CN108393868A - 一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，以气动肌肉模拟鱼的肌肉驱动多关节鱼的运动，具有完全模拟鱼运动的功能。所述的仿生鱼包括鱼头、气动肌肉连接板、尾鳍、脊柱、单关节气动肌肉、两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n‑1关节气动肌肉组成。鱼头与脊柱、气动肌肉连接板与脊柱之间可转动连接，气动肌肉两端分别与气动肌肉连接板可转动连接，单关节气动肌肉、两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n‑1关节气动肌肉分别同时连接单个关节、两个关节、三个关节···n‑1个关节，根据实际需要控制对各气动肌肉充放气，实现鱼不同速度的游动。本发明专利以气动肌肉驱动，具有结构紧凑、清洁、防爆性能好的特点，可用于水下和水面作业、教学演示、科学研究。

Description

一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统。

背景技术

鱼在水中游动，主要由肌肉驱动鱼脊柱带动尾部的摆动完成的，为了解鱼游动中的影响因素和肌肉在鱼游动中的作用，中国专利201610718523.9、201610717838.1采用偏心轮与杆机构设计仿生鱼，中国专利201410358254.0、201610682541.6、201710232618.4、201611224006.2则采用电机串联驱动放生鱼，以上均为刚性元件组成的元件，不具备柔顺性。气动肌肉具有很好的柔顺性，中国专利201610398696.7采用多根气动肌肉并联组成并联机构作为放生鱼的单关节，之后串联多个气动肌肉并联的关节，并不能模拟鱼类实际的肌肉分布，中国专利20171035116.X采用气动肌肉驱动绳索设计仿生鱼，仅模拟了尾部肌肉的分布情况，各关节刚度一致不能随机调节各关节的刚度，并且其运动空间受到气动肌肉实际收缩量的限制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，本发明结构紧凑，干净、防爆等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，它包括鱼头、尾鳍以及连接在所述的鱼头和尾鳍之间的n个单关节气动肌肉层和n个脊柱，n≥4，相邻的气动肌肉层之间通过气动肌肉连接板连接，其中，鱼头、第一个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱一、第一层气动肌肉连接板、第二个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱二、第二层气动肌肉连接板、···、第n个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱n、第n层气动肌肉连接板依次可转动连接，第n层气动肌肉连接板与尾鳍固定连接，所述的脊柱布置在所述的单关节气动肌肉层的中间位置，所述的气动肌肉层中的气动肌肉沿鱼的长度方向为左右对称布置；

所述的仿生鱼系统还包括：

可转动连接在所述的鱼头1和第二层气动肌肉连接板之间、第一层气动肌肉连接板和第三层气动肌肉连接板、第二层气动肌肉连接板与第四次肌肉连接板之间···第n-2层气动肌肉连接板与第n层气动肌肉连接板之间的两关节气动肌肉层；

可转动连接在所述的鱼头和第三层气动肌肉连接板之间、第一层气动肌肉连接板和第四层气动肌肉连接板之间、···、第n-3层气动肌肉连接板与第n层气动肌肉连接板之间的三关节气动肌肉层；

以此类推，

可转动连接在所述的鱼头和第n-1层气动肌肉连接板之间的n-1关节气动肌肉层；

且所述的两关节气动肌肉层、三关节气动肌肉层，···，n-1关节气动肌肉层中的气动肌肉沿鱼的长度方向为左右对称布置。

进一步地，每个单关节气动肌肉层中的气动肌肉的数目不少于8个。

进一步地，所述的鱼头、尾鳍和气动肌肉连接板采用塑料制成。

进一步地，所述的气动肌肉采用多根并联乳胶管代替。

进一步地，所述的气动肌肉的内部注入水或油。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根单关节气动肌肉，两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n关节气动肌肉驱动关节，可以实现关节同时由多个关节的气动肌肉驱动；

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、较好的柔顺性、结构紧凑等优点；

3.本发明可以同时实现单关节气动肌肉、两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n-1关节气动肌肉驱动关节多种运动模式的自由切换，可以形象地模拟鱼在不同游动模式的各种动作，有助于了解鱼结构和每根肌肉在鱼游动中的作用。

