專利名稱：具有水下三維運動能力的仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)器魚的重心位置、可在水下實現(xiàn)三維運動的仿鰩魚機(jī)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(qiáng)、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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的研究中，以裸背鰻科、鰩科為代表的具有高機(jī)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(jī)理深入研究的基礎(chǔ)上，研制了多關(guān)節(jié)微小型仿生機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，包括魚身主體、波動魚鰭機(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機(jī)，所述波動魚鰭機(jī)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(jī)帶動產(chǎn)生推動機(jī)器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的電機(jī)按指定的要求運動，所述電池組起到向機(jī)器人電機(jī)和控制電路板供電的作用。所述波動魚鰭機(jī)構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機(jī)；所述長支架呈長條狀，負(fù)責(zé)承載波動魚鰭機(jī)構(gòu)中其它部件，并起到將波動魚鰭機(jī)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(jī)上，所述單根鰭條和相對應(yīng)的單個小型舵機(jī)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(jī)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(jī)器人運動的行波，實現(xiàn)仿鰩魚機(jī)器人的水下三維運動。所述重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)、圓柱直齒輪對、絲桿、絲桿推塊，電機(jī)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(jī)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(jī)支架、 軸承，支撐架同樣固定在仿鰩魚機(jī)器人外殼底部上，電機(jī)支架將電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)理、運動控制方法提供實驗裝置，為制造效率高、機(jī)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(jī)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(jī)器人運動，在此過程中仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)相關(guān)，因此，布置在仿鰩魚機(jī)器人兩側(cè)的波動魚鰭機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)不同的波動運動。仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)帶動的絲桿驅(qū)動沿導(dǎo)軌運動到仿鰩魚機(jī)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(jī)器人的下潛運動；配重塊沿導(dǎo)軌運動到仿鰩魚機(jī)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(jī)器人的上升運動；仿鰩魚機(jī)器人在前后方向上傾斜的角度，與配重塊距仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)器人重心在機(jī)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(jī)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(qiáng)；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(jī)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(jī)構(gòu)的仿鰩魚機(jī)器人是一種可實現(xiàn)水下三維運動的仿生機(jī)器人，其由小型舵機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動性高、隱蔽性好、高穩(wěn)定性強(qiáng)、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(jī)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(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)三維示意圖。圖2為仿鰩魚機(jī)器人的魚身主體的組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為仿鰩魚機(jī)器人的波動魚鰭機(jī)構(gòu)的示意圖。圖4為仿鰩魚機(jī)器人的驅(qū)動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為仿鰩魚機(jī)器人的鰭條的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為仿鰩魚機(jī)器人的重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體組成示意圖。圖7為重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)承載部件的立體組成示意圖。圖8為重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人前進(jìn)的運動示意圖。
圖13為仿鰩魚機(jī)器人后退的運動示意圖。圖14為仿鰩魚機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎的運動示意圖。圖15為仿鰩魚機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎的運動示意圖。圖16為仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，3為重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)器人的其它部件，由舵機(jī)驅(qū)動的波動魚鰭機(jī)構(gòu)2布置在仿生鰩魚機(jī)器人魚身主體1的左右兩側(cè)，負(fù)責(zé)實現(xiàn)仿鰩魚機(jī)器人雙鰭的波動運動，重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)器人的重心位置，以改變仿生鰩魚機(jī)器人上升和下潛的角度和速度。圖2為仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)器人的波動魚鰭機(jī)構(gòu)的示意圖，01力仿鰩魚機(jī)器人的驅(qū)動模塊的
結(jié)構(gòu)示意圖，01力仿鰩魚機(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)11輸出軸上；單根鰭條9和單個小型舵機(jī)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(jī)器人的重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的立體組成示意圖，圖7為重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)，16為L型電機(jī)支架，17 為與電機(jī)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(jī)器人發(fā)生向左右方向側(cè)翻的可能性；配重塊14由電機(jī)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(jī)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(jī)器人的前部或后部，迅速改變仿生鰩魚機(jī)器人的重心位置。圖8為重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)15通過電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人前進(jìn)的運動示意圖，圖13為仿鰩魚機(jī)器人后退的運動示意圖，圖14為仿鰩魚機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎的運動示意圖， 圖15為仿鰩魚機(jī)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(jī)器人左側(cè)的波動魚鰭機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人向左做轉(zhuǎn)彎運動Wlo
圖16為仿鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的中心位置運動仿生鰩魚機(jī)器人的前部或后部；配合分布在兩側(cè)的波動魚鰭機(jī)構(gòu)，當(dāng)配重塊14處于前部時，仿生鰩魚機(jī)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(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)器人。仿鰩魚機(jī)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(qiáng)；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(jī)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(jī)器人大大擴(kuò)展了水下機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)或重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)(2)和重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu)(2)包括長支架(8)、鰭條(9)、鰭膜(10)、小型舵機(jī)(11)，所述波動魚鰭機(jī)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(jī)(11)帶動產(chǎn)生推動機(jī)器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(3)包括配重塊(14)和電機(jī)(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(jī)(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(jī)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(jī)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(jī)(11)上，單根鰭條(9)和相對應(yīng)的單個小型舵機(jī)(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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，其特征在于所述小型舵機(jī)(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(jī)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(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，包括魚身主體、波動魚鰭機(jī)構(gòu)和重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)構(gòu)密封安裝、控制、供電等作用；所述波動鰭機(jī)構(gòu)包括長支架、鰭條、鰭膜、小型舵機(jī)，鰭膜將所有鰭條連接在一起，構(gòu)成波動魚鰭，由小型舵機(jī)帶動產(chǎn)生推動機(jī)器人運動的行波；所述重心調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)動性高、隱蔽性好、高穩(wěn)定性強(qiáng)、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