一种联动式探测机器鱼的制作方法

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体而言，涉及一种联动式探测机器鱼。

背景技术：

随着工业的进步，人类对各种资源需求的日益增长，陆地上的资源已经逐渐满足不了人们的需求。海洋资源是人类赖以生存也是最具有发展前景的资源。水下机器人也因此成为热点话题和众多学者最重要的研究对象之一，传统意义上的水下潜器往往以液压马达或者电磁马达作为动力来源，采用叶轮和螺旋桨等作为推进器。然而效率较低引起的该类推进器连续工作时间较短；水流环境变化大，噪音大等导致隐蔽性不足等问题都使海洋作业困难重重。

经过亿万年的自然进化，水生鱼类具有非凡的水下游动能力，通过身体姿态调整周围水流状态，以此获得推进力，对于涡流的精确控制使得鱼类游动速度快、推进效率高、机动性好。

发明人在研究中发现，现有的相关技术中至少存在以下缺点：

效率低、转弯噪音大、水流环境变化大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种联动式探测机器鱼，其能够模仿鱼类的游动推进模式，实现鱼身的高效率推进，高机动性转弯，该结构设计合理，实用性强。

本发明的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种联动式探测机器鱼，其包括鱼头组件、胸鳍组件、驱动组件、差动组件、鱼尾组件和鱼鳍，上述鱼头组件包括鱼头电机和鱼头本体，上述鱼头本体通过齿轮组和上述鱼头电机相互配合；上述胸鳍组件包括胸鳍本体和胸鳍舵机，上述胸鳍舵机和上述胸鳍本体相互连接，以带动上述胸鳍本体摆动；上述胸鳍组件通过上述驱动组件和上述差动组件与上述鱼尾组件相互连接，上述鱼鳍设置于上述鱼尾组件远离上述胸鳍组件的另一侧。

该联动式探测机器鱼能够模仿鱼类的游动推进模式，为实现鱼身高效率推进，高机动性转弯，设计出一种联动式机器鱼，该结构设计合理，实用性强。

在本发明的一些实施例中，上述齿轮组包括不完全齿轮和头舱传动齿轮，上述不完全齿轮设置于上述鱼头电机的输出轴上，且和上述头舱传动齿轮相互啮合。

在本发明的一些实施例中，上述鱼头组件还包括传控机构，上述传控机构包括控制器、压力传感器、电池组块和陀螺仪，上述控制器同时与上述压力传感器、上述电池组块和上述陀螺仪电性连接。

在本发明的一些实施例中，上述胸鳍组件还包括支撑架和支撑平台，上述胸鳍本体设置于上述支撑架上，且能够沿上述支撑架的延伸方向摆动，上述胸鳍本体的一端设置有胸鳍从动齿轮，上述胸鳍舵机的一端设置有舵机主动齿轮，上述胸鳍从动齿轮和上述舵机主动齿轮相互啮合；上述支撑架、上述胸鳍本体、上述舵机和上述鱼头电机均设置于上述支撑平台上。

在本发明的一些实施例中，上述驱动组件包括支撑板、驱动舵机、第一轮轴驱动电机、传动轴、第一齿轮轴和第三齿轮轴，上述第三齿轮轴套设于上述第一齿轮轴中；

舵机主动齿轮固定在上述驱动舵机上，且和第二齿轮轴从动齿轮相互啮合；

上述第一轮轴驱动电机通过联轴器和上述传动轴相互连接，上述传动轴上设置有第一齿轮轴主动齿轮，上述第一齿轮轴上设置有第一齿轮轴从动齿轮，上述第一齿轮轴主动齿轮和上述第一齿轮轴从动齿轮相互啮合；

上述驱动舵机的一端设置有第三齿轮轴主动齿轮，上述第三齿轮轴主动齿轮和过度齿轮相互啮合，上述过度齿轮还和设置于上述第三齿轮轴上的第三齿轮轴从动齿轮相互啮合。

在本发明的一些实施例中，上述传动轴通过第一轴承和驱动舵机固定在上述支撑板上。

在本发明的一些实施例中，上述差动组件包括摆动架、第二齿轮轴架、第一传动锥齿轮、第二传动锥齿轮和尾鳍转动齿轮轴，上述第一传动锥齿轮分别与上述第三齿轮轴和上述尾鳍转动齿轮轴相互啮合；上述第二传动锥齿轮设置于上述摆动架上，且与上述第一齿轮轴相互啮合。

