CN101148194A - 双尾超磁仿生机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域。提供一种仿生机器鱼设计思想和方案。该鱼鱼尾由超磁致伸缩材料贴或镀在主体材料片上构成，此超磁材料应该满足一种特殊的分布规律。随外部磁场强度等的变化使鱼尾摆动，实现游动。如图所示，双尾超磁仿生机器鱼包括鱼体和与其前后相连的两个鱼尾推进机构，两个鱼尾具有不同的固有频率，在不同的外磁场频率控制下实现向前和向后游动。双尾超磁仿生机器鱼实现了结构简单、体积小、无噪音，不携带任何动力系统以及外部控制等优点。这种仿生机器鱼有利于在狭小空间内控制作业，特别是在细小管道和器官等中。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种双尾超磁仿生机器鱼。特别涉及到一种可用于设计生物血管内器械以及工业管道内机动装置等的仿生机器鱼。
背景技术
目前在医学领域和工业应用中，已经越来越迫切需要一种能在水，油，血液或其它液体中平稳灵活移动的新型管道微小型机器人。它能在液体中被无线驱动，具有很高的机动性和灵活性，能够安全进入一般器械不容易进入的容器和器官。仿生机器鱼就是具有此种功能的微型或小型装置的一种。通过安装的传感器和驱动器使它能够在液体中平稳灵活运动，并完成其他任务。
通常的仿生机器鱼带有很大的驱动装置，如上海劲钻实业公司的人控机器鱼，包括密封壳体：位于密封壳体内部的电力推进系统，电力推进系统包括推进电机，与推进电机相连并为其提供动力的电源，如专利：CN1413877；浙江大学的一种波动仿生机器鱼，包括由一圆筒壳体、两密封盖和机器鱼鳍固定件构成的机器鱼本体，在本体壳体内放置有用于驱动的两个舵机、控制电路板和电池，如专利：CN2905655；中国科学技术大学的仿生机器鱼，该仿生机器鱼的鱼身与鱼尾之间为活动连接；沉浮机构、摇摆机构、信息感知机构、控制器及电源均安装在框架内，如专利：CN2628239；此外还有北京大学的一种多模态仿生机器鱼，如专利：CN1916800；上海交通大学的仿生机器鱼的柔性推进机构，如专利：CN1586990等。
已有的仿生机器人普遍存在的问题就是结构复杂、体积庞大、成本较高。在一些空间狭小的工作区域，显然这些机器鱼是不能满足要求的。哈尔滨工业大学的研究和设计已经注意到了这一点，采用形状记忆合金丝驱动机体波动，推进仿生机器鱼，如专利：CN1887646。实现仿生机器鱼体积小、结构简单、无噪声的优点。但其不足之处是该机器鱼游动需带有一些导线等，增加一些阻力并会影响机器鱼的游动，且也限制了其游动范围。
发明内容
本发明的目的是提供了一种结构简单、体积小、无噪音以及便于控制的无线仿生机器鱼，解决了仿生鱼的小型化和游动控制的技术问题。
本发明技术方案是：一种无线双尾超磁仿生机器鱼，如图1所示，其特征在于它包括鱼体和与其前后相连的两个尾鳍推进机构，所述尾鳍推进机构在结构上包括主体弹性材料片，一般为合金材料，和贴或镀在主体材料片两侧的超磁致伸缩材料，如TbFe2、Terfenol-D、DyFe2和SmFe1.6等，构成了该微型机器鱼的动力驱动器(GMMA)。用于模拟肌肉的超磁材料的厚度分布特征如图2所示，其分布函数满足
ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x)
其中a，b，c，d，e，k由材料常数，液体粘度和结构几何参数确定，ξ(x)是超磁材料厚度，x是尾鳍长度方向坐标。与鱼体后面相连的尾鳍设为鱼尾2(L2)和与前面相连的尾鳍设为鱼尾1(L1)。两个鱼尾具有不同的固有频率。不妨取长度L2＞L1。这样当外界磁场频率接近鱼尾2的二阶固有频率时，位于鱼尾1的一阶与二阶固有频率之间，此时两个尾巴的摆动模态图如图3所示。当外界磁场频率接近鱼尾1的二阶固有频率时，位于鱼尾2的二阶与三阶固有频率之间，此时两个尾巴的摆动模态图如图4所示。通过调节外部磁场的频率和强度来控制两个鱼尾的摆动模态，进而实现机器鱼的向前(图3)和向后游动(图4)。
本发明的效果和益处在于：将超磁致伸缩材料贴或镀在主体材料片上，利用其随外部磁场的变化而发生变形，从而使结构发生变形，产生摆动和波动，实现类似鱼类的游动。结构简单，为设计和制备微小型机器鱼提供了思路。双尾机器鱼是一个新的设计思想，在外部磁场控制下能够实现向前向后游动。本发明由于没有电机等动力装置和系统，而通过施加外部磁场达到控制其游动，可达到零噪音装置设计。在实际设计和使用时，只通过调节外部磁场的频率及强度，就可控制鱼尾实现各种摆动，从而达到仿生鱼游动速度等基本功能的控制。此外双尾鱼的设计实现了向前向后游动，便于回收，更有利于在狭小空间内控制作业。
附图说明
附图1是双尾超磁仿生机器鱼结构示意图。图中：1头部鱼尾，即鱼尾1；2尾部鱼尾，即鱼尾2；3鱼体。
