CN111360801B - 基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人及其工作方法，仿鳗鱼机器人包括机器人头部、机器人尾部和由若干个关节串联构成的机器人骨架，机器人头部和机器人尾部结构相同，对称安装在机器人骨架的两端；机器人骨架的每个关节包括后肋骨、第一右电磁肌肉、前肋骨、前脊椎、销轴、第一左电磁肌肉和后脊椎；机器人骨架的相邻两关节之间通过共用同一肋骨实现串联；机器人头部包括第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉和头部肋骨；所有的电磁肌肉结构均相同，均包括两个电磁铁、导磁橡胶和磁性液体；通过多个关节与机器人头部、尾部的各电磁肌肉的协调动作实现仿鳗鱼机器人的游动。本发明机动性高，可用在空间狭窄和结构复杂的地方。

Description

基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于仿生机械领域，尤其是涉及一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人及其工作方法。

背景技术

仿鳗鱼推进模式的水下机器人行进单位距离能量消耗是最少的，而且其柔性化躯体有利于在狭窄的空间运动和作业。仿鳗鱼机器人从头到尾都参与了大振幅的波动运动，鱼体波的传播方向与机器鱼的游动方向相反，波速大于机器鱼的前游速度，鳗鲡模式是所有模式中行进单位距离所需能量最少的。除此之外，鳗鲡模式还具备更加稳定倒游能力，由于鳗鲡模式机器鱼柔软的身体，机器鱼在倒游过程中更加稳定，在细小管道以及一些特殊环境中的身体调整也更加自如。

现有的仿鳗鱼机器人存在传统的螺旋桨噪音大，对环境有很大的干扰，使得水下设备难以靠近海洋生物体；能耗大，不灵活，不易进入复杂的海洋环境，例如沉船，珊瑚礁等。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人及其工作方法，机动性高，可以用在空间狭窄和结构复杂的地方；几乎无噪音，能够很好地与海洋生物体共处而不惊扰海洋生物。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人，包括机器人头部、机器人尾部和由若干个关节串联构成的机器人骨架，所述的机器人头部和机器人尾部的结构相同，对称安装在机器人骨架的两端；

所述的机器人骨架的每个关节包括后肋骨、第一右电磁肌肉、前肋骨、前脊椎、销轴、第一左电磁肌肉和后脊椎，所述的前肋骨和后肋骨正对布置，所述的第一右电磁肌肉、前脊椎、第一左电磁肌肉和后脊椎均设置在前肋骨和后肋骨之间，所述的第一左电磁肌肉和第一右电磁肌肉固设在前肋骨和后肋骨左右两侧，所述的前脊椎与前肋骨中部固定连接，所述的后脊椎与后肋骨中部固定连接，所述的前脊椎和后脊椎端部通过销轴连接；

所述的机器人骨架的相邻两关节之间通过共用同一肋骨实现串联，机器人头部与机器人骨架之间及机器人尾部与机器人骨架之间通过共用机器人骨架相应端部的肋骨实现连接；

所述的机器人头部包括第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉和头部肋骨，所述的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉和第二左电磁肌肉均固定设置在两个头部肋骨之间，且辅助电磁肌肉设置在第二右电磁肌肉和第二左电磁肌肉之间；

所有的电磁肌肉结构均相同，均包括两个电磁铁、导磁橡胶和磁性液体，所述的导磁橡胶为中空圆柱结构，两个电磁铁设置在导磁橡胶内，所述的磁性液体注入两个电磁铁和导磁橡胶围成的空腔内，所述的电磁铁包括线圈和磁芯，所述线圈缠绕在磁芯上；

通过机器人骨架的多个关节与机器人头部和机器人尾部的各电磁肌肉的协调动作实现仿鳗鱼机器人的游动。

进一步的，向磁芯上的线圈通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，每个电磁肌肉的两个电磁铁端部磁极相同或相反，实现电磁肌肉伸长或收缩。

进一步的，在机器人头部和机器人尾部增加调节机器人重心的配重。

进一步的，所述配重设置在机器人头部和机器人尾部靠外侧的肋骨上。

进一步的，所述机器人骨架的各关节、机器人头部和机器人尾部采用3D打印、注塑、铸造或机械加工方法制作。

进一步的，在机器人外表面包裹一层硅胶软套对机器人整体密封。

进一步的，所述磁性液体为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体。

一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法：包括

假定机器人骨架的某一关节的后肋骨、后脊椎不动，接通电源，此关节的第一右电磁肌肉的电磁铁产生引力，在引力的作用下第一右电磁肌肉收缩，同时此关节的第一左电磁肌肉的电磁铁产生斥力，在斥力的作用下第一左电磁肌肉伸长，则前肋骨和前脊椎绕销轴顺时针转动，即向右摆动；改变电流的方向，则此关节的第一左电磁肌肉收缩、第一右电磁肌肉伸长，则前肋骨和前脊椎绕销轴逆时针转动，即向左摆动；重复上述过程，则此关节连续左右摆动；通过控制机器人的骨架的各关节的电磁肌肉的电流，从而控制各关节的摆动，实现机器人的向前游动；

