專利名稱：具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生機器魚技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種仿照鰩魚兩側(cè)雙鰭波動推進(jìn)方式、通過重心調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)機器魚的重心位置、可在水下實現(xiàn)三維運動的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)及其運動方式。
背景技術(shù)：
進(jìn)入二十一世紀(jì)，人類在水下環(huán)境中的生產(chǎn)、科研活動不斷增加，水下作業(yè)任務(wù)的要求有了新的需要在軍事領(lǐng)域中，水下偵查、聲波干擾、掃雷與布雷等需要結(jié)構(gòu)尺寸小、運動靈活性強、隱蔽性好的水下探測和偵查系統(tǒng)；在民用事業(yè)上，海洋資源勘探與開發(fā)、水下救援、 水下安全監(jiān)控等需要持續(xù)工作時間長、機動性高、穩(wěn)定性好的水下檢測和作業(yè)系統(tǒng)。而傳統(tǒng)水下推進(jìn)器多采用螺旋槳式、噴流回轉(zhuǎn)式或葉輪式推進(jìn)結(jié)構(gòu)，其能源利用率低、結(jié)構(gòu)尺寸和重量大、運動靈活性和隱蔽性差，難以滿足現(xiàn)代水下作業(yè)任務(wù)的需要。近年來，隨著仿生學(xué)和機器人學(xué)研究的不斷進(jìn)步，以魚類為模仿對象，進(jìn)行仿魚水下推進(jìn)技術(shù)的研究已經(jīng)成為新型水下推進(jìn)系統(tǒng)研究的熱點。自然界中的魚類經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化，獲得了卓越的水中運動能力，為高效、小尺寸、高機動性、低噪聲和易隱蔽的現(xiàn)代水下推進(jìn)器的研制提供了一種新的思路。目前仿魚水下機器人的研究中，以裸背鰻科、鰩科為代表的具有高機動性的魚類的研究工作具有特別的意義。在國內(nèi)，國防科技大學(xué)針對“尼羅河魔鬼”魚開展的仿生長鰭游動運動研究最為突出，開發(fā)了仿生長鰭游動裝置；中國科學(xué)院自動化研究所在對鰺科魚類游動機理深入研究的基礎(chǔ)上，研制了多關(guān)節(jié)微小型仿生機器魚。在國外，日本大阪大學(xué)在鰩科魚類研究的基礎(chǔ)上研制了雙側(cè)長鰭波動推進(jìn)的機器人系統(tǒng)；美國西北大學(xué)也開發(fā)了長鰭波動推進(jìn)實驗裝置來檢測不同控制策略下長鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力；新加坡的NTU大學(xué)開展了長鰭波動推進(jìn)的研究工作，研制了相應(yīng)的長鰭波動推進(jìn)機構(gòu)和實驗裝置。在現(xiàn)有公開的技術(shù)中，仿照鰺科、鰻鱺科等魚類運動方式的仿魚水下機器人，采用的是尾鰭推進(jìn)的方式，推進(jìn)過程中需要借助魚體的運動，魚體的運動必然影響了魚體的穩(wěn)定性，對環(huán)境的擾動大，隱蔽性也隨之變差；采用尾鰭推進(jìn)方式，只能實現(xiàn)前向游動，不能實現(xiàn)倒退游動，當(dāng)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，采用尾鰭推進(jìn)必須以一定的轉(zhuǎn)彎半徑來實現(xiàn)方向的改變。 此外，現(xiàn)有的仿生波動魚鰭水下機器人只能夠驗證二維平面的運動性能，難以體現(xiàn)波動魚鰭推進(jìn)方式的優(yōu)點，對新型水下推進(jìn)器設(shè)計的指導(dǎo)作用有限。復(fù)雜海洋環(huán)境下對機動性、隱蔽性和穩(wěn)定性更高的要求，迫切需要開發(fā)一些特殊的推進(jìn)方式，為適合于復(fù)雜海洋環(huán)境工作的，適用于軍事偵查、海洋勘探、水下救援、水下監(jiān)控等不同工作需求的新型仿魚水下機器人的研制與應(yīng)用提供新的思路。在現(xiàn)有公開的技術(shù)中，經(jīng)關(guān)鍵詞“鰭波動”檢索，比較典型相關(guān)的有專利公開號 CN10143573 “仿生長鰭波動推進(jìn)實驗裝置”(
