CN103879534B - 具有独立环状尾部支撑的机器鱼及其浮潜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有独立环状尾部支撑的机器鱼及其浮潜方法，具有独立环状尾部支撑的机器鱼包括头部、中间支撑板、尾部、胸鳍、尾鳍，头部包括左头壳、右头壳、梯形隔板、胸鳍舵机支座、胸鳍舵机、平面双摇杆机构、胸鳍轴、胸鳍轴支撑件、电池、电路板，尾部包括环状尾部支撑、鱼皮、第一关节、第二关节、第三关节、第一联动盘、第二联动盘、舵机固定件、尾鳍夹，所述的尾鳍包括尾鳍片、尾鳍插件，胸鳍包括左胸鳍片、右胸鳍片。本发明的机器鱼外形美观精致、生动逼真，其游动和转弯时能保持合理的形态，本发明的独立环状尾部支撑具有良好顺应性，成本低廉，可单独拆卸，并且能很好的保持机器鱼在水下游动的形态。

Description

具有独立环状尾部支撑的机器鱼及其浮潜方法

技术领域

本发明涉及仿生机器鱼技术领域，尤其涉及一种具有独立环状尾部支撑的机器鱼及其浮潜方法。

背景技术

机器鱼的发展体现了人类对海洋资源的开发日益重视，机器鱼的研究需结合仿生学，机械设计，材料科学，控制技术等多项学科。环境领域，军事领域，生物科学领域无不体现了机器鱼研究的广阔前景，机器鱼自上世纪90年代以来，逐渐成为了机器人领域又一研究热点。

1994年麻省理工大学研制出了世界上第一条机器鱼RoboTuna，其长1.2米，含40根肋骨，6个直流电机，全身零件多达2843个，结构复杂，耗时3年研制完成。自此之后，国内外研究者们陆续研制出了形形色色的机器鱼，以身体-尾鳍为主的游动方式（BCF）为例，具有代表性的还有ESSEX大学胡豁生团队的G系列机器鱼，是迄今为止最像鱼的机器鱼，精密的加工工艺和先进的控制策略是其成功的保证；Glasgow大学的ChristopherMarkWatts在研究仿鱼推进性能的优越性的基础上研制出了靠一个电机牵动两根腱绳从而实现摆动的机器鱼，内含3个防水腔,身体外层由玻璃纤维包裹；麻省理工大学BrendenP.Epps等人用一整块融化的聚合材料浇筑制成了一款全身柔软的机器鱼，避免了内部零件被水破坏的可能；中国科学院自动化研究所曹志强等人研制出了一种两关节，尾部带支撑框的机器鱼，每个支撑框都固结在尾鳍框架上；北京大学的谢广明团队研制出的一种多关节机器鱼，鱼身狭长，尾部没有支撑框，鱼皮用橡胶制成水管状，靠充气保持尾部形状及调整平衡。

在已经研制成功的靠身体---尾鳍驱动（BCF）的机器鱼实物中，能在游动时保持流畅优美的曲线，并且在水下身体不会因水压而变形从而影响平衡，均体现了复杂的机械设计，或高成本的加工工艺，或先进的材料，这些都会提高实验室制造机器鱼的时间及金钱成本，若是达不到以上要求，则会一定程度上限制机器鱼仿鱼的真实性，约束实验室对仿鱼类推进研究的可靠性。

发明内容

针对现有的以上问题，本发明的目的是尽可能用简单的机械结构及低成本的材料，结合恰当的控制策略，提供一种摆动顺应性良好的具有独立环状尾部支撑的机器鱼及其浮潜方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

