一種三自由度仿鰺科自主機器魚的製作方法
2023-06-24 07:18:51 3
本發明涉及仿生機器魚技術領域，特別是一種三自由度仿鰺科自主機器魚。通過胸尾鰭協同推進來實現仿生機器魚的前進、後退、轉彎等基本運動的仿生機器魚。
背景技術：
近些年來，隨著科學技術的大力發展以及日益進步，海上作業受到了人們越來越多的關注，包括水下勘察、管道檢查、水質監測、海洋資源開採、電纜鋪設等方面。
傳統的水下探測器因其具有效率低、機動性差、噪音高等缺點已經不能滿足科研和工程上的需要。仿生學研究表明，仿生機器魚通過胸尾鰭的協同驅動，可實現快速啟動、前進後退、上升下潛、懸停定位以及機動轉彎等，具有高效率、高穩定性、優良的機動性、噪音低、對環境擾動小等優勢，市場急需研製效率高、機動性好和噪聲低的水下航行器滿足需求。但機械魚的協同驅動研製和協同工作存在很大難度，目前現有的絕大多數仿生機器魚都是利用胸鰭或尾鰭單一的驅動形式來實現機器魚的驅動，單自由度或二自由度運動機械魚居多，而三自由度運動機械魚很多設計不完善的地方，實際使用中存在很多不足導致機械魚無法滿足市場和科研需求。
技術實現要素：
本發明解決現有技術的不足提供一種動作自如、運行穩定的三自由度仿鰺科自主機器魚。
本發明解決現有技術問題所採用的技術方案為：
一種三自由度仿鰺科自主機器魚，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭、柔性蒙皮、仿生機器魚外殼、仿生尾鰭和驅動執行機構，所述執行機構包括胸鰭驅動組件和尾鰭驅動組件，驅動執行機構帶動仿生胸鰭和仿生尾鰭運動，所述框架上連接輸出軸、仿生機器魚外殼，輸出軸與仿生胸鰭連接，框架外側設有柔性蒙皮。
所述胸鰭驅動組件包括拍翼機構，所述拍翼機構的輸出軸設在中間滑塊上，中間滑塊上連接橫縱雙向的滑杆，框架上設有皮帶輪、機架和線軸承，機架之間設有連接杆，連接杆上設有移動塊，移動塊與滑杆連接，皮帶輪之間設有皮帶，拍翼步進電機驅動皮帶帶動移動塊、連接杆和滑杆運動，連接杆和滑杆帶動中間滑塊移動。
所述胸鰭驅動組件還包括搖翼機構，所述搖翼機構在框架上設置底板，底板上設有連接片，連接片上連接搖翼步進電機、齒輪對、軸承座；搖翼步進電機通過齒輪對帶動輸出軸旋轉。
所述仿生機器魚外殼上設有魚殼支撐片，魚殼支撐片上連接三節活動尾鰭驅動組件，三節活動尾鰭驅動組件上連接尾柄和仿生尾鰭片組成仿生尾鰭，第一節活動尾鰭驅動組件包括第一支架、第一舵機、第一連接件、第一圓片；第二節活動尾鰭驅動組件包括第二支架、第二舵機、第二連接件、第二圓片；第三節活動尾鰭驅動組件包括第三支架、第三舵機、第三連接件。
所述殼體包括機構支撐架、電池模塊區域和蒙皮位置，機構支撐架上連接框架，電池模塊區域上連接電池，電池與驅動執行機構連通，蒙皮位置上設有柔性蒙皮。
所述殼體還包括密封件，密封件為矽膠薄膜，密封件設在輸出軸與框架接觸處。
所述仿生機器魚外殼分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽扣合成一體。
所述階梯狀凹槽填充703矽橡膠。
所述仿生機器魚外殼的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。
所述柔性蒙皮通過703矽橡膠連接在仿生機器魚外殼上，柔性蒙皮4為仿魚皮橡膠。
本發明的有益效果為：
1、一種三自由度仿鰺科自主機器魚，包括輸出軸、框架、仿生胸鰭、柔性蒙皮、仿生機器魚外殼、仿生尾鰭和驅動執行機構，所述執行機構包括胸鰭驅動組件和尾鰭驅動組件，驅動執行機構帶動仿生胸鰭和仿生尾鰭運動，所述框架上連接輸出軸、仿生機器魚外殼，輸出軸與仿生胸鰭連接，框架外側設有柔性蒙皮。分設胸鰭驅動組件和尾鰭驅動組件，胸鰭和尾鰭聯合驅動使得使機器魚更加自如、穩定的遊動，具有更高的機動性能，更高的效率，框架外側設有柔性蒙皮保證機械魚水下運行穩定。
2、胸鰭驅動組件包括拍翼機構和搖翼機構，可以實現仿生機器魚在水中的多種複雜動作，例如前進後退、上升下潛、懸停轉彎等等，同時配合仿生尾鰭聯合運動，實現了機器魚在空間中的複雜三維運動。運動性能更佳貼合仿生生物。
3、仿生機器魚外殼上設有魚殼支撐片，魚殼支撐片上連接三節活動尾鰭驅動組件，三節活動尾鰭驅動組件上連接尾柄和仿生尾鰭片組成仿生尾鰭，三節活動尾鰭驅動組件使得尾鰭具有更好的靈活度，尾鰭外側設有柔性蒙皮，密封件為矽膠薄膜，密封件設在輸出軸與框架接觸處，保證靈活度和運行安全，柔性蒙皮為仿魚皮橡膠，運動特性更接近仿生生物。
