CN105501420B - 一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，包括基体以及置于所述基体内的驱动部；其中：所述驱动部包括内部固定架以及设于所述内部固定架的尾鳍驱动单元和重心调节机构，尾鳍驱动单元包括结构相同的两组尾鳍驱动装置，两组所述尾鳍驱动装置对称分别置于所述内部固定架的两侧；所述基体包括腔体和尾鳍组，所述腔体由第一壳体和第二壳体扣合而成，所述尾鳍组包括第一尾鳍和第二尾鳍，所述第一尾鳍和所述第二尾鳍纵向、对称设于所述第二壳体，并分别连接至与之对应的所述尾鳍驱动装置。本发明的仿生机器鱼既能够解决尾鳍推进式机器鱼的艏摇问题，同时能够保持良好的机动性。

Description

一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及水下潜器，具体涉及一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼。

背景技术

地球的海洋面积为3.61亿平方千米，约占地球总面积的71％，广阔的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，而且海洋中的物种资源储量巨大，随着资源在全球范围内成为关注的焦点以及海洋勘测技术的发展，对于海洋资源的开发和利用成为世界各国关注的焦点。水下机器人是从驱动和结构出发，实现对于水下生物(鱼类)的外形及其运动方式的仿生，用智能设备代替人类实现水下探测，在军用侦查等领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。

按照推进运动所模仿的鱼类身体部位的不同，目前的仿生机器鱼主要分为两种：一种是身体、尾鳍推进模式，即利用身体弯曲或尾鳍的周期性往复摆动产生推进力；另一种是中间鳍、对鳍推进模式，即利用中间鳍、对鳍的周期性摆动或波动产生推进力。中间鳍、对鳍推进模式普遍存在游动速度较慢的不足，而采用尾鳍推进模式驱动的仿生机器鱼由于其具有优秀的加速及高效推进能力，因此在对速度及推进效率有要求的场合下，这种推进模式得到了人们更多的关注。

目前国内外研究机构已经开发了多种基于单尾鳍推进驱动的机器鱼，单尾鳍驱动的机器鱼的优点在于结构简单、易于控制，但单尾鳍在摆动产生推进力时不可避免的会产生明显的侧向力，使得机器鱼在运动过程中，会出现明显的艏摇现象，从而影响其推进效率。

在此基础上，出现了并行排列结构形式的双尾鳍机器鱼，通过双尾鳍的反向运动可以产生一对大小相等、方向相反的侧向力，使得机器鱼整体的侧向力为零，从而消除了机器鱼的艏摇现象。但是，这种结构设计的出发点更像是通过划桨实现前行的船，而与鱼的游动前行机理并不吻合，此外，这样的结构设计会使得机器鱼的横向尺寸增加，一定程度上降低了机器鱼的机动性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，旨在通过尾鳍驱动的方式实现仿生机器鱼的游动动作。

本发明采用的技术方案具体为：

一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，包括基体以及置于所述基体内的驱动部；其中：

所述驱动部包括内部固定架以及设于所述内部固定架的尾鳍驱动单元和重心调节机构，尾鳍驱动单元包括结构相同的两组尾鳍驱动装置，两组所述尾鳍驱动装置对称分别置于所述内部固定架的两侧；

所述基体包括腔体和尾鳍组，所述腔体由第一壳体和第二壳体扣合而成，所述尾鳍组包括第一尾鳍和第二尾鳍，所述第一尾鳍和所述第二尾鳍纵向、对称设于所述第二壳体，并分别连接至与之对应的所述尾鳍驱动装置。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述重心调节机构包括舵机和平衡块，其中：

所述舵机通过舵机支架固定于所述内部固定架；

所述平衡块通过舵机臂与所述舵机相连接，所述舵机臂可沿设于舵机端的回转中心转动；

舵机输出的转动运动带动舵机臂围绕其回转中心做摆动运动，从而带动平衡运动，通过调节重心实现仿生机器鱼上浮或者下潜运动。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述平衡块为金属块。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述第一尾鳍和第二尾鳍分别通过尾鳍连接架与对应的所述尾鳍驱动装置相连接，两组所述尾鳍驱动装置相互独立，且所述尾鳍连接架与所述第二壳体采用星型圈进行动密封连接。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述尾鳍驱动装置包括电机、可变向传动机构和转轴；其中：

