胸鳍模块和仿生机器蝠鲼

1.本发明涉及水下仿生机器人技术领域，尤其涉及一种胸鳍模块和仿生机器蝠鲼。


背景技术：

2.生物蝠鲼具有圆盘样身体及对称的三角形翼状胸鳍，而且采用不同于一般鱼类的中间鳍/对鳍推进模式，具有较好的运动稳定性、较低的环境扰动、较好的三维机动性、较高的运动效率。研究表明，蝠鲼宽大扁平的翼状胸鳍是其高效率、高机动性游动的关键。仿生机器蝠鲼是基于生物蝠鲼原型，模仿胸鳍的运动特性，使用机械驱动机构与柔性材料制作的一种仿生机器。
3.在实际应用中发现，现有仿生机器蝠鲼多采用柔性驱动方式获得较好的推进性能，其中线驱动型仿生机器蝠鲼的胸鳍模块大多由牵引绳固定不同弦长的胸鳍骨架，使得仿生机器蝠鲼具备一定的运动速度和机动能力，但是，这类胸鳍模块的运动自由度较少，驱动方式单一，难以真实地模仿生物蝠鲼的运动特性，存在运动灵活性差的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种胸鳍模块和仿生机器蝠鲼，用以解决现有仿生机器蝠鲼的胸鳍模块难以真实地模仿生物蝠鲼的运动特性，存在运动灵活性差的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
6.第一方面，本发明提供一种胸鳍模块，包括：胸鳍主体、柔性鳍尖、第一旋转驱动组件、第二旋转驱动组件和牵引组件；
7.所述胸鳍主体和所述柔性鳍尖沿所述胸鳍模块的展向设置；所述胸鳍主体包括胸鳍骨架和柔性蒙皮，所述胸鳍骨架具有沿所述展向相对设置的根部和尖部，所述柔性蒙皮包覆于所述胸鳍骨架的外侧；
8.所述第一旋转驱动组件和至少部分所述牵引组件设于所述胸鳍骨架的根部；所述第一旋转驱动组件可驱动所述胸鳍骨架绕所述展向转动；所述牵引组件可通过牵引绳驱动所述胸鳍骨架沿所述展向进行弯曲形变，以及驱动所述胸鳍骨架绕所述胸鳍模块的弦向进行摆动；
9.所述第二旋转驱动组件连接于所述胸鳍骨架的尖部和所述柔性鳍尖之间；所述第二旋转驱动组件可驱动所述柔性鳍尖绕所述胸鳍模块的弦向进行摆动。
10.根据本发明提供的一种胸鳍模块，所述胸鳍骨架包括骨架段和弹性件；
11.所述骨架段设有多个，多个所述骨架段沿所述胸鳍模块的展向依次铰接，各个所述骨架段均设有第一孔位和第二孔位；相邻两个所述骨架段的第一孔位之间，以及相邻两个所述骨架段的第二孔位之间均设置有所述弹性件；
12.所述牵引组件包括卷扬总成和牵引绳；所述牵引绳沿所述胸鳍模块的展向延伸设置；所述牵引绳的第一端和所述卷扬总成连接，所述牵引绳的第二端先沿所述根部至所述尖部的延伸方向依次穿设于各个所述骨架段的第一孔位，再沿所述尖部至所述根部的延伸
方向穿设于各个所述骨架段的第二孔位，然后与所述卷扬总成连接。
13.根据本发明提供的一种胸鳍模块，所述牵引绳设有两根；两根所述牵引绳沿所述弦向分设于各个所述骨架段的相对侧；每个所述骨架段均设有两个第一孔位和两个第二孔位；两个所述第一孔位沿所述弦向分设于所述骨架段的相对侧；两个所述第二孔位沿所述弦向分设于所述骨架段的相对侧。
14.根据本发明提供的一种胸鳍模块，所述弹性件包括弹簧，所述弹簧套设于所述牵引绳的外侧，所述弹簧夹设于相邻两个所述骨架段之间。
15.根据本发明提供的一种胸鳍模块，所述第一旋转驱动组件包括第一电机和齿轮组；所述第一电机的输出端和所述齿轮组的输入端连接，所述齿轮组的输出端和所述胸鳍骨架的根部连接。
16.根据本发明提供的一种胸鳍模块，所述第二旋转驱动组件包括第一舵机和第一连接架，所述第一舵机设于所述胸鳍骨架的尖部，所述第一舵机的输出端和所述第一连接架的一端连接，所述第一连接架的另一端和所述柔性鳍尖连接。
17.第二方面，本发明提供一种仿生机器蝠鲼，包括：头部舱体、主舱体、第一胸鳍、第二胸鳍和尾鳍；
18.沿所述仿生机器蝠鲼的前进方向，所述头部舱体设于所述主舱体的前端，所述第一胸鳍和所述第二胸鳍分设于所述主舱体的左、右侧，所述尾鳍设于所述主舱体的后端；
19.其中，所述第一胸鳍和所述第二胸鳍均为胸鳍模块。
20.根据本发明提供的仿生机器蝠鲼，所述主舱体内设有电池组件、控制组件和无线通信模块；
21.所述电池组件和所述控制组件电性连接，所述控制组件包括压力传感器、惯性测量单元和控制模组，所述压力传感器、所述惯性测量单元和所述无线通信模块分别与所述控制模组连接，所述控制模组分别与所述第一旋转驱动组件、所述第二旋转驱动组件及所述牵引组件连接；
