CN101318544A - 仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机器鱼，能够实现以不同的速度前进和不同的转弯半径左右转弯。采用单自由度控制方式，使用伺服电动机经过换向齿轮组换向，带动摆杆摆动，摆杆末端的销轴推动一端固定于机器鱼骨架上另一端自由的弹性薄板往复摆动。通过控制系统控制弹性薄板的摆动方式的不同，控制机器鱼的游动方式不同。摆杆左右对称的摆动，机器鱼前进，改变摆幅和频率可以控制机器鱼前进的速度；摆杆偏在半边摆动，比如偏在左半边摆动可以使鱼向左转弯，机器鱼转弯，改变摆杆的摆幅和频率可以控制机器鱼转弯的半径。

Description

仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种用于水下探测、水下观察、水下侦查等能够在水中进行活动的装置，具体是一种仿生机器鱼。

背景技术

鱼类的游动，特别是鯵科类鱼的游动，其动力来源主要是尾部的摆动。目前，机器鱼的游动摆尾装置大多采用多关节串联的驱动方式，这种方式控制比较复杂；或者采用人工肌肉驱动的方式，这些方式成本很高且控制复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单且游动效果逼真的仿生机器鱼。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种仿生机器鱼，包括鱼皮，鱼尾骨架、鱼身骨架以及设置在鱼身骨架上的伺服电动机，所述的鱼皮套在所述的鱼尾骨架和鱼身骨架外，还包括一锥齿轮副，该锥齿轮副也设置在所述的鱼身骨架上，所述的伺服电动机的输出轴与锥齿轮副的输入轴固定连接，锥齿轮副的输出轴与一摆杆的固定端固定连接，在鱼身骨架的末端还设置有一弹性薄片，所述的鱼尾骨架与所述的弹性薄片固定相连，弹性薄片的一端与鱼身骨架相连，弹性薄片的末端为鱼尾方向，弹性薄片的中部与所述的摆杆的自由端活动连接。

所述的弹性薄片的外形轮廓为鱼形。

所述的弹性薄片与鱼身骨架的连接端开设有一槽口，该缺口延伸至机器鱼的尾柄处，所述的摆杆位于缺口的中心，且在摆杆的自由端开设有槽口，所述的摆杆通过槽口插接在弹性薄片的槽口内侧。

在所述的摆杆的自由端设置有一短销，在该短销的两端开设有槽口，所述的弹性薄片的缺口两侧设置在槽口内。

所述的短销位于机器鱼的尾柄处，尤其是位于机器鱼的尾柄末端。

所述的弹性薄片缺口两侧的厚度相同，且单侧的厚度从鱼身骨架连接端向缺口的末端线性递减。

本发明机器鱼的游动机理是，在水中，受到一个往复变化的集中力的悬臂梁，其波动的曲线和鲫鱼的游动时的身体中心曲线相似。本发明的核心为尾部的摆动设计。按照原理所述，这里使用弹性体模拟鱼类的尾部，替代现有设计所采用的刚性结构。使用电机专控系统控制伺服电动机来带动尾部的摆动，弹性的尾部是由可以简化为悬臂梁模型的弹性薄片来实现的。尾部的动力来源只有一个伺服电动机，具体的机械机构包含以下部分：伺服电动机、换向锥齿轮组、弹性薄片以及摆杆。伺服电动机的转动，经过一对锥齿轮换向机构换向后带动一根摆杆绕其转动中心转动；摆杆的转动带动与其末端连接的弹性薄片发生弯曲，弹性薄片弯曲时受到连接点的集中力和外部水的分布阻力的共同作用，便产生鱼尾的曲线摆动，从而与真实的鱼游姿态趋于一致，效果逼真。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明的仿生机器鱼，伺服电动机通过换向锥齿轮组与摆杆固定连接，将电机的转动转变为摆杆的摆动，在摆杆的末端连接弹性薄片，机器鱼在水中游动时，尾部的弹性薄受到摆杆的集中作用力和水分布阻力的双重作用，因此，鱼尾部的摆动轨迹为曲线，真实的鱼游姿态趋于一致，效果逼真。

2、采用轮廓为鱼形的弹性薄片后，机器鱼的摆动更加与真实鱼的摆动曲线一致，弹性薄片的集中受力点在弹性薄片的中心，当弹性薄片仅受摆杆集中力的作用时，弹性薄片在摆动时，本身就具有中心受力点变形大，周边变形小的特点，当同时受到水分布阻力的作用时，弹性薄片的变形就更加与真实鱼的游动曲线吻合。

3、本发明机器鱼，在弹性薄片上设置缺口，从而将弹性薄片与鱼身骨架的连接端分为上下两部分，摆杆位于缺口内，并将弹性薄片插在摆杆前端的槽口内，同样，具有结构简单，且摆动易于控制的特点。

