CN101797971B - 一种仿鳕鱼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鳕鱼机器人，属于仿生机器人研究领域；其包括有仿生鱼体、电机驱动组件、基座、连接板和防水套筒；仿生鱼体由仿生鱼头、尾鳍、泡沫填充物和硅胶外壳构成，泡沫填充物填充在仿生鱼体的躯干上后，再用硅胶包裹在仿生鱼头、尾鳍和泡沫填充物的外部形成具有仿鳕鱼流线外形及防水功能的硅胶外壳。电机驱动组件与带-轮传动组件的同步带串联周转轮系传动方式，作为机器鳕鱼的机械传动方式，使仿生机器鳕鱼在形态学和运动学上最大程度复现自然界鱼类游动方式。该机器人具有运动功耗可测量，游动拟合度高。

Description

一种仿鳕鱼机器人

技术领域

本发明涉及一种水下实验机器人，更特别地说，是指一种仿鳕鱼机器人。

背景技术

鱼类已经历了上亿年的进化过程，逐渐形成了各具特色的机动游动能力，金枪鱼巡游时的速度在30km/h以上，而瞬时爆发速度高达100km/h；在转弯能力方面，鱼类可以在不减速情况下迅速改变方向，转弯半径仅为0.1～0.3倍体长，相比之下人造机器的转弯半径要大至少一个量级，而且在转弯前先要大幅度地减速；在加速性能方面，白斑狗鱼可以在短时间内加速，加速度可超过20倍重力加速度，是舰艇、机器鱼等不可比拟的。鱼类常见的机动运动包括快速起动(fast-start)、加速-滑行(burst-coast)、快速转弯(fast turn)，制动(brake)以及常规加速(routine accerlation)等。这些机动性研究都为人造机器提供重要参考价值。作为鱼类最典型的优势，生物学家已经进行了大量的研究工作，巡游在研究中被定义为定常运动，而机动运动属于非定常运动，速度大小和运动方向都可能发生改变。人造机器与生物存在的巨大差距需要通过详细、定量的对比方可全面揭示，并在此基础上逐步探索缩小差距从而优化人造机器的性能。

为了研究鱼类高效游动机制，各国的研究人员纷纷设计了各式各样的机器鱼以有机器鱼拖曳实验平台。为了研究仿鱼机器人游动时产生的推力、与此推力相匹配的加速度、仿鱼体本身的阻力、仿鱼体自身所消耗的功率等等参数，必须设计一种专门用于这类实验的仿鱼机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿鳕鱼机器人，其由仿生鱼头、仿生鱼体和尾鳍组成的机器鱼本体通过防水套筒与基座连接。电机驱动组件通过电机固定件安装在基座上，经过同步带传动周转轮系，分别将四个伺服电机的动力传递给位于防水套筒的下部的机器鱼本体。仿生鱼体附着泡沫材料作为鱼体填充物，保持鱼的流线外形。整个鱼体用硅胶皮包裹，并用防水胶密封。防水套筒以下，可浸于水中进行机器鱼功耗拖曳实验。本发明设计的仿鱼机器人的外形是效仿真实鳕鱼鱼体，经过建立流线型鱼体放样模型，并在每个关节相应位置取横截面作为设计第一关节件至第四关节件的设计尺寸。尾鳍选取与鱼体相匹配的参数，即优化的展弦比。

附图说明

图1是本发明仿鳕鱼机器人的结构图。图1A是去除外壳的本发明仿鳕鱼机器人的结构图。图2是本发明电机驱动组件的结构图。图2A是本发明电机驱动组件中A压力调节件的结构图。图3是本发明基座的下板面的结构图。

