一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人的制作方法

1.本发明涉及一种水下机器人，尤其涉及一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人，属于水下机器人技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着陆地资源开发接近尾声，人们开始把目光投向广阔的海洋。海洋面积约占地球表面积的71％，资源十分丰富。例如可燃冰，其是一种被称为天然气水合物的新型矿物，它能量密度高，燃烧后近乎无污染。据测算，仅中国南海的可燃冰资源量就达700亿吨油当量，约相当于中国陆上油气资源量总数的1/2。受限于海底条件复杂，深度多为几千或上万米，目前人们已探知的海底只有海洋面积的5％，还有大片的区域等待开发。面对着远超人类下潜极限的水深和丰富的资源储藏，科学家们着手研发能够潜入深海的水下机器人，水下机器人下潜深度大，安全系数高，自身能集成多种传感器，是探索海洋的有力帮手，近年一大批水下机器人设备涌现。
3.螺旋桨结构简单、操纵灵活直观，传统的水下机器人多采用螺旋桨式推进器作为推进装置。但受限于机械结构与推进机理，其存在着对环境扰动大、噪声大、推进效率低以及机动性隐蔽性差的缺点。鱼类作为海洋的“原住民”，其经历了数亿年的进化过程，游动方式呈现出对海洋环境的高度适应性，它们各自的生物结构可以视为不同水况下游动的最优解。随着仿生学和计算机科学不断发展进步，以及对新材料的研究与认识的基础上，科学家开始将鱼类游动模式应用于水下机器人的研制，以期研制出高效率、高机动性、高航速以及高稳定性的水下机器人。
4.根据推进部位的不同lindsey将鱼类推进模式分为两大类：bcf(body and/or caudal fin propulsion)推进模式和mpf(media and/or paired fin propulsion)推进模式。bcf推进模式虽然速度快，但稳定性较差、低速时推进效率低。mpf推进模式具有高稳定性、高机动性、高效率等特性。类蝙蝠鱼的游动模式为mpf推进模式，rosenberger分析了八种类蝙蝠鱼的运动学，识别出一个连续的运动频谱，范围从rajiform波动(多个行进波穿过鳍和身体)到mobuliform摆动(以胸鳍的广泛拍打为特征)。相比传统螺旋桨推进器，mpf推进模式属于无噪声推进，产生的尾涡较少，难以被侦测，其军事价值显得更为突出。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有低速稳定性、高效机动性的仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人，该装置包括水下机器人耐压舱体1，舵机201、202、203、204、205、206、207、208、209、210，柔性鳍301、302，水下机器人内部有重心调节机构5，控制模块4，摄像头6，支撑板8，电池模块7；水下机器人耐压舱体1由壳体和端盖两部分组成，均由亚克力材料制成，壳体呈圆筒形，头部为半球形，体长方向均匀布置有肋骨，
肋骨上开有圆孔，通过螺钉与舵机相连，水下机器人尾部设有端盖，端盖与壳体通过8个对称螺钉连接，舵机共10个，沿耐压舱体中轴线两侧对称布置，每侧各5个，舵机上设有铝制鳍条，用于与柔性鳍相连，柔性鳍共2片，分别与两侧舵机相连，柔性鳍由柔性材料制成，在鳍条的摆动下，会产生柔性变形，当舵机间存在初始相位差并往复运动时，鳍条将正弦运动传至柔性鳍，行进波沿着柔性鳍面传播，产生推力，只有单侧柔性鳍运动时，产生侧向推力，可实现水下机器人的水平转向。
8.本发明还包括这样一些特征：
9.所述水下机器人尾部设有端盖，端盖与壳体通过8个对称螺钉连接，采用轴向密封的方式，实现水下机器人水密性；
10.所述重心调节机构5为一通过电机控制可滑动的铁块，铁块沿杆滑动可使水下机器人重心位置改变，使水下机器人头部上扬、下沉和水平，从而实现机器人的上浮、下潜和水平三种航行姿态；
11.所述舵机上设有铝制鳍条，鳍条为一长条形夹具，上方开有一排小孔，通过螺钉与柔性鳍相连；
