專利名稱：具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水下的仿生機器魚。
背景技術(shù)：
作為一種新型的水下推進器，仿生機器魚具有能源利用率高、流體性能更 加完善、機動性能好、低噪聲、實現(xiàn)了推進器與舵的統(tǒng)一、驅(qū)動方式多樣化等 優(yōu)點。仿生機器魚可以進行長時間、大范圍、工況較復(fù)雜的水下作業(yè)，可以用 于機動性能要求較高的場合，也可以進行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生 等許多場合。軍事方面，由于仿生機器魚在聲納上的表現(xiàn)形式和生物魚類幾乎 相同，并且具有噪聲低，對環(huán)境擾動小，敵方不容易發(fā)現(xiàn)等特點，這極有利于 隱蔽。鑒于仿生機器魚的諸多優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者越來越重視新型仿生機器魚的
研究與開發(fā)，1994年MIT研究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生 金槍魚(Robotima)。此后，結(jié)合仿生學(xué)、材料學(xué)、機械學(xué)和自動控制的新發(fā)展， 仿生機器魚的研制漸成熱點。1995年，MIT推出了 Robot una的改進版機器魚 "Pike"，旨在研究魚的機動性和靜止?fàn)顟B(tài)下的加速性。1998年，MIT推出了 Robotuna的最高版本VCUUV。美國東北大學(xué)海洋科學(xué)中心用形狀記憶合金和鏈 桿結(jié)構(gòu)開發(fā)了波動推進的機器鰻魚。英國Essex大學(xué)機器魚課題組于2005年 5月開始研制一系列的機器魚，主要工作集中在實現(xiàn)仿魚游動，特別是非穩(wěn)定 游動方面。日本名古屋大學(xué)先后研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動的微型身體波動 式水下推進器和壓電陶瓷驅(qū)動的雙鰭微型機器魚。從1999年開始，日本運輸 省船舶技術(shù)研究所開始了一系列的實驗機器魚項目研究。在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè) 大學(xué)陳維山老師的課題組在國家自然科學(xué)基金支持下研制出了仿生機器魚樣 機。北航機器人所和中科院自動化所合作研制出一條實用的仿生機器魚，參加 了對鄭成功古戰(zhàn)船遺址的水下考古探測。哈爾濱工程大學(xué)研制了一條仿生機器 魚原理樣機，可完成直航、回轉(zhuǎn)和改變下潛深度等動作。但目前國內(nèi)外仿生機器魚主要采用胸鰭實現(xiàn)升潛，使得升潛速度不高，不 能實現(xiàn)無尾部推進力情況下的升潛，且機器魚尾鰭運動參數(shù)調(diào)整不方便，魚體 擺動明顯，運動穩(wěn)定性較差，不利于實現(xiàn)高效推進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的仿生機器魚存在升潛速度不高、升潛特性差、尾鰭 運動參數(shù)調(diào)整不方便、魚體擺動明顯、運動穩(wěn)定性較差、不利于實現(xiàn)高效推進 等問題，進而提供了一種具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種具有升潛模塊和尾部模塊 的仿生機器魚，所述仿生機器魚包括半橢圓形魚頭、魚體圓管、圓錐形尾體、 支座，仿生機器魚還包括升潛模塊和尾部模塊；所述升潛模塊包括直流力矩電 機、直齒圓柱小齒輪、直齒圓柱大齒輪、絲杠、缸筒、活塞、絲杠端蓋、缸筒 端蓋、電機支座、軸承總成；所述尾部模塊包括尾部模塊直流力矩電機、直齒 圓錐小齒輪、直齒圓錐大齒輪、箱體、中心軸、第一圓盤、第二圓盤、第一偏 心軸、第二偏心軸、兩套滑動機構(gòu)總成、第一連桿總成、第二連桿總成、端蓋、 尾部支座、L型尾柄、擺柄、L型尾鰭柄、尾鰭、連桿；所述半橢圓形魚頭安 裝在支座上，支座固裝在缸筒上，.