专利名称：一种跃水机器海豚的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种跃水机器海豚。
背景技术：
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。
发明内容
针对以上问题，本发明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，本发明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。本发明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动，并且它们之间的运动是相互独立的，两侧胸鳍公交相同时可以实现上浮下潜运动，两侧胸鳍公交相反时可以实现转弯运动；3、刚性躯干壳体内的平衡滑块机构可以快速调节海豚重心，保持海豚重心在轴心线上，并且配重块就是电源装置，就地取材，节省了空间，在重心偏离的时候不必拆卸海豚，提高了海豚的性能；4、背腹式推进结构采用腰关节和尾关节两个关节，能够更好地模拟生物海豚豚体波，获得更快的推进速度，腰关节采用两个电机模块同时驱动尾关节的摆动，提供的输出功率更高，可以提高尾柄上下摆动的频率；5、胸鳍、背鳍、尾鳍均采用模仿真实海豚鳍肢形状设计，符合流体流线型设计，可有效减小鳍肢带来的阻力。本发明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。
图I是本发明的跃水机器海豚的整体结构示意图；图2是本发明的跃水机器海豚的颈关节机构的轴测图；图3是本发明的跃水机器海豚的胸鳍机构的轴测图；图4是本发明的跃水机器海豚的平衡滑块机构的轴测图；图5是本发明的跃水机器海豚的背腹式推进机构的轴测图；图6是本发明的跃水机器海豚的背腹式推进机构的局部轴测图；图7是本发明的跃水机器海豚的内部整体结构的轴测图；图8是本发明的跃水机器海豚样机示意图；图9是本发明的机器海豚跃水的视频截图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图I、图7所示，本发明的跃水机器海豚包括包括主躯干刚性外壳上部89和主躯干刚性外壳下部88的刚性躯干壳体；设置在所述刚性躯干壳体上的骨架和背鳍90，所述骨架包括刚性铝制底座13、刚性底板44和安装在刚性底板44前端和所述刚性铝制底板13后端之间的底板连接件43 ;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、包括连接在所述骨架上的腰关节、连接在所述腰关节上的尾关节和安装在所述尾关节上的尾鳍92的背腹式推进机构；设置在所述颈关节机构上包括头部刚性外壳上部86和头部刚性外壳下部85的头部外壳；设置在所述胸鳍机构上的胸鳍87 (另一个未标出)；设置在所述腰关节上的尾柄外壳91、设置在所述尾关节上的尾椎形外壳93和安装在所述尾关节上的尾鳍92。如图2(图2中右方为机器海豚的头部方向)、图7所示，本发明的颈关节机构在机器海豚的最前端，包括一端通过螺钉安装在所述刚性铝制底座13上的俯仰关节支架9 ； 通过螺钉安装在所述俯仰关节支架9中部前面的舵机大U型块8，所述舵机大U型块8的U型口朝向所述机器海豚头部，其左侧和右侧分别有一个通孔；通过螺钉安装在所述舵机大U型块8两端的舵机左支架12、舵机右支架6 ;安装在所述舵机大U型块8右边外侧的舵机圆盘7，所述舵机圆盘7的圆形凸台正好与所述舵机大U型块的右侧通孔配合，所述舵机圆盘7的凸台中心有具有齿形特征的孔；通过螺钉和齿形配合安装在所述舵机圆盘7上的舵机5，所述舵机5的输出轴与所述舵机圆盘7的中心线重合并具有齿形特征，与具有齿形孔的所述舵机圆盘7配合，这样所述舵机5的输出轴、所述舵机圆盘7和所述舵机大U型块8与所述骨架一致固定不动；两端通过螺钉固定在所述舵机5两侧边耳朵上的舵机小U型块11，所述舵机小U型块11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