4、本发明在摆杆的自由端设置短销，所述短销是圆柱形，上下两端对称，都开有槽口，弹性薄片被缺口分成的两部分分别卡接在短销的两端槽口内，将摆杆的单作用点转化为短销的两作用点，使得弹性薄片的摆动更合理，上下趋于一致性。

5、本发明弹性薄片被缺口分成的上下两部分的厚度相同，且单侧的厚度从鱼身骨架连接端向缺口的末端线性递减，弹性薄片的一端被固定在鱼身骨架上，自由端的集中作用力的作用点在鱼的尾柄处，采用宽度线性递减的薄片，其在受到作用力时，不同宽度的位置，在相同大的作用力时变形量不同，所以采用这样的薄片结构后，机器鱼在说中的摆动更加与真实鱼一致。

6、可以通过控制伺服电动机，来控制机器鱼能够以不同的速度前进和不同的转弯半径转弯，过程灵活逼真，且控制方法简单。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是机器鱼尾内部机构简图。

图2是机器鱼内部构造前视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图1的立体结构示意图。

图5是本发明弹性薄片结构示意图。

图6鱼体中心线和弹性薄板变形图，6(a)是真实鲫鱼游动过程中的一组身体轮廓的中心曲线，6(b)是本发明仿真机器鱼的弹性薄片受到向右的力向右弯曲的曲线，6(c)是本发明仿真机器鱼的弹性薄片受到向左的力向左弯曲的曲线。

图中：1、伺服电动机，2、换向锥齿轮组，3、摆杆，4、弹性薄片，41、缺口，5、短销，6、鱼身骨架，7、滑块，8、鱼皮，9、鱼尾骨架，10、为机器鱼尾柄，21～26是鲫鱼游动的身体轮廓中心曲线，29～30是弹性薄片的弯曲曲线。

具体实施方式

本发明机器鱼仿生的对象为鲫鱼，机器鱼的外形轮廓全部按照实际鲫鱼的比例尺寸来设计。附图6中(a)图是真实鲫鱼游动过程中的一组身体轮廓的中心曲线，是采用图像采集和处理的方法得到的。当悬臂梁在水中受到一个集中力的作用，梁会产生弯曲，在弯曲过程中会受到的水的阻力作用。合理设计梁的形状、集中力的作用点和集中力的大小，梁的弯曲曲线便可以和真实鲫鱼游动的身体轮廓曲线相似，如图6中(b)以及(c)，鱼尾向右摆尾过程中的曲线24和本发明仿真机器鱼的弹性薄片4受到向右的力向右弯曲的曲线29，鱼尾向左摆尾过程中的曲线27和弹性薄片受到向左的力向左弯曲的曲线30。这样使得梁受到的合力和鲫鱼受到的力一样，使得机器鱼像鱼一样游动。

本发明仿生机器鱼包括：鱼皮8，鱼尾骨架9、鱼身骨架6以及设置在鱼身骨架6上的伺服电动机1，所述的鱼皮8套在所述的鱼尾骨架9和鱼身骨架6外，还包括一锥齿轮副2，该锥齿轮副2也设置在所述的鱼身骨架6上，所述的伺服电动机1的输出轴与锥齿轮副2的输入轴固定连接，锥齿轮副2的输出轴与一摆杆3的固定端固定连接。因为机器鱼形状为长条状，其鱼身直径较小，同时，伺服电动机1体积较大，所以伺服电动机1需要水平放置，因此，还需要包括一锥齿轮副2用来换向，当伺服电动机1体积较小或者机器鱼鱼身直径较大时，就无需换向齿轮副2，而将伺服电动机1垂直放置，然后直接连接摆杆3，在鱼身骨架6的末端采用困扎、焊接或者粘接的方式固定连接弹性薄片4，弹性薄片4的外形轮廓为最好为鱼形。鱼尾骨架9也绑定在弹性薄片4上，弹性薄片4的末端为鱼尾方向，弹性薄片4和摆杆3的连接方式可以采用下面的方式，在弹性薄片4与鱼身骨架6的连接端开设有一缺口41，该缺口41延伸至机器鱼的尾柄10处，弹性薄片4缺口两侧的厚度相同，且单侧的厚度从鱼身骨架6连接端向缺口的末端线性递减，见图5所示。摆杆3位于缺口的中心，且在摆杆3的自由端开设有槽口，摆杆3通过槽口插接在弹性薄片4的缺口内侧，也可以在摆杆3的自由端设置有一短销5，短销5位于机器鱼的尾柄10处，最好是尾柄10末端，即尾柄10与尾鳍的交点处。