22.其中，所述压力传感器用于检测所述仿生机器蝠鲼所在水体环境的压力信息，所述惯性测量单元用于为所述仿生机器蝠鲼在水体环境中的移动提供导航信息。
23.根据本发明提供的仿生机器蝠鲼，所述头部舱体内设有视觉探测组件；
24.所述视觉探测组件包括第二舵机、第二连接架和双目摄像机；所述第二舵机的输出端和所述第二连接架的一端连接，所述第二连接架的另一端和所述双目摄像机连接；
25.其中，所述头部舱体背离所述主舱体的一侧的壁面设有可视窗口，所述双目摄像机的镜头朝向所述可视窗口，所述第二舵机的输出端可沿所述胸鳍模块的展向偏转，以改变所述双目摄像机的俯仰角度。
26.根据本发明提供的仿生机器蝠鲼，所述主舱体和所述尾鳍之间设有第三旋转驱动组件；
27.所述第三旋转驱动组件包括第三舵机和第三连接架，所述第三舵机设于所述主舱体内，所述第三舵机的输出端和所述第三连接架的一端连接，所述第三连接架的另一端和所述尾鳍连接；
28.其中，所述第三舵机的输出端可沿所述胸鳍模块的展向偏转，以通过所述第三连接架驱动所述尾鳍摆动。
29.本发明提供的胸鳍模块和仿生机器蝠鲼，既可以通过使用第一旋转驱动组件驱动胸鳍骨架绕展向转动，使得仿生机器蝠鲼的胸鳍模块能够实现模仿生物蝠鲼的胸鳍的前后摆动，也可以通过牵引组件的牵引绳驱动胸鳍骨架沿展向进行弯曲形变，以及驱动胸鳍骨架绕胸鳍模块的弦向进行摆动，实现模仿生物蝠鲼的胸鳍沿其弦向的柔性扑动，还可以通过第二旋转驱动组件驱动柔性鳍尖绕胸鳍模块的弦向进行摆动，可以在第一旋转驱动组件和牵引组件的配合驱动下，使得柔性鳍尖能够模仿生物蝠鲼稳定游动时胸鳍末端的“8”字型运动。这种设置结构，为仿生机器蝠鲼提供了扑动型推进方式，并能够优化仿生机器蝠鲼的胸鳍末端的运动轨迹，从而实现真实地模仿生物蝠鲼的运动特性，并且具有较好的运动灵活性。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本发明提供的胸鳍模块的结构示意图；
32.图2是本发明提供的仿生机器蝠鲼的结构示意图；
33.图3是本发明提供的主舱体的局部剖视图；
34.图4是本发明提供的视觉探测组件的结构示意图；
35.图5是本发明提供的第三旋转驱动组件和尾鳍连接的结构示意图；
36.图6是本发明提供的仿生机器蝠鲼的控制结构框图。
37.附图标记：
38.1、胸鳍模块；
39.11、胸鳍主体；111、胸鳍骨架；112、柔性蒙皮；1111、骨架段；1112、弹性件；11111、第一铰接轴；11112、第二铰接轴；11113、连接部；
40.12、柔性鳍尖；
41.13、第一旋转驱动组件； 131、第一电机； 132、齿轮组；
42.14、第二旋转驱动组件； 141、第一舵机； 142、第一连接架；
43.15、牵引组件； 151、卷扬总成； 152、牵引绳；
44.2、仿生机器蝠鲼；
45.21、头部舱体；211、视觉探测组件；212、可视窗口；2111、第二舵机；2112、第二连接架；2113、双目摄像机；
46.22、主舱体；221、控制组件；222、电池组件；2211、压力传感器；2212、惯性测量单元；2213、控制模组；223、无线通信模块；
47.23、第一胸鳍；24、第二胸鳍；25、尾鳍；
48.26、第三旋转驱动组件；261、第三舵机；262、第三连接架；
49.27、上位机。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.下面结合图1至图6，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的胸鳍模块和仿生机器蝠鲼进行详细地说明。
52.第一方面，如图1和图2所示，本实施例提供一种胸鳍模块，该胸鳍模块1包括：胸鳍主体11、柔性鳍尖12、第一旋转驱动组件13、第二旋转驱动组件14和牵引组件15。
53.胸鳍主体11和柔性鳍尖12沿胸鳍模块1的展向设置；胸鳍主体11包括胸鳍骨架111和柔性蒙皮112，胸鳍骨架111具有沿胸鳍模块1的展向相对设置的根部和尖部，柔性蒙皮112包覆于胸鳍骨架111的外侧。
