一种水下仿生鱼

技术领域

本发明涉及机器鱼，尤其涉及一种水下仿生鱼。

背景技术

水下仿生鱼是一种利用鱼类游动机理实现推进的水下潜器，装配各种微小型传感器，利用先进的控制和通讯手段，可以构成一套类似鱼身结构的，可以游动的传感器。装有不同传感器的机器鱼具有良好的机动性和隐蔽性，可以在狭小的空间内作业并实现低噪音运动。水下仿生鱼可以在复杂环境的水下作业、在海洋监测、海洋生物观察、军事侦察及排雷、布雷等方面可以发挥重大作用。

专利号为CN201720104306.0的公开了一种仿生鱼鱼头及仿生鱼，其中仿生鱼鱼头包括具有空腔的鱼头本体和鱼头本体前端的仿生剑；仿生剑后端上下两侧通过圆弧型流线结构与鱼头本体过渡连接；仿生剑后端左右两侧通过扁平状的仿生脸颊与鱼头本体过渡连接。根据本申请实施例提供的技术方案，以剑鱼为仿生原型，利用其前部延伸呈剑状的仿生剑起劈水作用，从而减小仿生鱼在水中游动时受到的流体阻力，提升仿生鱼的游动速度和灵活性。根据本申请的某些实施例，通过对鱼头结构进行单独防水密封，将控制模块、通信模块、电源模块封装于鱼头内部，从而降低了整体防水密封的难度，增强了密封效果。

该实用新型的仿生鱼鱼头不具备摆动功能，只能靠胸尾鳍实现转弯，转弯较慢，转弯半径太大，对仿生鱼的灵活性大打则扣。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种灵活性好的水下仿生鱼。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水下仿生鱼，包括鱼头、鱼身、摆动关节、鱼尾驱动机构和胸鳍驱动机构，鱼尾驱动机构安装在鱼身的后端，胸鳍驱动机构安装在鱼身的前部，所述的摆动关节包括两个电动铰链，第一电动铰链的第一前接盘与鱼头连接，第二电动铰链的前端与第一电动铰链的后端连接，第二电动铰链的后端包括与鱼身连接的后接盘；电动铰链包括两个铰接叉和舵机，两个铰接叉通过铰接轴铰接；舵机固定在第二铰接叉上，舵机轴与第一铰接叉连接，舵机轴的轴线与铰接轴的轴线同轴。

以上所述的水下仿生鱼，铰接轴包括两套螺栓型滚轮轴承；螺栓型滚轮轴承的滚轮轴承固定在一个铰接叉叉头的叉孔中，螺栓型滚轮轴承的螺栓固定在另一个铰接叉的叉孔中；舵机包括舵臂，舵臂固定在舵机轴上，并与第一铰接叉的叉头连接。

以上所述的水下仿生鱼，鱼头包括中空的外壳、安装在外壳中的声纳和摄像头，外壳的后部与所述的第一前接盘连接；外壳包括声纳窗和摄像头窗，声纳安装在声纳窗的后方，摄像头窗的前部装有透明罩，摄像头安装在摄像头窗的后方。。

以上所述的水下仿生鱼，第一电动铰链包括所述的第一前接盘、中间接盘、两个第一前叉头和两个第一后叉头；第一前接盘与鱼头连接，两个第一前叉头与第一前接盘组成第一电动铰链的第一铰接叉，两个第一后叉头与中间接盘组成第一电动铰链的第二铰接叉；第二电动铰链包括第二前接盘、所述的后接盘、两个第二前叉头和两个第二后叉头；第二前接盘安装中间接盘的背面，两个第二前叉头与第二前接盘组成第二电动铰链的第一铰接叉，两个第二后叉头与后接盘组成第二电动铰链的第二铰接叉。

以上所述的水下仿生鱼，摆动关节包括鱼头转动舵机，第二前接盘包括轴孔，鱼头转动舵机固定在第二前接盘的后部，鱼头转动舵机舵机轴的前端穿过第二前接盘的轴孔固定在中间接盘上。

以上所述的水下仿生鱼，第一电动铰链包括第一舵机支架，第一舵机支架固定在第一电动铰链的一个第一后叉头上；第一电动铰链的舵机固定在第一舵机支架上，位于第一电动铰链的两个第二前叉头之间，舵机轴朝向第一电动铰链外部；第二电动铰链包括第二舵机支架，第二舵机支架固定在后接盘上，第二电动铰链的舵机固定在第二舵机支架上，舵机轴朝向第二电动铰链内部；第一电动铰链包括两块弹片，第一后叉头的后端通过弹片与中间接盘连接。

