CN100493990C - 小型仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型仿生机器鱼，它包括刚性鱼头，与鱼头连接的弹性鱼体，包括左、右胸鳍和新月形尾鳍在内的仿鳍机构和设置鱼头内铝制骨架上的电源装置、控制装置和配重块，其特征在于：在鱼头内还设置了一套视觉装置，视觉装置包括设置在鱼头前部的托架，设置在托架上的视频和音频传感器，设置在托架上且连接传感器和电源装置的升压、稳压电路模块，与传感器对应，在鱼头的嘴部设置一透明密封窗口，在窗口的上方设置有1～2束辅助光源，发射和接收天线分别设置在鱼头顶部，并分别连接传感器和控制装置；视觉接收装置、图像采集识别模块、智能运动决策模块、控制信号发射模块均设置在机器鱼外部的控制中心。本发明可以广泛用于科学研究、探索、展示等各种军事和民用场合。

Description

小型仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种小型仿生机器鱼。

背景技术

MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)技术的快速发展使得系统结构的小型化和微型化以及信息处理的智能化成为可能。以MEMS器件为基础，结合鱼类推进机理和机器人技术，构建一种微小型作业系统——仿生机器鱼，为研制高效率、高机动性、低噪声和易隐蔽的水下航行器提供了一种新思路。以小型机器鱼为载体，装配各种微小型传感器，利用现代的控制和通讯手段，可以构成—套仿鱼的游动传感器。装配不同传感器的小型机器鱼具有良好的机动性和隐形性，可以在狭小的空间内作业并实现低噪声运动，不扰乱工作环境。这一特点是以螺旋桨作为推进器的水下潜器或舰船所不具备的。一旦技术成熟，一方面，微小型机器鱼将在复杂环境下的水下作业、海洋监测、海洋生物观察、军事侦察及排雷、布雷等方面发挥重大作用。另一方面，微小型机器鱼作为多种高新技术的集成品，具有良好的技术展示性，在娱乐、教育、科普、展览等领域也有潜在的开发前景。

1994年，世界上第一条机器鱼在美国研制成功。该鱼长约1.2m，通过躯体和尾鳍的摆动，能像真鱼一样游动，速度最高可达2m/s。在国内，2004年12月，北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化研究所研制出了一种可实际应用的仿生机器鱼。该鱼长1.23m，由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台三部分组成，并已成功应用于郑成功战舰遗址的摄像考古。在考古探测中，通过机器鱼体内装上一台摄像机，图像信号通过“鱼”身上一条长长的电缆，先被送到浮在水面上的发射器中，再无线传到岸上的图像接收系统，从而考古人员就可以看到实况转播。现有技术方案，例如专利申请号为03132003.1所述的鱼形机器人，一方面，鱼尾采用传统的双摇杆传动机构实现左右摆动，胸鳍采用四边杆组成的曲柄摇杆机构实现来回摇摆，结构复杂，且必须采用大扭矩电机驱动，驱动电源高达24伏，重量和体积都比较大，其结构不适于制作小型机器鱼；另一方面，机器鱼所携带的摄像头未集成水下灯光照明系统。这对一些空间狭小、需要机动能力要求高的作业场合，现有的机器鱼技术显然不能满足要求。因此，迫切需要研制一种集成微型摄像头、可用于视觉控制的小型仿生机器鱼。由于整个机器鱼系统要在水下长时间工作，一方面，体积上的小，对机器鱼的外观设计、电子器件、机械加工、电源供应、密封机制和控制方式提出了更高的要求；另一方面，在设计机器人视觉系统的时候，尽量采用低功耗、小体积的元器件，并最终将其与摄像头及水下灯光照明系统做成一个整体。这样不仅可以达到缩小体积、降低功耗的要求，还可以提高系统的抗干扰能力。这种具有视觉控制功能的小型机器鱼目前在仿生机器鱼领域还是一片空白，有待开发。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种传动结构简单、体积小、重量轻，具有水下照明装置的小型仿生机器鱼。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种小型仿生机器鱼，它包括刚性鱼头，包括左、右胸鳍和新月形尾鳍在内的仿鳍机构，设置在所述鱼头内铝制骨架上的电源装置、控制装置、视觉装置、视频传感器和配重块，设置在所述鱼头外并连接所述鱼头内各装置的发射天线和接收天线，视觉接收装置、图像采集识别模块、智能运动决策模块、控制信号发射模块均设置在机器鱼外部的控制中心；其特征在于：所述鱼头内还设置有与所述电源装置和控制装置连接的音频传感器，与所述视频传感器和音频传感器对应，在所述鱼头的嘴部设置一透明密封窗口，在所述窗口的上方设置有1～2束辅助光源；所述鱼体包括驱动装置和弹性软体；所述驱动装置包括多个依次排列的支撑骨架和分别设置在各所述支撑骨架上的直流伺服电机，所述各相邻的电机输出端方向上、下交错地连接在下一级支撑骨架上，第一个所述支撑骨架连接在所述鱼头的铝制骨架尾部，最后一个所述电机通过一根刚性拉杆连接所述新月形尾鳍；所述弹性软体为与各所述支撑骨架连接的波纹状的防水鱼皮。

