一种仿生水下推进器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生水下推进器及其控制方法，该推进器包括仿生鱼头、均匀分布于所述仿生鱼头后端外侧面的若干个击水鳍，以及无线控制器，每个所述击水鳍包括两个仿生关节和一个尾鳍顺次连接而成，仿生鱼头包括一壳体和设于所述壳体内的控制电路板，所述仿生关节与所述控制电路板连接，所述控制电路板与所述无线控制器连接，所述尾鳍呈刚度递减的月牙结构。本发明中，无线控制器发送信号至控制电路板，通过控制电路板控制仿生关节带动尾鳍进行波动运动或拍动运动，实现波动推进或射流推进以及两种模式之间的自由切换，不仅可以满足复杂的水下环境和不断提出的新型水下作业任务要求，而且在推进的过程中不会出现左右摇晃和失衡的问题，稳定可靠。
【专利说明】
-种仿生水下推进器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及仿生技术领域，具体设及一种仿生水下推进器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 水下生物卓越的游动性能，长久W来一直吸引着众多的科研人员围绕其做研究， 期望通过模拟水下生物高超的游动技能，为人类设计的各种水下装置提供性能优异的推进 器。波动推进和射流推进是水生动物普遍采用的游动模式，是水生动物在复杂的水环境中 生存，历经漫长的进化而形成的各具特色的运动能力。波动推进具有高效、高机动性、对环 境振动小的优点;射流推进具有瞬间加速快、环境适应性强的优点。
[0003] 近年来，国内外学者在仿鱼水下波动推进和仿生喷射推进方面都展开了相关的研 究，并研制了大量的仿生水下机器人模型。然而，目前的研究工作大多局限在对单体水生动 物或单一推进模式的简单模仿，只能在特定的条件下完成有限的任务，无法满足复杂的水 下环境和不断提出的新型水下作业任务要求。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种仿生水下推进器及其控制方法，W解决现有技术中存在的推进 模式单一，适用范围局限，无法满足复杂的水下环境和新型水下作业任务的问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种仿生水下推进器，包括仿生鱼 头、均匀分布于所述仿生鱼头后端外侧面的若干个击水罐，W及无线控制器，每个所述击水 罐包括两个仿生关节和一个尾罐顺次连接而成，所述仿生鱼头包括一壳体和设于所述壳体 内的控制电路板，所述仿生关节与所述控制电路板连接，所述控制电路板与所述无线控制 器连接，所述尾罐呈刚度递减的月牙结构。
[0006] 进一步的，所述仿生鱼头还包括设于所述壳体内的支撑框架、设于所述支撑框架 上的电池组和若干红外传感器，所述红外传感器设于所述仿生鱼头的前端，且连接至所述 控制电路板，所述控制电路板设于所述支撑框架上。
[0007] 进一步的，所述支撑框架包括设于所述仿生鱼头后端内侧面的竖向支撑板和与所 述竖向支撑板连接的水平支撑板，所述电池组固设于所述竖向支撑板和横向支撑板上，
[000引进一步的，每个所述红外线传感器的下方设有一固定支座，所述固定支座固设于 所述支撑框架上。
[0009]进一步的，所述仿生关节包括舱机、分别套设于所述舱机的上部和下部且紧密配 合的上壳体和下壳体、设于所述上壳体上方的第一侧板、活动设于所述下壳体下方的第二 侧板、两端分别连接所述第一侧板和第二侧板的摆杆、W及设于所述第一侧板和上壳体之 间的盖板，所述舱机的输出轴依次连接一转盘和一伸出轴，所述转盘设于所述上壳体内，所 述伸出轴依次穿过所述上壳体和盖板之后与所述第一侧板固定连接，所述上壳体和下壳体 采用金属材料制成，所述下壳体的其中一个侧面连接至所述仿生鱼头后端外侧面或相邻仿 生关节的摆杆，所述尾罐连接至相邻所述仿生关节的摆杆上。
[0010] 进一步的，所述上壳体和所述盖板的内部均设有与所述伸出轴相适配的通孔，所 述伸出轴与所述上壳体靠近所述盖板一侧的通孔之间设有防水垫圈。
[0011] 进一步的，所述击水罐的数量为3个或4个，每个所述击水罐通过一垫板固定在所 述仿生鱼头的后端外侧面上。
[0012] 本发明还提供一种仿生水下推进器的控制方法，通过无线控制器发送控制信号至 控制电路板，通过控制电路板控制所述仿生关节内舱机输出轴的转动参数，从而控制对应 摆杆的转动，使所述尾罐做波动运动或拍动运动，W实现波动推进或射流推进。
