本發(fā)明涉及水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)及仿生魚型機(jī)器人。

背景技術(shù)：

目前，常見的水下推進(jìn)器為螺旋槳結(jié)構(gòu)為主的渦輪推進(jìn)裝置，而該裝置存在推進(jìn)效率低下以及工作噪聲較大等缺陷，后來出現(xiàn)了結(jié)合魚體仿生學(xué)的模擬魚類軀干運(yùn)動(dòng)的水下推進(jìn)裝置，該類裝置能夠模仿魚類軀干左右擺動(dòng)向兩側(cè)排水而產(chǎn)生反作用力推進(jìn)裝置向前運(yùn)動(dòng)。目前常見的此類仿生推進(jìn)裝置多使用單關(guān)節(jié)的擺動(dòng)來產(chǎn)生推進(jìn)的動(dòng)力，即將單關(guān)節(jié)與尾鰭相連，通過該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)魚鰭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而排水并產(chǎn)生反向作用力。上述仿生學(xué)推進(jìn)裝置比起最初的蝸輪推進(jìn)裝置具有一定的進(jìn)步性，但是仍存在以下比較明顯的缺點(diǎn)：

缺點(diǎn)一：單純通過尾鰭擺動(dòng)來產(chǎn)生推進(jìn)的動(dòng)力，不僅存在動(dòng)力不足的問題，而且其擺動(dòng)角度受到限制，并不能模擬出真實(shí)魚類移動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)姿態(tài)；

缺點(diǎn)二：目前的仿生推進(jìn)裝置由于關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的限制，難以實(shí)現(xiàn)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)以及原地自轉(zhuǎn)等靈活度較高的運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)及仿生魚型機(jī)器人，該仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)及仿生魚型機(jī)器人提高了仿生推進(jìn)裝置對(duì)魚體運(yùn)動(dòng)的模擬程度，同時(shí)也提高了推進(jìn)的效率及裝置運(yùn)動(dòng)的靈活度。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，包括多個(gè)依次相連的推進(jìn)單元，每個(gè)推進(jìn)單元包括驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件和驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架；驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件固定安裝在驅(qū)動(dòng)裝置的外側(cè)，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的一端連接到驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸上并隨輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的另一端以可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式連接到驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件上，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的中部與其后方的推進(jìn)單元的驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件固定連接。

多個(gè)推進(jìn)單元依次連接，最后部的推進(jìn)單元相對(duì)于最前部的推進(jìn)單元的旋轉(zhuǎn)角度為各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的疊加值，可以實(shí)現(xiàn)靈活度高的運(yùn)動(dòng)，更真實(shí)的模擬魚類游動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)姿態(tài)，此外，多個(gè)推進(jìn)單元也增大了推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)力，提高推進(jìn)效率。

進(jìn)一步的，驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件包括U形的卡件主體，卡件主體的兩端對(duì)稱的設(shè)有第一安裝板，驅(qū)動(dòng)裝置的兩側(cè)分別設(shè)有第二安裝板，第一安裝板和第二安裝板一一對(duì)應(yīng)的固定連接在一起，卡件主體將驅(qū)動(dòng)裝置上與輸出軸相對(duì)的側(cè)面罩住。

卡件主體的U形架結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)其功能的前提下最為節(jié)省材料，減輕推進(jìn)系統(tǒng)的重量，便于仿生魚型機(jī)器人的內(nèi)部搭載更多其他的工作模塊；驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架與驅(qū)動(dòng)裝置之間以及驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架與其他的推進(jìn)單元之間通過驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件進(jìn)行連接，更加牢固可靠且便于連接件的安裝；驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件還對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置形成一定的保護(hù)作用。

進(jìn)一步的，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架包括兩塊橫板和一塊豎板，兩塊橫板對(duì)稱的安裝在豎板的兩端，其中一塊橫板與驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸相連接，另一塊橫板與驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件相連接。

驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架形成一個(gè)向一側(cè)旋轉(zhuǎn)90°的U形結(jié)構(gòu)，豎板與其后方的推進(jìn)單元連接，使整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊。

進(jìn)一步的，在同一個(gè)推進(jìn)單元中，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的兩端同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的兩個(gè)橫板同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可降低在驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，推進(jìn)單元各個(gè)部件所受到的剪切力，增加推進(jìn)系統(tǒng)工作的可靠性，延長推進(jìn)系統(tǒng)的使用壽命，降低維護(hù)維修的成本。

進(jìn)一步的，在不同的推進(jìn)單元之間，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架的旋轉(zhuǎn)軸相互平行。各旋轉(zhuǎn)軸相互平行，模擬魚體真實(shí)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的情況，進(jìn)一步提高了仿生推進(jìn)裝置對(duì)魚體運(yùn)動(dòng)的模擬程度。