公開日2009. 05. 20，申請?zhí)?00710177403. 3)、 專利公開號CN101332868 “液壓驅(qū)動波動鰭仿生水下推進(jìn)器”(
公開日2008. 12. 31，申請?zhí)?200810031901. 1 )，專利公開號CN101435739主要涉及一種通過繞自身中軸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)前后游動的仿生長鰭波動推進(jìn)實驗裝置，專利公開號CN101332868主要設(shè)計了一種液壓驅(qū)動波動鰭仿生水下推進(jìn)器，通過模擬水下生物柔性長鰭的波動運動，產(chǎn)生平行于支架長軸方向的推進(jìn)力。它們并不能輕易地在前向、倒退、轉(zhuǎn)彎種游動方式之間輕易地切換，進(jìn)行轉(zhuǎn)向運動時的轉(zhuǎn)彎半徑也較大，且不具有水下三維運動能力，應(yīng)用受到很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是仿照鰩科魚類生物兩側(cè)雙鰭波動的運動方法，發(fā)明設(shè)計一種外形呈扁平狀、采用兩側(cè)波動魚鰭機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)水下前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎、上升和下潛三維運動的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，包括魚身主體、波動魚鰭機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)；所述魚身主體包括外殼和蓋板，二者構(gòu)成一密封腔體， 所述密封腔體內(nèi)置控制電路板和電池組；所述波動鰭機構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機，所述波動魚鰭機構(gòu)通過長支架安裝在魚身主體的外殼兩側(cè)，所述鰭膜將若干根鰭條連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭，由所述小型舵機帶動產(chǎn)生推動機器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在魚身主體的腔體內(nèi)。
所述魚身主體的外殼采用玻璃鋼材料加工，玻璃鋼材料具有強度高、材質(zhì)輕、耐腐蝕和易于加工成型等特點；所述外殼關(guān)于中心軸線左右對稱，前后對稱；所述外殼外形呈扁平狀，內(nèi)部中空，上端面開口，負(fù)責(zé)與外界水環(huán)境接觸，并起到支撐安裝在其內(nèi)部的其它部件和機構(gòu)的作用；所述蓋板安裝在外殼的上端面開口處，負(fù)責(zé)密封外殼，起到保護(hù)安裝在外殼內(nèi)部的部件和機構(gòu)不受水侵蝕的作用；所述魚身主體的外殼和蓋板，二者構(gòu)成一密封腔體， 所述密封腔體內(nèi)置控制電路板和電池組；所述控制電路板、電池組安裝在外殼內(nèi)部的左右側(cè)壁上，所述控制電路板負(fù)責(zé)控制波動魚鰭機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)上的電機按指定的要求運動，所述電池組起到向機器人電機和控制電路板供電的作用。所述波動魚鰭機構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機；所述長支架呈長條狀，負(fù)責(zé)承載波動魚鰭機構(gòu)中其它部件，并起到將波動魚鰭機構(gòu)中其它部件聯(lián)接到外殼的作用；所述鰭條前部為細(xì)長圓柱形鋼條，后端為一圓盤狀軸套，鰭條通過圓盤狀軸套安裝在小型舵機上，所述單根鰭條和相對應(yīng)的單個小型舵機組成一個驅(qū)動模塊；所述鰭膜為柔順性較好、 彈性模量適中的乳膠薄膜，所述鰭膜呈帶狀，其寬度與鰭條長度相等，其長度等于長支架上安裝的第一根鰭條到最后一根鰭條的長度，所述鰭膜覆于鰭條上，將所有鰭條連接在一起， 構(gòu)成波動魚鰭，所述波動魚鰭安裝在外殼的左右兩側(cè)；所述組成驅(qū)動模塊的小型舵機有若干個，平行等距安裝在長支架上，負(fù)責(zé)帶動鰭條做周期性擺動運動，進(jìn)而帶動鰭膜按預(yù)定的規(guī)律波動，產(chǎn)生推動機器人運動的行波，實現(xiàn)仿鰩魚機器人的水下三維運動。