当机器人向前游动时，通过控制机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩，则机器人的重心前移，机器人向前下方游动，即游动时下沉；

当机器人向前游动时，改变机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩；使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，则机器人的重心后移，机器人向前上方游动，即游动时上浮。

相对于现有技术，本发明所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人具有以下优势：

本发明所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人，本发明在水下工作时行进单位距离能量消耗与其他类型的机器人相比是最少的，而且其柔性化躯体有利于在狭窄的空间运动和作业。由于本发明的机器人头部和机器人尾部结构相同，功能相同，因此两者可以互换，也就是本申请的仿鳗鱼机器人可以正游，同时也具备更加稳定倒游能力，在细小管道以及一些特殊环境中的身体调整也更加自如。在同样能量消耗的条件下，工作时间长、范围大；机动性高，可以用在空间狭窄和结构复杂的地方；几乎无噪音，能够很好地与海洋生物体共处而不惊扰海洋生物。

本发明可用于海洋捕捞、海洋环境监测、海洋救援以及军事应用等在水下并且对灵活性要求较高的一些场合：(1)工作时间长、范围大，但承受能力或承载空间受限的地方；(2)需要高机动性的地方，或者空间狭窄以及空间结构复杂的地方，例如管道检查；(3)观察海洋生物。而本发明能够很好地与海洋生物体共处；(4)海底勘探和海洋打捞。使用本发明可以更容易地，并完成传统潜水器无法完成的任务。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的整体结构示意图；

图2为仿鳗鱼机器人头部和部分机器人骨架的结构示意图；

图3为仿鳗鱼机器人尾部和部分机器人骨架的结构示意图；

图4为电磁肌肉的结构示意图；

图5为机器人尾部的某一关节的结构示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为机器人头部(尾部)结构示意图；

图8为图7的侧视图；

图9基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的游动示意图；

图10为鳗鱼稳态游动时的体波序列图。

附图标记说明：

1-后肋骨，2-第一右电磁肌肉，3-前肋骨，4-前脊椎，5-销轴，6-第一左电磁肌肉，7-后脊椎，8-机器人头部，9-机器人尾部，10-机器人骨架，11-第二右电磁肌肉，12-配重，13-辅助电磁肌肉，14-第二左电磁肌肉，15-头部肋骨，16-导磁橡胶，17-磁性液体，18-线圈，19-磁芯。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图9所示，基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人，包括机器人头部8、机器人尾部9和由若干个关节串联构成的机器人骨架10，所述的机器人头部8和机器人尾部9的结构和功能完全相同，对称安装在机器人骨架10的两端；

所述的机器人骨架10的每个关节包括后肋骨1、第一右电磁肌肉2、前肋骨3、前脊椎4、销轴5、第一左电磁肌肉6和后脊椎7，所述的前肋骨3和后肋骨1正对布置，所述的第一右电磁肌肉2、前脊椎4、第一左电磁肌肉6和后脊椎7均设置在前肋骨3和后肋骨1之间，所述的第一左电磁肌肉6和第一右电磁肌肉2固设在前肋骨3和后肋骨1左右两侧，所述的前脊椎4与前肋骨3中部固定连接，所述的后脊椎7与后肋骨1中部固定连接，所述的前脊椎4和后脊椎7端部通过销轴5连接；

所述的机器人骨架10的相邻两关节之间通过共用同一肋骨实现串联，机器人头部与机器人骨架之间及机器人尾部与机器人骨架之间通过共用机器人骨架10相应端部的肋骨实现连接；即所述机器人头部的后端的头部肋骨也是机器人骨架的最前端的关节的前肋骨，机器人骨架的各个相邻的关节之间共用肋骨，机器人骨架的最后端的关节的后肋骨也是机器人尾部的前端的肋骨；

所述的机器人头部包括第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉和头部肋骨15，所述的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉和第二左电磁肌肉均固定设置在头部肋骨与机器人骨架10前端的肋骨之间，且辅助电磁肌肉设置在第二右电磁肌肉和第二左电磁肌肉之间；

