一种新型波动对鳍推进仿生机器鱼的制作方法

专利2022-05-09  5


本发明涉及仿生机器鱼技术领域,尤其涉及一种新型波动对鳍推进仿生机器鱼。



背景技术:

当前关于水下航行载具的研究,分为传统水下作业机器人和仿生机器人两方面。传统水下作业机器人大多采用螺旋桨/泵喷推进模式的水下航行器作为载具,水下仿生机器人借鉴水下生物的生存优势与构造特点,大体形成两种推进模式,即身体/尾鳍推进模式(bcf)和中央鳍/对鳍推进模式(mpf)。其中bcf模式问世较早,经过数十年发展已经有大量科研工作者论证其理论并研发出样机平台,且在部分领域已经得到一定程度的应用。mpf模式作为一种较为新颖的推进模式,凭借其独特的高机动性与稳定性以及广阔的应用前景受到越来越多学者的关注,该模式的大部分理论模型已经得到建立,但技术的优化与改进设计仍需要科研人员不断推进,整体发展目前仍处于技术摸索期。

大部分传统水下作业机器人采用的螺旋桨/泵喷推进模式,其中螺旋桨推进模式具有技术成熟、构造简单、直线加速快、机械效率高等优点,泵喷推进模式具有操纵性高,机械效率低的特点,但该两种推进模式在水下复杂环境中易暴露出机动性差、转弯半径大等缺点。

部分水下仿生机器人所采用的bcf推进模式,其依靠鱼体尾鳍的波动或摆动产生平移波以形成前进的推力,在大航程高速巡游或短直线加速能力方面具有显著的优越性,但其较差的机动性与转弯半径大的缺点,使其缺乏在复杂空间小范围机动的能力。



技术实现要素:

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种新型波动对鳍推进仿生机器鱼,通过搭载不同设备可实现水下复杂地形勘探、线路管道勘察、水下生物观察记录、海洋污染物采集的预期功能。

本发明是通过以下技术方案实现的:

一种新型波动对鳍推进仿生机器鱼,包括有密封壳体,在密封壳体内安装有摆动装置,所述的摆动装置的摆动端分别伸出密封壳体的左右侧,在密封壳体的左右侧分别设有柔性波动鳍,摆动装置的摆动端分别带动两侧的柔性波动鳍上下波动。

所述的摆动装置包括有两组相互平行的传动轴和支撑杆,每组的支撑杆位于传动轴的外侧下方,在两根传动轴上依次间隔安装有多个齿轮传动组件,在齿轮传动组件上安装有凸轮,凸轮通过反转杆销柱一转动连接带槽杆件的一端,带槽杆件的槽穿过支撑杆,在每组传动轴和支撑杆之间连接有多个连接板,所述的连接板与齿轮传动组件一一对应,在每个连接板靠近支撑杆的端部均转动连接连杆的一端,在连杆上沿长度方向设有滑槽,在滑槽上设有滑块,滑块通过反转杆销柱二与带槽杆件的另一端转动连接;还包括有两个相同的电机,两个电机分别带动两个传动轴转动,传动轴带动齿轮传动组件转动,凸轮随着齿轮传动组件转动而转动,凸轮转动时,带动带槽杆件沿着支撑杆摆动,带槽杆件带动滑块滑动,从而带动连杆上下摆动,所述的连杆伸出密封壳体,连杆上下摆动,带动两侧的柔性波动鳍上下波动。

所述的摆动装置左右侧分别设有9个连杆,每侧的9个连杆之间设有相位差。

所述的壳体包括有外壳和内部骨架,所述的内部骨架包括有前后两个椭圆形的底座,两个底座通过两根铝型材联接,所述的传动轴和支撑杆分别安装在两个底座之间;所述的外壳是由头部外壳、尾部外壳、中部外壳、外壳盖以及左右两侧的连接条组成,其中头部外壳、尾部外壳和中部外壳直接通过螺栓固定安装在内部骨架上,所述的外壳盖与中部外壳通过连接条联接。

所述的柔性波动鳍采用三角形界面的长条状硅胶薄膜波动鳍。

在所述的摆动装置中根据不同的接触位置分别设置静密封形式和动密封形式,静密封形式采用o型圈防水密封或者以硅胶皮作为防水材料并将缝隙压紧,在非密封的缝隙涂抹空调防水胶泥;所述的动密封方式采用o型圈作为防水密封材料,防水形式为o型圈动密封形式;

