一种全向波动推进式仿生机器鱼及其控制方法

1.本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种全向波动推进式仿生机器鱼及其控制方法。


背景技术：

2.海洋面积占地球表面积的70.8％，对海底资源探索是必要的，设计一款全方位的水下机器人是未来发展之需。目前水下机器人通常采用螺旋桨和叶轮的传统推进方式，其采用高速马达作为动力源会带来噪音大、效率低、灵活性差等问题，大大增加了水下机器人的局限性。
3.在长期的自然选择中，鱼类进化出了优异的水中游动能力。随着科技发展速度的加快，各类水下仿生机器鱼相继出现，为仿生推进机理研究和工程技术开发提供了新的手段和途径。目前，鱼类推进模式主要分为两类：身体/尾鳍模式(bcf)和中间鳍/对鳍模式(mpf)，bcf推进模式的仿生机器鱼起步较早，主要利用鱼类身体的波动及尾鳍的摆动产生推进力，因其推进力大、速度快等特点已经成为目前的研究主流，但是在低速的机动性、稳定性和推进效率等方面相比mpf推进模式较差，mpf推进模式主要依靠鱼类的胸鳍、腹鳍和背鳍等鳍面的摆动产生推进力，具有优异的游动性能已成为近年来的研究热点。目前研究大多集中在鳍波动运动的原理上，从而实现机器鱼类似鱼类的波动推进运动，但缺乏对机器鱼变向能力和上浮下潜能力的关注，使得机器鱼的转向能力、灵活性受到限制，难以在一些复杂的水域完成作业任务，降低了机器鱼的运动性能和应用场景。
4.因此在基于鳍波动运动原理的基础上，针对机器鱼的转向能力和机动灵活性开展相应结构优化方法设计，有助于提高机器鱼的运动性能，以达到更好的任务执行效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于将魟鱼波动推进的原理结合到仿生机器鱼上，设计一种机动灵活性强、稳定性高且抗环境干扰能力强的新型仿生机器鱼，为水下作业提供一种新型工具。
6.为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
7.一种全向波动推进式仿生机器鱼，包括装置主体所述装置主体的四个角分别连接着相对于所述装置主体中心对称的转向机构，每个所述转向机构的末端连接升降机构，每个所述升降机构连接着波动推进机构。
8.所述装置主体包括上主板、下主板和支撑柱，所述上主板和所述下主板通过所述支撑柱连接。
9.所述转向机构包括安装在所述上主板上的第一电机、主支撑臂、主旋转柱、主齿轮、副支撑臂、滑槽柱、副旋转柱、副齿轮、前支撑杆和后支撑杆，所述第一电机的输出轴与所述主旋转柱传动连接，所述主旋转柱轴毂连接所述主齿轮，并与主支撑臂的一端铰接，所述副齿轮通过所述副旋转柱可转动地安装在所述上主板和所述下主板之间，所述副齿轮的一侧偏心设有所述滑槽柱，所述副支撑臂的一端设有槽口并在其一侧设有齿条，所述滑槽
柱的一端可滑动设置在所述副支撑臂的槽口内，所述主齿轮为双层齿轮分别与所述副齿轮以及所述副支撑臂的所述齿条相啮合，所述前支撑杆的一端与所述副支撑臂相铰接，所述前支撑杆同时与所述后支撑杆的一端以及所述主支撑臂另一端铰接于一点，所述前支撑杆和所述后支撑杆均延伸形成各自的自由端。
10.所述升降机构包括左支撑杆、旋转板、第二电机和支撑旋转板，所述左支撑杆的两端分别与所述前支撑杆的自由端和所述后支撑杆的自由端连接，形成支撑框架，所述支撑框架上可转动安装有所述支撑旋转板，所述支撑旋转板由所述第二电机驱动，所述支撑框架上在所述支撑旋转板的两侧位置安装有所述旋转板，所述旋转板的内侧沿所述支撑旋转板旋转轴线的周向上设有第一旋转齿。
11.所述波动推进机构包括机构外壳、第三电机、滑槽盘、导杆和推进翼，所述机构外壳安装在所述支撑旋转板上，所述机构外壳的两侧设有与所述旋转板上的所述第一旋转齿相啮合的第二旋转齿，所述机构外壳内装有若干由所述第三电机驱动的所述滑槽盘，所述滑槽盘的侧面沿轴向设有滑槽，所述滑槽内装有所述导杆，所述导杆的另一端伸出所述机构外壳，若干所述导杆上设有所述推进翼，所述滑槽盘旋转时，所述滑槽盘通过所述滑槽带动所述导杆从而带动所述推进翼起伏运动。