所述电机固定于所述内部固定架，所述电机与所述可变向传动机构的动力输入端相连接；

所述转轴的一端通与所述内部固定架相连接，贯穿所述可变向传动机构的动力输出端后，另一端连接至尾鳍连接架；

电机输出的转动运动经可变向传动机构将输出运动转向后传递到尾鳍连接支架，进而使对应的尾鳍实现摆动。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述转轴的两端分别设有内铜套和外铜套，所述内铜套固定于所述内部固定架，所述外铜套固定于电机支架，所述电机经所述电机支架固定于所述内部固定架，所述转轴经转接件与和所述尾鳍连接架相连接。

在上述基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼中，所述可变向传动机构为锥齿轮副或者蜗轮蜗杆齿轮副。

本发明产生的有益效果是：

本发明的仿生机器鱼在水中能够实现如真鱼一样的游动状态，双尾鳍驱动之间互不干涉，可以通过联合控制实现了仿生机器鱼在水中的前进运动，通过腔体内部的重心调节机构实现了仿生机器鱼在水中的上浮/下潜运动；

本发明的仿生机器鱼结构新颖独特，通过纵向排列的双尾鳍，既能够解决仿生机器鱼的艏摇问题，同时保持了良好的机动性，尤其适合于作业强度和精度要求高的水下探测和军用侦查领域，具有广阔的应用前景；同时，在本发明的双尾鳍基础上可以进行进一步的扩展和延伸，具有可观的开发潜力。

此外，通过在动力单元中设置电池等内置式电源，使得仿生机器鱼可以在无外接电源的状态下进行在水下工作。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼的结构示意图；

图2-1为本发明一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼的内部重心调节机构的结构示意图；

图2-2为本发明一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼的双尾鳍驱动装置的内部重心调节机构的***图；

图3-1为本发明一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼的双尾鳍驱动装置的结构示意图；

图3-2为本发明一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼的双尾鳍驱动装置的***图。

图中：

前壳体11、后壳体12、第一尾鳍13、第二尾鳍14、第一尾鳍连接架15、第二尾鳍连接架16；

舵机21、第一舵机支架22、第二舵机支架23、第一舵机舵机臂24、第二舵机臂25、铜块26；

内部固定架31、电机32、电机支架33、锥齿轮传动机构34、转轴35、转接件36、内铜套37、外铜套38、轴套39。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1所示的一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，主要包括外形结构的基体以及置于基体内的双尾鳍驱动部以及重心调节机构；其中：

基体主要包括由前壳体11、后壳体12扣合而成的腔体以及设于后壳体12上的包括第一尾鳍13、第二尾鳍14在内的尾鳍组，第一尾鳍13、第二尾鳍14分别通过第一尾鳍连接架15、第二尾鳍连接架16经后壳体12连接至各自的尾鳍驱动装置；作为一种优选，具有弹性的第一尾鳍13、第二尾鳍14可采用玻璃纤维板或者碳纤维板制作。

第一尾鳍13、第二尾鳍14通过第一尾鳍连接架15、第二尾鳍连接架16与腔体尾部采用星型圈进行动密封连接，可以有效防止工作环境中的水进入腔体。

重心调节机构的结构进一步参照图2-1和2-2，包括舵机21、第一舵机支架22、第二舵机支架23、第一舵机舵机臂24、第二舵机臂25和铜块(实际上，作为平衡块的铜块的具体材质没有严格的限制，为了能够明显实现调整重心的效果，配重功能的平衡块的材质优选为密度足够大的金属但并不仅限于金属吗，能实现同等功能的其他材质也可以替代)26；其中：舵机21通过第一舵机支架22、第二舵机支架23固定于双尾鳍驱动部的内部固定架31上，铜块26通过第一舵机舵机臂24、第二舵机臂25与舵机21相连接，保证了重心调整过程中铜块26运动的准确性，进而保证了仿生机器鱼在重心调节过程中的准确性。

在水中运动时，舵机21输出转动运动，带动第一舵机舵机臂24、第二舵机臂25围绕其回转中心做摆动运动，从而带动铜块26运动，通过调节仿生机器鱼的重心，实现仿生机器鱼的上浮和下潜运动，通过重心调节机构实现上浮/下潜运动的原理为：

当需要下潜时，通过重心调节机构使重心与浮心不在一条竖直直线上，这时机器鱼会受到一个俯仰力矩，如果重心调整机构顺时针摆动，这时会产生一个逆时针的俯仰力矩，配合尾鳍的运动，机器鱼就会下潜；相反，机器鱼就会上升。