在所述的外壳的各个衔接处加工出沟槽,在沟槽处填充密封胶圈,并在其中衔接的缝处涂抹胶泥,在外壳的外侧衔接位置用密封胶带进行二次加封,将所述的摆动装置伸出来外壳部分分为活动部分和静态部分,对于静态部分,在与外壳的缝隙中添加防水胶圈,活动部分采用细铁丝和薄防水胶皮组成的防水结构密封防水;

所述的电机采用外接电缆进行工作,采用铜质防水口、o型胶圈以及防水胶泥防水密封。

本发明的工作原理:本发明是基于对鳍推进(mpf)模式的仿生机器人,mpf模式是指鱼体借助除身体和尾鳍以外的鳍的拍动或波动产生推进力,使得鱼身向前游动,本发明以鳐鱼为自然原型,它们可以依靠胸鳍的上下扑动产生前进动力,具有高效率的巡游性能和非常好的机动性能。基于该模型我们将推进鳍设置为为成对的胸鳍,通过这些鳍在拍动或波动过程中与水的相互作用,产生推进自身游动的动力,驱动整个身体产生相应的运动,同时产生各自由度方向上的机动性,以实现6个自由度方向上的精确机动性以及原地悬停和转向。通过柔性波动鳍的波动产生推力,模拟自然界中的鳐鱼的运动状态,并采取高效简单的驱动和传动方式实现仿生鳐鱼系统在水下的运动。

本发明的优点是:

1、机动性优良,具有6个自由度的机动性,能够实现原地悬停及转弯,以鳐鱼为模型,通过mpf模式可以轻易地实现6个自由度方向上的机动性能;

2、游动稳定性好抗干扰能力强,鱼体结构采用流线型,极大的减小运动时的阻力,采用波动柔性鳍具有极大的抗压及抗干扰能力;

3、低速游动时具有较高的推进效率,绿色环保,低噪音,低消耗,内部传动结构采用类似于曲柄滑块机构的结构来实现鳍的上下摆动,通过两个电机对鱼鳍进行驱动,相比于多电机具有更高的能量转换效率,以及更好传动效率;

4、本发明基本能够做到mpf模式下的各项功能,能够较为轻易地实现原地转弯,经过优化能够做到原有条件下最优的传动效率以及速度,符合绿色,节能,低噪等特点,在运动过程中能够实现运行平稳,稳定性优良,采用柔性波动鳍大大的提高了鱼体的稳态推进速度。能够实现高驱动功率下的运动。

附图说明

图1为本发明摆动装置结构示意图。

图2为本发明摆动装置侧视图。

图3为本发明柔性波动鳍结构示意图。

图4为本发明传动轴结构示意图。

图5为本发明内部骨架结构示意图。

图6为本发明整体外部结构示意图。

图7为本发明内部骨架加摆动装置结构示意图。

图8为本发明整体侧视图。

具体实施方式

如图6、8所示,一种新型波动对鳍推进仿生机器鱼,包括有密封壳体1,在密封壳体1内安装有摆动装置,所述的摆动装置的摆动端分别伸出密封壳体1的左右侧,在密封壳体1的左右侧分别设有柔性波动鳍2,摆动装置的摆动端分别带动两侧的柔性波动鳍2上下波动。

如图1、2、4所示,所述的摆动装置包括有两组相互平行的传动轴3和支撑杆4,每组的支撑杆4位于传动轴3的外侧下方,在两根传动轴3上依次间隔安装有多个齿轮传动组件5,在齿轮传动组件5上安装有凸轮6,凸轮6通过反转杆销柱一7转动连接带槽杆件8的一端,带槽杆件8的槽穿过支撑杆4,在每组传动轴3和支撑杆4之间连接有多个连接板9,所述的连接板9与齿轮传动组件5一一对应,在每个连接板9靠近支撑杆4的端部均转动连接连杆10的一端,在连杆10上沿长度方向设有滑槽11,在滑槽11上设有滑块12,滑块12通过反转杆销柱二13与带槽杆件8的另一端转动连接;还包括有两个相同的电机,两个电机分别带动两个传动轴3转动,传动轴3带动齿轮传动组件5转动,凸轮6随着齿轮传动组件5转动而转动,凸轮6转动时,带动带槽杆件8沿着支撑杆摆动,带槽杆件8带动滑块12滑动,从而带动连杆10上下摆动,所述的连杆10伸出密封壳体1,连杆10上下摆动,带动两侧的柔性波动鳍2上下波动。