所述重心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括配重塊及其運動承載部件、負(fù)責(zé)驅(qū)動配重塊做直線運動的驅(qū)動部件、與仿鰩魚機器人外殼直接固定相連的支撐部件；所述配重塊及其運動承載部件包括配重塊、直線滑塊導(dǎo)軌組合、長方形固定板，直線滑塊導(dǎo)軌組合固定在仿鰩魚機器人外殼底部上，直線滑塊導(dǎo)軌組合負(fù)責(zé)承載配重塊和保證配重塊準(zhǔn)確的直線運動，配重塊通過長方形固定板與直線滑塊導(dǎo)軌組合中的滑塊連接，滑塊置于導(dǎo)軌上，二者承載配重塊并使配重塊沿導(dǎo)軌方向作直線運動，所述驅(qū)動部件包括電機、圓柱直齒輪對、絲桿、絲桿推塊，電機負(fù)責(zé)輸出旋轉(zhuǎn)運動，圓柱直齒輪對與絲桿負(fù)責(zé)傳遞電機輸出的運動，絲桿推塊中內(nèi)嵌螺旋副，負(fù)責(zé)將絲桿傳遞的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，所述支撐部件包括支撐架、電機支架、 軸承，支撐架同樣固定在仿鰩魚機器人外殼底部上，電機支架將電機固定在支撐架上、軸承負(fù)責(zé)連接支撐架與驅(qū)動部件中的絲桿。所述電機通過圓柱齒輪對、絲桿和絲桿推塊推動配重塊運動，所述圓柱直齒輪對包括與電機軸相連的圓柱直齒輪和與絲桿相連的圓柱直齒輪，通過齒輪的擬合作用將安裝位置較高的電機輸出旋轉(zhuǎn)運動傳遞為安裝位置較低的絲桿旋轉(zhuǎn)運動，圓柱直齒輪均通過定位銷與各自的軸相連接。所述滑塊導(dǎo)軌組合包括滑塊和導(dǎo)軌兩部分，滑塊的截面呈凹字型，導(dǎo)軌的截面呈口字型，滑塊通過鋼珠與導(dǎo)軌接觸并被限制在導(dǎo)軌上滑動。本發(fā)明為模仿魚類運動/研究魚類運動的水動力學(xué)、游動機理、運動控制方法提供實驗裝置，為制造效率高、機動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的水下運輸設(shè)備提供基本的實驗平臺。本發(fā)明采用雙鰭波動實現(xiàn)水下運動的機理是鰭膜覆于多根鰭條上，將鰭條連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭。鰭條呈周期性擺動，鰭條的運動規(guī)律決定著波動魚鰭的運動形態(tài)， 多根鰭條的協(xié)調(diào)擺動帶動鰭膜運動實現(xiàn)波動魚鰭的波動，繼而在波動魚鰭上產(chǎn)生行波，兩側(cè)波動魚鰭的波動運動在水中產(chǎn)生推進(jìn)力，進(jìn)而推動整體機器人運動，在此過程中仿鰩魚機器人本體在運動過程中基本保持不動。由于單根鰭條和單個小型舵機組成一個單獨的驅(qū)動模塊，其運動規(guī)律僅由控制電路板中預(yù)先設(shè)置的控制策略決定，而不與其它驅(qū)動模塊中的鰭條和電機相關(guān)，因此，布置在仿鰩魚機器人兩側(cè)的波動魚鰭機構(gòu)可以實現(xiàn)不同的波動運動。仿鰩魚機器人通過改變兩側(cè)波動魚鰭上行波的傳播方向，可以輕易地實現(xiàn)前向和倒退游動；而通過兩側(cè)波動魚鰭相反方向的行波波動，仿鰩魚機器人可以實現(xiàn)原地的轉(zhuǎn)向。本發(fā)明配重塊的運動過程是固定在支撐架上的電機帶動圓柱直齒輪做旋轉(zhuǎn)運動，通過齒輪嚙合的方式，將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到絲桿上；通過絲桿推塊中螺旋副的作用將絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為配重塊的直線運動；并依靠直線滑塊導(dǎo)軌組合限制配重塊只能沿導(dǎo)軌方向做直線運動。本發(fā)明的調(diào)節(jié)重心適應(yīng)上升下潛運動的方法是仿鰩魚機器人的左右兩側(cè)各布置一個波動魚鰭，波動魚鰭由小型舵機驅(qū)動做有規(guī)律的運動，具有在水中保持魚體平衡的功能。配重塊由電機帶動的絲桿驅(qū)動沿導(dǎo)軌運動到仿鰩魚機器人的前部，因重力的作用魚體頭部朝下，尾部向上，適應(yīng)仿鰩魚機器人的下潛運動；配重塊沿導(dǎo)軌運動到仿鰩魚機器人的后部，因重力的作用魚體頭部朝上，尾部向下，適應(yīng)仿鰩魚機器人的上升運動；仿鰩魚機器人在前后方向上傾斜的角度，與配重塊距仿鰩魚機器人體中心的距離相關(guān)；直線滑塊導(dǎo)軌組合限制配重塊向其他方向的運動，配重塊只能沿導(dǎo)軌方向作直線運動，減小仿鰩魚機器人發(fā)生向左右方向側(cè)翻的可能性。