CN100423987C - 一种仿生机器鱼 - Google Patents
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Abstract
一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分。机器鱼壳体分上下两部分，连接处采用迷宫密封，围成流线外形鱼体的头部、鱼身，其它连接处采用O型密封圈密封；胸鳍装在鱼壳体外两侧，由步进电机驱动实现转动和拍动运动；尾鳍与鱼皮、框架、尾部固定板构成机器鱼尾部，由直线电机驱动实现上下拍动；探测部分由微型摄像头、红外传感器、压力传感器组成，提供机器鱼执行水下环境监控、侦察等任务必要的信息；控制部分由微控制器、传感信息采集模块、电机驱动器、通讯模块组成，控制机器鱼水中航行的姿态；浮力调节部分通过直线电机带动活塞筒往复运动调节机器鱼体积的方式改变机器鱼所受的浮力，以实现其上升下潜。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化装置，具体地说涉及模仿鱼类运动的仿生机器鱼。
背景技术
20世纪90年代以前对于鱼类仿生学的研究主要集中于理论方面。随着鱼类推进机理研究的深入和机器人技术的发展，1994年MIT的M.Triantafyllou研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼。此后，结合仿生学、电子技术、材料科学和控制技术的新发展，仿生机器鱼的研究逐渐成为机器人领域的研究热点。
国外除MIT研究组为研究鱼机动性和涡流控制而研制出的仿生机器金枪鱼外，有代表性的成果还有美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金(SMA)和连杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼。美国加州大学Berkeley分校研制了仿生机器鱼Calibot。美国新墨西哥大学MethranMojarrad研究小组将高分子电解质离子交换膜(IEM)镀在仿生机器鱼的金属薄片上，通过外加电场实现人工合成肌肉的运动，产生鳗鱼的游动方式。日本名古屋大学Toshio Fukuda教授在微型仿鱼水下推进器方面开展研究，先后研制出形状记忆合金驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷(PZT)驱动的双鳍鱼型微机器人。为研究人工胸鳍机动性和推进性能，日本东海大学Kato实验室研制了人工胸鳍黑鲈鱼。日本运输省船舶技术研究所(NMRI)自1999年来开展了一系列机器鱼研究项目，并开发了一种新型发动机半自由活塞型斯特灵发动机作为机器鱼的动力源。
在中国，哈尔滨工程大学开展了仿生机器章鱼的研究工作。北京航空航天大学机器人研究所设计研制了机器鳗鱼、机器海豚以及采用扁平宽大的斧形水动力外型的SPC仿生机器鱼。中科院沈阳自动化研究所制作了两关节的仿生机器鱼模型。中科院北京自动化研究所先后研发了仿鲹科机器鱼、基于微机电系统(MEMS)传感器的仿生机器鱼。中科院北京自动化研究所研发的基于微机电系统传感器的仿生机器鱼，其胸鳍拍动机构由舵机通过一对万向轴和一对齿轮带动；胸鳍转动机构由舵机通过一对锥齿轮带动；尾部左右摆动机构由一个直流电机通过两个共轭凸轮控制两个关节的摆动，这两个关节可看作为一六连杆机构。