在本发明的一些实施例中，上述第二齿轮轴架上设置有第二轴承。

在本发明的一些实施例中，上述鱼尾组件包括万向传动轴、鱼尾连接件、尾鳍连接件和若干摆动关节，若干上述摆动关节通过销轴顺次连接，上述摆动关节具有内部空腔，上述万向传动轴设置于上述内部空腔中，且上述万向传动轴的两端分别与尾鳍转动齿轮轴和尾鳍连接件相互连接，上述鱼尾连接件和上述摆动关节相互连接，上述尾鳍连接件内置于上述鱼尾连接件中，且和上述鱼鳍相互连接。

在本发明的一些实施例中，上述联动式探测机器鱼还包括仿生鱼壳体和鱼皮，上述仿生鱼壳体套设于上述鱼头组件、上述胸鳍组件、上述驱动组件、上述差动组件和上述鱼尾组件，上述鱼皮套设于上述仿生鱼壳体上。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

1)一种联动式机器鱼，包括鱼头组件、胸鳍组件、驱动组件、差动组件、鱼尾组件和鱼鳍，驱动组件带动仿生胸鳍和仿生尾鳍运动，上述鱼头组件内置控制电路，探测传感器，能源电池。鱼头组件可实现鱼头上下仰俯动作，控制鱼体游动方向，驱动装置经第一齿轮轴，第二齿轮轴，第三齿轮轴将动力传递给差动组件，鱼体经过差动可实现关节鱼身的摆动，尾鳍转动以及整体鱼身的转动，驱动组件通过齿轮啮合传动直接将动力传递给鱼尾，通过鱼鳍，鱼身的转动实现机器鱼联合驱动使得机器鱼更加自如、稳定的游动，具有更高的机动性能，更高的效率。

2)胸鳍驱动组件为拍翼式结构，动力由舵机直接驱动，可以实现仿生机器鱼在水中的多种复杂动作，例如前进后退、上升下潜、悬停转弯等等，同时配合仿生尾鳍联合运动，实现了机器鱼在空间中的复杂三维运动，运动性能更佳贴合仿生生物。

3)摆动关节使得尾部具有更好的灵活度，鱼鳍外侧设有柔性蒙皮，密封件为硅胶薄膜，鱼身内部间隙填充硅橡胶，保证灵活度和运行安全，柔性蒙皮为仿鱼皮橡胶，运动特性更接近仿生生物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种联动式探测机器鱼的整体内部结构示意图；

图2为本发明鱼头组件和胸鳍组件的结构示意图；

图3为本发明驱动组件的结构示意图之一；

图4为本发明驱动组件的结构示意图之二；

图5为差动组件的结构示意图；

图6为鱼尾组件的结构示意图；

图7为鱼鳍传动机构的结构示意图。

图标：1-鱼头组件；2-胸鳍本体；3-胸鳍舵机；4-不完全齿轮；5-头舱传动齿轮；6-舵机主动齿轮；7-胸鳍从动齿轮；8-头舱驱动电机；9-支撑架；10-支撑平台；12-第一齿轮轴主动齿轮；13-支撑板；14-舵机主动齿轮；15-第一齿轮轴从动齿轮；16-第二齿轮轴从动齿轮；17-联轴器；18-第一齿轮轴驱动电机；19-第三齿轮轴从动齿轮；20-第三齿轮轴主动齿轮；21-舵机；22-过度齿轮；23-传动轴；24-第一轴承；25-第二轴承；26-第二齿轮轴架；27-第一齿轮轴；28-第三齿轮轴；29-第一传动锥齿轮；30-尾鳍转动齿轮轴；32-第二传动锥齿轮；33-摆动架；34-摆动关节；35-鱼身连接件；36-尾鳍连接件；37-鱼鳍；38-万向传动轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1-图7，图1为本发明提供的一种联动式探测机器鱼的整体内部结构示意图。该联动式探测机器鱼包括鱼头组件1、胸鳍组件、驱动组件、差动组件、鱼尾组件和鱼鳍37，鱼头组件1包括鱼头电机和鱼头本体，鱼头本体通过齿轮组和鱼头电机相互配合；胸鳍组件包括胸鳍本体2和胸鳍舵机213，胸鳍舵机213和胸鳍本体2相互连接，以带动胸鳍本体2摆动；胸鳍组件通过驱动组件和差动组件与鱼尾组件相互连接，鱼鳍37设置于鱼尾组件远离胸鳍组件的另一侧。

值得说明的是，该联动式探测机器鱼能够模仿鱼类的游动推进模式，为实现鱼身高效率推进，高机动性转弯，设计出一种联动式机器鱼，该结构设计合理，实用性强。

请参照图2，图2为本发明鱼头组件1和胸鳍组件的结构示意图。齿轮组包括不完全齿轮4和头舱传动齿轮5，不完全齿轮4设置于鱼头电机的输出轴上，且和头舱传动齿轮5相互啮合。

