CN101301926B - 具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，它涉及一种用于水下的仿生机器鱼。本发明为了解决现有的仿生机器鱼存在升潜速度不高、升潜特性差、尾鳍运动参数调整不方便等问题。所述丝杠(11)的另一端通过丝杠端盖(3)与活塞(4)固接在一起，活塞(4)设置在缸筒(1)内，缸筒端盖(6)的一端与缸筒(1)固接；直齿圆锥大齿轮(38)安装在中心轴(43)上，中心轴(43)的两端与箱体(39)的两侧转动连接，两套滑动机构总成(84)分别通过第一偏心轴(25)、第二偏心轴(41)安装在第一圆盘(22)、第二圆盘(44)上。本发明所述的仿生机器鱼具备良好升潜特性，仿生效果好，易于实现机器鱼尾鳍运动参数的调整，鱼体摆动不明显，运动稳定性好。

Description

具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种用于水下的仿生机器鱼。

背景技术

作为一种新型的水下推进器，仿生机器鱼具有能源利用率高、流体性能更加完善、机动性能好、低噪声、实现了推进器与舵的统一、驱动方式多样化等优点。仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，也可以进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等许多场合。军事方面，由于仿生机器鱼在声纳上的表现形式和生物鱼类几乎相同，并且具有噪声低，对环境扰动小，敌方不容易发现等特点，这极有利于隐蔽。鉴于仿生机器鱼的诸多优点，国内外学者越来越重视新型仿生机器鱼的研究与开发，1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼(Robotuna)。此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点。1995年，MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”，旨在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。1998年，MIT推出了Robotuna的最高版本VCUUV。美国东北大学海洋科学中心用形状记忆合金和链杆结构开发了波动推进的机器鳗鱼。英国Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动，特别是非稳定游动方面。日本名古屋大学先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼。从1999年开始，日本运输省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。在国内，哈尔滨工业大学陈维山老师的课题组在国家自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机。北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测。哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机，可完成直航、回转和改变下潜深度等动作。

但目前国内外仿生机器鱼主要采用胸鳍实现升潜，使得升潜速度不高，不能实现无尾部推进力情况下的升潜，且机器鱼尾鳍运动参数调整不方便，鱼体摆动明显，运动稳定性较差，不利于实现高效推进。

发明内容

本发明为了解决现有的仿生机器鱼存在升潜速度不高、升潜特性差、尾鳍运动参数调整不方便、鱼体摆动明显、运动稳定性较差、不利于实现高效推进等问题，进而提供了一种具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括半椭圆形鱼头、鱼体圆管、圆锥形尾体、支座，仿生机器鱼还包括升潜模块和尾部模块；所述升潜模块包括升潜模块直流力矩电机、直齿圆柱小齿轮、直齿圆柱大齿轮、丝杠、缸筒、活塞、丝杠端盖、缸筒端盖、电机支座、轴承总成；所述尾部模块包括尾部模块升潜模块直流力矩电机、直齿圆锥小齿轮、直齿圆锥大齿轮、箱体、中心轴、第一圆盘、第二圆盘、第一偏心轴、第二偏心轴、两套滑动机构总成、第一连杆总成、第二连杆总成、端盖、尾部支座、L型尾柄、摆柄、L型尾鳍柄、尾鳍、连杆；所述半椭圆形鱼头安装在支座上，支座固装在缸筒上，缸筒与鱼体圆管的前端固接，鱼体圆管的后端与端盖固接，圆锥形尾体安装在端盖上，端盖与尾部支座固接；所述升潜模块直流力矩电机安装在电机支座上，直齿圆柱小齿轮安装在升潜模块直流力矩电机的输出轴上，直齿圆柱小齿轮与直齿圆柱大齿轮相啮合，直齿圆柱大齿轮旋合在丝杠上，丝杠的一端穿出电机支座的外部，丝杠的另一端通过丝杠端盖与活塞固接在一起，活塞设置在缸筒内，直齿圆柱大齿轮安装在缸筒端盖上，直齿圆柱大齿轮与缸筒端盖之间装有轴承总成，缸筒端盖的一端与缸筒固接，缸筒端盖另的一端与电机支座固接；尾部模块升潜模块直流力矩电机安装在箱体上，直齿圆锥小齿轮、直齿圆锥大齿轮均设置在箱体内，直齿圆锥小齿轮安装在尾部模块升潜模块直流力矩电机的输出轴上，直齿圆锥小齿轮与直齿圆锥大齿轮相啮合，直齿圆锥大齿轮安装在中心轴上，中心轴的两端与箱体的两侧壁转动连接，第一圆盘、第二圆盘分别固装在中心轴的两端上，两套滑动机构总成分别通过第一偏心轴、第二偏心轴安装在第一圆盘、第二圆盘上，端盖的一端面与箱体连接，端盖的另一端面与尾部支座固接，尾部支座与L型尾柄的弯折处及摆柄的一端铰接在一起，两套滑动机构总成通过第一连杆总成、第二连杆总成分别与L型尾柄的一端及摆柄的另一端铰接，L型尾柄的另一端与L型尾鳍柄的弯折处铰接，L型尾鳍柄的一端通过连杆与摆柄的另一端铰接，L型尾鳍柄的另一端与尾鳍固接。