目前，国内外仿生机器鱼主要依靠两自由度胸鳍或者尾鳍等实现相应的动作，没有将胸鳍、尾鳍组合起来；上升下潜主要依靠胸鳍、改变重心或者储水舱方式实现，其中前两种方式难以实现水中悬浮和精确的深度控制，而后一种方式机构复杂，会影响到机器鱼的机动性。本发明在中科院北京自动化研究所基于微机电系统(MEMS)传感器的仿生机器鱼基础上，对胸鳍、尾鳍机构进行了改进，增加了新型的浮力调节机构，解决了现有技术存在的问题。
发明内容
本发明的目的是依据已有的鱼类仿生学理论，利用精心设计的机械结构，结合电子技术、控制技术、计算机技术，开发可以模仿鱼类运动的仿生机器鱼，该仿生机器鱼可以在三度自由空间动作，并可以在水中悬浮和精确的深度控制。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分；鱼壳体分为上下两部分，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成流线外形鱼体的头部、鱼身；其鱼身形成中空的内腔，胸鳍机构、尾部动力部分、探测部分、控制部分、浮力调节部分置于空腔内；其特征在于，
两胸鳍分别装在鱼壳体前部外两侧，左右胸鳍拍动电机为步进电机，分别通过左右拍动传动装置：一对万向轴和内外齿轮将转动运动传递到左右胸鳍上，实现左右胸鳍的拍动；左右胸鳍共一转动电机，转动电机为步进电机，通过转动传动装置：一条同步带带动胸鳍连筒转动，再通过固定在胸鳍连筒上的外齿轮将转动运动传递给左右胸鳍，实现左右胸鳍的转动；
机器鱼尾部电机为直线电机，通过连杆机构控制尾部关节的摆动，实现其上下拍动；
机器鱼的上升下潜运动由浮力调节部分控制，浮力调节部分中的直线电机带动活塞筒上下移动，活塞筒可伸出鱼壳体外或缩入鱼壳体内，以改变机器鱼体积，实现机器鱼的上升下潜；
控制部分与步进电机、直线电机电连接，根据需要发出指令，以控制两胸鳍、尾鳍的动作以及上升下潜运动。
所述的仿生机器鱼，其所述两胸鳍的拍动传动装置，其中内齿轮、外齿轮相互啮合，分别通过齿轮轴、轴承固定于胸鳍连筒上；胸鳍转动传动装置中的胸鳍连筒通过一条圆弧齿型同步带连接到同步带轮上，该同步带轮固定于胸鳍转动电机的输出端。
所述的仿生机器鱼，其所述机器鱼尾部，由尾鳍、鱼皮、框架和尾部固定板构成，尾部固定板与鱼身后端固接，尾鳍框架与尾部固定板垂直相接，多个支撑框固定在三角形尾鳍框架上，尾鳍框架和支撑框进行开孔处理；尾部固定板上，通过两滑杆的孔中设有密封槽，密封槽内有O型密封圈。
所述的仿生机器鱼，其所述机器鱼尾部，含有两个直线电机和四连杆传动机构，其中尾鳍框架与尾鳍构成尾部的两个关节，四连杆传动机构包括滑杆a、连杆a、滑杆b和连杆b；第一尾部电机和第二尾部电机通过固定板固定在尾部电机预埋底座上，位于鱼身内腔后部，其输出端分别固定滑杆a和滑杆b，连杆a与滑杆a连接，连杆b与滑杆b连接；尾鳍框架采用三角形框架，一边的中心固定在尾部固定板上，一角与连杆a相连；尾鳍与尾鳍连接块固定在一起，尾鳍连接块有两处分别铰接在尾鳍框架和连杆b上；支撑框固接在尾鳍框架上，鱼皮包裹在支撑框外缘上面。
所述的仿生机器鱼，其所述浮力调节部分，其中的浮力调节电机通过浮力电机固定筒固定在浮力调节电机预埋底座上，位于鱼壳体内腔下方中部，活塞筒连接在浮力调节电机的输出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出鱼壳体外，且与固定板中心孔的内侧壁动接触；密封用的O型密封圈放在浮力调节电机预埋底座的中心孔里。
所述的仿生机器鱼，其所述控制部分，包括通讯模块、微控制器模块、传感信息采集模块、电机驱动器，其中微控制器模块分别与通讯模块、传感信息采集模块、电机驱动器电连接。
所述的仿生机器鱼，其所述壳体由玻璃钢制成，胸鳍和尾鳍用尼龙材料制成。
所述的仿生机器鱼，其所述鱼皮用乳胶制成。
