CN106428490A - 一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，包括机器鱼本体、柔性胸鳍、鱼尾、控制器、柔性防水套。柔性胸鳍采用片状柔性结构和电活性聚合物人工肌肉柔性驱动，由多个柔性驱动单元组成，每个驱动单元可独立控制，能实现复杂的鳍面波形和鳍面运动。本发明优点在于模仿胸鳍摆动推进鱼类的运动功能，实现柔性驱动与柔性结构，实现可控的复杂鳍面形状。

Description

一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，具体来说是利用柔性人工肌肉驱动片状柔性框架实现胸鳍摆动的仿生机器鱼，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

鱼类的推进模式根据产生推进力部位的不同，可以分为身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式，身体/尾鳍推进模式具有高速推进性能。随着仿生鱼研究的不断深入，以胸鳍为主要推进力来源的推进模式引起科研人员的注意，其在推进效率、转弯机动性、游动稳定性等方面具有较为明显优势。

采用胸鳍摆动推进模式的鱼类属于软骨鱼类，拥有大而扁平的柔软胸鳍。钙化的硬骨和软骨组成的放射性鳍条遍布胸鳍内部，与肌肉有机结合，能实现胸鳍变形、运动的灵活控制。双侧胸鳍的同步、异步摆动配合实现前进、转弯、上浮、下潜。胸鳍摆动推进模式具有高效率、高机动性和高稳定性等特点，胸鳍摆动推进需要产生有效攻角才能够产生向前的推进力。目前，采用胸鳍摆动推进的仿生机器鱼多采用两种方式实现有效攻角：一种采用柔性胸鳍前缘驱动，通过柔性鳍面和水流作用产生的被动变形实现攻角，鳍面变形可控程度低；采用多鳍条驱动机构，通过各鳍条摆动相位差，实现鳍面的波动传递，实现有效攻角。

目前，除个别该类机器鱼采用记忆合金或者气动人工肌肉驱动外，通常仍采用传统的电动机作为胸鳍摆动的驱动器，驱动、传动通常是刚性且分离，结构复杂，鳍条通常采用刚性或柔性结构，以膜状或板状柔性材料构成胸鳍鳍面，不能产生鳍面整体渐变的柔性变形，不能实现胸鳍摆动鱼类在运动过程中的复杂鳍面运动，也无法达到与其自然原型等同的运动性能。

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，提供一种结构简单且能实现复杂鳍面运动的柔性胸鳍摆动机器鱼。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进机器鱼由本体、柔性胸鳍、鱼尾、控制器、柔性防水套组成。所述机器鱼外形采用流线形，轮廓模仿胸鳍推进鱼类的轮廓。

所述机器鱼的本体采用盒状结构，控制器置于本体中。所述柔性胸鳍底边与本体侧面固连，所述鱼尾与本体尾部固连。

所述柔性胸鳍采用柔性结构与柔性驱动，胸鳍沿机器鱼长度方向可划分为n个可独立控制、相互连接的柔性驱动单元，n为自然数，大于等于1，每个驱动单元由片状柔性框架和电活性聚合物人工肌肉组成。将若干层人工肌肉呈张紧状态布置在片状柔性框架两侧，当一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉会产生收缩，柔性驱动单元能产生单自由度两方向的连续弯曲摆动。多个驱动单元可采用同一个片状柔性框架，也可采用多个独立的片状柔性框架，再将相邻驱动单元的相邻侧边固连。柔性框架采用梯形截面，即胸鳍边缘薄、胸鳍根部厚的结构形式，柔性框架在人工肌肉的拉力作用下在横向保持近似等刚度特性。

所述柔性胸鳍的多个柔性驱动单元可独立控制，通过控制各驱动单元的通电时序与电压，使胸鳍产生柔性渐变变形，实现复杂的胸鳍波形和鳍面运动。所述机器鱼的两侧胸鳍独立控制，实现两侧胸鳍的同步和异步摆动。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、胸鳍将柔性结构与柔性驱动相结合，能更好模仿胸鳍摆动推进鱼类的运动性能。电活性聚合物人工肌肉具有能量密度高、响应速度快、无摩擦无噪声等优点，类似于生物肌肉。采用柔性框架，能产生连续弯曲变形，且不需要传动机构，实现直接驱动，结构简单。

