水下飞行机器人
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及水下飞行机器人领域。本实用新型结合仿生学研究成果，模仿鸟类在空气介质中的飞行特点，设计了一种在水介质中可以滑翔和飞行的水下机器人，主要由鱼型壳体、仿生翅膀驱动模块、电子模块、仿生尾鳍模块以及底座组成；仿生翅膀驱动模块包括：一对仿生翅膀，两个旋翼舵机和两个划翼舵机；仿生尾鳍模块包括：一个仿生尾鳍，一个空间曲柄摇杆机构，一个尾鳍舵机。本实用新型具有节能、低噪、机动性好等特点。
背景技术
海洋资源相当丰富，可缓解和满足人类对资源的巨大需求。而为了保证可持续利用海洋资源，首先要对勘探开发区域的海洋环境进行调查，了解区域情况，确定环境基线，对勘探开发行为对区域的影响作出评估，在此基础上制定监测方案，实时跟踪监测勘探开发活动对海洋环境的影响。
由于载人飞行机器人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障以及生命维持系统，这将为飞行机器人带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。因此，无人水下飞行机器人技术的研究显得非常重要，水下飞行机器人相对于载人飞行机器人在安全性、机动性以及可操作性等方面优势非常明显，其在海洋环境研究、海洋资源探测和开发领域具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值。
水下飞行机器人指的是一种可长期潜入水下，依靠自带能源、自推进、遥控或自主控制，通过配置任务载荷执行作业任务，能回收和反复使用的潜器。水下飞行机器人可用于海洋环境研究与调查、海洋资源探测与开发等方面，尤其在海底地形非常复杂的情况下，水下飞行机器人的机动特性和智能程度是任务能否顺利完成的关键。
现有的水下飞行机器人主要是以螺旋桨作为推进器的有缆/无缆水下飞行机器人，在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成一连串交错而反向的尾涡，会对物体产生阻力，因而效率较低。因此目前的水下飞行机器人在研究中遇到的问题主要在于其结构形式的灵活性与可靠性还存在一些不足，有较大的改进空间。
实用新型内容
针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种水下飞行机器人。
本实用新型的技术方案：
根据本实用新型提供的水下飞行机器人，包含鱼型壳体、仿生翅膀驱动模块、仿生尾鳍模块、电子模块、以及承载所需模块的底座。
壳体呈中心轴对称，舱体固定于壳体内部，分为翅膀舱、扩展舱、尾鳍舱，分别用于安装固定仿生翅膀模块、仿生鱼鳍模块、电子模块；为给仿生翅膀留有转动及摆动空间，在壳体前部翅膀舱上方两侧开窗；为鱼鳍模块的曲柄安装，在壳体后端轴线下方开通孔。
进一步地，仿生翅膀模块包括仿生翅膀，和两个驱动舵机，其中一个舵机固定于翅膀舱上，用于驱动仿生翅膀往复运动，另一个活动舵机主体与固定舵机转轴固定，转轴与翅膀固定，驱动仿生翅膀旋转运动。
仿生尾鳍模块包括仿生尾鳍，以及一种空间曲柄摇杆滑块机构以及驱动舵机，实现机器人尾鳍的上下摆动；在壳体后端有一体成型的水平轴孔，用于和尾鳍轴连接，使尾鳍仅有一个绕轴旋转的自由度；防水舵机固定于尾鳍舱内。
进一步地用曲柄和滑块以及滑杆将所述尾鳍驱动舵机的旋转运动转化为所述尾鳍的上下摆动，尾鳍摆动范围是绕中间轴线上下摆动90度。
所有电子元件包括单片机、无线串口模块、惯性导航模块、电池统一封装于密封腔内，做防水处理，固定于扩展舱。
本实用新型的有益效果是：
综合应用仿生技术和控制技术，研发出能高速、灵活、低噪航行的水下仿生飞行机器人，能应用于复杂海洋环境下的海底监测、水下救生等。
应用仿生技术和机构组合技术设计了一种空间曲柄摇杆滑块式的尾鳍驱动装置，实现机器人尾鳍的上下摆动。
应用仿生技术和机构组合技术实现了两翼的前后摆动和旋转运动，从而有效完成机器人的姿态调整。
研究结果实现了水下仿生飞行机器人高速、灵活、低噪航行等功能特点，可将本研究成果应用于复杂海洋环境下的海底测量、海洋观察、水下救生等，具有十分重要的意义。
附图说明
图1为水下飞行机器人结构示意图；
图2为仿生翅膀模块结构示意图；
