(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010247213.X
(22)申请日 2020.03.31
(71)申请人 西安交通大学
地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号
(72)发明人 胡桥 尹盛林 王朝晖 陈龙
陈振汉 魏昶 刘钰 吉欣悦
公司 61200
代理人 郭瑶
(51)Int.Cl.
B63C 11/52(2006.01)
B63H 1/36(2006.01)
B63H 1/37(2006.01)
B63G 8/14(2006.01)
G01D 21/02(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种仿生波动鳍推进的水下
多用途机器人，包括依次设置的头部，中部，尾
部，左侧仿生波动鳍推进机构和右侧仿生波动鳍
推进机构。采用以凸轮摆臂驱动结构为核心的左
右两侧仿生波动鳍推进机构驱动鳍条带动柔性
鳍面产生连续波状变形，与水作用产生前进推
力，配合中部的沉浮调节机构，可实现水下机器
人的直行、转弯、上浮下潜等多维度运动，具有良
好的机动性。同时其可根据头部设置的超声多普
勒流速仪和USBL水声定位系统获取的感知流场
速度数据和自身方位数据，对水下机器人的运动
进行规划，选择在流速较恒定和流阻较小的航道
上运行，具备提前感知并减少水下浪涌干扰的能
力，
拥有良好的可靠性和鲁棒性。权利要求书2页 说明书8页 附图4页CN 111422334 A 2020.07.17
C N 111422334
A
1.一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，包括依次设置的头部密封舱(1)，中部密封舱(2)和尾部密封舱(3)，所述中部密封舱(2)中安装有沉浮调节机构，所述中部密封舱(2)两侧分别对称有左侧仿生波动鳍推进机构(5)和右侧仿生波动鳍推进机构(4)，所述左侧仿生波动鳍推进机构(5)和右侧仿生波动鳍推进机构(4)结构相同；所述尾部密封舱(3)中设置有用于驱动左侧仿生波动鳍推进机构(5)的第一电机(11)和用于驱动右侧仿生波动鳍推进机构(4)的第二电机(12)；
所述左侧仿生波动鳍推进机构(5)包括推进机构底座(16)、推进机构转轴(17)、凸轮摆臂驱动机构(19)、鳍条(25)和鳍面(26)，所述推进机构底座(16)竖直固定在中部密封舱(2)一侧，推进机构底座(16)上固定有N个肋板(37)，N≥5，所述推进机构转轴(17)与所有肋板(37)通过轴承连接且一端安装在第一电机(11)的动力输出轴上；每个肋板(37)侧面均安装有一个凸轮摆臂驱动机构(19)；
凸轮摆臂驱动机构(19)包括摆臂连杆(24)、摆臂圆柱(23)、凸轮(20)和摇杆(22)，所述摇杆(22)上固定有
鳍条(25)，所述摆臂连杆(24)一端与摇杆(22)固定连接后与肋板(37)铰接，另一端与摆臂圆柱(23)固定连接，所述凸轮(20)与推进机构转轴(17)固定连接，在推进机构转轴(17)转动过程中，摆臂圆柱(23)的圆柱面与凸轮(20)的弧面始终相切；相邻的摇杆(22)安装初始角度值的差值为θm，θm为摇杆的最大摆动角度，靠近头部密封舱(1)的凸轮摆臂驱动机构(19)的摇杆(22)输出角度的相位超前于远离头部密封舱(1)的凸轮摆臂驱动机构(19)的摇杆(22)输出角度；
所述鳍条(25)等间距地内嵌于鳍面(26)中。
2.根据权利要求1所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述沉浮调节机构包括导轨底座(27)，丝杠(29)，第一螺母(31)，第二螺母(32)，滑块(28)和第三电机(33)，导轨底座(27)固定在中部密封舱(2)内，丝杠(29)一端通过轴承与导轨底座(27)连接，另一端与第三电机(33)的动力输出轴连接，第一螺母(31)和第二螺母(32)均与丝杠(29)采用螺纹副连接，滑块(28)的两端分别与第一螺母(31)和第二螺母(32)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，凸轮(20)的上下表面均刻有用于显示摇杆(22)摆动角度的角度编码值。