本发明具有以下有益效果：本发明所述的仿生机器鱼实现了水下三自由度游动，具备良好升潜特性，仿生效果好，易于实现机器鱼尾鳍运动参数的调整，鱼体摆动不明显，运动稳定性好。本发明的具体优点表现在以下几个方面：第一种仿生机器鱼由于采用上述技术方案，具有以下优点：一、具有低阻的外形，可实现直线推进、转弯、升潜和逆向游动的三维动作，且升潜模块和尾部模块相互独立，装卸调整方便互不影响；二、机器鱼尾部模块机构简单可靠，易于实现尾鳍运动参数的调整，尾柄、尾鳍自身质量很小，尾柄摆动击水产生的水动力很小，这有助于抑制鱼体摆动；三、升潜模块置于鱼体内部，鱼体外表面光滑简单，密封简单方便，也有利于减小形体阻力；四、升潜模块设置在鱼体前端，保证机器鱼浮力作用点位于升潜模块和尾部驱动模块的中间，从而将改变机器鱼重量实现升潜和改变机器鱼重心位置实现升潜融合到一起，机器鱼尾部不摆动时，可以实现竖直方向升潜，可以很好的对机器鱼的潜水深度进行控制，当尾部快速摆动时，由于融合了两种升潜方式，能实现快速的升潜；五、可实现机器鱼无尾鳍推进力情况下的升潜，当尾部驱动机构出现故障时仍可以实现可靠的升潜。本发明经水下实验证明达到了预期发明目的。