缸筒與魚體圓管的前端固接，魚體圓管的后 端與端蓋固接，圓錐形尾體安裝在端蓋上，端蓋與尾部支座固接；所述直流力 矩電機安裝在電機支座上，直齒圓柱小齒輪安裝在直流力矩電機的輸出軸上， 直齒圓柱小齒輪與直齒圓柱大齒輪相嚙合，直齒圓柱大齒輪旋合在絲杠上，絲 杠的一端穿出電機支座的外部，絲杠的另一端通過絲杠端蓋與活塞固接在一 起，活塞設(shè)置在缸筒內(nèi)，直齒圓柱大齒輪安裝在缸筒端蓋上，直齒圓柱大齒輪 與缸筒端蓋之間裝有軸承總成，缸筒端蓋的一端與缸筒固接，缸筒端蓋另的一 端與電機支座固接；尾部模塊直流力矩電機安裝在箱體上，直齒圓錐小齒輪、 直齒圓錐大齒輪均設(shè)置在箱體內(nèi)，直齒圓錐小齒輪安裝在尾部模塊直流力矩電 機的輸出軸上，直齒圓錐小齒輪與直齒圓錐大齒輪相嚙合，直齒圓錐大齒輪安 裝在中心軸上，中心軸的兩端與箱體的兩惻壁轉(zhuǎn)動連接，第一圓盤、第二圓盤 分別固裝在中心軸的兩端上，兩套滑動機構(gòu)總成分別通過第一偏心軸、第二偏 心軸安裝在第一圓盤、第二圓盤上，端蓋的一端面與箱體連接，端蓋的另一端面與尾部支座固接，尾部支座與L型尾柄的彎折處及擺柄的一端鉸接在一起， 兩套滑動機構(gòu)總成通過第一連桿總成、第二連桿總成分別與L型尾柄的一端及 擺柄的另一端鉸接，L型尾柄的另一端與L型尾鰭柄的彎折處鉸接，L型尾鰭 柄的一端通過連桿與擺柄的另一端鉸接，L型尾鰭柄的另一端與尾鰭固接。
本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明所述的仿生機器魚實現(xiàn)了水下三自由度 游動，具備良好升潛特性，仿生效果好，易于實現(xiàn)機器魚尾鰭運動參數(shù)的調(diào)整， 魚體擺動不明顯，運動穩(wěn)定性好。本發(fā)明的具體優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面第 一種仿生機器魚由于采用上述技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點 一、具有低阻的外形， 可實現(xiàn)直線推進、轉(zhuǎn)彎、升潛和逆向游動的三維動作，且升潛模塊和尾部模塊 相互獨立，裝卸調(diào)整方便互不影響；二、機器魚尾部模塊機構(gòu)簡單可靠，易于 實現(xiàn)尾鰭運動參數(shù)的調(diào)整，尾柄、尾鰭自身質(zhì)量很小，尾柄擺動擊水產(chǎn)生的水 動力很小，這有助于抑制魚體擺動；三、升潛模塊置于魚體內(nèi)部，魚體外表面 光滑簡單，密封簡單方便，也有利于減小形體阻力；四、升潛模塊設(shè)置在魚體 前端，保證機器魚浮力作用點位于升潛模塊和尾部驅(qū)動模塊的中間，從而將改 變機器魚重量實現(xiàn)升潛和改變機器魚重心位置實現(xiàn)升潛融合到一起，機器魚尾 部不擺動時，可以實現(xiàn)豎直方向升潛，可以很好的對機器魚的潛水深度進行控 制，當(dāng)尾部快速擺動時，由于融合了兩種升潛方式，能實現(xiàn)快速的升潛；五、 可實現(xiàn)機器魚無尾鰭推進力情況下的升潛，當(dāng)尾部驅(qū)動機構(gòu)出現(xiàn)故障時仍可以 實現(xiàn)可靠的升潛。本發(fā)明經(jīng)水下實驗證明達到了預(yù)期發(fā)明目的。


圖1是本發(fā)明的主視圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是本發(fā)明的升潛模塊 的放大圖，圖4是圖3的A-A剖視圖，圖5是本發(fā)明的尾部模塊放大圖，圖6 是圖5的B-B局部剖視圖，圖7 10是本發(fā)明所述機器魚的升潛原理示意圖(圖 7對應(yīng)活塞位于缸筒中間位置的狀態(tài)圖，圖8是圖7的俯視圖，圖9對應(yīng)活塞 位于缸筒最前端的狀態(tài)圖，圖10對應(yīng)活塞位于缸筒最后端的狀態(tài))，圖11 14是本發(fā)明所述機器魚向前推進過程中尾部模塊在一個尾部擺動周期內(nèi)的運 動示意圖(設(shè)機器魚尾部擺動周期為T，圖11所示為t=0時刻尾部模塊運動 狀態(tài)圖，圖'12所示為t-T/4時刻尾部模塊運動狀態(tài)圖，圖13所示為t-T/2 時刻尾部模塊運動狀態(tài)圖，圖14所示為t = 3T/4時刻尾部模塊運動狀態(tài)圖)，圖15 18是發(fā)明所述機器魚逆向游動過程中尾部模塊在一個尾部擺動周期內(nèi) 的運動示意圖(設(shè)機器魚尾部擺動周期為T，圖15所示為t二0時刻尾部模塊 運動狀態(tài)圖，圖16所示為t二T/4時刻尾部模塊運動狀態(tài)圖，圖17所示為t =T/2時刻尾部模塊運動狀態(tài)圖，圖18所示為t = 3T/4時刻尾部模塊運動狀 態(tài)圖)，圖19是本發(fā)明所述并聯(lián)式機器魚的立體圖，圖20是本發(fā)明所述并聯(lián) 式機器魚的俯視圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1 6所示，本實施方式所述的具有升潛模塊和尾
