(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CN104118549A (43)申请公布日2014.10.29 (21)申请号201410392357.9 (22)申请日2014.08.11 (71)申请人博瑞智（天津）信息科技有限公司 地址300380天津市西青区汽车工业区中联 产业园10号楼4层401 (72)发明人范瑞峰 (74)专利代理机构北京爱普纳杰专利代理事务 所（特殊普通合伙）11419 代理人王玉松 (51)Int.CI. B63C1152(2006.01) B63H136(2006.01) 权利要求书2页说明书4页附图10页 (54)发明名称 单关节机器鱼及水下推进平台 (57)摘要 101 本发明单关节机器鱼及水下推进平台涉及一 105 种水中的推进器。其目的是为了提供一种结构简 208301402 401404 单、成本低、操作简便的单关节机器鱼及水下推进 平台。本发明单关节机器鱼及水下推进平台包括 外壳体、仿生推进机构、动力能源模块、控制通讯 模块和姿态调节机构，其中仿生推进机构包括尾 鳍、C型骨架和上、下主轴，尾鳍固定连接在C型骨 架的后端，上、下主轴的外端分别与C型骨架的两 端固定连接：动力能源模块包括电池和推进驱动 装置，推进驱动装置的输出端与上、下主轴的内端 相连接：控制通讯模块包括集成主控板和天线： 姿态调节机构包括设置在外壳体内的周向旋转驱 动装置和周向旋转配重，周向旋转驱动装置用于 带动周向旋转配重绕外壳体的前后方向的轴线转 动。 石
CN104118549A 权利要求书 1/2页 1.一种单关节机器鱼，包括外壳体、仿生推进机构、动力能源模块和控制通讯模块，其 特征在于：所述仿生推进机构包括尾鳍(101)、C型骨架(102)和上、下主轴(103、104)，所 述C型骨架(102)的两端位于外壳体后部的上、下两侧，所述尾鳍(101)固定连接在C型骨 架(102)的后端，所述上、下主轴(103、104)的外端分别与C型骨架(102)的两端固定连接， 上、下主轴(103、104)的内端穿过外壳体后部的轴孔进入外壳体内：所述动力能源模块包 括电池(201)和推进驱动装置，所述电池(201)和推进驱动装置固定安装在外壳体内，所述 推进驱动装置的输出端与上、下主轴(103、104)的内端相连接，用于驱动上、下主轴(103、 104)往复旋转：所述控制通讯模块包括集成主控板(301)和天线(302)，所述天线(302)固 定安装在外壳体上，所述集成主控板(301)固定在外壳体内： 所述机器鱼还包括姿态调节机构，所述姿态调节机构包括设置在外壳体内的周向旋转 驱动装置和周向旋转配重，所述周向旋转驱动装置用于带动周向旋转配重绕外壳体的前后 方向的轴线转动。 2.根据权利要求1所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述周向旋转驱动装置包括前 固定环(401)、后固定环(402)和旋转部件，所述前固定环(401)和后固定环(402)相对 固定在外壳体的内壁上，前固定环(401)和后固定环(402)相对的面上开设有环形滑槽 (403),所述环形滑槽(403)内分别设置有滚轮，两个所述滚轮之间通过连接杆连接，所述 周向旋转配重安装在连接杆上，所述旋转部件安装在前固定环(401)或后固定环(402)上， 并与连接杆相连接。 3.根据权利要求1所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述上、下主轴(103、104)穿过 外壳体的轴孔处固定安装有固定圈(105)，所述固定圈(105)内侧的主轴上套装有弹性密 封圈(106)，所述弹性密封圈(106)与固定圈(105)之间安装有弹性挡圈(107)。 4.根据权利要求1所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述推进驱动装置为舵机 (202),所述舵机(202)通过舵机支架(203)固定安装在外壳体内，所述上主轴(103)的内 端固定连接有上卡盘(108)，上卡盘(108)的下表面上设置有若千凸起(109)，所述舵机 (202)的输出端上固定设置有下卡盘(204)，所述下卡盘(204)的边缘上设置有若干与凸起 (109)相匹配的卡槽(205)，所述上卡盘(108)与下卡盘(204)相贴合，所述若干凸起(109) 进入相对应的卡槽(205)内。 5.根据权利要求1所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述电池(201)通过电池支架 (206)固定安装在外壳体内，所述集成主控板(301)固定安装在电池支架(206)上方。 