以上所述的水下仿生鱼，胸鳍驱动机构包括安装架和沿安装架横向两端对称伸出的两套胸鳍机构，安装架固定在鱼身内部；胸鳍机构包括第一胸鳍舵机、横轴、密封环、第二胸鳍舵机和胸鳍；第一胸鳍舵机固定在安装架上，横轴的第一端固定在第一胸鳍舵机的舵机轴上，横轴的第二端固定在第二胸鳍舵机的舵机轴上；胸鳍固定在第二胸鳍舵机上；鱼身壳体前部横向的两端各包括横轴孔，横轴穿过横轴孔，密封环安装在横轴与横轴孔之间。

以上所述的水下仿生鱼，胸鳍机构包括舵机固定架、第一舵盘、第二舵盘、第一接盘和第二接盘，舵机固定架固定在安装架横向的一端，第一胸鳍舵机固定在舵机固定架上；第一舵盘固定在第一胸鳍舵机的舵机轴上、第二舵盘固定在第二胸鳍舵机的舵机轴上；第一接盘固定在横轴的第一端，与横轴同轴；第二接盘固定在横轴的第二端，与横轴正交；第一接盘与第一舵盘连接，第二接盘与第二舵盘连接。

以上所述的水下仿生鱼，胸鳍的划水动作包括向上划水、向下划水、向后划水和向前划水四种状态，两个胸鳍向相反方向划水，或一个胸鳍划水，另一个胸鳍不动，辅助仿生鱼拐弯；两个胸鳍同时向下划水辅助仿生鱼上浮，两个胸鳍同时向上划水辅助仿生鱼下沉，两个胸鳍同时向后划水，辅助仿生鱼前行；胸鳍机构划水包括以下过程：在初始位置，第二胸鳍舵机转动，胸鳍向外张开；第一胸鳍舵机从初始角转动到终止角，张开的胸鳍推水，胸鳍推水动作完成时，第二胸鳍舵机转动，胸鳍向内收拢；第一胸鳍舵机反向转动，收拢的胸鳍回到初始位置；初始角与终止角之间的夹角，即胸鳍划水的角度小于等于90°。

以上所述的水下仿生鱼，包括重心移动机构，重心移动机构包括底座、步进电机、直线导轨副、丝杆螺母副和配重块，直线导轨副的导轨固定在底座上，丝杆螺母副的丝杆安装在底座上，与直线导轨副的导轨平行；配重块固定在直线导轨副的滑块上，并与丝杆螺母副的螺母连接；重心移动机构沿鱼身的纵向安装在鱼身内，位于鱼身的下部，重心移动机构的底座固定在鱼身壳体上。

本发明的水下仿生鱼的鱼头可以通过电动的摆动关节摆头，仿生鱼转弯快，转弯半径小，灵活性好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例水下仿生鱼的立体图。

图2是本发明实施例水下仿生鱼的主视图。

图3是本发明实施例水下仿生鱼的左视图。

图4是图3中的A-A剖视图。

图5是本发明实施例水下仿生鱼头部结构的主视图。

图6是本发明实施例水下仿生鱼头部结构的俯视图。

图7是图6中的C-C剖视图。

图8是本发明实施例水下仿生鱼头部结构的立体图。

图9是本发明实施例水下仿生鱼头部结构另一视角的立体图。

图10是图2中的B-B剖视图。

图11是本发明实施例水下仿生鱼胸鳍驱动机构的主视图。

图12是本发明实施例水下仿生鱼胸鳍驱动机构的后视图。

图13是本发明实施例水下仿生鱼胸鳍驱动机构的局部立体图。

图14是本发明实施例水下仿生鱼重心移动机构的立体图。

图15是本发明实施例水下仿生鱼重心移动机构的主视图。

图16是本发明实施例水下仿生鱼重心移动机构的俯视图。

图17是本发明实施例水下仿生鱼的控制电路框图。

具体实施方式

本发明实施例水下仿生鱼的结构和原理如图1至图17所示，包括鱼头10、鱼身20、摆动关节100、胸鳍驱动机构50、重心移动机构60、鱼尾驱动机构70、电源和控制电路。

控制电路的原理如图17所示，由主控板，通讯模块，头部摄像头和电机驱动器组成，控制仿生鱼的直游，转弯俯仰等运动。主控板通过电机驱动电路控制鱼尾驱动机构70的直流电机和重心移动机构60的步进电机，并输出PWM控制信号控制7个舵机。

本发明的鱼尾驱动机构70采用偏心轮机构以及直线轴承相结合的形式，电机驱动鱼尾摆动时无须正反转，只需持续同向转动即可。电机的同一方向持续转动，可以避免电机频繁正反转带来的鱼身震动，使仿生鱼的运动更稳定。