部模塊的仿生機器魚，所述仿生機器魚包括半湘圓形魚頭56、魚體圓管60、 圓錐形尾體62、支座58，仿生機器魚還包括升潛模塊81和尾部模塊82;所 述升潛模塊81包括直流力矩電機13、直齒圓柱小齒輪12、直齒圓柱大齒輪 10、絲杠ll、缸筒l、活塞4、絲杠端蓋3、缸筒端蓋6、電機支座8、軸承總 成83;所述尾部模塊82包括尾部模塊直流力矩電機20、直齒圓錐小齒輪37、 直齒圓錐大齒輪38、箱體39、中心軸43、第一圓盤22、第二圓盤44、第一 偏心軸25、第二偏心軸41、兩套滑動機構(gòu)總成84、第一連桿總成85、第二連 桿總成86、端蓋26、尾部支座33、 L型尾柄34、擺柄50、 L型尾鰭柄35、尾 鰭36、連桿51;所述半橢圓形魚頭56安裝在支座58上，支座58固裝在缸筒 l上，缸筒1與魚體圓管60的前端固接，魚體'圓管60的后端與端蓋26固接， 圓錐形尾體62安裝在端蓋26上，'端蓋26與尾部支座33固接；所述直流力矩 電機13安裝在電機支座8上，直齒圓柱小齒輪12安裝在直流力矩電機13的 輸出軸上，直齒圓柱小齒輪12與直齒圓柱大齒輪IO相嚙合，直齒圓柱大齒輪 IO旋合在絲杠U上，絲杠ll的一端穿出電機支座8的外部，絲杠ll的另一 端通過絲杠端蓋3與活塞4固接在一起，活塞4設(shè)置在缸筒1內(nèi)，直齒圓柱大 齒輪10安裝在缸筒端蓋6上，直齒圓柱大齒輪10與缸筒端蓋6之間裝有軸承 總成83，缸筒端蓋6的一端與缸筒1固接，缸筒端蓋6另的一端與電機支座8 固接；尾部模塊直流力矩電機20安裝在箱體39上，直齒圓錐小齒輪37、直 齒圓錐大齒輪38均設(shè)置在箱體39內(nèi)，直齒圓'錐小齒輪37安裝在尾部模塊直 流力矩電機20的輸出軸上，直齒圓錐小齒輪37與直齒圓錐大齒輪38相嚙合， 直齒圓錐大齒輪38安裝在中心軸43上，中心軸43的兩端與箱體39的兩側(cè)壁轉(zhuǎn)動連接，第一圓盤22、第二圓盤44分別固裝在中心軸43的兩端上，兩套 滑動機構(gòu)總成84分別通過第一偏心軸25、第二偏心軸41安裝在第一圓盤22'、 第二圓盤44上，端蓋26的一端面與箱體39 ^接，端蓋26的另一端面與尾部 支座33固接，尾部支座33與L型尾柄34的彎折處及擺柄50的一端鉸接在一 起，兩套滑動機構(gòu)總成84通過第一連桿總成85、第二連桿總成86分別與L 型尾柄34的一端及擺柄50的另一端鉸接，L型尾柄34的另一端與L型尾鰭 柄35的彎折處鉸接，L型尾鰭柄35的一端通過連桿51與擺柄50的另一端鉸 接，L型尾鰭柄35的另一端與尾鰭36固接。所述魚體圓管60是由有機玻璃 材料制成。通過尾部模塊，實現(xiàn)了尾鰭36的平動擺動復(fù)合運動；升潛模塊通 過一個滑動螺旋傳動副(直齒圓柱大齒輪10、絲杠11)實現(xiàn)活塞4的前后移 動，完成吸排水(從圖1的C處進排水)，從而實現(xiàn)機器魚升潛。當(dāng)尾鰭的平 動擺動相位差為9(T時，機器魚實現(xiàn)推進；改變尾部模塊力矩電機的輸入電壓 的方向，使電機反轉(zhuǎn)，使得尾鰭平動運動和擺動運動之間的相位差為-卯°，機 器魚實現(xiàn)逆向游動；在機器魚向前推進過程中，尾鰭擺到左側(cè)最大擺幅處停止， 機器魚實現(xiàn)向左轉(zhuǎn)向；尾鰭擺到右側(cè)最大擺幅處停止，機器魚實現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。
具體實施方式
二如圖1 6所示，本實施方式所述兩套滑動機構(gòu)總成 84均由滑塊24、兩個直線導(dǎo)軌21、兩個直線軸承23、拉桿27、可伸縮橡膠 管28組成，所述兩個直線導(dǎo)軌21分別水平穿過滑塊24兩端上的通孔24-1， 所述兩個直線軸承23分別裝在兩個直線導(dǎo)軌21和滑塊24之間，且兩個直線 軸承23分別與滑塊24固接，所述兩個直線導(dǎo)軌21的兩端分別與箱體39、端 蓋26固接，滑塊24上沿長度方向開有長孔24-2，所述兩個滑塊24中的一個 滑塊通過裝在其長孔24-2內(nèi)的第一偏心軸25安裝在第一圓盤22的偏心位置 處，所述兩個滑塊24中的另一個滑塊通過裝在其長孔24-2內(nèi)的第二偏心軸 41安裝在第二圓盤44的偏心位置處，拉桿27的一端與滑塊24固接，拉桿27 的另一端與裝在端蓋26上的可伸縮橡膠管28連接。兩個直線導(dǎo)軌21、兩個 直線軸承23對滑塊24有定位和支撐的作用。