4.根据权利要求1所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述鳍条(25)由碳纤维制成。
5.根据权利要求1所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述头部密封舱(1)内安装有超声多普勒流速仪(7)和USBL水声定位系统(6)。
6.根据权利要求5所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述尾部密封舱(3)中安装有单片微型计算机(10)，单片微型计算机(10)用于将超声多普勒流速仪(7)的流速信息和USBL水声定位系统(6)的坐标定位信息进行采集，并通过水密接插件(13)的电缆传到岸上或船上操作者控制端，并接收操作者的遥控指令，实现水下机器人的整体运动控制。
7.根据权利要求5所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述USBL水声定位系统(6)包括水听器阵列(35)、深度传感器(36)和惯性测量单元(34)，所述水听器阵列(35)通过超声波获取其与海上母船(39)的超声波发生器(38)之间的距离信息，深
度传感器(36)获取水下机器人与海平面的相对深度，惯性测量单元(34)则获取水下机器人自身的姿态角信息。
8.根据权利要求1所述的一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，其特征在于，所述头部密封舱(1)内设置有第一摄像机(8)和第二摄像机(9)，所述尾部密封舱(3)内设置有第三摄像机(14)和第四摄像机(15)。
一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人
技术领域
[0001]本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人。
背景技术
[0002]海洋中蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和食物资源，提高海洋资源探测能力有助于人类对海洋资源进行更合理的开发和保护。水下机器人在海洋生物观察、海底资源探测和海底管道巡检等领域中有着广泛的应用前景。水下机器人可分为无缆水下机器人和有缆水下机器人两类，无缆水下机器人一般采用板载电池供电，利用电磁波或超声波等无线通信技术与岸上操作者进行通信，因此具有机动性好和环境适应性强等优点，受限于电磁波水下通信距离短和水声通信设备耗能高等水下无线通信局限性，以及板载电池无法提供水下机器人持续长时间工作的电力，目前无缆水下机器人无法要求长航时和实时的水下任务中发挥实质作用。另一类是有缆水下机器人，其通常利用铜线或铝线电缆供电，利用光纤或者铜线电缆等有线通信技术与岸上操作者进行通信，具有续航时间长、通信容量大和传输延迟低等优点，同时电缆还可有效防止水下机器人失联，因此在实际的军民两用领域的水下任务中已经得到广泛的应用。
[0003]有缆水下机器人可分为传统的遥控无人水下推进器(即ROV)和新型的仿生水下机器人。传统的遥控无人水下推进器普遍采用螺旋桨作为驱动方式实现在水中的稳定推进，其具有良好的加速和快速启
停能力，然而，基于螺旋桨推进机构的遥控无人水下推进器应用于水下多用途任务时存在以下缺点与不足：在水草或杂物较多的水域，容易出现堵塞现象，导致失效；螺旋桨旋转产生空泡，引起机体振动，产生较大的空化噪声，不适合于执行隐蔽性较强的侦察任务；螺旋桨与水作用产生与海底环境不协调的涡流，因此无法实现近距离海洋生物观察。新型的仿生水下机器人是指用于仿真实鱼类外形或游动方式的水下机器人，其拥有环境友好、隐蔽性高、机动性强等优点。然而，目前为止的大多数仿生水下机器人都存在这些不足：游动速度慢，推进功率小，通常利用软体材料或者舵机驱动仿生尾鳍摆动或仿生长鳍波动产生动力，推进速度和推进功率受限于软体材料的摆动频率或舵机的转动速度，加速能力和启停能力较差。