双尾鳍驱动部的结构进一步参照图3-1和3-2，两组尾鳍驱动装置连接至各自的尾鳍，两组尾鳍驱动装置均设于内部固定架31，且关于作为水平基架的内部固定架31上下对称，以下只对其中之一的尾鳍驱动装置的结构进行说明：

主要包括电机32、锥齿轮传动机构34、转轴35和转接件36；其中：电机32通过电机支架33安装在内部固定架31上，并与锥齿轮传动机构34中锥齿轮一相连接，用于对尾鳍进行动力输入；

其中转轴35的两端分别设有相当于轴承功能的内铜套37和外铜套38，内铜套37固定于内部固定架31，而外铜套38固定于电机支架32，转轴35贯穿过锥齿轮传动机构34的锥齿轮二后，另一端通过转接件36连接至尾鳍连接架，转接件36和尾鳍连接架之间设有用于保证精度的轴套39。

在水中运动时，两组尾鳍驱动装置中的电机32分别输出转动运动，利用锥齿轮传动机构34将输出运动转向后传递到尾鳍连接第一尾鳍连接架15、第二尾鳍连接架16，进而使第一尾鳍13、第二尾鳍14根据电机32的输出，按照一定运动规律进行摆动；

当然只要能产生输入与输出的90°转向，也可以采用如蜗轮蜗杆齿轮副或者等其他能够可靠实现上述传动要求的传动形式来替代本实施例中的锥齿轮传动机构34。

两组尾鳍驱动装置采用相互独立的控制方式，当上、下两个电机32的输出相同转速且方向一致时，仿生机器鱼在双尾鳍驱动下作前进运动，而当上、下两个电机32输出相同转速但方向不一致时，仿生机器鱼在双尾鳍驱动下做转弯运动。

通过对双尾鳍驱动部和重心调节机构的输出运动的合理组合，实现本发明的仿生机器鱼在水中的各种运动。

以上结合附图对本发明的实施例进行了详细地说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。显然，以上所述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，任何对本领域的技术人员来说是可轻易想到的、实质上没有脱离本发明的变化或替换，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，包括基体以及置于所述基体内的驱动部；其中：

所述驱动部包括内部固定架以及设于所述内部固定架的尾鳍驱动单元和重心调节机构，尾鳍驱动单元包括结构相同的两组尾鳍驱动装置，两组所述尾鳍驱动装置对称分别置于所述内部固定架的两侧；

所述基体包括腔体和尾鳍组，所述腔体由第一壳体和第二壳体扣合而成，所述尾鳍组包括第一尾鳍和第二尾鳍，所述第一尾鳍和所述第二尾鳍纵向、对称设于所述第二壳体，并分别连接至与之对应的所述尾鳍驱动装置。

2.根据权利要求1所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述重心调节机构包括舵机和平衡块，其中：

所述舵机通过舵机支架固定于所述内部固定架；

所述平衡块通过舵机臂与所述舵机相连接，所述舵机臂可沿设于舵机端的回转中心转动；

舵机输出的转动运动带动舵机臂围绕其回转中心做摆动运动，从而带动平衡运动，通过调节重心实现仿生机器鱼上浮或者下潜运动。

3.根据权利要求2所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述平衡块为金属块。

4.根据权利要求2所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述第一尾鳍和第二尾鳍分别通过尾鳍连接架与对应的所述尾鳍驱动装置相连接，两组所述尾鳍驱动装置相互独立，且所述尾鳍连接架与所述第二壳体采用星型圈进行动密封连接。

5.根据权利要求4所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述尾鳍驱动装置包括电机、可变向传动机构和转轴；其中：

所述电机固定于所述内部固定架，所述电机与所述可变向传动机构的动力输入端相连接；

所述转轴的一端通与所述内部固定架相连接，贯穿所述可变向传动机构的动力输出端后，另一端连接至尾鳍连接架；

电机输出的转动运动经可变向传动机构将输出运动转向后传递到尾鳍连接支架，进而使对应的尾鳍实现摆动。

6.根据权利要求5所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述转轴的两端分别设有内铜套和外铜套，所述内铜套固定于所述内部固定架，所述外铜套固定于电机支架，所述电机经所述电机支架固定于所述内部固定架，所述转轴经转接件与和所述尾鳍连接架相连接。

7.根据权利要求5所述的基于双尾鳍驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述可变向传动机构为锥齿轮副或者蜗轮蜗杆齿轮副。