通過第一偏心軸25、第二偏心 軸41實現(xiàn)兩側(cè)滑塊的直線往復(fù)運動，右側(cè)滑塊通過尾部聯(lián)桿機構(gòu)實現(xiàn)尾鰭平 動運動，左側(cè)滑塊通過尾部機構(gòu)實現(xiàn)尾鰭擺動運動，從而實現(xiàn)了尾鰭的平動擺動復(fù)合運動。在第一偏心軸25、第二偏心軸41的帶動下實現(xiàn)兩套滑動機構(gòu)總 成84上的滑塊24做直線往復(fù)運動，右側(cè)滑塊24的直線運動通過拉桿27和第 一連桿總成85最終轉(zhuǎn)換成尾柄34的擺動運動，從而實現(xiàn)尾鰭36的平動運動， 可伸縮橡膠管28實現(xiàn)拉桿27的密封，左側(cè)滑塊24的直線往復(fù)運動通過拉桿 27、第二連桿總成85、擺柄50、連桿51和L型尾鰭柄35最終轉(zhuǎn)換成尾鰭36 的擺動運動，為尾鰭36擊水提供合適的擊水角度。通過調(diào)整第二連桿總成86 的長度可實現(xiàn)對尾鰭擊水角度的調(diào)整。通過更換不同長度的尾柄34和連桿51 可以實現(xiàn)尾鰭36平動擺動軸平動幅值的調(diào)整。在在第一圓盤22、第二圓盤44 上均加工有多個偏心軸的安裝位置，通過改變第一偏心軸25、第二偏心軸41 的安裝位置，可以實現(xiàn)對尾鰭平動運動和擺動運動之間的相位差的調(diào)整。其它 組成及連接關(guān)系與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
三如圖5所示，本實施方式所述第一連桿總成85、第二 連桿總成86均是長度可調(diào)整的連桿。所述第一連桿總成85、第二連桿總成86 均由前接頭47、中間連桿48、后接頭49組成，中間連桿48的兩端分別加工 有左旋螺紋和右旋螺紋，前接頭47、后接頭49通過中間連桿48螺接。通過 旋轉(zhuǎn)中間連桿48可改變第一連桿總成85、第二連桿總成86的長度，通過調(diào) 整第一連桿總成85的長度可實現(xiàn)尾柄初始位置的修正，通過調(diào)整第二連桿總 成86的長度可實現(xiàn)對尾鰭擊水角度的調(diào)整。其它組成及連接關(guān)系與具體實施 方式一相同。
具體實施方式
四如圖3和圖4所示，本實施方式所述升潛模塊81還包 括檢測桿5、第一減摩套筒14、第二減摩套筒16、第一檢測環(huán)15、第二檢測 環(huán)17、第一接近傳感器18、第二接近傳感器19、第一連接件7、第二連接件 9;所述檢測桿5由前至后依次穿過缸筒端蓋6、電機支座8并安裝在活塞4 上，所述第一減摩套筒14、第一檢測環(huán)15、第二減摩套筒16、第二檢測環(huán)17 由前至后依次套裝在檢測桿5上，第一接近傳感器18通過第一連接件7安裝 在缸筒端蓋6上，第二接近傳感器19通過第二連接件9安裝在電機支座8上， 所述第一接近傳感器18、第二接近傳感器19的位置分別與第一檢測環(huán)15、第 二檢測環(huán)17相對應(yīng)。升潛模塊工作時，活塞4相對缸筒1有三種位置，分別是位于缸筒最前端、缸筒中間和缸筒最后端；通過第一接近傳感器18、第二 接近傳感器19、第一檢測環(huán)15、第二檢測環(huán)i7的配合工作實現(xiàn)活塞的定位。 第一接近傳感器18、第二接近傳感器19對第一減摩套筒14、第二減摩套筒 16不敏感，只有在第一檢測環(huán)15或第二檢測環(huán)17進入其檢測范圍時，才輸 出高電壓，其它時刻輸出低電壓。當(dāng)?shù)谝唤咏鼈鞲衅?8輸出高電壓，第二接 近傳感器19輸出低電壓時，活塞位于缸筒的最前端；當(dāng)?shù)谝唤咏鼈鞲衅?8、 第二接近傳感器19均輸出高電壓時，活塞位于缸筒中間位置；當(dāng)?shù)谝唤咏鼈?感器18輸出低高電壓，第二接近傳感器19輸出高電壓時，活塞位于缸筒的最 后端。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五如圖5所示，本實施方式所述第一減摩套筒14、第二 減摩套筒16均由聚四氟乙烯材料制成。其它敘成及連接關(guān)系與具體實施方式
四相同。第一接近傳感器18、第二接近傳感器19對聚四氟乙烯材料不敏感， 同時由聚四氟乙烯材料制成的第一減摩套筒14、第二減摩套筒16具有減摩作 用。
具體實施方式