图3A是本发明基座中A支架的结构图。图3B是本发明基座中B支架的结构图。

图3C是本发明基座中C支架的结构图。图3D是本发明基座中D支架的结构图。

图3E是本发明基座中E支架的结构图。图4是本发明仿生鱼头与防水套筒的结构图。

图4A是本发明仿生鱼头与防水套筒的分解图。图5是本发明尾鳍的结构图。

图6是本发明仿鳕鱼机器人的躯干的结构图。图6A是本发明仿鳕鱼机器人的传动部分的结构图。

图6B是本发明仿鳕鱼机器人的骨架结构图。图6C是本发明第一关节支架的结构图。

图6D是本发明第二关节支架的结构图。图6E是本发明第三关节支架的结构图。

图6F是本发明第四关节支架的结构图。图6G是本发明传动轴支架的结构图。

图中：             1.仿生鱼体         1A.外壳         1B.躯干            11.第一关节支架

11-1.A支撑肋       11-11.I通孔        11-2.B支撑肋    11-21.J通孔        11-3.A躯干板

11-31.空腔         11-4.第一关节轴架                  11-41.上框梁       11-42.下框梁

11-43.K通孔        11-44.L通孔        11-5.第一关节轴 11-51.I轴承        11-52.J轴承

11-53.K轴承        11-54.L轴承        11-55.M轴承     12.第二关节支架    12-1.C支撑肋

12-11.M通孔        12-2.D支撑肋       12-21.N通孔     12-3.B躯干板       12-31.空腔

12-4.第二关节轴架                     12-41.上框梁    12-42.下框梁       12-43.O通孔

12-44.P通孔        12-5.第二关节轴    12-51.N轴承     12-52.O轴承        12-53.P轴承

12-54.Q轴承        13.第三关节支架    13-1.E支撑肋    13-11.Q通孔        13-2.F支撑肋

13-21.R通孔        13-3.C躯干板       13-31.空腔      13-4.第三关节轴架

13-41.上框梁       13-42.下框梁       13-43.S通孔     13-44.T通孔        13-5.第三关节轴

13-51.R轴承        13-52.S轴承        13-53.T轴承     14.第四关节支架    14-4.尾鳍接头

14-41.G支撑肋      14-42.H支撑肋      14-43.U通孔     14-44.V通孔        14-5.第四关节轴

14-51.U轴承        14-52.V轴承        15.传动轴支架   15-1.E轴承         15-2.F轴承

15-3.G轴承         15-4.H轴承         15-5.1支撑肋    15-6.W通孔         15-7.J支撑肋

15-8.X通孔         15-9.鱼头架        15-91.E轴承孔   15-92.F轴承孔      15-93.G轴承孔

15-94.H轴承孔      15-95.底板         101.I带轮       102.J带轮          103.K带轮

104.L带轮          105.M带轮          106.N带轮       107.O带轮          108.P带轮

109.Q带轮          110.R带轮          111.S带轮       112.T带轮          113.U带轮

114.V带轮          121.A角度传感器    122.B角度传感器 123.C角度传感器    124.D角度传感器

151.E同步带        152.F同步带        153.G同步带     154.H同步带        155.I同步带

156.J同步带        157.K同步带        158.L同步带     159.M同步带        160.N同步带

2.电机驱动组件     2A.A伺服电机       2B.B伺服电机    2C.C伺服电机       2D.D伺服电机

21A.A传动轴        21B.B传动轴        21C.C传动轴     21D.D传动轴        22A.A同步带

22B.B同步带        22C.C同步带        22D.D同步带     23A.A压力调节件    23C.C压力调节件

23D.D压力调节件                       23E.E压力调节件 23F.F压力调节件    23G.G压力调节件

23H.H压力调节件                       24A.A带轮       24B.B带轮          24C.C带轮

24D.D带轮          24E.E带轮          24F.F带轮       24G.G带轮          24H.H带轮

3.基座             3A.上板面          3B.下板面       31.A支架           311.A电机座

312.A传感器座      313.B传感器座      314.E通孔       315.A支臂          316.B支臂

32.B支架           321.B电机座        322.C传感器座   323.D传感器座      324.F通孔

325.C支臂          326.D支臂          33.C支架        331.C电机座        332.E传感器座

333.F传感器座      334.G通孔          335.E支臂       336.F支臂          34.D支架

341.D电机座        342.G传感器座      343.H传感器座   344.H通孔          345.G支臂

346.H支臂          35.E支架           351.A轴承       352.B轴承          353.C轴承

354.D轴承     355.底板    355A.A轴承孔  355B.B轴承孔    355C.C轴承孔

355D.D轴承孔  4.连接板    4A.支撑柱     5.防水套筒      51.A半套管

52.B半套管    6.仿生鱼头  61.A半鱼头    62.B半鱼头

7.尾鳍        71.前端     72.螺纹孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明的一种仿鳕鱼机器人包括有仿生鱼体1、电机驱动组件2、基座3、连接板4和防水套筒5；其中，仿生鱼体1由仿生鱼头6、尾鳍7、泡沫填充物(聚乙烯或者聚丙烯)和硅胶外壳1A构成，泡沫填充物填充在仿生鱼体1的躯干1B上，填充好仿生鱼体1的躯干1B后，再用硅胶包裹在仿生鱼头6、尾鳍7和泡沫填充物的外部上形成仿生鱼体1的硅胶外壳1A。在本发明中，采用硅胶包裹技术形成仿生鱼体1的外壳1A充分考虑了仿生鱼体1的外部流线性，以及防水功能。

在本发明中，仿生鱼体1通过防水套筒5与基座3连接。电机驱动组件2通过电机固定件安装在基座3上，经过同步带传动周转轮系(如图2、图6A所示)，分别将四个伺服电机的动力传递给位于防水套筒5的下部的仿生鱼体1。由于仿生鱼体1的外壳采用硅胶皮包裹形成，故防水套筒5以下，可浸于水中进行机器鱼功耗拖曳实验。本发明设计的仿鱼机器人的外形是效仿真实鳕鱼鱼体，经过建立流线型鱼体放样模型，并在每个关节相应位置取横截面作为设计第一关节件至第四关节件的设计尺寸。尾鳍选取与鱼体相匹配的参数，即优化的展弦比。在本发明的同步带传动周转轮系中采用的带轮和同步带均为标准件。所使用的轴承均为深沟球轴承。

一、仿生鱼体1

参见图1、图1A所示，在本发明中，仿生鱼体1的躯干1B处附着泡沫材料作为鱼体填充物，保持鱼的流线外形；然后在整个鱼体的外部用硅胶皮包裹，并用防水胶密封形成不渗水的外壳1A。所述整个鱼体是指仿生鱼头6和仿生鱼体1。

参见图6、图6A、图6B所示，仿生鱼体1的躯干1B包括有第一关节支架11、第二关节支架12、第三关节支架13、第四关节支架14、传动轴支架15和带-轮传动组件；所述带-轮传动组件是由同步带与带轮配合形成的同步带传动周转轮系。第一关节支架11、第二关节支架12、第三关节支架13、第四关节支架14和传动轴支架15构成仿生鱼体1的躯干1B的骨架。

参见图6A所示，带-轮传动组件中的同步带与带轮之间的套接关系为：

I带轮101与M带轮105之间套接有E同步带151；

J带轮102与N带轮106的上端之间套接有F同步带152；N带轮106的下端与Q带轮109的下端之间套接有I同步带155；Q带轮109的上端与T带轮112的下端之间L同步带158；T带轮112的上端与V带轮114之间套接有N同步带160；

K带轮103与O带轮107的上端之间套接有G同步带153；O带轮107的下端与R带轮110的下端之间套接有J同步带156；R带轮110的上端与U带轮113之间套接有M同步带159；

L带轮104与P带轮108的上端之间套接有H同步带154；P带轮108的下端与S带轮111之间套接有K同步带157。

在本发明中，A带轮24A、B带轮24B、C带轮24C、D带轮24D、E带轮24E、F带轮24F、G带轮24G、H带轮24H、I带轮101、J带轮102、K带轮103、L带轮104、M带轮105、S带轮111、U带轮113和V带轮114的结构相同(第一组带轮)；N带轮106、O带轮107、P带轮108、Q带轮109、R带轮110和T带轮112的结构相同(第二组带轮)；由于第二组带轮上需要套接两根同步带，且需保证两根同步带同向运动，因此第二组带轮的外部齿条结构与第一组带轮的外部齿条结构相同，但在关节轴的纵向方向上的齿条高度来讲，第二组带轮要比第一组带轮高出一倍。在电机驱动组件中的带轮、带-轮传动组件中的带轮，其带轮的外部均设有齿条，该带轮上的齿条与同步带上的齿条相啮合，从而实现在前一个带轮的转动下，经同步带的传递致使后一个带轮随动。