图3为鱼鳍驱动模块结构示意图；
图4为水下飞行机器人控制框图；
图中示出：
1鱼型壳体，2仿生翅膀驱动模块，3电子模块，4仿生尾鳍模块，5尾鳍驱动装置，6底座， 7尾鳍舱，8扩展舱，9翅膀舱，10仿生翅膀，11旋翼舵机，12连接套，13转翼舵机，14尾鳍舵机，15尾鳍连接套，16曲柄，17销轴，18连接杆，19仿生尾鳍，20传动轴
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1所示一种水下飞行机器人包含鱼型壳体1，仿生翅膀驱动模块2、电子模块3、仿生尾鳍模块4、以及承载所述模块的底座6。
所述仿生翅膀驱动模块2包括：一对仿生翅膀10，两个旋翼舵机11，两个连接套12和两个划翼舵机13，翅膀舱9。
所述电子模块包括3：单片机、无线模块、电池组、惯性导航模块。
所述仿生尾鳍模块4包括：一个仿生尾鳍19，一个尾鳍驱动装置5，一个尾鳍舵机14，尾鳍连接套15，曲柄16，扩展舱8，尾鳍舱7，销轴17，连接杆18，传动轴20。
如图1所示，鱼型壳体1呈中心轴对称，并在所述鱼型壳体1前部两侧对称开窗，用于所述仿生翅膀10的安装并留有转动空间；在所述鱼型壳体1尾部中心线下侧开孔用于所述尾鳍驱动装置5的安装。
如图1所示，所述鱼型壳体1内部分为翅膀舱9、扩展舱8、尾鳍舱7，均固定于底座6之上；翅膀舱9位于舱体前部，安装所述仿生翅膀驱动模块2，负责机器人的姿态控制和全向游动；所述扩展舱8位于舱体中部，安装所述电子模块3；所述尾鳍舱7位于所述舱体尾部，安装所述仿生尾鳍模块4，提供机器人姿态和运动的辅助控制。
如图2所示，仿生翅膀驱动模块2具体包括左右对称的两套驱动单元，每个驱动单元包括两个金属防水舵机，分别是旋翼舵机11和划翼舵机13；旋翼舵机11通过连接套12固定于划翼舵机13的输出转轴，划翼舵机13固定于底座6之上。
如图2所示，仿生翅膀驱动模块2具有两个自由度，包括左右对称的两套驱动单元，每个驱动单元包括两个金属防水舵机，由所述旋翼舵机11和所述划翼舵机13提供，其中所述仿生翅膀10固定于所述旋翼舵机11的输出转轴，实现所述仿生翅膀10的旋转运动；划翼舵机13通过带动旋翼舵机11旋转从而实现所述仿生翅膀10的往复划动。
如图3所示，通过尾鳍驱动装置5，实现机器人仿生尾鳍19的上下摆动，尾鳍驱动装置 5包括一个空间曲柄摇杆滑块机构；所述尾鳍舵机14通过尾鳍连接套15带动曲柄16旋转，传动轴20与曲柄16呈轴连接，传动轴20与连接杆18呈轴连接，连接杆18与销轴17固定，综上将所述尾鳍舵机14的旋转运动转化为所述仿生尾鳍19的上下摆动，提供水下机器人姿态和运动的辅助控制。
单片机为水下飞行机器人的控制系统；无线模块接收上位机的运动期望指令，通过串口发送到所述单片机，然后单片机根据相应的指令生成旋翼舵机11划翼舵机13尾鳍舵机14的控制信号，从而实现对水下飞行机器人的姿态和速度控制，惯性导航模块采集所述水下飞行机器人的状态信息，发送到单片机，形成控制系统的反馈回路；所述电子模块3为所有电子元件供电；扩展模块统一封装于密封腔室内，安装于所述扩展舱8。
相比于螺旋桨推进方式，根据卡门涡街理论，在有流速流场里的非流线型物体,会沿来流的方向在其后面形成一连串交错而反向的尾涡，会对物体产生阻力，螺旋桨推进器转动过程中形成的尾流与螺旋桨转动方向是一致的,当螺旋桨作为主推进器时,该方向与水下机器人前进的方向垂直,推力不能被有效利用,因而效率较低；而本实用新型中的仿生翅膀驱动模块2这种推进方式形成一种平行于鱼前进方向喷流的流动,进而对水下飞行机器人产生推力，获得了较高的效率、较大的推力和较高的游动速度。
一种水下飞行机器人，包含鱼型壳体1、仿生翅膀驱动模块2、电子模块3、仿生尾鳍模块4、以及承载所述模块的底座6。所述仿生翅膀驱动模块2包括：一对仿生翅膀，两个旋翼舵机和两个划翼舵机；所述仿生尾鳍模块4包括：一个仿生尾鳍，一个空间曲柄摇杆机构，一个尾鳍舵机。本实用新型结合仿生学，将鸟类在空气中的飞行转化为在水中的游动，采取翅膀代替螺旋桨的驱动方法，通过控制仿生翅膀对水的拨动实现姿态控制和全向移动；同时还参考鲸鱼的尾鳍设计机器人的尾鳍，提供机器人姿态和运动的辅助控制。本实用新型实现一种灵活、高速、高效、低噪、安全的无人水下飞行机器人，整体轻盈灵活，便于携带且易于操作。