具有独立环状尾部支撑的机器鱼包括头部、中间支撑板、尾部、胸鳍、尾鳍，所述的头部包括左头壳、右头壳、梯形隔板、胸鳍舵机支座、胸鳍舵机、平面双摇杆机构、胸鳍轴、胸鳍轴支撑件、电池、电路板，所述的尾部包括环状尾部支撑、鱼皮、第一关节、第二关节、第三关节、第一联动盘、第二联动盘、舵机固定件、尾鳍夹，所述的尾鳍包括尾鳍片、尾鳍插件，所述的胸鳍包括左胸鳍片、右胸鳍片，所述的中间支撑板的一面上设有前环形凸台，中间支撑板的另一面上设有后环形凸台，所述的左头壳和右头壳组成头部外壳，头部外壳固定在前环形凸台的外环面上，头部外壳内部中空形成头腔，梯形隔板设在头腔中部将头腔分成上下两部分，梯形隔板一端固定在中间支撑板的一面上，梯形隔板下方固定有胸鳍舵机支座，胸鳍舵机支座上固定有胸鳍舵机，胸鳍舵机的输出轴与平面双摇杆机构的主动摇杆相连，平面双摇杆机构的从动摇杆与胸鳍轴相连，胸鳍轴支撑件固定在中间支撑板的一面上，胸鳍轴支撑件上设有轴孔，胸鳍轴穿过轴孔，胸鳍轴两端分别穿出左头壳、右头壳，胸鳍轴左端与左胸鳍片相连，胸鳍轴右端与右胸鳍片相连，梯形隔板上固定有电池、电路板；

所述的第一关节、第二关节、第三关节均包括一个舵机座、一个舵机、一个U形连接件，舵机固定在舵机座上，U形连接件的一头与舵机相连，U形连接件的另一头与舵机座相连，第一关节与第二关节之间设有第一联动盘，第二关节与第三关节之间设有第二联动盘，第一关节的U形连接件、第二关节的舵机座通过第一联动盘相连，第二关节的U形连接件、第三关节的舵机座通过第二联动盘相连，舵机固定件固定在中间支撑板的另一面上，舵机固定件与第一关节的舵机座相连，第三关节的U形连接件与尾鳍夹相连，尾鳍夹与尾鳍插件相连，尾鳍片插在尾鳍插件上；

所述的环状尾部支撑包括第一支撑环、上下对称的流线型弹簧钢片、多个中间支撑环，第一支撑环和中间支撑环的内部开有上下对称的槽孔，流线型弹簧钢片穿过第一支撑环和中间支撑环上的槽孔并与每个支撑环固结，每个支撑环间隔均匀，鱼皮包裹在环状尾部支撑的外面，第一支撑环固定在中间支撑板的后环形凸台的外环面上。

所述的电路板包括微控制器、通讯模块、存储模块，微控制器通过PWM分别与胸鳍舵机、第一关节上的舵机、第二关节上的舵机、第三关节上的舵机连接，微控制器与通讯模块通过串口连接，实现与上位机的通讯；微控制器与存储模块通过SPI连接。

所述的左头壳、右头壳的材料为尼龙。

所述的第一支撑环、中间支撑环、第一联动盘、第二联动盘、通过3D打印技术制成，材料为PLA，所述的流线型弹簧钢片通过线切割加工而成，材料为65Mn不淬火弹簧钢，厚度是0.3mm。

所述的尾鳍片、左胸鳍片、右胸鳍片的材料为橡胶。

具有独立环状尾部支撑的机器鱼的浮潜方法是：微控制器控制胸鳍舵机转动，胸鳍舵机的输出轴驱动平面双摇杆机构的主动摇杆，平面双摇杆机构的被动摇杆带动胸鳍轴转动，胸鳍轴的转动改变左胸鳍片、右胸鳍片的攻角，在游动过程中水对左胸鳍片，右胸鳍片的反作用力的方向也会改变，从而实现机器鱼的上浮下潜。

本发明具有的有益效果是：本发明的机器鱼外形美观精致、生动逼真，机器鱼尾巴摆动时能保持合理的形态；本发明应用模块化结构，便于组装和拆卸，以及零部件的更换；本发明的机器鱼具有一种独立的环状尾部支撑，构思巧妙，成本低廉，可单独拆卸，不仅具有良好的摆动顺应性，而且能很好的保持机器鱼在水下游动的形态；本发明的尾鳍片不易脱落，且易于拆卸，可更换不同的尾鳍片，便于实验室对具有不同尾鳍形状及尾鳍硬度的机器鱼游动效率的研究。