鱼尾驱动机构70安装在鱼身20的后端，胸鳍驱动机构50安装在鱼身20的前部，重心移动机构60安装在鱼身20的腹中。

鱼头10包括中空的外壳11、安装在外壳11中的声纳12和摄像头13，外壳11的后部与第一前接盘31连接。外壳11包括声纳窗15和摄像头窗16，声纳12安装在声纳窗15的后方，摄像头窗16的前部装有透明罩17，摄像头13安装在透明罩17的后方。

摆动关节100包括两个电动铰链30和40，第一电动铰链30的第一前接盘31与鱼头10的后端连接，第二电动铰链40的前端与第一电动铰链30的后端连接，第二电动铰链40的后接盘42与鱼身20的前端连接；摆动关节100的外面套有防水的伸缩套80，伸缩套80的前端固定在鱼头10的后端、伸缩套80的后端固定在鱼身20的前端。

第一电动铰链30和第二电动铰链40各包括两个铰接叉和舵机，两个铰接叉通过铰接轴铰接。舵机固定在电动铰链第二铰接叉上，舵机轴与电动铰链的第一铰接叉连接，舵机轴的轴线与电动铰链铰接轴的轴线同轴。

第一电动铰链30包括第一前接盘31、中间接盘32、两个第一前叉头33、两个第一后叉头34、第一舵机36和第一舵机支架37。第一前接盘31与鱼头10连接，两个第一前叉头33与第一前接盘31组成第一电动铰链30的第一铰接叉，两个第一后叉头34与中间接盘32组成第一电动铰链30的第二铰接叉。第一电动铰链30的第一铰接叉与第二铰接叉通过铰接轴铰接。铰接轴包括两套螺栓型滚轮轴承35。螺栓型滚轮轴承35的滚轮轴承固定在第一前叉头33的叉孔中，螺栓型滚轮轴承的螺栓固定在第一后叉头34的叉孔中。

第一电动铰链30的两个第一后叉头34分别通过两片弹片38固定在中间接盘32的前端面。第一舵机支架固定在第一电动铰链30的一个第一后叉头34上。

第一舵机36固定在第一舵机支架37上，位于第一电动铰链30的两个第二前叉头43之间，第一舵机36的舵机轴朝向第二电动铰链40外部，第一舵机36的舵机轴与第一电动铰链30的铰接轴同轴。第一舵机36的舵机轴上固定有舵臂39，舵臂39与一个第一前叉头33连接，这样，当第一舵机36转动时，第一电动铰链30便可以绕自身的铰接轴转动。

第二电动铰链40包括第二前接盘41、后接盘42、两个第二前叉头43、两个第二后叉头44、第二舵机45和第二舵机支架46。第二前接盘41安装中间接盘32的背面，两个第二前叉头43与第二前接盘41组成第二电动铰链40的第一铰接叉，两个第二后叉头44与后接盘42组成第二电动铰链40的第二铰接叉。第二电动铰链40的第一铰接叉与第二铰接叉通过铰接轴铰接。铰接轴包括两套螺栓型滚轮轴承35。螺栓型滚轮轴承35的滚轮轴承固定在第二前叉头43的叉孔中，螺栓型滚轮轴承的螺栓固定在第二后叉头44的叉孔中。

第二舵机支架46固定在后接盘42的前面，第二舵机45固定在第二舵机支架46上，第二舵机45的舵机轴朝向第二电动铰链40内部。第二舵机45的舵机轴与第二电动铰链40的铰接轴同轴。第二舵机45的舵机轴上固定有舵臂49，舵臂49与一个第二前叉头43连接，这样，当第二舵机45转动时，第二电动铰链40便可以绕铰自身的接轴转动。

摆动关节100包括有一个鱼头转动舵机48，第二前接盘41的中部有一个轴孔411，鱼头转动舵机48固定在第二前接盘41的后部的支架412上，鱼头转动舵机48舵机轴的前端穿过第二前接盘41的轴孔411，鱼头转动舵机48舵机轴的前端的接盘481固定在中间接盘32上。鱼头转动舵机48转动时，中间接盘32相对于第二前接盘41转动，即第一电动铰链30相对于第二电动铰链30转动。

第一电动铰链30和第二电动铰链30均可以绕自身的铰接轴转动，第一电动铰链30还可以相对于第二电动铰链30绕鱼身的轴线转动，所以鱼头10不仅可以相对于鱼身20朝不同的方向摆动，还可以相对于鱼身20转动，灵活性高，为仿生鱼在水中转向带来很大方便。

胸鳍驱动机构50包括安装架51和沿安装架51横向两端对称地向外伸出的两套胸鳍机构50A。安装架51固定在鱼身20内部。

胸鳍机构50A包括舵机固定架52、第一胸鳍舵机53、第二胸鳍舵机54、横轴55、密封环56、第一舵盘531、第二舵盘541、第一接盘551、第二接盘552和胸鳍57。