参见图6C所示，第一关节支架11包括有A支撑肋11-1、B支撑肋11-2、A躯干板11-3、第一关节轴架11-4、第一关节轴11-5，以及安装在第一关节轴11-5上的轴承；所述轴承在第一关节轴11-5上从上至下分布为I轴承11-51、J轴承11-52、K轴承11-53、L轴承11-54和M轴承11-55；用于测量第一关节轴11-5转动角度的A角度传感器121安装在第一关节轴11-5的顶部；

A支撑肋11-1的收敛端上设有I通孔11-11，该I通孔11-11内安装有I轴承11-51；

B支撑肋11-2的收敛端上设有J通孔11-21，该J通孔11-21内安装有M轴承11-55；

A躯干板11-3设计成椭圆形，A躯干板11-3的中部开有空腔11-31，该空腔11-31用于放置第一关节轴架11-4；

第一关节轴架11-4的上框梁11-41的中心设有K通孔11-43，第一关节轴架11-4的下框梁11-42的中心设有L通孔11-44；；

第一关节轴11-5的一端安装上A角度传感器121后，第一关节轴11-5的另一端顺次穿过I轴承11-51、J轴承11-52、K轴承11-53、L轴承11-54、M带轮105和M轴承11-55。J轴承11-52的外圈与P带轮108套接，K轴承11-53的外圈与O带轮107套接，L轴承11-54的外圈与N带轮106套接。在A伺服电机2A的驱动下，由A带轮24A、A同步带22A、E带轮24E、A传动轴21A、I带轮101、E同步带151和M带轮105的运动传递关系，使得第一关节轴11-5转动；因第一关节轴11-5、第一关节轴架11-4和A躯干板11-3为固定安装关系，故A躯干板11-3随动；A躯干板11-3的随动最终使得仿生鱼体1的躯干1B在脊椎线上摆动。A躯干板11-3摆幅的大小通过A角度传感器121来测量。

参见图6D所示，第二关节支架12包括有C支撑肋12-1、D支撑肋12-2、B躯干板12-3、第二关节轴架12-4、第二关节轴12-5，以及安装在第二关节轴12-5上的轴承；所述轴承在第二关节轴12-5上从上至下分布为N轴承12-51、O轴承12-52、P轴承12-53和Q轴承12-54；用于测量第二关节轴12-5转动角度的B角度传感器122安装在第二关节轴12-5的顶部；

C支撑肋12-1的收敛端上设有M通孔12-11，该M通孔12-11内安装有N轴承12-51；

D支撑肋12-2的收敛端上设有N通孔12-21，该N通孔12-21内安装有Q轴承12-54；

B躯干板12-3设计成椭圆形，B躯干板12-3的中部开有空腔12-31，该空腔12-31用于放置第二关节轴架12-4；

第二关节轴架12-4的上框梁12-41的中心设有O通孔12-43，第二关节轴架12-4的下框梁12-42的中心设有P通孔12-44；

第二关节轴12-5的一端安装上B角度传感器122后，第二关节轴12-5的另一端顺次穿过N轴承12-51、S带轮111、O轴承12-52、P轴承12-53和Q轴承12-54。O轴承12-52的外圈与R带轮110套接，P轴承12-53的外圈与Q带轮109套接。在D伺服电机2D的驱动下，由D带轮24D、D同步带22D、H带轮24H、D传动轴21D、L带轮104、H同步带154、P带轮108、K同步带157和S带轮111的运动传递关系，使得第二关节轴12-5转动；因第二关节轴12-5、第二关节轴架12-4和B躯干板12-3为固定安装关系，故B躯干板12-3随动；B躯干板12-3的随动最终使得仿生鱼体1的躯干1B在脊椎线上摆动。B躯干板12-3摆幅的大小通过B角度传感器122来测量。

参见图6E所示，第三关节支架13包括有E支撑肋13-1、F支撑肋13-2、C躯干板13-3、第三关节轴架13-4、第三关节轴13-5，以及安装在第三关节轴13-5上的轴承；所述轴承在第三关节轴13-5上从上至下分布为R轴承13-51、S轴承13-52和T轴承13-53；用于测量第三关节轴13-5转动角度的C角度传感器123安装在第三关节轴13-5的顶部；

E支撑肋13-1的收敛端上设有Q通孔13-11，该Q通孔13-11内安装有R轴承13-51；

F支撑肋13-2的收敛端上设有R通孔13-21，该R通孔13-21内安装有T轴承13-53；

C躯干板13-3设计成椭圆形，C躯干板13-3的中部开有空腔13-31，该空腔13-31用于放置第三关节轴架13-4；

第三关节轴架13-4的上框梁13-41的中心设有S通孔13-43，第三关节轴架13-4的下框梁13-42的中心设有T通孔13-44；

第三关节轴13-5的一端安装上C角度传感器123后，第三关节轴13-5的另一端顺次穿过R轴承13-51、S轴承13-52、T带轮112和T轴承13-53。S轴承13-52的外圈与U带轮113套接。在B伺服电机2B的驱动下，由B带轮24B、B同步带22B、F带轮24F、B传动轴21B、J带轮102、F同步带152、N带轮106、I同步带155、Q带轮109、L同步带158、T带轮112、N同步带160和V带轮114的运动传递关系，使得第三关节轴13-5转动；因第三关节轴13-5、第三关节轴架13-4和C躯干板13-3为固定安装关系，故C躯干板13-3随动；C躯干板13-3的随动最终使得仿生鱼体1的躯干1B在脊椎线上摆动。C躯干板13-3摆幅的大小通过C角度传感器123来测量。

参见图6F所示，第四关节支架14包括有尾鳍接头14-4、第四关节轴14-5，以及安装在第四关节轴14-5上的轴承；所述轴承在第四关节轴14-5上从上至下分布为U轴承14-51和V轴承14-52；用于测量第四关节轴14-5转动角度的D角度传感器124安装在第四关节轴14-5的顶部；