54.第一旋转驱动组件13和至少部分牵引组件15设于胸鳍骨架111的根部；第一旋转驱动组件13可驱动胸鳍骨架111绕展向转动；牵引组件15可通过牵引绳152驱动胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向进行弯曲形变，以及驱动胸鳍骨架111绕胸鳍模块1的弦向进行摆动。
55.第二旋转驱动组件14连接于胸鳍骨架111的尖部和柔性鳍尖12之间；第二旋转驱动组件14可驱动柔性鳍尖12绕胸鳍模块1的弦向进行摆动。
56.可理解的是，本实施例的胸鳍骨架111既可以设置成一节，也可以设置成多节串联的形式。
57.与此同时，本实施例的柔性蒙皮112是一种柔性翼型硅胶蒙皮，能将胸鳍骨架111整体包覆。本实施例的胸鳍模块可以根据实际需求选择柔性蒙皮112的硬度，在柔性蒙皮112的硬度发生变化时，胸鳍模块1产生的流固耦合效果会发生相应变化。在实际应用中，通过选取合适硬度的柔性蒙皮112，可以使得胸鳍模块适应不同水下流场的运动需求。
58.其中，沿胸鳍模块1的展向，柔性蒙皮112的弦长从胸鳍骨架111的根部至尖部逐渐变小，此种结构便于模仿生物蝠鲼的胸鳍外形，以适应其运动模式。
59.如图2所示，本实施例的仿生机器蝠鲼2包括头部舱体21、主舱体22、第一胸鳍23、第二胸鳍24和尾鳍25。第一胸鳍23和第二胸鳍24相对于主舱体22左右对称设置，第一胸鳍23和第二胸鳍24均采用本实施例的胸鳍模块1所对应的结构特征。
60.其中，本实施例的主舱体22内形成有密闭的空间，第一旋转驱动组件13和牵引组件15对应的驱动结构均可以设置于主舱体22内。
61.第一旋转驱动组件13用于驱动胸鳍骨架111相对主舱体22做顺时针或者逆时针偏转，以使得胸鳍模块1相对主舱体22做顺时针或者逆时针翻转，从而使得胸鳍骨架111具有俯仰方向的自由度。如此，仿生机器蝠鲼在水体环境中移动时，可以通过控制第一旋转驱动组件13的工作状态，调整仿生机器蝠鲼2的俯仰姿势，以实现仿生机器蝠鲼2模拟生物蝠鲼沿其胸鳍的弦向的波动。
62.本实施例在胸鳍骨架111上设置牵引绳152，牵引组件15对牵引绳152施加牵引力，可以在牵引绳152的牵引下，胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向发生弯曲形变，配合胸鳍骨架111外置的柔性蒙皮112发生相应的弯曲形变。
63.与此同时，牵引组件15还可以驱动胸鳍骨架111相对主舱体22进行摆动。在卷扬总成151沿逆时针或者顺时针转动，以对牵引绳152进行收卷的情形下，胸鳍骨架111向上、向下摆动，带动胸鳍模块1相对主舱体22向上、向下摆动。
64.本实施例通过设置牵引组件15，使得胸鳍模块1能够模拟生物蝠鲼胸鳍的柔性扑动状态，从而使得胸鳍主体11具有较多的运动自由度，胸鳍主体11运动的姿态较多，不仅能够还原生物蝠鲼的胸鳍其展向的波动，而且模仿的精准度较高。
65.本实施例通过设置第二旋转驱动组件14驱动柔性鳍尖12绕胸鳍模块1的弦向进行上、下摆动，使得相较于跟随胸鳍骨架111的上、下摆动，柔性鳍尖12自身也能够单独上、下摆动，从而柔性鳍尖12获得了额外的自由度，使得胸鳍模块1模仿生物蝠鲼的运动轨迹更加的精准，并与第一旋转驱动组件13和牵引组件15的协调配合，以使得仿生机器蝠鲼2能够达到模拟生物蝠鲼的胸鳍末端的闭合运动轨迹的效果。与此同时，本实施例通过控制柔性鳍尖12转动角度的变化，还能优化其在水体环境中的水流攻角，使仿生机器蝠鲼2的推进力得到进一步的优化。
66.由上可知，本发明提供的胸鳍模块1，既可以通过使用第一旋转驱动组件13驱动胸鳍骨架111绕展向转动，使得仿生机器蝠鲼2的胸鳍模块1能够实现模仿生物蝠鲼的胸鳍的前后摆动，也可以通过牵引组件15的牵引绳152驱动胸鳍骨架111沿展向进行弯曲形变，以及驱动胸鳍骨架111绕胸鳍模块1的弦向进行摆动，实现模仿生物蝠鲼的胸鳍沿其弦向的柔性扑动，还可以通过第二旋转驱动组件14驱动柔性鳍尖12绕胸鳍模块1的弦向进行摆动，可以在第一旋转驱动组件13和牵引组件15的配合驱动下，使得柔性鳍尖12能够模仿生物蝠鲼稳定游动时胸鳍末端的“8”字型运动。这种设置结构，为仿生机器蝠鲼2提供了扑动型推进方式，并能够优化仿生机器蝠鲼2的胸鳍末端的运动轨迹，从而实现真实地模仿生物蝠鲼的运动特性，并且具有较好的运动灵活性。
67.在一些实施例中，如图1所示，本实施例的胸鳍骨架111包括骨架段1111和弹性件1112。