12.进一步优选，所述转向机构还包括固定盖，所述副旋转柱通过所述固定盖可转动地安装在所述上主板上。
13.进一步优选，所述主支撑臂的自由端呈z字形且开口，所述前支撑杆伸入所述开口，通过销轴与所述主支撑臂铰接，所述左支撑杆、所述前支撑杆以及所述后支撑杆围成的所述支撑框架呈长方形。
14.进一步优选，所述升降机构还包括支撑板旋转柱，所述旋转板的一侧中部通过所述支撑板旋转柱可转动地与所述左支撑杆连接，另一侧中部所述支撑板旋转柱同轴的位置与所述第二电机的输出轴轴毂连接，所述第二电机安装在所述后支撑杆上。
15.进一步优选，所述推进翼为柔性材质呈波浪状且内侧起伏程度低、外侧起伏程度高。
16.进一步优选，所述波动推进机构还包括固定板、主旋转盘、副旋转盘、连杆、导杆固定板、固定圆环、底部固定盘，所述第三电机通过所述固定板安装在所述机构外壳上，所述第三电机的侧边安装有四组结构相同的所述滑槽盘，所述滑槽盘的一端通过所述底部固定盘与所述机构外壳可转动连接，所述滑槽盘的另一端固定安装有所述副旋转盘，所述第三电机的输出轴轴毂连接着所述主旋转盘，所述主旋转盘和四个所述副旋转盘的端面共同铰接有所述连杆，所述机构外壳的一侧设有所述导杆固定板，所述导杆固定板通过四个所述固定圆环轴向限制四组高低交错布置且结构相同的所述导杆，所述导杆的后端为凸起球形状，并与所述滑槽盘的槽口滑动配合。
17.本发明还提供上述向波动推进式仿生机器鱼的控制方法，具体内容和步骤是：
18.当所述仿生机器鱼需要转向时，则控制位于所述装置主体四个角的四个所述第一电机正向旋转，通过所述主齿轮带动一侧的两个所述副支撑臂伸出，另一侧的两个所述副支撑臂收回，同时在所述滑槽柱和所述副支撑臂的所述槽口的驱动下，所述副支撑臂同时向一侧摆动，进而拉动所述前支撑杆绕所述主支撑臂前端向同侧转动，所述升降机构随之转动，从而实现仿生机器鱼向一侧转向，控制所述第一电机反向旋转可以实现仿生机器鱼
向另一侧转向；
19.当所述仿生机器鱼需要上浮时，则控制位于所述装置主体行进方向同侧的两个所述升降机构中的所述第二电机旋向相反，使同侧的两个所述升降机构呈上拱凸起姿态，即沿行进方向前部的两个所述升降机构中的所述第二电机顺时针旋转，后部的两个所述升降机构中的所述第二电机逆时针旋转；所述升降机构中的所述波动推进机构提供相反的动力，前部的所述波动推进机构提供向前的动力，后部的所述波动推进机构提供向后的动力，随着所述第二电机旋转带动所述支撑旋转板旋转，所述波动推进机构随之转动，从而实现所述仿生机器鱼的上浮，相反，当所述仿生机器鱼需要下潜时，则控制位于所述装置主体行进方向同侧的两个所述升降机构中的所述第二电机旋向相反，使同侧的两个所述升降机构呈下拱凹陷姿态，即沿行进方向前部的两个所述升降机构中的所述第二电机逆时针旋转，后部的两个升降机构中的所述第二电机顺时针旋转；所述升降机构中的所述波动推进机构提供相反的动力，前部的所述波动推进机构提供向后的动力，后部的所述波动推进机构提供向前的动力，随着所述第二电机旋转带动所述支撑旋转板旋转，所述波动推进机构随之转动，从而实现所述仿生机器鱼的下潜；
20.当所述仿生机器鱼需要前进时，则控制所述第三电机正向转动，带动所述滑槽盘转动，通过所述滑槽盘上的所述槽口将动力传递到所述导杆上，使得所述导杆上的所述推进翼做上下起伏运动，从而使所述仿生机器鱼前进；相反，当所述仿生机器鱼需要后退时，则改变所述第三电机的旋向，从而使所述仿生机器鱼后退。
21.本发明具有以下优点和有益效果：
22.1.本发明仿生机器鱼通过仿生魟鱼实现了波动式推进的功能，具有低速机动性强、稳定性高和抗环境干扰能力强的特点，为相关探测仪器的布置提供优良稳定的搭载平台，便于执行探测和勘察等高难度、高要求的水下任务；
23.2.本发明仿生机器鱼中的转向机构，能够实现原地全方位改变机器鱼的运动方向，极大缩小了机器鱼的转向半径，进一步增强机器鱼的机动灵活性，提高对复杂水域环境的适应能力，以达到更好的任务执行效果；