12.所述舵机防水，把704硅橡胶均匀涂抹至舵机电路板上，起到防水保护作用；
13.柔性鳍由柔性材料制成，在鳍条的摆动下，会产生柔性变形，当舵机间存在初始相位差并往复运动时，鳍条将正弦运动传至柔性鳍，行进波沿着柔性鳍面传播，产生推力；舵机工作频率的改变，将改变水下机器人的前进速度；舵机间初始相位差的改变，将改变水下机器人的推进方式，实现波动与摆动的转换，如果柔性鳍的弦长方向小于一个推进波长，是摆动模式，大于一个推进波长，是波动模式，波动模式适于低速高效的运动，摆动模式适于长距离高速巡航；
14.所述柔性鳍单侧运动时，产生侧向推力，可实现水下机器人的水平转向。
15.所述水下机器人具有控制模块4，配合摄像头6实时传输的画面，可实现环境探测、危险预警、远程精准避障。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明专利提供了一种具有低速稳定性、高效机动性的仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人，它模拟了鱼类mpf推进模式，具有无噪声推进和产生较少尾涡的优点。所述水下机器人尾部设有端盖，端盖与壳体通过8个对称螺钉连接，采用轴向密封的方式，实现水下机器人水密性。所述重心调节机构为一通过电机控制可滑动的铁块，铁块沿杆滑动可使水下机器人重心位置改变，使水下机器人头部上扬、下沉或水平，从而实现机器人的上浮、下潜和水平三种航行姿态。所述柔性鳍运动方面：设定舵机工作参数与初始相位差，在舵机的驱动下，鳍条会做往复运动，鳍条将正弦运动传至柔性鳍，行进波沿着柔性鳍面传播，产生推力。舵机工作频率的改变，将改变水下机器人的前进速度；舵机间初始相位差的改变，将改变水下机器人的推进方式，实现波动与摆动的转换。如果柔性鳍的弦长方向小于一个推进波长，是摆动模式，大于一个推进波长，是波动模式。只有单侧柔性鳍运动时，产生侧向推力，可实现水下机器人的水平转向。所述水下机器人具有控制模块，配合摄像头实时传输的画面，可实现环境探测、危险预警、远程精准避障。应对不同水况，可选配不同类型的传感器置于机器人舱体内，扩展性较强。
附图说明
18.图1为本发明除去外壳的轴测图；
19.图2为本发明俯视图；
20.图3为本发明右视图；
21.图4为本发明整体结构图。
22.图中：1
‑
水下机器人耐压舱体；201、202、203、204、205、206、207、208、209、210
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舵机；301、302
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柔性鳍；4
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控制模块；5
‑
重心调节机构；6
‑
摄像头；7
‑
电池模块；801、802
‑
支撑板。
具体实施方式
23.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
24.结合图1和图2，一种仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人整体结构为：水下机器人耐压舱体1，半圆筒结构，内部防水，保护精密电子元件，外部连接推进装置。水下机器人耐压舱体1内部为重心调节机构5、控制模块4、摄像头6、支撑板、电池模块7。重心调节机构5的作用是改变水下机器人重心位置，实现机器人的上浮、下潜和水平三种航行姿态切换。控制模块4与摄像头6配合使用，可实现环境探测、危险预警、远程精准避障。电池模块7较重，置于底部，给水下机器人各部件供电。为了固定控制模块4底部和电池模块7，两者底部均置有一块支撑板。水下机器人体长方向均匀布置有肋骨，肋骨上开有圆孔，通过螺钉与舵机相连。舵机共10个，沿水下机器人耐压舱体1中轴线两侧对称布置，每侧各5个。舵机上设有铝制鳍条，用于与柔性鳍相连。柔性鳍共2片，分别与两侧舵机相连。
