胸鳍柔性摆动机器鱼

摘要

本发明提供的是一种胸鳍柔性摆动机器鱼。它包括外壳，安装在外壳后部的尾鳍驱动机构和与尾鳍驱动机构连接的尾鳍，外壳为刚性外壳，其中设置有胸鳍推进和操纵机构，包括设置在外壳内的托架和安装在托架上的一个电机，电机通过主动齿轮带动左右两个从动齿轮，两个从动齿轮分别与圆柱凸轮固定连接，圆柱凸轮和从动齿轮通过轴承固定在托架上，每个圆柱凸轮配合有凸轮滚子，凸轮滚子沿固定在托架上的支座上下滑动，凸轮滚子上通过滑块连接有胸鳍连杆，滑块连接在凸轮滚子上胸鳍连杆上安装胸鳍。本发明结构简单、紧凑。

权利要求

1.一种胸鳍柔性摆动机器鱼，它包括外壳，安装在外壳后部的尾鳍驱动机构和与尾鳍驱动机构连接的尾鳍，其特征是：所述的外壳为刚性外壳，在外壳的中部靠前的位置设置有胸鳍推进和操纵机构，所述胸鳍推进和操纵机构的组成包括设置在外壳内的托架和安装在托架上的一个胸鳍驱动电机，胸鳍驱动电机通过主动齿轮带动左右两个从动齿轮，左右两个从动齿轮分别与一个圆柱凸轮固定连接，圆柱凸轮和从动齿轮通过轴承固定在托架上，每个圆柱凸轮有一个与之相配合的凸轮滚子，凸轮滚子沿固定在托架上的支座上下滑动，凸轮滚子上通过滑块连接有胸鳍连杆，滑块连接在凸轮滚子上，可以沿凸轮滚子转动，胸鳍连杆可以沿滑块左右滑动，胸鳍连杆上安装胸鳍；还包括回转操控机构，所述回转操控机构包括安装在托架上的托架移动控制电机，托架移动控制电机轴上安装回转齿轮，外壳内固定有齿条，回转齿轮与齿条相啮合带动托架沿着齿条左右移动。

2.根据权利要求1所述的胸鳍柔性摆动机器鱼，其特征是：所述外壳的底部布置三条纵桁，在中部、艏艉曲线变化较大处及两侧过渡位置布置有五条环形肋骨，整体用蒙皮包住。

3.根据权利要求1或2所述的胸鳍柔性摆动机器鱼，其特征是：所述胸鳍一面为柔性，一面为刚性。

说明书

胸鳍柔性摆动机器鱼

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种机器鱼。(二)背景技术

[0002] 当前无论是水面舰船还是水下的潜器，绝大多数采用传统的螺旋桨做为推进器。虽然这种推进器现今有其非常大的优势，但在一些特殊的环境下，存在着局限性。螺旋桨伴有较大的噪音和尾涡，因此潜器的隐蔽性问题较难解决。螺旋桨推进器的这些问题不利于开发具有大范围转移能力和高机动性的水下机器鱼，为克服这些问题，适应未来水下机器鱼技术发展的要求，人们在开发新能源的同时，也在积极寻找性能更加优良的新型推进方式。如何设计和制造高性能的仿生推进的机器鱼，成为一个新兴的热点问题。

[0003] 近年来，随着仿生学研究的不断进步，科研工作者的目光集中到长期生活在水下，特别是能在水中自由遨游的鱼类的游动机理的研究上。鱼类长期生存在水下，进化出了性能完备的游动机能和器官。在过去，将鱼类的这种特殊本领应用于船舶及水下潜器这种想法由于种种原因难以实现，然而，伴随着仿生学、材料科学、自动控制理论等学科的发展，利用鱼类游动机理推动机器人在水下浮游的想法成为现实。