進(jìn)一步的，驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸縱向布置。驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸縱向布置時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)推進(jìn)單元左右擺動(dòng)，與魚體運(yùn)動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)情況一致，仿生程度高，靈活度高。

優(yōu)選的，所述推進(jìn)單元的數(shù)量為三個(gè)。三個(gè)推進(jìn)單元所包含的三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸處形成三個(gè)關(guān)節(jié)，通過三個(gè)關(guān)節(jié)的配合協(xié)作運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及原地自傳等運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置可采用舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、伺服電機(jī)等一切可控電機(jī)單元。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種仿生魚型機(jī)器人，包括頭部、軀干部和尾部，還包括上述仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，所述的仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置在軀干部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明示例的仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)推進(jìn)單元，增大了推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)力，提高推進(jìn)效率；此外，多個(gè)推進(jìn)單元之間既可以獨(dú)立控制，也可以耦合控制，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行環(huán)境可以增加關(guān)節(jié)推進(jìn)單元數(shù)量以增強(qiáng)推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能或者減少關(guān)節(jié)推進(jìn)單元數(shù)量以控制運(yùn)動(dòng)能耗，非常靈活且適用范圍廣。

2、本發(fā)明示例的仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)推進(jìn)單元，最后部的推進(jìn)單元相對(duì)于最前部的推進(jìn)單元的旋轉(zhuǎn)角度為各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的疊加值，運(yùn)動(dòng)方式多樣、靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)原地急轉(zhuǎn)、高速運(yùn)動(dòng)下高曲率轉(zhuǎn)向、狹窄空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)等特殊環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下姿態(tài)的平滑切換。更真實(shí)的模擬魚類游動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)姿態(tài)。

3、本發(fā)明示例的仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，采用模擬生物節(jié)律運(yùn)動(dòng)的方式，且驅(qū)動(dòng)裝置可采用多種可控電機(jī)，易于實(shí)現(xiàn)，相比較現(xiàn)有螺旋槳推進(jìn)裝置，具有工作噪聲小，隱蔽性小等優(yōu)點(diǎn)。

4、本發(fā)明示例的仿生魚型機(jī)器人，可以真實(shí)模擬魚體游動(dòng)時(shí)軀干部的擺動(dòng)姿態(tài)，達(dá)到真實(shí)仿生運(yùn)動(dòng)，靈活度高，推進(jìn)效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例推進(jìn)系統(tǒng)的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例推進(jìn)系統(tǒng)模擬真實(shí)魚體軀干的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)節(jié)運(yùn)行軌跡圖；

圖5為圖4中關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)行方式的示意圖。

圖中：1驅(qū)動(dòng)裝置，11第二安裝板，

2驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架，

3驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件，31第一安裝板，32卡件主體。

具體實(shí)施方式

為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，包括三個(gè)依次相連的推進(jìn)單元，每個(gè)推進(jìn)單元包括驅(qū)動(dòng)裝置1、驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件3和驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2；驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件3固定安裝在驅(qū)動(dòng)裝置1的外側(cè)，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的一端連接到驅(qū)動(dòng)裝置1的輸出軸上并隨輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的另一端以可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式連接到驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件3上，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的中部與其后方的推進(jìn)單元的驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件3固定連接。

驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件3包括U形的卡件主體32，卡件主體32的兩端對(duì)稱的設(shè)有第一安裝板31，驅(qū)動(dòng)裝置1的兩側(cè)分別設(shè)有第二安裝板11，第一安裝板31和第二安裝板11一一對(duì)應(yīng)的固定連接在一起，卡件主體32將驅(qū)動(dòng)裝置1上與輸出軸相對(duì)的側(cè)面罩住。

驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架包括兩塊橫板和一塊豎板，兩塊橫板對(duì)稱的安裝在豎板的兩端，其中一塊橫板與驅(qū)動(dòng)裝置的輸出軸相連接，另一塊橫板與驅(qū)動(dòng)裝置固定卡件相連接。驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架形成一個(gè)向一側(cè)旋轉(zhuǎn)90°的U形結(jié)構(gòu)，豎板與其后方的推進(jìn)單元連接，使整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊。

在同一個(gè)推進(jìn)單元中，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的兩端同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在不同的推進(jìn)單元之間，驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的旋轉(zhuǎn)軸相互平行。

驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的兩個(gè)橫板同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可降低在驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，推進(jìn)單元各個(gè)部件所受到的剪切力，增加推進(jìn)系統(tǒng)工作的可靠性，延長推進(jìn)系統(tǒng)的使用壽命，降低維護(hù)維修的成本。各旋轉(zhuǎn)軸相互平行，模擬魚體真實(shí)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的情況，進(jìn)一步提高了仿生推進(jìn)裝置對(duì)魚體運(yùn)動(dòng)的模擬程度。

