CN106005337B - 一种单电机驱动的两关节机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单电机驱动的两关节机器鱼，包括C形铝制头部、控制室与推进机构。所述控制室包括：主控板、锂电池组、电机驱动模块、直流电机、无线通讯模块。所述的推进机构包括：第一关节、第二关节、“Z形”连杆、偏心轮、滑槽和尾鳍。本发明通过驱动电机单方向带动偏心轮转动，以及第一关节和第二关节的位置配合关系，实现机器鱼高速游动特性。另外，通过电机不对称快速正反转来实现仿生机器鱼的转向控制。该仿生机器鱼重量轻、体积小、结构设计简洁有利于实现机器鱼的高游速和高机动性。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器鱼技术领域，更具体地涉及一种单电机驱动的两关节机器鱼。
背景技术
随着仿生技术的迅猛发展，作为模仿鱼类游动的机器系统，仿生机器鱼是仿生学与机电学高度发展相结合的产物，表现出非常强的游动性能，具有高机动、低扰动、无污染等优点。随着研究的逐步深入，机器鱼的高速游动性逐渐引起广大研究者的广泛关注。较快的游速对机器鱼快速高效地完成水下作业具有十分重要的意义。
为了深入了解机器鱼的游动机理，提高机器鱼的游速，各国学者做了大量的研究工作。日本电器通讯大学的Jun Shintak等人于2010年成功开发了一款小型机器鱼，实现4.3倍体长/秒的游速和27°/s的转向速度。英国Essex大学于2014年成功研制了多款机器鱼，最高游速可达到11.6倍体长/秒。然而，为了实现高游速的目的，上述研究的机器鱼除了将电机安装在机器鱼的内部外，电池、主控电路板、驱动板、通讯模块等均设置在机器鱼的外部，这种设计严重限制了机器鱼的应用。
另外，机器鱼通过电机驱动尾部进行持续地往复运动来产生主推动力，拍动频率越高，运动速度越快。传统的控制方法是利用电机的正反转来实现鱼尾的摆动动作，这样电机的利用效率低，不利于实现机器鱼的高速游动。
发明内容
有鉴于此，针对上述存在的不足，本发明的主要目的是提供一种可实现高速游动的仿生机器鱼。
为实现上述目的，本发明提出了一种单电机驱动的两关节仿生机器鱼，所述机器鱼包括：
头部；控制室，包括主控板和电机；所述电机在主控板的控制下转动；
推进机构，包括：第一关节、第二关节、偏心轮、滑槽、偏心轴和尾鳍；
其中，偏心轮的一端与所述电机的输出轴固定连接，另一端通过偏心轴与所述滑槽接触；所述滑槽开在第一关节处；第一关节与第二关节可转动连接；所述尾鳍与所述第二关节固定连接；当所述电机转动时，偏心轮向某个方向转动，偏心轴与滑槽接触点产生作用力，从而带动所述的第一关节进行偏转；当第一关节摆动时，带动第二关节运动。
本发明提出的一种单电机驱动的两关节高游速机器鱼，开发了以偏心轮机构为主驱动的新型高游速机器鱼。通过电机的单方向旋转以及第一关节和第二关节的位置配合关系，实现机器鱼高速游动特性。通过电机不对称快速正反转来实现仿生机器鱼的转向控制。该仿生机器鱼重量轻、体积小、结构设计简洁有利于实现机器鱼的高游速和高机动性。
附图说明
图1为本发明中单电机驱动的两关节机器鱼整体结构示意图；
图2为本发明中机器鱼推进机构的结构示意图。
图3为本发明中机器的鱼样机示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
下面通过结合附图对本发明的技术方案作进一步地阐述说明。
本发明的一种单电机驱动的两关节快速游动仿生机器鱼，结构如图1所示，包括：C形铝制头部1，控制室2与推进机构3。其中：C形铝制头部1位于整个机器鱼前端，该结构外形设计简单并且有利于减少机器鱼游动时的阻力。
所述控制室2位于C形铝制头部1的后方，主要包括：主控板4、锂电池组6、电机驱动模块13、直流电机14、无线通讯模块5；所述的主控板4与无线通信模块5、电机驱动模块13相连，所述的电机驱动模块13还与直流电机14相连，无线通信模块5将接收到的控制指令传给主控板4，进而控制电机驱动模块13驱动直流电机14运转。所述的锂电池组6为整个系统供电。
