一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼

1.本发明属于水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼。


背景技术：

2.受自然界鱼类推进的快速性和高效性启发，仿生鱼类推进技术研究已成为水下推进技术研究的热点，蝠鲼经过近亿年的自然演化，具有独特的形体结构和运动方式，能很好地适应水生环境，其具有流线型的扁平躯体，这种形态不仅有利于游动推进，还有利于下潜滑行，且在运动流场时，能有效借助流体的能量实现高效的滑行运动。
3.蝠鲼这一特性，充分满足长航时、大范围作业的水下推进器的仿生需求。利用仿生蝠鲼鱼运动原理而研制的柔体潜航器，具有高推进效率、高机动性、高稳定性、低环境扰动、低噪声，以及大负载空间、大负载能力、海底软着陆等特点。因此能更好地达到水下航行器的高机动和长续航能力，以期有效解决传统潜航器存在的机动性、隐蔽性较弱，以及续航时间不足等问题。
4.现有仿生装置柔性胸鳍的运动大多仅由刚性胸鳍前缘拍动来带动，无法实现对胸鳍弦向方向柔性部位局部性状的精确控制，装置运动的灵活性受限，真正的柔体胸鳍仿生机构，具有多种运动状态，依靠胸鳍摆动产生推力。


技术实现要素：

5.为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，包括鱼头舱、鱼身舱、中心控制装置、驱动装置、胸鳍、鱼尾舱，所述鱼头舱固定连接于鱼身舱前端，胸鳍通过随动装置可活动设置于鱼身舱两旁，鱼尾舱通过连接部件固定连接于鱼身舱后端，中心控制装置设置在鱼身舱内部，中心控制装置通过驱动装置与胸鳍连接。
6.本发明的有益效果为：
7.本发明的一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，采用弦波式运动方式，可以很大程度的还原蝠鲼运动时的生物特性，仿生度达到80％，运动过程流畅。
8.在鱼身外壳设计及材料选型上，选择使用pla3d打印来更好的表现鱼身的流线型，减小在水中运动的阻力，并巧用硅胶发泡条和榫卯结构等实现鱼身内的防水密封。
9.使用双舵机控制鱼翼前侧的摆动、双舵机实现鱼翼后侧的跟随摆动,双舵机的独立控制，也可实现鱼身的转向、上升、前进等x、y、z三轴全向移动功能。
10.内部空腔体积大，可配置多种传感器，对复杂的水下环境适用性高,且具有较高的科研价值。
附图说明
11.图1为本发明的仿生机器蝠鲼一实施例的整体结构示意图；
12.图2为本发明的仿生机器蝠鲼一实施例的鱼头舱内部示意图；
13.图3为本发明的仿生机器蝠鲼一实施例的鱼身内部及鱼尾示意图；
14.图4为本发明的仿生机器蝠鲼一实施例的随动装置示意图。
15.其中，附图标记为：1、鱼头舱，2、鱼身舱，3、胸鳍，4、鱼尾舱，5、小型板材，6、深度相机装置，7、舵机盘，8、第一连杆，9、第二连杆，10、第三连杆，11、长方形连接件，12、三角形杆，13、随动件，14、固定件，15、第一舵机，16、第一胸鳍柔体板材，17、第二胸鳍柔体板材，18、密封条，19、中心控制装置，20、第一机械臂，21、第二舵机，22、舵机机械臂，23、连接部件。
具体实施方式
16.一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，如图1-图4所示，包括鱼头舱1、鱼身舱2、中心控制装置19、驱动装置、胸鳍3、鱼尾舱4，所述鱼头舱1固定连接于鱼身舱2前端，胸鳍3通过随动装置可活动设置于鱼身舱2两旁，鱼尾舱4通过连接部件23固定连接于鱼身舱2后端，中心控制装置19设置在鱼身舱2内部，中心控制装置19通过驱动装置与胸鳍3连接。
17.其中，所述鱼身舱2两侧的胸鳍3中均设置随动骨架装置，随动骨架装置呈左右对称活动连接于鱼头舱1，鱼头舱1内固定设置深度相机装置6和数字温度传感器，数字温度传感器的型号为risym ds18b20，深度相机装置、数字温度传感器和中心控制装置19相连，鱼头舱1内设置两个第一舵机15，两个所述第一舵机15分别连接鱼身舱2两侧的胸鳍3以驱动胸鳍3本体绕鱼身舱2大体在竖直方向进行轴线运动。