值得说明的是，通过不完全齿轮4与头舱传动齿轮5相啮合将动力传递给鱼头本体，可实现鱼头本体完成小角度仰俯动作，控制鱼体上浮下潜方向，

不完全齿轮4机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的一种间歇运动机构，其基本结构形式分为外啮合和内啮合两种。根据不完全齿轮4机构的结构特点，当主动轮的有齿部分与从动轮轮齿啮合时，推动从动轮转动；当主动轮的有齿部分与从动轮脱离啮合时，从动轮停歇不动。因此，当主动轮连续转动时，从动轮获得时动时停的间歇运动。从而实现鱼头本体的小角度仰俯动作。不完全齿轮4机构具有结构简单、工作可靠的特点，但其加工艺较复杂。由于从动轮在运动全过程中并非完全等速，每次转动开始和终止时，角速度有突变，存在刚性冲击。

鱼头组件1还包括传控机构，传控机构包括控制器、压力传感器、电池组块和陀螺仪，控制器同时与压力传感器、电池组块和陀螺仪电性连接。

值得说明的是，控制器，压力传感器，电池组块，陀螺仪，可分别实现对鱼体动力输出控制、压力检测、能源供应以及机器鱼运动方向的检测从而提高该机器鱼的使用效果，提高其游动效率。

请再次参照图2，胸鳍组件还包括支撑架9和支撑平台10，胸鳍本体2设置于支撑架9上，且能够沿支撑架9的延伸方向摆动，胸鳍本体2的一端设置有胸鳍从动齿轮7，胸鳍舵机213的一端设置有舵机21主动齿轮146，胸鳍从动齿轮7和舵机21主动齿轮146相互啮合；支撑架9、胸鳍本体2、舵机21和鱼头电机均设置于支撑平台10上。

值得说明的是，胸鳍本体2由支撑架9支撑并固定在支撑平台10上，胸鳍杆端部装有胸鳍从动齿轮7，胸鳍舵机213端装有舵机21主动齿轮146，通过一对啮合齿轮胸鳍舵机213将转矩传递给胸鳍本体2，实现胸鳍上下摆动。

请参照图3和图4，驱动组件包括支撑板13、驱动舵机21、第一轮轴驱动电机、传动轴23、第一齿轮轴27和第三齿轮轴28，第三齿轮轴28套设于第一齿轮轴27中；

舵机21主动齿轮146固定在驱动舵机21上，且和第二齿轮轴从动齿轮16相互啮合；

第一轮轴驱动电机通过联轴器17和传动轴23相互连接，传动轴23上设置有第一齿轮轴27主动齿轮12，第一齿轮轴27上设置有第一齿轮轴27从动齿轮15，第一齿轮轴27主动齿轮12和第一齿轮轴27从动齿轮15相互啮合；

驱动舵机21的一端设置有第三齿轮轴28主动齿轮20，第三齿轮轴28主动齿轮20和过度齿轮22相互啮合，过度齿轮22还和设置于第三齿轮轴28上的第三齿轮轴28从动齿轮19相互啮合。

值得说明的是，该实施例中驱动组件包括一对舵机21和三对传动轮组。第一轮轴驱动电机通过联轴器17连接到传动轴23上，传动轴23通过一对齿轮组将动力传递给第一齿轮轴27。第二齿轮轴和第三齿轮轴28沿轴线左右对称分布，由驱动舵机21通过一对传动齿轮组将转矩传递给第二齿轮轴和第三齿轮轴28。

请参照图5，差动组件包括摆动架33、第二齿轮轴架26、第一传动锥齿轮29、第二传动锥齿轮32和尾鳍转动齿轮轴30，第一传动锥齿轮29分别与第三齿轮轴28和尾鳍转动齿轮轴30相互啮合；第二传动锥齿轮32设置于摆动架33上，且与第一齿轮轴27相互啮合。

值得说明的是，差动组件包括转体架、第一齿轮轴27、第二齿轮轴、第三齿轮轴28和两对锥形齿轮组，第一齿轮轴27通过一对锥齿轮组啮合，将动力传递给多关节鱼身，可实现鱼身左右摆动，第二齿轮轴通过锥形齿轮组将动力传递给鱼鳍37，可实现鱼鳍37转动，第三齿轮轴28与转体架相连，可实现整体鱼身的转动。

请参照图6和图7，鱼尾组件包括万向传动轴3823、鱼尾连接件、尾鳍连接件36和若干摆动关节34，若干摆动关节34通过销轴顺次连接，摆动关节34具有内部空腔，万向传动轴3823设置于内部空腔中，且万向传动轴3823的两端分别与尾鳍转动齿轮轴30和尾鳍连接件36相互连接，鱼尾连接件和摆动关节34相互连接，尾鳍连接件36内置于鱼尾连接件中，且和鱼鳍37相互连接。