尾鳍接头14-4的后端开有卡槽14-45，该卡槽14-45内安装有尾鳍7的前端71；尾鳍7与尾鳍接头14-4安装是通过螺钉穿过尾鳍接头14-4上的螺纹孔14-46和尾鳍7上的螺纹孔72后实现；尾鳍接头14-4的前端设有G支撑肋14-41、H支撑肋14-42；G支撑肋14-41的端部设有U通孔14-43，U通孔14-43内安装有U轴承14-51；H支撑肋14-42的端部设有V通孔14-44，V通孔14-44内安装有V轴承14-52；

第四关节轴14-5的一端安装上D角度传感器124后，第四关节轴14-5的另一端顺次穿过U轴承14-51、V带轮114和V轴承14-52。在C伺服电机2C的驱动下，由C带轮24C、C同步带22C、G带轮24G、C传动轴21C、K带轮103、G同步带153、O带轮107、J同步带156、R带轮110、M同步带159和U带轮113的运动传递关系，使得第四关节轴14-5转动；因尾鳍接头14-4与第四关节轴14-5为固定安装关系，故尾鳍接头14-4随动；尾鳍接头14-4的随动最终使得仿生鱼体1的尾鳍7在脊椎线上摆动。尾鳍接头14-4摆幅的大小通过D角度传感器124来测量。

参见图6G所示，传动轴支架15包括有鱼头架15-9、I支撑肋15-5、J支撑肋15-7；I支撑肋15-5的一端和J支撑肋15-7的一端安装在鱼头架15-9的后端的侧板面上；I支撑肋15-5与J支撑肋15-7的结构相同；I支撑肋15-5通过I轴承11-51连接在第一关节轴11-5的上端，J支撑肋15-7通过M轴承11-55连接在第一关节轴11-5的下端；I支撑肋15-5上设有W通孔15-6，该W通孔15-6内安装有I轴承11-51；J支撑肋15-7上设有X通孔15-8，该X通孔15-8内安装有M轴承11-55；鱼头架15-9的底板15-95上设有E轴承孔15-91、F轴承孔15-92、G轴承孔15-93和H轴承孔15-94，E轴承孔15-91内安装有W轴承15-1，F轴承孔15-92内安装有X轴承15-2，G轴承孔15-93内安装有Y轴承15-3，H轴承孔15-94内安装有Z轴承15-4，W轴承15-1套接在A传动轴2A的另一端上，X轴承15-2套接在B传动轴2B的另一端上，Y轴承15-3套接在C传动轴2C的另一端上，Z轴承15-4套接在D传动轴2D的另一端上。

在本发明中，支撑肋的收敛端与关节轴之间采用轴承方式的转动副连接。

二、电机驱动组件2

参见图2所示，电机驱动组件2包括有四个伺服电机、四根传动轴、四根同步带、八个压力调节件和八个带轮；

所述四个伺服电机是指A伺服电机2A、B伺服电机2B、C伺服电机2C和D伺服电机2D；

所述四根传动轴是指A传动轴21A、B传动轴21B、C传动轴21C和D传动轴21D；

所述四根同步带是指A同步带22A、B同步带22B、C同步带22C和D同步带22D；

所述八个压力调节件是指A压力调节件23A、B压力调节件(图2中未示出)、C压力调节件23C、D压力调节件23D、E压力调节件23E、F压力调节件23F、G压力调节件23G和H压力调节件23H。

A压力调节件23A包括有惰轮23A-1、惰轮座23A-2、上压块23A-3和下压块23A-4；惰轮座23A-2的一端连接在下压块23A-4的圆柱端上，惰轮座23A-2的另一端连接有惰轮23A-1；上压块23A-3的圆柱端安装在A支架31的A支臂312上，上压块23A-3的凹形端与下压块23A-4的凹形端相对放置，且通过一螺钉连接。在本发明中，惰轮23A-1与A同步带24A接触的松紧调节通过一贯穿上压块23A-4和下压块23A-5上的螺钉来实现，即一螺钉顺次穿过上压块23A-4上的螺纹孔和下压块23A-5上的螺纹孔后，在螺钉的螺纹端部套接一螺母，螺母在螺钉上的运动，实现了惰轮23A-1与A同步带24A的压紧与松开。

所述八个带轮是指A带轮24A、B带轮24B、C带轮24C、D带轮24D、E带轮24E、F带轮24F、G带轮24G和H带轮24H。

A伺服电机21A的机壳安装在基座3的上板面3A上，且A伺服电机21A的输出轴穿过基座3上的A通孔、A支架上的E通孔314后套接有A带轮24A；A带轮24A上套接有A同步带22A，A同步带22A的另一端上套接有E带轮24E，E带轮24E安装在A传动轴21A一端上；A同步带22A的两个外侧分别A压力调节件23A、B压力调节件接触。

B伺服电机21B的机壳安装在基座3的上板面3A上，且B伺服电机21B的输出轴穿过基座3上的B通孔、B支架上的F通孔324后套接有B带轮24B；B带轮24B上套接有B同步带22B，B同步带22B的另一端上套接有F带轮24F，F带轮24F安装在B传动轴21B一端上；B同步带22B的两个外侧分别C压力调节件23C、D压力调节件23D接触，对于B同步带22B在传动时的松紧通过所述的C压力调节件23C、D压力调节件23D进行信息采集。

C伺服电机21C的机壳安装在基座3的上板面3A上，且C伺服电机21C的输出轴穿过基座3上的C通孔、C支架上的G通孔334后套接有C带轮24C；C带轮24C上套接有C同步带22C，C同步带22C的另一端上套接有G带轮24G，G带轮24G安装在C传动轴21C一端上；C同步带22C的两个外侧分别E压力调节件23E、F压力调节件23F接触，对于C同步带22C在传动时的松紧通过所述的E压力调节件23E、F压力调节件23F进行信息采集。

D伺服电机21D的机壳安装在基座3的上板面3A上，且D伺服电机21D的输出轴穿过基座3上的D通孔、D支架上的H通孔344后套接有D带轮24D；D带轮24D上套接有D同步带22D，D同步带22D的另一端上套接有H带轮24H，H带轮24H安装在D传动轴21D一端上；D同步带22D的两个外侧分别G压力调节件23G、H压力调节件23H接触，对于D同步带22D在传动时的松紧通过所述的G压力调节件23G、H压力调节件23H进行信息采集。