，所述舵机小U型块的底部有一个与所述舵机5输出轴同轴线的通孔，所述舵机大U型块8和所述小U型块11通过半长螺钉和轴承连接，所述轴承外圈安装在所述大U型块8左侧的孔内，所述半长螺钉是指紧贴着螺帽的半长部分是螺纹，远离螺帽的半长部分没有螺纹而与轴承内圈配合，这样所述舵机5和所述舵机小U型块11作为一个整体可以绕所述舵机5的输出轴作往复回转运动；前侧左右两端通过螺钉安装在所述舵机左支架12下端和舵机右支架6下端的胸鳍前端支架10，所述胸鳍前端支架10后端通过螺钉安装在所述刚性铝制底座13的前端；通过螺钉安装在所述舵机小U型块11前端的舵机前端支架I和开关架4 ;通过螺钉安装在所述舵机前端支架I前面的姿态传感器支架2 ;通过螺钉安装在所述姿态传感器支架2上的三维姿态传感器3。所述舵机5绕其自身输出轴的往复回转运动带动所述小U型块11及所述舵机前端支架I绕所述舵机5输出轴上下摆动，从而带动所述三维姿态传感器3的俯仰运动，从而将姿态信息传给所述控制电路板上的控制模块进行处理，所述舵机前端支架I的上下摆动带动安装在其上的所述头部外壳作俯仰(Pitch)运动。其中，所述舵机5为HS-7980TH舵机，所述三维姿态传感器3为3DM-GX3-25传感器。如图I、图3(图3中左为机器海豚的前方)、图7所示，本发明的胸鳍机构紧靠所述颈关节机构的后端，包括两个HS7950舵机16、27，其输出轴平行指向机器海豚前方并并排固定在所述刚性铝制底座13中部上方；舵机大U型套15，其U型口指向机器海豚前方，其两端分别安装在所述舵机16的右侧耳朵上和所述舵机27的左侧耳朵上，用于固定两个所述舵机16、27的相对位置，其后部下方通过螺钉固定在所述刚性铝制底座13上，即将所述舵机16、27固定在所述刚性铝制底座的中部d、U型套14，其U型口朝下，同时套住所述舵机16的左侧、所述舵机27的右侧和所述舵机大U型套15的中部，并通过螺钉固定在所述刚性铝制底座的中部；HS-7950舵机盘17、26，其中心有齿形孔，安装在所述舵机16、27的齿形输出轴上，孔的轴线分别与所述舵机16、27的输出轴轴心线共线，这样所述舵机盘17、26与所述舵机16、27的输出轴保持固定；两个SAVOX舵机U型块18、22，其U型口朝下，其后端分别通过螺钉固定在所述舵机盘17、26的前侧，其前端具有中心线与所述舵机16、27输出轴轴线共线的圆形通孔，分别通过半长螺钉和轴承连接在所述胸鳍前端支架10的后侧，所述轴承外圈安装在所述U型块18、22的圆形通孔内，所述轴承内圈与所述半长螺钉的无螺纹部分配合，这样所述舵机U型块18、22和所述舵机盘17、26可分别绕着所述舵机16、27的输出轴作往复回转运动；两个SAVOX舵机19、23，其前后两侧的耳朵部位通过螺钉固定在所述SAVOX舵机U型块18、22的前后两侧，这样所述舵机19、23和所述U型块18、22可 作为整体，分别绕所述舵机16、27的输出轴作往复回转运动；两个SAVOX舵机盘20、24，分别通过中心的齿形孔与所述舵机19、23的齿形输出轴配合而保持相对固定，所述舵机19的输出轴轴线与所述舵机盘20的齿形孔中心线重合并指向机器海豚的右方，所述舵机23的输出轴轴线与所述舵机盘24的齿形孔中心线重合并指向机器海豚的左方；两个胸轴21、25的一端分别通过螺钉固定在所述舵机盘20、24的外侧；一对胸鳍87通过螺钉固定在所述胸轴21、25上。这样所述胸鳍87就可以与所述胸轴21、25及所述舵机19、23的输出轴一起绕所述舵机19、23的输出轴作往复回转运动，即所述胸鳍87的俯仰运动，而所述舵机19、23分别绕所述舵机16、27的输出轴的往复回转运动，即带动所述胸轴21、25绕所述舵机16、27的输出轴作往复回转运动，即带动所述胸鳍87的横滚运动。