所述的摆动装置左右侧分别设有9个连杆10,每侧的9个连杆10之间设有相位差,以适应柔性波动鳍2的结构。

如图5、7、8所示,所述的壳体包括有外壳和内部骨架,所述的内部骨架包括有前后两个椭圆形的底座19,两个底座19通过两根铝型材14联接,所述的传动轴3和支撑杆4分别安装在两个底座19之间;所述的外壳是由头部外壳15、尾部外壳16、中部外壳17、外壳盖18以及左右两侧的连接条20组成,其中头部外壳15、尾部外壳16和中部外壳17直接通过螺栓固定安装在内部骨架上,所述的外壳盖18与中部外壳17通过连接条20联接。

如图3所示,所述的柔性波动鳍2采用三角形界面的长条状硅胶薄膜波动鳍。

在所述的摆动装置中根据不同的接触位置分别设置静密封形式和动密封形式,静密封形式采用o型圈防水密封或者以硅胶皮作为防水材料并将缝隙压紧,在非密封的缝隙涂抹空调防水胶泥;所述的动密封方式采用o型圈作为防水密封材料,防水形式为o型圈动密封形式;

在所述的外壳的各个衔接处加工出沟槽,在沟槽处填充密封胶圈,并在其中衔接的缝处涂抹胶泥,在外壳的外侧衔接位置用密封胶带进行二次加封,将所述的摆动装置伸出来外壳部分分为活动部分和静态部分,对于静态部分,在与外壳的缝隙中添加防水胶圈,活动部分采用细铁丝和薄防水胶皮组成的防水结构密封防水;

所述的电机采用外接电缆进行工作,采用铜质防水口、o型胶圈以及防水胶泥防水密封。

1、摆动机构是机器鱼在水中运动形态的保证,是整个机器鱼的重要组成部分。为实现仿生机器鱼在水下运动的平稳性,高效性,采用齿轮、凸轮、带槽杆件等多种机构相互配合,仿生机器鱼的骨架部分,通过浇筑胸鳍形成一层轻薄的弹性层,用以增加游动的平稳性。就能够实现在水中的不同运动状态。

结构内部构造设计了由齿轮,凸轮、反转杆销柱、滑块、带槽杆件等若干零件组成的摆动装置,摆动机构由连结在凸轮上的带有滑块的连杆带动鳍条进行往复摆动,结构简单可靠,转换效率高并且容易制作,可行性高。

该机器人的传动结构设计简单,采用两部同规格电机进行驱动,每一部电机带动一侧的9个连杆,进行摆动。摆动机构由凸轮、齿轮传动组件,带有滑槽和滑块的连杆组成,结构简单可靠,转换效率高并且容易制作,可行性高。机器人的整个传动机构由单个摆动机构、传动杆、电机、减速器以及安放传动杆和电机的底座组成。运行时,电机由减速器减速传递运动后,经由传动杆带动一侧的9个提前设置好相位差并且固定在传动杆上的摆动装置完成往复摆动。

2、机器鱼在水下的动力问题:

为了实现在水下对鱼游动姿态的控制,使机器鱼在水中运动能够稳定,采用一款深水数字舵机作为驱动装置,舵机的基本参数如表所示:

该型号数字电机具有以下优点:

(1)结构紧凑,重量轻,规格小

(2)扭矩大,方向可控,控制简单

(3)结构强度大,抗压防水,不易损坏

3、机器鱼在水下的防水问题:

由于仿生鳐鱼的工作环境在水中,对于整个系统的防水密封要求较高,考虑到不同位置的防水需求,分别采用了不同的防水密封方式,以保证仿生鳐鱼在水中能够正常工作。

(一)传动机构的防水密封:

在传动机构中根据不同的接触位置分别设置静密封形式和活塞杆动密封形式。静密封采用o型圈防水密封或者自制硅胶皮作为防水材料并用机构之间的缝隙压紧,在非密封的缝隙可以涂抹空调防水胶泥进行进一步防水;动防水密封方式可以采用o型圈作为防水密封材料,防水形式为o型圈动密封形式,为保密封效果可以采用双o型圈进行密封(二)外壳的防水密封:

机器鱼外壳由上下两以及头部和尾部组成,外壳的防水工作尤为重要,因为一旦外壳进水不但会引起整个机器鱼的电路问题损坏电机等还会引起重心位置改变,鱼体倾覆甚至是翻转问题,所以这个部分的防水工作我们拟在外壳衔接处加工出沟槽,在沟槽处填充密封胶圈,并在其中衔接的缝处涂抹胶泥,在外壳外侧衔接位置进行用密封胶带进行二次加封,以达到一个良好的密封效果。由于内部结构有一部分是突出外壳伸展至外部环境的,并且伸展出来的部分分为活动部分和静态部分,对于静态部分,只需在与外壳的缝隙种添加防水胶圈即可,对于活动部分,我们设计了利用细铁丝和薄防水胶皮组成的防水结构,可以避免活动部分直接接触外部环境。

(三)电机电缆引线口的防水密封:

因为鱼体本身的空间有限以及出于对鱼体质量和体积,不适合内置电源。所以采用外接电缆进行工作,采用铜质防水口、o型胶圈以及防水胶泥来保证该部分的防水工作。

(四)机器鱼摆动反转和倾覆问题的避免

机器人的最终工作环境大多为水下环境,为保证样机在水下能够以正常的姿态工作,避免由于质量分配不均匀导致的机器人发生倾覆和翻转。因此在设计过程中要考虑质量分配问题。即在漂浮水面的时候,重心与浮心处在同一铅垂线上且重心位于浮心的下方。该机器人包括本体与左右波动鳍部分,分别以m1,m2,m3来表示,机器人的重心坐标以xc,yc,zc表示,则:

而机器人的浮心位置是由机器人的表面实体化而得到的体积形心位置,本体部分、左侧、右侧波动鳍的外形体积分别以v1、v2、v3表示,样机整体浮心坐标分别以xc、yc、zc表示,则有

当后期机器人加工好之后算出浮心和重心,若满足上述条件,则符合预期设计。

5.柔性波动鳍的设计与制作加工

对波动鳍进行了设计,参考了国内外波动鳍的案例及制作方法,决定采用类三角形界面的长条状波动鳍,材料选用方面考虑到波动鳍需要产生柔性变形的需要,制作材料应当尽量选择高弹性柔软度高的材料,最终决定采用硅胶薄膜为材料,制作方法为用双组份的液体硅胶经由加工制作的硅胶模具进行灌注成型经加温固化后得到成品。灌注的模具由上下两部分组成,中间形成空腔,制作时将鳍条提前放入下半部分模具进行灌注,完成波动鳍与鳍条的固定。模具采用abs工程塑料制成,具有良好的力学性能。

6.鱼体外壳的制作与加工

外壳设计方面,我们先后做出了三种外形方案,模型使用anasys的workbench来实现仿真,利用fluent模块进行流速图的计算,由于模型较为简单,直接使用模块中的网格划分软件进行划分,得出结论:具有扁平特征且高度小的外形设计能够减小尾流,具有较为理想的效果。并依此结论设计了外壳。

在实际制作机器鱼外壳的过程中,拟采用abs塑料作为外壳的材料,通过3d打印技术,直接生成机器鱼头部,鱼体,鱼尾三个部分的外壳模型,头部尾部与中间通过底座设置的螺栓进行稳定连接、中部的鱼体由上下端盖通过提前加工出的防水装置,由鱼体外表面弧度进行装配。在保证鱼体与真实鳐鱼的形态满足仿真需求的同时,实现鱼体的密封处理。

(1)机器鱼内部骨架构造方案

机器鱼内部骨架如图5,采用了前后两个类椭圆形的底座被两根铝型材联接,并在两个底座下部贯穿两根细不锈钢柱来进一步加固,最终确定出一个体长一米的类柱体的内部空间,在铝型材上每间隔一定距离布置一个异形结构片,共9个,以便摆动装置的安装。

(2)传动系统构造方案

传动系统构造,采用了由伺服电机驱动两根贯穿于前后底座的传动轴,在传动轴上每间隔一定距离固结一对齿轮来带动内部结构,共9对,齿轮随传动轴转动而转动。

(3)鳍条摆动装置构造方案

摆动装置由齿轮,凸轮、反转杆销柱、滑块、带槽杆件等若干零件组成的摆动装置,摆动机构由连结在凸轮上的带有滑块的连杆带动鳍条进行往复摆动,结构简单可靠。摆动装置的齿轮与传动轴上的齿轮啮合,由传动系统提供动力,凸轮固结与摆动装置的齿轮上,随其转动而转动,凸轮转动时,带动由销柱连接的摆杆,摆个带动滑块导轨部分实现摆动。

转载请注明原文地址: https://doc.8miu.com/read-150392.html

最新回复(0)