三、基座3

参见图3所示，基座3上设有用于供伺服电机输出轴通过的四个通孔(A通孔、B通孔、C通孔和D通孔，这四个通孔在图中未示出)，即A通孔用于A伺服电机2A的输出轴通过，B通孔用于B伺服电机2B的输出轴通过，C通孔用于C伺服电机2C的输出轴通过，D通孔用于D伺服电机2D的输出轴通过。基座3的下板面3B上安装有四个结构相同的用于安装压力调节件的支架(即A支架31、B支架32、C支架33和D支架34)和一个用于确定传动轴安装位置的E支架35。

参见图3A所示，A支架31的A电机座311上设有E通孔314，该E通孔314用于A伺服电机2A的输出轴穿过；所述A电机座311的A支臂315上安装有A传感器座312，A传感器座312用于安装A压力调节件23A；所述A电机座311的B支臂316上安装有B传感器座313，B传感器座313用于安装B压力调节件(在本发明中给出的附图中没有示出该附图标记，但根据对称结构设计是可以直接推导得到的)。

参见图3B所示，B支架32的B电机座321上设有F通孔324，该F通孔324用于B伺服电机2B的输出轴穿过；所述B电机座321的C支臂325上安装有C传感器座322，B传感器座322用于安装C压力调节件23C；所述B电机座321的D支臂326上安装有D传感器座323，D传感器座323用于安装D压力调节件23D。

参见图3C所示，C支架33的C电机座331上设有G通孔334，该G通孔334用于C伺服电机2C的输出轴穿过；所述C电机座331的E支臂335上安装有E传感器座332，E传感器座332用于安装E压力调节件23E；所述C电机座331的F支臂336上安装有F传感器座333，F传感器座333用于安装F压力调节件23F。

参见图3D所示，D支架34的D电机座331上设有H通孔344，该H通孔344用于D伺服电机2D的输出轴穿过；所述D电机座341的G支臂345上安装有G传感器座342，G传感器座342用于安装G压力调节件23G；所述D电机座341的H支臂346上安装有H传感器座343，H传感器座343用于安装H压力调节件23H。

参见图3E所示，E支架35的底板355上设有供安装轴承的A轴承孔355A、B轴承孔355B、C轴承孔355C和D轴承孔355D，A轴承孔355A内安装有A轴承351，B轴承孔355B内安装有B轴承352，C轴承孔355C内安装有C轴承353，D轴承孔355D内安装有D轴承354。A轴承351A套接在传动轴21A的上端；B轴承352套接在B传动轴21B的上端；C轴承353套接在C传动轴21C的上端；D轴承354套接在D传动轴21D的上端。

在本发明中，通过紧靠在同步带两外侧的两个压力调节件来调节套接在伺服电机的输出轴上的同步带的张紧力。

四、连接板4

参见图1所示，在本发明中，连接板4是用于将仿生机器人与仿生机器人的拖曳控制部分进行固定安装的一个连接件。连接板4与基座3之间安装有四根结构相同的支撑柱4A，这四根支撑柱4A用于隔开连接板4与基座3之间的距离，同时也是方便电机驱动组件2中的四个电机在基座3上的安装位置。

五、防水套筒5和仿生鱼头6

参见图4、图4A所示，防水套筒5与仿生鱼头6采用铸塑成型工艺进行加工，即将原料(如铝或者塑料)加热成液态，然后注入模具中形成。

防水套筒5是由A半套管51与B半套管52经对接后形成。

仿生鱼头6是由A半鱼头62与B半鱼头62经对接后形成，且对接后的鱼头尾部形成一个空腔6A，该空腔6A用于放置传动轴支架15。

在本发明中，采用注浆成型工艺制得仿生鱼头6，使得仿鱼机器人更佳的接近鳕鱼的头部。将传动轴外部套接的防水套筒5与仿生鱼头6注浆成一体，有利于仿鱼机器人在水中进行拖曳实验时头部因螺纹连接或者螺钉铆接造成的相对滑动，影响仿鱼机器人躯干的运动。

六、尾鳍7

参见图5所示，尾鳍7采用铸塑成型工艺加工，制得的尾鳍7与鳕鱼的尾部相同，尾鳍7的前部71设有螺纹孔72，通过一螺钉穿过该螺纹孔72和尾鳍接头14-4上的螺纹孔14-46实现尾鳍7安装在尾鳍接头14-4上。

本发明仿鳕鱼机器人中电机驱动组件与带-轮传动组件的同步带串联周转轮系传动方式为：

A伺服电机2A输出的运动顺次经A带轮24A、A同步带22A、E带轮24E、A传动轴21A、I带轮101、E同步带151和M带轮105后传递至第一关节轴11-5上；所述第一关节轴11-5在A伺服电机2A的驱动下，进而实现了A躯干板11-3在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动。

B伺服电机2B输出的运动顺次经B带轮24B、B同步带22B、F带轮24F、B传动轴21B、J带轮102、F同步带152、N带轮106、I同步带155、Q带轮109、L同步带158和T带轮112后传递至第三关节轴13-5上；所述第三关节轴13-5在B伺服电机2B的驱动下，进而实现了C躯干板13-3在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动。

C伺服电机2C输出的运动顺次经C带轮24C、C同步带22C、G带轮24G、C传动轴21C、K带轮103、G同步带153、O带轮107、J同步带156、R带轮110、M同步带159、U带轮113、N同步带160和V带轮114后传递至第四关节轴14-5上；所述第四关节轴14-5在C伺服电机2C的驱动下，进而实现了第四关节支架14在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动。

D伺服电机2D输出的运动顺次经D带轮24D、D同步带22D、H带轮24H、D传动轴21D、L带轮104、H同步带154、P带轮108、K同步带157和S带轮111后传递至第二关节轴12-5上；所述第二关节轴12-5在D伺服电机2D的驱动下，进而实现了B躯干板12-3在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动。