本發(fā)明有別于傳統(tǒng)的、借助魚體運動的尾鰭推進(jìn)方式，通過改變兩側(cè)波動魚鰭上行波的傳播方向，實現(xiàn)前向和倒退游動；通過兩側(cè)波動魚鰭相反方向的行波波動，實現(xiàn)原地的轉(zhuǎn)向；通過改變仿鰩魚機器人重心在機器人前部和后部的方法，實現(xiàn)上升和下潛的運動。 仿鰩魚機器人通過改變兩側(cè)波動魚鰭上行波的傳播方向，可在前向、倒退、轉(zhuǎn)彎幾種游動方式之間輕易地切換，可原地轉(zhuǎn)彎，靈活性強；通過改變重心位置可快速實現(xiàn)上升和下潛運動，具有水下三維運動能力；且運動過程中機器人的本體不發(fā)生運動，保證了穩(wěn)定性和隱蔽性。本發(fā)明的有益效果是相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，利用左右波動雙鰭和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的仿鰩魚機器人是一種可實現(xiàn)水下三維運動的仿生機器人，其由小型舵機帶動的鰭條在鰭膜上產(chǎn)生行波作為驅(qū)動方式，結(jié)合重心調(diào)節(jié)機構(gòu)，可實現(xiàn)前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎、上升和下潛，以繞過復(fù)雜海洋環(huán)境下的障礙物，拓展了水下機器人的運動能力和工作空間。具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、機動性高、隱蔽性好、高穩(wěn)定性強、適用范圍廣等特點，其運動方式在復(fù)雜海洋領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的實際應(yīng)用前景，并為高效、小尺寸、高機動性、高隱蔽性的新型水下推進(jìn)器的設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的支撐。


圖1為具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人的本體結(jié)構(gòu)三維示意圖。圖2為仿鰩魚機器人的魚身主體的組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為仿鰩魚機器人的波動魚鰭機構(gòu)的示意圖。圖4為仿鰩魚機器人的驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為仿鰩魚機器人的鰭條的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為仿鰩魚機器人的重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的立體組成示意圖。圖7為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)承載部件的立體組成示意圖。圖8為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)驅(qū)動部件的立體組成示意圖。 圖9為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)中采用的滑塊導(dǎo)軌組成正視示意圖。圖10為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)中采用的滑塊導(dǎo)軌組成側(cè)視示意圖。圖11為波動魚鰭產(chǎn)生波動運動的示意圖。 圖12為仿鰩魚機器人前進(jìn)的運動示意圖。
圖13為仿鰩魚機器人后退的運動示意圖。圖14為仿鰩魚機器人右轉(zhuǎn)彎的運動示意圖。圖15為仿鰩魚機器人左轉(zhuǎn)彎的運動示意圖。圖16為仿鰩魚機器人配重塊位置變化產(chǎn)生上升或下潛的運動示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施作進(jìn)一步解釋
