(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CN104443332A (43)申请公布日2015.03.25 (21)申请号201410768766.4 (22)申请日2014.12.12 (71)申请人华北电力大学 地址102206北京市昌平区回龙观朱辛庄2 号 (72)发明人胡永辉谭传玉 (74)专利代理机构北京麟保德和知识产权代理 事务所（普通合伙）11428 代理人史双元 (51)1nt.cl. B63H1/36(2006.01) 权利要求书1页说明3页附图2页 (54)发明名称 一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生 机器鱼 (57)）摘要 1019720 一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生 机器鱼属于仿生推进水下机器人技术领域。该仿 生机器鱼由密封舱体和尾鳍推进器构成：密封舱 体内容纳包括各种载荷部件，尾鳍推进器具有两 自由度摆臂结构，主电机通过锥齿轮带动摆臂在 水平面做平动运动，在摆臂末端通过铰链连接尾 柄和尾鳍，尾柄前端连接拉伸弹簧，当摆臂左右拍 动时，尾鳍在拉伸弹簧和流场的共同作用下做被 动转动：调节电机输出轴上安装一绕线轮，连接 拉伸弹簧的钢丝缠绕其上，调节电机的转动可改 变拉伸弹簧的预紧力，进而改变被动关节的刚度。 本发明利用弹性元件实现机械能的循环利用，通 过调节被动关节刚度获得与不同游速相适应的机 械系统固有频率，从而实现自适应高效游动。 72995550 石
CN104443332A 权利要求书 1/1页 1.一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，由密封舱体(1)和尾鳍推进器 (2)构成：密封舱体(1)具有鱼雷外形，其内容纳包括主电机(8)、调节电机(9)、控制部件、 电源及传感器在内的载荷部件：其特征在于， 所述尾鳍推进器(2)包括与密封舱体(1)后端通过摆臂转轴(15)转动连接的摆臂 (3),以及摆臂(3)末端通过尾柄转轴(16)与之转动连接的尾柄(4)，尾柄(4)上固接尾鳍 (5):尾鳍推进器(2)具有两自由度，带动尾鳍(5)做平动-转动复合运动： 所述主电机(8)的主电机输出轴(12)通过一对锥齿轮(14)与摆臂转轴(15)连接，将 主电机输出轴(12)的转动转化为摆臂(3)的摆动： 所述调节电机(9)的调节电机输出轴(19)与绕线轮(20)连接，摆臂(3)为中空杆，其 内设置拉伸弹簧(17)，拉伸弹簧(17)的一端与尾柄(4)连接，另一端通过钢丝(18)与绕线 轮(20)连接。 2.根据权利要求1所述的一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，其特征 在于，所述密封舱体(1)的尾部设置端盖(7)，端盖(7)外侧安装整流罩(6)。 3.根据权利要求2所述的一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，其特征 在于，所述主电机输出轴(12)和调节电机输出轴(19)分别通过动密封件(13)安装在端盖 (7)上。 4.根据权利要求1所述的一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，其特征 在于，所述主电机输出轴(12)、调节电机输出轴(19)分别与机器鱼的纵向平行。 2
CN104443332A 说明书 1/3页 一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼 技术领域 [0001]本发明涉及一种仿生推进水下机器人，特别是一种由主动关节和被动关节联合驱 动的仿生机器鱼。 背景技术 [0002]仿生机器鱼是一种模仿鱼类运动实现推进的新型水下潜器，与传统螺旋桨推进的 水下潜器相比，仿生机器鱼具有能量效率高、机动性能好、低噪声和易于隐蔽等优点，因此 近年来得到了广泛的研究。仿生机器鱼的关节通常由大力矩、高增益反馈的伺服驱动系统 来控制，可以精确跟踪预定义轨迹，有效抑制流场扰动对游动步态的影响。由于仿生机器 鱼的尾部做往复摆动，关节电机处于持续的加速一制动一反向加速的过程中，与电机连续 旋转的螺旋桨推进器相比，仿生机器鱼尾鳍推进器的整体效率并没有明显的提高。生物学 研究表明，动物肌肉具有弹性储能的作用，鱼类可以利用肌肉实现机械能的循环利用，并通 过有效利用身体一流场耦合系统的固有动力学特性减少肌肉能耗：鱼类还可以调节肌肉弹 性，使身体一流场耦合系统的固有频率与尾鳍拍动频率相吻合，从而实现不同游速下的高 效推进。受此启发，采用弹性储能元件可以模拟肌肉实现能量的存储和释放，使尾部拍动的 动能与弹性元件的势能互相转换，通过调节弹性元件的刚度，获得与不同游速相适应的机 械系统固有频率，可实现自适应高效游动。 发明内容 [0003]本发明的目的是提供一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，通过有 效利用机械系统固有动力学特性，提高仿生水下推进器的能量效率，实现自适应高效游动。 [0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： [0005]该仿生机器鱼由密封舱体和尾鳍推进器构成：密封舱体具有鱼雷外形，其内容纳 包括主电机、调节电机、控制部件、电源及传感器在内的载荷部件； [0006]所述尾鳍推进器包括与密封舱体后端通过摆臂转轴转动连接的摆臂，以及摆臂末 端通过尾柄转轴与之转动连接的尾柄，尾柄上固接尾鳍：尾鳍推进器具有两自由度，带动尾 鳍做平动-转动复合运动： [0007]所述主电机的主电机输出轴通过一对锥齿轮与摆臂转轴连接，将主电机输出轴的 转动转化为摆臂的摆动： [0008]所述调节电机的调节电机输出轴与绕线轮连接，摆臂为中空杆，其内设置拉伸弹 簧，拉伸弹簧的一端与尾柄连接，另一端通过钢丝与绕线轮连接。 [0009] 所述密封舱体的尾部设置端盖，端盖外侧安装整流罩。 [0010] 所述主电机输出轴和调节电机输出轴分别通过动密封件安装在端盖上。 [0011] 所述主电机输出轴、调节电机输出轴分别与机器鱼的纵向平行。 [0012] 本发明的有益效果为： [0013] (1)所述仿生机器鱼的尾鳍可以做平动一转动复合运动，平动运动产生主要的击 3
CN104443332A 说明书 2/3页 水动作，而转动运动为击水动作提供合适的攻角。平动关节为主动关节，由直流电机直接 驱动：转动关节为被动关节，可在弹簧和流场的共同作用下产生动作，弹簧的刚度可连续调 节，以改变机械系统的固有频率，从而实现自适应高效游动。 [0014](2)通过闭环控制的调节电机可准确、快速地调整被动关节的刚度，使尾鳍被动转 动的固有频率与尾鳍主动平动的频率相适应，从而使尾鳍在共振状态下运行，提高尾鳍的 推进效率。 [0015](3)将主动关节与被动关节相结合，可兼顾机器鱼的可控性和能量效率。 附图说明 [0016] 图1为本发明所述的由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼的立体结构 示意图。 [0017] 图2为尾鳍推进器的剖面示意图。 [0018] 图3为尾鳍推进器的原理示意图。 [0019] 图中标号： [0020]1-密封舱体：2-尾鳍推进器：3-摆臂；4-尾柄：5-尾鳍：6-整流罩：7-端盖：8-主 电机：9调节电机：10-电机支架：11-联轴器；12-主电机输出轴：13-动密封件；14-锥齿 轮；15摆臂转轴：16-尾柄转轴：17-拉伸弹簧：18-钢丝；19-调节电机输出轴：20-绕线 轮。 具体实施方式 [0021]本发明提供了一种由主动关节和被动关节联合驱动的仿生机器鱼，下面结合附图 和实施例对本发明予以说明。 [0022]如图1所示，本发明的主体结构为密封舱体1和尾鳍推进器2。密封舱体1为刚性 壳体并具有鱼雷外形，其内部安装电机、驱动器、控制器、电源及传感器等有效载荷：密封舱 体1尾端连接尾鳍推进器2，尾鳍推进器2具有两自由度摆臂结构，其中摆臂3带动尾鳍5 做平动运动，以产生主要的击水动作，尾柄4带动尾鳍5做转动运动，以为击水动作提供合 适的攻角。在密封舱体1尾端安装整流罩6，一方面保护尾鳍推进器2的传动机构，另一方 面抑制密封舱体1尾部的扰流，降低游动阻力。 [0023]如图2所示，在密封舱体1尾端具有一端盖7，端盖7作为尾鳍推进器的主要支撑 结构与密封舱体1密封连接；主电机8通过电机支架10固定在密封舱体1内；主电机8通 过联轴器11带动主电机输出轴12转动，主电机输出轴12穿过动密封件13将运动输出，动 密封件13固定在端盖7上；由于主电机输出轴12与机器鱼纵向平行，采用一对锥齿轮14 改变传动方向，锥齿轮14带动摆臂转轴15转动，而摆臂转轴15与摆臂3固连，从而实现摆 臂3在水平方向的左右摆动，即尾鳍5的平动运动。 [0024]如图3所示，在摆臂3末端设置一尾柄转轴16，尾柄4通过尾柄转轴16相对摆臂 3转动：摆臂3为中空结构，拉伸弹簧17位于摆臂3的空腔内，并沿摆臂3做伸缩运动，拉 伸弹簧17的后端连接尾柄4：拉伸弹簧17的前端连接钢丝18，钢丝18穿过摆臂3的内部 空腔，并从摆臂转轴15的中心圆孔引出：调节电机9采用与主电机8相同的传动结构将运 动输出，在调节电机输出轴19上安装绕线轮20，钢丝18缠绕在绕线轮20上，调节电机输出 4
CN104443332A 说明书 3/3页 轴19的转动可使拉伸弹簧17伸缩，从而改变拉伸弹簧17的预紧力，实现被动关节刚度的 调节。 [0025]当摆臂3左右拍动时，尾鳍5受水的作用力而相对摆臂3转动，而拉伸弹簧17通 过尾柄4使尾鳍5趋于回复平衡位置，尾鳍5在拉伸弹簧17和流场的共同作用下产生相位 滞后于平动运动的被动转动运动。 [0026]本发明不应受上述实施例的限制，凡是根据本发明技术方案不用创造性劳动就可 以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。 5
CN104443332A 说明书附图 1/2页 2 3 5 6 图1 91019 720 6 5 3 18 17 16 14 8 111213 图2 6
CN104443332A 说明书附图 2/2页 20 16 18 M 5 3 17 4 图3 7