本发明设计的仿鱼机器人将驱动原件置于机器鱼体外，大大减轻了鱼体各个关节上的分布质量。机器鱼体波动时，减轻了施加在伺服电机上的负载，减小了运动失真，有利于控制系统(通过连接板4安装)精确拟合运动曲线，提高系统的动态响应性能。本发明根据鳕鱼形态观测生物学数据设计机器鱼的外形，同时采用了一种新的机构——同步带串联周转轮系传动方式，作为机器鳕鱼的机械传动方式，使仿生机器鳕鱼在形态学和运动学上最大程度复现自然界鱼类游动方式。因此，为研究非定常高升力产生机制而专门建立一个实验平台，有着实际和科学的意义。

Claims (1)

1.一种仿鳕鱼机器人，其特征在于包括有：仿生鱼体(1)、电机驱动组件(2)、基座(3)、连接板(4)和防水套筒(5)；

其中，仿生鱼体(1)由仿生鱼头(6)、尾鳍(7)、泡沫填充物和硅胶外壳(1A)构成，泡沫填充物填充在仿生鱼体(1)的躯干(1B)上，然后用硅胶包裹躯干(1B)和仿生鱼头(6)形成仿鳕鱼外形的硅胶外壳(1A)；

仿生鱼体(1)的躯干(1B)包括有第一关节支架(11)、第二关节支架(12)、第三关节支架(13)、第四关节支架(14)、传动轴支架(15)和带-轮传动组件；所述带-轮传动组件是由同步带与带轮配合形成；第一关节支架(11)、第二关节支架(12)、第三关节支架(13)、第四关节支架(14)和所述传动轴支架(15)构成仿生鱼体(1)的躯干(1B)的骨架；

所述带-轮传动组件中的同步带与带轮之间的套接关系为：I带轮(101)与M带轮(105)之间套接有E同步带(151)；J带轮(102)与N带轮(106)的上端之间套接有F同步带(152)；N带轮(106)的下端与Q带轮(109)的下端之间套接有I同步带(155)；Q带轮(109)的上端与T带轮(112)的下端之间套接有L同步带(158)；T带轮(112)的上端与V带轮(114)之间套接有N同步带(160)；K带轮(103)与O带轮(107)的上端之间套接有G同步带(153)；O带轮(107)的下端与R带轮(110)的下端之间套接有J同步带(156)；R带轮(110)的上端与U带轮(113)之间套接有M同步带(159)；L带轮(104)与P带轮(108)的上端之间套接有H同步带(154)；P带轮(108)的下端与S带轮(111)之间套接有K同步带(157)；

第一关节支架(11)包括有A支撑肋(11-1)、B支撑肋(11-2)、A躯干板(11-3)、第一关节轴架(11-4)、第一关节轴(11-5)，以及安装在第一关节轴(11-5)上的轴承；所述轴承在第一关节轴(11-5)上从上至下分布为I轴承(11-51)、J轴承(11-52)、K轴承(11-53)、L轴承(11-54)和M轴承(11-55)；A角度传感器(121)安装在第一关节轴(11-5)的顶部；A支撑肋(11-1)的收敛端上设有I通孔(11-11)，该I通孔(11-11)内安装有N轴承(12-51)；B支撑肋(11-2)的收敛端上设有J通孔(11-21)，该J通孔(11-21)内安装有Q轴承(12-54)；A躯干板(11-3)的中部开有空腔(11-31)，该空腔(11-31)用于放置第一关节轴架(11-4)；第一关节轴架(11-4)的上框梁(11-41)的中心设有K通孔(11-43)，第一关节轴架(11-4)的下框梁(11-42)的中心设有L通孔(11-44)；第一关节轴(11-5)的一端安装上A角度传感器(121)后，第一关节轴(11-5)的另一端顺次穿过I轴承(11-51)、J轴承(11-52)、K轴承(11-53)、L轴承(11-54)、M带轮(105)和M轴承(11-55)；J轴承(11-52)的外圈与P带轮(108)套接，K轴承(11-53)的外圈与O带轮(107)套接，L轴承(11-54)的外圈与N带轮(106)套接；在A伺服电机(2A)的驱动下，由A带轮(24A)、A同步带(22A)、E带轮(24E)、A传动轴(21A)、I带轮(101)、E同步带(151)和M带轮(105)的运动传递关系，使得第一关节轴(11-5)转动；进而使A躯干板(11-3)在脊椎线上摆动；

第二关节支架(12)包括有C支撑肋(12-1)、D支撑肋(12-2)、B躯干板(12-3)、第二关节轴架(12-4)、第二关节轴(12-5)，以及安装在第二关节轴(12-50)上的轴承；所述轴承在第二关节轴(12-5)上从上至下分布为N轴承(12-51)、O轴承(12-52)、P轴承(12-53)和Q轴承(12-54)；B角度传感器(122)安装在第二关节轴(12-5)的顶部；C支撑肋(12-1)的收敛端上设有M通孔(12-11)，该M通孔(12-11)内安装有R轴承(13-51)；D支撑肋(12-2)的收敛端上设有N通孔(12-21)，该N通孔(12-21)内安装有T轴承(13-53)；B躯干板(12-3)的中部开有空腔(12-31)，该空腔(12-31)用于放置第二关节轴架(12-4)；第二关节轴架(12-4)的上框梁(12-41)的中心设有O通孔(12-43)，第二关节轴架(12-4)的下框梁(12-42)的中心设有P通孔(12-44)；第二关节轴(12-5)的一端安装上B角度传感器(122)后，第二关节轴(12-5)的另一端顺次穿过N轴承(12-51)、S带轮(111)、O轴承(12-52)、P轴承(12-53)和Q轴承(12-54)；O轴承(12-52)的外圈与R带轮(110套接)，P轴承(12-53)的外圈与Q带轮(109)套接；在D伺服电机(2D)的驱动下，由D带轮(24D)、D同步带(22D)、H带轮(24H)、D传动轴(21D)、L带轮(104)、H同步带(154)、P带轮(108)、K同步带(157)和S带轮(111)的运动传递关系，使得第二关节轴(12-5)转动；进而使B躯干板(12-3)在脊椎线上摆动；