附图说明

图1是本发明的主视图，图2是图1的俯视图，图3是本发明的升潜模块的放大图，图4是图3的A-A剖视图，图5是本发明的尾部模块放大图，图6是图5的B-B局部剖视图，图7～10是本发明所述机器鱼的升潜原理示意图(图7对应活塞位于缸筒中间位置的状态图，图8是图7的俯视图，图9对应活塞位于缸筒最前端的状态图，图10对应活塞位于缸筒最后端的状态)，图11～14是本发明所述机器鱼向前推进过程中尾部模块在一个尾部摆动周期内的运动示意图(设机器鱼尾部摆动周期为T，图11所示为t＝0时刻尾部模块运动状态图，图12所示为t＝T/4时刻尾部模块运动状态图，图13所示为t＝T/2时刻尾部模块运动状态图，图14所示为t＝3T/4时刻尾部模块运动状态图)，图15～18是发明所述机器鱼逆向游动过程中尾部模块在一个尾部摆动周期内的运动示意图(设机器鱼尾部摆动周期为T，图15所示为t＝0时刻尾部模块运动状态图，图16所示为t＝T/4时刻尾部模块运动状态图，图17所示为t＝T/2时刻尾部模块运动状态图，图18所示为t＝3T/4时刻尾部模块运动状态图)，图19是本发明所述并联式机器鱼的立体图，图20是本发明所述并联式机器鱼的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括半椭圆形鱼头56、鱼体圆管60、圆锥形尾体62、支座58，仿生机器鱼还包括升潜模块81和尾部模块82；所述升潜模块81包括升潜模块直流力矩电机13、直齿圆柱小齿轮12、直齿圆柱大齿轮10、丝杠11、缸筒1、活塞4、丝杠端盖3、缸筒端盖6、电机支座8、轴承总成83；所述尾部模块82包括尾部模块升潜模块直流力矩电机20、直齿圆锥小齿轮37、直齿圆锥大齿轮38、箱体39、中心轴43、第一圆盘22、第二圆盘44、第一偏心轴25、第二偏心轴41、两套滑动机构总成84、第一连杆总成85、第二连杆总成86、端盖26、尾部支座33、L型尾柄34、摆柄50、L型尾鳍柄35、尾鳍36、连杆51；所述半椭圆形鱼头56安装在支座58上，支座58固装在缸筒1上，缸筒1与鱼体圆管60的前端固接，鱼体圆管60的后端与端盖26固接，圆锥形尾体62安装在端盖26上，端盖26与尾部支座33固接；所述升潜模块直流力矩电机13安装在电机支座8上，直齿圆柱小齿轮12安装在升潜模块直流力矩电机13的输出轴上，直齿圆柱小齿轮12与直齿圆柱大齿轮10相啮合，直齿圆柱大齿轮10旋合在丝杠11上，丝杠11的一端穿出电机支座8的外部，丝杠11的另一端通过丝杠端盖3与活塞4固接在一起，活塞4设置在缸筒1内，直齿圆柱大齿轮10安装在缸筒端盖6上，直齿圆柱大齿轮10与缸筒端盖6之间装有轴承总成83，缸筒端盖6的一端与缸筒1固接，缸筒端盖6另的一端与电机支座8固接；尾部模块升潜模块直流力矩电机20安装在箱体39上，直齿圆锥小齿轮37、直齿圆锥大齿轮38均设置在箱体39内，直齿圆锥小齿轮37安装在尾部模块升潜模块直流力矩电机20的输出轴上，直齿圆锥小齿轮37与直齿圆锥大齿轮38相啮合，直齿圆锥大齿轮38安装在中心轴43上，中心轴43的两端与箱体39的两侧壁转动连接，第一圆盘22、第二圆盘44分别固装在中心轴43的两端上，两套滑动机构总成84分别通过第一偏心轴25、第二偏心轴41安装在第一圆盘22、第二圆盘44上，端盖26的一端面与箱体39连接，端盖26的另一端面与尾部支座33固接，尾部支座33与L型尾柄34的弯折处及摆柄50的一端铰接在一起，两套滑动机构总成84通过第一连杆总成85、第二连杆总成86分别与L型尾柄34的一端及摆柄50的另一端铰接，L型尾柄34的另一端与L型尾鳍柄35的弯折处铰接，L型尾鳍柄35的一端通过连杆51与摆柄50的另一端铰接，L型尾鳍柄35的另一端与尾鳍36固接。所述鱼体圆管60是由有机玻璃材料制成。通过尾部模块，实现了尾鳍36的平动摆动复合运动；升潜模块通过一个滑动螺旋传动副(直齿圆柱大齿轮10、丝杠11)实现活塞4的前后移动，完成吸排水(从图1的C处进排水)，从而实现机器鱼升潜。当尾鳍的平动摆动相位差为90°时，机器鱼实现推进；改变尾部模块力矩电机的输入电压的方向，使电机反转，使得尾鳍平动运动和摆动运动之间的相位差为-90°，机器鱼实现逆向游动；在机器鱼向前推进过程中，尾鳍摆到左侧最大摆幅处停止，机器鱼实现向左转向；尾鳍摆到右侧最大摆幅处停止，机器鱼实现向右转向。

