一种跃水机器海豚制造技术

本发明专利技术公开了一种跃水机器海豚，其特征在于：它包括刚性躯干壳体，设置在所述刚性躯干壳体上的刚性铝制骨架、背鳍，设置在所述骨架上的颈关节机构、平衡滑块机构、胸鳍机构、控制电路板、背腹式推进机构，设置在所述颈关节机构上的头部外壳，设置在平衡滑块机构上的电源装置，设置在所述胸鳍机构上的胸鳍，设置在所述背腹式推进机构上的尾柄壳、尾鳍。本发明专利技术通过直流电机和舵机输出运动，实现头部俯仰摆动、左右胸鳍两自由度转动、尾部两关节上下摆动，最终实现机器海豚跃出水面。本发明专利技术一方面为研究海豚运动的水动力学、游动机理及控制方法提供实验平台；另一方面，为研制高效、快速的水下推进器提供技术基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种跃水机器海豚。
技术介绍
生物海豚具有高超的运动性能，随着研究的深入，人们愈来愈发现海豚的运动性能在很多方面都高于普通鱼类，它们能够完成跃出水面、空中转体等很多高难度动作。从工程技术角度来说，如果能利用现有的机 械、电子、计算机、控制等手段，开发一套模仿海豚运动的仿生机器人，无论在理论上或实践中都有极大意义。目前，机器海豚引起了水下仿生机器人领域研究者的广泛兴趣和热切关注，机器海豚的研究已经从最初的理论分析、简单的功能模仿，发展到现在开始追求真实海豚的运动性能。生物海豚肌肉发达，依靠尾部和尾鳍的上下摆动及鳍肢的配合，瞬时游速可超过llm/s (约合3 5倍体长/秒)，可以轻松完成跃出水面的动作，并且在跃出水面后还能做转体等复杂动作，但要让仿生机器海豚上完成跃水动作是比较困难的。在获得高游速方面，许多研究者做了大量的工作。目前文献中报道的最高游速为北京航空航天大学的SPC-II型机器鱼，其最高游速可达I. 2倍体长/秒，与真实海豚或鱼类的游速有一定差距，更难以实现跃水等以高速为前提的高难度动作。此前的机器海豚大多采用多舵机串联来模拟生物海豚的背覆式推进，由于舵机的输出速度和功率有限，难以达到较高的频率，成为机器海豚游速提升的瓶颈。目前的机器海豚灵活性、机动性方面也受到刚性头部的限制，仅依靠尾部的上下拍动难以实现上浮、下潜、转弯等动作。仿生机器海豚的研究包含了生物学、水动力学、自动控制、材料学和机器人技术等多学科交叉问题，形态和机理比较复杂，在国际上尚处于起步阶段。海豚跨介质的跃水运动是其高效机动行为的集中体现，也是水下仿生学研究的理想目标之一。针对跃水机器海豚的研究还未见相关报道。按照“结构决定功能”的基本原理，机器海豚采用何种推进结构在很大程度上决定了它所能达到的游速。要使机器海豚能跃出水面，高游速是关键。综合仿生技术、机器人技术及智能控制技术，研制开发具有高游速的跃水机器海豚，不仅有助于理解和揭示海豚高性能游动的奥秘、减阻机制，而且可为水下航行器提高其速度和机动性提供新的技术途径。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的主要目的是提供一种能够实现高速游动并且跃出水面的仿生机器海豚。为实现上述目的，本专利技术提出了一种跃水机器海豚，其包括刚性躯干壳体，设置在所述刚性躯干壳体上的刚性铝制骨架、背鳍，设置在所述骨架上的颈关节机构、平衡滑块机构、胸鳍机构、控制电路板、背腹式推进机构，设置在所述颈关节机构上的头部外壳，设置在所述胸鳍机构上的胸鳍，设置在所述背腹式推进机构上的尾柄外壳、尾椎形外壳和尾鳍；其中，所述骨架包括刚性铝制底座、刚性底板和安装在所述刚性底板前端和所述刚性铝制底板后端之间的底板连接件。其中，所述颈关节机构包括舵机和三维姿态传感器，所述舵机带动所述三维姿态传感器进行俯仰运动，所述三维姿态传感器传送安装在所述颈关节结构上的头部外壳的姿态信息给所述控制电路板。其中，所述舵机通过大U型块固定安装在所述刚性铝制底座上的俯仰关节支架上，所述大U型块的U型口朝向所述跃水机器海豚的头部；；所述舵机两侧上固定安装有小U型块，所述小U型块的U型口与所述舵机5的输出轴朝向一致，均朝向机器海豚的右侧，且所述小U型块的底部与所述大U型块的左侧端部连接，且其右侧端部的外表面上固定安装有舵机前端支架，所述姿态传感器安装在所述舵机前端支架上；当所述舵机绕其自身输出轴进行往复旋转时带动所述小U型块进行旋转，进而带动所述舵机前端支架上下摆动，从而带动所述三维姿态传感器进行俯仰运动。