值得说明的是，鱼尾组件包括三个摆动关节34，鱼体支撑环，三节万向连接轴，锥形齿轮轴和尾鳍连接件36。三个摆动关节34由销轴连接，可实现其柔性摆动，摆动关节34内部中空，内置三节万向联轴器17，最前端与锥形齿轮轴相连，最后端与尾鳍连接件36相连，万向连接轴可将第二齿轮轴的转矩传递给鳍鱼，又可跟随鱼身左右摆动。

可以理解的是，尾鳍通过销连接在尾鳍连接件36上，尾鳍连接件36连接在摆动关节34中，可随鱼身左右摆动，内部嵌有轴承支撑尾鳍连接轴，可实现尾鳍的转动。

在本实施例中舵机21主动齿轮146模数均为1，二级传动齿轮模数均为0.35，第一齿轮轴27模数为1，第二齿轮轴和第三齿轮轴28模数为0.75。

值得说明的是，鱼体外皮为硅橡胶蒙皮材料，鱼身内部间隙填充703硅橡胶，可保证鱼身整体平滑性和摆动的柔软性。在本实施例中，仿生机器鱼体总长382mm、最大体宽54mm、两胸鳍宽135mm。

工作原理：鱼头电机提供动力，通过不完全齿轮4与头舱传动齿轮5相啮合将动力传递给鱼头本体，可实现鱼头本体完成小角度仰俯动作，控制鱼体上浮下潜方向，一对舵机21本体固定在支撑平台10上提供动力，舵机21主动齿轮146与胸鳍从动齿轮7啮合传递动力，实现一对胸鳍本体2的上下摆动，第一齿轮轴27驱动电机18通过联轴器17与传动轴23相连，通过第一齿轮轴27主动齿轮12、第一齿轮轴27从动齿轮15带动第一齿轮轴27转动，并通过第二传动锥齿轮32、摆动架33将第一齿轮轴27的转动形式转化为摆动架33的摆动并带动鱼尾组件摆动，驱动舵机21提供动力，通过第三齿轮轴28主动齿轮20、过度齿轮22、第三齿轮轴28从动齿轮19将动力传递给第三齿轮轴28，第三齿轮轴28通过第一传动锥齿轮29、尾鳍转动齿轮轴30、万向传动轴3823将动力传递给鱼鳍37，鱼鳍37可实现旋转运动，同一原理驱动舵机21将动力通过舵机21主动齿轮146、第二齿轮轴从动齿轮16传递给第二齿轮轴架26，可实现轴架整体转动，从而带动整个鱼身的转动。

胸鳍驱动组件运动，配合第一齿轮轴27运动时，即第一齿轮轴27驱动电机18运转，经传动齿轮组将动力传递给第一齿轮轴27，第一齿轮轴27与第二传动锥齿轮32啮合，将转动方式转化为摆动方式，第二传动锥齿轮32与摆动架33、摆动关节34相连，从而带动鱼鳍37实现来回摆动。配合第二齿轮轴运动时，即驱动舵机21运转，经传动齿轮组将动力传递给第三齿轮轴28，第三齿轮轴28经传动齿轮组将动力传递给鱼鳍37，可使鱼尾实现正负45度转动，同样原理舵机21将动力经传动齿轮传递给第二齿轮轴架26，三种运动方式经差动装置和控制算法可实现联合运动，第一齿轮轴27实现关节鱼身摆动，第二齿轮轴架26小角度调整体鱼，第三齿轮轴28使尾鳍小角度转动，鱼头组件1可使鱼头本体实现正负40度仰俯运动，几种运动相互配合联动可实现高效率推进直游及上浮下潜或高机动性转弯的运动形式。

综上所述，本发明的实施例提供一种联动式探测机器鱼。该联动式探测机器鱼包括鱼头组件1、胸鳍组件、驱动组件、差动组件、鱼尾组件和鱼鳍37，鱼头组件1包括鱼头电机和鱼头本体，鱼头本体通过齿轮组和鱼头电机相互配合；胸鳍组件包括胸鳍本体2和胸鳍舵机213，胸鳍舵机213和胸鳍本体2相互连接，以带动胸鳍本体2摆动；胸鳍组件通过驱动组件和差动组件与鱼尾组件相互连接，鱼鳍37设置于鱼尾组件远离胸鳍组件的另一侧。该联动式探测机器鱼能够模仿鱼类的游动推进模式，实现鱼身高效率推进，高机动性转弯，该结构设计合理，实用性强。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。