一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼制造技术

本发明专利技术实施例涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器。本发明专利技术通过控制尾部推进模块实现身体/尾鳍式的水下仿鱼推进，通过调节变结构胸鳍机构实现仿生机器飞鱼空中的滑翔运动以及快速溅落式入水运动，通过控制尾部推进模块与俯仰胸鳍机构间的配合实现水空跨介质过渡的出水运动，通过检测传感器检测周围环境，通过控制器控制仿生飞鱼运动模式。本发明专利技术有益效果为：本发明专利技术兼具水下高速、高机动性游动及空中滑翔的水空两栖跨介质运动能力，采用小型化和轻量化设计，有效降低成本及能量消耗，同时有效提高了水下运动性能及推进效率，实现低扰动游动并缩短了跨介质过渡时间。

A Water-Air Amphibian Trans-Medium Biomimetic Robot Flying Fish

【技术实现步骤摘要】
一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼
本专利技术涉及水空两栖跨介质机器人领域，具体涉及一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼。
技术介绍
水空两栖跨介质机器人是在空气介质和水体环境中同时具备生存能力的海空一体化机器人，它能够在水和空气两种不同的流体介质间进行运动过渡，并且在两种介质中具备运动能力，它融合了水下航行器的强隐蔽性和空中飞行器的高机动性等优势，在海上侦察、监视、通信中继等军事领域和海洋灾难搜救、生态环境监测、海洋资源探索等民事领域具有广泛的应用前景。国内外的科研人员积极开展了水空两栖跨介质机器人的探索和研究工作，目前水空两栖跨介质机器人还处于概念设计、关键技术和功能验证以及样机制作阶段，已有的水空两栖跨介质机器人样机较少，且大多采用螺旋桨推进的方式实现水空介质之间的过渡，具有水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长等缺点，给水空跨介质任务的执行带来诸多不便，鉴于水空跨介质任务对过渡过程的较高要求，因此需要提出跨介质航行器快速、高效地实现水空介质过渡的新技术方案。飞鱼是一种具有快速、高机动游动能力以及跃出水面在空中进行滑翔运动的海洋鱼类，拥有高超的运动技能。在水下，飞鱼将可折叠的胸鳍紧贴在身体两侧，减小水中的阻力，依靠身体尾部和尾鳍进行快速推进，能够以10m/s(约20～40倍体长/秒)的速度跃出水面。一旦身体出水，飞鱼展开胸鳍，并以高达35Hz的摆动频率继续拍动处于水中的尾鳍下叶，在水面继续加速滑行，最终达到将近20m/s的速度完全跃出水面。然后，开始在空中进行滑翔运动，距离可以达到50m。当滑翔至水面时，飞鱼将尾鳍再次浸入水中，进行快速摆动，在水面进行加速滑行，实现连续的滑翔飞行运动，飞鱼高超的运动技巧能够有效地躲避捕食者并同时提高运动效率，这些高超的运动能力是其他鱼类所不能具备的。飞鱼优异的水空两栖跨介质运动能力，吸引了仿生机器人领域研究人员的广泛关注，他们试图将飞鱼高效的跨介质运动机制应用到仿生机器人中，研制出具有出色运动性能的水空两栖跨介质机器人。一方面，与螺旋桨推进的跨介质航行器相比，仿生机器飞鱼采用鱼类摆尾式的仿生推进方式，具有高效、高机动、低扰动等优点，具备更好的水下运动性能，从而更适合在狭窄、复杂的水下环境中进行监测、搜索、救援等作业；另一方面，仿生机器飞鱼采用高速游动的方式跃出水面进行滑翔运动，具有快速实现水空介质过渡的能力以及节省能量、高效航行的特点。近年来，国内外的一些研究机构对仿生机器飞鱼开展了研究，但是并没有研制出能够依靠尾部推进实现水空两栖跨介质运动的仿生机器飞鱼样机。仿生机器飞鱼采用摆尾式的推进方式跃出水面，实现水空两栖跨介质运动，该过程需要很快的游动速度，因此需要具有大推进力的驱动机构，同时，仿生机器飞鱼出水速度和体长密切相关，空中滑翔距离和质量相关，因此，需要设计一种新型的具有高功率密度(尺寸小、质量轻、功率高)的驱动推进系统。仿生机器飞鱼要实现水下的高速游动以及空中的滑翔运动，需要设计一种新的变结构胸鳍机构，以满足不同介质航行的结构兼容性要求，具体地，在水中能够紧紧贴合在身体两侧，减小水中运动的阻力，实现快速游动；在空中能够展开胸鳍，提供升力满足长距离滑翔运动的要求；而在入水过程中，需要满足结构强度的要求。受生物飞鱼能够利用变结构胸鳍和摆尾式推进达到快速游动进而实现水空两栖跨介质运动以及利用变结构胸鳍实现空中滑翔运动节省能量的启发，本专利技术将飞鱼高效的跨介质运动机制引入到仿生机器飞鱼上，使之兼具水下高速、高机动性游动以及空中滑翔的水空两栖跨介质运动能力的优点，有效解决现有技术中水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及跨介质过渡时间长的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是水空两栖跨介质机器人水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及水空介质过渡时间长。为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决水空两栖跨介质机器人水下运动性能差、扰动大、推进效率低以及水空介质过渡时间长等问题，本专利技术实施例提供了一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体；所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体；所述尾部推进模块安装在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的后方；所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部推进模块的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端均与所述控制器信号连接。在一些优选实例中，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述俯仰胸鳍转动，所述第一传动机构包括主动齿轮、从动齿轮、轴承和第一传动轴，所述第一动力装置的动力输出端与所述主动齿轮传动连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮均可转动地安装于所述本体并且啮合，所述第一传动轴与所述从动齿轮同轴固定连接，所述第一传动轴通过所述轴承可转动地安装于所述本体，所述第一传动轴的两端分别与一个所述俯仰胸鳍固定连接。在一些优选实例中，所述变结构胸鳍包括鳍条和鳍膜，其中，每个所述变结构胸鳍均包括前缘鳍条和后缘鳍条，所述后缘鳍条固定于所述本体，所述前缘鳍条在所述第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体，借以将固定于所述前缘鳍条和所述后缘鳍条的所述鳍膜展开或折叠，以实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的空中滑翔运动以及溅落式入水运动。在一些优选实例中，所述变结构胸鳍还包括可转动地安装于所述本体的第二传动轴，所述第二传动轴与所述第二动力装置传动连接，所述前缘鳍条固定连接于所述第二传动轴；所述鳍条还包括中间鳍条，所述中间鳍条设置有D型孔，所述第二传动轴上设置有与所述D型孔间隙配合的滑动转动部，所述滑动转动部包括沿所述第二传动轴连接并封闭的平面区和圆柱面区，所述滑动转动部设置有作用槽，所述作用槽贯通所述平面区和所述圆柱面区；所述作用槽与所述圆柱面区的连接处、所述作用槽与所述平面区的连接处沿着所述第二传动轴的转动方向依次布置；所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角；在一些优选实例中，所述鳍膜为两个，所述两个鳍膜对称布置在所述本体的左右两侧，所述鳍膜与所述前缘鳍条、所述中间鳍条和所述后缘鳍条固定连接。在一些优选实例中，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部推进模块、偏心轮和滑轨，其中，所述尾部推进模块包括尾部驱动模块和尾部关节模块，其中，所述尾部驱动模块包括第三动力装置和减速箱，所述减速箱固定连接于所述第三动力装置的输出端，所述偏心轮固定连接于所述减速箱的输出端，所述第三动力装置驱动所述减速箱、所述偏心轮转动；所述尾部关节模块包括尾部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体；所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体；所述尾部推进模块安装在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的后方；所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部推进模块的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端均与所述控制器信号连接。

