CN216674363U

CN216674363U - 一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼

Info

Publication number: CN216674363U
Application number: CN202123200809.3U
Authority: CN
Inventors: 刘永康; 苏靖博; 田付涛; 姜雪蒙; 束浩诚; 李一明; 李红双; 刘锦
Original assignee: Shenyang Aerospace University
Current assignee: Shenyang Aerospace University
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2031-12-20

Abstract

一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，包括头部、躯干及尾部；头部和尾部分别连接在躯干前后两端；躯干由若干椎节单元体组成；椎节单元体包括椎节框架、曲轴、光轴及摆杆；曲轴两端通过轴承与椎节框架相连；光轴与曲轴平行分布，光轴两端通过轴承与椎节框架相连；摆杆采用直线型结构，摆杆沿长度方向分为单杆段和双平行杆段，摆杆单杆段上设有用于光轴穿行的圆孔；曲轴偏心段位于摆杆双平行杆段夹缝内；摆杆单杆段伸向椎节框架外侧；由曲轴、光轴及摆杆构成曲柄连杆机构，两个曲柄连杆机构在椎节框架内左右镜像对称分布；相邻椎节单元体之间通过万向联轴器连接曲轴；躯体同侧所有相邻曲轴偏心段的相位角相同；躯干两侧摆杆上对称镜像分布柔性鳍。

Description

一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼

技术领域

本实用新型属于水下仿生机器人技术领域，特别是涉及一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼。

背景技术

水下机器人是一种理想的测量仪器平台，其具有噪声辐射小、可贴近观测对象、可按设定高度进行海底地形跟踪的特点，并且可以获取采用常规手段所不能获取的高质量数据和图像，同时其还具有造价低、隐蔽性好、安全性高的特点，使水下机器人正逐步成为海洋观察和探测的重要手段。

目前，水下机器人主要以螺旋桨驱动模式为主，通过螺旋桨的转动为水下机器人提供推进力，同时通过控制螺旋桨驱动电机的转速和螺旋桨的改变水下机器人的航速和航向。但是，采用传统的螺旋桨驱动模式的水下机器人，普遍存在体积大、能耗高、综合效率低的缺点，同时具有较大的噪音和尾迹，而且水下机器人在高速度航行时的能量损失比较大。

近些年来，受自然界鱼类推进的快速性和高效性启发，仿生鱼推进技术逐渐成为研究热点，而如何将鱼类的运动特点有效结合到水下机器人中，成为了亟待解决和完善的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，通过正弦波模式推进水下机器人，能够在狭小空间完成前进、后退等动作；与传统螺旋桨推进模式的水下机器人相比，噪音更小，可在水中安静航行，且整体结构扁平，当其下潜至水底时可以拥有优良的隐蔽性；仿生鱼的躯干采用模块化设计，可以根据实际应用场景决定椎节数量，某一椎节损坏后也便于更换。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，包括头部、躯干及尾部；所述头部和尾部分别连接在躯干的前后两端；所述躯干由若干椎节单元体组成，若干椎节单元体顺序排布；所述椎节单元体包括椎节框架、曲轴、光轴及摆杆；所述曲轴两端通过轴承与椎节框架相连；所述光轴与曲轴平行分布，光轴两端通过轴承与椎节框架相连；所述摆杆采用直线型结构，摆杆沿长度方向分为单杆段和双平行杆段，在摆杆的单杆段上开设有圆孔，所述光轴穿装在摆杆的单杆段圆孔中，摆杆相对于光轴具有摆转自由度；所述曲轴的偏心段位于摆杆的双平行杆段的夹缝内，曲轴的偏心段在摆杆的双平行杆段夹缝内具有滑移自由度；所述摆杆的单杆段自由端伸向椎节框架的外侧；由所述曲轴、光轴及摆杆构成曲柄连杆机构，曲柄连杆机构在椎节框架上的数量为两个，且两个曲柄连杆机构在椎节框架内左右镜像对称分布；在相邻所述椎节单元体之间，相邻椎节框架同侧曲柄连杆机构内的曲轴均通过万向联轴器连接；在顺序分布的所有椎节单元体内，同侧曲柄连杆机构内的所有相邻曲轴的偏心段均具有相同的相位角；在所述躯干两侧对称镜像分布有柔性鳍，所述柔性鳍铺装曲柄连杆机构内的摆杆单杆段上。