68.骨架段1111设有多个，多个骨架段1111沿胸鳍模块1的展向依次铰接，各个骨架段1111均设有第一孔位和第二孔位；相邻两个骨架段1111的第一孔位之间，以及相邻两个骨架段1111的第二孔位之间均设置有弹性件1112。
69.牵引组件15包括卷扬总成151和牵引绳152；牵引绳152沿胸鳍模块1的展向延伸设置；牵引绳152的第一端和卷扬总成151连接，牵引绳152的第二端先沿根部至尖部的延伸方向依次穿设于各个骨架段1111的第一孔位，再沿尖部至根部的延伸方向穿设于各个骨架段1111的第二孔位，然后与卷扬总成151连接。
70.可理解的是，本实施例的骨架段1111包括第一铰接轴11111、第二铰接轴11112和连接部11113。第一铰接轴11111和第二铰接轴11112分设于连接部11113的前端和后端，第一铰接轴11111与其前端的骨架段1111，第二铰接轴11112与其后端的骨架段1111均通过铰接件连接。胸鳍骨架111根部的骨架段1111的前端通过转接座与第一旋转驱动组件13连接，胸鳍骨架111尖部的骨架段1111的后端通过支撑架与第二旋转驱动组件14连接。此种结构设置使得胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向发生弯曲形变时，每一个骨架段1111都能够绕铰接件旋转完成较小幅度的弯曲动作，从而使胸鳍骨架111的变形更加拟合生物蝠鲼的胸鳍动作。
71.进一步地，卷扬总成151包括卷筒和第二电机。牵引绳152的第一端和卷筒连接，牵引绳152的第二端先沿根部至尖部的延伸方向依次穿设于各个骨架段1111的第一孔位，再沿尖部至根部的延伸方向穿设于各个骨架段1111的第二孔位，然后与卷筒连接。第二电机安装于卷筒的一侧，第二电机将动力传递给卷筒，用于驱动卷筒上设置的牵引绳152。
72.与此同时，由于相邻两个骨架段1111的第一孔位之间，以及相邻两个骨架段1111的第二孔位之间还设置了弹性件1112，则可通过对牵引绳152施加牵引力，使得牵引绳152相对于各个骨架段1111移动，以在弹性件1112的配合下改变不同的骨架段1111之间的铰接状态，不仅可以实现胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向发生弯曲形变，还可以实现胸鳍骨架111相对于卷扬总成151绕胸鳍模块1的弦向进行摆动。
73.其中，在牵引绳152相对于各个骨架段1111移动的过程中，弹性件1112在相邻的两个骨架段1111之间起到弹性支撑作用，使得胸鳍骨架111能够保持一定的姿态，从而胸鳍骨架111的整体结构具有一定的刚度，本实施例可以通过控制牵引绳152相对于各个骨架段1111的移动方向，可以实现控制胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向的弯曲形变方向，以及控制胸鳍模块1相对于主舱体22向上或者向下摆动。
74.其中，弹性件1112可以是弹性片，也可以是弹性块，还可以是弹簧。
75.以第一胸鳍23为例，在卷扬总成151的卷筒沿逆时针转动，以对牵引绳152进行收卷的情形下，相邻两个骨架段1111的第一孔位之间的间距变短，相邻两个骨架段1111的第一孔位之间的弹性件1112受到挤压，相邻两个骨架段1111的第二孔位之间的骨架段1111的间隔距离变长，相邻两个骨架段1111的第二孔位之间的弹性件1112保持原有形态，使得胸鳍骨架111发生朝上的弯曲形变，从而使得每个骨架段1111绕铰接件旋转并推动胸鳍骨架111的尖部朝上摆动。
76.相应地，在卷扬总成151的卷筒沿顺时针转动，以对牵引绳152进行收卷的情形下，相邻两个骨架段1111的第一孔位之间的间距变长，其中的弹性件1112保持原有形态，相邻第二孔位之间的骨架段1111的间距变短，其中的弹性件1112受到挤压，使得胸鳍骨架111发生朝下的弯曲形变，使得每个骨架段1111绕铰接件旋转并推动胸鳍骨架111的尖部朝下摆动。
77.在一些实施例中，如图1所示，本实施例的牵引绳152设有两根；两根牵引绳152沿胸鳍模块1的弦向分设于各个骨架段1111的相对侧；每个骨架段1111均设有两个第一孔位和两个第二孔位；两个第一孔位沿胸鳍模块1的弦向分设于骨架段1111的相对侧；两个第二孔位沿胸鳍模块1的弦向分设于骨架段1111的相对侧。