具体实施方式二：如图1～6所示，本实施方式所述两套滑动机构总成84分别由滑块24、两个直线导轨21、两个直线轴承23、拉杆27、可伸缩橡胶管28组成，所述两个直线导轨21分别水平穿过滑块24两端上的通孔24-1，所述两个直线轴承23分别装在两个直线导轨21和滑块24之间，且两个直线轴承23分别与滑块24固接，所述两个直线导轨21的两端分别与箱体39、端盖26固接，滑块24上沿长度方向开有长孔24-2，一套滑动机构总成84中的滑块24通过装在其长孔24-2内的第一偏心轴25安装在第一圆盘22的偏心位置处，另一套滑动机构总成84中的滑块24通过装在其长孔24-2内的第二偏心轴41安装在第二圆盘44的偏心位置处，拉杆27的一端与滑块24固接，拉杆27的另一端与装在端盖26上的可伸缩橡胶管28连接。两个直线导轨21、两个直线轴承23对滑块24有定位和支撑的作用。通过第一偏心轴25、第二偏心轴41实现两侧滑块的直线往复运动，右侧滑块通过尾部联杆机构实现尾鳍平动运动，左侧滑块通过尾部机构实现尾鳍摆动运动，从而实现了尾鳍的平动摆动复合运动。在第一偏心轴25、第二偏心轴41的带动下实现两套滑动机构总成84上的滑块24做直线往复运动，右侧滑块24的直线运动通过拉杆27和第一连杆总成85最终转换成尾柄34的摆动运动，从而实现尾鳍36的平动运动，可伸缩橡胶管28实现拉杆27的密封，左侧滑块24的直线往复运动通过拉杆27、第二连杆总成85、摆柄50、连杆51和L型尾鳍柄35最终转换成尾鳍36的摆动运动，为尾鳍36击水提供合适的击水角度。通过调整第二连杆总成86的长度可实现对尾鳍击水角度的调整。通过更换不同长度的尾柄34和连杆51可以实现尾鳍36平动摆动轴平动幅值的调整。在在第一圆盘22、第二圆盘44上均加工有多个偏心轴的安装位置，通过改变第一偏心轴25、第二偏心轴41的安装位置，可以实现对尾鳍平动运动和摆动运动之间的相位差的调整。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图5所示，本实施方式所述第一连杆总成85、第二连杆总成86均是长度可调整的连杆。所述第一连杆总成85、第二连杆总成86均由前接头47、中间连杆48、后接头49组成，中间连杆48的两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹，前接头47、后接头49通过中间连杆48螺接。通过旋转中间连杆48可改变第一连杆总成85、第二连杆总成86的长度，通过调整第一连杆总成85的长度可实现尾柄初始位置的修正，通过调整第二连杆总成86的长度可实现对尾鳍击水角度的调整。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图3和图4所示，本实施方式所述升潜模块81还包括检测杆5、第一减摩套筒14、第二减摩套筒16、第一检测环15、第二检测环17、第一接近传感器18、第二接近传感器19、第一连接件7、第二连接件9；所述检测杆5由前至后依次穿过缸筒端盖6、电机支座8并安装在活塞4上，所述第一减摩套筒14、第一检测环15、第二减摩套筒16、第二检测环17由前至后依次套装在检测杆5上，第一接近传感器18通过第一连接件7安装在缸筒端盖6上，第二接近传感器19通过第二连接件9安装在电机支座8上，所述第一接近传感器18、第二接近传感器19的位置分别与第一检测环15、第二检测环17相对应。升潜模块工作时，活塞4相对缸筒1有三种位置，分别是位于缸筒最前端、缸筒中间和缸筒最后端；通过第一接近传感器18、第二接近传感器19、第一检测环15、第二检测环17的配合工作实现活塞的定位。第一接近传感器18、第二接近传感器19对第一减摩套筒14、第二减摩套筒16不敏感，只有在第一检测环15或第二检测环17进入其检测范围时，才输出高电压，其它时刻输出低电压。当第一接近传感器18输出高电压，第二接近传感器19输出低电压时，活塞位于缸筒的最前端；当第一接近传感器18、第二接近传感器19均输出高电压时，活塞位于缸筒中间位置；当第一接近传感器18输出低高电压，第二接近传感器19输出高电压时，活塞位于缸筒的最后端。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：如图5所示，本实施方式所述第一减摩套筒14、第二减摩套筒16均由聚四氟乙烯材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。第一接近传感器18、第二接近传感器19对聚四氟乙烯材料不敏感，同时由聚四氟乙烯材料制成的第一减摩套筒14、第二减摩套筒16具有减摩作用。