附图说明

图1是仿生鱼总体机械结构图；

图2是仿生鱼单关节气动肌肉机械结构图；

图3是仿生鱼两关节气动肌肉机械结构图；

图4是仿生鱼三关节气动肌肉机械结构图；

图中：鱼头1、第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5、尾鳍6、脊柱一7、脊柱二8、脊柱三9、脊柱四10、第一层气动肌肉一11、第一层气动肌肉二12、第一层气动肌肉三13、第一层气动肌肉四14、第二层气动肌肉一15、第二层气动肌肉二16、第二层气动肌肉三17、第二层气动肌肉四18、第三层气动肌肉一19、第三层气动肌肉二20、第三层气动肌肉三21、第三层气动肌肉四22、第四层气动肌肉一23、第四层气动肌肉二24、第四层气动肌肉三25、第四层气动肌肉四26、第一层气动肌肉五27、第一层气动肌肉六28、第一层气动肌肉七29、第一层气动肌肉八30、第二层气动肌肉五31、第二层气动肌肉六32、第二层气动肌肉七33、第二层气动肌肉八34、第三层气动肌肉五35、第三层气动肌肉六36、第三层气动肌肉七37、第三层气动肌肉八38、第四层气动肌肉五39、第四层气动肌肉六40、第四层气动肌肉七41、第四层气动肌肉八42、两关节气动肌肉一43、两关节气动肌肉二44、两关节气动肌肉三45、两关节气动肌肉四46、两关节气动肌肉五47、两关节气动肌肉六48、两关节气动肌肉七49、两关节气动肌肉八50、两关节气动肌肉九51、两关节气动肌肉十52、两关节气动肌肉十一53、两关节气动肌肉十二54、三关节气动肌肉一55、三关节气动肌肉二56、三关节气动肌肉三57、三关节气动肌肉四58、三关节气动肌肉五59、三关节气动肌肉六60、三关节气动肌肉七61、三关节气动肌肉八62。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以n＝4为例，具体如图1-4所示，本发明的一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统包括：鱼头1、第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5、尾鳍6、脊柱一7、脊柱二8、脊柱三9、脊柱四10、第一层气动肌肉一11、第一层气动肌肉二12、第一层气动肌肉三13、第一层气动肌肉四14、第二层气动肌肉一15、第二层气动肌肉二16、第二层气动肌肉三17、第二层气动肌肉四18、第三层气动肌肉一19、第三层气动肌肉二20、第三层气动肌肉三21、第三层气动肌肉四22、第四层气动肌肉一23、第四层气动肌肉二24、第四层气动肌肉三25、第四层气动肌肉四26、第一层气动肌肉五27、第一层气动肌肉六28、第一层气动肌肉七29、第一层气动肌肉八30、第二层气动肌肉五31、第二层气动肌肉六32、第二层气动肌肉七33、第二层气动肌肉八34、第三层气动肌肉五35、第三层气动肌肉六36、第三层气动肌肉七37、第三层气动肌肉八38、第四层气动肌肉五39、第四层气动肌肉六40、第四层气动肌肉七41、第四层气动肌肉八42、两关节气动肌肉一43、两关节气动肌肉二44、两关节气动肌肉三45、两关节气动肌肉四46、两关节气动肌肉五47、两关节气动肌肉六48、两关节气动肌肉七49、两关节气动肌肉八50、两关节气动肌肉九51、两关节气动肌肉十52、两关节气动肌肉十一53、两关节气动肌肉十二54、三关节气动肌肉一55、三关节气动肌肉二56、三关节气动肌肉三57、三关节气动肌肉四58、三关节气动肌肉五59、三关节气动肌肉六60、三关节气动肌肉七61、三关节气动肌肉八62。

其中，鱼头1与脊柱一7的一端之间可转动连接，第一层气动肌肉连接板2两端分别与脊柱一7的另一端、脊柱二8的一端可转动连接，脊柱二8的另一端与第二层气动肌肉连接板3可转动连接，脊柱三9两端分别与第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4可转动连接，脊柱四10两端分别与第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5可转动连接，第四层气动肌肉连接板5与尾鳍6固定连接。

第一层气动肌肉一11、第一层气动肌肉二12、第一层气动肌肉三13、第一层气动肌肉四14、第一层气动肌肉五27、第一层气动肌肉六28、第一层气动肌肉七29、第一层气动肌肉八30两端分别与鱼头1、第一层气动肌肉连接板2可转动连接，第一层气动肌肉一11、第一层气动肌肉四14、第一层气动肌肉六28、第一层气动肌肉八30与鱼头1、第一层气动肌肉连接板2内侧相连接，第一层气动肌肉二12、第一层气动肌肉三13、第一层气动肌肉五27、第一层气动肌肉七29与鱼头1、第一层气动肌肉连接板2外侧相连接。