如图I、图4(图4右方为机器海豚的前方)、图7所示，本发明的平衡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，包括通过螺钉安装在所述刚性铝制底座13上的控制器前端支架28 ;两端通过螺钉安装在所述控制器前端支架28前端面上的舵机架38，所述舵机架是U型块，U型口朝向机器海豚的后方；通过螺钉安装在所述控制器前端支架28后端面上的控制器前端小支架36 ;耳朵处通过螺钉安装在所述舵机架38两端上的SM-S4315R舵机29，所述舵机29输出轴朝向机器海豚的右方；通过螺钉安装在所述SM-S4315R舵机29输出轴上的主动圆柱齿轮30 ;与所述主动圆柱齿轮30相啮合的从动圆柱齿轮31 ;连接所述从动圆柱齿轮31的丝杆架32，所述丝杆架是U型的，U型口朝向机器海豚的后方，两端有轴承孔；通过一对轴承连接在所述丝杆架32上的丝杆35 ;通过螺纹连接在所述丝杆35上的丝杆滑块33 ;前端通过螺钉安装在所述丝杆滑块33上的电池底板34 ;通过胶带固定在所述电池底板34顶部的电源装置37 ;连接在所述电池底板后端的滑动变阻器40，所述滑动变阻器40的方形凸台卡在所述电池底板34后端的方形通孔内，所述滑动变阻器40的方形凸台是滑动变阻的动触点，可以与所述电池底板34 —起沿水平方向左右移动；通过螺钉安装在所述滑动变阻器40左右两端下方的控制器后端上支架41、45 ;通过螺钉安装在所述控制器后端上支架41、45上方的直线导轨架39和下方的控制器后端下支架42、46，所述控制器后端下支架42、46安装在刚性底板44的前端，所述直线导轨架39的后端面与所述滑动变阻器40的前端面紧挨，用于保护所述滑动变阻器40。所述主动圆柱齿轮30与从动圆柱齿轮31传动比为33 56。所述控制电路板安放在所述平衡滑块机构和所述胸鳍机构所组成的中空腔体内。所述机器海豚的平衡滑块机构是由所述SM-S4315R舵机29驱动的，所述SM-S4315R舵机29的输出运动通过一对圆柱齿轮30、31的传动将旋转运动传递给所述丝杆35的旋转运动，所述丝杆35与所述丝杆滑块33通过螺纹连接，是将旋转运动转化为平移的机械装置，从而带动所述丝杆滑块33在左右方向上的平移运动，安装在所述丝杆滑块33上的电池底板34以及安装在所述电池底板34上的滑动变阻器40也随之作水平方向的左右平移运动，所述滑动变阻器40的两端连接到电源上，通过测量动触点和其中一端之间的电压与电源电压之间的比值，就可以计算出所述电池底板34及所述电源装置37在水平方向上的相对位置，所述电路板的控制模块就可以通过控制所述舵机29的旋转角度而精确调节所述电源装置37的相对位置从而调节所述跃水机器海豚左右方向的重心。如图I、图5 (右上为机器海豚的前方)、图6 (右为机器海豚的前方)所示，本发明的背腹式推进机构位于所述胸鳍机构和平衡滑块机构的后面，包括连接在所述刚性底板44 上的腰关节和连接在所述腰关节后端的尾关节。所述腰关节包括两个底部通过螺钉安装在所述刚性底板44上的主电机挡板51、56 ;两个分别通过螺钉安装在所述主电机挡板51、56外侧的三角筋48 (其中一个附图未示出)，所述三角筋48的底端与所述刚性底板44通过螺钉连接，用于加强固定所述电机挡板51、56 ;下电机模块；上电机模块；三个底部通过螺钉安装在所述刚性底板44上的主电机下托块84、94、95 (在附图6中标出)，用于固定下电机模块的底部；安装在所述下电机模块后端输出轴上的下主动锥齿轮61，所述锥齿轮61与所述下电机模块输出轴是通过不完整的圆柱孔和不完整的圆柱轴配合，以保证所述下电机模块输出轴的旋转运动传递给所述下主动锥齿轮61，所述下电机模块输出轴轴端部和所述锥齿轮61端部通过螺钉固定；与所述下主动锥齿轮61啮合的下从动锥齿轮62 ;左侧安装在所述下从动锥齿轮62上的下主轴80，所述下主轴80通过一对轴承安装在所述主电机挡板51、56的后下方，以保证所述下主轴80的自由转动，所述下从动锥齿轮62在所述主电机挡板56的内侧(右侧)；安装在所述下主轴80右端的主轴从动圆柱齿轮79，所述下主轴80与所述主轴从动圆柱齿轮79是通过不完整圆柱孔和轴配合的，以保证它们圆周方向的相对固定，所述下主轴80的端部通过螺钉与所述主轴从动圆柱齿轮79固定，所述主轴从动圆柱齿轮79在所述主电机挡板51的外侧(右侧)；在所述主轴从动圆柱齿轮79上方与其啮合的主轴主动圆柱齿轮81 ;安装在所述主轴主动圆柱齿轮81上的上主轴59，所述主轴主动圆柱齿轮81安装在所述上主轴的右侧，并且在所述主电机挡板51的外侧(右侧)，所述上主轴59通过一对轴承安装在所述主电机挡板51、56的后上方，以保证所述上主轴59的自由转动，所述主轴主动圆柱齿轮81与所述上主轴59通过不完整圆柱孔和轴配合，以保证它们圆周方向的相对固定，所述上主轴59的端部通过螺钉与所述齿轮81固定；通过不完整孔与不完整轴配合的方式安装在所述上主轴59左侧的上从动锥齿轮60 ;与所述上从动锥齿轮60前侧啮合的上主动锥齿轮58，所述上主动锥齿轮58安装在所述上电机模块的减速器55的输出轴上。其中，所述上主动锥齿轮58与所述上从动锥齿轮60传动比为I : I,所述下主动锥齿轮61与所述下从动锥齿轮62传动比为I : 1，所述主轴主动圆柱齿轮81与主轴从动圆柱齿轮79传动比为I : 1，且为节约空间所述主轴主动圆柱齿轮81与主轴从动圆柱齿轮79均为非完整圆柱齿轮，因为电机是往复转动，并不需要齿轮完整哨合。
所述下电机模块包括，安放在主电机下托块84、94、95上的MaxonEC90直流电机49、安装在所述电机49前端输出轴上的编码器47、安装在所述电机49后端的电机法兰83、通过螺钉安装在所述电机法兰83后侧的减速器82，所述减速器82前端的动力输入部位与所述电机49的后端输出轴紧固，所述减速器82的后端输出轴即为整个下电机模块的动力输出轴；两个通过螺钉分别安装在所述主电机挡板51、56内侧的双联电机固定圈50(其中一个附图未示出)，所述两个固定圈均是半圆形，左右各一个，之间通过螺钉紧固形成圆形环，用于夹紧下电机模块并且支撑上电机模块。所述上电机模块组成结构与下电机模块相同，包括MaxonEC90直流电机53、安装在所述电机53前端的编码器52、安装在所述电机53后端的电机法兰54、安装在所述电机法兰54后侧的减速器55，所述减速器55的后端输出轴即为上电机模块的动力输出轴，所述减速器55的下表面与所述下电机模块的电机法兰83的上表面配合,这样有两处从上电机模块下方支撑上电机模块；所述尾关节安装在所述下主轴80上，在所述腰关节的后方，包括前端安装在所 述下主轴80上的尾电机底座78，它们之间也是通过不完整圆柱孔和不完整圆柱轴配合的，以保证所述尾电机底座78随着所述下主轴80绕其自身轴线的转动而上下摆动；底部通过螺钉安装在所述尾电机底座78上靠近所述下主轴80方向上的导线架63，所述导线架63用于将尾电机导电线牵引到控制电路板以防止导线与周围齿轮产生干涉；两个底部通过螺钉安装在所述尾电机底座78上的具有一定间距的尾电机固定环73、76，用于固定尾电机模块；套在所述尾电机固定环73、76圆环内的尾电机模块，其中所述尾电机模块包括套在所述尾电机固定环76上的MaxonEC90直流电机75、安装在所述电机75前端输出轴上的编码器64 (编码器64与导线架63之间存在间隙)、安装在所述电机75后端输出轴上的减速器74,所述减速器74套在所述尾电机固定环73上；两个底部通过螺钉安装在所述尾电机底座78后端的尾轴固定架67 ;安装在所述减速器74的后端输出轴上的尾主动锥齿轮69 ;与所述主动锥齿轮69啮合的尾从动锥齿轮68 ;连接在所述尾从动锥齿轮68上的尾轴(附图中未标出)，所述尾轴通过一对轴承安装在两个所述尾轴固定架67之间；通过不完整圆柱孔和不完整圆柱轴配合的方式安装在所述尾轴上的尾鳍骨架65、66 ;通过螺钉安装在所述尾轴固定架67外侧的尾轴轴承盖板70 ;安装在所述减速器74输出轴靠近所述主动锥齿轮69的平面轴承垫片71 ;通过螺钉安装在所述尾电机底座78上的尾电机防纵转板72，同时也通过螺钉安装在所述尾电机模块的减速器74上。所述尾鳍92通过螺钉固定在所述尾鳍骨架66上。其中，所述尾主动锥齿轮69与尾从动锥齿轮68传动比为41 22。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，所述减速器用于降低所述直流电机输出轴的速度。所述跃水机器海豚的颈关节机构通过所述俯仰关节支架9和胸鳍前端支架10固定安装在所述刚性铝制底座13上，所述跃水机器海豚的胸鳍机构通过所述胸鳍前端支架10、所述舵机大U型套15和小U型套14安装在刚性铝制底座13上，所述跃水机器海豚的平衡滑块机构通过控制器前端支架28安装在所述刚性铝制底座13上，并且通过控制器后端上下支架41、42、45、46安装在所述刚性底板44上，所述刚性底板44通过所述底板连接件43安装在所述刚性铝制底座13上，所述跃水机器海豚的背覆式推进机构通过所述主电机挡板51、56、所述三角筋48安装在所述刚性底板44上。