在每个支撑骨架外表面设置有1～2个椭圆环，依次连接在各所述椭圆环背、腹上的两弹簧片，在各所述椭圆环和弹簧片外面包覆所述防水鱼皮。

背、腹设置的两所述弹簧片分别设置在同一个椭圆环的内、外两侧，同一所述弹簧片分别设置在相邻两所述椭圆环的内、外两侧。

在每个支撑骨架外表面设置一纺锤状异形弹簧，在各所述弹簧外面包覆所述防水鱼皮。

在所述铝制骨架上设置一直流伺服电机，所述电机通过齿轮传动机构连接所述左右两胸鳍，所述两胸鳍与所述鱼头的连接采用在防水轴承外加一小盛油盒，在小盛油盒内加注润滑油的动密封。

所述仿鳍机构还包括设置在所述鱼头与弹性鱼体的相接处的背鳍，设置在所述鱼头下方的腹鳍和设置在所述弹性鱼体下方的臀鳍。

在所述铝制骨架上连接一带动所述背鳍转动的直流伺服电机。

本发明由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用结构十分紧凑的“折叠式”驱动装置，不但占用空间少，而且结构稳定，运动灵活、操作简便，能十分逼真地模拟鱼类在水中的直行游动和转弯运动。2、本发明采用与鱼体截面相似的椭圆环，连接在椭圆环之间的弹簧片和防水鱼皮组成的弹性软体，使本发明不但在外形上更逼真地模拟天然鱼类，而且在游动过程中可保持稳定的形体，使离散的摆动运动相对平滑，从而减小水动力学阻力，提高推进效率。本发明提供的具有视觉控制功能的小型仿生机器鱼拓宽了机器鱼的应用范围。一方面，为小型智能“宠物”鱼的开发提供了技术基础，另一方面，小型机器鱼可实际应用于狭窄水域下的考古、勘测和侦察等。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明视觉装置安装在鱼头上的结构示意图

图3是本发明鱼体结构示意图

图4是本发明控制装置结构框图

图5是本发明胸鳍结构示意图

图6是本发明背鳍结构示意图

具体实施方式

下面根据本发明的较佳实施例，并配合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明包括刚性鱼头10、弹性鱼体20、仿鳍机构30、电源装置40、控制装置50，以及设置在鱼头10内的视觉装置60，组成弹性鱼体20的驱动装置70和弹性软体80。

本发明的鱼头10采用玻璃钢或有机玻璃材料，通过整体铸造或分体密封的方式，依照生物鱼的流线型外形制成。鱼头10内部中空，其内固定设置有铝制骨架11，在铝制骨架11上连接电源装置40、控制装置50等。电源装置40采用低功率密度、高储能的可充电电池，比如4.8V/4000mAh的镍氢电池组，电池组的充电插头12从鱼头10上部引出并固定在鱼头10上，平时用密封套包覆，充电时拆下即可使用。鱼头10上方还预留有测漏孔13，用于检测鱼体的气密性。鱼头10上方还设置有视频/音频发射天线14和接收天线15。在鱼头10底部装有配重块16，用来调节机器鱼的平衡。

如图1、图2所示，本发明的视觉装置60设置在鱼头10前端，其包括一通过螺钉61、62固定在鱼头10上的托架63，在托架63安装一个作为视频和音频传感器64的摄像头，通过微调螺钉61和62可以调整传感器64的方位。在托台63上还设置有连接传感器64的升压、稳压电路模块65，电路模块65通过导线连接电源装置40，传感器64采集的视频和音频信号通过发射天线14传送至设置在机器鱼外面的控制中心用于视觉控制。与传感器64的位置对应，在鱼头10的嘴部设置一透明密封窗口66，窗口66可以采用超薄透明、未磨损的有机玻璃片与鱼头10粘合制成，在有机玻璃片与传感器64之间留有一定空隙，以便调整镜头的焦距和位姿。在窗口66上方的鱼眼部位设置一对辅助光源67，用于水下照明。辅助光源67可以采用高亮度发光二极管等低功耗、高亮度光源。视觉装置60的接收控制部分设置在控制中心，此部分将在下面结合控制装置50一起描述，在此先不赘述。

