仿生机器金枪鱼制造技术

本发明专利技术属于水下机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器金枪鱼，旨在解决现有技术中仿生机器鱼能耗大、游速慢且转弯半径大的问题。本发明专利技术提供的仿生机器金枪鱼摆动机构的驱动舵机可以控制后段壳体摆动以控制仿生机器金枪鱼转向，摆动机构的旋翼电机能够通过齿轮传动和变速控制尾鳍摆动以控制仿生机器金枪鱼前向游动。通过该设置，仿生机器金枪鱼既能够通过旋翼电机单向转动实现尾部高频摆动，从而实现其高速游动，又能够通过驱动舵机实现尾部单向偏置，从而实现小半径转向。本申请的仿生机器金枪鱼结构简单、重量轻、体积小有利于同时实现高速游动和小半径转向运动。

【技术实现步骤摘要】
仿生机器金枪鱼
本专利技术属于水下机器人
，具体涉及一种仿生机器金枪鱼。
技术介绍
近年来，水下仿生机器鱼技术发展迅速，其在水质监测、水下探测以及水下考古等方面具有很多优势。在自然界中，鱼类不仅能够实现约2.5-4倍体长/秒的较高游速，而且还可以在0.2倍体长以内的狭窄空间内转弯。但是，现有仿生机器鱼由于机械结构和控制策略等众多因素的限制，难以同时优化高速性能和机动性能，即难以同时实现高速游动和小转向半径，游动性能难以令人满意。与鱼类利用肌肉实现快速游动和转向相比，仿生机器鱼只能借助电机实现。这些电机通常固定在摆动关节上，从而在机器鱼体内形成一系列串联机构。一般讲，摆动关节越多，仿生机器鱼越灵活，但会给前置电机带来更多负担，导致多电机驱动的仿生机器鱼游速较低。此外，单电机驱动的仿生机器鱼可以实现较快的游动速度，但游动方式难以改变，不能达到较好的转向性能。综上，多电机驱动机器鱼的转向性能好，但推进速度慢，而单电机驱动机器鱼的推进速度快，但牺牲了转向能力，高速游动和小转向半径难以同时实现。在仿生机器鱼研制方面，北京航空航天大学的梁建宏等人在2003~2005年间研制成功一款SPC-II仿生机器鱼，其由两个电机驱动两个躯干关节，实现了1.4m/s、约1.2倍体长/秒的游速，但转向半径较大，约为1倍体长。北京大学的赵惟等人在2007年设计了一条由舵机驱动的四关节机器鱼，实现了0.2倍体长的转向半径，但只能达到0.58m/s、约0.87倍体长/秒的最高游速。典型的单电机驱动机器鱼是R.J.Clapham和H.Hu在2014年开发的一款iSplash-II机器鱼，它采用一个电动机驱动三个关节，实现了11.6倍体长/秒的最高游速，甚至超过了真实的鱼类，但这款仿生机器鱼不具备转向功能，因此难以在实际中应用。一条实用的机器鱼需要平衡其游泳速度和转向能力，以执行各种任务。因此，本领域需要一种新的仿生机器鱼以解决或至少减轻上述问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中仿生机器鱼能耗大、游速慢且转弯半径大的问题，本申请提供一种仿生机器金枪鱼，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体。所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构。所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动。所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。在一些优选技术方案中，所述固定构件包括具有容纳空间的框型结构，所述框型结构内部用于固定所述第二驱动机构，所述框架结构背离所述尾鳍的一侧具有延伸于所述框架结构外部的延伸部，所述延伸部用于固定所述第一驱动机构。在一些优选技术方案中，所述第一传动机构包括转向舵盘、连杆和转向板，所述转向舵盘具有延伸于外的凸出部，所述连杆一端与所述凸出部连接，另一端与所述转向板连接，所述转向板背离所述连杆的一侧与所述第一装配部连接，所述第一装配部背离所述转向板的一端通过后壳支架与所述第二壳体连接。在一些优选技术方案中，所述转向舵盘与所述连杆的连接面高于所述转向板与所述连杆的连接面，所述转向板背离所述第二装配部的一端为圆弧结构。在一些优选技术方案中，所述第二传动机构包括伞齿轮组件、转动板和摆动支架，所述第二装配部包括第一连接杆和第二连接杆，所述摆动支架竖直设置于所述第一连接杆与所述第二连接杆之间。所述第一连接杆的第一端与所述第一装配部的上端部连接，所述第一连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第二连接杆的第一端与所述第一装配部的下端部连接，所述第二连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第一连接杆为向所述尾鳍方向的连续降低结构，所述第二连接杆为向所述尾鳍方向的连续升高结构，所述第一连接杆的最低高度为所述第二连接杆的最高高度。所述第二驱动机构的输出端通过所述伞齿轮组件与所述转动板连接，所述转动板具有作用部，所述作用部相对于与所述转动板的转动中心偏置，所述作用部能够在所述仿生机器金枪鱼长度方向垂直的平面内转动。在一些优选技术方案中，所述摆动支架包括两个竖直设置的摆动部，两个所述摆动部对称布置在所述壳体纵向轴线的左右两侧，所述摆动部的上端部与所述第一连接杆连接，所述摆动部的下端部与所述第二连接杆连接，所述作用部的自由端到所述转动板的距离大于所述摆动部朝向所述转动板的侧面到所述转动板的距离，并且两个摆动部之间的间距小于所述作用部到所述转动板中心距离的二倍。在一些优选技术方案中，所述第二连接杆包括依次连接的第一结构部、第二结构部、第三结构部和第四结构部，所述第一结构部与所述第一装配部的底部连接，所述第二结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第三结构部与所述摆动支架的下端部连接，所述第四结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第四结构部背离所述第三结构部的一端与所述尾鳍连接。在一些优选技术方案中，所述伞齿轮组件包括主动伞齿轮、第一从动伞齿轮和第二从动伞齿轮，所述第二驱动装置的输出轴与所述主动伞齿轮同轴连接，所述第一从动伞齿轮的旋转轴与所述主动伞齿轮的旋转轴正交设置，所述第一从动伞齿轮同时与所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮啮合，所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮旋转面相对设置。在一些优选技术方案中，还包括电源模块，所述电源模块装设于所述固定构件下方，所述电源模块用于为所述第一驱动机构和所述第二驱动机构供电。在一些优选技术方案中，该仿生机器金枪鱼还包括总控中心，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构均与所述总控中心通信连接；所述第一驱动机构和所述第二驱动机构为两个独立设置的电机。所述总控中心存储有转速预测控制算法，所述转速预测控制算法具体为。基于获取的当前时刻电机实际角度位置和电机实际转速以及目标时刻电机目标角度位置，判断电机从当前时刻到目标时刻按照当前转速将要完成的行程与电机的预期行程-之间的关系，以进行电机转速的调节，获取目标时刻电机目标转速。所述电机目标转速的获取方法如下：。其中，为预设的角加速度上下限，＞0电机顺时针方向旋转，＜0电机逆时针方向旋转；所述电机的行程为；其中，和为当前电机在时刻对应的值，和为电机在时刻对应的预设值。电机转速的调节具体为：若<，则说明电机当前的转速过大，需要减速，即<0，在时刻减速到目标转速；若=，说明电机当前的转速合适，无需改变速度；若>，则说明电机当前的转速过小，需要加速，即>0，在时刻加速到目标转速。...