所述头部包括底座及透明保护罩，所述透明保护罩密封扣合在底座上；在所述底座上安装有柔性鳍波动执行电机，柔性鳍波动执行电机的电机轴密封延伸至头部后方，柔性鳍波动执行电机的电机轴通过万向联轴器与最前端椎节单元体内的曲轴相连；所述柔性鳍波动执行电机数量为两个，两个柔性鳍波动执行电机分别用于驱动躯干两侧的柔性鳍运动；所述尾部的前端壳体与最后端椎节单元体内的曲轴之间通过万向联轴器连接，且万向联轴器与尾部的前端壳体通过轴承连接。

在所述头部与尾部固定连接有一根柔性脊杆，在所有椎节单元体的椎节框架中部均开设有脊杆穿行孔；在所述柔性脊杆上方平行设置有一根躯体上弯曲拉绳，所述躯体上弯曲拉绳后端固定连接在尾部壳体上，躯体上弯曲拉绳前端延伸至头部内侧；在所述柔性脊杆下方平行设置有一根躯体下弯曲拉绳，所述躯体下弯曲拉绳后端固定连接在尾部壳体上，躯体下弯曲拉绳前端延伸至头部内侧；在所述头部的底座上设置有躯体弯曲驱动舵机，在所述躯体弯曲驱动舵机的电机轴上固定套装有卷盘；所述躯体上弯曲拉绳前端顺时针卷绕在卷盘上；所述躯体下弯曲拉绳前端逆时针卷绕在卷盘上；在所有椎节单元体的椎节框架中部均开设有用于躯体上弯曲拉绳和躯体下弯曲拉绳穿行的拉绳穿行孔。

在所述头部内侧的底座前端安装有云台，在云台上安装有观测相机。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，通过正弦波模式推进水下机器人，能够在狭小空间完成前进、后退等动作；与传统螺旋桨推进模式的水下机器人相比，噪音更小，可在水中安静航行，且整体结构扁平，当其下潜至水底时可以拥有优良的隐蔽性；仿生鱼的躯干采用模块化设计，可以根据实际应用场景决定椎节数量，某一椎节损坏后也便于更换。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼的结构示意图；

图2为本实用新型的椎节单元体的结构示意图；

图3为本实用新型的头部(透明保护罩未示出)的结构示意图；

图中，I—头部，II—躯干，III—尾部，1—椎节框架，2—曲轴，3—光轴，4—摆杆，5—联轴器，6—柔性鳍，7—底座，8—透明保护罩，9—柔性鳍波动执行电机，10—柔性脊杆，11—脊杆穿行孔，12—躯体上弯曲拉绳，13—躯体下弯曲拉绳，14—躯体弯曲驱动舵机，15—卷盘，16—拉绳穿行孔，17—云台，18—观测相机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，包括头部I、躯干II及尾部III；所述头部I和尾部III分别连接在躯干II的前后两端；所述躯干II由若干椎节单元体组成，若干椎节单元体顺序排布；所述椎节单元体包括椎节框架1、曲轴2、光轴3及摆杆4；所述曲轴2两端通过轴承与椎节框架1相连；所述光轴3与曲轴2平行分布，光轴3两端通过轴承与椎节框架1相连；所述摆杆4采用直线型结构，摆杆4沿长度方向分为单杆段和双平行杆段，在摆杆4的单杆段上开设有圆孔，所述光轴3穿装在摆杆4的单杆段圆孔中，摆杆4相对于光轴3具有摆转自由度；所述曲轴2的偏心段位于摆杆4的双平行杆段的夹缝内，曲轴2的偏心段在摆杆4的双平行杆段夹缝内具有滑移自由度；所述摆杆4的单杆段自由端伸向椎节框架1的外侧；由所述曲轴2、光轴3及摆杆4构成曲柄连杆机构，曲柄连杆机构在椎节框架1上的数量为两个，且两个曲柄连杆机构在椎节框架1内左右镜像对称分布；在相邻所述椎节单元体之间，相邻椎节框架1同侧曲柄连杆机构内的曲轴2均通过万向联轴器5连接；在顺序分布的所有椎节单元体内，同侧曲柄连杆机构内的所有相邻曲轴2的偏心段均具有相同的相位角；在所述躯干II两侧对称镜像分布有柔性鳍6，所述柔性鳍6铺装曲柄连杆机构内的摆杆4单杆段上。