附图2是超磁仿生机器鱼鱼尾结构示意图。图中：4主体材料；5模拟肌肉的超磁致伸缩材料。
附图3是双尾鱼向前游动时尾巴摆动模态图。图中的左图为鱼尾1模态；右图为鱼尾2模态；中间与鱼体相连；x尾鳍摆动纵向坐标；w尾鳍摆动横向位置坐标；T0L T9尾鳍一个摆动周期内10个时刻点。
附图4是双尾鱼向后游动时尾巴摆动模态图。图中的左图为鱼尾1模态；右图为鱼尾2模态；中间与鱼体相连。x尾鳍摆动纵向坐标；w尾鳍摆动横向位置坐标；T0L T9尾鳍一个摆动周期内10个时刻点。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
超磁致伸缩材料(GMM)是一种新型功能材料，处于一定的外界磁场下，因其具有极大的正逆磁致伸缩系数值、大的输出力、快的响应速度、很高的可靠性等优点而受到广泛的关注。本发明就是利用这种伸缩特性工作的，具体结构如下：参照图1，双尾超磁仿生机器鱼，它包括鱼体和与其前后相连的两个尾鳍推进机构；每个尾鳍推进机构在结构上包括主体材料片，如铝合金片等，和贴或镀在该片两侧的超磁致伸缩材料，上侧为正磁致伸缩系数的超磁致伸缩材料，如：TbFe2、Terfenol-D、DyFe2等，下侧为逆磁致伸缩系数的超磁致伸缩材料，如：SmFe1.6等。以下给出一个实例：
液体介质为甘油，粘性系数μ＝1.494[Pa·s]；铝合金杨氏模量E＝7.0×1010[Pa]，密度ρ＝2.6[g/cm3]，宽度b＝0.009[m]，厚度h＝0.0009[m]；只贴上侧超磁材料，该超磁材料TbFe2，杨氏模量E2＝9.4×1010[pa]，耦合系数，d＝3×10-4[Oe-1]。磁致伸缩材料分布函数满足ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x)，其中a＝ξ0＝1.0×10-5[m]，b＝-3.7×10-6[m]，c＝5.0×10-6[m]，d＝-5.0×10-6[m]，e＝3.7×10-6[m]，k＝1.875/L。鱼尾2的长度为L＝0.09[m]，鱼尾1的长度是鱼尾2长度的0.77倍，即L＝0.07[m]。外部磁场强度控制在B0＝10[T]，通过调节外部磁场的频率达到鱼尾2的二阶固有频率附近时(421[Hz])，无线双尾超磁仿生机器鱼将向前开始游动，摆动模态图如图3所示；调节外部磁场的频率达到鱼尾1的二阶固有频率附近时(710[Hz])，无线双尾超磁仿生机器鱼将向后开始游动，摆动模态图如图4所示。向前和向后游动平均速度比约为5∶4。
Claims (3)
1.一种双尾超磁仿生机器鱼，其特征在于鱼体两头各有一个尾鳍推进机构，即鱼尾1和鱼尾2，尾鳍推进机构包含无磁的主体材料片和粘贴或涂镀在主体材料片两侧的超磁致伸缩材料，通过调节外部磁场频率和强度，调整鱼尾1和鱼尾2的摆动和波动模态，控制机器鱼向前或向后游动。
2.根据权利要求1所述的一种双尾超磁仿生机器鱼，其特征在于两个尾鳍具有不同的长度和不同的固有频率，当外界磁场频率接近鱼尾2的二阶固有频率时，位于鱼尾1的一阶与二阶固有频率之间，此时两个尾巴的摆动将驱动机器鱼向前游动；当外界磁场频率接近鱼尾1的二阶固有频率时，位于鱼尾2的二阶与三阶固有频率之间，此时两个尾巴的摆动将驱动机器鱼向后游动。
3.根据权利要求1和2所述的一种双尾超磁仿生机器鱼，其特征在于粘贴或涂镀在主体弹性材料片两侧用于模拟肌肉的超磁致伸缩材料的厚度；其分布函数满足
ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x)
其中a，b，c，d，e，k是由材料常数，液体粘度和结构几何参数确定，ξ(x)是超磁材料厚度，x是尾鳍长度方向坐标。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102525378A (zh) * | 2012-02-02 | 2012-07-04 | 重庆理工大学 | 一种纤毛振动驱动的微型机器人 |
| CN106043645A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-10-26 | 河南大学 | 可用于水上测量设备动力的仿生尾鳍 |
| CN112904247A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-06-04 | 维沃移动通信有限公司 | 交变磁场传感器及电子设备 |
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2007
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