24.3.本发明仿生机器鱼中的升降机构，利用电机及齿的啮合实现波动推进机构的旋转，使得两侧相邻的升降机构呈上供凸起或下供凹陷的姿态，随着波动推进机构动力的输出，实现机器鱼的原地上浮下潜，能更好的应对复杂的作业任务。
附图说明
25.图1、本发明实施例的仿生机器鱼总体结构图；
26.图2、本发明实施例中的仿生机器鱼主体及转向机构结构示意图；
27.图3、本发明实施例中图1中的转向机构与升降机构连接处结构示意图；
28.图4、本发明实施例中的仿生机器鱼升降机构结构示意图；
29.图5、本发明实施例中的仿生机器鱼升降机构仰视图；
30.图6、本发明实施例中的仿生机器鱼波动推进机构结构示意图；
31.图7、本发明实施例中的波动推进机构导杆及滑槽盘等部分组件结构示意图；
32.图中的附图标记为：1、装置主体；2、转向机构；3、升降机构；4、波动推进机构；5、上主板；6、下主板；7、支撑柱；8、第一电机；9、主支撑臂；10、主旋转柱；11、主齿轮；12、副支撑
臂；13、滑槽柱；14、副旋转柱；15、副齿轮；16、固定盖；17、左支撑杆；18、前支撑杆；19、旋转板；20、支撑旋转板；21、第二电机；22、后支撑杆；23、机构外壳；24、支撑板旋转柱；25、第三电机；26、固定板；27、主旋转盘；28、滑槽盘；29、副旋转盘；30、连杆；31、导杆固定板；32、固定圆环；33、导杆；34、底部固定盘；35、推进翼。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明所述的“前、后”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面指向阅读者为前，指向纸面里为后，而非对本发明的仿生机器鱼的特定限定。
35.本发明所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面的左边为左，纸面的右边为右，而非对本发明的仿生机器鱼的特定限定。
36.本发明所述的“上、下”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面的上边为上，纸面的下边为下，为而非对本发明的仿生机器鱼的特定限定。
37.本发明所述的“顺时针、逆时针”的含义指的是阅读者正对附图时，由视图纸面的顺时针为顺时针，纸面的逆时针为逆时针，为而非对本发明的仿生机器鱼的特定限定。
38.本发明所述的“里、外”的含义指的是靠近机构中心为里，远离机构中心为外，为而非对本发明的仿生机器鱼的特定限定。
39.如图1所示，一种全向波动推进式仿生机器鱼，包括装置主体1，所述装置主体1的四个角分别连接着相对于所述装置主体1中心对称的转向机构2，每个所述转向机构2的末端连接升降机构3，每个所述升降机构3连接着波动推进机构4。
40.如图2所示，所述装置主体1包括上主板5、下主板6和支撑柱7，所述上主板5和所述下主板6通过所述支撑柱7连接。
41.如图2和图3所示，所述转向机构2包括安装在所述上主板5上的第一电机8、主支撑臂9、主旋转柱10、主齿轮11、副支撑臂12、滑槽柱13、副旋转柱14、副齿轮15、前支撑杆18和后支撑杆22，所述第一电机8的输出轴与所述主旋转柱10传动连接，所述主旋转柱10轴毂连接所述主齿轮11，并与主支撑臂9的一端铰接，所述副齿轮15通过所述副旋转柱14可转动地安装在所述上主板5和所述下主板6之间，所述副齿轮15的一侧偏心设有所述滑槽柱13，所述副支撑臂12的一端设有槽口并在其一侧设有齿条，所述滑槽柱13的一端可滑动设置在所述副支撑臂12的槽口内，所述主齿轮11为双层齿轮分别与所述副齿轮15以及所述副支撑臂12的所述齿条相啮合，所述前支撑杆18的一端与所述副支撑臂12相铰接，所述前支撑杆18同时与所述后支撑杆22的一端以及所述主支撑臂9另一端铰接于一点，所述前支撑杆18和所述后支撑杆22均延伸形成各自的自由端。