圖1為具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人的本體結(jié)構(gòu)三維示意圖。在圖1中1為魚身主體，2為波動魚鰭機構(gòu)，3為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)。魚身主體1負(fù)責(zé)與外界水環(huán)境接觸，并承受組成仿鰩魚機器人的其它部件，由舵機驅(qū)動的波動魚鰭機構(gòu)2布置在仿生鰩魚機器人魚身主體1的左右兩側(cè)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)仿鰩魚機器人雙鰭的波動運動，重心調(diào)節(jié)機構(gòu)3安裝在魚身主體1的內(nèi)部，負(fù)責(zé)迅速改變仿生鰩魚機器人的重心位置，以改變仿生鰩魚機器人上升和下潛的角度和速度。圖2為仿鰩魚機器人的魚身主體的組成結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2中為4外殼、5為蓋板、6為控制電路板、7為電池組。外殼4關(guān)于中心軸線左右對稱，前后對稱；蓋板5安裝在外殼4的上端面開口處，負(fù)責(zé)密封外殼4，起到保護(hù)安裝在外殼4內(nèi)部的部件和機構(gòu)不受水侵蝕的作用；所述控制電路板6、電池組7安裝在外殼4內(nèi)部的左右側(cè)壁上。圖3為仿鰩魚機器人的波動魚鰭機構(gòu)的示意圖，01力仿鰩魚機器人的驅(qū)動模塊的
結(jié)構(gòu)示意圖，01力仿鰩魚機器人的鰭條的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖3、4、5中8為長支架、9為鰭條、10為鰭膜、11為小型舵機。長支架8聯(lián)接到外殼4上，鰭條9的軸套筒內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)齒， 與小型舵機11輸出軸外圓周上外齒相配合，可將鰭條9固定于小型舵機11輸出軸上；單根鰭條9和單個小型舵機11組成一個驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊上下面各安裝一個長支架8，通過長支架8與外殼4固定；鰭膜10覆于鰭條9上，將所有鰭條9連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭。圖6為仿鰩魚機器人的重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的立體組成示意圖，圖7為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)承載部件的立體組成示意圖。在圖6、7中12為支撐架，采用方柱形，其底部有容納導(dǎo)軌的方孔，13為絲桿，14為配重塊，采用中間有圓孔的方塊，15為電機，16為L型電機支架，17 為與電機軸連接的圓柱直齒輪，18為與絲桿連接的圓柱直齒輪，19為滑塊導(dǎo)軌組合中的導(dǎo)軌，20為內(nèi)嵌螺旋副的絲桿推塊，21為滑塊導(dǎo)軌組合中的滑塊，22為長方形固定板。配重塊14通過長方形固定板22與直線滑塊導(dǎo)軌組合中的滑塊21連接，滑塊21與導(dǎo)軌19負(fù)責(zé)承載配重塊14并使配重塊14只能沿導(dǎo)軌19方向作直線運動，限制配重塊14運動到其他方向，減小仿生鰩魚機器人發(fā)生向左右方向側(cè)翻的可能性；配重塊14由電機15帶動的絲桿 13驅(qū)動沿導(dǎo)軌19運動，改變配重塊14距仿生鰩魚機器人體中心的距離；配重塊14沿導(dǎo)軌 19運動到仿生鰩魚機器人的前部或后部，迅速改變仿生鰩魚機器人的重心位置。圖8為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)驅(qū)動部件的立體組成示意圖。在圖8中23為軸承，M為聯(lián)軸器。電機15通過電機支架16固定在支撐架12上，絲桿13通過軸承23與支撐架12連接，圓柱直齒輪17為軸式齒輪，電機15通過聯(lián)軸器M和定位銷與圓柱直齒輪17連接，圓柱直齒輪18與絲桿13連接，并采用定位銷固定，圓柱直齒輪17和圓柱直齒輪18組成的齒輪對將電機15輸出的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到絲桿13，內(nèi)嵌螺旋副的絲桿推塊20將絲桿13的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。