机器鱼鱼尾结构原理如图1所示，是使用伺服电动机1经锥齿轮组2换向后，带动摆杆3摆动，摆杆末端的滑块7在适当的位置直接推动弹性薄片4，摆动出鱼游动的姿态。

图2、图3以及图4的短销5连接了弹性薄片4和摆杆3，短销5和摆杆3的配合是转动副配合，可以在摆杆的孔中转动，短销5和弹性薄板4的配合移动副配合，短销5可以在弹性薄片4上滑移。图4中给出了摆杆3、短销5、弹性薄板4和骨架6的装配侧视图。短销这样的设计是出于两点要求：一方面在摆动过程中，弹性薄板发生弯曲，而摆杆不会生长或者缩短，这就要求给弹性薄板作用力的短销要能够沿弹性薄板滑移，另一方面在摆动过程中，弹性薄板在短销处的弯曲的切向是不断变化的，这就要求短销能够适应切线方向的变化，能够转动。

伺服电动机1固定在骨架6上的方法是使用两个短的套筒，套筒上有定位孔，和鱼身架6上的沉头孔配合，并使用沉头螺钉固定。弹性薄片4和鱼身骨架6的固定方法使用细棉线捆绑，棉线环绕的匝数足够多，棉线的预紧力足够大，并使用胶水固化，以使得弹性薄片4返复摆动时不会松动。鱼皮采用天然胶乳制作，套在鱼身骨架骨架6和鱼尾骨架上，并使用胶水密封。

摆杆3的转动中心位于鱼身体的2/3处，短销位于尾柄和尾鳍的交点处。通过对伺服电机的控制，实现对尾柄和尾鳍交叉点角度位置的实时控制，使得交叉点的位置按照真实鲫鱼游动的位置变化，从而在弹性薄板上模拟出真实鲫鱼游动身体中心的曲线。

本发明仿生机器鱼可以通过控制伺服电动机，来控制机器鱼能够以不同的速度前进和不同的转弯半径转弯，过程灵活逼真，且控制方法简单。机器鱼游动具体包括向前游动和转弯，前进的速度和转弯的半径都是可以调节控制的。调节控制得方法是控制摆杆以不同的速度，在不同的位置左右摆动，要求机器鱼前进时，摆杆在左右摆动，且每次摆动时左右极限位置相同即可。当要求调节机器鱼的速度，高速向前游动时，摆杆的摆动速度变大即可，低速向前游动时，摆杆摆动的速度变小即可；要求机器鱼转弯时，摆杆半边偏摆。向左转弯时，要求摆杆在左半边摆动即可，向右转弯时，要求半干在右半边摆动即可。要求机器鱼以不同的转弯半径转弯时，比如向左以小转弯半径转弯，摆杆以高速度在左半边往返摆动即可，向左以大转弯半径转弯，摆杆以低速度在左半边往返摆动即可。

Claims (7)

1、一种仿生机器鱼，包括鱼皮(8)，鱼尾骨架(9)、鱼身骨架(6)以及设置在鱼身骨架(6)上的伺服电动机(1)，所述的鱼皮(8)套在所述的鱼尾骨架(9)和鱼身骨架(6)外，其特征在于：还包括一锥齿轮副(2)，该锥齿轮副(2)也设置在所述的鱼身骨架(6)上，所述的伺服电动机(1)的输出轴与锥齿轮副(2)的输入轴固定连接，锥齿轮副(2)的输出轴与一摆杆(3)的固定端固定连接，在鱼身骨架(6)的末端还设置有一弹性薄片(4)，所述的鱼尾骨架(8)与所述的弹性薄片(4)固定相连，弹性薄片(4)的一端与鱼身骨架(6)相连，弹性薄片(4)的末端为鱼尾方向，弹性薄片(4)的中部与所述的摆杆(3)的自由端活动连接。

2、根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于：所述的弹性薄片(4)的外形轮廓为鱼形。

3、根据权利要求1或2所述的仿生机器鱼，其特征在于：所述的弹性薄片(4)与鱼身骨架(6)的连接端开设有一缺口(41)，该缺口(41)延伸至机器鱼的尾柄处(10)，所述的摆杆(3)位于缺口(41)的中心，且在摆杆(3)的自由端开设有槽口，所述的摆杆(3)通过槽口插接在弹性薄片(4)的缺口(41)内侧。

4、根据权利要求3所述的仿生机器鱼，其特征在于：在所述的摆杆(3)的自由端设置有一短销(5)，在该短销(5)的两端开设有槽口，所述的弹性薄片(4)的缺口两侧设置在槽口内。

5、根据权利要求4所述的仿生机器鱼，其特征在于：所述的短销(5)位于机器鱼的尾柄处(10)。

6、根据权利要求5所述的仿生机器人，其特征在于：所述的短销(5)位于机器鱼的尾柄(10)末端。

7、根据权利要求6所述的仿生机器鱼，其特征在于：所述的弹性薄片(4)缺口(41)两侧的厚度相同，且单侧的厚度从鱼身骨架(6)连接端向缺口(41)的末端线性递减。

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