附图说明

图1为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的外部结构示意图；

图2为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的完全组装示意图；

图3为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的头腔内部结构示意图；

图4为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的尾部结构示意图；

图5为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的独立环状尾部支撑的正式图；

图6为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的独立环状尾部支撑的俯视图；

图7为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的独立环状尾部支撑的结构示意图；

图8为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的中间支撑板的正视图；

图9为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的中间支撑板的侧视图；

图10为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的第一支撑环的正视图；

图11为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的第一支撑环的侧视图；

图12为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的中间支撑环的正视图；

图13为具有独立环状尾部支撑的机器鱼的中间支撑环的侧视图；

图中，中间支撑板1，左头壳2，右头壳3，梯形隔板4，胸鳍舵机支座5，胸鳍舵机6，平面双摇杆机构7，胸鳍轴8、胸鳍轴支撑件9、流线型弹簧钢片10、中间支撑环11、鱼皮12、第一联动盘13、第二联动盘14、舵机固定件15、尾鳍夹16，尾鳍片17、尾鳍插件18，左胸鳍片19、右胸鳍片20，舵机座21、舵机22、U形连接件23，第一支撑环24、电池25、电路板26。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例

如图1至图13所示，具有独立环状尾部支撑的机器鱼，包括头部、中间支撑板1、尾部、胸鳍、尾鳍，所述的头部包括左头壳2、右头壳3、梯形隔板4、胸鳍舵机支座5、胸鳍舵机6、平面双摇杆机构7、胸鳍轴8、胸鳍轴支撑件9、电池25、电路板26，所述的尾部包括环状尾部支撑、鱼皮12、第一关节、第二关节、第三关节、第一联动盘13、第二联动盘14、舵机固定件15、尾鳍夹16，所述的尾鳍包括尾鳍片17、尾鳍插件18，所述的胸鳍包括左胸鳍片19、右胸鳍片20，所述的中间支撑板1的一面上设有前环形凸台，中间支撑板1的另一面上设有后环形凸台，前、后环形凸台的外环面上均设有密封槽，所述的左头壳2和右头壳3的外面边缘处分别设有沉孔，左头壳2、右头壳3通过10个螺钉和垫片压紧形成头部外壳，安装在前环形凸台的外环面上，用O型圈密封，头部外壳内部中空形成头腔，梯形隔板4设在头腔中部将头腔分成上下两部分，梯形隔板4一端由4个螺钉固定在中间支撑板1的一面上，胸鳍舵机支座5由2个螺钉固定在梯形隔板4下方，胸鳍舵机6由2个螺钉固定在胸鳍舵机支座5上，胸鳍舵机6的输出轴插入平面双摇杆机构7的主动摇杆的带齿孔中，胸鳍轴8的一处开有径向孔，平面双摇杆机构7的从动摇杆末端开有轴向孔，从动摇杆通过沿胸鳍轴8径向的螺钉与胸鳍轴8固定，胸鳍轴支撑件9由螺钉固定在中间支撑板1的一面上，左头壳2、右头壳3的两侧各设有轴承孔，轴承孔上装有轴承，胸鳍轴穿过胸鳍轴支撑件9的轴孔，两端分别穿出左头壳2、右头壳3，靠轴承端盖、O型圈、黄油密封，左胸鳍片19、右胸鳍片20固定在胸鳍轴8的两端，电池25通过胶带固定在梯形隔板4上，电路板26由四个塑料柱支撑设于电池25上方，塑料柱通过螺钉固定在梯形隔板4上；

所述的第一关节、第二关节、第三关节均包括一个舵机座21、一个舵机22、一个U形连接件23，舵机22固定在舵机座21上，U形连接件23的一头通过舵盘、螺钉，与舵机22输出轴相连，舵机22输出轴为U型连接件23的主动转轴，U形连接件23的另一头开有通孔，比通孔直径略小的螺钉部分拧入舵机座21，该螺钉为U型连接件23的被动转轴，第一关节与第二关节之间设有第一联动盘13，第二关节与第三关节之间设有第二联动盘14，第一关节的U形连接件、第一联动盘13、第二关节的舵机座由螺钉相连，第二关节的U形连接件、第二联动盘14、第三关节的舵机座由螺钉相连，舵机固定件15由螺钉固定在中间支撑板1的另一面上，第一关节的舵机座由螺钉固定在舵机固定件15上，靠缠在舵机座上的胶带压紧保护，第三关节的U形连接件与尾鳍夹16由螺钉相连，尾鳍夹16与尾鳍插件18由螺钉相连，尾鳍片17设有插孔，尾鳍片17插在尾鳍插件18上，用螺钉固定。