42.如图4和图5所示，所述升降机构3包括左支撑杆17、旋转板19、第二电机21和支撑旋转板20，所述左支撑杆17的两端分别与所述前支撑杆18的自由端和所述后支撑杆22的自由端连接，形成支撑框架，所述支撑框架上可转动安装有所述支撑旋转板20，所述支撑旋转板20由所述第二电机21驱动，所述支撑框架上在所述支撑旋转板20的两侧位置安装有所述
旋转板19，所述旋转板19的内侧沿所述支撑旋转板20旋转轴线的周向上设有第一旋转齿。
43.如图4、图5、图6和图7所示，所述波动推进机构4包括机构外壳23、第三电机25、滑槽盘28、导杆33和推进翼35，所述机构外壳23安装在所述支撑旋转板20上，所述机构外壳23的两侧设有与所述旋转板19上的所述第一旋转齿相啮合的第二旋转齿，所述机构外壳23内装有若干由所述第三电机25驱动的所述滑槽盘28，所述滑槽盘28的侧面沿轴向设有滑槽，所述滑槽内装有所述导杆33，所述导杆33的另一端伸出所述机构外壳23，若干所述导杆33上设有所述推进翼35，所述滑槽盘28旋转时，所述滑槽盘28通过所述滑槽带动所述导杆33从而带动所述推进翼35起伏运动。
44.如图2所示，所述转向机构2还包括固定盖16，所述副旋转柱14通过所述固定盖16可转动地安装在所述上主板5上。
45.如图3、图4和图5所示，所述主支撑臂9的自由端呈z字形且开口，所述前支撑杆18伸入所述开口，通过销轴与所述主支撑臂9铰接，所述左支撑杆17、所述前支撑杆18以及所述后支撑杆22围成的所述支撑框架呈长方形。所述副支撑臂12活动时与所述主支撑臂9不发生干涉，所述主支撑臂9与所述前支撑杆18的铰接点靠近所述前支撑杆18与所述副支撑臂12的铰接点。
46.如图5所示，所述升降机构3还包括支撑板旋转柱24，所述旋转板19的一侧中部通过所述支撑板旋转柱24可转动地与所述左支撑杆17连接，另一侧中部所述支撑板旋转柱24同轴的位置与所述第二电机21的输出轴轴毂连接，所述第二电机21安装在所述后支撑杆22上。
47.如图6所示，所述推进翼35为柔性材质呈波浪状且内侧起伏程度低、外侧起伏程度高。
48.如图6所示，所述波动推进机构4还包括固定板26、主旋转盘27、副旋转盘29、连杆30、导杆固定板31、固定圆环32、底部固定盘34，所述第三电机25通过所述固定板26安装在所述机构外壳23上，所述第三电机25的侧边安装有四组结构相同的所述滑槽盘28，所述滑槽盘28的一端通过所述底部固定盘34与所述机构外壳23可转动连接，所述滑槽盘28的另一端固定安装有所述副旋转盘29，所述第三电机25的输出轴轴毂连接着所述主旋转盘27，所述主旋转盘27和四个所述副旋转盘29的端面共同铰接有所述连杆30，所述机构外壳23的一侧设有所述导杆固定板31，所述导杆固定板31通过四个所述固定圆环32轴向限制四组高低交错布置且结构相同的所述导杆33，所述导杆33的后端为凸起球形状，并与所述滑槽盘28的槽口滑动配合。通过合理布置所述导杆33与所述滑槽盘28的起始位置，使得所述导杆33呈高低交错排放。
49.本发明的一种全向波动推进式仿生机器鱼的控制方法，具体内容和步骤是：
50.当所述仿生机器鱼需要转向时，则控制位于所述装置主体1四个角的四个所述第一电机8正向旋转，通过所述主齿轮11带动一侧的两个所述副支撑臂12伸出，另一侧的两个所述副支撑臂12收回，同时在所述滑槽柱13和所述副支撑臂12的所述槽口的驱动下，所述副支撑臂12同时向一侧摆动，进而拉动所述前支撑杆18绕所述主支撑臂9前端向同侧转动，所述升降机构3随之转动，从而实现仿生机器鱼向一侧转向，控制所述第一电机8反向旋转可以实现仿生机器鱼向另一侧转向；
51.当所述仿生机器鱼需要上浮时，则控制位于所述装置主体1行进方向同侧的两个