78.相比于采用一根牵引绳152对胸鳍骨架111进行驱动的方案，本实施例通过设置两根牵引绳152，可以使得胸鳍骨架111在两根牵引绳152的驱动下既能够相对主舱体22进行弯曲形变，也能相对主舱体22进行摆动，从而使得胸鳍骨架111所受的力沿两侧均布。而且牵引绳152与骨架段1111的接触点位更多，更能保证每个骨架段1111绕铰接件旋转的可行性，并使骨架段1111之间的弹性件1112均发生弹性变形，更利于控制胸鳍骨架111模拟动作的精准度。
79.在一些实施例中，如图1所示，本实施例的弹性件1112包括弹簧，弹簧套设于牵引绳152的外侧，弹簧夹设于相邻两个骨架段1111之间。
80.本实施例通过设置弹簧套设于牵引绳152的外侧，使得弹簧在骨架段1111之间发
生弹性变形时能够保持刚度，与牵引绳152对骨架段1111的牵引及推动，在结构上更有效的融合，从而使得胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向的弯曲变形和弦向摆动更加高效。
81.在一些实施例中，如图1所示，本实施例的第一旋转驱动组件13包括第一电机131和齿轮组132；第一电机131的输出端和齿轮组132的输入端连接，齿轮组132的输出端和胸鳍骨架111的根部连接。
82.可理解的是，齿轮组132由中轴线相互垂直的一对啮合齿轮构成。
83.本实施例设置第一电机131，将动力传递给齿轮组132，齿轮组132通过两个齿轮的啮合，将动力传递给胸鳍骨架111的根部，从而驱动胸鳍骨架111相对主舱体22进行转动。
84.其中，齿轮组132中的齿轮可以是锥齿轮，也可以是斜齿轮。
85.进一步地，为了放置驱动部件，本实施例在胸鳍骨架111的根部设置支撑件，第一电机131固定于支撑件的侧边的后侧，同时卷扬总成151的驱动部件也位于支撑件上，使得占用的空间较小，设计紧凑。
86.在一些实施例中，如图1所示，本实施例的第二旋转驱动组件14包括第一舵机141和第一连接架142，第一舵机141设于胸鳍骨架111的尖部，第一舵机141的输出端和第一连接架142的一端连接，第一连接架142的另一端和柔性鳍尖12连接。
87.本实施例通过将第一舵机141与胸鳍骨架111的尖部固定连接，可以利用第一舵机141的转动，驱动柔性鳍尖12相对主舱体22进行摆动。因此，本实施例通过第一旋转驱动组件13、牵引组件15与第二旋转驱动组件14的配合，使得仿生机器蝠鲼2的胸鳍模块1能够准确模拟生物蝠鲼胸鳍末端的复杂闭合运动轨迹，并能够调整优化仿生机器蝠鲼2的整体推进力。
88.第二方面，在一些实施例中，如图2所示，本实施例提供一种仿生机器蝠鲼2，包括：头部舱体21、主舱体22、第一胸鳍23、第二胸鳍24和尾鳍25。
89.沿仿生机器蝠鲼2的前进方向，头部舱体21设于主舱体22的前端，第一胸鳍23和第二胸鳍24分设于主舱体22的左、右侧，尾鳍25设于主舱体22的后端。
90.其中，第一胸鳍23和第二胸鳍24均可以采用上述实施例所示的胸鳍模块1。
91.可理解的是，本实施例的仿生机器蝠鲼2整体外形仿照生物蝠鲼的流线型设计，以使得能够更好的模拟生物蝠鲼的水下运动。
92.具体地，本实施例既可以将头部舱体21和主舱体22设为一体式结构，也可以将头部舱体21和主舱体22分离设置。
93.具体地，本实施例通过在仿生机器蝠鲼2的主舱体22左右两侧对称设置了牵引组件15和第一旋转驱动组件13，使得胸鳍模块1能够在牵引组件15和第一旋转驱动组件13的协调周期运动下，实现仿生机器蝠鲼2的波动式推进；而且，本实施例还可以通过调整第一胸鳍23和第二胸鳍24的驱动部件，使得仿生机器蝠鲼2的第一胸鳍23和第二胸鳍24的运动不对称，从而使得仿生机器蝠鲼2的横滚角和偏航角发生改变，来实现仿生机器蝠鲼2的横滚运动与偏航运动。
94.与此同时，本实施例的仿生机器蝠鲼2还在左右两侧对称设置了第二旋转驱动组件14，为胸鳍模块1的柔性鳍尖12提供了额外的自由度，并且第二旋转驱动组件14与牵引组件15及第一旋转驱动组件13配合，实现了对仿生机器蝠鲼2胸鳍末端“8”字闭合运动轨迹的精确模拟，使得模拟生物蝠鲼的运动更加精准。
95.由此，本实施例的仿生机器蝠鲼2提供了一种可真实模仿生物蝠鲼游动模式，具备扑动型推进方式，并且能够高效、高机动巡航的模块化仿生机器。