如图1、图3所示，本发明的鱼体20包括驱动装置70和弹性软体80，驱动装置70包括多个支撑骨架71，每个支撑骨架71上固定一个直流伺服电机。各支撑骨架71的结构在现有技术中已有描述，本发明的特征是第一个支撑骨架71固定在鱼头10中铝制骨架11的尾部，第一个支撑骨架71上安装的伺服电机A输出端向下连接在第二个支撑骨架71’上，带动第二个支撑骨架71’水平转动；第二个支撑骨架71’上安装的伺服电机B输出端向上连接在第三个支撑骨架71”上，带动第三个支撑骨架71”水平转动；第三个支撑骨架71”上安装的伺服电机C输出端向下……，依此类推，各伺服电机A、B、C、D、E就这样随各支撑骨架71，一上一下地连接起来，形成一结构十分紧凑的“折叠式”驱动装置70。弹性软体80包括连接在每个支撑骨架71外表面上的1～2个与鱼体20截面形状非常近似的椭圆环81，相邻的椭圆环81之间相互通过设置在背、腹两个方向上弹簧片82、83连接，而且弹簧片82、83以上、下交错的方式与椭圆环81连接。即同一个椭圆环C1背部的弹簧片82与其外侧连接，腹部的弹簧片83与其内侧连接；对于相邻的椭圆环C2，背部的弹簧片82与其内侧相连，而腹部的弹簧片83与其外侧连接……，依此类推。在弹性软体作仿鱼摆动时，各椭圆环81相对于弹簧片82或83的关系是背腹两侧一侧受拉，另一侧受压，一个椭圆环81拉伸，相邻接的椭圆环81被挤压，既可以储存仿鱼摆动时的动能，又可以缓冲、平滑多关节的机械式摆动，增加运动的逼真性。椭圆环81可用韧性和弹性都很好的不锈钢或其弹性复合材料制作。在各椭圆环81和弹簧片82、83外面包覆波纹状的防水鱼皮84构成一既具有整体性，运动又灵活，且可以减小游动过程中的水动力学阻力的弹性软体80。鱼皮84与鱼头10相连，连接处采用紧固密封或粘合。

如图4所示，本发明的控制装置50包括置于鱼头内部的通讯模块51、微控制器模块52、控制参数存储模块53和直流伺服电机驱动模块54及设置在机器鱼外部控制中心的视频和音频信号接收装置55、图像采集识别模块56、智能运动决策模块57、控制信号发射模块58组成。视觉装置60采集的机器鱼前方的视频信号通过发射天线14向外发射，经接收装置55与计算机相连，将采集的视频信号经过图像采集识别模块56处理后，可准确、实时地提取机器鱼在运动过程中前方的环境信息和目标信息。结合机器鱼的环境信息或目标信息，智能运动决策模块57的输出指令经控制信号发射模块58发送至机器鱼。经接收天线15和通讯模块51处理后，微控制器模块52则根据从通讯模块51接收的控制指令提取控制参数，给出电机控制命令，进而实现决策好的运动。这里，基本的游动控制参数存储在控制参数存储模块53里，可以通过无线通讯模块51实时进行修改、刷新。直流伺服电机驱动模块54将接收的电机控制参数实时转化为直流伺服电机的转角，利用多个电机的协调摆动来模拟鱼类在水中的游动。

如图1所示，仿鳍机构30包括胸鳍31、新月形尾鳍32，背鳍33、腹鳍34和臀鳍35。如图5所示，在鱼头10内的铝制骨架11上的设置一个直流伺服电机36，电机36通过齿轮传动机构37连接左右两胸鳍31。通过控制电机36的转动角度，可以改变胸鳍31的攻角和举力，实现机器鱼的上浮和下潜运动。左、右胸鳍31可以一体控制，也可以分别采用两个电机来控制。左、右胸鳍31与鱼头10的连接处采用动密封，即在防水轴承38外加一小盛油盒39，在小盛油盒39内加注润滑油来达到防水的目的。如图3所示，新月形尾鳍32通过一刚性拉杆72与驱动装置70的最后一个伺服电机E输出端连接，并随刚性拉杆72一起作正弦式摆动。背鳍33位于鱼头10上方，其安装位置在鱼头10与弹性鱼体20的相接处。如图6所示，背鳍33既可以由一个直流伺服电机17带动作左右旋转以提供转弯时的向心力，也可以固定不动，仅起装饰作用。直流伺服电机17安放在托架18上，托架18与铝制骨架11相连。如图1所示，腹鳍34位于鱼头10下方，臀鳍35安装在弹性鱼体20下方，既可以起到装饰作用，又可以降低鱼体的重心，增加机器鱼游动的稳定性。