六如圖1 6所示，本實施方式所述檢測桿5、第一檢測 環(huán)15、第二檢測環(huán)17均由鋼質(zhì)材料制成。接近傳感器對鋼質(zhì)檢測環(huán)敏感。其 它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七如圖1 6所示，本實施方式所述尾部模塊82還包括接 近傳感器40,所述接近傳感器40安裝在箱體39上。接近傳感器40實現(xiàn)尾部 擺動周期的測量。在滑塊24運動到最左端時接近傳感器40輸出高電壓。其它 組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八如圖1 6所示，本實施方式所述所述尾部模塊82還包 括減摩環(huán)29，尾部模塊所有的鉸接位置處均設(shè)置有減摩環(huán)29。具有減摩作用。 其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九如圖1 6所示，本實施方式所述減摩環(huán)29由聚四氟乙 烯材料制成。減摩作用效果好。其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
八相同。
具體實施方式
十如圖1和圖2所示，本實施方式所述仿生機器魚還包括 第一橡膠墊圈57、第二橡膠墊圈59、第三橡膠墊圈61，所述第一橡膠墊圈57 安裝在半橢圓形魚頭56和支座58之間，所述第二橡膠墊圈59安裝在缸筒1和魚體圓管60之間，所述第三橡膠墊圈61安裝在魚體圓管60和端蓋26之間。 具有密封作用。其它組成及連接關(guān)系與具體實.施方式一相同。
具體實施方式
十一本發(fā)明所述機器魚的樣機總長度1037mm(不含尾鰭)， 魚體直徑220mm,機器魚排水質(zhì)量26. 2kg，升潛模塊最大吸排水質(zhì)量為1847g， 尾柄長度200mm，尾鰭展弦比2, 75，尾鰭有效面積0.0176m2 。在10mx20mx2m 實驗水池中進行了水下實驗，在尾柄擺角幅值為24°，尾鰭攻角幅值為4(T，尾 部擺動頻率為2Hz時，機器魚推進速度可達0.62m/s;尾部擺動頻率為1.6Hz 時，逆向游動速度可達O. 14m/s;在尾部無擺動的情況下，機器魚最大上升速 度可達0.35m/s，最大下潛速度可達0.32m/s;在機器魚獲一定的初始速度后， 通過尾鰭的單側(cè)擺停，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向。
具體實施方式
十二如圖19和圖20所示，本實施方式提供了一種并聯(lián)式 機器魚，所述并聯(lián)式機器魚包含兩個如具體實施方式
一所述的具有升潛模塊和 尾部模塊的仿生機器魚，所述兩個仿生機器魚對稱布置，所述并聯(lián)式機器魚還 包括兩個第一連桿64、兩個第二連桿66，所述兩個第一連桿64的兩端分別與 支座58固接，所述兩個第二連桿66的兩端分別與端蓋26固接。兩個尾部模 塊按照對稱規(guī)律擺動可實現(xiàn)游動過程中并聯(lián)式機器魚的魚體無擺動；其中的一 個尾部模塊單獨工作時可以實現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向；兩個升潛模塊同時排水，并聯(lián)式 機器魚上升，兩個升潛模塊同時吸水，并聯(lián)式機器魚下潛，并聯(lián)式機器魚的一 側(cè)升潛模塊吸水，另一側(cè)升潛模塊排水，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)側(cè)傾。當(dāng)兩個升潛
模塊的活塞均處于缸筒中間位置時，并聯(lián)式機器魚的游動為無升潛游動；當(dāng)兩 個升潛模塊的活塞均處于缸筒最前端時，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)上升；當(dāng)兩個升潛 模塊的活塞均處于缸筒最后端時，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)下潛；當(dāng)一個升潛模塊的 活塞處于缸筒最前端，而另一個升潛模塊的活塞位于缸筒最后端時，并聯(lián)式機 器魚實現(xiàn)繞ftT軸的轉(zhuǎn)動。當(dāng)兩個尾部模塊采用對稱規(guī)律擺動并且保證尾鰭平 動運動和擺動運動之間的相位差為90。時，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)向前推進且魚體 無擺動；改變尾部模塊電機轉(zhuǎn)動方向，會使得尾鰭平動運動和擺動運動之間的