具体实施方式六：如图1～6所示，本实施方式所述检测杆5、第一检测环15、第二检测环17均由钢质材料制成。接近传感器对钢质检测环敏感。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：如图1～6所示，本实施方式所述尾部模块82还包括接近传感器40，所述接近传感器40安装在箱体39上。接近传感器40实现尾部摆动周期的测量。在滑块24运动到最左端时接近传感器40输出高电压。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图1～6所示，本实施方式所述所述尾部模块82还包括减摩环29，尾部模块所有的铰接位置处均设置有减摩环29。具有减摩作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：如图1～6所示，本实施方式所述减摩环29由聚四氟乙烯材料制成。减摩作用效果好。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：如图1和图2所示，本实施方式所述仿生机器鱼还包括第一橡胶垫圈57、第二橡胶垫圈59、第三橡胶垫圈61，所述第一橡胶垫圈57安装在半椭圆形鱼头56和支座58之间，所述第二橡胶垫圈59安装在缸筒1和鱼体圆管60之间，所述第三橡胶垫圈61安装在鱼体圆管60和端盖26之间。具有密封作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：本发明所述机器鱼的样机总长度1037mm(不含尾鳍)，鱼体直径220mm，机器鱼排水质量26.2kg，升潜模块最大吸排水质量为1847g，尾柄长度200mm，尾鳍展弦比2.75，尾鳍有效面积0.0176m²。在10m×20m×2m实验水池中进行了水下实验，在尾柄摆角幅值为24°，尾鳍攻角幅值为40°，尾部摆动频率为2Hz时，机器鱼推进速度可达0.62m/s；尾部摆动频率为1.6Hz时，逆向游动速度可达0.14m/s；在尾部无摆动的情况下，机器鱼最大上升速度可达0.35m/s，最大下潜速度可达0.32m/s；在机器鱼获一定的初始速度后，通过尾鳍的单侧摆停，实现了转向。