舵机固定架52固定在安装架51横向的一端，第一胸鳍舵机53固定在舵机固定架52上。第一舵盘531固定在第一胸鳍舵机53的舵机轴上、第二舵盘541固定在第二胸鳍舵机54的舵机轴上。第一接盘551固定在横轴55的第一端，与横轴55同轴。第二接盘552固定在横轴55的第二端，与横轴55正交。第一接盘551与第一舵盘531连接，第二接盘552与第二舵盘541连接。

第二胸鳍舵机54固定在胸鳍的背面。鱼身20壳体前部横向的两端各有一个横轴孔21，横轴55穿过横轴孔21，密封环56安装在横轴55与横轴孔21之间，防止鱼身外部的水渗入到鱼身的体内。

本发明实施例的胸鳍驱动机构50具有摇翼和拍翼两个自由度，可以实现胸鳍的划水动作，胸鳍的划水动作包括向上划水、向下划水、向后划水和向前划水四种状态，两套胸鳍机构50A的组合划水动作除了进行水平转向辅助和垂直方向上的沉浮辅助，还可以为仿生鱼的前行提供动力。胸鳍驱动机构50通过两套胸鳍机构50A的组合划水动作可以提高仿生鱼前行、转弯、上行和下行等动作的敏捷性，并为仿生鱼前行增加动力。两套胸鳍机构50A的动作不一致时，可以实现仿生鱼的拐弯动作，例如两个胸鳍向相反方向划水，或一个胸鳍划水，另一个胸鳍不动，都可以辅助仿生鱼拐弯。

两套胸鳍机构50A同时向后划水时，可以增加仿生鱼前行的动力。胸鳍机构50A向后划水时，在初始状态下，胸鳍57位于横轴55的前方，第二胸鳍舵机54转动，先使胸鳍57向外张开，胸鳍57与横轴55的轴线处于平行或大致处于平行状态。第一胸鳍舵机53从初始角转动到终止角，第一胸鳍舵机53转动使张开的胸鳍57向后运动推水，水的反作用力使仿生鱼产生前行动力；向后划水的动作完成时，第二胸鳍舵机54转动，先使胸鳍57向内收拢，当胸鳍57与横轴55的轴线正交或基本正交后，第一胸鳍舵机53反向转动使收拢的胸鳍57前行回到初始状态。胸鳍的划水的角度为从划水初始状态至划水的动作完成时，第一胸鳍舵机53的转角（初始角与终止角之间的夹角），即胸鳍的划水的角度小于等于90°为好。

改变第一胸鳍舵机53划水的起始角和终止角可以改变胸鳍的划水状态。

重心移动机构60包括底座61、步进电机62、直线导轨副63、丝杆螺母副64、配重块65和两个U型光电传感器66，直线导轨副63的导轨固定在底座61上，丝杆螺母副64的丝杆安装在底座61上，与直线导轨副63的导轨平行。丝杆螺母副64的螺母固定在直线导轨副63的滑块上，配重块65在丝杆螺母副64的螺母上。重心移动机构60的底座61沿鱼身20的纵向固定在鱼身20壳体上，位于鱼身20的下部。两个U型光电传感器66沿直线导轨副63的方向安装在底座61的两端，U型光电传感器66的挡光片固定在直线导轨副63的滑块上。步进电机62的控制端和U型光电传感器66的信号输出端分别与控制电路连接，控制电路通过步进电机调节配重块65在鱼身中的纵向位置，可以改变仿生鱼在水中的仰角，从而改变仿生鱼前行时是上行还是下行，协助胸鳍、尾鳍及其头部的运动，达到更好的俯仰运动效果。

本发明以上实施例的水下仿生鱼具有以下特点：

1. 仿生鱼头部的摆动关节使用三个舵机，具有三个自由度的头部转向功能，仿生鱼在水中可以实现更灵活的运动，头部安装了摄像头和声纳模块，便于仿生鱼在水中实现路径规划和跟踪。

2. 鱼尾驱动机构采用偏心轮机构以及直线轴承相结合的形式，电机驱动鱼尾摆动时无须正反转，只需持续定向转动。电机的定向的转动，避免电机频繁正反转带来的鱼身震动，使运动更稳定。能实现仿生鱼使用BCF推进方式(即尾鳍推动)鱼类的运动，具有效率高、成本低、结构简单的优点。

3. 胸鳍驱动机构采用具有两个自由度的胸鳍，可以实现胸鳍的划水动作，为仿生鱼的转弯、上浮、下沉或前行提供辅助动力。仿生鱼运动的灵敏性高。

4.只靠胸尾鳍与头部的偏转，仿生鱼较难实现俯仰动作，重心移动机构实现重心位置的在仿生鱼长度方向上的调节，配合胸尾鳍及其头部的运动，达到良好的俯仰运动效果。