驱动机构；每个机翼上设置有可偏转的襟翼，两个襟翼的反向偏转由布置在滑翔壳体内的一套水下转向机构控制，实现滑翔壳体在水下转向；浮力调节机构和重力调节机构布置在滑翔壳体内，共同控制滑翔壳体上浮和下潜；尾壳与滑翔壳体相连，摆动驱动机构布置在尾壳上并与尾鳍相连，以控制尾壳和尾鳍同步或独立摆动，实现直线游动过程中滑翔前进。本发明能够在不同的运动速度，不同的水深度均可实现转向，实现水下滑翔机高机动性与灵活性与隐蔽性，进而能够扩大适用范围。

Description

仿生鱼式水下滑翔机

技术领域

本发明涉及一种水下推进装置，具体涉及仿生鱼式水下滑翔机，属于水下航行器推进领域。

背景技术

随着人们对空间、能源等资源需求的不断加大，可以为人们所用的陆地资源不断减缩，开发海洋已经成为当今时代各国的发展共识。水下滑翔机作为众多海洋高技术装备中的一员，是一种利用自身重力与浮力差驱动运动的新型水下机器人，具有无绳无缆自主运行，长航程大续航时间，噪声小不易被探测等优势，近年来世界各国纷纷对其进行研究。目前公开的技术文献中有四种成熟型号的水下滑翔机。

水下滑翔机是一种新型的水下无人潜航器，属于水下机器人中的一类。它在探测水下生物，了解海洋构造，调查海洋资源等方面有重要作用。随着我国海洋开发进程的深入，水下滑翔机正在成为不可或缺的好助手，成为科学研究的重要装备。仿生水下滑翔机是在水下滑翔机原理的基础上，将外形优化为仿海洋生物的形状。通过外形改动设计，使得仿生水下滑翔机具有更好的流体动力学外形，以及更大的内部装载空间。

然而，现有的仿生水下滑翔机主要集中在探测能力上，水下滑翔的机动性能比较弱，能耗大，不能远距离滑翔，水下探测目标受限，适应能力较弱和适用范围较小。例如：CN108408007A，公开一种混合动力水下机器人，采用的是螺旋桨涡轮推进，噪声较大，影响水域环境，推进效率低，灵活性能不足，仿生设计上，没有结合仿生动物的运动机理，整体机动性能较差。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种仿生鱼式水下滑翔机。

仿生鱼式水下滑翔机，包含依次相连的鱼头、鱼身和鱼尾；鱼身包含滑翔壳体、机翼、襟翼、水下转向机构、浮力调节机构和重力调节机构；鱼尾包含尾壳、尾鳍和摆动驱动机构；

滑翔壳体的两侧设置有机翼，每个机翼上设置有可偏转的襟翼，两个襟翼的反向偏转由布置在滑翔壳体内的一套水下转向机构控制，实现滑翔壳体在水下转向；浮力调节机构和重力调节机构布置在滑翔壳体内，共同控制滑翔壳体上浮和下潜；尾壳与滑翔壳体相连，摆动驱动机构布置在尾壳上并与尾鳍相连，以控制尾壳和尾鳍同步或独立摆动，实现直线游动过程中滑翔前进。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明能够通过单舵机控制两侧襟翼摆动实现转向，鱼尾摆动与机翼结合能够实现水下机器人水平剖面内转向进而达到实现水下滑翔机高机动性，机翼和襟翼的运动为低功耗运动，适合远距离，长续航的观测；而鱼尾摆动更加灵活，适合于观察水下运动速度较快的目标。

本发明能够在不同的运动速度，不同的水深度均可实现转向，实现水下滑翔机高机动性与灵活性与隐蔽性，进而能够扩大适用范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的仿生鱼式水下滑翔机的立体示意图；

图2为去掉滑翔壳体后的本发明立体结构图；

图3为水下转向机构、浮力调节机构和重力调节机构的相互布置关系图；

图4为水下转向机构的结构示意图；

图5为去掉密封筒后的水下转向机构和重力调节机构的内部结构示意图；

图6为浮力调节机构的结构示意图；

图7为重力调节机构的结构示意图；

图8为鱼尾与滑翔壳体相连的示意图；

图9为鱼尾的结构示意图；

图10为去掉尾壳后的摆动驱动机构示意图；

图11为尾壳与摆动驱动机构相连的示意图；

图12为长鱼尾壳的示意图；

图13为短鱼尾壳的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1-图2所示，仿生鱼式水下滑翔机，包含依次相连的鱼头1、鱼身2和鱼尾3；鱼身2包含滑翔壳体2-1、机翼2-2、襟翼2-3、水下转向机构2-4、浮力调节机构2-5和重力调节机构2-6；鱼尾3包含尾壳3-1、尾鳍3-2和摆动驱动机构3-3；