具体实施方式十二：如图19和图20所示，本实施方式提供了一种并联式机器鱼，所述并联式机器鱼包含两个如具体实施方式一所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，所述两个仿生机器鱼对称布置，所述并联式机器鱼还包括两个第一连杆64、两个第二连杆66，所述每个第一连杆64的两端分别与支座58固接，所述每个第二连杆66的两端分别与端盖26固接。两个尾部模块按照对称规律摆动可实现游动过程中并联式机器鱼的鱼体无摆动；其中的一个尾部模块单独工作时可以实现灵活的转向；两个升潜模块同时排水，并联式机器鱼上升，两个升潜模块同时吸水，并联式机器鱼下潜，并联式机器鱼的一侧升潜模块吸水，另一侧升潜模块排水，并联式机器鱼实现侧倾。当两个升潜模块的活塞均处于缸筒中间位置时，并联式机器鱼的游动为无升潜游动；当两个升潜模块的活塞均处于缸筒最前端时，并联式机器鱼实现上升；当两个升潜模块的活塞均处于缸筒最后端时，并联式机器鱼实现下潜；当一个升潜模块的活塞处于缸筒最前端，而另一个升潜模块的活塞位于缸筒最后端时，并联式机器鱼实现绕OX轴的转动。当两个尾部模块采用对称规律摆动并且保证尾鳍平动运动和摆动运动之间的相位差为90°时，并联式机器鱼实现向前推进且鱼体无摆动；改变尾部模块电机转动方向，会使得尾鳍平动运动和摆动运动之间的相位差变为-90°，并联式机器鱼实现逆向游动；当只有左侧尾部模块工作时，并联式机器鱼实现向右转向；当只有右侧尾部模块工作时，并联式机器鱼实现向左转向。该并联式机器鱼的特点在于两个尾部模块对称摆动可以实现鱼体无摆动，具有很好的运动稳定性，转向更加灵活。

工作原理：

本发明所述的升潜模块设置在鱼体前端，以保证机器鱼浮力作用点位于升潜模块和尾部驱动模块的中间，从而将改变机器鱼重量实现升潜和改变机器鱼重心位置实现升潜的融合在一起；活塞位于缸筒中间位置时，机器鱼的重力和浮力大小相等，重心位于浮力作用点的正下方并且二者连线垂直于鱼体中线，机器鱼的游动为无升潜游动；活塞移动到缸筒最前端，将缸筒内的水全部排出，一方面会使重力小于浮力，另一方面会使重心后移鱼头上倾，机器鱼实现上升；活塞移动到缸筒最后端，缸筒内吸满水，一方面使得重力大于浮力，另一方面会使重心前移鱼头下倾，机器鱼实现下潜。

如图7～10所示，本发明所述机器鱼采用吸排水实现升潜，并且将改变机器鱼自身重量实现升潜和改变机器鱼重心位置实现升潜融合到一起。图8对应活塞位于缸筒中间位置的状态，此时机器鱼重心G位于浮力作用点F的正下方，鱼体呈水平状态，机器鱼的游动为无升潜游动；图9对应活塞位于缸筒最前端的状态，将缸筒内部水全部排出，一方面会使得机器鱼的重力减小，重力小于浮力，另一方面会使机器鱼重心由G₀点后移至G₁点，鱼体上倾，机器鱼上升；图10对应活塞位于缸筒最后端的状态，将缸筒内吸满水，一方面会使得机器鱼的重力增加，重力大于浮力，另一方面会使机器鱼重心由G₀点前移至G₂点，鱼体下倾，机器鱼下潜。

如图11～14所示，设机器鱼尾部摆动周期为T。图11所示为t＝0时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于中间位置，尾柄摆角为0，下侧滑块位于最前端，尾鳍具有负向最大击水角度；图12所示为t＝T/4时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于最前端，尾柄摆动到正向最大摆幅，下侧滑块位于中间位置，尾鳍与鱼体夹角为0；图13所示为t＝T/2时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于中间位置，尾柄摆角为0，下侧滑块位于最后端，尾鳍具有正向最大击水角度；图14所示为t＝3T/4时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于最后端，尾柄摆到负向最大摆幅，下侧滑块位于中间位置，尾鳍与鱼体夹角为0。这样保证尾鳍的平动运动和摆动运动之间的相位差为90°，在整个摆动周期内尾鳍击水均对机器鱼推进做正功。

