[发明专利]波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波动推进仿生机器魟鱼及其工作方法，属于仿生机器鱼技术领域。

背景技术

随着人类开发利用海洋资源的脚步不断加快，各种水下机器人应运而生。传统的基于螺旋桨的水下推进器，在推进过程中会产生侧向涡流，增加能量消耗，降低推进效率，而且桨叶易被水草缠绕，对环境扰动较大。而在长期的自然选择中，海洋生物进化出了优异的水下运动能力。由于仿生水下机器人游动机动性、游动效率、以及对环境扰动小等方面的优势，国内外研究人员根据鱼类的游动特性已经研究出了多种水下仿生机器人。

目前鱼类的运动推进模式主要分为两种：身体/尾鳍（Body and/or Caudal Fin，BCF）推进模式和中央鳍/对鳍（Median and/or Paired Fin，MPF）推进模式。BCF推进模式仿生机器鱼最早问世，MPF推进模式仿生机器鱼起步较晚，但由于在低速游动下，推进效率、机动性、稳定性较BCF模式更为出色，更加适应水下搜救任务、环境监测、资源勘查、军事侦察等。其中鳐科（Rajiform）的胸鳍波动推进仿生机器鱼具有优异的游动性能，国内外科研人员已经对胸鳍波动推进机理进行了相关研究，并研制出了各类仿生机器鱼。

国防科技大学以尼罗河魔鬼鱼为仿生对象，理论分析了鳍波动推进的波形、推力和效率，并进行了相关的流体动力学研究，研制了长背鳍波动推进器。中科院自动化研究所从尼罗河魔鬼鱼的带状鳍运动得到灵感，研制了以两个带状长鳍驱动的仿生机器鱼。日本大阪大学户田研究室成功研制了“鱿鱼”水下机器人，它长而扁平的身体结构能够很容易地进入狭窄复杂的水下区域。它的两侧分别安装17个橡胶鳍，这些橡胶鳍通过内置的伺服电机致动器可使机器人有节奏地向前游动。南洋理工大学研制了带状长鳍推进器。该推进器由电机带动鳍条(曲轴)转动，鳍条间由薄膜连接，该机构能实现前进、后退等功能。

上述以鳍波动方式游动推进的仿生机器鱼和推进机构都以电机直线排布的带状长鳍作为推进装置，游动的灵活性差。

本发明基于胸鳍波动推进鱼类魟鱼的生物学特征，提出一种仿生机器魟鱼的环状长鳍设计方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有与魟鱼波动推进方式相似的，能够实现高机动性与稳定性的仿生机器鱼，为水下作业等提供一种新的工具。

本发明包括水平基板，以及与水平基板固定的上壳体及下壳体;

其中上壳体与水平基板之间还安装有控制系统电路板、电池及姿态控制机构；其中下壳体与水平基板之间还安装有环形长鳍推进机构。

所述姿态控制机构由若干沿周向均匀分布方式或沿中心对称分布方式安装于水平基板上的姿态调节单元组成；所述姿态调节单元由第一导轨、第一丝杠、与第一丝杠相连的第一步进电机、安装于第一丝杆和第一导轨上的质量块组成，所述第一步进电机的输出轴与水平基板平行。

所述环形长鳍推进机构由环形硅胶薄膜和若干沿周向均匀分布的环形长鳍推进单元组成；其中环形长鳍推进单元由电机径向位移控制机构、电机径向滑动机构、鳍条摆动机构、鳍面加持单元组成。

上述电机径向位移控制机构由第二步进电机、第二丝杠、升降台、丝杠固定基座组成；第二步进电机的输出轴与水平基板垂直；升降台安装于第二丝杠上，第二丝杠一端与第二步进电机相联，另一端与丝杠基座相联；第二步进电机与水平基板固联，丝杠固定基座与下壳体固联。

上述电机径向滑动机构包括滑台基座、滑台、电机固定基座、第三步进电机；其中滑台基座与下壳体固联，滑台安装于滑台基座上可在其上径向滑动，电机固定基座与滑台固联，第三步进电机安装于电机固定基座上，第三步进电机输出轴与水平基板平行；有一连杆，其一端与电机径向滑动机构中的电机固定基座铰接，另一端与电机径向位移控制机构中的升降台铰接。

上述鳍条摆动机构由光滑曲杆、第一光滑直杆、第二光滑直杆、摆动机构基座及密封橡胶圈组成；第一光滑直杆与第二光滑直杆相平行，它们安装在摆动机构基座上；摆动机构基座与下壳体铰接；密封橡胶圈安装于下壳体上，光滑曲杆位于第一光滑直杆与第二光滑直杆之间，光滑曲杆内侧一端通过密封橡胶圈延伸到下壳体内，并与上述电机径向滑动机构中的第三步进电机通过联轴器相联。

上述鳍面加持单元由上鳍条和下鳍条组成；上鳍条和下鳍条夹持住所述环形硅胶薄膜；上鳍条和下鳍条的内侧一端通过固定螺丝安装在鳍条摆动机构的摆动机构基座上。上述上鳍条和下鳍条均为碳纤维材料。