18.其中，所述第一舵机15固定在小型板材5上，第一舵机15的控制端与中心控制装置19信号连接。
19.其中，所述随动骨架装置包括舵机盘7、第一连杆8、第二连杆9、第三连杆10、长方形连接件11、三角形杆12、第一胸鳍柔体板材16、第二胸鳍柔体板材17，第一舵机15与舵机盘7相连，舵机盘7通过第一连杆8分别与第二连杆9、第三连杆10相连，第二连杆9、第三连杆10分别与三角形杆12相连，第二连杆9上设置长方形连接件11，第二连杆9通过长方形连接件11分别与第一胸鳍柔体板材16、第二胸鳍柔体板材17相连。
20.其中，所述第一舵机15与舵机盘7固定连接，舵机盘7与第一连杆8固定连接，第一连杆8与第二连杆9铰接，第一连杆8与第三连杆10铰接，第二连杆9与三角形杆12铰接，第三连杆10与三角形杆12铰接，所述长方形连接件11分别与第一胸鳍柔体板材16、第二胸鳍柔体板材17固定连接。
21.其中，所述鱼身舱2包括鱼身上舱和鱼身下舱，所述鱼身上舱和鱼身下舱通过四组螺栓组套件连接，所述鱼身上舱和鱼身下舱均为流线型，鱼身上舱有凸起结构，鱼身下舱有凹槽结构，密封条18卡在凸起结构和凹槽结构之间，所述密封条18分别设置于鱼身舱2前方、后方、左方、右方。
22.其中，所述鱼尾舱4内设置两个第二舵机21和辅助动力装置，所述鱼身舱2两侧的胸鳍3中均设置辅助动力装置，所述辅助动力装置包括舵机机械臂22和第一机械臂20，所述两个第二舵机21分别连接鱼身舱2两侧的胸鳍3以驱动胸鳍3本体绕鱼身舱2大体在竖直方向进行轴线运动，所述第二舵机21的控制端与中心控制装置19电连接，第二舵机21与舵机机械臂22相连，舵机机械臂22与第一机械臂20相连。
23.其中，所述第二舵机21与舵机机械臂22固定相连，舵机机械臂22与第一机械臂20
固定连接。
24.所述随动装置包括随动件13和固定件14，随动件13的一端与鱼头舱1铰接，固定件14通过螺栓螺母固定在随动件13上，固定件14与胸鳍3相连。
25.本发明是以仿生蝠鲼为基础，包括鱼头舱、鱼身舱、中心控制装置、驱动装置、胸鳍、鱼尾舱，所述鱼身舱、为核心部件，与各结构相连，所述鱼头舱位固定连接于鱼身舱前端，鱼身位于中部，胸鳍位于鱼身舱两旁，鱼尾舱固定连接于鱼身舱后端。
26.本发明的一些实施例中，所述鱼头舱包括鱼头本体、随动骨架装置、信息收集装置和第一动力装置，所述随动骨架装置呈左右对称活动连接于鱼头舱，其装置连接胸鳍柔体结构。所述信息收集装置包括深度相机、多种传感器等装置。所述第一动力装置可驱动胸鳍本体绕大体上为竖直方向进行轴线运动，所述第一动力装置与所述中心控制装置信号连接，以实现所述仿生机器蝠鲼的运动控制。
27.本发明的一些实施例中，所述鱼身舱分为上下两部分，所述上下鱼身舱的连接通过四组螺栓组套件，且都为流线型设计，所述鱼身上舱四周有凹槽，鱼身下舱有突起，中间填有密封条，所述密封条分别位于鱼身舱前方、后方、左方、右方，以此来实现鱼身舱的密封性。
28.本发明的一些实施例中，所述鱼尾舱包括鱼尾本体、辅助动力装置和第二动力装置，所述第二动力装置可驱动胸鳍本体绕大体上为竖直方向进行轴线运动，所述第二动力装置的控制端均与中心控制装置信号连接。
29.本发明的一些实施例中，所述胸鳍包括左右呈对称分布的一对六连杆结构和其上部覆盖的柔体材料，所述六连杆结构包括五个运动杆件，杆7为舵机盘杆件，所述杆基圆中心与前端舵机1旋转处相连，另一侧相同的六连杆与舵机2相连，杆7尾端开孔与杆8活动连接，所述杆8为三角板，杆8同时与杆杆10活动连接，所述杆9、杆10为平行长杆，所述杆9与鱼身舱相连，杆9、杆10尾端同时与杆12活动连接，所述杆12为三角板形状。所述柔体结构材料为2mm厚绝缘橡胶皮制作，前端固定连接在支撑板17上，所述支撑板17通过长方形连接件与杆9固定连接，所述支撑板16通过长方形链接件与杆12固定连接。柔体结构固定连接在六连杆机构上，所述支撑板17为梯形板材，中间有镂空设计，所述支撑板17上开孔，目的是固定绝缘橡胶皮中间部位，所述支撑板16为近似三角形，中间有镂空设计，所述支撑板16上开孔，目的是固定绝缘橡胶皮边缘部位。在所述胸鳍分别在第一动力装置和第二动力装置驱动下绕其固定件呈竖直轴线运动，为介绍胸鳍活动，我们定义左端胸鳍为左胸鳍，右端胸鳍为右胸鳍，在动力装置驱动下，左右胸鳍可进行不对称运动，以实现所述仿生机器蝠鲼的左右运动，在动力装置驱动下，实现所述仿生机器蝠鲼的上下前后运动。