如图15～18所示，设机器鱼尾部摆动周期为T。图15所示为t＝0时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于中间位置，尾柄摆角为0，下侧滑块位于最前端，尾鳍具有负向最大击水角度；图16所示为t＝T/4时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于最后端，尾柄摆动到负向最大摆幅，下侧滑块位于中间位置，尾鳍与鱼体夹角为0；图17所示为t＝T/2时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于中间位置，尾柄摆角为0，下侧滑块位于最后端，尾鳍具有正向最大击水角度；图18所示为t＝3T/4时刻尾部模块运动状态，此时尾部模块上侧滑块位于最前端，尾柄摆到正向最大摆幅，下侧滑块位于中间位置，尾鳍与鱼体夹角为0。这样保证尾鳍的平动运动和摆动运动之间的相位差为-90°，在整个摆动周期内尾鳍击水均对机器鱼逆向游动做正功。

Claims (10)

1.一种具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括半椭圆形鱼头(56)、鱼体圆管(60)、圆锥形尾体(62)、支座(58)，其特征在于仿生机器鱼还包括升潜模块(81)和尾部模块(82)；所述升潜模块(81)包括升潜模块直流力矩电机(13)、直齿圆柱小齿轮(12)、直齿圆柱大齿轮(10)、丝杠(11)、缸筒(1)、活塞(4)、丝杠端盖(3)、缸筒端盖(6)、电机支座(8)、轴承总成(83)；所述尾部模块(82)包括尾部模块升潜模块直流力矩电机(20)、直齿圆锥小齿轮(37)、直齿圆锥大齿轮(38)、箱体(39)、中心轴(43)、第一圆盘(22)、第二圆盘(44)、第一偏心轴(25)、第二偏心轴(41)、两套滑动机构总成(84)、第一连杆总成(85)、第二连杆总成(86)、端盖(26)、尾部支座(33)、L型尾柄(34)、摆柄(50)、L型尾鳍柄(35)、尾鳍(36)、连杆(51)；所述半椭圆形鱼头(56)安装在支座(58)上，支座(58)固装在缸筒(1)上，缸筒(1)与鱼体圆管(60)的前端固接，鱼体圆管(60)的后端与端盖(26)固接，圆锥形尾体(62)安装在端盖(26)上，端盖(26)与尾部支座(33)固接；所述升潜模块直流力矩电机(13)安装在电机支座(8)上，直齿圆柱小齿轮(12)安装在升潜模块直流力矩电机(13)的输出轴上，直齿圆柱小齿轮(12)与直齿圆柱大齿轮(10)相啮合，直齿圆柱大齿轮(10)旋合在丝杠(11)上，丝杠(11)的一端穿出电机支座(8)的外部，丝杠(11)的另一端通过丝杠端盖(3)与活塞(4)固接在一起，活塞(4)设置在缸筒(1)内，直齿圆柱大齿轮(10)安装在缸筒端盖(6)上，直齿圆柱大齿轮(10)与缸筒端盖(6)之间装有轴承总成(83)，缸筒端盖(6)的一端与缸筒(1)固接，缸筒端盖(6)的另一端与电机支座(8)固接；尾部模块升潜模块直流力矩电机(20)安装在箱体(39)上，直齿圆锥小齿轮(37)、直齿圆锥大齿轮(38)均设置在箱体(39)内，直齿圆锥小齿轮(37)安装在尾部模块升潜模块直流力矩电机(20)的输出轴上，直齿圆锥小齿轮(37)与直齿圆锥大齿轮(38)相啮合，直齿圆锥大齿轮(38)安装在中心轴(43)上，中心轴(43)的两端与箱体(39)的两侧壁转动连接，第一圆盘(22)、第二圆盘(44)分别固装在中心轴(43)的两端上，两套滑动机构总成(84)分别通过第一偏心轴(25)、第二偏心轴(41)安装在第一圆盘(22)、第二圆盘(44)上，端盖(26)的一端面与箱体(39)连接，端盖(26)的另一端面与尾部支座(33)固接，尾部支座(33)与L型尾柄(34)的弯折处及摆柄(50)的一端铰接在一起，两套滑动机构总成(84)通过第一连杆总成(85)、第二连杆总成(86)分别与L型尾柄(34)的一端及摆柄(50)的另一端铰接，L型尾柄(34)的另一端与L型尾鳍柄(35)的弯折处铰接，L型尾鳍柄(35)的一端通过连杆(51)与摆柄(50)的另一端铰接，L型尾鳍柄(35)的另一端与尾鳍(36)固接。