其中，所述胸鳍机构包括四个舵机，其中两个后端舵机左右并排固定在所述刚性 铝制底座中部上方，其输出轴平行指向机器海豚前方；另外两个前端舵机左右并列固定安装在所述刚性铝制底座前部上方，且其后端分别与所述两个后端舵机的输出轴相连；其中左侧前端舵机的左外侧输出轴上安装有左胸鳍轴，右侧前端舵机的右外侧输出轴上安装有右胸鳍轴；在所述两个前端舵机输出轴的带动下，所述左、右胸鳍轴做仰俯运动，进而带动安装在其上的左、右胸鳍做仰俯运动，而所述两个前端舵机在所述两个后端舵机的输出轴的带动下绕所述两个后端舵机做往复回转运动，进而带动所述左、右胸鳍轴绕所述两个后端舵机做往复回转运动，进而带动所述左、右胸鳍做往复回转运动。其中，所述平衡机滑块机构位于所述颈关节机构的后方并且位于所述胸鳍机构的上方，用于调节机器海豚的重心；所述平衡机滑块机构包括舵机和电源装置，所述舵机通过齿轮驱动丝杠滑块，所述丝杠滑块固定安装在电池底板的后端，所述电源装置固定在所述电池底板顶部，所述电池底板的后端连接有滑动变阻器，所述滑动变阻器具有一滑动变阻的动触点，该动触点与所述电池底板的后端相接；当所述丝杠滑块在所述舵机的驱动下在水平方向做左右平移运动时，所述电池底板、所述电源装置和所述滑动变阻器也随之做水平方向的左右平移运动；所述控制电路板通过测量所述滑动变阻器的动触点处的电压来计算所述电池底板和所述电源装置在水平方向上的相对位置，进而通过调节所述电源装置在所述电池底板上的相对位置来调节所述机器海豚的重心。其中，所述背腹式推进机构包括连接在所述刚性底板上的腰关节和连接在腰关节上的尾关节；所述腰关节包括上电机模块和下电机模块，其中上电机模块和下电机模块的输出轴通过齿轮配合带动尾关节的上下摆动；所述尾关节包括尾电机模块，所述尾电机模块的输出轴同齿轮配合带动安装在尾轴上的尾鳍上下摆动。其中，所述上电机模块、下电机模块和尾电机模块结构相同，包括直流电机、一安装在所述直流电机前端输出轴上的编码器、安装所述直流电机后端输出轴上的减速器，其中所述编码器用于记录所述直流电机输出轴的旋转角度并传送给所述控制电路板，所述减速器用于控制所述直流电机输出轴的速度。其中，所述腰关节结构通过三对齿轮传递所述上电机模块和下电机模块输出轴的联合往复旋转运动给尾关节机构；所述三对齿轮包括安装在所述下电机模块后端输出轴上的下主动锥齿轮；与所述下主动锥齿轮前侧啮合的下从动锥齿轮，所述下从动锥齿轮的安装在下主轴的左端；安装在所述下主轴右端的主轴从动圆柱齿轮；在所述主轴从动圆柱齿轮上方与其啮合的主轴主动圆柱齿轮，所述主轴主动圆柱齿轮安装在上主轴的右端；安装在所述上主轴左侧的上从动锥齿轮；与所述上从动锥齿轮前侧啮合的上主动锥齿轮，所述上主动锥齿轮安装在所述上电机模块的所述减速器的输出轴上。其中，所述尾关节机构安装在所述下主轴上，并随着所述下主轴绕其自身轴线的转动而上下摆动；且所述尾电机模块输出轴的旋转往复运动通过一对锥齿轮的传动转化为所述尾轴的旋转往复运动，其中所述一对锥齿轮包括安装在所述尾电机模块后端输出轴上的尾主动锥齿轮和与所述尾主动锥齿轮啮合的尾从动锥齿轮；所述尾从动锥齿轮安装在所述尾轴左端，所述尾轴上安装有尾鳍骨架，所述尾鳍安装在所述尾鳍骨架上。其中，所述所有齿轮模数均为O. 5mm，所述主轴主动圆柱齿轮与所述主轴从动圆柱齿轮传动比为33 56，所述尾主动锥齿轮与所述尾从动锥齿轮传动比为41 22，其余所 述齿轮传动比均为1:1。本专利技术由于采用了以上技术方案，其具有以下优点1、头部由一个舵机控制，可以实现头部的上下摆动，可以辅助机器海豚的上浮下潜运动；2、胸鳍由四个舵机控制，两侧胸鳍分别可以实现俯仰和横滚两个自由度的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跃水机器海豚，其包括：刚性躯干壳体，设置在所述刚性躯干壳体上的刚性铝制骨架、背鳍，设置在所述骨架上的颈关节机构、平衡滑块机构、胸鳍机构、控制电路板、背腹式推进机构，设置在所述颈关节机构上的头部外壳，设置在所述胸鳍机构上的胸鳍，设置在所述背腹式推进机构上的尾柄外壳、尾椎形外壳和尾鳍；其中，所述骨架包括刚性铝制底座(13)、刚性底板(44)和安装在所述刚性底板前端和所述刚性铝制底板后端之间的底板连接件(43)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：喻俊志，苏宗帅，肖俊东，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：