圖9為重心調(diào)節(jié)機構(gòu)中滑塊導(dǎo)軌組合正視示意圖，圖10為滑塊導(dǎo)軌組合側(cè)視示意圖。在圖9、圖10中25為小鋼珠?；瑝K21截面呈凹字型，導(dǎo)軌19截面呈口字型，滑塊21 通過小鋼珠25與導(dǎo)軌19接觸，使得滑塊21被限制只能在導(dǎo)軌19上滑動，小鋼珠25的另一個作用是均勻地把滑塊21承受的載荷傳遞到導(dǎo)軌19上，使得配重塊14沿導(dǎo)軌的直線運動更為容易。圖11為波動魚鰭產(chǎn)生波動運動的示意圖，圖12為仿鰩魚機器人前進(jìn)的運動示意圖，圖13為仿鰩魚機器人后退的運動示意圖，圖14為仿鰩魚機器人右轉(zhuǎn)彎的運動示意圖， 圖15為仿鰩魚機器人左轉(zhuǎn)彎的運動示意圖。在圖11、12、13、14、15中多根鰭條9的協(xié)調(diào)擺動帶動鰭膜10運動實現(xiàn)波動魚鰭的波動V6，Vb的運動方向為垂直外殼底部平面，波動Vb 在波動魚鰭上產(chǎn)生行波運動Vs ；仿鰩魚機器人左側(cè)的波動魚鰭機構(gòu)產(chǎn)生的波動為V6j,產(chǎn)生的行波運動為&，右側(cè)的波動魚鰭機構(gòu)產(chǎn)生的波動為&，產(chǎn)生的行波運動為Vs2 ；如果行波L和G的運動方向一致向前，仿鰩魚機器人運動K的方向向前，如果行波Vsj和G的運動方向一致向后，仿鰩魚機器人運動Z的方向向后，如果行波Vsj的運動方向向前，行波Vsj 的運動方向向后，仿鰩魚機器人向右做轉(zhuǎn)彎運動&，如果行波Vsj的運動方向向后，行波Vsj 的運動方向向前，仿鰩魚機器人向左做轉(zhuǎn)彎運動Wlo
圖16為仿鰩魚機器人配重塊位置變化產(chǎn)生上升或下潛的運動示意圖。在圖16中電機15帶動齒輪17轉(zhuǎn)動，齒輪17和齒輪18組成的齒輪對將運動傳遞到絲桿13上，絲桿13 通過絲桿推桿20將電機15的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為配重塊14沿導(dǎo)軌19的直線運動，配重塊14 從仿生鰩魚機器人的中心位置運動仿生鰩魚機器人的前部或后部；配合分布在兩側(cè)的波動魚鰭機構(gòu)，當(dāng)配重塊14處于前部時，仿生鰩魚機器人將進(jìn)行下潛運動，當(dāng)配重塊14處于后部時，仿生鰩魚機器人將進(jìn)行上升運動。本發(fā)明針對復(fù)雜海洋環(huán)境對水下機器人的機動性、隱蔽性和穩(wěn)定性要求更高、現(xiàn)有尾鰭推進(jìn)方式和二維波動魚鰭推進(jìn)方式有待發(fā)展的問題，以具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)和運動方式為側(cè)重點，發(fā)明設(shè)計一種外形呈扁平狀、采用兩側(cè)波動魚鰭機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)水下前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)彎、上升和下潛三維運動的仿鰩魚機器人。仿鰩魚機器人通過改變兩側(cè)波動魚鰭上行波的傳播方向，可在前向、倒退、轉(zhuǎn)彎種游動方式之間輕易地切換，可原地轉(zhuǎn)彎，靈活性強；通過改變重心位置可快速實現(xiàn)上升和下潛運動，具有水下三維運動能力；且運動過程中機器人的本體不發(fā)生運動，保證了穩(wěn)定性和隱蔽性。具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人大大擴展了水下機器人的工作空間和作業(yè)靈活性，具有很好的實際應(yīng)用前景，并為高效、小尺寸、高機動性、高隱蔽性的新型水下推進(jìn)器的設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的支撐。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，如改進(jìn)波動魚鰭機構(gòu)或重心調(diào)節(jié)機構(gòu)，或增加相關(guān)的運動方式。