本發(fā)明涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚。通過胸尾鰭協(xié)同推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等基本運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚。

背景技術(shù)：

近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展以及日益進(jìn)步，海上作業(yè)受到了人們越來越多的關(guān)注，包括水下勘察、管道檢查、水質(zhì)監(jiān)測、海洋資源開采、電纜鋪設(shè)等方面。

傳統(tǒng)的水下探測器因其具有效率低、機(jī)動(dòng)性差、噪音高等缺點(diǎn)已經(jīng)不能滿足科研和工程上的需要。仿生學(xué)研究表明，仿生機(jī)器魚通過胸尾鰭的協(xié)同驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、前進(jìn)后退、上升下潛、懸停定位以及機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎等，具有高效率、高穩(wěn)定性、優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性、噪音低、對環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)勢，市場急需研制效率高、機(jī)動(dòng)性好和噪聲低的水下航行器滿足需求。但機(jī)械魚的協(xié)同驅(qū)動(dòng)研制和協(xié)同工作存在很大難度，目前現(xiàn)有的絕大多數(shù)仿生機(jī)器魚都是利用胸鰭或尾鰭單一的驅(qū)動(dòng)形式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)，單自由度或二自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)械魚居多，而三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)械魚很多設(shè)計(jì)不完善的地方，實(shí)際使用中存在很多不足導(dǎo)致機(jī)械魚無法滿足市場和科研需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種動(dòng)作自如、運(yùn)行穩(wěn)定的三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚。

本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

一種三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭、柔性蒙皮、仿生機(jī)器魚外殼、仿生尾鰭和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括胸鰭驅(qū)動(dòng)組件和尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)仿生胸鰭和仿生尾鰭運(yùn)動(dòng)，所述框架上連接輸出軸、仿生機(jī)器魚外殼，輸出軸與仿生胸鰭連接，框架外側(cè)設(shè)有柔性蒙皮。

所述胸鰭驅(qū)動(dòng)組件包括拍翼機(jī)構(gòu)，所述拍翼機(jī)構(gòu)的輸出軸設(shè)在中間滑塊上，中間滑塊上連接橫縱雙向的滑桿，框架上設(shè)有皮帶輪、機(jī)架和線軸承，機(jī)架之間設(shè)有連接桿，連接桿上設(shè)有移動(dòng)塊，移動(dòng)塊與滑桿連接，皮帶輪之間設(shè)有皮帶，拍翼步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶帶動(dòng)移動(dòng)塊、連接桿和滑桿運(yùn)動(dòng)，連接桿和滑桿帶動(dòng)中間滑塊移動(dòng)。

所述胸鰭驅(qū)動(dòng)組件還包括搖翼機(jī)構(gòu)，所述搖翼機(jī)構(gòu)在框架上設(shè)置底板，底板上設(shè)有連接片，連接片上連接搖翼步進(jìn)電機(jī)、齒輪對、軸承座；搖翼步進(jìn)電機(jī)通過齒輪對帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)。

所述仿生機(jī)器魚外殼上設(shè)有魚殼支撐片，魚殼支撐片上連接三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件上連接尾柄和仿生尾鰭片組成仿生尾鰭，第一節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第一支架、第一舵機(jī)、第一連接件、第一圓片；第二節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第二支架、第二舵機(jī)、第二連接件、第二圓片；第三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第三支架、第三舵機(jī)、第三連接件。

所述殼體包括機(jī)構(gòu)支撐架、電池模塊區(qū)域和蒙皮位置，機(jī)構(gòu)支撐架上連接框架，電池模塊區(qū)域上連接電池，電池與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連通，蒙皮位置上設(shè)有柔性蒙皮。