30.为例更清晰的对本发明仿生机器蝠鲼进行说明，下面结合附图对本方发明一种优选实施例进行展开详述。
31.作为本发明的优选实施例，本发明的仿生机器蝠鲼采用可拆卸的模块化设计，鱼头舱、鱼身舱、鱼尾舱内部可选装不同类型的传感器。
32.如图1所示，本发明的仿生机器蝠鲼整体采用流线型设计，仿生度高。其中1为鱼头，2为鱼身，3为胸鳍，4为鱼尾。
33.图2展示的是鱼头舱与鱼身舱中间，其中，5为小型板材，起到固定舵机作用，6为深度相机装置，7、8、9、10、12分别为六连杆结构的五个运动杆件，7为舵机盘杆件，所述杆基圆
中心与前端舵机旋转处相连，舵机工作带动杆件运动；8杆同时与杆9、10相连，为连接杆；9、10为相互平行的两杆，其尾部都与12杆相连，12杆为三角形杆。11为长方形连接件，为杆9和支撑板17的连接件。
34.图3展示的是鱼头的随动装置，其随动装置由13、14两个小部件拼装而成，两个部件由螺栓螺母连接而成，零件13一侧位于鱼头仓内，其部件上留有孔位，通过孔位固定于鱼头舱内，零件14下端留有固定孔用于固定胸鳍的柔体结构。
35.图4展示的是鱼尾舱及鱼身舱内部，15为第一动力装置左侧舵机；16、17为两块固定胸鳍柔体结构的板材，其板上留有孔位；19为中心控制装置，包括电源、高性能电路板芯片等电子元件；21为第二动力装置的左侧舵机，22为舵机机械臂，零件20通过螺栓组与22连接，其末端设有孔位固定连接胸鳍柔体结构，23为鱼尾舱和鱼身舱的连接部件，18为柔性密封条，用于密封防水。
36.上述本技术实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：
37.本发明仿生程度较高，高度还原了蝠鲼的运动模式，独特的六连杆结构及其上部覆盖的柔性材料搭配随动结构高度还原了蝠鲼运动，采用防水舵机独立驱动，能为六连杆结构运动提供充足动力，保证了仿生蝠鲼的游行效率。
38.本发明的头部舱内预留空间大，可进行模块化设计，可选装多种信息采集单元、深度传感器等装置，便于仿生蝠鲼在水下进行一系列工作，如水下环境检测，水下勘测，水下救援等，具有广阔的应用前景。
39.本发明运动方式独特，仿生蝠鲼在运动时，其胸鳍鳍面波动时能产生与推进方向一致的涡流，并且能整理尾流，巧妙地利用涡流，并且其柔性材料在运动时能利用水中浮力帮助仿生蝠鲼运动，这种运动方式能够有效减少能量消耗，提高续航能力。
40.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，包括鱼头舱(1)、鱼身舱(2)、中心控制装置(19)、驱动装置、胸鳍(3)、鱼尾舱(4)，所述鱼头舱(1)固定连接于鱼身舱(2)前端，胸鳍(3)通过随动装置可活动设置于鱼身舱(2)两旁，鱼尾舱(4)通过连接部件(23)固定连接于鱼身舱(2)后端，中心控制装置(19)设置在鱼身舱(2)内部，中心控制装置(19)通过驱动装置与胸鳍(3)连接。2.如权利要求1所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述鱼身舱(2)两侧的胸鳍(3)中均设置随动骨架装置，随动骨架装置呈左右对称可活动连接于鱼头舱(1)，鱼头舱(1)内固定设置深度相机装置(6)和数字温度传感器，深度相机装置、数字温度传感器和中心控制装置(19)相连，鱼头舱(1)内设置两个第一舵机(15)，两个所述第一舵机(15)分别连接鱼身舱(2)两侧的胸鳍(3)以驱动胸鳍(3)本体绕鱼身舱(2)大体在竖直方向进行轴线运动。3.