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于包括魚身主體(1)、 波動魚鰭機構(gòu)(2)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)(3);所述魚身主體(1)包括外殼(4)和蓋板(5)，二者構(gòu)成一密封腔體，所述密封腔體內(nèi)置控制電路板(6)和電池組(7)；所述波動鰭機構(gòu)(2)包括長支架(8)、鰭條(9)、鰭膜(10)、小型舵機(11)，所述波動魚鰭機構(gòu)(2)通過長支架(8)安裝在魚身主體的外殼(4)兩側(cè)，所述鰭膜(10)將若干根鰭條(9)連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭，由所述小型舵機(11)帶動產(chǎn)生推動機器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機構(gòu)(3)安裝在魚身主體的腔體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述重心調(diào)節(jié)機構(gòu)(3)包括配重塊(14)和電機(15)，所述配重塊(14)通過固定板(22) 與滑塊(21)連接，滑塊(21)置于導(dǎo)軌(19)上，二者承載配重塊(14)并使配重塊(14)沿導(dǎo)軌(19 )方向作直線運動；所述電機(15 )通過圓柱齒輪對(17 )、絲桿(13 )和絲桿推塊(20 ) 推動配重塊運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外殼(4)外形呈扁平狀，關(guān)于中心軸線左右對稱，前后對稱，采用玻璃鋼材料加工，內(nèi)部中空，上端面開口，所述蓋板(5)安裝在外殼(4)的上端面開口處，所述控制電路板 (6)、電池組(7)安裝在外殼(4)內(nèi)部的左右側(cè)壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鰭條(9)前部為細(xì)長圓柱形鋼條，后端為一圓盤狀軸套，鰭條(9)通過圓盤狀軸套安裝在小型舵機(11)上，單根鰭條(9)和相對應(yīng)的單個小型舵機(11)組成一個驅(qū)動模塊， 所述鰭膜(10 )覆于鰭條(9 )上，將所有鰭條(9 )連接在一起，構(gòu)成波動鰭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述小型舵機(11)平行等距安裝在長支架(8)上，帶動鰭條(9)做周期性擺動運動，進(jìn)而帶動鰭膜(10)按預(yù)定的規(guī)律波動，實現(xiàn)仿鰩魚機器人的水下三維運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有水下三維運動能力的仿鰩魚機器人本體結(jié)構(gòu)，包括魚身主體、波動魚鰭機構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)；所述魚身主體包括外殼、蓋板、控制電路板、電池組，負(fù)責(zé)與外界水環(huán)境接觸，并起到對其它部件和機構(gòu)密封安裝、控制、供電等作用；所述波動鰭機構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機，鰭膜將所有鰭條連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭，由小型舵機帶動產(chǎn)生推動機器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機構(gòu)包括配重塊及其運動承載部件、負(fù)責(zé)驅(qū)動配重塊做直線運動的驅(qū)動部件、與仿鰩魚機器人外殼直接固定相連的支撐部件，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)重心位置。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、機動性高、隱蔽性好、高穩(wěn)定性強、適用范圍廣等特點，其運動方式具有很好的理論與實際應(yīng)用前景。
文檔編號B63H1/36GK102490884SQ201110391030
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者孫恒輝, 董翔, 駱敏舟 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院