相位差變?yōu)?卯°，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)逆向游動；當(dāng)只有左側(cè)尾部模塊工作時， 并聯(lián)式機器魚實現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向；當(dāng)只有右側(cè)尾部模塊工作時，并聯(lián)式機器魚實現(xiàn) 向左轉(zhuǎn)向。該并聯(lián)式機器魚的特點在于兩個尾部模塊對稱擺動可以實現(xiàn)魚體無擺動，具有很好的運動穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向更加靈活。 工作原理
本發(fā)明所述的升潛模塊設(shè)置在魚體前端，以保證機器魚浮力作用點位于升 潛模塊和尾部驅(qū)動模塊的中間，從而將改變機器魚重量實現(xiàn)升潛和改變機器魚
重心位置實現(xiàn)升潛的融合在一起；活塞位于缸筒中間位置時，機器魚的重力和
浮力大小相等，重心位于浮力作用點的正下方并且二者連線垂直于魚體中線，
機器魚的游動為無升潛游動；活塞移動到缸筒最前端，將缸筒內(nèi)的水全部排出， 一方面會使重力小于浮力，另一方面會使重心后移魚頭上傾，機器魚實現(xiàn)上升； 活塞移動到缸筒最后端，缸筒內(nèi)吸滿水， 一方面使得重力大于浮力，另一方面 會使重心前移魚頭下傾，機器魚實現(xiàn)下潛。
如圖7 10所示，本發(fā)明所述機器魚采用吸排水實現(xiàn)升潛，并且將改變機 器魚自身重量實現(xiàn)升潛和改變機器魚重心位置'實現(xiàn)升潛融合到一起。圖8對應(yīng) 活塞位于缸筒中間位置的狀態(tài)，此時機器魚重心G位于浮力作用點F的正下方， 魚體呈水平狀態(tài)，機器魚的游動為無升潛游動；圖9對應(yīng)活塞位于缸筒最前端 的狀態(tài)，將缸筒內(nèi)部水全部排出， 一方面會使得機器魚的重力減小，重力小于 浮力，另一方面會使機器魚重心由G。點后移至Gp點，魚體上傾，機器魚上升； 圖10對應(yīng)活塞位于缸筒最后端的狀態(tài)，將缸筒內(nèi)吸滿水， 一方面會使得機器 魚的重力增加，重力大于浮力，另一方面會使機器魚重心由G。點前移至G2點， 魚體下傾，機器魚下潛。
如圖11 14所示，設(shè)機器魚尾部擺動周期為T。圖11所示為t=0時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于中間位置，尾柄擺角為0，下 側(cè)滑塊位于最前端，尾鰭具有負向最大擊水角度；圖12所示為t-T/4時刻尾 部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于最前端，尾柄擺動到正向最大擺 幅，下側(cè)滑塊位于中間位置，尾鰭與魚體夾角為O;圖13所示為t^T/2時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于中間位置，尾柄擺角為0，下 側(cè)滑塊位于最后端，尾鰭具有正向最大擊水角度；圖14所示為t二3T/4時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于最后端，尾柄擺到負向最大擺 幅，下側(cè)滑塊位于中間位置，尾鰭與魚體夾角為O。這樣保證尾鰭的平動運動和擺動運動之間的相位差為9(T ，在整個擺動周期內(nèi)尾鰭擊水均對機器魚推進 做正功。
如圖15 18所示，設(shè)機器魚尾部擺動周期為T。圖15所示為t二0時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于中間位置，尾柄擺角為O，下 側(cè)滑塊位于最前端，尾鰭具有負向最大擊水角度；圖16所示為t二T/4時刻尾 部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于最后端，尾柄擺動到負向最大擺 幅，下側(cè)滑塊位于中間位置，尾鰭與魚體夾角為O;圖17所示為t二T/2時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于中間位置，尾柄擺角為0，下 側(cè)滑塊位于最后端，尾鰭具有正向最大擊水角度；圖18所示為t二3T/4時刻 尾部模塊運動狀態(tài)，此時尾部模塊上側(cè)滑塊位于最前端，尾柄擺到正向最大擺 幅，下側(cè)滑塊位于中間位置，尾鰭與魚體夾角為O。這樣保證尾鰭的平動運動 和擺動運動之間的相位差為-90° ，在整個擺動周期內(nèi)尾鰭擊水均對機器魚逆向 游動做正功。
