CN106828848B - 一种骨架式多弦牵动水下机器鱼 - Google Patents

Abstract

一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，涉及仿生水下潜器。设有鱼头、胸鳍、舵盘、舵机、舵机架、第一骨节、第二骨节、尾鳍、牵引弦、万向节、机舱、背鳍、配重仓、控制装置和探测模块；胸鳍固定在穿过鱼头的细杆上，舵盘与舵机咬合，舵机设于舵机架内，舵机架与机舱相连；舵机架与第一骨节之间、第一骨节与第二骨节之间用万向节连接，第一第二骨节之间加装弹性杆作为脊柱，用螺栓穿过第二骨节与尾鳍连接处的圆孔并进行连接；所述牵引弦穿过第一第二骨节两侧的孔；牵引弦一端固定在舵盘上，另一端固定在第二骨节上，背鳍与鱼头为一体；控制装置设于机舱的空腔内；配重仓设在鱼头内腔；控制装置设有电池、主控板和通讯模块；探测模块设在鱼头内腔前部。

Description

一种骨架式多弦牵动水下机器鱼

技术领域

本发明涉及仿生水下潜器，尤其是涉及一种骨架式多弦牵动水下机器鱼。

背景技术

鱼类在水中运动时，其速度或能耗单一方面可能不是最优的，但其整体综合性能经过长期自然选择和优胜略汰，已进化至卓越。由于鱼类在水中运动的优越性能，吸引仿生潜器研究，力图应用鱼类结构和运动机理制造出和真鱼一样游泳性能的仿生机器鱼。

目前大部分机器鱼采用多关节串联驱动方式，即一个电机驱动一个关节，通过控制每个电机的运动来控制每节鱼体的摆动角度和速度，以此来拟合鱼游动的身体曲线。这种方式基本接近鱼类游动时的体态，但在关节较少时游动较为生硬，且这种方法对电机的同步性要求较高，随着关节数量的增多控制起来也比较复杂，功耗较高。这些因素导致这类仿生机器鱼难以实现完全柔性的推进运动，推进效率难以与鱼类媲美，机动性和稳定性还存在不足。此外，已有基于弦动原理的机器鱼采用单条弹性杆作为脊柱贯穿整个鱼体，并采用单对弦作为动力牵引。但其单条弹性杆作为支撑躯干限制了各关节摆动的自由度，因而相对于多关节串联驱动机器鱼的大幅度和灵活性，单对弦动机器鱼在动力、灵活性和稳定性上存在显著不足。

中国专利CN104743088A公开一种仿生水下机器鱼驱动机构及其工作方法，它的动力鳍翅由一个主动鳍翅和两个以上的前后排列的从动鳍翅组成；所述的主动鳍翅和从动鳍翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一个或数个上下排列的翅片组成，翅片的上端两侧通过轴铰接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各个翅框的下框之后；主动鳍翅和从动鳍翅在机器鱼壳体外侧从前向到后顺序排列安装，形成多组连在一起的平行四连杆机构。本发明实现了舵机转向不变的前提下完成动力鳍翅的前后不同速度的摆动和翅叶自如的开闭，从而使机器鱼向前推进，达到运动速度快、效率高、噪音小、不缠草和能通过水道狭窄处的目的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的机器鱼存在的上述不足，提供灵活性与稳定性较高，能耗较低，利用骨架结构实现多节点灵活控制，利用单舵机和多弦牵引克服多舵机非柔性机动的一种骨架式多弦牵动水下机器鱼。

本发明设有鱼头、胸鳍、舵盘、舵机、舵机架、第一骨节、第二骨节、尾鳍、牵引弦、万向节、机舱、背鳍、配重仓、控制装置和探测模块；

一对胸鳍固定在穿过鱼头的细杆上，细杆可加齿轮和电机，从而带动胸鳍运动；所述舵盘与舵机通过舵机的齿轮咬合，可用螺丝加固，舵机设置于机舱外部的舵机架内，舵机导线由机舱开口通入机舱内，机舱开口用胶密封；所述舵机架与机舱相连；所述第一骨节、第二骨节和舵机架上均设有圆柱形突起，舵机架和第一骨节之间用万向节连接，第一骨节和第二骨节之间用万向节连接，第一骨节和第二骨节之间加装弹性杆作为脊柱，用于增加稳定性和灵动性，用螺栓穿过第二骨节与尾鳍连接处的圆孔并进行连接；所述牵引弦穿过第一骨节和第二骨节两侧的孔，牵引弦一端固定在舵盘上，牵引弦另一端固定在第二骨节上，当舵机运动时，牵引弦带动舵盘转动，舵盘拉动牵引弦，带动鱼尾摆动；所述背鳍与鱼头为一体；所述控制装置设置于机舱的空腔内；所述配重仓设在鱼头内腔；控制装置设有电池、主控板和通讯模块；探测模块设在鱼头的内腔前部。