[0004] 仿生学研究表明，仿鱼鳍推进模式具有高稳定性、优良的机动性和隐蔽性，是鱼类适应复杂的水下环境以及上亿年自然进化的结果。目前水下仿生技术研究方面，众多的研究主要集中于尾鳍的运动和鱼体的运动，如振动的薄片产生推力等。这样会导致机器鱼只能做有限的机动，难以实现悬浮和定位等运动。用尾鳍摆动作为推进的方式，虽然与螺旋桨相比具有一定的优势，但是仍然具有不少缺点。例如在水中的灵活性不够，致使其在转弯和掉头的时候很不灵活；在机器鱼的前进过程中，产生摆艏的现象，姿态不稳定，头尾难以协调，不能一直沿着直线方向前进，致使其在工程应用中有很大的局限性。

[0005] 在自然界中，有很多鱼类，在低速情况下，是利用胸鳍实现良好的动力定位和机动。因此，可尝试利用胸鳍作为推进器，胸鳍模式推进是指鱼类依靠胸鳍的摆动或波动，或者依靠两者的复合运动来完成自身的推进或机动动作。这种推进模式的主体不参与运动，只是依靠胸鳍的波动或者摆动来完成推进和机动。它结合了以上两种推进方式的优点，具有稳定性好，机动性高的特点。这正是给仿生水下机器鱼在低速的情况下实现稳定的悬浮和良好的操纵提供了一个很好的解决方案。

[0006] 涉及到胸鳍驱动的机器鱼的公开报道有：杨少波等于2008年11月发表的“一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现”的科技论文；专利申请号为200510130335，名称为“一种仿生机器鱼胸鳍结构”的专利文件中公开的技术方案等。(三)发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种具有优良的机动性和操纵性能，具有一定的工程应用价值，结构简单、紧凑的胸鳍柔性摆动机器鱼。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：

[0009] 它包括外壳，安装在外壳后部的尾鳍驱动机构和与尾鳍驱动机构连接的尾鳍，所述的外壳为刚性外壳，在外壳的中部靠前的位置设置有胸鳍推进和操纵机构，所述胸鳍推进和操纵机构的组成包括设置在外壳内的托架和安装在托架上的一个胸鳍驱动电机，胸鳍驱动电机通过主动齿轮带动左右两个从动齿轮，左右两个从动齿轮分别与一个圆柱凸轮固定连接，圆柱凸轮和从动齿轮通过轴承固定在托架上，每个圆柱凸轮有一个与之相配合的凸轮滚子，凸轮滚子沿固定在托架上的支座上下滑动，凸轮滚子上通过滑块连接有胸鳍连杆，滑块连接在凸轮滚子上，可以沿凸轮滚子转动，胸鳍连杆可以沿滑块左右滑动，胸鳍连杆上安装胸鳍。

[0010] 本发明还可以包括：

[0011] 1、还包括回转操控机构，所述回转操控机构包括安装在托架上的托架移动控制电机，托架移动控制电机轴上安装回转齿轮，外壳内固定有齿条，回转齿轮与齿条相啮合带动托架沿着齿条左右移动。

[0012] 2、所述外壳的底部布置三条纵桁，在中部、艏艉曲线变化较大处及两侧过渡位置布置有五条环形肋骨，整体用蒙皮包住。

[0013] 3、所述胸鳍一面为柔性，一面为刚性。

[0014] 本发明是对现有传统推进原理的革新，主要包括机器鱼“鼠标”型外形、推进和操纵机构、柔性胸鳍等三部分。该机器鱼形状酷似鼠标，是由鼠标外形启发，并配有一刚性梯形尾鳍和一对柔性梯形胸鳍。此机器鱼是将整体用蒙皮包住，中间用多节骨架将蒙皮撑起。机器鱼底部布置三条纵桁，并依据设计的机器鱼外壳形状，制作环形肋骨，在机器鱼中部、艏艉曲线变化较大处及两侧过渡位置布置五条环形肋骨，将机器鱼的整体框架撑起，外壳用玻璃钢制成，整体形成水密结构。鱼体外壳没有采用真实鱼类的型线，外形比较肥大，在阻力性能上可能会差一些，采用此种型线主要是从总布置以及机动性方面考虑。机器鱼形状酷似“鼠标”，具有优良的机动性和操纵性能，具有一定的工程应用价值。