第二层气动肌肉一15、第二层气动肌肉二16、第二层气动肌肉三17、第二层气动肌肉四18、第二层气动肌肉五31、第二层气动肌肉六32、第二层气动肌肉七33、第二层气动肌肉八34两端分别与第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3可转动连接，第二层气动肌肉一15、第二层气动肌肉三17、第二层气动肌肉六32、第二层气动肌肉八34与第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3内侧相连接，第二层气动肌肉二16、第二层气动肌肉四18、第二层气动肌肉五31、第二层气动肌肉七33与第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3外侧相连接。

第三层气动肌肉一19、第三层气动肌肉二20、第三层气动肌肉三21、第三层气动肌肉四22、第三层气动肌肉五35、第三层气动肌肉六36、第三层气动肌肉七37、第三层气动肌肉八38两端分别与第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4可转动连接，第三层气动肌肉二20、第三层气动肌肉四22、第三层气动肌肉六36、第三层气动肌肉七37与第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4内侧相连接，第三层气动肌肉一19、第三层气动肌肉三21、第三层气动肌肉五35、第三层气动肌肉八38与第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4外侧相连接。

第四层气动肌肉一23、第四层气动肌肉二24、第四层气动肌肉三25、第四层气动肌肉四26、第四层气动肌肉五39、第四层气动肌肉六40、第四层气动肌肉七41、第四层气动肌肉八42两端分别与第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5可转动连接，第四层气动肌肉二24、第四层气动肌肉四26、第四层气动肌肉六40、第四层气动肌肉七41与第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5内侧相连接，第四层气动肌肉一23、第四层气动肌肉三25、第四层气动肌肉五39、第四层气动肌肉八42与第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5外侧相连接。

通过分别控制与鱼头1、第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5内侧、外侧相连接的气动肌肉，即可实现仿生鱼单关节的摆动和叠加的摆动，第四层气动肌肉连接板5与尾鳍6固定连接，第四层气动肌肉连接板5带动尾鳍6一起横摇。

两关节气动肌肉一43、两关节气动肌肉二44、两关节气动肌肉六48、两关节气动肌肉七49两端分别与鱼头1、第二层气动肌肉连接板3可转动连接，两关节气动肌肉二44、两关节气动肌肉七49两端与鱼头1、第二层气动肌肉连接板3内侧相连接，两关节气动肌肉一43、两关节气动肌肉六48两端与鱼头1、第二层气动肌肉连接板3外侧相连接。两关节气动肌肉一43、两关节气动肌肉二44、两关节气动肌肉六48、两关节气动肌肉七49驱动鱼头1、第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、脊柱一7、脊柱二8横摇。

两关节气动肌肉三45、两关节气动肌肉八50、两关节气动肌肉九51、两关节气动肌肉十52两端分别与第一层气动肌肉连接板2、第三层气动肌肉连接板4可转动连接，两关节气动肌肉八50、两关节气动肌肉十52两端与第一层气动肌肉连接板2、第三层气动肌肉连接板4内侧相连接，两关节气动肌肉三45、两关节气动肌肉九51两端与第一层气动肌肉连接板2、第三层气动肌肉连接板4外侧相连接。两关节气动肌肉三45、两关节气动肌肉八50、两关节气动肌肉九51、两关节气动肌肉十52驱动第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、脊柱二8、脊柱三9横摇。

两关节气动肌肉四46、两关节气动肌肉五47、两关节气动肌肉十一53、两关节气动肌肉十二54两端分别与第二层气动肌肉连接板3、第四层气动肌肉连接板5可转动连接，两关节气动肌肉五47、两关节气动肌肉十二54两端与第二层气动肌肉连接板3、第四层气动肌肉连接板5内侧相连接，两关节气动肌肉四46、两关节气动肌肉十一53两端与第二层气动肌肉连接板3、第四层气动肌肉连接板5外侧相连接。两关节气动肌肉四46、两关节气动肌肉五47、两关节气动肌肉十一53、两关节气动肌肉十二54驱动第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5、尾鳍6、脊柱三9、脊柱四10横摇。