所述腰关节的上电机模块和下电机模块的输出轴的联合往复旋转运动通过三对齿轮传动传递到所述下主轴80绕其自身轴线的往复旋转运动，从而带动安装在其上的所述尾电机底座78的上下摆动，即带动尾关节整体的上下摆动。所述尾电机模块输出轴的旋转往复运动通过一对锥齿轮69、68的传动转化为所述尾轴的旋转往复运动，从而带动所述尾鳍骨架65、66绕所述尾轴轴心线上下摆动，继而带动安装在所述尾鳍骨架66上的所述尾鳍92绕所述尾轴轴心线上下摆动。本发明通过两关节的上下摆动来模拟生物海豚的背覆式推进运动，使所述跃水机器海豚获得向前的推动力。所述跃水机器海豚的跃水是通过下潜到一定深度再斜向上冲出水面的，这一动作是靠所述跃水机器海豚的颈关节机构、胸鳍机构、背覆式推进机构的联合运动实现的。所述跃水机器海豚的下潜运动过程中，背覆式推进机构两关节的上下摆动提供前进的动力，通过控制所述舵机5的转动角度控制所述跃水机器海豚的头部往下摆过一定角度，同时通过控制所述舵机19、23的旋转角度控制所述两个胸鳍87的攻角相等并且为负，在所述跃水机器海豚进入水底一定深度后使头部和胸鳍恢复原状。所述跃水机器海豚的向上冲出水面的过程中，背覆式推进机构两关节的上下摆动继续提供前进的动力，通过控制所述舵机5的 转动角度控制所述跃水机器海豚的头部往上摆过一定角度，同时通过控制所述舵机19、23的旋转角度控制所述两个胸鳍87的攻角相等并且为正，这样所述跃水机器海豚就会斜向上冲向水面，直到跃出水面。所述跃水机器海豚的重要受力部件均采用钛合金材料，一般受力部件均采用铝合金，轻受力部件及绝缘部件均采用尼龙，外壳及背鳍采用聚丙烯材料，胸鳍及尾鳍采用人造橡胶，防水外皮采用乳胶。根据上述技术方案制作的跃水机器海豚样机见图8，其尺寸(长X宽X高)为705mmX223mmX 192mm,总重量约为4. 7kg。在测试中，机器海豚的最高游速可达I. Ilm/s (折合I. 57倍体长/秒)，并且成功地实现了机器海豚的跃水。如图9机器海豚跃水视频截图所示，机器海豚的身体完全跃出了水面，并完整复现了 “出水一腾空一再入水”这一生物跃水过程。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种跃水机器海豚，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)。
2.如权利要求I所述的跃水机器海豚，其特征在于所述颈关节机构包括舵机(5)和三维姿态传感器(3)，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。
3.如权利要求2所述的跃水机器海豚，其特征在于所述舵机(5)通过大U型块(8)固定安装在所述刚性铝制底座上的俯仰关节支架(9)上，所述大U型块(8)的U型口朝向所述跃水机器海豚的头部；所述舵机(5)两侧上固定安装有小U型块(11)，所述小U型块(11)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(11)的底部与所述大U型块(8)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(I)，所述姿态传感器(3)安装在所述舵机前端支架(I)上；当所述舵机(5)绕其自身输出轴进行往复旋转时带动所述小U型块(11)进行旋转，进而带动所述舵机前端支架(I)上的所述三维姿态传感器(3)进行俯仰运动。