本发明结构紧凑，外形逼真，可以为研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，为制造可用于水下侦察、环境监控、水下作业的高效、高机动性、低噪声水下工具提供实验平台。
附图说明
图1是仿生机器鱼上壳体三视图；
图2是仿生机器鱼下壳体三视图；
图3是仿生机器鱼机械结构主视图；
图4是仿生机器鱼机械结构俯视图；
图5是尾鳍框架；
图6是支撑框；
图7是仿生机器鱼控制电路原理框图；
图8是仿生机器鱼控制电路设计原理图。
具体实施方式
下面结合附图分别对本发明提供的仿生机器鱼的机械结构和控制电路做出说明。
本发明机器鱼壳体分为上下两部分，如图1和图2所示，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成中空的内腔，外形呈流线形鱼体的头部、鱼身，后面是由鱼皮36、支撑框28、尾鳍框架20、尾部固定板34和尾鳍18形成的机器鱼尾部，见图3和图4所示。
本发明仿生机器鱼的胸鳍机构、尾鳍的动力部分，浮力调节机构、探测部分、控制部分，都置于中空的内腔中，内腔下部设有水平平台，水平平台上设有底座，仿生机器鱼的胸鳍机构、尾鳍的动力部分，浮力调节机构、探测部分、控制部分，固定于水平平台上的底座上。其中，胸鳍机构位于鱼壳体内腔前部，浮力调节机构位于鱼壳体内腔中部，尾鳍的动力部分位于鱼壳体内腔后部。
下面结合附图分别对本发明提供的仿生机器鱼的机械结构(主要包括胸鳍机构、尾部机构、浮力调节机构)和控制电路做出说明。
机器鱼有一对胸鳍，采用NACA23012翼型。先描述一下胸鳍拍动的机械结构，需要说明的是胸鳍拍动的机械结构完全对称，下面仅以右侧胸鳍21为例。
右侧胸鳍拍动电机26通过胸鳍电机固定板4固定在胸鳍电机预埋底座5上。两个万向轴1和3连接在线性滑座2两端作为传递转动运动的元件，并分别固定在内齿轮轴25和拍动电机26输出端。内齿轮24和外齿轮22是一对啮合的齿轮，分别固定在内齿轮轴25和外齿轮轴23上。在内齿轮轴25和外齿轮轴23两个轴两端各有一个轴承，可以在轴承上转动，而这些轴承都固定在胸鳍连筒30上。机器鱼的胸鳍21固定在外齿轮22上。在内齿轮轴25、外齿轮轴23两端设置了O型密封圈29。
由上述结构，当右侧胸鳍拍动电机26转动时，经过万向轴3-线性滑座2-万向轴1的组合体，将转动传递给内齿轮轴25，内齿轮轴25带动固定在其上的内齿轮24转动，与内齿轮24啮合的外齿轮22也随之转动，胸鳍21固定在外齿轮22上，因此胸鳍21就会随着转动，从而实现胸鳍21的拍动运动。
下面描述一下胸鳍转动的机构，需要说明的是本发明通过一个步进电机同时控制两侧胸鳍的转动，从而左右胸鳍转动的角度完全一致。胸鳍转动电机32通过胸鳍电机固定板4固定在胸鳍电机预埋底座5上，其输出端固定一圆弧齿型同步带轮33。胸鳍连筒30中间位置加工有圆弧齿，一条同步带31连接在同步带轮33与胸鳍连筒30之间。
基于上述结构，胸鳍转动电机32会带动同步带轮33转动，再通过同步带31带动胸鳍连筒30转动，而内、外齿轮24、22及内、外齿轮轴25、23都安装在胸鳍连筒30内部，所以固定在外齿轮22上的胸鳍会随着胸鳍连筒30的转动而转动，从而实现了胸鳍的转动运动。
机器鱼尾部是由两个直线电机驱动的四连杆机构，其中尾鳍框架20与尾鳍18构成尾部的两个关节。第一尾部电机11和第二尾部电机12通过固定板固定在尾部电机预埋底座10上，其输出端分别固定滑杆a19和滑杆b15，连杆a14、连杆b16分别与滑杆a19和滑杆b15连接。尾鳍框架20采用三角形框架，如图5所示，一边的中心固定在尾部固定板34上，一角与连杆a14相连。采用NACA23012翼型的尾鳍18与尾鳍连接块17固定在一起，尾鳍连接块17有两处分别铰接在尾鳍框架20和连杆b16上。支撑框28(见图6)固接在尾鳍框架20上，鱼皮36包裹在支撑框28外缘上面。尾部固定板34上，通过滑杆a19和滑杆b15的孔中设有密封槽，密封槽内有O型密封圈13和35。