依据上述结构说明，本申请人制作了一条的内嵌微型摄像头的3关节小型机器鱼“大白鲨”。使用玻璃铸造仿鲨鱼外形的流线型鱼头，用铝制骨架连结微型数字式伺服电机组和弹性软体，用具有一定柔性的软塑料板制作了仿生尾鳍，并在鱼头内部安装了一个能拍摄彩色图像的微型摄像系统。微控器选用了ATMEL公司推出的90系列AVR单片机ATmega162，具有驱动6路PWM电机控制信号的能力，各关节均采用体积小、转速快、扭矩大的微型数字式FUTUBA电机驱动。该机器鱼长约380mm，最高游速可达0.42m/s，转弯半径为1倍体长。通过遥控器模式或自动控制模式，小型机器鱼能在水中完成简单的游动动作，如加速、减速，左转、右转、急停等，并能将鱼头前方的视频信号传送回控制中心，最高传输速率为500kbit/s。接收的视频信号经图像识别处理后，用于机器鱼视觉控制的输入。智能运动决策模块实时地根据处理的环境信息决策机器鱼在水中的运动。目前，该小型机器鱼能完成奔向给定的颜色目标或避开给定颜色的障碍物。

上述实施例中，各部分结构都是可以变化的，比如椭圆环81和弹簧片82、83形成的软体结构，也可以采用一纺锤形的异形弹簧代替，驱动装置70的关节数量可以是3～10节，甚至更多。同时有些部件的连接，以及一些电路模块的组成和连接已有应用，属于公知技术，或本领域技术人员公知常识，故不再赘述。

本发明并不受以上各实施例的限制，本技术领域的普通技术人员不用创造性劳动就可以得出的部件更换和改进，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种小型仿生机器鱼，它包括刚性鱼头，包括左、右胸鳍和新月形尾鳍在内的仿鳍机构，设置在所述鱼头内铝制骨架上的电源装置、控制装置、视觉装置、视频传感器和配重块，设置在所述鱼头外并连接所述鱼头内各装置的发射天线和接收天线，设置在机器鱼外部控制中心的视觉接收装置、图像采集识别模块、智能运动决策模块、控制信号发射模块；其特征在于：

所述鱼头内还设置有与所述电源装置和控制装置连接的音频传感器，与所述视频传感器和音频传感器对应，在所述鱼头的嘴部设置一透明密封窗口，在所述窗口的上方设置有1～2束辅助光源；

所述鱼体包括驱动装置和弹性软体；所述驱动装置包括多个依次排列的支撑骨架和分别设置在各所述支撑骨架上的直流伺服电机，所述各相邻的电机输出端方向上、下交错地连接在下一级支撑骨架上，第一个所述支撑骨架连接在所述鱼头的铝制骨架尾部，最后一个所述电机通过一根刚性拉杆连接所述新月形尾鳍；所述弹性软体为与各所述支撑骨架连接的波纹状的防水鱼皮。

2、如权利要求1所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：在每个支撑骨架外表面设置有1～2个椭圆环，依次连接在各所述椭圆环背、腹上的两弹簧片，在各所述椭圆环和弹簧片外面包覆所述防水鱼皮。

3、如权利要求2所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：背、腹设置的两所述弹簧片分别设置在同一个椭圆环的内、外两侧，同一所述弹簧片分别设置在相邻两所述椭圆环的内、外两侧。

4、如权利要求1所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：在每个支撑骨架外表面设置一纺锤状异形弹簧，在各所述弹簧外面包覆所述防水鱼皮。

5、如权利要求1或2或3或4所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：在所述铝制骨架上设置一直流伺服电机，所述电机通过齿轮传动机构连接所述左右两胸鳍，所述两胸鳍与所述鱼头的连接采用在防水轴承外加一小盛油盒，在小盛油盒内加注润滑油的动密封。

6、如权利要求1或2或3或4所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：所述仿鳍机构还包括设置在所述鱼头与弹性鱼体的相接处的背鳍，设置在所述鱼头下方的腹鳍和设置在所述弹性鱼体下方的臀鳍。

7、如权利要求5所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：所述仿鳍机构还包括设置在所述鱼头与弹性鱼体的相接处的背鳍，设置在所述鱼头下方的腹鳍和设置在所述弹性鱼体下方的臀鳍。

8、如权利要求6所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：在所述铝制骨架上连接一带动所述背鳍转动的直流伺服电机。

9、如权利要求7所述的小型仿生机器鱼，其特征在于：在所述铝制骨架上连接一带动所述背鳍转动的直流伺服电机

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