6.根据权利要求1至5之一所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述外壳体包括前壳 体(501)、后壳体(502)、螺纹套(503)和后盖(504)，所述螺纹套(503)的内表面的前后 两端上分别设置有内螺纹，所述前壳体(501)的后端和后壳体(502)的前端分别设置有外 螺纹，前壳体(501)和后壳体(502)分别与螺纹套(503)的前后两端螺纹连接，所述后盖 (504)螺纹连接在后壳体(502)的后端，所述前壳体(501)的前端为半球体型。 7.根据权利要求6所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述前固定环(401)和后固定 环(402)分别通过卡勾固定在前壳体(501)和后壳体(502)的内壁上，所述舵机支架(203) 通过卡勾和插槽结构固定在后壳体(502)的内壁上，所述电池支架(206)通过螺栓和插槽 结构固定在后壳体(502)的内壁上，所述集成主控板(301)通过螺栓和卡勾结构固定在电 池支架(206)的上表面。 2
CN104118549A 权利要求书 2/2页 8.根据权利要求6所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述前壳体(501)、螺纹套 (503)和后壳体(502)的连接处分别设置有密封环(505)：所述后壳体(502)上安装有充电 接头(506)和充气接口(507)。 9.根据权利要求6所述的单关节机器鱼，其特征在于：所述外壳体的横截面为中心对 称图形：圆形、椭圆形、正方形或正多边形。 10.一种水下推进平台，其特征在于：包括至少两个权利要求9所述的单关节机器鱼， 所述相邻的单关节机器鱼之间通过连接环(6)固定连接。 3
CN104118549A 说明书 1/4页 单关节机器鱼及水下推进平台 技术领域 [0001]本发明涉及一种直接作用在水中的推进器，特别是涉及一种仿生鱼类的水下机器 人。 背景技术 [0002] 伴随着人类文明的发展，可开采和利用的陆地资源正日益减少和枯竭。海洋面积 占地球面积的71%，海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源。21世纪是海洋的世纪，人 类开发海洋和利用海洋的脚步，随着科技的发展逐渐加快。具有海洋勘测、海底探查、海洋 救捞、海底管道检测、以及水下侦查和跟踪功能的水下机器人，己成为探索海洋、开发海洋 和海洋防卫的重要工具。 [0003]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，进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。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，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，取得了很多阶段性的成果，设计了各种各样的机器鱼样机，机 器鱼的理论和实验研究已渐显规模。 [0004]目前，国内外仿生机器鱼的推进和转向主要是依靠两自由度胸鳍和尾鳍的配合来 实现相应的动作，上升下潜主要依靠胸鳍、改变重心或者储水仓方式实现，这些方式都需要 较复杂的机械结构和控制程序，即影响到机器鱼的机动性能，也不利于仿生机器鱼在爱好 者当中的普及和推广。 发明内容 [0005]本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的单关节机器 鱼及水下推进平台。 [0006]本发明单关节机器鱼，包括外壳体、仿生推进机构、动力能源模块和控制通讯模 块，其中所述仿生推进机构包括尾鳍、C型骨架和上、下主轴，所述C型骨架的两端位于外壳 体后部的上、下两侧，所述尾鳍固定连接在C型骨架的后端，所述上、下主轴的外端分别与C 型骨架的两端固定连接，上、下主轴的内端穿过外壳体后部的轴孔进入外壳体内：所述动力 能源模块包括电池和推进驱动装置，所述电池和推进驱动装置固定安装在外壳体内，所述 推进驱动装置的输出端与上、下主轴的内端相连接，用于驱动上、下主轴往复旋转；所述控 制通讯模块包括集成主控板和天线，所述天线固定安装在外壳体上，所述集成主控板固定 在外壳体内： [0007]所述机器鱼还包括姿态调节机构，所述姿态调节机构包括设置在外壳体内的周向 旋转驱动装置和周向旋转配重，所述周向旋转驱动装置用于带动周向旋转配重绕外壳体的 前后方向的轴线转动。 [0008]本发明单关节机器鱼，其中所述周向旋转驱动装置包括前固定环、后固定环和旋 4