[0013] 进一步的，所述舱机输出轴的转动参数包括转动方向、转动角速度和转动的角度。
[0014] 进一步的，所述尾罐做波动运动具体为:第一仿生关节中的摆杆相对仿生鱼头的 后端面W设定频率和幅度上下摆动，第二仿生关节中的摆杆相对第一仿生关节W设定频率 和幅度上下摆动;所述尾罐做拍动运动具体为:第一仿生关节中的摆杆相对仿生鱼头的后 端面W设定频率和幅度上下摆动，第二仿生关节中的摆杆相对第一仿生关节静止。
[0015] 本发明一种仿生水下推进器及其控制方法，所述推进器包括仿生鱼头、均匀分布 于所述仿生鱼头后端外侧面的若干个击水罐，W及无线控制器，每个所述击水罐包括两个 仿生关节和一个尾罐顺次连接而成，所述仿生鱼头包括一壳体和设于所述壳体内的控制电 路板，所述仿生关节与所述控制电路板连接，所述控制电路板与所述无线控制器连接，所述 尾罐呈刚度递减的月牙形结构。通过在仿生鱼头后端外侧面上设置若干个击水罐，每个击 水罐包括至少两个仿生关节和一个尾罐顺次连接而成，无线控制器发送信号至控制电路 板，通过控制电路板控制仿生关节带动尾罐进行波动运动或拍动运动，实现波动推进或射 流推进W及两种模式之间的自由切换，不仅可W满足复杂的水下环境和不断提出的新型水 下作业任务要求，而且在推进的过程中不会出现左右摇晃和失衡的问题，稳定可靠;此外通 过将尾罐设置成刚度递减的月牙结构，提高了尾罐的推进力和推进器的模仿能力。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明仿生水下推进器的立体图；
[0017] 图2是本发明仿生水下推进器的结构示意图；
[0018] 图3是本发明仿生水下推进器中仿生关节的结构示意图；
[0019] 图4是本发明仿生水下推进器中仿生关节的爆炸图。
[0020] 图中所示：1、仿生鱼头；11、壳体；12、支撑框架；121、竖向支撑板；122、水平支撑 板;2、击水罐;21、仿生关节;21a、第一仿生关节;2化、第二仿生关节;210、防水垫圈；211、舱 机;2111、输出轴;2112、水平凸起;212、上壳体;2121、第一水平连接部;213、下壳体;2131、 水平台阶；2132、第二水平连接部;2133、圆形连杆;214、第一侧板;215、第二侧板;216、摆 杆;217、盖板;218、转盘;2181、圆形卡口； 219、伸出轴；22、尾罐;3、无线控制器;4、垫板;5、 电池组;6、红外传感器;7、固定支座。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作详细描述：
[0022] 如图1-2所示，本发明提供了一种仿生水下推进器，包括仿生鱼头1、均匀分布于所 述仿生鱼头1后端外侧面的若干个击水罐2, W及无线控制器3,每个所述击水罐2包括两个 仿生关节21和一个尾罐22顺次连接而成，所述仿生鱼头1包括一壳体11和设于所述壳体11 内的控制电路板（图中未标出），所述仿生关节21与所述控制电路板连接，所述控制电路板 与所述无线控制器3连接，所述尾罐22呈刚度递减的月牙结构。优选的，所述击水罐2的数量 为3个或4个，所述击水罐2通过一垫板4固定在所述仿生鱼头1的后端外侧面上。具体的，本 实施例中击水罐2的数量为4个，沿仿生鱼头1后端外侧面的边缘均匀分布，每个所述击水罐 2由第一仿生关节21a和第二仿生关节2化和尾罐22依次连接而成，控制电路板上设有无线 接收器用于接收无线控制器的控制指令，并通过控制指令控制第一仿生关节21a和第二仿 生关节2化的转动方式，从而带动尾罐22做波动运动或拍动运动，当然也可实现转弯和制动 等动作，W实现波动推进模式或射流推进模式，W及两者之间的自由切换，不仅可W满足复 杂的水下环境和不断提出的新型水下作业任务要求，而且在推动的过程中不会出现左右摇 晃和失衡的问题，稳定可靠;将尾罐22设置成刚度递减的月牙结构，提高了尾罐22的仿生效 果，即与现实鱼类尾己的结构更加接近，设计更加科学，进一步提高了推进器的模仿能力。