所述的环状尾部支撑包括第一支撑环24、上下对称的流线型弹簧钢片10、多个中间支撑环11，第一支撑环24和中间支撑环11的内部开有上下对称的槽孔，流线型弹簧钢片10穿过第一支撑环24和中间支撑环11上的槽孔并与每个支撑环固结，使支撑环间隔均匀，用细铁丝依次穿过联动盘的侧孔、联动盘附近的支撑环的侧孔，并将细铁丝两端打结，可使环状尾部支撑更好地跟随关节的运动，第一支撑环固定在中间支撑板的后环形凸台的外环面上，鱼皮包裹在环状尾部支撑上，并用密封胶密封。

所述的电路板包括微控制器、通讯模块、存储模块，微控制器通过PWM分别与胸鳍舵机、第一关节上的舵机、第二关节上的舵机、第三关节上的舵机连接，微控制器与通讯模块通过串口连接，实现与上位机的通讯；微控制器与存储模块通过SPI连接，保存实验过程的必要数据，电池为电路板供电；微控制器使用Freescale的16位单片机MC9S12XS128，通讯模块由射频芯片NRF2401组成，存储模块使用Flash芯片AT45DB321D。胸鳍舵机、每个关节舵机使用Futaba舵机S9402或S3102。

所述的左头壳2、右头壳3的材料可以为尼龙。

所述的第一支撑环24、中间支撑环11、第一联动盘13、第二联动盘14通过3D打印技术制成，材料为PLA，所述的流线型弹簧钢片10通过线切割加工而成，材料为65Mn不淬火弹簧钢，厚度是0.3mm。

所述的尾鳍片17、左胸鳍片19、右胸鳍片20的材料为橡胶。

本发明具有独立环状尾部支撑的机器鱼的浮潜方法是：微控制器控制胸鳍舵机6转动，胸鳍舵机6的输出轴驱动平面双摇杆机构7的主动摇杆，平面双摇杆机构7的被动摇杆带动胸鳍轴8转动，胸鳍轴8的转动改变左胸鳍片19、右胸鳍片20的攻角，在游动过程中水对左胸鳍片19、右胸鳍片20的反作用力的方向也会改变，从而实现机器鱼的上浮下潜。

本发明具有独立环状尾部支撑的机器鱼的游动方法是：微控制器分别控制三个关节的舵机转动，通过将鱼尾摆动的曲线拟合成理论上鱼游动的体波曲线，实现鱼的前进游动；

本发明的转弯方法是：在机器鱼向前游动的基础上，给关节舵机加合适的偏置角，使鱼尾摆动曲线的对称线向左偏移，实现机器鱼左转弯，使鱼尾摆动曲线的对称线向右偏移，实现机器鱼右转弯。

Claims (6)