驅(qū)動(dòng)裝置1的輸出軸縱向布置。驅(qū)動(dòng)裝置1的輸出軸縱向布置時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)推進(jìn)單元左右擺動(dòng)，與魚體運(yùn)動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)情況一致，仿生程度高，靈活度高。

本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置1為伺服電機(jī)。

本實(shí)施例的仿生魚型機(jī)器人，包括頭部、軀干部和尾部，還包括上述仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)，所述的仿生魚型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置在軀干部。

如圖2所示，本仿生推進(jìn)系統(tǒng)通過三個(gè)關(guān)節(jié)單元級(jí)聯(lián)而成。單個(gè)關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ為正負(fù)90度。設(shè)關(guān)節(jié)級(jí)聯(lián)數(shù)目為N(N>＝2)，則第N個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)第一個(gè)關(guān)節(jié)可達(dá)到的最大角度差為正負(fù)90*(N-1)。且各關(guān)節(jié)均可通過仿生推進(jìn)算法進(jìn)行控制?？煽貐?shù)包括每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行周期運(yùn)動(dòng)的幅度、周期、速度、各關(guān)節(jié)之間的角度相位差、各個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)偏置角及靜態(tài)偏置角度。

如圖3所示，本實(shí)施例推進(jìn)系統(tǒng)中，三個(gè)推進(jìn)單元所包含的三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置1的輸出軸處形成三個(gè)關(guān)節(jié)，與真實(shí)魚體的軀干對(duì)比，模擬程度高，通過三個(gè)關(guān)節(jié)的配合協(xié)作運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及原地自傳等運(yùn)動(dòng)。

將最前部的推進(jìn)單元、中部的推進(jìn)單元和最后部的推進(jìn)單元的震動(dòng)幅度即運(yùn)動(dòng)的最大偏角依次設(shè)定為10°、20°、30°，如圖5所示，水平線部分代表了仿生魚型機(jī)器人的頭部，β₃＝30°，β₂＝20°，β₁＝10°，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，實(shí)線代表偏角為β₁的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，點(diǎn)線代表偏角為β₂的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，虛線代表偏角為β₃的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖4，魚類在游動(dòng)時(shí)的軀干為流線的大波浪型，各個(gè)波浪可近似逼近一個(gè)余弦函數(shù)的波形，在實(shí)際軀干運(yùn)動(dòng)時(shí)，各曲線之間按照前后的固定順序?qū)?yīng)各波形之間存在固定的角度差，對(duì)應(yīng)到本仿生推進(jìn)系統(tǒng)中則反映在各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相角差。同時(shí)魚類加速身體的擺動(dòng)對(duì)應(yīng)到本仿生推進(jìn)器中則可通縮短各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的周期實(shí)現(xiàn)，其它控制參數(shù)的轉(zhuǎn)換同理。

本實(shí)施例中卡件主體32的U形架結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)其功能的前提下最為節(jié)省材料，減輕推進(jìn)系統(tǒng)的重量，便于仿生魚型機(jī)器人的內(nèi)部搭載更多其他的工作模塊。但是，本發(fā)明卡件主體32的形狀并不限于實(shí)施例所述的形狀，還可以設(shè)置為將驅(qū)動(dòng)裝置1的側(cè)壁下部均罩住的凹槽狀結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)裝置軸連支架2的形狀也不限于實(shí)施例所述的形狀，橫板或者豎板均可以進(jìn)行延伸。

本發(fā)明中，推進(jìn)單元的數(shù)量并不限于實(shí)施例所述的三個(gè)，可以通過增加推進(jìn)單元的數(shù)量來提高推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力以及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式、形狀的多變性；也可以通過減少推進(jìn)單元的數(shù)量來適應(yīng)簡單環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)。多個(gè)推進(jìn)單元依次連接，最后部的推進(jìn)單元相對(duì)于最前部的推進(jìn)單元的旋轉(zhuǎn)角度為各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的疊加值，可以實(shí)現(xiàn)靈活度高的運(yùn)動(dòng)，更真實(shí)的模擬魚類游動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)姿態(tài)。

除去實(shí)施例所述的伺服電機(jī)外，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置還可采用舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等一切可控電機(jī)單元。

本發(fā)明中，“前”、“后”僅僅是為了便于描述而采用的相對(duì)位置，以魚形機(jī)器人的頭部為前方，尾部為后方進(jìn)行描述，并不能理解為絕對(duì)位置而對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制。

以上描述僅為本申請的較佳實(shí)施例以及對(duì)所運(yùn)用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時(shí)也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進(jìn)行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進(jìn)行互相替換而形成的技術(shù)方案。