如权利要求2所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述第一舵机(15)固定在小型板材(5)上，第一舵机(15)的控制端与中心控制装置(19)信号连接。4.如权利要求3所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述随动骨架装置包括舵机盘(7)、第一连杆(8)、第二连杆(9)、第三连杆(10)、长方形连接件(11)、三角形杆(12)、第一胸鳍柔体板材(16)、第二胸鳍柔体板材(17)，第一舵机(15)与舵机盘(7)相连，舵机盘(7)通过第一连杆(8)分别与第二连杆(9)、第三连杆(10)相连，第二连杆(9)、第三连杆(10)分别与三角形杆(12)相连，第二连杆(9)上设置长方形连接件(11)，第二连杆(9)通过长方形连接件(11)分别与第一胸鳍柔体板材(16)、第二胸鳍柔体板材(17)相连。5.如权利要求4所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述第一舵机(15)与舵机盘(7)固定连接，舵机盘(7)与第一连杆(8)固定连接，第一连杆(8)与第二连杆(9)铰接，第一连杆(8)与第三连杆(10)铰接，第二连杆(9)与三角形杆(12)铰接，第三连杆(10)与三角形杆(12)铰接，所述长方形连接件(11)分别与第一胸鳍柔体板材(16)、第二胸鳍柔体板材(17)固定连接。6.如权利要求5所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述鱼身舱(2)包括鱼身上舱和鱼身下舱，所述鱼身上舱和鱼身下舱通过四组螺栓组套件连接，所述鱼身上舱和鱼身下舱均为流线型，鱼身上舱有凸起结构，鱼身下舱有凹槽结构，密封条(18)卡在凸起结构和凹槽结构之间，所述密封条(18)分别设置于鱼身舱(2)前方、后方、左方、右方。7.如权利要求6所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述鱼尾舱(4)内设置两个第二舵机(21)和辅助动力装置，所述鱼身舱(2)两侧的胸鳍(3)中均设置辅助动力装置，所述辅助动力装置包括舵机机械臂(22)和第一机械臂(20)，所述两个第二舵机(21)分别连接鱼身舱(2)两侧的胸鳍(3)以驱动胸鳍(3)本体绕鱼身舱(2)大体在竖直方向进行轴线运动，所述第二舵机(21)的控制端与中心控制装置(19)电连接，第二舵机(21)与舵机机械臂(22)相连，舵机机械臂(22)与第一机械臂(20)相连。8.如权利要求7所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述第二舵机(21)与舵机机械臂(22)固定相连，舵机机械臂(22)与第一机械臂(20)固定连接。9.如权利要求8所述的基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述随动装置包括随动件(13)和固定件(14)，随动件(13)的一端与鱼头舱(1)铰接，固定件(14)通过螺
栓螺母固定在随动件(13)上，固定件(14)与胸鳍(3)相连。

技术总结
一种基于六连杆结构的柔体仿生机器蝠鲼，属于水下仿生机器人技术领域，包括鱼头舱、鱼身舱、中心控制装置、驱动装置、胸鳍、鱼尾舱，所述鱼头舱固定连接于鱼身舱前端，胸鳍通过随动装置可活动设置于鱼身舱两旁，鱼尾舱通过连接部件固定连接于鱼身舱后端，中心控制装置设置在鱼身舱内部，中心控制装置通过驱动装置与胸鳍连接。本发明使用双舵机控制鱼翼前侧的摆动、双舵机实现鱼翼后侧的跟随摆动,双舵机的独立控制，可实现鱼身的转向、上升、前进等X、Y、Z三轴全向移动功能。Z三轴全向移动功能。Z三轴全向移动功能。


技术研发人员：蓝健 冯波情 姜博川 苏铮杰 曾鸿钧 何东辉 李赵华
受保护的技术使用者：大连大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/5/26