[0023] 优选的，所述仿生鱼头1还包括设于所述壳体11内的支撑框架12、设于所述支撑框 架12上的电池组5和若干红外传感器6,所述红外传感器6设于所述仿生鱼头1的前端，且连 接至所述控制电路板，所述控制电路板设于所述支撑框架12上，电池组5用于对控制电路板 进行供电，。如图1所示，本实施例中，红外传感器6设有3个，分别与仿生鱼头1前端的开口位 置相对应，用于检测前方障碍物，当检测到障碍物时便发送信号反馈至控制电路板，并通过 控制电路板将信号发送至无线控制器3,无线控制器3控制击水罐2转动使仿生鱼头1向指定 方向转弯W避开障碍物。
[0024] 优选的，所述支撑框架12包括设于所述仿生鱼头1后端内侧面的竖向支撑板121和 与所述竖向支撑板121连接的水平支撑板122,所述电池组5固设于所述竖向支撑板121和水 平支撑板122上。具体的，水平支撑板122连接至所述竖向支撑板121的中间位置，电池组5设 有两组，分别设于水平支撑板122的两侧，且一端与竖向支撑板121固定连接。
[0025] 优选的，每个所述红外线传感器6的下方设有一固定支座7,所述固定支座7固设于 所述支撑框架12上，固定支座7设于水平支撑板122靠近仿生鱼头1前端的一侧，用于对红外 线传感器6进行固定。
[0026] 如图3所示，所述仿生关节21包括舱机211、分别套设于所述舱机211的上部和下部 且紧密配合的上壳体212和下壳体213、设于所述上壳体212上方的第一侧板214、活动设于 所述下壳体213下方的第二侧板215、两端分别连接所述第一侧板214和第二侧板215的摆杆 216、W及设于所述第一侧板214和上壳体212之间的盖板217，所述舱机211的输出轴2111依 次连接一转盘218和一伸出轴219,所述转盘218设于所述上壳体212内，所述伸出轴219依次 穿过所述上壳体212和盖板217之后与所述第一侧板214固定连接，所述上壳体212和下壳体 213采用金属材料制成，所述下壳体213的其中一个侧面连接至所述仿生鱼头1后端外侧面 或相邻仿生关节21的摆杆219,所述尾罐22连接至相邻所述仿生关节21的摆杆219上。具体 的，所述上壳体212和下壳体213相对的一侧分别设有与所述舱机211相适配的空腔，所述舱 机211限位于两者围成的空腔内，即上壳体212中设有与舱机211上部分相适配的空腔，下壳 体213中设有与舱机211下部分相适配的空腔，舱机211限位于上壳体212和下壳体213的空 腔内，实现密封的效果。优选的，所述下壳体213下方凸设有圆形连杆2133,所述圆形连杆 2133与所述第二侧板215活动连接。具体的，所述舱机211的输出轴2111与转盘218的一端联 动连接，所述转盘218的另一端与伸出轴219固定连接，本实施例中伸出轴219靠近转盘218 的一端与转盘218的形状相适配，两者通过螺钉固定连接，所述第一侧板214中设有与所述 伸出轴219相适配的通孔，所述伸出轴219与所述第一侧板214固定连接，所述第二侧板215 中设有与所述圆形连杆2133相适配的通孔，所述圆形连杆2133与所述第二侧板215活动连 接，第二侧板215可绕圆形连杆2133之间转动，第一侧板214和第二侧板215之间连有摆杆 216,舱机211与控制电路板连接，并根据控制电路板发出的控制信号通过输出轴2111将旋 转力矩传递至伸出轴11，带动转盘218和伸出轴219转动，从而带动第一侧板214转动，第一 侧板214转动带动摆杆216和第二侧板215转动，从而带动与摆杆216连接的仿生关节21或尾 罐22做波动运动或拍动运动，W实现波动推进或射流推进，W及转弯或制动灯动作。
[0027]优选的，所述舱机211沿长度方向的两个侧面上分别设有水平凸起2112,所述下壳 体213的空腔内沿长度方向的两个侧面上分别设有与所述水平凸起2112相适配的水平台阶 2131，所述水平凸起2112搭设在所述水平台阶2131上，且两者之间通过螺钉固定连接，下壳 体213通过水平台阶2131对舱机211进行平稳支撑，同时水平凸起2112和水平台阶2131之间 通过螺钉固定连接，对舱机211进行有效固定，避免舱机211相对下壳体213发生移动;优选 的，所述舱机211与所述上壳体212和下壳体213的内壁之间均设有空隙，即上壳体212和下 壳体213内部空腔的尺寸大于舱机211的尺寸，即舱机211的下部在上壳体212和下壳体213 内悬空设置，W减少舱机211与上壳体212和下壳体213之间的接触面积，提高了对上壳体 212和下壳体213的减震效果，提高了对舱机211的密封性能。