2.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述两套滑动机构总成(84)分别由滑块(24)、两个直线导轨(21)、两个直线轴承(23)、拉杆(27)、可伸缩橡胶管(28)组成，所述两个直线导轨(21)分别水平穿过滑块(24)两端上的通孔(24-1)，所述两个直线轴承(23)分别装在两个直线导轨(21)和滑块(24)之间，且两个直线轴承(23)分别与滑块(24)固接，所述两个直线导轨(21)的两端分别与箱体(39)、端盖(26)固接，滑块(24)上沿长度方向开有长孔(24-2)，一套滑动机构总成(84)中的滑块(24)通过装在其长孔(24-2)内的第一偏心轴(25)安装在第一圆盘(22)的偏心位置处，另一套滑动机构总成(84)中的滑块(24)通过装在其长孔(24-2)内的第二偏心轴(41)安装在第二圆盘(44)的偏心位置处，拉杆(27)的一端与滑块(24)固接，拉杆(27)的另一端与装在端盖(26)上的可伸缩橡胶管(28)连接。

3.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述第一连杆总成(85)、第二连杆总成(86)均是长度可调整的连杆；所述第一连杆总成(85)、第二连杆总成(86)均由前接头(47)、中间连杆(48)、后接头(49)组成，中间连杆(48)的两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹，前接头(47)、后接头(49)通过中间连杆(48)螺接。

4.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述升潜模块(81)还包括检测杆(5)、第一减摩套筒(14)、第二减摩套筒(16)、第一检测环(15)、第二检测环(17)、第一接近传感器(18)、第二接近传感器(19)、第一连接件(7)、第二连接件(9)；所述检测杆(5)由前至后依次穿过缸筒端盖(6)、电机支座(8)并安装在活塞(4)上，所述第一减摩套筒(14)、第一检测环(15)、第二减摩套筒(16)、第二检测环(17)由前至后依次套装在检测杆(5)上，第一接近传感器(18)通过第一连接件(7)安装在缸筒端盖(6)上，第二接近传感器(19)通过第二连接件(9)安装在电机支座(8)上，所述第一接近传感器(18)、第二接近传感器(19)的位置分别与第一检测环(15)、第二检测环(17)相对应。

5.根据权利要求4所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述第一减摩套筒(14)、第二减摩套筒(16)均由聚四氟乙烯材料制成。

6.根据权利要求4所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述检测杆(5)、第一检测环(15)、第二检测环(17)均由钢质材料制成。

7.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述尾部模块(82)还包括接近传感器(40)，所述接近传感器(40)安装在箱体(39)上。

8.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述尾部模块(82)还包括减摩环(29)，尾部模块所有的铰接位置处均设置有减摩环(29)；所述减摩环(29)由聚四氟乙烯材料制成。

9.根据权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，其特征在于所述仿生机器鱼还包括第一橡胶垫圈(57)、第二橡胶垫圈(59)、第三橡胶垫圈(61)，所述第一橡胶垫圈(57)安装在半椭圆形鱼头(56)和支座(58)之间，所述第二橡胶垫圈(59)安装在缸筒(1)和鱼体圆管(60)之间，所述第三橡胶垫圈(61)安装在鱼体圆管(60)和端盖(26)之间。

10.一种并联式机器鱼，所述并联式机器鱼包含两个如权利要求1所述的具有升潜模块和尾部模块的仿生机器鱼，所述两个仿生机器鱼对称布置，所述并联式机器鱼还包括两个第一连杆(64)、两个第二连杆(66)，所述每个第一连杆(64)的两端分别与支座(58)固接，所述每个第二连杆(66)的两端分别与端盖(26)固接。

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