96.在一些实施例中，如图1、图3和图6所示，本实施例的主舱体22内设有电池组件222、控制组件221和无线通信模块223。
97.电池组件222和控制组件221电性连接，控制组件221包括压力传感器2211、惯性测量单元2212和控制模组2213，压力传感器2211、惯性测量单元2212和无线通信模块223分别与控制模组2213连接，控制模组2213分别与第一旋转驱动组件13、第二旋转驱动组件14及牵引组件15连接。
98.其中，压力传感器2211用于检测仿生机器蝠鲼2所在水体环境的压力信息，惯性测量单元2212用于为仿生机器蝠鲼2在水体环境中的移动提供导航信息。
99.可理解的是，本实施例的电池组件222包括多节可充电锂电池，位于控制模组2213的下方，在主舱体22呈前后对称布置。本实施例将电池组件222放置电池盒中，为仿生机器蝠鲼2提供电力续航支持。本实施例通过将电池组件222的放置位置呈前后分散状态，使得电池的荷载在主舱体22中均布，有利于仿生机器蝠鲼2的平稳运动。
100.进一步地，如图3和图6所示，本实施例的控制模组2213包括第一控制板和第二控制板，第一控制板与第二控制板通过串口连接。
101.其中，第一控制板和视觉探测组件211连接，第一控制板上可搭载ai芯片，以用于图像处理和上层算法，从而第一控制板可以对视觉探测组件211采集的图像信息进行处理和识别。
102.与此同时，第二控制板用于控制底层运动，第二控制板上可搭载电机驱动器、舵机、传感设备和稳压模块。具体而言，压力传感器2211和惯性测量单元2212与第二控制板连接，第二控制板分别与第一旋转驱动组件13对应的第一电机131、牵引组件15的第二电机通过电机驱动器连接，以及与第二旋转驱动组件14对应的第一舵机141、视觉探测组件211对应的第二舵机2111和第三旋转驱动组件26对应的第三舵机261直接连接。
103.如此，在实际应用中，第二控制板可以根据压力传感器2211采集的压力信息和惯性测量单元2212提供的导航信息，分别对胸鳍模块1、尾鳍25和视觉探测组件211的工作状态进行控制，以实现改变仿生机器蝠鲼在水体环境中游动的位置和姿态。
104.此外，本实施例的无线通信模块223可以采用射频通信模块，控制组件221可以通过无线通信模块223与上位机27建立通信连接。
105.如此，在仿生机器蝠鲼2进行水下作业时，仿生机器蝠鲼2采集的相关信息可以通过无线通信模块223上传至上位机；相应地，工作人员也可以通过上位机27向仿生机器蝠鲼2下达作业指令，以远程控制仿生机器蝠鲼2到达指定的水域进行水下作业。
106.其中，上位机27可以是电脑，也可以是遥控器。
107.具体地，如图3所示，本实施例的压力传感器2211设于主舱体22内部的前端，并且位于前端电池组件222的前方。压力传感器2211用于检测水体环境的压力信息，进而得知仿生机器蝠鲼2在水体环境中的深度，并将信息传给控制模组2213。
108.与此同时，如图3所示，本实施例的惯性测量单元2212设于主舱体22后端电池组件222的上方。惯性测量单元2212用于采集仿生机器蝠鲼2的实时运动状态并推算仿生机器蝠鲼2的位置，并将运动状态及位置信息传给控制模组2213。
109.当仿生机器蝠鲼2用于水下作业时，首先，压力传感器2211采集水体环境的压力信息，同时，惯性测量单元2212采集的仿生机器蝠鲼2状态信息；然后，压力传感器2211和惯性测量单元2212将采集的信息发给控制模组2213上的第二控制板，第二控制板向第一旋转驱动组件13的第一电机131及牵引组件15的卷扬总成151的第二电机发出控制指令：第一电机131响应该控制指令，控制胸鳍骨架111绕展向转动；第二电机响应该控制指令，控制胸鳍骨架111沿胸鳍模块1的展向弯曲形变，以及控制胸鳍骨架111绕胸鳍模块1的弦向摆动。第一舵机141控制柔性鳍尖12绕胸鳍模块1的弦向摆动。
110.与此同时，视觉探测组件211将采集的视频信息发给控制模组2213上的第一控制板，由第一控制板进行图像信息的处理和识别。
