[发明专利]一种基于双斜面偏转关节的机器鱼

说明书

技术领域

本发明涉及自动化及机器人技术领域，具体属于水下机器人的仿生推进机构技术领域，特别涉及一种基于双斜面偏转关节的机器鱼。

背景技术

得益于几万亿年的进化，鱼类在水中具有非凡的运动能力。与采用螺旋桨或叶轮式等原理的常规水下推进器相比，鱼类运动具有推进效率高，环境噪声小，转弯半径小等优点。它为研制效率高、噪声低和机动性能好的水下推进器提供了好的思路。目前，模仿鱼类的外形及游动机理，设计和制造具有高性能的仿生机器鱼系统并使之可以应用于复杂环境下的资源探测和军事侦察等领域是水下机器人一个重要的研究方向。

目前大部分仿生机器鱼的推进机构采用电机驱动的多关节级联方式，为实现机器鱼尾部摆动，电机需要频繁换向，很难利用到电机的高速运动特性，而且推进机构的防水问题也制约了机器鱼的性能提升和广泛应用。

机器鱼常用的沉浮方式主要有三种：通过改变自身体积大小的排水量调节法，通过调节鱼头俯仰倾角大小的重心调节法和通过调节胸鳍方向的胸鳍调节法。排水量调节法需要气缸，而且需要与水连通，一方面造成体积较大，另一方面导致密封困难。重心调节法调节配重块比较繁琐，尤其是负载不确定的情形下。胸鳍调节法中利用胸鳍产生的推力有限，且增加了机构复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于双斜面偏转关节的机器鱼，通过一个双斜面偏转关节来驱动机器鱼的鱼尾，该关节可以充分利用电机的额定转速，通过双电机差动实现鱼尾的高频率摆动，进而实现机器鱼的快速游动。同时，通过调节鱼尾的方向实现机器鱼的上升、下潜和转向。此外，双斜面偏转关节外直接包裹波纹管，可以达到很好的密封性能。本发明利用双电机差动实现鱼尾的高频率摆动，并通过调节鱼尾的姿态方向实现仿生机器鱼的前进、转弯、沉浮等基本功能，为实现仿生机器鱼的快速运动提供了一个可行解决方案。

本发明采用的技术方案为：一种基于双斜面偏转关节的机器鱼，它包括鱼头、鱼身、鱼尾，其特征在于，所述鱼头和鱼身部分通过3D扫描实际的鱼，对CAD模型进行修改后开模具制作，所述鱼头装有电路板、锂电池或镍氢电池、红外测距传感器、微型陀螺仪和GPS导航模块，电路板用于控制机器鱼的行为模式，提供红外测距传感器、微型陀螺仪和GPS导航模块的接口，通过分析采集的传感信号或者遥控信号，引导机器鱼在水中的运动，锂电池或镍氢电池用于机器鱼的电源供应，包括电路板、电机、红外测距传感器、微型陀螺仪、GPS导航模块的电源供应，红外测距传感器用于机器鱼自主巡航时的环境感知，使得机器鱼可以安全自主地在水下工作，微型陀螺仪用于获取机器鱼巡航时的姿态，使得机器鱼能够平稳地在水下工作；GPS导航模块用于机器鱼的定位，为机器人的自主导航提供基础，电路板由鱼头中的支撑板固定，锂电池或镍氢电池与电路板相连接之后固定在支撑板上，置于鱼头下方，红外测距传感器与电路板连接之后固定在支撑板上，置于鱼头前方；微型陀螺仪和GPS导航模块与电路板相连接之后固定在鱼头的后方；所述鱼身由ABS塑料、PVC材料、铝合金材料、尼龙材料或橡胶材料构成，鱼身内部有支撑结构和配重块，所述鱼尾由一个双斜面偏转关节驱动，该关节外包裹波纹管，波纹管由卡环固定在鱼尾和鱼身处，用于防水密封，所述鱼尾固定在双斜面偏转关节的近端底座上。

进一步的，所述双斜面偏转关节包括近端伺服电机、近端底座、第一圆锥滚子轴承、近端联轴器、近端万向节叉、近端谐波减速器、近端轴套、近端斜面转块、第二圆锥滚子轴承、法兰、十字轴、第三圆锥滚子轴承、第四圆锥滚子轴承、远端斜面转块、远端轴套、远端谐波减速器、远端万向节叉、远端联轴器、第五圆锥滚子轴承、远端底座和远端伺服电机。所述近端伺服电机安装在近端底座上，近端万向节叉与近端底座固结，近端伺服电机通过近端联轴器与近端谐波减速器输入端波发生器相连。近端谐波减速器的输出端与近端斜面转块相连。所述远端伺服电机安装在远端底座上，远端万向节叉与远端底座固结，远端联轴器与远端谐波减速器输入端波发生器相连。远端谐波减速器的输出端与远端斜面转块相连。所述近端万向节叉与所述远端万向节叉通过十字轴相连，构成一个万向节。所述近端斜面转块与所述远端斜面转块通过装有第三圆锥滚子轴承的法兰相连，实现斜端面上的相互转动。

进一步的，工作时，通过近端伺服电机可以调整鱼尾的初始位置，使得鱼尾中心线的位置或者水平或者成一定角度，当近端和远端伺服电机差速转动时，鱼尾实现双向往复摆动，机器鱼则可以或者快速前进，或者上升下潜；当仅近端伺服电机转动时，机器鱼可以实现左转或者右转。

进一步的，所述鱼体尾鳍关节处包裹波纹管，具有防水功能。