第三关节支架(13)包括有E支撑肋(13-1)、F支撑肋(13-2)、C躯干板(13-3)、第三关节轴架(13-4)、第三关节轴(13-5)，以及安装在第三关节轴(13-5)上的轴承；所述轴承在第三关节轴(13-5)上从上至下分布为R轴承(13-51)、S轴承(13-52)和T轴承(13-53)；C角度传感器(123)安装在第三关节轴(13-5)的顶部；E支撑肋(13-1)的收敛端上设有Q通孔(13-11)，该Q通孔(13-11)内安装有U轴承(14-51)；F支撑肋(13-2)的收敛端上设有R通孔(13-21)，该R通孔(13-21)内安装有V轴承(14-52)；C躯干板(13-3)的中部开有空腔(13-31)，该空腔(13-31)用于放置第三关节轴架(13-4)；第三关节轴架(13-4)的上框梁(13-41)的中心设有S通孔(13-43)，第三关节轴架(13-4)的下框梁(13-42)的中心设有T通孔(13-44)；第三关节轴(13-5)的一端安装上C角度传感器(123)后，第三关节轴(13-5)的另一端顺次穿过R轴承(13-51)、S轴承(13-52)、T带轮(112)和T轴承(13-53)；S轴承(13-52)的外圈与U带轮(113)套接；在B伺服电机(2B)的驱动下，由B带轮(24B)、B同步带(22B)、F带轮(24F)、B传动轴(21B)、J带轮(102)、F同步带(152)、N带轮(106)、I同步带(155)、Q带轮(109)、L同步带(158)、T带轮(112)、N同步带(160)和V带轮(114)的运动传递关系，使得第三关节轴(13-5)转动；进而使C躯干板(13-3)在脊椎线上摆动；

第四关节支架(14)包括有尾鳍接头(14-4)、第四关节轴(14-5)，以及安装在第四关节轴(14-5)上的轴承；所述轴承在第四关节轴(14-5)上从上至下分布为U轴承(14-51)和V轴承(14-52)；D角度传感器(124)安装在第四关节轴(14-5)的顶部；尾鳍接头(14-4)的后端开有卡槽(14-45)，该卡槽(14-45)内安装有尾鳍(7)的前端(71)；尾鳍(7)与尾鳍接头(14-4)安装是通过螺钉穿过尾鳍接头(14-4)上的螺纹孔(14-46)和尾鳍(7)上的螺纹孔(72)后实现；尾鳍接头(14-4)的前端设有G支撑肋(14-41)、H支撑肋(14-42)；G支撑肋(14-41)的端部设有U通孔(14-43)，U通孔(14-43)内安装有U轴承(14-51)；H支撑肋(14-42)的端部设有V通孔(14-44)，V通孔(14-44)内安装有V轴承(14-52)；第四关节轴(14-5)的一端安装上D角度传感器(124)后，第四关节轴(14-5)的另一端顺次穿过U轴承(14-51)、V带轮(114)和V轴承(14-52)；在C伺服电机(2C)的驱动下，由C带轮(24C)、C同步带(22C)、G带轮(24G)、C传动轴(21C)、K带轮(103)、G同步带(153)、O带轮(107)、J同步带(156)、R带轮(110)、M同步带(159)和U带轮(113)的运动传递关系，使得第四关节轴(14-5)转动；进而使尾鳍接头(14-4)随动；尾鳍接头(14-4)的随动最终使得仿生鱼体(1)的尾鳍(7)在脊椎线上摆动；

所述传动轴支架(15)包括有鱼头架(15-9)、I支撑肋(15-5)、J支撑肋(15-7)；I支撑肋(15-5)的一端和J支撑肋(15-7)的一端安装在鱼头架(15-9)的后端的侧板面上；I支撑肋(15-5)与J支撑肋(15-7)的结构相同；I支撑肋(15-5)通过I轴承(11-51)连接在第一关节轴(11-5)的上端，J支撑肋(15-7)通过M轴承(11-55)连接在第一关节轴(11-5)的下端；I支撑肋(15-5)上设有W通孔(15-6)，该W通孔(15-6)内安装有I轴承(11-51)；J支撑肋(15-7)上设有X通孔(15-8)，该X通孔(15-8)内安装有M轴承(11-55)；鱼头架(15-9)的底板(15-95)上设有E轴承孔(15-91)、F轴承孔(15-92)、G轴承孔(15-93)和H轴承孔(15-94)，E轴承孔(15-91)内安装有E轴承(15-1)，F轴承孔(15-92)内安装有F轴承(15-2)，G轴承孔(15-93)内安装有G轴承(15-3)，H轴承孔(15-94)内安装有H轴承(15-4)，E轴承(15-1)套接在A传动轴(2A)的另一端上，F轴承(15-2)套接在B传动轴(2B)的另一端上，G轴承(15-3)套接在C传动轴(2C)的另一端上，H轴承(15-4)套接在D传动轴(2D)的另一端上；

电机驱动组件(2)包括有四个伺服电机、四根传动轴、四根同步带、八个压力调节件和八个带轮；所述四个伺服电机是指A伺服电机(2A)、B伺服电机(2B)、C伺服电机(2C)和D伺服电机(2D)；所述四根传动轴是指A传动轴(21A)、B传动轴(21B)、C传动轴(21C)和D传动轴(21D)；所述四根同步带是指A同步带(22A)、B同步带(22B)、C同步带(22C)和D同步带(22D)；所述八个压力调节件是指A压力调节件(23A)、B压力调节件、C压力调节件(23C)、D压力调节件(23D)、E压力调节件(23E)、F压力调节件(23F)、G压力调节件(23G)和H压力调节件(23H)；所述八个带轮是指A带轮(24A)、B带轮(24B)、C带轮(24C)、D带轮(24D)、E带轮(24E)、F带轮(24F)、G带轮(24G)和H带轮(24H)；A伺服电机(2A)的机壳安装在基座(3)的上板面(3A)上，且A伺服电机(2A)的输出轴穿过基座(3)上的A通孔、A支架上的E通孔(314)后套接有A带轮(24A)；A带轮(24A)上套接有A同步带(22A)，A同步带(22A)的另一端上套接有E带轮(24E)，E带轮(24E)安装在A传动轴(21A)一端上；A同步带(22A)的两个外侧分别与A压力调节件(23A)、B压力调节件(23B)接触；B伺服电机(2B)的机壳安装在基座(3)的上板面(3A)上，且B伺服电机(2B)的输出轴穿过基座(3)上的B通孔、B支架上的F通孔(324)后套接有B带轮(24B)；B带轮(24B)上套接有B同步带(22B)，B同步带(22B)的另一端上套接有F带轮(24F)，F带轮(24F)安装在B传动轴(21B)一端上；B同步带(22B)的两个外侧分别与C压力调节件(23C)、D压力调节件(23D)接触；C伺服电机(2C)的机壳安装在基座(3)的上板面(3A)上，且C伺服电机(2C)的输出轴穿过基座(3)上的C通孔、C支架上的G通孔(334)后套接有C带轮(24C)；C带轮(24C)上套接有C同步带(22C)，C同步带(22C)的另一端上套接有G带轮(24G)，G带轮(24G)安装在C传动轴(21C)一端上；C同步带(22C)的两个外侧分别与E压力调节件(23E)、F压力调节件(23F)接触；D伺服电机(2D)的机壳安装在基座(3)的上板面(3A)上，且D伺服电机(2D)的输出轴穿过基座(3)上的D通孔、D支架上的H通孔(344)后套接有D带轮(24D)；D带轮(24D)上套接有D同步带(22D)，D同步带(22D)的另一端上套接有H带轮(24H)，H带轮(24H)安装在D传动轴(21D)一端上；D同步带(22D)的两个外侧分别与G压力调节件(23G)、H压力调节件(23H)接触；