所述殼體還包括密封件，密封件為硅膠薄膜，密封件設(shè)在輸出軸與框架接觸處。

所述仿生機(jī)器魚外殼分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽扣合成一體。

所述階梯狀凹槽填充703硅橡膠。

所述仿生機(jī)器魚外殼的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。

所述柔性蒙皮通過703硅橡膠連接在仿生機(jī)器魚外殼上，柔性蒙皮4為仿魚皮橡膠。

本發(fā)明的有益效果為：

1、一種三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭、柔性蒙皮、仿生機(jī)器魚外殼、仿生尾鰭和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括胸鰭驅(qū)動(dòng)組件和尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)仿生胸鰭和仿生尾鰭運(yùn)動(dòng)，所述框架上連接輸出軸、仿生機(jī)器魚外殼，輸出軸與仿生胸鰭連接，框架外側(cè)設(shè)有柔性蒙皮。分設(shè)胸鰭驅(qū)動(dòng)組件和尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，胸鰭和尾鰭聯(lián)合驅(qū)動(dòng)使得使機(jī)器魚更加自如、穩(wěn)定的游動(dòng)，具有更高的機(jī)動(dòng)性能，更高的效率，框架外側(cè)設(shè)有柔性蒙皮保證機(jī)械魚水下運(yùn)行穩(wěn)定。

2、胸鰭驅(qū)動(dòng)組件包括拍翼機(jī)構(gòu)和搖翼機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚在水中的多種復(fù)雜動(dòng)作，例如前進(jìn)后退、上升下潛、懸停轉(zhuǎn)彎等等，同時(shí)配合仿生尾鰭聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚在空間中的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)性能更佳貼合仿生生物。

3、仿生機(jī)器魚外殼上設(shè)有魚殼支撐片，魚殼支撐片上連接三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件上連接尾柄和仿生尾鰭片組成仿生尾鰭，三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件使得尾鰭具有更好的靈活度，尾鰭外側(cè)設(shè)有柔性蒙皮，密封件為硅膠薄膜，密封件設(shè)在輸出軸與框架接觸處，保證靈活度和運(yùn)行安全，柔性蒙皮為仿魚皮橡膠，運(yùn)動(dòng)特性更接近仿生生物。

4、仿生機(jī)器魚外殼分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽扣合成一體。所述階梯狀凹槽填充703硅橡膠。方便外殼組合和內(nèi)部設(shè)備安裝。所述仿生機(jī)器魚外殼的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。通過長寬高的尺寸限定確保外形與鲹科魚類貼合。

綜上所述，本發(fā)明的提供的三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚，和以往大多數(shù)機(jī)器魚相比，無論是在驅(qū)動(dòng)形式的多樣性或者是自由度數(shù)上，都有無以比擬的優(yōu)勢，從而可以使機(jī)器魚更加自如、穩(wěn)定的游動(dòng)。有助于胸、尾鰭聯(lián)合推進(jìn)技術(shù)的研究，提高機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)性能，也是未來仿生機(jī)器魚的發(fā)展與研究趨勢，因此對仿生魚的研究具有深遠(yuǎn)的意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明胸鰭拍翼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明胸鰭搖翼機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明胸鰭驅(qū)動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明尾鰭驅(qū)動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明魚殼殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明魚殼殼體的連接示意圖。

具體實(shí)施方式

一種三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚，包括輸出軸1、框架2、仿生胸鰭3、柔性蒙皮4、仿生機(jī)器魚外殼5、仿生尾鰭和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括胸鰭驅(qū)動(dòng)組件和尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)仿生胸鰭3和仿生尾鰭運(yùn)動(dòng)，所述框架2上連接輸出軸1、仿生機(jī)器魚外殼5，輸出軸1與仿生胸鰭3連接，框架2外側(cè)設(shè)有柔性蒙皮4。

所述胸鰭驅(qū)動(dòng)組件包括拍翼機(jī)構(gòu)，所述拍翼機(jī)構(gòu)的輸出軸1設(shè)在中間滑塊20上，中間滑塊20上連接橫縱雙向的滑桿29，框架2上設(shè)有皮帶輪22、機(jī)架26和線軸承25，機(jī)架26之間設(shè)有連接桿28，連接桿28上設(shè)有移動(dòng)塊27，移動(dòng)塊27與滑桿29連接，皮帶輪22之間設(shè)有皮帶23，拍翼步進(jìn)電機(jī)21驅(qū)動(dòng)皮帶23帶動(dòng)移動(dòng)塊27、連接桿28和滑桿29運(yùn)動(dòng)，連接桿28和滑桿29帶動(dòng)中間滑塊20移動(dòng)。所述胸鰭驅(qū)動(dòng)組件還包括搖翼機(jī)構(gòu)，所述搖翼機(jī)構(gòu)在框架2上設(shè)置底板34，底板34上設(shè)有連接片31，連接片31上連接搖翼步進(jìn)電機(jī)30、齒輪對32、軸承座33；搖翼步進(jìn)電機(jī)30通過齒輪對32帶動(dòng)輸出軸1旋轉(zhuǎn)。