基于上述结构，第一尾部电机11带动滑杆a19做往复运动，通过连杆a14即可带动尾鳍框架20上下拍动，固接在框架20上的支撑框28也随着上下拍动，鱼皮36被支撑框28撑成流线形状，因此，尾部第一关节在第一尾部电机11的带动下实现上下拍动。第二尾部电机12带动滑杆b15做往复运动，通过连杆b16与尾鳍框架20一起控制尾部第二关节-尾鳍18的拍动。为了减少尾部负载，本发明在保证尾鳍框架20和支撑框28强度的基础上，在尾鳍框架20和支撑框28上面开孔，去除多余材料。
仿生机器鱼的上升下潜运动是通过浮力调节装置实现的，由一个直线电机驱动。在具体实现中，浮力调节电机7通过浮力电机固定筒9固定在浮力调节电机预埋底座6上，活塞筒8连接在浮力调节电机7的输出端，密封用的O型密封圈放在浮力调节电机预埋底座6里。
由上述机构，浮力调节电机7可以带动活塞筒8做往复运动，改变机器鱼的体积，从而使得机器鱼所受浮力发生变化，由于机器鱼重力是恒定的，因此，当调节浮力大于重力时，机器鱼会上升，当调节浮力小于重力时，机器鱼下潜。当机器鱼体积发生变化时，机器鱼内部空气压力会发生变化，由于尾部鱼皮36采用乳胶制成，有弹性，会随着压力变化膨胀或收缩，这将妨碍机器鱼上升下潜功能的实现。为此，需要将浮力调节机构所在的鱼壳体与尾部隔开，这就是O型密封圈13和35的作用。
基于上面介绍的仿生机器鱼机械结构，当机器鱼上电启动后，根据探测部分提供的相关传感信息，左右胸鳍可以通过各自的拍动电机带动相应拍动机构，实现胸鳍拍动运动，进而可实现仿生机器鱼方向控制；左右胸鳍可通过胸鳍转动机构转动相应角度；机器鱼尾部可通过尾部机构上下拍动，赋予机器鱼前进的动力；当机器鱼需要深入水下执行任务时，通过浮力调节机构可以实现其浮潜运动。
本发明的控制电路原理框图见图7，主要包括通讯模块、微控制器模块、传感信息采集模块、电机驱动器几部分。通讯模块主要负责与外界的信息传递；传感信息采集模块主要实现探测部分红外、压力、视觉传感器信息的采样；微控制器模块与通讯模块、传感信息采集模块电连接，处理相关传感信息，结合接收的命令，通过与其电连接的电机驱动器控制相应电机动作。本发明共采用6个电机分别驱动胸鳍、尾部以及浮力调节装置。整个控制电路和电机均使用充电电池供电，充电电池用充电插头从壳体顶部引出并固定。本发明为机器鱼安装了视觉传输光缆和数据电缆线用于信息(图像、数据)的上传以及控制命令的接收，这些信息是机器鱼顺利执行水下环境监控、侦察等任务的基础。
实施例
依据本发明所说明的机械结构、控制电路结构，制作了一条仿生机器鱼。其壳体采用玻璃钢手糊工艺制成，机器鱼尾部固定在上面，胸鳍和尾鳍均采用尼龙材料，鱼皮用乳胶制成。在将各机构安装固定完毕，连好所有控制线路后，上下壳体连接处用迷宫密封，壳体与胸鳍、尾部、浮力调节装置连接处采用O型密封圈密封，然后上下壳体用螺钉连接，将鱼皮套在鱼壳体上并用橡皮胶密封，得到实物。控制电路实现如图8，使用AVR单片机作为微控制器，采用锂充电电池作为控制电路、电机、传感器等的电源。3路红外与1路压力传感器连接到微控制器模块，1路视觉传感器通过光端机接到视觉传输光缆上；通讯模块通过RS232接口与微控制器模块相连；微控制器模块发送6路电机控制信号送入相应的电机驱动器WM224M中。
Claims (8)