2、胸鳍由若干柔性驱动单元组成，每个驱动单元可独立控制，通过控制各驱动单元的通电时序与电压，可实现复杂的胸鳍波形，两侧胸鳍可独立控制，实现同步和异步摆动。

附图说明

图1为柔性胸鳍摆动机器鱼；

图2为柔性胸鳍摆动机器鱼的横截面图；

图3为柔性框架；

图4为人工肌肉。

图中标号分别为：1为柔性胸鳍，2为本体，3为鱼尾，4为柔性防水套，5为摄像头，6为人工肌肉，7为片状柔性框架，8为通孔，9为柔性电极。

具体实施方式

本发明是一种利用人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进机器鱼，包括柔性胸鳍1、本体2、鱼尾3、柔性防水套4、摄像头5和置于本体内的控制器。机器鱼的轮廓模仿胸鳍摆动推进的鱼类，采用流线形外观，减小水流阻力。柔性胸鳍1的底边与本体2的侧面固连，鱼尾3与本体2的尾部固连，鱼尾3采用柔性材料制成。

柔性胸鳍1的横截面如图2所示，采用双面驱动悬臂梁结构，包括片状柔性框架7和人工肌肉6，在片状柔性框架7的两侧各布置有若干层人工肌肉6，人工肌肉6为电活性聚合物人工肌肉。沿机器鱼长度方向将柔性胸鳍1划分为n个柔性驱动单元，n为自然数，且大于等于1。多个柔性驱动单元可共用一个片状柔性框架7，在片状柔性框架7中间加工有多个通孔，将若干层带有柔性电极9的人工肌肉6以张紧状态布置于柔性框架7两侧，使人工肌肉上的柔性电极9与片状柔性框架上的通孔8对应，每个带有一块柔性电极9的人工肌肉6区域与相邻的边框就形成一个柔性驱动单元，构成多个柔性驱动单元组成的柔性胸鳍1。当不通电时，柔性胸鳍1呈平面状，一侧的人工肌肉6通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉6收缩，柔性驱动单元能产生单自由度两方向的连续弯曲摆动。各柔性驱动单元也可独立采用一个片状柔性框架，再将相邻柔性驱动单元的相邻边固连。

片状柔性框架7既可采用矩形截面，即从胸鳍1边缘到胸鳍1根部的厚度一致，也可以采用边缘处薄、根部厚的梯形截面结构，使得柔性框架7能在横向尺寸上保持等刚度特性，可防止框架在人工肌肉拉力作用下的失稳。

通过控制柔性胸鳍1各柔性驱动单元的通电时序与电压，能形成复杂的鳍面波形。通过两侧柔性胸鳍1的独立控制，实现柔性胸鳍1的同步和异步摆动。

在机器鱼外套上柔性防水套4，采用防水密封胶密封缝隙，实现防水密封。在机器鱼的头部增加摄像头，用于对水下情况进行实时监测。

Claims (6)

1.一种人工肌肉驱动的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：该机器鱼包括本体(2)、柔性胸鳍(1)、柔性防水套(4)、鱼尾(3)、控制器，机器鱼本体(2)采用盒状结构，控制器置于本体(2)中，胸鳍与本体(2)侧边固连，鱼尾(3)连接在本体(2)尾部。

2.如权利要求1所述的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：沿机器鱼的长度方向将柔性胸鳍(1)划分为n个可独立控制、相互连接的柔性驱动单元，n为自然数，大于等于1，每个驱动单元包括电活性聚合物型人工肌肉(6)和片状柔性框架(7)，若干层人工肌肉(6)以张紧状态安装在片状柔性框架(7)两侧，不通电时柔性驱动单元呈水平状，一侧的人工肌肉(6)通电后拉应力减小，另一侧人工肌肉(6)会收缩，带动柔性驱动单元产生连续弯曲，柔性胸鳍(1)的多个驱动单元可共用同一个片状柔性框架(7)，或各自采用一个片状柔性框架(7)再将相邻柔性驱动单元的相邻边固连。

3.如权利要求1所述的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：通过控制各柔性驱动单元的供电时序和供电电压，使两侧柔性胸鳍(1)产生需要的波形，实现两侧柔性胸鳍(1)的同步和异步摆动。

4.如权利要求1所述的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：机器鱼外形模仿采用胸鳍摆动推进模式的鲼科鱼类，机器鱼本体(2)采用流线性外形，减小阻力。

5.如权利要求1所述的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：在机器鱼本体与柔性胸鳍外加上柔性防水套(4)，采用防水胶密封缝隙，达到防水的效果。

6.如权利要求1所述的柔性胸鳍摆动推进仿生机器鱼，其特征在于：在机器鱼的头部安装摄像头(5)，用于实现水下的实时监测。