4.如权利要求2所述的跃水机器海豚，其特征在于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(13)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排固定安装在所述刚性铝制底座(13)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。
5.如权利要求I所述的跃水机器海豚，其特征在于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(29)和电源装置(37)，所述舵机(29)通过齿轮驱动丝杠滑块(33)，所述丝杠滑块固定安装在电池底板(34)的后端，所述电源装置(37)固定在所述电池底板(34)顶部，所述电池底板(34)的后端连接有滑动变阻器(40)，所述滑动变阻器(40)具有一滑动变阻的动触点，该动触点与所述电池底板(34)的后端相接；当所述丝杠滑块(33)在所述舵机(29)的驱动下在水平方向做左右平移运动时，所述电池底板(34)、所述电源装置(37)和所述滑动变阻器(40)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(34)和所述电源装置(37)在水平方向上的相对位置，进而通过调节所述电源装置(37)在所述电池底板(34)上的相对位置来调节所述机器海豚的重心。
6.如权利要求I所述的跃水机器海豚，其特征在于所述背腹式推进机构包括连接在所述刚性底板(44)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。
7.如权利要求6所述的跃水机器海豚，其特征在于所述上电机模块、下电机模块和尾电机模块结构相同，包括直流电机、安装在所述直流电机前端输出轴上的编码器、安装在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。
8.如权利要求7所述的跃水机器海豚，其特征在于所述腰关节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； 其中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(61)；与所述下主动锥齿轮￠1)前侧啮合的下从动锥齿轮(62)，所述下从动锥齿￠2)轮安装在下主轴(80)的左端；安装在所述下主轴(80)右端的主轴从动圆柱齿轮(79);在所述主轴从动圆柱齿轮(79)上方与其啮合的主轴主动圆柱齿轮(81)，所述主轴主动圆柱齿轮(81)安装在上主轴(59)的右端；安装在所述上主轴(59)左侧的上从动锥齿轮￠0);与所述上从动锥齿轮￠0)前侧啮合的上主动锥齿轮(58)，所述上主动锥齿轮(58)安装在所述上电机模块后端输出轴上。
9.如权利要求8所述的跃水机器海豚，其特征在于所述尾关节机构安装在所述下主轴(80)上，并随着所述下主轴(80)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￠9)和与所述尾主动锥齿轮￠9)啮合的尾从动锥齿轮￠8);所述尾从动锥齿轮￠8)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。
10.如权利要求9所述的跃水机器海豚，其特征在于所述所有齿轮模数均为O.5mm，所述主轴主动圆柱齿轮(81)与所述主轴从动圆柱齿轮(79)传动比为33 56，所述尾主动锥齿轮￠9)与所述尾从动锥齿轮￠8)传动比为41 22，其余所述齿轮传动比均为I : I。
全文摘要
本发明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。
文档编号B25J11/00GK102962843SQ20121051119
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者喻俊志, 苏宗帅, 肖俊东, 谭民 申请人:中国科学院自动化研究所