所述鱼头前部可设头部预留接口，所述鱼头的尾部可设有鱼皮接口，所述第一骨节和第二骨节上均可设有鱼皮接口。

所述舵机可采用WK-M1500舵机作为控制电机。

所述第一骨节和第二骨节构成鱼身和鱼尾。

所述弹性杆可采用Ni-Ti合金杆。

所述探测模块可设有摄像头。

所述配重仓可设在鱼头内腔两侧或下部。

运动时通过蓝牙连接通讯模块，发送相应指令，命令舵机运动。也可以提前对主控板设置游动方式，进行自主游动。

本发明利用骨架结构来实现多节点灵活控制，利用单舵机和多弦牵引来克服多舵机非柔性机动的水下机器鱼装置。配合骨架式尾部结构，从而实现用一个舵机代替多个舵机的效果：利用多弦牵引，提高鱼尾摆动的稳定性；利用万向节连接骨架，保证骨架大幅度摆动的能力；利用柔性杆的弹性，将关节的运动变得连续而不生硬。节约能源，降低噪声，自然也提高工作效率。机器鱼头部预留两个外接设备的开口，从而将机器鱼打造成一个搭载平台，可以根据需要外设合适的传感器及摄像器材。

附图说明：

图1是本发明去除鱼皮后的实施例结构示意图。

图2是本发明去除鱼皮后的实施例的侧视剖面示意图。

图3是本发明去除鱼皮后的实施例头部的示意图。

图4是本发明去除鱼皮后的实施例的C形摆动图。

图5是本发明去除鱼皮后的实施例的S形摆动图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1～5所示，本发明实施例设有鱼头1、胸鳍2、舵盘3、舵机4、舵机架5、第一骨节6、第二骨节7、尾鳍8、牵引弦9、万向节10、机舱13、背鳍14、配重仓16、控制装置和探测模块；

一对胸鳍2固定在穿过鱼头1的细杆上，细杆可加齿轮和电机，从而带动胸鳍运动；所述舵盘3与舵机4通过舵机4的齿轮咬合，可用螺丝加固，舵机4设置于机舱13外部的舵机架5内，舵机导线由机舱开口通入机舱13内，机舱开口用胶密封；所述舵机架5与机舱13相连；所述第一骨节6、第二骨节7和舵机架5上均设有圆柱形突起，舵机架5和第一骨节6之间用万向节10连接，第一骨节6和第二骨节7之间用万向节10连接，第一骨节6和第二骨节7之间加装弹性杆11作为脊柱，用于增加稳定性和灵动性，用螺栓穿过第二骨节7与尾鳍8连接处的圆孔并进行连接；所述牵引弦9穿过第一骨节6和第二骨节7两侧的孔，牵引弦9一端固定在舵盘3上，牵引弦9另一端固定在第二骨节7上，当舵机运动时，牵引弦9带动舵盘3转动，舵盘3拉动牵引弦9，带动鱼尾摆动；所述背鳍14与鱼头1为一体；所述控制装置设置于机舱13的空腔内；所述配重仓16可设在鱼头1的内腔下部；控制装置设有电池、主控板和通讯模块；探测模块设在鱼头1的内腔前部。

所述鱼头1前部可设头部预留接口12，所述鱼头1的尾部可设有鱼皮接口15，所述第一骨节6和第二骨节7上均可设有鱼皮接口15。

所述第一骨节6和第二骨节7构成鱼身和鱼尾。

所述弹性杆11可采用Ni-Ti合金杆。

所述探测模块可设有摄像头。

本发明的防水部分用封盖加胶的方式对机舱进行防水处理，舵机和主机舱分离，舵机采用防水舵机。主机舱的防水装置分为防水主机舱和主机舱防水盖两个部分。先将两个部分的接触面打磨平整，在安装的过程中要用RTV硅橡胶把主机舱口和主机舱身粘接起来。

所述骨架式多弦牵动水下机器鱼的尺寸为：长度为53.73cm，外宽为12.33cm，内宽为9.56cm，高为15.02cm，质量为1.5kg；所述第一骨节(大骨节)的长度为85mm，第二骨节(小骨节)的长度为84mm；尾鳍的长度为114mm，牵引弦9的长度为170mm，牵引弦9两侧各有上中下3股弦以提高稳定性。以最常见鱼类——鲤鱼作为仿生对象进行3D建模然后打印。本发明将鱼分成了头部和尾部，其中尾部由2块骨节组成。其中鱼壳、舵盘、骨架以及胸鳍和尾鳍都是用3D打印机打印的。

