新型自主式仿生機(jī)器魚的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器魚，特別是涉及一種用于水下探測(cè)任務(wù)的新型自主式仿生機(jī)器魚。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)論是海洋資源的探索，海水變化信息收集，海洋生物研究或者軍事偵查和情報(bào)的收集都依賴于水下技術(shù)的發(fā)展水平。隨著人類對(duì)海洋空間及海底資源越來(lái)越深入的探索挖掘，傳統(tǒng)的水下推進(jìn)方式推進(jìn)已不能滿足需求。隨著仿生學(xué)、電子技術(shù)、材料科學(xué)和控制技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始模仿自然界魚類的運(yùn)動(dòng)方式并希望獲得像魚類一樣卓越游動(dòng)性能和高效推進(jìn)效率的水下推進(jìn)器。自1994年MIT研制成功了世界上第一條真正意義上的仿生機(jī)器魚，仿生機(jī)器魚逐漸成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，人們期望研制出體積小、成本低、推進(jìn)效率高、機(jī)動(dòng)性高并且智能程度高的水下仿生機(jī)器魚。
[0003]目前研究者大多關(guān)注魚類中的鰺科類，研制出了很多仿鰺科類機(jī)器魚，并在此基礎(chǔ)上開展了魚類游動(dòng)機(jī)理、推進(jìn)效率和機(jī)動(dòng)性能多方面的研究。但自然界有一種箱飩科魚類，和餘科魚類相比，有著更尚的機(jī)動(dòng)性和自穩(wěn)定性，同時(shí)擁有$父尚的推進(jìn)效率。這些卓越的游動(dòng)特性值得人們?nèi)ド钊胙芯浚蕴岣叻律七M(jìn)器的機(jī)動(dòng)性能和自穩(wěn)定性，但目前卻沒有引起太多研究人員的關(guān)注。如中國(guó)發(fā)明專利CN 101758916 A中公開的一種自主式機(jī)器魚，包括主艙體，主艙體有密封的上殼體和下殼體構(gòu)成，主艙體通過(guò)胸鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)和尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)分別控制胸鰭和尾鰭，主艙體內(nèi)設(shè)置有攝像頭用于信息采集，并設(shè)置有通信模塊用于外界進(jìn)行信息傳遞。這種機(jī)器魚只能做簡(jiǎn)單的水下運(yùn)動(dòng)，并不能自主地獲取自身狀態(tài)信息以及多方位的獲取周圍環(huán)境的信息，而其較低的自主性限制了其在水下自主地完成指定的任務(wù)的能力，遇到水下復(fù)雜的環(huán)境時(shí)可能出現(xiàn)故障而無(wú)法完成任務(wù)甚至無(wú)法返航造成大的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性好，自主性強(qiáng)，能夠適應(yīng)復(fù)雜水下作業(yè)環(huán)境的新型自主式仿生機(jī)器魚。
[0005]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，包括主艙體，主艙體由密封的上殼體和下殼體組成，主艙體外部設(shè)置有仿鰭組件，仿鰭組件包括一對(duì)胸鰭和一個(gè)尾鰭，主艙體內(nèi)部設(shè)置有胸鰭組件、尾鰭組件、傳感模塊、控制模塊，其中:
[0006]胸鰭組件包括胸鰭舵機(jī)固定機(jī)構(gòu)和兩組胸鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，胸鰭舵機(jī)固定機(jī)構(gòu)固定有第一胸鰭舵機(jī)和第二胸鰭舵機(jī)，第一胸鰭舵機(jī)通過(guò)第一輸出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤連接有第一錐齒輪，第二胸鰭舵機(jī)通過(guò)第二輸出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤與錐齒輪連接件一端相連，錐齒輪連接件上固定安裝有第二錐齒輪，第一錐齒輪和第二錐齒輪的尺寸相同且齒面相對(duì)，胸鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括胸鰭輸出軸，胸鰭輸出軸上固定有輸出錐齒輪，兩個(gè)輸出錐齒輪分別與第一錐齒輪和第二錐齒輪嚙合，胸鰭輸出軸經(jīng)過(guò)密封后伸出到主艙體外側(cè)，伸出到主艙體外側(cè)的胸鰭輸出軸軸體上加工有滑槽，滑槽內(nèi)安裝有胸鰭；