權(quán)利要求
1、一種具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，所述仿生機器魚包括半橢圓形魚頭(56)、魚體圓管(60)、圓錐形尾體(62)、支座(58)，其特征在于仿生機器魚還包括升潛模塊(81)和尾部模塊(82)；所述升潛模塊(81)包括直流力矩電機(13)、直齒圓柱小齒輪(12)、直齒圓柱大齒輪(10)、絲杠(11)、缸筒(1)、活塞(4)、絲杠端蓋(3)、缸筒端蓋(6)、電機支座(8)、軸承總成(83)；所述尾部模塊(82)包括尾部模塊直流力矩電機(20)、直齒圓錐小齒輪(37)、直齒圓錐大齒輪(38)、箱體(39)、中心軸(43)、第一圓盤(22)、第二圓盤(44)、第一偏心軸(25)、第二偏心軸(41)、兩套滑動機構(gòu)總成(84)、第一連桿總成(85)、第二連桿總成(86)、端蓋(26)、尾部支座(33)、L型尾柄(34)、擺柄(50)、L型尾鰭柄(35)、尾鰭(36)、連桿(51)；所述半橢圓形魚頭(56)安裝在支座(58)上，支座(58)固裝在缸筒(1)上，缸筒(1)與魚體圓管(60)的前端固接，魚體圓管(60)的后端與端蓋(26)固接，圓錐形尾體(62)安裝在端蓋(26)上，端蓋(26)與尾部支座(33)固接；所述直流力矩電機(13)安裝在電機支座(8)上，直齒圓柱小齒輪(12)安裝在直流力矩電機(13)的輸出軸上，直齒圓柱小齒輪(12)與直齒圓柱大齒輪(10)相嚙合，直齒圓柱大齒輪(10)旋合在絲杠(11)上，絲杠(11)的一端穿出電機支座(8)的外部，絲杠(11)的另一端通過絲杠端蓋(3)與活塞(4)固接在一起，活塞(4)設(shè)置在缸筒(1)內(nèi)，直齒圓柱大齒輪(10)安裝在缸筒端蓋(6)上，直齒圓柱大齒輪(10)與缸筒端蓋(6)之間裝有軸承總成(83)，缸筒端蓋(6)的一端與缸筒(1)固接，缸筒端蓋(6)另的一端與電機支座(8)固接；尾部模塊直流力矩電機(20)安裝在箱體(39)上，直齒圓錐小齒輪(37)、直齒圓錐大齒輪(38)均設(shè)置在箱體(39)內(nèi)，直齒圓錐小齒輪(37)安裝在尾部模塊直流力矩電機(20)的輸出軸上，直齒圓錐小齒輪(37)與直齒圓錐大齒輪(38)相嚙合，直齒圓錐大齒輪(38)安裝在中心軸(43)上，中心軸(43)的兩端與箱體(39)的兩側(cè)壁轉(zhuǎn)動連接，第一圓盤(22)、第二圓盤(44)分別固裝在中心軸(43)的兩端上，兩套滑動機構(gòu)總成(84)分別通過第一偏心軸(25)、第二偏心軸(41)安裝在第一圓盤(22)、第二圓盤(44)上，端蓋(26)的一端面與箱體(39)連接，端蓋(26)的另一端面與尾部支座(33)固接，尾部支座(33)與L型尾柄(34)的彎折處及擺柄(50)的一端鉸接在一起，兩套滑動機構(gòu)總成(84)通過第一連桿總成(85)、第二連桿總成(86)分別與L型尾柄(34)的一端及擺柄(50)的另一端鉸接，L型尾柄(34)的另一端與L型尾鰭柄(35)的彎折處鉸接，L型尾鰭柄(35)的一端通過連桿(51)與擺柄(50)的另一端鉸接，L型尾鰭柄(35)的另一端與尾鰭(36)固接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述兩套滑動機構(gòu)總成(84)均由滑塊(24)、兩個直線導(dǎo)軌(21)、兩 個直線軸承(23)、拉桿(27)、可伸縮橡膠管(28)組成，所述兩個直線導(dǎo)軌(21) 分別水平穿過滑塊(24)兩端上的通孔(24-1)，所述兩個直線軸承(23) 分別裝在兩個直線導(dǎo)軌(21)和滑塊(24)之間，且兩個直線軸承(23)分別 與滑塊(24)固接，所述兩個直線導(dǎo)軌(21)的兩端分別與箱體(39)、端蓋(26) 固接，滑塊(24)上沿長度方向開有長孔(24-2)，所述兩個滑塊(24) 中的一個滑塊通過裝在其長孔(24-2)內(nèi)的第一偏心軸(25)安裝在第一圓盤(22) 的偏心位置處，所述兩個滑塊(24)中的另一個滑塊通過裝在其長孔 (24-2)內(nèi)的第二偏心軸(41)安裝在第二圓盤(44)的偏心位置處，拉桿(27) 的一端與滑塊(24)固接，拉桿(27)的另一端與裝在端蓋(26)上的 可伸縮橡膠管(28)連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述第一連桿總成(85)、第二連桿總成(86)均是長度可調(diào)整的連桿； 