[发明专利]具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构

说明书

技术领域  

本发明属于仿生机器鱼技术应用领域，特别涉及一种仿照鳐鱼两侧双鳍波动推进方式、通过重心调节机构调节机器鱼的重心位置、可在水下实现三维运动的仿鳐鱼机器人本体结构及其运动方式。

 

背景技术 

进入二十一世纪，人类在水下环境中的生产、科研活动不断增加，水下作业任务的要求有了新的需要：在军事领域中，水下侦查、声波干扰、扫雷与布雷等需要结构尺寸小、运动灵活性强、隐蔽性好的水下探测和侦查系统；在民用事业上，海洋资源勘探与开发、水下救援、水下安全监控等需要持续工作时间长、机动性高、稳定性好的水下检测和作业系统。而传统水下推进器多采用螺旋桨式、喷流回转式或叶轮式推进结构，其能源利用率低、结构尺寸和重量大、运动灵活性和隐蔽性差，难以满足现代水下作业任务的需要。

近年来，随着仿生学和机器人学研究的不断进步，以鱼类为模仿对象，进行仿鱼水下推进技术的研究已经成为新型水下推进系统研究的热点。自然界中的鱼类经过千百万年的进化，获得了卓越的水中运动能力，为高效、小尺寸、高机动性、低噪声和易隐蔽的现代水下推进器的研制提供了一种新的思路。

目前仿鱼水下机器人的研究中，以裸背鳗科、鳐科为代表的具有高机动性的鱼类的研究工作具有特别的意义。在国内，国防科技大学针对“尼罗河魔鬼”鱼开展的仿生长鳍游动运动研究最为突出，开发了仿生长鳍游动装置；中国科学院自动化研究所在对鲹科鱼类游动机理深入研究的基础上，研制了多关节微小型仿生机器鱼。在国外，日本大阪大学在鳐科鱼类研究的基础上研制了双侧长鳍波动推进的机器人系统；美国西北大学也开发了长鳍波动推进实验装置来检测不同控制策略下长鳍产生的推进力；新加坡的NTU大学开展了长鳍波动推进的研究工作，研制了相应的长鳍波动推进机构和实验装置。

在现有公开的技术中，仿照鲹科、鳗鲡科等鱼类运动方式的仿鱼水下机器人，采用的是尾鳍推进的方式，推进过程中需要借助鱼体的运动，鱼体的运动必然影响了鱼体的稳定性，对环境的扰动大，隐蔽性也随之变差；采用尾鳍推进方式，只能实现前向游动，不能实现倒退游动，当需要进行转向时，采用尾鳍推进必须以一定的转弯半径来实现方向的改变。此外，现有的仿生波动鱼鳍水下机器人只能够验证二维平面的运动性能，难以体现波动鱼鳍推进方式的优点，对新型水下推进器设计的指导作用有限。

复杂海洋环境下对机动性、隐蔽性和稳定性更高的要求，迫切需要开发一些特殊的推进方式，为适合于复杂海洋环境工作的，适用于军事侦查、海洋勘探、水下救援、水下监控等不同工作需求的新型仿鱼水下机器人的研制与应用提供新的思路。 

在现有公开的技术中，经关键词 “鳍波动”检索，比较典型相关的有专利公开号CN10143573 “仿生长鳍波动推进实验装置”（公开日2009.05.20，申请号200710177403.3）、专利公开号CN101332868 “液压驱动波动鳍仿生水下推进器”（公开日2008.12.31，申请号200810031901.1），专利公开号CN101435739主要涉及一种通过绕自身中轴的转动实现前后游动的仿生长鳍波动推进实验装置，专利公开号CN101332868主要设计了一种液压驱动波动鳍仿生水下推进器，通过模拟水下生物柔性长鳍的波动运动，产生平行于支架长轴方向的推进力。它们并不能轻易地在前向、倒退、转弯种游动方式之间轻易地切换，进行转向运动时的转弯半径也较大，且不具有水下三维运动能力，应用受到很大的限制。

 

发明内容  

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是:仿照鳐科鱼类生物两侧双鳍波动的运动方法，发明设计一种外形呈扁平状、采用两侧波动鱼鳍机构和重心调节机构实现水下前进、后退、原地转弯、上升和下潜三维运动的仿鳐鱼机器人本体结构。  

本发明的技术方案是：具有水下三维运动能力的仿鳐鱼机器人本体结构，包括鱼身主体、波动鱼鳍机构和重心调节机构；所述鱼身主体包括外壳和盖板，二者构成一密封腔体，所述密封腔体内置控制电路板和电池组；所述波动鳍机构包括长支架、鳍条、鳍膜、小型舵机，所述波动鱼鳍机构通过长支架安装在鱼身主体的外壳两侧，所述鳍膜将若干根鳍条连接在一起，构成波动鱼鳍，由所述小型舵机带动产生推动机器人运动的行波；所述重心调节机构安装在鱼身主体的腔体内。