[发明专利]仿生机器魟鱼及其运动方式

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生水下机器鱼及其运动方式，属于仿生机器鱼技术领域。

背景技术

海洋面积占地球面积的71%，海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪被称为海洋的世纪，人类开发海洋和利用海洋的脚步，随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋救捞、管道等人造水下结构物检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人（Unmanned Underwater Vehicle, UUV），已成为探索、开发海洋资源和海洋防卫的重要工具。

模仿鱼类的游动推进模式，研制出高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼，用以进行水下复杂环境作业，已经成为研究人员追求的目标。随着机电一体化技术、计算机技术、流体力学和仿生学等相关学科的发展，科研人员研制出了多种类型的仿生机器鱼。目前，现有的仿生机器鱼主要是模仿鱼类的身体/尾鳍推进模式（body and/or caudal fin，BCF）实现游动。而模仿鱼类的中央鳍/对鳍推进模式（Median and/or pair fin，MPF）中的鳍波动推进方式游动的仿生机器鱼，因其良好的游动机动性、稳定性和较高的推进效率而成为研究人员近年来研究的热点。

国防科技大学以尼罗河魔鬼鱼为仿生对象，理论分析了鳍波动推进的波形、推力和效率，并进行了相关的流体动力学研究，研制了长背鳍波动推进器。中科院自动化研究所从尼罗河魔鬼鱼的带状鳍运动得到灵感，研制了以两个带状长鳍驱动的仿生机器鱼。日本大阪大学户田研究室成功研制了“鱿鱼”水下机器人，它长而扁平的身体结构能够很容易地进入狭窄复杂的水下区域。它的两侧分别安装17个橡胶鳍，这些橡胶鳍通过内置的伺服电机致动器可使机器人有节奏地向前游动。南洋理工大学研制了带状长鳍推进器。该推进器由电机带动鳍条(曲轴)转动，鳍条间由薄膜连接，该机构能实现前进、后退等功能。美国西北大学Michael Epstein等人发表的文章“A Biologically Inspired Robotic Ribbon Fin”介绍了该校开发的模拟裸背电鳗目辐鳍鱼纲魔鬼刀鱼的臀鳍带状鳍推进装置（见图1）。该带状鳍包括13个电机驱动的鳍条，通过所有鳍条的规律摆动实现柔性鳍面的鳍波动推进运动。该推进装置中电机按直线等距离排布固定在直线滑轨上，电机通过锥齿轮带动鳍条运动，柔性鳍面将所有鳍条连接起来。该带状鳍推进装置能够在电机的驱动下实现类似鱼类的鳍波动运动，但由于电机直线排布的方式使得其只能模仿弓鳍目和裸背鳗鱼类的背鳍和臀鳍的鳍波动运动模式，游动的机动性不足，运动模式单一。

上述以鳍波动方式游动推进的仿生机器鱼和推进机构都以电机直线排布的带状长鳍作为推进装置，游动的灵活性差，且只能模仿单一的鱼类游动模式。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模仿多种鱼类游动模式运动的，具有较高游动速度和较好机动性的仿生机器鱼及其运动方式。为水下探测、救捞以及海洋资源开发提供一种新型的工具。

为了实现上述目标，以海洋软骨鱼类魟鱼的外形、身体结构和运动方式为参考，以结构简单，控制方便为设计思想，本发明的一种仿生机器魟鱼，其特征在于：所述的仿生机器魟鱼包括机身、推进机构、能源及控制系统、沉浮控制机构和姿态调整机构组成；其中能源及控制系统包括电池和控制系统硬件电路；其中机身由上壳体和下壳体组成，所述的能源及控制系统、姿态调整机构和沉浮控制机构均位于机身内；其中推进机构由N个沿周向安装于机身内侧的伺服电机、N个分别垂直安装于所述伺服电机输出轴且伸出机身并用封严圈密封的柔性鳍条、通过所述柔性鳍条安装于机身外周的环形弹性鳍面组成；其中沉浮控制机构安装于机身底部，由微型水泵、弹性贮水舱、第一连接导管和第二连接导管组成；其中第一连接导管一端与外界相连另一端与微型水泵连接，第二连接导管一端与微型水泵连接另一端与弹性贮水舱连接。

上述仿生机器魟鱼的姿态调整机构具体可以采用以下结构：包括第一水平直线导轨和垂直安装于第一水平直线导轨上的第二水平直线导轨，上述能源及控制系统安装于第二水平直线导轨上，起到质量块的作用。通过电机带动导轨运动，可以调整安装在导轨上的能源及控制系统的水平位置，从而改变机器鱼的重心位置，来调整机器鱼游动过程中的姿态。

所述仿生机器魟鱼的运动方式，其特征在于该仿生机器魟鱼通过N个伺服电机的规律旋转运动带动N个柔性鳍条实现规律摆动运动，从而带动弹性鳍面呈现出鳍面运动形状，以实现模仿鱼类鳐科模式、尾鳍摆动模式和水母游动模式的游动运动。