[0007]尾鰭組件包括尾鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，尾鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)置有尾鰭輸出軸，被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)置有被動(dòng)轉(zhuǎn)軸，尾鰭輸出軸和被動(dòng)轉(zhuǎn)軸共同連接有尾鰭固定支架，尾鰭固定支架上安裝有尾鰭；
[0008]傳感模塊包括視覺傳感器、紅外距離傳感器、MU姿態(tài)傳感器和多個(gè)壓力傳感器，視覺傳感器和紅外距離傳感器位于主艙體內(nèi)部的前端，所述視覺傳感器用于捕捉所述主艙體外部的圖像信息，所述紅外距離傳感器用于探測(cè)所述主艙體外的紅外信號(hào)，生成紅外探測(cè)信息以感知障礙物的存在;主艙體上對(duì)應(yīng)位置設(shè)置有觀察窗，MU姿態(tài)傳感器放置于胸鰭舵機(jī)固定機(jī)構(gòu)上方，IMU姿態(tài)傳感器用于采集所述機(jī)器魚的的姿態(tài)信息，多個(gè)壓力傳感器陣列分布在主艙體前部和左右兩側(cè)，用于采集所述機(jī)器魚周邊環(huán)境的壓力信息；
[0009]控制模塊包括微控制器、傳感器信息采集處理板、舵機(jī)控制單元和通訊單元，傳感器信息采集處理板用于接收來(lái)自所述傳感模塊的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，其中，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)信息包括:圖像信息、紅外探測(cè)信息、姿態(tài)信息和壓力信息，并經(jīng)過(guò)初步處理發(fā)送至微控制器，微控制器用于對(duì)所述環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行融合分析，根據(jù)融合分析結(jié)果生成控制指令并發(fā)送給舵機(jī)控制單元，所述舵機(jī)控制單元根據(jù)所述控制指令驅(qū)動(dòng)第一胸鰭舵機(jī)、第二胸鰭舵機(jī)和尾鰭舵機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；
[0010]同時(shí)所述微控制器將所述控制指令和環(huán)境監(jiān)測(cè)信息發(fā)送至所述通訊單元，由所述通訊單元進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程控制中心，以實(shí)現(xiàn)所述遠(yuǎn)程控制中心實(shí)時(shí)掌握機(jī)器魚的所在環(huán)境狀態(tài)和工作狀態(tài)。
[0011 ] 本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，還包括電源模塊和配重塊，電源模塊位于主艙體中部，采用充電式航模動(dòng)力鎳氫電池，電壓為11V，配重塊安裝在電池模塊上部，選用鋁鋅合金塊。
[0012]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述胸鰭組件位于主艙體前部左右兩側(cè)，胸鰭舵機(jī)固定機(jī)構(gòu)包括胸鰭舵機(jī)固定架，胸鰭舵機(jī)固定架上并列安裝有若干個(gè)滑動(dòng)件，滑動(dòng)件用于安裝第一胸鰭舵機(jī)和第二胸鰭舵機(jī)，第一胸鰭舵機(jī)和第二胸鰭舵機(jī)能夠隨滑動(dòng)件在胸鰭舵機(jī)固定架上橫向移動(dòng)和鎖緊。
[0013]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述胸鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中輸出錐齒輪與第一錐齒輪和第二錐齒輪的傳動(dòng)比均為2.5:1，胸鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角為225°。