滑翔壳体2-1的两侧设置有机翼2-2，每个机翼2-2上设置有可偏转的襟翼2-3，两个襟翼2-3的反向偏转由布置在滑翔壳体2-1内的一套水下转向机构2-4控制，实现滑翔壳体2-1在水下转向；浮力调节机构2-5和重力调节机构2-6布置在滑翔壳体2-1内，共同控制滑翔壳体2-1上浮和下潜；

尾壳3-1与滑翔壳体2-1相连，摆动驱动机构3-2布置在尾壳3-1上并与尾鳍3-2相连，以控制尾壳3-1和尾鳍3-2同步或独立摆动，实现直线游动过程中滑翔前进。

本实施方式的仿生鱼式水下滑翔机用途广泛可依据具体需求进行使命重构，搭载相应的任务模块(探测或者跟踪等)，担负不同性质的任务；机动能力强，能长时间远距离航行，可以在复杂的海域或浅水区域自由运动；海洋生物观察，常规螺旋桨推进器噪声大，对环境的扰动大，使水下运动装置很难接近所要观察的海洋生物，采用本实施方式的仿生鱼式水下滑翔机有望解决这一问题；由于机器鱼噪声低、对环境扰动小、不易被声纳发现、易于隐蔽，它不仅为人们研制新型高效、低噪声、机动灵活的柔性潜艇提供了新的思路，而且可直接进行水下侦察，另外仿生机器鱼还有水下通讯中继等潜在应用价值；仿生鱼式水下滑翔机可应用于水族馆及各种海洋类展会。

一般情况下，水下滑翔机在运动过程中，通过改变重心来改变重心与浮心的相对位置，从而产生升力，这样，重心调节机构就显得尤为重要

本实施方式的水下滑翔机以自身浮力为航行动力，没有外挂螺旋桨推进系统，它通过浮力调节机构和重力调节机构共同作用，动态地调节鱼身1的自身浮力，实现鱼身1的正浮力与负浮力之间的状态转换，为鱼身1提供上浮和下潜动力。

本实施方式原本的一个舱室分成了浮力调节机构2-5与重力调节机构2-6，减少了水下滑翔机纵向的长度，适当增加水下滑翔机横向的宽度，使水下滑翔机整体的浮心与重心更加趋向中轴线，增加其操控的稳定性。

本实施方式在浮力与机翼的作用下，产生水平向前的滑翔速度，水下滑翔机的重力调节机构通过调整在体内部的质量分布，从而改变重心与浮心的相对位置，

传统的螺旋桨式水下航行器与仿生鱼相比，作业产生的噪声较大，影响水域环境。在推进性能方面，螺旋桨式航行器，推进效率低，灵活性能不足。纯机械式传动也存在诸多弊端。本实施方式的仿生鱼式水下滑翔机充分借鉴真实鱼类的鱼体波动与尾鳍摆动有机协调配合的运动机理，推进效率明显提高，推进性能也得到大大增强。

本实施方式两侧的襟翼等角度反向旋转，从而达到单机构控制水下机器人转向的目的。

作为一种可能的实施方式，如图3-图4所示，所述水下转向机构2-4包含舵机A2-41、连接杆A2-42、两个摇臂2-43、两个摇杆2-44和两个连接杆B2-45；

舵机A2-41安装在位于滑翔壳体2-1内的支撑板2-7上，连接杆A2-42安装在舵机A2-41的输出轴上，两个摇臂2-43并排设置，两个摇臂2-43的一端与连接杆A2-42两端相连，两个摇臂2-43的另一端分别与两个摇杆2-44的一端相连，两个摇杆2-44的另一端分别与两个连接杆B2-45相连，两个机翼2-2对称布置并固定在支撑板2-7上，两个襟翼2-3分别布置在机翼2-2的凹槽内，每个连接杆B2-45穿设在所述凹槽底内且能相对机翼2-2旋转，两个襟翼2-3固定在对应的连接杆B2-45上。