4、仿生機器魚外殼分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽扣合成一體。所述階梯狀凹槽填充703矽橡膠。方便外殼組合和內部設備安裝。所述仿生機器魚外殼的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。通過長寬高的尺寸限定確保外形與鰺科魚類貼合。
綜上所述，本發明的提供的三自由度仿鰺科自主機器魚，和以往大多數機器魚相比，無論是在驅動形式的多樣性或者是自由度數上，都有無以比擬的優勢，從而可以使機器魚更加自如、穩定的遊動。有助於胸、尾鰭聯合推進技術的研究，提高機器魚運動性能，也是未來仿生機器魚的發展與研究趨勢，因此對仿生魚的研究具有深遠的意義。
附圖說明
圖1是本發明的立體結構示意圖；
圖2是本發明胸鰭拍翼機構的結構示意圖；
圖3是本發明胸鰭搖翼機構的結構示意圖；
圖4是本發明胸鰭驅動組件的結構示意圖；
圖5是本發明尾鰭驅動組件的結構示意圖；
圖6是本發明魚殼殼體的結構示意圖；
圖7是本發明魚殼殼體的連接示意圖。
具體實施方式
一種三自由度仿鰺科自主機器魚，包括輸出軸1、框架2、仿生胸鰭3、柔性蒙皮4、仿生機器魚外殼5、仿生尾鰭和驅動執行機構，所述執行機構包括胸鰭驅動組件和尾鰭驅動組件，驅動執行機構帶動仿生胸鰭3和仿生尾鰭運動，所述框架2上連接輸出軸1、仿生機器魚外殼5，輸出軸1與仿生胸鰭3連接，框架2外側設有柔性蒙皮4。
所述胸鰭驅動組件包括拍翼機構，所述拍翼機構的輸出軸1設在中間滑塊20上，中間滑塊20上連接橫縱雙向的滑杆29，框架2上設有皮帶輪22、機架26和線軸承25，機架26之間設有連接杆28，連接杆28上設有移動塊27，移動塊27與滑杆29連接，皮帶輪22之間設有皮帶23，拍翼步進電機21驅動皮帶23帶動移動塊27、連接杆28和滑杆29運動，連接杆28和滑杆29帶動中間滑塊20移動。所述胸鰭驅動組件還包括搖翼機構，所述搖翼機構在框架2上設置底板34，底板34上設有連接片31，連接片31上連接搖翼步進電機30、齒輪對32、軸承座33；搖翼步進電機30通過齒輪對32帶動輸出軸1旋轉。
所述仿生機器魚外殼5上設有魚殼支撐片41，魚殼支撐片41上連接三節活動尾鰭驅動組件，三節活動尾鰭驅動組件上連接尾柄45和仿生尾鰭片46組成仿生尾鰭，第一節活動尾鰭驅動組件包括第一支架421、第一舵機422、第一連接件423、第一圓片424；第二節活動尾鰭驅動組件包括第二支架431、第二舵機432、第二連接件433、第二圓片434；第三節活動尾鰭驅動組件包括第三支架441、第三舵機442、第三連接件443。
所述殼體5包括機構支撐架51、電池模塊區域52和蒙皮位置54，機構支撐架51上連接框架2，電池模塊區域52上連接電池，電池與驅動執行機構連通，蒙皮位置54上設有柔性蒙皮4。所述殼體5還包括密封件53，密封件53為矽膠薄膜，密封件53設在輸出軸1與框架2接觸處。所述仿生機器魚外殼5分為兩半，兩半殼體通過階梯狀凹槽55扣合成一體。所述階梯狀凹槽55填充703矽橡膠。所述仿生機器魚外殼5的長400-500mm、寬200-260mm、高220-280mm。所述柔性蒙皮4通過703矽橡膠連接在仿生機器魚外殼5上，柔性蒙皮4為仿魚皮橡膠。
下面結合附圖對本發明的一種三自由度仿鰺科自主機器魚作進一步說明。
結合圖1-6所示，本發明是一種三自由度仿鰺科自主式機器魚，胸鰭驅動組件包括胸鰭拍翼機構和胸鰭搖翼機構，主要的胸鰭驅動組件對稱分布在魚體中軸線兩側，固定在外殼5的中下部位，尾鰭驅動組件固定在外殼5的尾部，同時外部全部包裹了柔性蒙皮4。
使用時，可以根據水下情況選擇胸、尾鰭單獨工作或聯合工作。具體情況如下：
1、胸鰭驅動組件運動，尾鰭驅動組件不動時，即緊固在框架上的一個步進電機21運轉，與連接片連接的步進電機30運轉或者當緊固在框架上的兩個步進電機21運轉，與連接片31連接的步進電機30運轉時，仿生胸鰭3實現拍翼和搖翼的複合動作，此時仿生機器魚由胸鰭驅動組件提供推進力，可實現仿生機器魚的直遊或轉彎的運動形式。
2.胸鰭驅動組件不動，尾鰭驅動組件運動時，即魚殼支撐片41帶動三關節舵機鏈，使各個關節的第一舵機422，第二舵機432，第三舵機442提供推進力，使之帶動尾鰭46實現來回擺動，從而使仿生機器魚利用尾鰭驅動力實現直遊或轉彎的運動形式。
3.胸尾鰭協同推進，即胸鰭驅動組件和尾鰭驅動組件同時提供各自的驅動力，使胸鰭3與尾鰭46同時運動，也可實現仿生機器魚的直遊或轉彎的運動形式。因為轉動和拍動互不幹涉，可以通過調整胸鰭轉動的角度、拍動的頻率和幅度，實現任意方向上的推進力，實現多種運動方式。兩側胸鰭的運動攻角可單獨在0~90度範圍內調節，直線運動時兩側運動攻角相同，實現同時向後或向前拍動，同時獲得相同方向的推進力，實現前進或後退運動。轉彎時可以選擇不同運動攻角，仿生機器魚可實現轉彎運動。