一种具有双驱动系统的仿生机器鱼的制作方法

本发明涉及水下航行器领域，特别是涉及水下航行器中的仿生机器鱼，适用于解决仿生机器鱼的设计问题及推进系统的效率问题。

背景技术：

为满足开发海洋资源和发展蓝色经济的需要，从上世纪90年代开始，仿生机器鱼成为人们重点发展的对象。传统的水下航行器利用螺旋桨产生推力前进，螺旋桨的效率低且容易受到侧向涡流的干扰，在高转速的情况下会由于空泡的形成而产生噪音。

仿生机器鱼与传统的水下航行器相比具有稳定、高效、噪声低、灵活性好的优点。高效率的推进系统有助于节省能源、提高续航水平、扩大作业范围，两个推进系统配合使用会明显提升仿生机器鱼的机动性和灵活性。研究设计多驱动方式并存的仿生机器鱼对水下实际应用具有重要意义。

1994年mit成功研制出蓝鳍金枪鱼，利用月牙形的尾鳍摆动产生推力。之后，英国、日本对仿生机器鱼展开了研究，我国的高等院校也对仿生机器鱼进行了研究并且取得了丰硕的成果。推进系统单一和转弯半径大是目前仿生机器鱼的不足。

技术实现要素：

为了弥补上述背景技术中提到的推进系统单一和转弯半径大的不足，本发明采用尾部主驱动系统、胸部辅助驱动系统和重心调节系统，设计了一种结构简单、运动灵活、具有扁平体型的双驱动仿生机器鱼，既能实现高速运动、紧急制动和零半径转弯，又能随时调节重心位置完成上升和下潜的姿态改变。

为了实现上述目标，本发明所采用的技术方案包括：

一种具有双驱动系统的仿生机器鱼，主要包括胸部驱动系统（1）、尾部驱动系统（2）、重心调节系统（3）、后部壳体（4）、控制板（5）、前部壳体（6）六部分；除所述六部分外还有可充电锂电池、密封圈、承重板、前卡箍和后卡箍这些零部件，为方便介绍本发明按功能将主要部件具体划分为六部分。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，胸部辅助驱动系统由微型步进电机和胸鳍构成，两个胸鳍分布在躯体左右两侧；微型步进电机采用合金钢齿轮减速，减速比为1:63，微型步进电机采用2相4线，额定电流0.3a，额定电压6v，步距角为18度，相电阻为20欧，线长3cm，输出轴直径为3cm,重量为10g，配备软胶防尘罩；胸鳍选用naca0012翼型，弦长为50mm,材料选用聚甲醛，胸鳍和微型步进电机通过螺栓连接固定。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，尾部主驱动系统由三个舵机、一个尾鳍和一个尾鳍底座构成，舵机和尾鳍形成的驱动方式为三关节驱动；舵机选用20kg大扭力双轴数字舵机，额定电压6v，可控范围角度为180度，线性好精度高，舵机为金属外壳有利于散热，舵机线长30cm，重量为65g；尾鳍形状设计为具有大展弦比的月牙形，虽然月牙形尾鳍比扇形尾鳍产生的推力小，但是月牙形尾鳍效率高于扇形尾鳍，在高频率摆动模式下，大展弦比的刚性尾鳍比弹性尾鳍能产生更大的推力，因此尾鳍选用刚性材料pla。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，重心调节系统由电机、丝杆、导轨、支架、载物台、锂电池组成，通过电机带动丝杆转动实现驱动，载物台承载着锂电池在丝杆的驱动下前后移动，使仿生机器鱼的重心也前后移动从而实现仿生机器鱼上升和下潜的改变；导轨的直径为3mm，丝杆是m4的螺纹，导轨和丝杆均通过支架支撑，导轨的作用一是导向，二是防止载物台转动；电机通过电机支座支撑，使电机输出轴和丝杆保持同轴。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，后部壳体采用软体薄膜材料，软体薄膜前端缠绕在前部壳体上，后端缠绕在尾鳍底座上，前后两端均通过卡箍卡紧。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，采用可充电锂电池供电，通过电路板完成对舵机和电机的控制，启动和停止由手机远程控制，手机和电路板之间通过蓝牙进行信号传输。

上述具有双驱动系统的仿生机器鱼，前部壳体由3d打印制成，材料选用尼龙加玻璃纤维，前部下侧壳体设计密封槽，电池和配重块放置在下侧壳体，重心低增加了仿生机器鱼的稳定性。