【技术特征摘要】
1.一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，包括本体、俯仰胸鳍、变结构胸鳍、尾部推进模块、检测传感器和控制器，其中，所述俯仰胸鳍为两个，所述两个俯仰胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述俯仰胸鳍在第一动力装置的驱动下绕左右方向的轴线可转动地安装于所述本体；所述变结构胸鳍为两个，所述两个变结构胸鳍对称布置在所述本体的左右两侧，所述变结构胸鳍在第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体；所述尾部推进模块安装在所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的后方；所述检测传感器安装于所述本体，配置为检测所述本体的姿态、所述俯仰胸鳍的转动角度、所述仿生机器飞鱼在水体环境中的深度以及空中滑翔的高度、所述变结构胸鳍的打开/收拢状态、所述尾部推进模块的摆动频率和所述本体的周围环境中的至少一者，所述检测传感器的信号输出端、所述第一动力装置的控制端、所述第二动力装置的控制端和所述第三动力装置的控制端均与所述控制器信号连接。2.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述第一动力装置通过第一传动机构驱动所述俯仰胸鳍转动，所述第一传动机构包括主动齿轮、从动齿轮、轴承和第一传动轴，所述第一动力装置的动力输出端与所述主动齿轮传动连接，所述主动齿轮和所述从动齿轮均可转动地安装于所述本体并且啮合，所述第一传动轴与所述从动齿轮同轴固定连接，所述第一传动轴通过所述轴承可转动地安装于所述本体，所述第一传动轴的两端分别与一个所述俯仰胸鳍固定连接。3.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述变结构胸鳍包括鳍条和鳍膜，其中，每个所述变结构胸鳍均包括前缘鳍条和后缘鳍条，所述后缘鳍条固定于所述本体，所述前缘鳍条在所述第二动力装置的驱动下沿从前向后的方向可收拢地安装于所述本体，借以将固定于所述前缘鳍条和所述后缘鳍条的所述鳍膜展开或折叠，以实现所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼的空中滑翔运动以及溅落式入水运动。4.根据权利要求3所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述变结构胸鳍还包括可转动地安装于所述本体的第二传动轴，所述第二传动轴与所述第二动力装置传动连接，所述前缘鳍条固定于所述第二传动轴；所述鳍条还包括中间鳍条，所述中间鳍条设置有D型孔，所述第二传动轴上设置有与所述D型孔间隙配合的滑动转动部，所述滑动转动部包括沿所述第二传动轴连接并封闭的平面区和圆柱面区，所述滑动转动部设置有作用槽，所述作用槽贯通所述平面区和所述圆柱面区，所述作用槽与所述圆柱面区的连接处、所述作用槽与所述平面区的连接处沿着所述第二传动轴的转动方向依次布置；所述作用槽的角度等于所述鳍膜完全展开状态下所述前缘鳍条与所述中间鳍条之间的夹角，所述作用槽与所述平面区的连接处和所述作用槽与所述圆柱面区的连接处之间的连线为第一连线，所述作用槽的角度为所述第一连线与所述平面区之间的夹角；所述鳍膜为两个，所述两个鳍膜对称布置在所述本体的左右两侧，所述鳍膜与所述前缘鳍条、所述中间鳍条和所述后缘鳍条固定连接。5.根据权利要求1所述的一种水空两栖跨介质仿生机器飞鱼，其特征在于，所述水空两栖跨介质仿生机器飞鱼还包括尾部推进模块、偏心轮和滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻俊志，吴正兴，陈迪，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11