111.本实施例的控制组件221能够通过压力传感器2211和惯性测量单元2212采集的信息，控制第一旋转驱动组件13和牵引组件15实现生物蝠鲼胸鳍的两种垂直波动的叠加运动，也就是沿蝠鲼胸鳍翼展方向的波动和沿蝠鲼胸鳍弦长方向的波动；同时，控制组件221能够通过压力传感器2211和惯性测量单元2212采集的信息，控制第二旋转驱动组件14模仿生物蝠鲼稳定游动时的胸鳍末端“8”字运动轨迹，即仿生机器蝠鲼2的胸鳍末端能够追踪生物蝠鲼在高效稳定游动时胸鳍末端的空间闭合轨迹。如此，仿生机器蝠鲼2在多个动力元件协调配合的基础上，以更形象的程度模仿还原生物蝠鲼的运动模态，并且还可以实现在对生物蝠鲼运动特性分析的同时，获得仿生机器蝠鲼2的优化分析。
112.本实施例通过采用模块化的设计，使得仿生机器蝠鲼2易于拆装和维护，具有生物蝠鲼运动稳定、效率高、机动性强和低环境扰动的优点。
113.在一些实施例中，如图4所示，本实施例的头部舱体21内设有视觉探测组件211。
114.视觉探测组件211包括第二舵机2111、第二连接架2112和双目摄像机2113；第二舵机2111的输出端和第二连接架2112的一端连接，第二连接架2112的另一端和双目摄像机2113连接。
115.其中，头部舱体21背离主舱体22的一侧的壁面设有可视窗口212，双目摄像机2113的镜头朝向可视窗口212，第二舵机2111的输出端可沿胸鳍模块1的展向偏转，以改变双目摄像机2113的俯仰角度。
116.可理解的是，本实施例的控制模组2213收到传感器发送的信号后，控制模组2213向第二舵机2111发出控制指令，第二舵机2111响应该控制指令，控制双目摄像机2113沿胸鳍模块1的展向偏转，使得仿生机器蝠鲼2在运动的过程中能够控制双目摄像机2113的俯仰角度，不需要通过改变头部舱体21的俯仰角度就能适应视野变化，从而能够使仿生机器蝠鲼2在运动过程中保持视野的相对稳定，增强环境感知的质量，改善了生物蝠鲼运动过程中头部晃动引起的视野频繁变化现象。
117.具体地，可视窗口212为双目摄像机2113提供视觉窗口，使得双目摄像机2113设置于头部舱体21内部仍然可以进行摄像工作。
118.本实施例通过设置视觉探测组件211，可实现仿生机器蝠鲼2水下视觉增稳系统的构建，也使得仿生机器蝠鲼2具有面向复杂环境的三维处理能力，因此仿生机器蝠鲼2可用于水下搜索、水下勘探等多种作业场景。
119.在一些实施例中，如图5所示，本实施例的主舱体22和尾鳍25之间设有第三旋转驱动组件26。
120.第三旋转驱动组件26包括第三舵机261和第三连接架262，第三舵机261设于主舱体22内，第三舵机261的输出端和第三连接架262的一端连接，第三连接架262的另一端和尾鳍25连接。
121.其中，第三舵机261的输出端可沿胸鳍模块1的展向偏转，以通过第三连接架262驱动尾鳍25摆动。
122.具体地，本实施例的控制模组2213收到传感器发送的信号后，控制模组2213向第三舵机261发出控制指令，第三舵机261响应该控制指令，控制尾鳍25沿胸鳍模块1的展向上下摆动，使得当柔性的尾鳍25的摆动角度发生改变时，能够调整仿生机器蝠鲼2的俯仰姿态，实现仿生机器蝠鲼2的浮潜运动。
123.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解、其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种胸鳍模块，其特征在于，包括：胸鳍主体、柔性鳍尖、第一旋转驱动组件、第二旋转驱动组件和牵引组件；所述胸鳍主体和所述柔性鳍尖沿所述胸鳍模块的展向设置；所述胸鳍主体包括胸鳍骨架和柔性蒙皮，所述胸鳍骨架具有沿所述展向相对设置的根部和尖部，所述柔性蒙皮包覆于所述胸鳍骨架的外侧；所述第一旋转驱动组件和至少部分所述牵引组件设于所述胸鳍骨架的根部；所述第一旋转驱动组件可驱动所述胸鳍骨架绕所述展向转动；所述牵引组件可通过牵引绳驱动所述胸鳍骨架沿所述展向进行弯曲形变，以及驱动所述胸鳍骨架绕所述胸鳍模块的弦向进行摆动；所述第二旋转驱动组件连接于所述胸鳍骨架的尖部和所述柔性鳍尖之间；所述第二旋转驱动组件可驱动所述柔性鳍尖绕所述胸鳍模块的弦向进行摆动。2.