所述头部I包括底座7及透明保护罩8，所述透明保护罩8密封扣合在底座7上；在所述底座7上安装有柔性鳍波动执行电机9，柔性鳍波动执行电机9的电机轴密封延伸至头部I后方，柔性鳍波动执行电机9的电机轴通过万向联轴器5与最前端椎节单元体内的曲轴2相连；所述柔性鳍波动执行电机9数量为两个，两个柔性鳍波动执行电机9分别用于驱动躯干II两侧的柔性鳍6运动；所述尾部III的前端壳体与最后端椎节单元体内的曲轴2之间通过万向联轴器5连接，且万向联轴器5与尾部III的前端壳体通过轴承连接。

在所述头部I与尾部III固定连接有一根柔性脊杆10，在所有椎节单元体的椎节框架1中部均开设有脊杆穿行孔11；在所述柔性脊杆10上方平行设置有一根躯体上弯曲拉绳12，所述躯体上弯曲拉绳12后端固定连接在尾部III壳体上，躯体上弯曲拉绳12前端延伸至头部I内侧；在所述柔性脊杆10下方平行设置有一根躯体下弯曲拉绳13，所述躯体下弯曲拉绳13后端固定连接在尾部III壳体上，躯体下弯曲拉绳13前端延伸至头部I内侧；在所述头部I的底座7上设置有躯体弯曲驱动舵机14，在所述躯体弯曲驱动舵机14的电机轴上固定套装有卷盘15；所述躯体上弯曲拉绳1前端顺时针卷绕在卷盘15上；所述躯体下弯曲拉绳13前端逆时针卷绕在卷盘15上；在所有椎节单元体的椎节框架1中部均开设有用于躯体上弯曲拉绳12和躯体下弯曲拉绳13穿行的拉绳穿行孔16。

在所述头部I内侧的底座前端安装有云台17，在云台17上安装有观测相机18。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程：

当仿生鱼需要在水下直线航行时，只需控制两台柔性鳍波动执行电机9以相同转速运行即可，柔性鳍波动执行电机9可以通过万向联轴器5带动曲轴2转动，通过转动的曲轴2带动摆杆4绕光轴3做往复摆转运动，最终由摆杆4带动柔性鳍6以正弦波模式运动，从而产生向前运动的分力，由于两台柔性鳍波动执行电机9转速相同，因此躯干II两侧的柔性鳍6可以同速同步运动，产生的向前运动的分力也相同，因而躯干II两侧的柔性鳍6在相同运动分力作用下就可以实现直线航行。

当仿生鱼需要向左偏航时，只需降低左侧柔性鳍波动执行电机9的转速，进而使躯干II左侧的柔性鳍6相对低速运动，用以降低左侧向前运动的分力，由于躯干II右侧柔性鳍6相对高速运动，因此右侧向前运动的分力更高，在左右作用力产生偏差时，就可以产生向左偏转的力矩，从而实现仿生鱼向左偏航的目的。

同理，当仿生鱼需要向右偏航时，只需降低右侧柔性鳍波动执行电机9的转速，进而使躯干II右侧的柔性鳍6相对低速运动，用以降低右侧向前运动的分力，由于躯干II左侧柔性鳍6相对高速运动，因此左侧向前运动的分力更高，在左右作用力产生偏差时，就可以产生向向右偏转的力矩，从而实现仿生鱼向右偏航的目的。

当仿生鱼需要斜向向上偏航时，只需启动躯体弯曲驱动舵机14顺时针转动，进而通过卷盘15对躯体上弯曲拉绳12进行收绳动作，使头部I与尾部III之间的距离变短，在收绳拉力作用下，柔性脊杆10同步向上弯曲，使头部I向上仰起，此时柔性鳍6会产生斜向上的分力，进而驱动仿生鱼实现斜向向上偏航的目的。