本发明主要技术特征总结如下：

设计两种驱动系统，尾部三关节主驱动系统由三个舵机和一个月牙形尾鳍构成，摆动产生主要推力；胸部辅助驱动系统由微型步进电机和胸鳍构成，旋转产生辅助推力，并且可由胸鳍辅助实现紧急制动和零半径转弯；重心调节系统采用丝杆驱动方式，通过调节重心前后移动实现仿生机器鱼的上升和下潜；后部壳体采用软体薄膜材料；通过电路板完成对舵机和电机的控制，电路板由手机通过蓝牙实现远程控制；前部壳体由3d打印制成，材料选用尼龙加玻璃纤维。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，后文结合具体实施例附图对本发明技术特征作了进一步阐释。所采用的具体实施例附图一是能够帮助其他领域人员理解本发明，二是可以为本领域内的设计人员、技术人员提供直观参考。本部分是对所采用的附图的简要说明：

图1是本发明所述仿生机器鱼的整体结构图；

图2是本发明所述仿生机器鱼的胸部驱动系统结构图；

图3是本发明所述仿生机器鱼的尾部驱动系统结构图；

图4是本发明所述仿生机器鱼的重心调节系统结构图；

图中：1.胸部驱动系统，其中1-1胸鳍、1-2微型步进电机；2.尾部驱动系统，其中2-1一号舵机、2-2二号舵机、2-3三号舵机、2-4尾鳍底座、2-5尾鳍；3.重心调节系统，其中3-1锂电池、3-2载物台、3-3右侧导轨、3-4支架、3-5电机、3-6电机支座、3-7底板、3-8丝杆、3-9左侧导轨；4.后部壳体；5.电路板；6.前部壳体。

具体实施方式

下面结合本发明优选的实施例及附图细致、完整地描述本发明的设计制造过程。

首先，需要说明的是所优选的实施例是鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼，鲆鲽鱼躯体扁平增加了游动时的平稳性。本发明的目的是改善仿生机器鱼的机动性能和提升驱动系统效率，所采用的技术是尾部驱动系统和胸部驱动系统混合驱动，重心调节系统完成俯仰调节。根据正弦波动理论，尾部舵机和尾鳍组成的三关节驱动系统做正弦波动，舵机选用20kg大扭力双轴数字舵机，额定电压6v，可控范围角度为180度，线性好精度高，舵机为金属外壳有利于散热，重量为65g，尾鳍形状设计为具有大展弦比的月牙形，尾鳍材料选用pla；胸部驱动系统选用减速比为1:63的微型步进电机，胸鳍截面为naca0012翼型，弦长50mm；重心调节系统由电机、丝杆、导轨、支架、载物台组合而成，导轨的作用一是导向，二是防止载物台转动；前部壳体由3d打印制成，材料选用尼龙加玻璃纤维，后部壳体选用软体薄膜材料，通过卡箍分别固定在前部壳体和尾鳍底座上；采用可充电锂电池供电，电池放置于前部下侧和重心调节系统载物台上，在前部壳体下侧设计有便携式可充电插口，电路板由手机通过蓝牙实现远程控制，在所有硬件搭载完毕后加配重块调节平衡，最后进行水下调试。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种具有双驱动系统的仿生机器鱼，属于水下航行器领域，具体涉及水下航行器中的仿生机器鱼。传统的水下航行器靠螺旋桨推进，缺点是推进方式单一、转弯半径大、效率低、机动性差。基于鲆鲽鱼生物原型，设计了一种结构简单、运动灵活、具有扁平体型的双驱动仿生机器鱼，尾部三关节驱动系统为主驱动系统，胸鳍驱动系统为辅助驱动系统，可以通过控制左右胸鳍的转动实现零半径转向，通过重心调节系统控制重心的位置实现上升和下潜。本发明构造特征包括：设计一个尾鳍和两个胸鳍完成对仿生机器鱼的驱动，可以实现快速启动停止和零半径转弯，由重心调节系统完成对仿生机器鱼的俯仰控制，采用可充电锂电池供电，前部壳体材料是尼龙加玻璃纤维、后部壳体为材料为软体薄膜。

技术研发人员：刘继鑫;严天宏;赵梓奎
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2019.03.25
技术公布日：2019.05.21