所述仿生機(jī)器魚外殼5上設(shè)有魚殼支撐片41，魚殼支撐片41上連接三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件，三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件上連接尾柄45和仿生尾鰭片46組成仿生尾鰭，第一節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第一支架421、第一舵機(jī)422、第一連接件423、第一圓片424；第二節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第二支架431、第二舵機(jī)432、第二連接件433、第二圓片434；第三節(jié)活動(dòng)尾鰭驅(qū)動(dòng)組件包括第三支架441、第三舵機(jī)442、第三連接件443。

所述殼體5包括機(jī)構(gòu)支撐架51、電池模塊區(qū)域52和蒙皮位置54，機(jī)構(gòu)支撐架51上連接框架2，電池模塊區(qū)域52上連接電池，電池與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連通，蒙皮位置54上設(shè)有柔性蒙皮4。所述殼體5還包括密封件53，密封件53為硅膠薄膜，密封件53設(shè)在輸出軸1與框架2接觸處。所述仿生機(jī)器魚外殼5分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽55扣合成一體。所述階梯狀凹槽55填充703硅橡膠。所述仿生機(jī)器魚外殼5的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。所述柔性蒙皮4通過703硅橡膠連接在仿生機(jī)器魚外殼5上，柔性蒙皮4為仿魚皮橡膠。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種三自由度仿鲹科自主機(jī)器魚作進(jìn)一步說明。

結(jié)合圖1-6所示，本發(fā)明是一種三自由度仿鲹科自主式機(jī)器魚，胸鰭驅(qū)動(dòng)組件包括胸鰭拍翼機(jī)構(gòu)和胸鰭搖翼機(jī)構(gòu)，主要的胸鰭驅(qū)動(dòng)組件對稱分布在魚體中軸線兩側(cè)，固定在外殼5的中下部位，尾鰭驅(qū)動(dòng)組件固定在外殼5的尾部，同時(shí)外部全部包裹了柔性蒙皮4。

使用時(shí)，可以根據(jù)水下情況選擇胸、尾鰭單獨(dú)工作或聯(lián)合工作。具體情況如下：

1、胸鰭驅(qū)動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)，尾鰭驅(qū)動(dòng)組件不動(dòng)時(shí)，即緊固在框架上的一個(gè)步進(jìn)電機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，與連接片連接的步進(jìn)電機(jī)30運(yùn)轉(zhuǎn)或者當(dāng)緊固在框架上的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，與連接片31連接的步進(jìn)電機(jī)30運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仿生胸鰭3實(shí)現(xiàn)拍翼和搖翼的復(fù)合動(dòng)作，此時(shí)仿生機(jī)器魚由胸鰭驅(qū)動(dòng)組件提供推進(jìn)力，可實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的直游或轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)形式。

2.胸鰭驅(qū)動(dòng)組件不動(dòng)，尾鰭驅(qū)動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)時(shí)，即魚殼支撐片41帶動(dòng)三關(guān)節(jié)舵機(jī)鏈，使各個(gè)關(guān)節(jié)的第一舵機(jī)422，第二舵機(jī)432，第三舵機(jī)442提供推進(jìn)力，使之帶動(dòng)尾鰭46實(shí)現(xiàn)來回?cái)[動(dòng)，從而使仿生機(jī)器魚利用尾鰭驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)直游或轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)形式。

3.胸尾鰭協(xié)同推進(jìn)，即胸鰭驅(qū)動(dòng)組件和尾鰭驅(qū)動(dòng)組件同時(shí)提供各自的驅(qū)動(dòng)力，使胸鰭3與尾鰭46同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的直游或轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)形式。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)和拍動(dòng)互不干涉，可以通過調(diào)整胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、拍動(dòng)的頻率和幅度，實(shí)現(xiàn)任意方向上的推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)方式。兩側(cè)胸鰭的運(yùn)動(dòng)攻角可單獨(dú)在0~90度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)兩側(cè)運(yùn)動(dòng)攻角相同，實(shí)現(xiàn)同時(shí)向后或向前拍動(dòng)，同時(shí)獲得相同方向的推進(jìn)力，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)彎時(shí)可以選擇不同運(yùn)動(dòng)攻角，仿生機(jī)器魚可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。