本发明整体分为前后两部分，用万向节连接在一起，形成流线外形鱼体的头部、鱼身。鱼壳头部其鱼眼处可以根据实际需要安装光源，鱼头形成中空的内腔,鱼嘴附近的前腔搭载摄像头等探测模块，后腔分为上下两部分，上部用来安放机舱，下部为浮力调节配重仓部分。将机舱和机舱防水盖两个部分的接触面打磨平整，在安装的过程中用RTV硅橡胶把主机舱口和主机舱身粘接起来。鱼尾附带乳胶鱼皮，用O型密封圈将鱼皮包裹固定于鱼尾外缘，整体模仿出鱼的形态。

本发明躯干的多弦牵引结构由舵盘和牵引弦构成，舵盘与舵机连接，骨节进行多处开孔处理，3条牵引弦穿过孔连接在第二骨节上，牵引骨架式鱼尾摆动。弹性杆采用Ni-Ti合金杆。该材料是一种形状记忆合金，它的伸缩率在20％以上，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，是一种优秀的弹性材料。记忆合金除具有独特的形状记忆功能外，还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼和超弹性等优异特点。用该材料为骨节提供回复力，可以实现关节与关节之间大摆幅运动，并且增加骨节之间的稳定性。

本发明躯干采用骨架式结构，由第一骨节、第二骨节、尾鳍、万向节、柔性杆构成。骨节和舵机架间、骨节与骨节使用万向节连接，使关节具有独立大幅度转动的能力，克服了现有的弦动机器鱼设计中单轴穿过整个尾部导致的关节转动幅度受限的现象。同时使用柔性杆，提供大幅度摆动后的回复力，使关节活动更自然柔顺。

单舵机动力装置采用舵机架，舵机架内安装有一防水舵机，其上连接舵盘。舵机带动舵盘转动以控制鱼尾摆动，具体为：舵机将转动运动传递到舵盘，舵盘拉扯固定在第二骨节上的牵引弦，引起第二骨节运动，从而实现鱼身和鱼尾左右不同角度定向规律摆动，完成多自由空间动作,进行大幅度的柔性摆动；舵盘每侧连接3条牵引弦，使动力分布均匀并增加了稳定性。

所述控制装置的主控板为Arduino开发板，通讯模块为HC-05或HC-06蓝牙模块，采用ITEAD Bluetooth Robot或BT Client app，能够在手机终端控制下完成鱼尾的摆动，供电系统主要为18650可充式锂电池强力电池，在配重仓内预放2块铅铁板进行浮力调节。

所述舵机可采用WK-M1500舵机作为控制电机，该舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制装置，有利于在仿生机器鱼游动性能的测试过程中测试机器鱼在不同摆幅和频率下的游动性能。

本发明利用多弦牵引的方式，配合骨架式尾部结构，从而实现用一个舵机代替多个舵机的效果，利用柔性杆的弹性，将关节的运动变得连续而不生硬，可以实现C型和S型运动，提供了一种相比多电机联动机器鱼更简单、节能、高效的方案。

Claims (9)

1.一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于设有鱼头、胸鳍、舵盘、舵机、舵机架、第一骨节、第二骨节、尾鳍、牵引弦、万向节、机舱、背鳍、配重仓、控制装置和探测模块；

一对胸鳍固定在穿过鱼头的细杆上，细杆上安装有齿轮和电机，从而带动胸鳍运动；所述舵盘与舵机通过舵机的齿轮咬合，舵机设置于机舱外部的舵机架内，舵机导线由机舱开口通入机舱内；所述舵机架与机舱相连；舵机架和第一骨节之间用万向节连接，第一骨节和第二骨节之间用万向节连接，第一骨节和第二骨节之间加装弹性杆作为脊柱，用于增加稳定性和灵动性，用螺栓穿过第二骨节与尾鳍连接处的圆孔并进行连接；所述牵引弦穿过第一骨节和第二骨节两侧的孔，牵引弦一端固定在舵盘上，牵引弦另一端固定在第二骨节上，当舵机运动时，舵盘随之转动，舵盘拉动牵引弦，带动鱼尾摆动；所述背鳍与鱼头为一体；所述控制装置设置于机舱的空腔内；所述配重仓设在鱼头内腔；控制装置设有电池、主控板和通讯模块；探测模块设在鱼头的内腔前部。

2.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述鱼头前部设头部预留接口。

3.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述鱼头的尾部设有鱼皮接口。

4.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述第一骨节和第二骨节上均设有鱼皮接口。

5.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述舵机采用WK-M1500舵机作为控制电机。

6.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述第一骨节和第二骨节构成鱼身和鱼尾。

7.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述弹性杆采用Ni-Ti合金杆。

8.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述探测模块设有摄像头。

9.如权利要求1所述一种骨架式多弦牵动水下机器鱼，其特征在于所述配重仓设在鱼头内腔两侧或下部。