本实施方式的支撑板2-7与滑翔壳体2-1固接，本实施方式方案工作时，舵机A2-41启动，带动连接杆A2-42转动(图4所示箭头方向转动时)，带动两侧的对称布置的两个摇臂2-43扭转，一个摇臂2-43向下，另一个摇臂2-43向上，进而带动两个摇杆2-44，一个摇杆2-44向下，另一个摇杆2-44向上，进而通过连接杆B2-45的连接，转化为一个襟翼2-3向上翘，另一个襟翼2-3向下翘(如图4所示状态)，同理，舵机A2-41启动，带动连接杆A2-42转动向反方向转动时，出现与图4的两个襟翼2-3不一样的反向的运动状态。本实施方式两侧的襟翼等角度反向旋转，从而达到利用一套水下转向机构2-4可实现控制水下滑翔机转向的目的。

进一步地，如图5所述，去掉密封筒后的浮力调节机构2-5和重力调节机构2-6的内部结构示意图，

如图6所示，所述浮力调节机构2-5包含密封筒A2-51、电机A2-52、滚珠丝杠副A2-53、注排水容器和支撑架A；

密封筒A2-51布置在支撑板2-7的上方，电机A2-52、滚珠丝杠副A2-53、注排水容器2-54和支撑架A布置在密封筒A2-51内，电机A2-52安装在密封筒A2-51的一侧端盖A2-56上，电机A2-51的输出轴与滚珠丝杠副A2-53的丝杠相连，丝杠的另一端可转动地设置在密封筒A2-51的另一侧端盖A2-56上，丝杠由支撑架A支撑；

注排水容器包含多个活塞杆2-541和多个水筒2-542，多个水筒2-542固定在密封筒A2-51的另一侧端盖上，每个活塞杆2-541上的活塞密封可滑动地设置在对应的水筒2-542内，水筒2-542的注排水口朝向鱼头1设置，鱼头1上开有与外界相通的通孔，每个活塞杆2-541与滚珠丝杠副A2-53的螺母相连，端盖A2-56与滑翔壳体2-1相连。

本实施方式中，密封筒A2-51支撑在位于支撑板2-7上的两个倒U形座上，密封筒A2-51通过两个端盖A2-56密封固定，两个端盖A2-56布置在滑翔壳体2-1内并与滑翔壳体2-1固接。

本实施方式方案工作时，电机A2-52启动，正向或反向转动时，丝杠转动，带动其上的螺母及活塞杆2-541抽出水筒2-542或推进水筒2-542内，达到吸水或者排水的目的，吸水后导致水筒2-542重力增加，鱼头1的前部向下倾斜，实现潜水运动，排水后导致水筒2-542重力减小，鱼头1的前部向上浮动，实现趋向于水平直线游动或者跃向水面。

基于上述，更进一步地，如图5和图7所示，所述重力调节机构2-6包含密封筒B2-61、电机B2-62、滚珠丝杠副B2-63、配置物2-64和支撑架B2-65；

密封筒B2-61布置在支撑板2-7的下方，电机B2-62、滚珠丝杠副B2-63、配置物2-64和支撑架B2-65布置在密封筒B2-61内，支撑架B2-65固定在密封筒B2-61的两个端盖B2-66上；

电机B2-62固定在支撑架B2-65上，支撑架B2-65安装在密封筒B2-61的两侧端盖B2-66，电机B2-62的输出轴与滚珠丝杠副B2-63的丝杠相连，滚珠丝杠副B2-63的丝杠可转动地设置在支撑架B2-65上，配置物2-64安装在滚珠丝杠副B2-63的螺母上。可选地，例如：支撑架B2-65包含平板2-651和安装于平板2-651上的两个支架2-652上，两个支架2-652分别固定在相应的端盖B2-66上，电机B2-62固定在平板2-651上。

本实施方式中，密封筒B2-61通过两个端盖B2-66密封固定，两个端盖B2-66布置在滑翔壳体2-1内并与滑翔壳体2-1固接。

本实施方式方案工作时，电机B2-62启动，正向或反向转动时，丝杠转动，带动其上的配置物2-64在螺母的作用下，在丝杠上左右往复移动，当向电机B2-62侧移动时，鱼头1的前部重力增加，重心下移，鱼头1的前部向下倾斜，实现潜水运动，排水后导致水筒2-542重力减小，同时，调节电机B2-62使得配置物2-64远离电机B2-62方向移动，与浮力调节机构协同作用，实现鱼头1的前部向上浮动，配合水下转向机构2-4的作用，实现趋向于水平直线游动或者跃向水面。