[00%]如图4所示，所述上壳体212和下壳体213的相对一侧沿长度方向的两个侧面上分 别设有第一水平连接部2121和第二水平连接部2132,所述第一水平连接部2121和第二水平 连接部2132可拆卸连接，即上壳体212沿长度方向的两个侧面上设有第一水平连接部2121， 下壳体213沿长度方向的两个侧面上设有第二水平连接部2132,第一水平连接部2121和第 二水平连接部2132之间可拆卸连接，本实施例中，通过螺栓连接，方便安装和拆卸，拆装方 便，便于对舱机211及其他部件进行检测维修，提高了使用便捷度。
[0029] 优选的，所述第二水平连接部2132沿长度方向的其中一个侧面上设有若干螺纹 孔，本实施例中螺纹孔的数量为3个，用于与仿生鱼头1后端外侧面或其他仿生关节21之间 进行有效连接。
[0030] 优选的，所述转盘218靠近所述舱机211的输出轴2111的一侧凸设一圆形卡口 2181，所述输出轴2111伸入所述圆形卡口 2181内，两者联动连接，如通过联锁卡片进行连 接，转盘218随输出轴2111的转动而转动，从而带动伸出轴219转动。
[0031] 请继续参照图2,所述上壳体212和所述盖板217的内部均设有与所述伸出轴219相 适配的通孔，所述伸出轴219与所述上壳体212靠近所述盖板217-侧的通孔之间套设有防 水垫圈210,优选的，所述防水垫圈210采用软橡胶材料制成，用于对上壳体212的通孔进行 密封，避免伸出轴219在转动时与通孔之间产生间隙而导致进水，降低对舱机211的密封效 果。
[0032] 本发明还提供一种仿生水下推进器的控制方法，通过无线控制器3发送控制信号 至控制电路板，通过控制电路板控制所述仿生关节21内舱机211输出轴2111的转动参数，从 而控制对应摆杆216的转动，使所述尾罐22做波动运动或拍动运动，W实现波动推进或射流 推进，W及转弯或制动等动作。优选的，舱机211输出轴2111的转动参数包括转动方向、转动 角速度和转动的角度。具体的，舱机211与控制电路板连接，根据控制电路发出的控制信号， 通过输出轴2111将旋转力矩传递至伸出轴11，带动转盘218和伸出轴219转动，从而带动第 一侧板214转动，第一侧板214转动带动摆杆216和第二侧板215转动，从而带动与摆杆216连 接的仿生关节21或尾罐22做波动运动或拍动运动，W实现波动推进或射流推进。所述尾罐 22做波动运动具体为:第一仿生关节21a中的摆杆216相对仿生鱼头1的后端面W设定频率 和幅度上下摆动，第二仿生关节2化中的摆杆216相对第一仿生关节21aW设定频率和幅度 上下摆动;所述尾罐22做拍动运动具体为:第一仿生关节21a中的摆杆216相对仿生鱼头1的 后端面W设定频率和幅度上下摆动，第二仿生关节2化中的摆杆216相对第一仿生关节21a 静止。当需要实现波动推进时，第一仿生关节21a的转动参数为:转动方向为:顺时针0.5秒， 逆时针0.5秒、转动的角速度为:^rad/s，转动的角度为60度，第二仿生关节2化的转动参数 为（相对第一仿生关节21a):转动方向为：顺时针0.5秒，逆时针0.5秒、转动的角速度为： -^13(1/8，转动的角度为6〇度，当需要实现射流推进时，第一仿生关节213的转动方向为:顺时 针0.5秒，逆时针1秒，转动的角速度为:张开角速度为收缩角速度为转动 台 3 的角度为60度，针对本实施例中4个击水罐2的情况，即进行射流推进时，四个尾罐22张开用 的时间是收缩到一起时间的两倍。另外根据鱼类波动摆尾曲线，波动推进时，第一仿生关节 21a和第二仿生关节21b具有转动相位差，运里设为此外，为了使波动推进和射流推进 时相对分布的尾罐22的转动方向相反，即相对设置的两个尾罐22之间的转动相位差为π。
[0033] 综上所述，本发明一种仿生水下推进器及其控制方法，所述推进器包括仿生鱼头 1、均匀分布于所述仿生鱼头1后端外侧面的若干个击水罐2, W及无线控制器3,每个所述击 水罐2包括至少两个仿生关节21和一个尾罐22顺次连接而成，所述仿生关节21与所述无线 控制器3无线连接，所述尾罐22呈厚度递减的月牙结构。通过在仿生鱼头1后端外侧面上设 置若干个击水罐2,每个击水罐2包括至少两个仿生关节21和一个尾罐22顺次连接而成，通 过无线控制器3和控制电路板控制仿生关节21带动尾罐22进行波动运动或拍动运动，实现 波动推进或射流推进W及两种模式之间的自由切换，不仅可W满足复杂的水下环境和不断 提出的新型水下作业任务要求，而且在推进的过程中不会出现左右摇晃和失衡的问题，稳 定可靠;此外通过将尾罐22设置成刚度递减的月牙结构，提高了尾罐22的推进力和推进器 的模仿能力。