CN104118549A 说明 书 2/4页 转部件，所述前固定环和后固定环相对固定在外壳体的内壁上，前固定环和后固定环相对 的面上开设有环形滑槽，所述环形滑槽内分别设置有滚轮，两个所述滚轮之间通过连接杆 连接，所述周向旋转配重安装在连接杆上，所述旋转部件安装在前固定环或后固定环上，并 与连接杆相连接。 [0009]本发明单关节机器鱼，其中所述上、下主轴穿过外壳体的轴孔处固定安装有固定 圈，所述固定圈内侧的主轴上套装有弹性密封圈，所述弹性密封圈与固定圈之间安装有弹 性挡圈。 [0010]本发明单关节机器鱼，其中所述推进驱动装置为舵机，所述舵机通过舵机支架固 定安装在外壳体内，所述上主轴的内端固定连接有上卡盘，上卡盘的下表面上设置有若干 凸起，所述舵机的输出端上固定设置有下卡盘，所述下卡盘的边缘上设置有若干与凸起相 匹配的卡槽，所述上卡盘与下卡盘相贴合，所述若干凸起进入相对应的卡槽内。 [0011]本发明单关节机器鱼，其中所述电池通过电池支架固定安装在外壳体内，所述集 成主控板固定安装在电池支架上方。 [0012]本发明单关节机器鱼，其中所述外壳体包括前壳体、后壳体、螺纹套和后盖，所述 螺纹套的内表面的前后两端上分别设置有内螺纹，所述前壳体的后端和后壳体的前端分别 设置有外螺纹，前壳体和后壳体分别与螺纹套的前后两端螺纹连接，所述后盖螺纹连接在 后壳体的后端，所述前壳体的前端为半球体型。 [0013]本发明单关节机器鱼，其中所述前固定环和后固定环分别通过卡勾固定在前壳体 和后壳体的内壁上，所述舵机支架通过卡勾和插槽结构固定在后壳体的内壁上，所述电池 支架通过螺栓和插槽结构固定在后壳体的内壁上，所述集成主控板通过螺栓和卡勾结构固 定在电池支架的上表面。 [0014]本发明单关节机器鱼，其中所述前壳体、螺纹套和后壳体的连接处分别设置有密 封环：所述后壳体上安装有充电接头和充气接口。 [0015]本发明单关节机器鱼，其中所述外壳体的横截面为中心对称图形：圆形、椭圆形、 正方形或正多边形。 [0016]本发明水下推进平台，包括至少两个单关节机器鱼，所述相邻的单关节机器鱼之 间通过连接环固定连接。 [0017]本发明单关节机器鱼与现有技术不同之处在于本发明单关节机器鱼仅采用尾鳍 作为单一的推进机构，同时在外壳体内安装有姿态调节结构，姿态调节结构中的周向旋转 驱动装置可以带动周向旋转配重绕着外壳体的轴线转动，使机器鱼在水中绕着外壳体的轴 线翻滚一定角度达到调整水中姿态的目的，通过水中姿态的改变和尾鳍的配合，从而可以 实现机器鱼在水中进行前进、转弯、上浮和下潜等动作。由于本发明单关节机器鱼的推进机 构的结构简单，使得外壳体的密封性能好，成本低，易于控制。同时，还可以通过将多个单关 节机器鱼进行并排连接组成水下推进平台，用于搭载其他水下设备。 [0018] 下面结合附图对本发明的单关节机器鱼及水下推进平台作进一步说明。 附图说明 [0019] 图1为本发明单关节机器鱼的主视图； [0020] 图2为本发明单关节机器鱼的俯视图； 5
CN104118549A 说明书 3/4页 [0021] 图3a为本发明单关节机器鱼中前壳体的侧视图； [0022] 图3b为本发明单关节机器鱼中前壳体的轴侧视图； [0023] 图4为本发明单关节机器鱼中螺纹套的轴侧视图： [0024] 图5a为本发明单关节机器鱼中后壳体的侧视图； [0025] 图5b为本发明单关节机器鱼中后壳体的轴侧视图； [0026] 图6为本发明单关节机器鱼中后盖的轴侧视图； [0027] 图7为本发明单关节机器鱼的轴侧视图（去除外壳体）； [0028] 图8为本发明单关节机器鱼中仿生推进机构和推进驱动装置的分解结构示意图： [0029] 图9为本发明单关节机器鱼中电池与电池支架的轴侧视图： [0030] 图10为本发明单关节机器鱼中姿态调节结构的轴侧视图； [0031] 图11为本发明水下推进平台的结构示意图。 具体实施方式 [0032]本发明单关节机器鱼及水下推进平台包括外壳体、仿生推进机构、动力能源模块、 控制通讯模块和姿态调节机构，其中动力能源模块、控制通讯模块和姿态调节机构安装在 外壳体内，仿生推进机构与动力能源模块相连接，设置在外壳体外侧后方。 [0033]如图1、图2、图3b、图4、图5b和图6所示，外壳体的横截面为圆形，外壳体包括前 壳体501、后壳体502、螺纹套503和后盖504，螺纹套503的内表面的前后两端上分别设置 有内螺纹，前壳体501的后端和后壳体502的前端分别设置有外螺纹，前壳体501和后壳体 502分别与螺纹套503的前后两端螺纹连接，后盖504螺纹连接在后壳体502的后端，前壳 体501、螺纹套503和后壳体502的连接处分别设置有密封环505，后壳体502上安装有充 电接头506和充气接口507。