所述的推进机构3位于控制室2的后方，结构如图2所示，主要包括：第一关节7、第二关节10、“Z形”连杆11、偏心轮12、滑槽8、偏心轴15和尾鳍9。其中，所述第一关节7位于控制室2后方，所述偏心轮12一端与所述电机14的输出轴固定连接，另一端通过偏心轴15与所述滑槽8接触，所述滑槽8开在第一关节7处，当所述电机14转动时，偏心轮12向某个方向转动，偏心轴15与滑槽8接触点产生作用力，从而带动所述的第一关节7进行偏转，当所述第一关节7摆动到最大幅度时，偏心轴15与滑槽8的另一端接触，开始驱动第一关节7反向摆动到水平位置。当所述电机14带动所述偏心轮12转动一圈后，所述第一关节7正好完成一个周期的摆动。所述偏心轮12上带有很多小孔，方便调节所述第一关节7的摆动幅度，当选择离偏心轮圆心较远的圆孔时，第一关节7的摆动幅度就会相应的增加。所述的尾鳍9与所述第二关节10固定连接。所述的第二关节10采用被动驱动的方式通过所述的“Z形”连杆11与所述第一关节7连接，所述的“Z形”连杆11一端与第一关节7连接，另一端与第二关节10连接。这种连杆的设计使的机器鱼的结构得到简化，减少了在水中游动时的阻力。当所述第一关节7摆动时，连杆位置发生变化带动第二关节10进行运动，同时第二关节10与第一关节7之间产生一个关节角，随着连杆位置的变化，关节角在时刻发生变化，进而驱使机器鱼的第一关节7、第二关节10产生类似鱼体波的游动姿态。此时，当所述直流电机14单方向持续旋转时就能实现机器鱼持续的往复摆动，并且通过改变所述直流电机14的转速来调节机器鱼摆动频率。
当仿生机器鱼要实现转向时，首先所述直流电机14朝一个方向旋转一段时间，然后向反方向转动相同的时间，并且这一时间非常短暂。所述电机14在往返转动过程中，会驱动偏心轮12进行连续的正反转，从而带动所述第一关节7、所述第二关节10、所述尾鳍9不断地从水平位置摆动一个角度后又回到水平位置。实现仿生机器鱼的转弯功能。整个电机驱动部分的机械结构设计比较简单，因此机械传动的阻力也非常小。
在一实施例中，通过电机不对称正反转实现机器鱼的转向控制。所述电机不对称正反转是指：首先电机以第一速度正向转动，驱使机器鱼以相应的速度往一个方向摆动，之后电机以第二速度反向转动，所述第二速度小于第一速度；目的是使机器鱼的鱼体保持弯曲状态，并慢慢恢复到水平状态。所述机器鱼的转弯幅度与以下两个因素有关：第一与电机的正反转频率；如果正向转动的第一速度越大，反向回转的第二速度越小，则机器鱼的转弯幅度越大；第二与偏心轮有关，偏心轮上带有多个小孔，可以方便调节第一关节的摆动幅度，当选择离偏心轮圆心较远的圆孔时，第一关节的摆动幅度就会相应的增加，进而使得机器鱼的转弯幅度增加。
图3为根据本发明上述技术方案制作的仿生机器鱼样机。如图3所示，其尺寸(长×宽×高)为411mm×30mm×120mm，总重量约为1.8kg。测试中，该仿生机器鱼依靠电机的单方向旋转以及第一关节和第二关节的位置配合关系实现其高速游动性，最高游速为1.28m/s，对应3.1倍体长/秒。通过电机不对称正反转来实现仿生机器鱼的转向控制，最高转向角速度为92°/s。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单电机驱动的两关节机器鱼，其特征在于，包括：
头部；控制室，包括主控板和电机；所述电机在主控板的控制下转动；
推进机构，包括：第一关节、第二关节、偏心轮、滑槽、偏心轴和尾鳍；
其中，偏心轮的一端与所述电机的输出轴固定连接，另一端通过偏心轴与所述滑槽接触；所述滑槽开在第一关节处；第一关节与第二关节可转动连接；所述尾鳍与所述第二关节固定连接；当所述电机转动时，偏心轮向某个方向转动，偏心轴与滑槽接触点产生作用力，从而带动所述的第一关节进行偏转；当第一关节摆动时，带动第二关节运动；
所述推进机构还包括：Z形连杆，所述的第二关节采用被动驱动的方式通过所述的Z形连杆与所述第一关节连接，所述的Z形连杆一端与第一关节连接，另一端与第二关节连接；当第一关节摆动时，Z形连杆位置发生变化以带动第二关节进行运动，同时第二关节与第一关节之间产生一个关节角，随着Z形连杆位置的变化，关节角在时刻发生变化，进而驱使第一关节、第二关节产生类似鱼体波的游动姿态。
2.如权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，所述电机单方向持续旋转，以使机器鱼持续的往复摆动。
3.如权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，所述机器鱼的摆动频率通过所述电机的转速调节。
4.如权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，通过控制所述电机使其往返转动，以实现所述机器鱼的转弯动作。
5.如权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，通过控制电机不对称正反转以实现机器鱼的转向控制。
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