【技术保护点】
1.一种仿生机器金枪鱼，其特征在于，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体；所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构；所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动；所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生机器金枪鱼，其特征在于，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体；所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构；所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动；所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。


2.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述固定构件包括具有容纳空间的框型结构，所述框型结构内部用于固定所述第二驱动机构，所述框架结构背离所述尾鳍的一侧具有延伸于所述框架结构外部的延伸部，所述延伸部用于固定所述第一驱动机构。


3.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述第一传动机构包括转向舵盘、连杆和转向板，所述转向舵盘具有延伸于所述转向舵盘外的凸出部，所述连杆一端与所述凸出部连接，另一端与所述转向板连接，所述转向板背离所述连杆的一侧与所述第一装配部连接，所述第一装配部背离所述转向板的一端通过后壳支架与所述第二壳体连接。


4.根据权利要求3所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述转向舵盘与所述连杆的连接面高于所述转向板与所述连杆的连接面，所述转向板背离所述第二装配部的一端为圆弧结构。


5.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述第二传动机构包括伞齿轮组件、转动板和摆动支架，所述第二装配部包括第一连接杆和第二连接杆，所述摆动支架竖直设置于所述第一连接杆与所述第二连接杆之间；所述第一连接杆的第一端与所述第一装配部的上端部连接，所述第一连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第二连接杆的第一端与所述第一装配部的下端部连接，所述第二连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第一连接杆为向所述尾鳍方向的连续降低结构，所述第二连接杆为向所述尾鳍方向的连续升高结构，所述第一连接杆的最低高度为所述第二连接杆的最高高度；所述第二驱动机构的输出端通过所述伞齿轮组件与所述转动板连接，所述转动板具有作用部，所述作用部相对于与所述转动板的转动中心偏置，所述作用部能够在所述仿生机器金枪鱼长度方向垂直的平面内转动。


6.根据权利要求5所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述摆动支架包括两...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴正兴，喻俊志，杜晟，黄雨培，谭民，
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