螺纹连接使外壳体各部分之间的装配更简便，各部分连接处设 置的密封环使外壳体的密封性能更好。 [0034]如图1、图7和图8所示，仿生推进机构包括尾鳍101、C型骨架102和上、下主轴 103、104,C型骨架102的两端位于外壳体后部的上、下两侧，尾鳍101固定连接在C型骨 架102的后端，上、下主轴103、104的外端分别与C型骨架102的两端固定连接，上、下主轴 103、104的内端穿过外壳体后部的轴孔进入外壳体内。上、下主轴103、104穿过外壳体的轴 孔处固定安装有固定圈105，固定圈105内侧的主轴上套装有弹性密封圈106，弹性密封圈 106与固定圈105之间安装有弹性挡圈107。 [0035]动力能源模块包括电池201和推进驱动装置，推进驱动装置采用舵机202，舵机 202固定安装在舵机支架203内，上.主轴103的内端固定连接有上卡盘108，上卡盘108的 下表面上设置有若干凸起109，舵机202的输出端上固定设置有下卡盘204，下卡盘204的 边缘上设置有若干与凸起109相匹配的卡槽205，上卡盘108与下卡盘204相贴合，若干凸 起109进入相对应的卡槽205内。结合图5a所示，后壳体502的后侧下部内壁上设置有若 干横向的支撑条508，舵机支架203通过侧面和底部的连接板插入后壳体502内支撑条508 构成的插槽内，并通过舵机支架203侧面的卡勾207将舵机支架203固定在后壳体502内。 舵机202的输出端驱动下卡盘204摆动，下卡盘204带动上卡盘108、上主轴103旋转，上主 轴103带着C型骨架102和尾鳍101摆动，从而向机器鱼提供动力。 [0036] 如图1、图7和图9所示，电池201固定安装在矩形的电池支架206内，电池支架 6
CN104118549A 说明书 4/4页 206的两侧设置有螺栓安装板208，结合图5a所示，后壳体502的中部内壁上设置有一对横 向的支撑板509，支撑板509的一端设置有螺栓固定板510，电池支架206的底部坐在支撑 板509的上端面上，螺栓安装板208和螺栓固定板510相对贴合，并通过螺栓固定，从而将 电池支架206固定安装在后壳体502内。控制通讯模块包括集成主控板301和天线302，天 线302固定安装在外壳体上，集成主控板301通过螺栓和卡勾结构固定在电池支架206的 上表面。 [0037] 如图7和图10所示，姿态调节机构包括设置在外壳体内的周向旋转驱动装置和周 向旋转配重，周向旋转驱动装置用于带动周向旋转配重绕外壳体的前后方向的轴线转动。 周向旋转驱动装置包括前固定环401、后固定环402和旋转部件，前固定环401和后固定环 402的一侧周向上分别设置有若干卡勾404，结合图3b和图5b所示，前壳体501和后壳体 502的内壁上设置有若干卡条511，前固定环401和后固定环402分别通过卡勾404和卡条 511的配合固定在前壳体501和后壳体502的内壁上。前固定环401和后固定环402相对 的面上开设有环形滑槽403，环形滑槽403内分别设置有滚轮，两个滚轮之间通过连接杆连 接，周向旋转配重由若干片状配重块405组成，配重块405安装在连接杆上，旋转部件安装 在前固定环401上，并与连接杆相连接。通过旋转部件的转动，带动连接杆沿着前固定环 401和后固定环402的环形滑槽403滑动，使周向旋转配重绕着外壳体的中心轴线转动，从 而改变机器鱼在周向上的重心位置，调节机器鱼在水中的姿态，再加上与尾鳍101的配合， 实现机器鱼在水中前进、转向、上浮和下潜的动作。 [0038]其中，姿态调节机构中的旋转部件可以有多种具体形式，例如行星轮机构，其目的 是通过自身某个零件的转动带动周向旋转配重绕外壳体轴线转动。另外，在电池支架206 和舵机202支架安装时，都要尽量使电池201和舵机202的重心位于外壳体的轴线上，减小 机器鱼的姿态改变受到电池201和舵机202重心的过多影响。外壳体的横截面形状除了圆 形之外，也可以是其他中心对称图形，例如：正方形、椭圆形或者正多边形。 [0039]如图11所示，利用连接环6可以将若干个单关节机器鱼连接在一起构成水下推进 平台，用于运载其他水下设备，连接环6为8字型环，可以同时套在两个单关节机器鱼的外 壳体外部，将两个单关节机器鱼连接在一起。 [0040]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范 围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。 7
CN104118549A 说 明书 附 图 1/10页 点 ，。 兰 图1 图2 8
CN104118549A 说明书附图 2/10页 点 5 图3a 高 图3b 9
CN104118549A 说明书附 图 3/10页 品 图4 吉 图6 10