作为另一种可能的实施方式，如图8-图10所示，所述尾壳3-1包含长鱼尾壳3-11和短鱼尾壳3-12，所述摆动驱动机构3-3包含第一摆动机构3-31和第二摆动机构3-32；

第一摆动机构3-31包含连接架A3-311、连接架B3-312和舵机B3-313；连接架A3-311与滑翔壳体2-1固连，舵机B3-312可转动地设置在连接架A3-311上，舵机B3-313的输出轴与连接架A3-311相连，连接架B3-312与舵机B3-313的外壳固接，长鱼尾壳3-11与连接架B3-312固接，连接架B3-312与第二摆动机构3-32固连。

上述方案工作时，由于连接架A3-311与滑翔壳体2-1固接(例如滑翔壳体2-1的上半部体2-11与连接架A3-311固接)，这样一来，舵机B3-313启动，由于连接架A3-311的限制，舵机B3-311带动连接架B3-312整体发生水平偏摆，进而带动与其相连的长鱼尾壳2-11、短鱼尾壳3-12、第二摆动机构3-32及尾鳍3-2整体做偏摆运动。

进一步地，所述第二摆动机构3-32包含连接架C3-321、舵机C3-222和双平行四边形机构3-223；连接架C3-321与连接架B3-312固接，舵机C3-322的壳体与连接架C3-321固接，双平行四边形机构3-223的前侧通过竖杆3-4相连，后侧通过尾鳍3-2相连，舵机C3-222的输出轴与上部的平行四边形机构的纵连杆3-2231相连，下部的平行四边形机构的纵连杆3-2231与舵机C3-222的外壳转动连接，短鱼尾壳3-12与双平行四边形机构的前侧的纵连杆3-2231相连。

上述方案工作时，连接架C3-321与连接架B3-312固接，这样一来，舵机C3-222启动，由于连接架C3-321限制，以及竖杆3-4的作用，舵机C3-222的输出轴带动双平行四边形机构的与舵机C3-222相邻的横连杆3-2232转动，实现带动短鱼尾壳3-12与尾鳍3-2同步摆动相同的角度。实现了单模仿鱼尾摆动，从而实现摆动幅度逐渐加大的摆动形式。上述实施方式中，长鱼尾壳3-11内部通过尾壳支撑架3-111相连，以加强长鱼尾壳3-111的稳定性。

可选地，所述尾鳍3-2的材质为环氧树脂板或玻璃纤维板。所述长鱼尾壳3-11和短鱼尾壳3-12为环氧树脂3D打印而成。连接架A3-311、连接架B3-312和连接架C3-321材质为U型金属板。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.仿生鱼式水下滑翔机，包含依次相连的鱼头(1)、鱼身(2)和鱼尾(3)；其特征在于：鱼身(2)包含滑翔壳体(2-1)、机翼(2-2)、襟翼(2-3)、水下转向机构(2-4)、浮力调节机构(2-5)和重力调节机构(2-6)；鱼尾(3)包含尾壳(3-1)、尾鳍(3-2)和摆动驱动机构(3-3)；

滑翔壳体(2-1)的两侧设置有机翼(2-2)，每个机翼(2-2)上设置有可偏转的襟翼(2-3)，两个襟翼(2-3)的反向偏转由布置在滑翔壳体(2-1)内的一套水下转向机构(2-4)控制，实现滑翔壳体(2-1)在水下转向；浮力调节机构(2-5)和重力调节机构(2-6)布置在滑翔壳体(2-1)内，共同控制滑翔壳体(2-1)上浮和下潜；

尾壳(3-1)与滑翔壳体(2-1)相连，摆动驱动机构(3-2)布置在尾壳(3-1)上并与尾鳍(3-2)相连，以控制尾壳(3-1)和尾鳍(3-2)同步或独立摆动，实现直线游动过程中滑翔前进。

2.根据权利要求1所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述水下转向机构(2-4)包含舵机A(2-41)、连接杆A(2-42)、两个摇臂(2-43)、两个摇杆(2-44)和两个连接杆B(2-45)；