1. 一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分；鱼壳体分为上下两部分，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成流线外形鱼体的头部、鱼身；其鱼身形成中空的内腔，胸鳍机构、尾部动力部分、探测部分、控制部分、浮力调节部分置于空腔内；其特征在于，
两胸鳍分别装在鱼壳体前部外两侧，左右胸鳍拍动电机为步进电机，分别通过左右拍动传动装置：一对万向轴和内外齿轮将转动运动传递到左右胸鳍上，实现左右胸鳍的拍动；左右胸鳍共一转动电机，转动电机为步进电机，通过转动传动装置：一条同步带带动胸鳍连筒转动，再通过固定在胸鳍连筒上的外齿轮将转动运动传递给左右胸鳍，实现左右胸鳍的转动；
机器鱼尾部电机为直线电机，通过连杆机构控制尾部关节的摆动，实现其上下拍动；
机器鱼的上升下潜运动由浮力调节部分控制，浮力调节部分中的直线电机带动活塞筒上下移动，活塞筒可伸出鱼壳体外或缩入鱼壳体内，以改变机器鱼体积，实现机器鱼的上升下潜；
控制部分与步进电机、直线电机电连接，根据需要发出指令，以控制两胸鳍、尾鳍的动作以及上升下潜运动。
2. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述两胸鳍的拍动传动装置，其中内齿轮、外齿轮相互啮合，并且内齿轮和外齿轮分别通过齿轮轴、轴承固定于胸鳍连筒上；胸鳍转动传动装置中的胸鳍连筒通过一条圆弧齿型同步带连接到同步带轮上，该同步带轮固定于胸鳍转动电机的输出端。
3. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述机器鱼尾部，由尾鳍、鱼皮、框架和尾部固定板构成，尾部固定板与鱼身后端固接，尾鳍框架与尾部固定板垂直相接，多个支撑框固定在三角形尾鳍框架上，尾鳍框架和支撑框进行开孔处理；尾部固定板上，通过两滑杆的孔中设有密封槽，密封槽内有O型密封圈。
4. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述机器鱼尾部，含有两个直线电机和四连杆传动机构，其中尾鳍框架与尾鳍构成尾部的两个关节，四连杆传动机构包括滑杆a、连杆a、滑杆b和连杆b；第一尾部电机和第二尾部电机通过固定板固定在尾部电机预埋底座上，位于鱼身内腔后部，其输出端分别固定滑杆a和滑杆b，连杆a与滑杆a连接，连杆b与滑杆b连接；尾鳍框架采用三角形框架，一边的中心固定在尾部固定板上，一角与连杆a相连；尾鳍与尾鳍连接块固定在一起，尾鳍连接块有两处分别铰接在尾鳍框架和连杆b上；支撑框固接在尾鳍框架上，鱼皮包裹在支撑框外缘上面。
5. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述浮力调节部分，其中的浮力调节电机通过浮力电机固定筒固定在浮力调节电机预埋底座上，位于鱼壳体内腔下方中部，活塞筒连接在浮力调节电机的输出端，且活塞筒伸出鱼壳体外；密封用的O型密封圈放在浮力调节电机预埋底座的中心孔里。
6. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制部分，包括通讯模块、微控制器模块、传感信息采集模块、电机驱动器，其中微控制器模块分别与通讯模块、传感信息采集模块、电机驱动器电连接。
7. 如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述壳体由玻璃钢制成，胸鳍和尾鳍用尼龙材料制成。
8. 如权利要求3所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼皮用乳胶制成。
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