1.一种具有独立环状尾部支撑的机器鱼，包括头部、尾部、胸鳍、尾鳍，其特征在于还包括中间支撑板(1)，所述的头部包括左头壳（2）、右头壳（3）、梯形隔板(4)、胸鳍舵机支座（5）、胸鳍舵机（6）、平面双摇杆机构（7）、胸鳍轴（8）、胸鳍轴支撑件（9）、电池（25）、电路板（26），所述的尾部包括环状尾部支撑、鱼皮（12）、第一关节、第二关节、第三关节、第一联动盘（13）、第二联动盘（14）、舵机固定件（15）、尾鳍夹（16），所述的尾鳍包括尾鳍片（17）、尾鳍插件（18），所述的胸鳍包括左胸鳍片（19）、右胸鳍片（20），所述的中间支撑板（1）的一面上设有前环形凸台，中间支撑板（1）的另一面上设有后环形凸台，所述的左头壳（2）和右头壳（3）组成头部外壳，头部外壳固定在前环形凸台的外环面上，头部外壳内部中空形成头腔，梯形隔板（4）设在头腔中部将头腔分成上下两部分，梯形隔板（4）一端固定在中间支撑板（1）的一面上，梯形隔板（4）下方固定有胸鳍舵机支座（5），胸鳍舵机支座（5）上固定有胸鳍舵机（6），胸鳍舵机（6）的输出轴与平面双摇杆机构（7）的主动摇杆相连，平面双摇杆机构（7）的从动摇杆与胸鳍轴（8）相连，胸鳍轴支撑件（9）固定在中间支撑板（1）的一面上，胸鳍轴支撑件（9）上设有轴孔，胸鳍轴（8）穿过轴孔，胸鳍轴（8）两端分别穿出左头壳（2）、右头壳（3），胸鳍轴（8）左端与左胸鳍片（19）相连，右端与右胸鳍片（20）相连，梯形隔板(4)上固定有电池(25)、电路板(26)；

所述的第一关节、第二关节、第三关节均包括一个舵机座（21）、一个舵机（22）、一个U形连接件（23），舵机（22）固定在舵机座（21）上，U形连接件（23）的一头与舵机（22）相连，U形连接件（23）的另一头与舵机座（21）相连，第一关节与第二关节之间设有第一联动盘（13），第二关节与第三关节之间设有第二联动盘（14），第一关节的U形连接件、第二关节的舵机座通过第一联动盘（13）相连，第二关节的U形连接件、第三关节的舵机座通过第二联动盘（14）相连，舵机固定件（15）固定在中间支撑板（1）的另一面上，舵机固定件（15）与第一关节的舵机座相连，第三关节的U形连接件与尾鳍夹（16）相连，尾鳍夹（16）与尾鳍插件（18）相连，尾鳍片（17）插在尾鳍插件（18）上；

所述的环状尾部支撑包括第一支撑环（24）、上下对称的流线型弹簧钢片（10）、多个中间支撑环（11），第一支撑环（24）和中间支撑环（11）的内部开有上下对称的槽孔，流线型弹簧钢片（10）穿过第一支撑环（24）和中间支撑环（11）上的槽孔并与每个支撑环固结，鱼皮（12）包裹在环状尾部支撑上，第一支撑环（24）固定在中间支撑板（1）的后环形凸台的外环面上。

2.根据权利要求1所述的具有独立环状尾部支撑的机器鱼，其特征在于所述的电路板包括微控制器、通讯模块、存储模块，微控制器通过PWM分别与胸鳍舵机、第一关节上的舵机、第二关节上的舵机、第三关节上的舵机连接，微控制器与通讯模块通过串口连接，实现与上位机的通讯；微控制器与存储模块通过SPI连接。

3.根据权利要求1所述的具有独立环状尾部支撑的机器鱼，其特征在于所述的左头壳（2）、右头壳（3）的材料为尼龙。

4.根据权利要求1所述的具有独立环状尾部支撑的机器鱼，其特征在于所述的第一支撑环（24）、中间支撑环（11）、第一联动盘（13）、第二联动盘（14）通过3D打印技术制成，材料为PLA，所述的流线型弹簧钢片（10）通过线切割加工而成，材料为65Mn不淬火弹簧钢，厚度是0.3mm。

5.根据权利要求1所述的具有独立环状尾部支撑的机器鱼，其特征在于所述的尾鳍片（17）、左胸鳍片（19）、右胸鳍片（20）的材料为橡胶。

6.一种如权利要求1所述的机器鱼的浮潜方法，其特征在于：微控制器控制胸鳍舵机（6）转动，胸鳍舵机（6）的输出轴驱动平面双摇杆机构（7）的主动摇杆，平面双摇杆机构（7）的被动摇杆带动胸鳍轴（8）转动，胸鳍轴（8）的转动改变左胸鳍片（19）、右胸鳍片（20）的攻角，在游动过程中水对左胸鳍片（19），右胸鳍片（20）的反作用力的方向也会改变，从而实现机器鱼的上浮下潜。