舵机A(2-41)安装在位于滑翔壳体(2-1)内的支撑板(2-7)上，连接杆A(2-42)安装在舵机A(2-41)的输出轴上，两个摇臂(2-43)并排设置，两个摇臂(2-43)的一端与连接杆A(2-42)两端相连，两个摇臂(2-43)的另一端分别与两个摇杆(2-44)的一端相连，两个摇杆(2-44)的另一端分别与两个连接杆B(2-45)相连，两个机翼(2-2)对称布置并固定在支撑板(2-7)上，两个襟翼(2-3)分别布置在机翼(2-2)的凹槽内，每个连接杆B(2-45)穿设在所述凹槽底内且能相对机翼(2-2)旋转，两个襟翼(2-3)固定在对应的连接杆B(2-45)上。

3.根据权利要求1所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述浮力调节机构(2-5)包含密封筒A(2-51)、电机A(2-52)、滚珠丝杠副A(2-53)、注排水容器和支撑架A；

密封筒A(2-51)布置在支撑板(2-7)的上方，电机A(2-52)、滚珠丝杠副A(2-53)、注排水容器(2-54)和支撑架A布置在密封筒A(2-51)内，电机A(2-52)安装在密封筒A(2-51)的一侧端盖A(2-56)上，电机A(2-51)的输出轴与滚珠丝杠副A(2-53)的丝杠相连，丝杠的另一端可转动地设置在密封筒A(2-51)的另一侧端盖A(2-56)上，丝杠由支撑架A支撑；

注排水容器包含多个活塞杆(2-541)和多个水筒(2-542)，多个水筒(2-542)固定在密封筒A(2-51)的另一侧端盖上，每个活塞杆(2-541)上的活塞密封可滑动地设置在对应的水筒(2-542)内，水筒(2-542)的注排水口朝向鱼头(1)设置，鱼头(1)上开有与外界相通的通孔，每个活塞杆(2-541)与滚珠丝杠副A(2-53)的螺母相连，端盖A(2-56)与滑翔壳体(2-1)相连。

4.根据权利要求1所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述重力调节机构(2-6)包含密封筒B(2-61)、电机B(2-62)、滚珠丝杠副B(2-63)、配置物(2-64)和支撑架B(2-65)；

密封筒B(2-61)布置在支撑板(2-7)的下方，电机B(2-62)、滚珠丝杠副B(2-63)、配置物(2-64)和支撑架B(2-65)布置在密封筒B(2-61)内，支撑架B(2-65)固定在密封筒B(2-61)的两个端盖B(2-66)上；

电机B(2-62)固定在支撑架B(2-65)上，支撑架B(2-65)安装在密封筒B(2-61)的两侧端盖B(2-66)，电机B(2-62)的输出轴与滚珠丝杠副B(2-63)的丝杠相连，滚珠丝杠副B(2-63)的丝杠可转动地设置在支撑架B(2-65)上，配置物(2-64)安装在滚珠丝杠副B(2-63)的螺母上。

5.根据权利要求1所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述尾壳(3-1)包含长鱼尾壳(3-11)和短鱼尾壳(3-12)，所述摆动驱动机构(3-3)包含第一摆动机构(3-31)和第二摆动机构(3-32)；

第一摆动机构(3-31)包含连接架A(3-311)、连接架B(3-312)和舵机B(3-313)；连接架A(3-311)与滑翔壳体(2-1)固连，舵机B(3-312)可转动地设置在连接架A(3-311)上，舵机B(3-313)的输出轴与连接架A(3-311)相连，连接架B(3-312)与舵机B(3-313)的外壳固接，长鱼尾壳(3-11)与连接架B(3-312)固接，连接架B(3-312)与第二摆动机构(3-32)固连。

6.根据权利要求5所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述第二摆动机构(3-32)包含连接架C(3-321)、舵机C(3-222)和双平行四边形机构(3-223)；

连接架C(3-321)与连接架B(3-312)固接，舵机C(3-322)的壳体与连接架C(3-321)固接，双平行四边形机构(3-223)的前侧通过竖杆(3-4)相连，后侧通过尾鳍(3-2)相连，舵机C(3-222)的输出轴与上部的平行四边形机构的连杆相连，下部的平行四边形机构的连杆与舵机C(3-222)的外壳转动连接，短鱼尾壳(3-12)与双平行四边形机构的前侧连杆相连。

7.根据权利要求1所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述尾鳍(3-2)的材质为环氧树脂板或玻璃纤维板。

8.根据权利要求5所述仿生鱼式水下滑翔机，其特征在于：所述长鱼尾壳(3-11)和短鱼尾壳(3-12)为环氧树脂3D打印而成。