[0014]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述胸鰭輸出軸上加工有內(nèi)限位凸臺(tái)，胸鰭輸出軸上還依次安裝有內(nèi)軸承、輸出軸擋圈、外軸承、胸鰭動(dòng)密封圈和胸鰭端蓋，且內(nèi)軸承、輸出軸擋圈和外軸承依次緊密接觸，胸鰭輸出軸上還套有胸鰭套筒，胸鰭套筒內(nèi)側(cè)加工有外限位凸臺(tái)，內(nèi)軸承的內(nèi)側(cè)面與內(nèi)限位凸臺(tái)的外側(cè)面相接觸，外軸承的外側(cè)面與外限位凸臺(tái)的內(nèi)側(cè)面相接觸，內(nèi)軸承、輸出軸擋圈和外軸承用于固定胸鰭輸出軸，胸鰭動(dòng)密封圈周向與胸鰭套筒的內(nèi)壁相接觸，胸鰭動(dòng)密封圈外側(cè)面與胸鰭端蓋相接觸，胸鰭端蓋與胸鰭套筒外側(cè)面固定連接，胸鰭套筒中部外側(cè)開有一槽口用于放置O型圈。
[0015]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述尾鰭組件位于主艙體后部，尾鰭動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括尾鰭舵機(jī)，尾鰭舵機(jī)安裝在尾鰭舵機(jī)固定架上，尾鰭舵機(jī)固定架固定在下殼體上，尾鰭舵機(jī)通過(guò)第三輸出轉(zhuǎn)盤與尾鰭輸出軸相連，尾鰭輸出軸上依次安裝有定位軸承、定位擋圈、尾鰭動(dòng)密封圈和尾鰭上端蓋和尾鰭套筒，尾鰭套筒套在定位軸承、定位擋圈和尾鰭動(dòng)密封圈外側(cè)，尾鰭套筒與尾鰭上端蓋固定連接，尾鰭上端蓋與上殼體固定連接，被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括尾鰭下端蓋，尾鰭下端蓋與下殼體固定連接，尾鰭下端蓋中部用于安裝被動(dòng)轉(zhuǎn)軸。
[0016]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述壓力傳感器置于防水的壓力傳感器模塊中，壓力傳感器模塊連接有航空連接插件，航空連接插件嵌入主艙體內(nèi)。
[0017]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述微控制器選用樹莓派主控制板，傳感器信息采集處理板與微控制器、微控制器與舵機(jī)控制單元之間的信號(hào)傳輸采用IIC協(xié)議。
[0018]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述主艙體前部為流線型，左右兩側(cè)呈內(nèi)凹的流線型，主艙體的上殼體材質(zhì)為工程塑料，下殼體材質(zhì)為硬鋁，上殼體和下殼體之間通過(guò)O型圈實(shí)現(xiàn)靜密封防水。
[0019]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚，其中所述仿鰭組件包括碳棒纖維和塑料蒙皮，碳棒纖維作為骨架，塑料蒙皮覆蓋在碳棒纖維外側(cè)。
[0020]本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚的胸鰭組件中選用對(duì)立錐齒輪的方式進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，可大大節(jié)省機(jī)構(gòu)空間，優(yōu)化主艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的傳感模塊包括視覺傳感器、紅外距離傳感器、MU姿態(tài)傳感器和多個(gè)壓力傳感器，并在主艙體上設(shè)置有觀察窗。視覺傳感器和紅外距離傳感器可以透過(guò)觀察窗的廣闊視野對(duì)主艙體周圍的圖像進(jìn)行拍攝，同時(shí)檢測(cè)主艙體附近的障礙物。MU姿態(tài)傳感器可以讓機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)自身的姿態(tài)的感知。陣列分布的壓力傳感器可以模擬自然界魚類的側(cè)線系統(tǒng)。通過(guò)上述傳感元件的作用，本發(fā)明新型自主式仿生機(jī)器魚能夠增強(qiáng)對(duì)周圍水環(huán)境壓力的感知，可大大提高其對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力，便于對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，從而使本發(fā)明的機(jī)器魚具有較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性和自主性，適應(yīng)更復(fù)雜水下作業(yè)環(huán)境。本發(fā)明的控制模塊整體上采用分層式、總線