[0004]在涉及仿生波动鳍推进的现有公开技术中，专利“一种仿生长鳍波动推进机器鱼”(授权公告号CN103213665B，授权公告日2015.08.19)公开了一种外形呈圆筒状、采用两侧波动鳍机构实现水下三维空间运动的仿生长鳍波动推进机器鱼；专利“一种仿生波动长鳍水下推进器”(申请公布号CN104816808A，申请公布日2015.08.05)涉及一种可在水中独立地模拟刀鱼进行快速稳定三维运动，又可安装在水下机器平台两侧模拟鳐鱼运动的仿生波动长鳍水下推进器；专利“一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人”(申请公布号CN110027692A，申请公布日2019.07.19)，公开了一种利用波动鳍推进的水陆两栖机器人。以上三个专利都是利用舵机驱动仿生波动鳍结构与水作用，实现水下或水陆两栖的运动，但因舵机结构限制，很难提高水下机器人的游速，限制了其在多种水下任务中的实用性。
[0005]因此研发一种机动性好、隐蔽性强和可靠性高的仿生波动鳍推进的水下多用途机器人势在必行。
发明内容
[0006]本发明提供了一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，效仿自然界中的黑魔鬼鱼的波动鳍波动摆动推进方式，采用仿生波动鳍推进机构与水作用产生前进推力，同时搭配流速仪和摄像机，可以满足多种水下任务的需要。
[0007]为达到上述目的，本发明一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，包括依次设置的头部密封舱，中部密封舱和尾部密封舱，中部密封舱中安装有沉浮调节机构，中部密封舱两侧分别对称有左侧仿生波动鳍推进机构和右侧仿生波动鳍推进机构，左侧仿生波动鳍推进机构和右侧仿生波动鳍推进机构结构相同；尾部密封舱中设置有用于驱动左侧仿生波动鳍推进机构的第一电机和用于驱动右侧仿生波动鳍推进机构的第二电机；
[0008]左侧仿生波动鳍推进机构包括推进机构底座、推进机构转轴、凸轮摆臂驱动机构、鳍条和鳍面，推进机构底座竖直固定在中部密封舱一侧，推进机构底座上固定有N个肋板，N ≥5，推进机构转轴与所有肋板通过轴承连接且一端安装在第一电机的动力输出轴上；每个肋板侧面均安装有一个凸轮摆臂驱动机构；
[0009]凸轮摆臂驱动机构包括摆臂连杆、摆臂圆柱、凸轮和摇杆，摇杆上固定有鳍条，摆臂连杆一端与摇杆固定连接后与肋板铰接，另一端与摆臂圆柱固定连接，凸轮与推进机构转轴固定连接，在推进机构转轴转动过程中，摆臂圆柱的圆柱面与凸轮的弧面始终相切；相邻的摇杆安装初始角度值的差值为θm，θm为摇杆的最大摆动角度，靠近头部密封舱的凸轮摆臂驱动机构的摇杆输出角度的相位超前于远离头部密封舱的凸轮摆臂驱动机构的摇杆输出角度；
[0010]鳍条等间距地内嵌于鳍面中。
[0011]进一步的，沉浮调节机构包括导轨底座，丝杠，第一螺母，第二螺母，滑块和第三电机，导轨底座固定在中部密封舱内，丝杠一端通过轴承与导轨底座连接，另一端与第三电机的动力输出轴连接，第一螺母和第二螺母均与丝杠采用螺纹副连接，滑块的两端分别与第一螺母和第二螺母固定连接。
[0012]进一步的，凸轮的上下表面均刻有用于显示摇杆摆动角度的角度编码值。[0013]进一步的，鳍条由碳纤维制成。
[0014]进一步的，头部密封舱内安装有超声多普勒流速仪和USBL水声定位系统。[0015]进一步的，尾部密封舱中安装有单片微型计算机，单片微型计算机用于将超声多普勒流速仪的流速信息和USBL水声定位系统的坐标定位信息进行采集，并通过水密接插件的电缆传到岸上或船上操作者控制端，并接收
操作者的遥控指令，实现水下机器人的整体运动控制。
[0016]进一步的，USBL水声定位系统包括水听器阵列、深度传感器和惯性测量单元，水听器阵列通过超声波获取其与海上母船的超声波发生器之间的距离信息，深度传感器获取水下机器人与海平面的相对深度，惯性测量单元则获取水下机器人自身的姿态角信息。[0017]进一步的，头部密封舱内设置有第一摄像机和第二摄像机，尾部密封舱内设置有第三摄像机和第四摄像机。
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