三关节气动肌肉一55、三关节气动肌肉二56、三关节气动肌肉三57、三关节气动肌肉四58两端分别与鱼头1、第三层气动肌肉连接板4可转动连接，三关节气动肌肉二56、三关节气动肌肉四58两端与鱼头1、第三层气动肌肉连接板4内侧相连接，三关节气动肌肉一55、三关节气动肌肉三57两端与鱼头1、第三层气动肌肉连接板4外侧相连接。三关节气动肌肉一55、三关节气动肌肉二56、三关节气动肌肉三57、三关节气动肌肉四58驱动鱼头1、第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、脊柱一7、脊柱二8、脊柱三9横摇。

三关节气动肌肉五59、三关节气动肌肉六60、三关节气动肌肉七61、三关节气动肌肉八62两端分别与第一层气动肌肉连接板2、第四层气动肌肉连接板5可转动连接，三关节气动肌肉七61、三关节气动肌肉八62两端与第一层气动肌肉连接板2、第四层气动肌肉连接板5内侧相连接，三关节气动肌肉五59、三关节气动肌肉六60两端与第一层气动肌肉连接板2、第四层气动肌肉连接板5外侧相连接。三关节气动肌肉五59、三关节气动肌肉六60、三关节气动肌肉七61、三关节气动肌肉八62驱动第一层气动肌肉连接板2、第二层气动肌肉连接板3、第三层气动肌肉连接板4、第四层气动肌肉连接板5、尾鳍6、脊柱二8、脊柱三9、脊柱四10横摇。

本发明也可以控制各气动肌肉在驱动关节横摇的同时艏摇。

为了减轻仿生鱼系统的重量，本发明的鱼头1、尾鳍6和气动肌肉连接板均采用塑料制成；本发明的气动肌肉也可以采用多根细长的并联乳胶管代替，还可以在气动肌肉的内部注入水、油等液体，减少温度对其位置精度控制的影响。

本发明同时采用单关节气动肌肉、两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n-1关节气动肌肉，当这些气动肌肉同时工作时，单关节气动肌肉用于提供驱动关节横摇和艏摇的力，两关节气动肌肉、三关节气动肌肉···n-1关节气动肌肉用于协调关节平滑的进行轨迹跟踪控制和调节关节的刚度，实现仿生鱼位姿的控制，可以动态形象的模拟鱼的游动，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他气动肌肉仿生鱼无法比拟的优势。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，其特征在于，它包括鱼头(1)、尾鳍(6)以及连接在所述的鱼头(1)和尾鳍(6)之间的n个单关节气动肌肉层和n个脊柱，n≥4，相邻的气动肌肉层之间通过气动肌肉连接板连接，其中，鱼头(1)、第一个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱一(7)、第一层气动肌肉连接板(2)、第二个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱二(8)、第二层气动肌肉连接板(3)、···、第n个单关节气动肌肉层中的气动肌肉和脊柱n、第n层气动肌肉连接板依次可转动连接，第n层气动肌肉连接板与尾鳍(6)固定连接，所述的脊柱布置在所述的单关节气动肌肉层的中间位置，所述的气动肌肉层中的气动肌肉沿鱼的长度方向为左右对称布置；

所述的仿生鱼系统还包括：

可转动连接在所述的鱼头(1)和第二层气动肌肉连接板之间、第一层气动肌肉连接板(2)和第三层气动肌肉连接板(2)、第二层气动肌肉连接板与第四次肌肉连接板之间···第n-2层气动肌肉连接板与第n层气动肌肉连接板之间的两关节气动肌肉层；

可转动连接在所述的鱼头(1)和第三层气动肌肉连接板之间、第一层气动肌肉连接板(2)和第四层气动肌肉连接板之间、···、第n-3层气动肌肉连接板与第n层气动肌肉连接板之间的三关节气动肌肉层；

以此类推，

可转动连接在所述的鱼头(1)和第n-1层气动肌肉连接板之间的n-1关节气动肌肉层；

且所述的两关节气动肌肉层、三关节气动肌肉层，···，n-1关节气动肌肉层中的气动肌肉沿鱼的长度方向为左右对称布置。

2.根据权利要求1所述的基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，其特征在于，每个单关节气动肌肉层中的气动肌肉的数目不少于8个。

3.根据权利要求1所述的基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，其特征在于，所述的鱼头(1)、尾鳍(6)和气动肌肉连接板采用塑料制成。

4.根据权利要求1所述的基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，其特征在于，所述的气动肌肉采用多根并联乳胶管代替。

5.根据权利要求1所述的基于混联气动肌肉的仿生鱼系统，其特征在于，所述的气动肌肉的内部注入水或油。