根据权利要求1所述的胸鳍模块，其特征在于，所述胸鳍骨架包括骨架段和弹性件；所述骨架段设有多个，多个所述骨架段沿所述胸鳍模块的展向依次铰接，各个所述骨架段均设有第一孔位和第二孔位；相邻两个所述骨架段的第一孔位之间，以及相邻两个所述骨架段的第二孔位之间均设置有所述弹性件；所述牵引组件包括卷扬总成和牵引绳；所述牵引绳沿所述胸鳍模块的展向延伸设置；所述牵引绳的第一端和所述卷扬总成连接，所述牵引绳的第二端先沿所述根部至所述尖部的延伸方向依次穿设于各个所述骨架段的第一孔位，再沿所述尖部至所述根部的延伸方向穿设于各个所述骨架段的第二孔位，然后与所述卷扬总成连接。3.根据权利要求2所述的胸鳍模块，其特征在于，所述牵引绳设有两根；两根所述牵引绳沿所述弦向分设于各个所述骨架段的相对侧；每个所述骨架段均设有两个第一孔位和两个第二孔位；两个所述第一孔位沿所述弦向分设于所述骨架段的相对侧；两个所述第二孔位沿所述弦向分设于所述骨架段的相对侧。4.根据权利要求2所述的胸鳍模块，其特征在于，所述弹性件包括弹簧，所述弹簧套设于所述牵引绳的外侧，所述弹簧夹设于相邻两个所述骨架段之间。5.根据权利要求1至4任一项所述的胸鳍模块，其特征在于，所述第一旋转驱动组件包括第一电机和齿轮组；所述第一电机的输出端和所述齿轮组的输入端连接，所述齿轮组的输出端和所述胸鳍骨架的根部连接。6.根据权利要求1至4任一项所述的胸鳍模块，其特征在于，所述第二旋转驱动组件包括第一舵机和第一连接架，所述第一舵机设于所述胸鳍骨架的尖部，所述第一舵机的输出端和所述第一连接架的一端连接，所述第一连接架的另一端和所述柔性鳍尖连接。7.一种仿生机器蝠鲼，其特征在于，包括：头部舱体、主舱体、第一胸鳍、第二胸鳍和尾鳍；沿所述仿生机器蝠鲼的前进方向，所述头部舱体设于所述主舱体的前端，所述第一胸鳍和所述第二胸鳍分设于所述主舱体的左、右侧，所述尾鳍设于所述主舱体的后端；其中，所述第一胸鳍和所述第二胸鳍均为如权利要求1至6任一项所述的胸鳍模块。8.根据权利要求7所述的仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述主舱体内设有电池组件、控制组件和无线通信模块；所述电池组件和所述控制组件电性连接，所述控制组件包括压力传感器、惯性测量单
元和控制模组，所述压力传感器、所述惯性测量单元和所述无线通信模块分别与所述控制模组连接，所述控制模组分别与所述第一旋转驱动组件、所述第二旋转驱动组件及所述牵引组件连接；其中，所述压力传感器用于检测所述仿生机器蝠鲼所在水体环境的压力信息，所述惯性测量单元用于为所述仿生机器蝠鲼在水体环境中的移动提供导航信息。9.根据权利要求7所述的仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述头部舱体内设有视觉探测组件；所述视觉探测组件包括第二舵机、第二连接架和双目摄像机；所述第二舵机的输出端和所述第二连接架的一端连接，所述第二连接架的另一端和所述双目摄像机连接；其中，所述头部舱体背离所述主舱体的一侧的壁面设有可视窗口，所述双目摄像机的镜头朝向所述可视窗口，所述第二舵机的输出端可沿所述胸鳍模块的展向偏转，以改变所述双目摄像机的俯仰角度。10.根据权利要求7所述的仿生机器蝠鲼，其特征在于，所述主舱体和所述尾鳍之间设有第三旋转驱动组件；所述第三旋转驱动组件包括第三舵机和第三连接架，所述第三舵机设于所述主舱体内，所述第三舵机的输出端和所述第三连接架的一端连接，所述第三连接架的另一端和所述尾鳍连接；其中，所述第三舵机的输出端可沿所述胸鳍模块的展向偏转，以通过所述第三连接架驱动所述尾鳍摆动。

技术总结
本发明涉及水下仿生机器人技术领域，提供一种胸鳍模块和仿生机器蝠鲼。上述胸鳍模块包括：胸鳍主体、柔性鳍尖、第一旋转驱动组件、第二旋转驱动组件和牵引组件；胸鳍主体和柔性鳍尖沿胸鳍模块的展向设置；胸鳍主体包括胸鳍骨架和柔性蒙皮；第一旋转驱动组件和至少部分牵引组件设于胸鳍骨架的根部；第一旋转驱动组件可驱动胸鳍骨架绕展向转动；牵引组件可通过牵引绳驱动胸鳍骨架沿展向进行弯曲形变，以及驱动胸鳍骨架绕胸鳍模块的弦向进行摆动；第二旋转驱动组件连接于胸鳍骨架的尖部和柔性鳍尖之间；第二旋转驱动组件可驱动柔性鳍尖绕胸鳍模块的弦向进行摆动。本发明的胸鳍模块能够真实地模仿生物蝠鲼的运动特性，并且运动灵活性好。好。好。


技术研发人员：吴正兴 李雅婷 王健 谭民
受保护的技术使用者：中国科学院自动化研究所
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/4/17