[0015] 该机器鱼是利用柔性胸鳍摆动实现推进的。所选的传动机构为圆柱凸轮机构，出发点是把垂直面内的旋转运动转化为水平面内的摆动。对于摆动圆柱凸轮运动机构可以实现将连续回转转化为从动件直线移动或摆动。只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。为保证胸鳍的运动同步性，机器鱼的一对胸鳍用一个电机带动，利用三个齿轮的啮合实现两个圆柱凸轮的同步，圆柱凸轮轮廓为正弦曲线，滑块在凸轮凹槽内可运动，凸轮的转动推动滑块，滑块与胸鳍连接杆相连，将凸轮转动转化为胸鳍的摆动。胸鳍的摆动运动相当于划桨，进行推动机器鱼前进。(四)附图说明

[0016] 图1是本发明的结构示意图；

[0017] 图2是胸鳍推进和操纵机构的结构示意图；

[0018] 图3是图2的局部放大图。(五)具体实施方式

[0019] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0020] 机器鱼没有仿照鱼类的柔性身躯，而是采用刚性躯体。选择刚性躯体是由于一个刚性的躯体提供了几个优于柔性体的特点。首要地，操纵一个刚性躯体要求较少的机械装置，简化系统不仅释放了更多的内部空间用于极需的有效负载，而且增加了系统的可靠性。

[0021] 结合图1、2、3，机器鱼胸鳍驱动电机2通过主动齿轮3带动从动齿轮4、5，从动齿轮4、5与圆柱凸轮6、8固定连接，利用轴承固定在托架1上，凸轮滚子15、16沿固定在托架1上的支座上下滑动。胸鳍连杆13、14通过滑块7、9与凸轮滚子15、16连接，滑块连接在滚子上，可以沿滚子转动，胸鳍连杆可以沿滑块左右滑动。这样电机的转动通过圆柱凸轮转变为胸鳍的往复摆动。为保证胸鳍的运动同步性，机器鱼的一对胸鳍用一个电机带动，利用三个齿轮的啮合实现两个圆柱凸轮的同步。

[0022] 尾鳍驱动机构和与尾鳍驱动机构连接的尾鳍，的组成包括电池17、尾鳍控制电机齿条18、凸轮19、尾鳍连接杆20、尾鳍21和第二托架22。

[0023] 利用机器鱼的胸鳍推进驱动机构，还可以实现机器鱼的水平面内回转运动。托架移动控制电机10，带动回转齿轮11转动，这样托架1沿着固定于机器鱼体上的齿条12左右移动，从而改变胸鳍连杆13、14与滑块7、9的相对位置，导致左右胸鳍的摆幅不同，从而形成回转力矩，实现机器鱼水平面内的回转运动。另外，整个托架1的移动会导致机器鱼重心的移动，机器鱼的浮态和稳性将随之改变，经过计算不影响机器鱼的性能。

[0024] 机器鱼是将整体用蒙皮包住，中间用多节骨架将蒙皮撑起。机器鱼底部布置三条纵桁，并依据设计的机器鱼外壳形状，制作环形肋骨，在机器鱼中部、艏艉曲线变化较大处及两侧过渡位置布置五条环形肋骨，将机器鱼的整体框架撑起，外壳用玻璃钢制成，整体形成水密结构。

[0025] 胸鳍的柔性摆动是指胸鳍通过在摆动过程中变形来实现，使胸鳍运动过程中产生最大的推水作用力和最小回收的阻力，从而提高机器鱼的推进效率。机器鱼的胸鳍，可见面为胸鳍的回收面，用2块矩形和2块三角形铝合金制成，厚度为5cm，推水面用有机硅胶制成，厚度为5-10cm，即中间较厚，两边较薄。这样，刚性的铝合金保证了胸鳍以展开的形状推水；回收时，由于有机硅胶可变形，使4块铝合金分开，改变胸鳍形状，减小胸鳍回收阻力。