所述升降机构3中的所述第二电机21旋向相反，使同侧的两个所述升降机构3呈上拱凸起姿态，即沿行进方向前部的两个所述升降机构3中的所述第二电机21顺时针旋转，后部的两个所述升降机构3中的所述第二电机21逆时针旋转，所述升降机构3中的所述波动推进机构4提供相反的动力，前部的所述波动推进机构4提供向后的动力，后部的所述波动推进机构4提供向前的动力，随着所述第二电机21旋转带动所述支撑旋转板20旋转，所述波动推进机构4随之转动，从而实现所述仿生机器鱼的上浮，相反，当所述仿生机器鱼需要下潜时，则控制位于所述装置主体1行进方向同侧的两个所述升降机构3中的所述第二电机21旋向相反，使同侧的两个所述升降机构3呈下拱凹陷姿态，即沿行进方向前部的两个所述升降机构3中的所述第二电机21逆时针旋转，后部的两个升降机构3中的所述第二电机21顺时针旋转；所述升降机构3中的所述波动推进机构4提供相反的动力，前部的所述波动推进机构4提供向后的动力，后部的所述波动推进机构4提供向前的动力，随着所述第二电机21旋转带动所述支撑旋转板20旋转，所述波动推进机构4随之转动，从而实现所述仿生机器鱼的下潜；
52.当所述仿生机器鱼需要前进时，则控制所述第三电机25正向转动，带动所述滑槽盘28转动，通过所述滑槽盘28上的所述槽口将动力传递到所述导杆33，使得所述导杆33上的所述推进翼35做上下起伏运动，从而使所述仿生机器鱼前进；相反，当所述仿生机器鱼需要后退时，则控制所述第三电机25的旋向，从而使所述仿生机器鱼后退。
53.具体的：在所述仿生机器鱼需要右转时，控制所述第一电机8的电机轴逆时针旋转，带动所述主齿轮11逆时针旋转，通过齿轮齿条的啮合将动力传递给所述副支撑臂12，对于布置在所述主齿轮11左侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12向外移动；对于布置在所述主齿轮11右侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12向内移动。而与所述主齿轮11啮合的所述副齿轮15顺时针旋转，带动偏心布置的所述滑槽柱13绕所述副旋转柱14做顺时针圆周运动，通过与所述副支撑臂12上槽口的滑动连接，带动所述副支撑臂12的前端向左摆动，对于布置在所述主齿轮11左侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12伸出并向左摆动，进而拉动所述前支撑杆18绕所述主支撑臂9前端逆时针转动，所述升降机构3随之向右转动，从而实现所述仿生机器鱼的右转；对于布置在所述主齿轮11右侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12缩回并向左摆动，进而拉动所述前支撑杆18绕所述主支撑臂9前端逆时针转动，所述升降机构3随之向右转动，从而实现所述仿生机器鱼的右转。同理，在所述仿生机器鱼需要左转时，控制所述第一电机8的电机轴顺时针旋转，带动所述主齿轮11顺时针旋转，通过齿轮齿条的啮合将动力传递给所述副支撑臂12，对于布置在所述主齿轮11左侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12向内移动；对于布置在所述主齿轮11右侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12向前移动。而与所述主齿轮11啮合的所述副齿轮15逆时针旋转，带动偏心布置的所述滑槽柱13绕所述副旋转柱14做逆时针圆周运动，通过与所述副支撑臂12上槽口的滑动连接，带动所述副支撑臂12的前端向右摆动，对于布置在所述主齿轮11左侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12缩回并向右摆动，进而拉动所述前支撑杆18绕所述主支撑臂9前端顺时针转动，所述升降机构3随之向左转动，从而实现所述仿生机器鱼的左转；对于布置在所述主齿轮11右侧的所述副支撑臂12，则推动所述副支撑臂12伸出并向右摆动，进而拉动所述前支撑杆18绕所述主支撑臂9前端顺时针转动，所述升降机构3随之向左转动，从而实现所述仿生机器鱼的左转。
54.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属
技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。