[發(fā)明專利]波動推進仿生機器魟魚及其工作方法

有效

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• 申請日: 2016-06-06
• 公開（公告）號: CN106043643B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發(fā)明（設計）人: 王揚威;閆勇程;劉凱;何嘉誠;趙東標;陸永華;蘭博文
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B63H1/36
• 分類號: B63H1/36;B63H1/30
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發(fā)明涉及一種波動推進仿生機器魟魚及其工作方法，屬于仿生機器魚技術領域。

背景技術

隨著人類開發(fā)利用海洋資源的腳步不斷加快，各種水下機器人應運而生。傳統(tǒng)的基于螺旋槳的水下推進器，在推進過程中會產(chǎn)生側向渦流，增加能量消耗，降低推進效率，而且槳葉易被水草纏繞，對環(huán)境擾動較大。而在長期的自然選擇中，海洋生物進化出了優(yōu)異的水下運動能力。由于仿生水下機器人游動機動性、游動效率、以及對環(huán)境擾動小等方面的優(yōu)勢，國內外研究人員根據(jù)魚類的游動特性已經(jīng)研究出了多種水下仿生機器人。

目前魚類的運動推進模式主要分為兩種：身體/尾鰭（Body and/or Caudal Fin，BCF）推進模式和中央鰭/對鰭（Median and/or Paired Fin，MPF）推進模式。BCF推進模式仿生機器魚最早問世，MPF推進模式仿生機器魚起步較晚，但由于在低速游動下，推進效率、機動性、穩(wěn)定性較BCF模式更為出色，更加適應水下搜救任務、環(huán)境監(jiān)測、資源勘查、軍事偵察等。其中鰩科（Rajiform）的胸鰭波動推進仿生機器魚具有優(yōu)異的游動性能，國內外科研人員已經(jīng)對胸鰭波動推進機理進行了相關研究，并研制出了各類仿生機器魚。

國防科技大學以尼羅河魔鬼魚為仿生對象，理論分析了鰭波動推進的波形、推力和效率，并進行了相關的流體動力學研究，研制了長背鰭波動推進器。中科院自動化研究所從尼羅河魔鬼魚的帶狀鰭運動得到靈感，研制了以兩個帶狀長鰭驅動的仿生機器魚。日本大阪大學戶田研究室成功研制了“魷魚”水下機器人，它長而扁平的身體結構能夠很容易地進入狹窄復雜的水下區(qū)域。它的兩側分別安裝17個橡膠鰭，這些橡膠鰭通過內置的伺服電機致動器可使機器人有節(jié)奏地向前游動。南洋理工大學研制了帶狀長鰭推進器。該推進器由電機帶動鰭條(曲軸)轉動，鰭條間由薄膜連接，該機構能實現(xiàn)前進、后退等功能。

上述以鰭波動方式游動推進的仿生機器魚和推進機構都以電機直線排布的帶狀長鰭作為推進裝置，游動的靈活性差。

本發(fā)明基于胸鰭波動推進魚類魟魚的生物學特征，提出一種仿生機器魟魚的環(huán)狀長鰭設計方案。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種具有與魟魚波動推進方式相似的，能夠實現(xiàn)高機動性與穩(wěn)定性的仿生機器魚，為水下作業(yè)等提供一種新的工具。

本發(fā)明包括水平基板，以及與水平基板固定的上殼體及下殼體;

其中上殼體與水平基板之間還安裝有控制系統(tǒng)電路板、電池及姿態(tài)控制機構；其中下殼體與水平基板之間還安裝有環(huán)形長鰭推進機構。

所述姿態(tài)控制機構由若干沿周向均勻分布方式或沿中心對稱分布方式安裝于水平基板上的姿態(tài)調節(jié)單元組成；所述姿態(tài)調節(jié)單元由第一導軌、第一絲杠、與第一絲杠相連的第一步進電機、安裝于第一絲桿和第一導軌上的質量塊組成，所述第一步進電機的輸出軸與水平基板平行。

所述環(huán)形長鰭推進機構由環(huán)形硅膠薄膜和若干沿周向均勻分布的環(huán)形長鰭推進單元組成；其中環(huán)形長鰭推進單元由電機徑向位移控制機構、電機徑向滑動機構、鰭條擺動機構、鰭面加持單元組成。

上述電機徑向位移控制機構由第二步進電機、第二絲杠、升降臺、絲杠固定基座組成；第二步進電機的輸出軸與水平基板垂直；升降臺安裝于第二絲杠上，第二絲杠一端與第二步進電機相聯(lián)，另一端與絲杠基座相聯(lián)；第二步進電機與水平基板固聯(lián)，絲杠固定基座與下殼體固聯(lián)。

上述電機徑向滑動機構包括滑臺基座、滑臺、電機固定基座、第三步進電機；其中滑臺基座與下殼體固聯(lián)，滑臺安裝于滑臺基座上可在其上徑向滑動，電機固定基座與滑臺固聯(lián)，第三步進電機安裝于電機固定基座上，第三步進電機輸出軸與水平基板平行；有一連桿，其一端與電機徑向滑動機構中的電機固定基座鉸接，另一端與電機徑向位移控制機構中的升降臺鉸接。

上述鰭條擺動機構由光滑曲桿、第一光滑直桿、第二光滑直桿、擺動機構基座及密封橡膠圈組成；第一光滑直桿與第二光滑直桿相平行，它們安裝在擺動機構基座上；擺動機構基座與下殼體鉸接；密封橡膠圈安裝于下殼體上，光滑曲桿位于第一光滑直桿與第二光滑直桿之間，光滑曲桿內側一端通過密封橡膠圈延伸到下殼體內，并與上述電機徑向滑動機構中的第三步進電機通過聯(lián)軸器相聯(lián)。

上述鰭面加持單元由上鰭條和下鰭條組成；上鰭條和下鰭條夾持住所述環(huán)形硅膠薄膜；上鰭條和下鰭條的內側一端通過固定螺絲安裝在鰭條擺動機構的擺動機構基座上。上述上鰭條和下鰭條均為碳纖維材料。