所述第一連桿總成(85)、第二連桿總成(86)均由前接頭(47)、中間連桿(48)、 后接頭(49)組成，中間連桿(48)的兩端分別加工有左旋螺紋和右旋螺紋， 前接頭(47)、后接頭(49)通過中間連桿(48)螺接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述升潛模塊(81)還包括檢測桿(5)、第一減摩套筒(14)、第二減 摩套筒(16)、第一檢測環(huán)(15)、第二檢測環(huán)(17)、第一接近傳感器(18)、 第二接近傳感器(19)、第一連接件(7)、第二連接件(9);所述檢測桿(5) 由前至后依次穿過缸筒端蓋(6)、電機支座(8)并安裝在活塞(4)上，所述第一減摩套筒(14)、第一檢測環(huán)(15)、第二減摩套筒(16)、第二檢測環(huán)(17) 由前至后依次套裝在檢測桿(5)上，第一接近傳感器(18)通過第一連接件 (7)安裝在缸筒端蓋(6)上，第二接近傳感器(19)通過第二連接件(9) 安裝在電機支座(8)上，所述第一接近傳感器(18)、第二接近傳感器(19) 的位置分別與第一檢測環(huán)(15)、第二檢測環(huán)(17)相對應(yīng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述第一減摩套筒(14)、第二減摩套由(16)均由聚四氟乙烯材料制 成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述檢測桿(5)、第一檢測環(huán)(15)、第二檢測環(huán)(17)均由鋼質(zhì)材料 制成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述尾部模塊(82)還包括接近傳感器(40)，所述接近傳感器(40) 安裝在箱體(39)上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述尾部模塊(82)還包括減摩環(huán)(29)，尾部模塊所有的鉸接位置處 均設(shè)置有減摩環(huán)(29);所述減摩環(huán)(29)由聚四氟乙烯材料制成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，其特 征在于所述仿生機器魚還包括第一橡膠墊圈(57)、第二橡膠墊圈(59)、第三 橡膠墊圈(61)，所述第一橡膠墊圈(57)安裝在半橢圓形魚頭(56)和支座(58)之間，所述第二橡膠墊圈(59)安裝在缸筒(1)和魚體圓管(60)之 間，所述第三橡膠墊圈(61)安裝在魚體圓管(60)和端蓋(26)之間。
10、 一種并聯(lián)式機器魚，所述并聯(lián)式機器魚包含兩個如權(quán)利要求1所述的 具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，所述兩個仿生機器魚對稱布置，所述 并聯(lián)式機器魚還包括兩個第一連桿(64)、兩個第二連桿(66)，所述兩個第一 連桿(64)的兩端分別與支座(58)固接，所述兩個第二連桿(66)的兩端分 別與端蓋(26)固接。
全文摘要
具有升潛模塊和尾部模塊的仿生機器魚，它涉及一種用于水下的仿生機器魚。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的仿生機器魚存在升潛速度不高、升潛特性差、尾鰭運動參數(shù)調(diào)整不方便等問題。所述絲杠(11)的另一端通過絲杠端蓋(3)與活塞(4)固接在一起，活塞(4)設(shè)置在缸筒(1)內(nèi)，缸筒端蓋(6)的一端與缸筒(1)固接；直齒圓錐大齒輪(38)安裝在中心軸(43)上，中心軸(43)的兩端與箱體(39)的兩側(cè)轉(zhuǎn)動連接，兩套滑動機構(gòu)總成(84)分別通過第一偏心軸(25)、第二偏心軸(41)安裝在第一圓盤(22)、第二圓盤(44)上。本發(fā)明所述的仿生機器魚具備良好升潛特性，仿生效果好，易于實現(xiàn)機器魚尾鰭運動參數(shù)的調(diào)整，魚體擺動不明顯，運動穩(wěn)定性好。
文檔編號B63H1/00GK101301926SQ20081006432
公開日2008年11月12日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者劉軍考, 劉英想, 濤 謝, 陳維山 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)