基座(3)上设有用于供伺服电机输出轴通过的A通孔、B通孔、C通孔和D通孔，A通孔用于A伺服电机(2A)的输出轴通过，B通孔用于B伺服电机(2B)的输出轴通过，C通孔用于C伺服电机(2C)的输出轴通过，D通孔用于D伺服电机(2D)的输出轴通过；基座(3)的下板面(3B)上安装有四个结构相同的用于安装压力调节件的A支架(31)、B支架(32)、C支架(33)、D支架(34)和E支架(35)；A支架(31)的A电机座(311)上设有E通孔(314)，该E通孔(314)用于A伺服电机(2A)的输出轴穿过；所述A电机座(311)的A支臂(315)上安装有A传感器座(312)，A传感器座(312)用于安装A压力调节件(23A)；所述A电机座(311)的B支臂(316)上安装有B传感器座(313)，B传感器座(313)用于安装B压力调节件；B支架(32)的B电机座(321)上设有F通孔(324)，该F通孔(324)用于B伺服电机(2B)的输出轴穿过；所述B电机座(321)的C支臂(325)上安装有C传感器座(322)，B传感器座(322)用于安装C压力调节件(23C)；所述B电机座(321)的D支臂(326)上安装有D传感器座(323)，D传感器座(323)用于安装D压力调节件(23D)；C支架(33)的C电机座(331)上设有G通孔(334)，该G通孔(334)用于C伺服电机(2C)的输出轴穿过；所述C电机座(331)的E支臂(335)上安装有E传感器座(332)，E传感器座(332)用于安装E压力调节件(23E)；所述C电机座(331)的F支臂(336)上安装有F传感器座(333)，F传感器座(333)用于安装F压力调节件(23F)；D支架(34)的D电机座(331)上设有H通孔(344)，该H通孔(344)用于D伺服电机(2D)的输出轴穿过；所述D电机座(341)的G支臂(345)上安装有G传感器座(342)，G传感器座(342)用于安装G压力调节件(23G)；所述D电机座(341)的H支臂(346)上安装有H传感器座(343)，H传感器座(343)用于安装H压力调节件(23H)；E支架(35)的底板(355)上设有供安装轴承的A轴承孔(355A)、B轴承孔(355B)、C轴承孔(355C)和D轴承孔(355D)，A轴承孔(355A)内安装有A轴承(351)，B轴承孔(355B)内安装有B轴承(352)，C轴承孔(355C)内安装有C轴承(353)，D轴承孔(355D)内安装有D轴承(354)；A轴承(351A)套接在传动轴(21A)的上端；B轴承(352)套接在B传动轴(21B)的上端；C轴承(353)套接在C传动轴(21C)的上端；D轴承(354)套接在D传动轴(21D)的上端；

防水套筒(5)是由A半套管(51)与B半套管(52)经对接后形成；仿生鱼头(6)是由A半鱼头(62)与B半鱼头(62)经对接后形成，且对接后的鱼头尾部形成一个空腔(6A)，该空腔(6A)用于放置所述传动轴支架(15)；

电机驱动组件与带-轮传动组件的同步带串联周转轮系传动方式为：

A伺服电机(2A)输出的运动顺次经A带轮(24A)、A同步带(22A)、E带轮(24E)、A传动轴(21A)、I带轮(101)、E同步带(151)和M带轮(105)后传递至第一关节轴(11-5)上；所述第一关节轴(11-5)在A伺服电机(2A)的驱动下，进而实现了A躯干板(11-3)在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动；

B伺服电机(2B)输出的运动顺次经B带轮(24B)、B同步带(22B)、F带轮(24F)、B传动轴(21B)、J带轮(102)、F同步带(152)、N带轮(106)、I同步带(155)、Q带轮(109)、L同步带(158)和T带轮(112)后传递至第三关节轴(13-5)上；所述第三关节轴(13-5)在B伺服电机(2B)的驱动下，进而实现了C躯干板(13-3)在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动；

C伺服电机(2C)输出的运动顺次经C带轮(24C)、C同步带(22C)、G带轮(24G)、C传动轴(21C)、K带轮(103)、G同步带(153)、O带轮(107)、J同步带(156)、R带轮(110)、M同步带(159)、U带轮(113)、N同步带(160)和V带轮(114)后传递至第四关节轴(14-5)上；所述第四关节轴(14-5)在C伺服电机(2C)的驱动下，进而实现了第四关节支架(14)在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动；

D伺服电机(2D)输出的运动顺次经D带轮(24D)、D同步带(22D)、H带轮(24H)、D传动轴(21D)、L带轮(104)、H同步带(154)、P带轮(108)、K同步带(157)和S带轮(111)后传递至第二关节轴(12-5)上；所述第二关节轴(12-5)在D伺服电机(2D)的驱动下，进而实现了B躯干板(12-3)在仿鱼机器人的脊椎线上的摆动。

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