25.结合图1和图2，仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人调整姿态的方式为：水下机器人内部有重心调节机构5，其为一通过电机控制可滑动的铁块，铁块沿杆滑动可使水下机器人重心位置改变，使水下机器人头部上扬、下沉或水平，从而实现机器人的上浮、下潜和水平三种航行姿态。此外单侧柔性鳍运动时，产生侧向推力，可实现水下机器人的水平转向。
26.结合图2和图3，仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人改变参数的方式为：舵机工作频率的改变，将改变水下机器人的前进速度；改变舵机间初始相位差，将改变水下机器人的推进方式，实现波动与摆动的转换。如果柔性鳍的弦长方向小于一个推进波长，是摆动模式，大于一个推进波长，是波动模式。
27.以波动模式举例，具体过程是：
28.1)仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人按照图1和图2安装完毕。
29.2)舵机的初始角度以中轴线的夹角为参考，左右两侧舵机运动规律相同。因为两侧舵机对称分布，所以此处仅对右侧舵机的初始角度进行说明。舵机初始角度并不固定，其幅值受限于柔性鳍所能产生的最大柔性变形，此处以幅值15
°
为例进行说明。右侧舵机初始角度为：舵机201为0
°
、舵机202为
‑
15
°
、舵机203为0
°
、舵机204为15
°
、舵机205为0
°
。
30.3)设定舵机往复运动的范围为
‑
15
°
～15
°
，且频率相同。
31.4)鱼类mpf推进方式，其推进波以与总体运动相反的方向并以大于总体游泳速度的速度穿过身体进行游动，因此在初始时刻，水下机器人若要前进，推进波需要向后传播，此时令舵机205相位为0，则舵机204相位为
‑
π/2，舵机203相位为
‑
π，舵机202相位为
‑
3π/2，舵机201相位为
‑
2π。
32.5)水下机器人若需上浮时，通过重心调节机构将重心调至水下机器人后端，使水下机器人头部上扬，向前推进，即可实现上浮；同理，下潜时需将重心调至水下机器人前端，使水下机器人头部下沉；若需水平游动，需将重心调节至中部，使水下机器人头部水平。
33.6)水下机器人在前进时，若需向右转向，则关闭右侧舵机，左侧舵机维持向前推进模式即可；或关闭左侧舵机，右侧舵机设置为向后推进模式。若需左转同理。
34.7)以摆动幅值15
°
为例，若需将波动式推进改为摆动式，只需将最前方舵机和最后方舵机相位差限制在2π以内，此时单侧鳍条的端点无法组成一个完整的波，为摆动模式。
35.所述水下机器人尾部设有端盖，端盖与壳体通过8个对称螺钉连接，采用轴向密封的方式，实现水下机器人水密性。
36.所述舵机防水，把704硅橡胶均匀涂抹至舵机电路板上，起到防水保护作用。
37.所述水下机器人具有控制模块4，配合摄像头6实时传输的画面，可实现环境探测、危险预警、远程精准避障。
38.本发明专利提供了一种具有低速稳定性、高效机动性的仿类蝙蝠鱼推进方式的水下机器人。包括水下机器人耐压舱体、控制模块、重心调节机构、摄像头、电池模块、支撑板、舵机、柔性鳍。它模拟了鱼类mpf推进模式，具有无噪声推进和产生较少尾涡的优点。所述水下机器人尾部设有端盖，端盖与壳体通过8个对称螺钉连接，采用轴向密封的方式，实现水下机器人水密性。所述重心调节机构为一通过电机控制可滑动的铁块，铁块沿杆滑动可使水下机器人重心位置改变，使水下机器人头部上扬、下沉和水平，从而实现机器人的上浮、下潜和水平三种航行姿态。所述柔性鳍运动方面：设定舵机工作参数与初始相位差，在舵机的驱动下，鳍条会做往复运动，鳍条将正弦运动传至柔性鳍，行进波沿着柔性鳍面传播，产生推力。舵机工作频率的改变，将改变水下机器人的前进速度；舵机间初始相位差的改变，将改变水下机器人的推进方式，实现波动与摆动的转换。如果柔性鳍的弦长方向小于一个推进波长，是摆动模式，大于一个推进波长，是波动模式。只有单侧柔性鳍运动时，产生侧向推力，可实现水下机器人的水平转向。所述水下机器人具有控制模块，配合摄像头实时传输的画面，可实现环境探测、危险预警、远程精准避障。应对不同水况，可选配不同类型的传感器置于机器人舱体内，扩展性较强。