同理，当仿生鱼需要斜向向下偏航时，只需启动躯体弯曲驱动舵机14逆时针转动，进而通过卷盘15对躯体下弯曲拉绳13进行收绳动作，使头部I与尾部III之间的距离变短，在收绳拉力作用下，柔性脊杆10同步向下弯曲，使头部I向下俯沉，此时柔性鳍6会产生斜向下的分力，进而驱动仿生鱼实现斜向向下偏航的目的。

实施例中的方案并非用以限制本实用新型的专利保护范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，其特征在于：包括头部、躯干及尾部；所述头部和尾部分别连接在躯干的前后两端；所述躯干由若干椎节单元体组成，若干椎节单元体顺序排布；所述椎节单元体包括椎节框架、曲轴、光轴及摆杆；所述曲轴两端通过轴承与椎节框架相连；所述光轴与曲轴平行分布，光轴两端通过轴承与椎节框架相连；所述摆杆采用直线型结构，摆杆沿长度方向分为单杆段和双平行杆段，在摆杆的单杆段上开设有圆孔，所述光轴穿装在摆杆的单杆段圆孔中，摆杆相对于光轴具有摆转自由度；所述曲轴的偏心段位于摆杆的双平行杆段的夹缝内，曲轴的偏心段在摆杆的双平行杆段夹缝内具有滑移自由度；所述摆杆的单杆段自由端伸向椎节框架的外侧；由所述曲轴、光轴及摆杆构成曲柄连杆机构，曲柄连杆机构在椎节框架上的数量为两个，且两个曲柄连杆机构在椎节框架左右镜像对称分布；在相邻所述椎节单元体之间，相邻椎节框架同侧曲柄连杆机构内的曲轴均通过万向联轴器连接；在顺序分布的所有椎节单元体内，同侧曲柄连杆机构内的所有相邻曲轴的偏心段均具有相同的相位角；在所述躯干两侧对称镜像分布有柔性鳍，所述柔性鳍铺装曲柄连杆机构内的摆杆单杆段上。

2.根据权利要求1所述的一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，其特征在于：所述头部包括底座及透明保护罩，所述透明保护罩密封扣合在底座上；在所述底座上安装有柔性鳍波动执行电机，柔性鳍波动执行电机的电机轴密封延伸至头部后方，柔性鳍波动执行电机的电机轴通过万向联轴器与最前端椎节单元体内的曲轴相连；所述柔性鳍波动执行电机数量为两个，两个柔性鳍波动执行电机分别用于驱动躯干两侧的柔性鳍运动；所述尾部的前端壳体与最后端椎节单元体内的曲轴之间通过万向联轴器连接，且万向联轴器与尾部的前端壳体通过轴承连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，其特征在于：在所述头部与尾部固定连接有一根柔性脊杆，在所有椎节单元体的椎节框架中部均开设有脊杆穿行孔；在所述柔性脊杆上方平行设置有一根躯体上弯曲拉绳，所述躯体上弯曲拉绳后端固定连接在尾部壳体上，躯体上弯曲拉绳前端延伸至头部内侧；在所述柔性脊杆下方平行设置有一根躯体下弯曲拉绳，所述躯体下弯曲拉绳后端固定连接在尾部壳体上，躯体下弯曲拉绳前端延伸至头部内侧；在所述头部的底座上设置有躯体弯曲驱动舵机，在所述躯体弯曲驱动舵机的电机轴上固定套装有卷盘；所述躯体上弯曲拉绳前端顺时针卷绕在卷盘上；所述躯体下弯曲拉绳前端逆时针卷绕在卷盘上；在所有椎节单元体的椎节框架中部均开设有用于躯体上弯曲拉绳和躯体下弯曲拉绳穿行的拉绳穿行孔。

4.根据权利要求2所述的一种基于海扁虫柔性侧鳍波动的仿生鱼，其特征在于：在所述头部内侧的底座前端安装有云台，在云台上安装有观测相机。