[0034] 虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但运些实施方式只是作为提示， 不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均 应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种仿生水下推进器，其特征在于，包括仿生鱼头、均匀分布于所述仿生鱼头后端外 侧面的若干个击水鳍，以及无线控制器，每个所述击水鳍包括两个仿生关节和一个尾鳍顺 次连接而成，所述仿生鱼头包括一壳体和设于所述壳体内的控制电路板，所述仿生关节与 所述控制电路板连接，所述控制电路板与所述无线控制器连接，所述尾鳍呈刚度递减的月 牙结构。2. 根据权利要求1所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述仿生鱼头还包括设于所述 壳体内的支撑框架、设于所述支撑框架上的电池组和若干红外传感器，所述红外传感器设 于所述仿生鱼头的前端，且连接至所述控制电路板，所述控制电路板设于所述支撑框架上。3. 根据权利要求2所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述支撑框架包括设于所述仿 生鱼头后端内侧面的竖向支撑板和与所述竖向支撑板连接的水平支撑板，所述电池组固设 于所述竖向支撑板和水平支撑板上。4. 根据权利要求3所述的仿生水下推进器，其特征在于，每个所述红外线传感器的下方 设有一固定支座，所述固定支座固设于所述支撑框架上。5. 根据权利要求1所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述仿生关节包括舵机、分别 套设于所述舵机的上部和下部且紧密配合的上壳体和下壳体、设于所述上壳体上方的第一 侧板、活动设于所述下壳体下方的第二侧板、两端分别连接所述第一侧板和第二侧板的摆 杆、以及设于所述第一侧板和上壳体之间的盖板，所述舵机的输出轴依次连接一转盘和一 伸出轴，所述转盘设于所述上壳体内，所述伸出轴依次穿过所述上壳体和盖板之后与所述 第一侧板固定连接，所述上壳体和下壳体采用金属材料制成，所述下壳体的其中一个侧面 连接至所述仿生鱼头后端外侧面或相邻仿生关节的摆杆，所述尾鳍连接至相邻所述仿生关 节的摆杆上。6. 根据权利要求5所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述上壳体和所述盖板的内部 均设有与所述伸出轴相适配的通孔，所述伸出轴与所述上壳体靠近所述盖板一侧的通孔之 间设有防水垫圈。7. 根据权利要求1所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述击水鳍的数量为3个或4 个，每个所述击水鳍通过一垫板固定在所述仿生鱼头的后端外侧面上。8. -种仿生水下推进器的控制方法，其特征在于，通过无线控制器发送控制信号至控 制电路板，通过控制电路板控制所述仿生关节内舵机输出轴的转动参数，从而控制对应摆 杆的转动，使所述尾鳍做波动运动或拍动运动，以实现波动推进或射流推进。9. 根据权利要求8所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述舵机输出轴的转动参数包 括转动方向、转动角速度和转动的角度。10. 根据权利要求9所述的仿生水下推进器，其特征在于，所述尾鳍做波动运动具体为： 第一仿生关节中的摆杆相对仿生鱼头的后端面以设定频率和幅度上下摆动，第二仿生关节 中的摆杆相对第一仿生关节以设定频率和幅度上下摆动;所述尾鳍做拍动运动具体为:第 一仿生关节中的摆杆相对仿生鱼头的后端面以设定频率和幅度上下摆动，第二仿生关节中 的摆杆相对第一仿生关节静止。
【文档编号】B63H1/36GK105836084SQ201610340649
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】谢鸥, 颜钦, 尚文
【申请人】苏州科技学院