所有的电磁肌肉结构均相同，均包括两个电磁铁、导磁橡胶16和磁性液体17，所述的导磁橡胶16为中空圆柱结构，两个电磁铁设置在导磁橡胶16内，所述的磁性液体17注入两个电磁铁和导磁橡胶16围成的空腔内，所述的电磁铁包括线圈18和磁芯19，所述线圈18缠绕在磁芯19上；空腔注入磁性液体17的体积为腔室体积的2/3-4/5，为电磁铁位移挤压磁性液体时留下容纳空间，磁性液体17为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体；通过机器人骨架10的多个关节与机器人头部8和机器人尾部9的各电磁肌肉的协调动作实现仿鳗鱼机器人的游动。导磁橡胶16也就是磁性橡胶。

向磁芯上的线圈通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，每个电磁肌肉的两个电磁铁端部磁极相同或相反，实现电磁肌肉伸长或收缩，电磁肌肉的工作原理为：向电磁铁上的线圈中施加电流，电磁铁产生磁场，如果相邻电磁铁的相对应端的极性相反，即一个是N极、另一个是S极，就会产生电磁吸引力，该电磁吸引力克服弹性的导磁橡胶的弹力并使电磁肌肉整体收缩；如果相邻电磁铁的相对应端的极性相同，即一个是N极、另一个也是N极或一个也是S极、另一个也是S极，就会产生电磁排斥力，该电磁排斥力克服弹性的导磁橡胶的弹力并使电磁肌肉整体伸长。改变电流大小和方向提供可控的双向的驱动力。

在机器人头部8和机器人尾部9增加调节机器人重心的配重12。配重12设置在机器人头部8和机器人尾部9靠外侧的肋骨上。为防止机器人因运动或水流影响发生侧翻或倾覆，机器人体内要增加配重调整机器人的重心使机器人的重心位于其几何中心的正下方、平衡机器人在水中的浮力，避免机器人在运动过程中侧翻，这与不倒翁的原理类似。

机器人骨架10的各关节、机器人头部8和机器人尾部9采用3D打印、注塑、铸造或机械加工方法制作，材料根据需要可采用金属或非金属。

在机器人外表面包裹一层硅胶软套对机器人整体密封。在密封时，需要在机器人外壳上包裹一层硅胶膜，配合蒙皮起到密封盒紧固蒙皮的作用。包覆膜为等厚均质硅胶膜，硅胶膜采用一体浇注成型，然后根据外壳尺寸进行裁剪，再防水胶和硅胶软套固定，从而实现对机器人的密封。

一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，包括

假定机器人骨架的某一关节的后肋骨1、后脊椎7不动，接通电源，此关节的第一右电磁肌肉2的电磁铁产生引力，在引力的作用下第一右电磁肌肉2收缩，同时此关节的第一左电磁肌肉6的电磁铁产生斥力，在斥力的作用下第一左电磁肌肉6伸长，则前肋骨3和前脊椎4绕销轴5顺时针转动，即向右摆动；改变电流的方向，则此关节的第一左电磁肌肉6收缩、第一右电磁肌肉2伸长，则前肋骨3和前脊椎4绕销轴5逆时针转动，即向左摆动；重复上述过程，则此关节连续左右摆动；通过控制机器人的骨架的各关节的电磁肌肉的电流，从而控制各关节的摆动，实现机器人的向前游动；机器人向前游动时，机器人头部8和机器人尾部9的电磁肌肉处于同时收缩或是同时伸长状态。

通过调整配重12的位置，可以调整器人的头部(尾部)的重心，从而调整机器人的重心，机器人游动时就可上浮和下沉。

当机器人向前游动时，通过控制机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩，则机器人的重心前移，机器人向前下方游动，即游动时下沉；

当机器人向前游动时，改变机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩；使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，则机器人的重心后移，机器人向前上方游动，即游动时上浮。

本申请通过机器人骨架10的多个关节与机器人头部8和机器人尾部9的各电磁肌肉的协调动作，机器人就可以模拟鳗鱼游动时的体波曲线运动，即如图10所示，为一个周期内将鳗鱼稳定游动时每个时刻的鱼体中轴线描画出来的体波曲线的序列图，由此可见本发明的仿鳗鱼机器人灵活性高，响应快，本发明能够很好地与海洋生物体共处；可以更容易地进入复杂的海洋环境，例如沉船，珊瑚礁等，并完成传统潜水器无法完成的任务。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人包括机器人头部(8)、机器人尾部(9)和由若干个关节串联构成的机器人骨架(10)，所述的机器人头部(8)和机器人尾部(9)的结构相同，对称安装在机器人骨架(10)的两端；

所述的机器人骨架(10)的每个关节包括后肋骨(1)、第一右电磁肌肉(2)、前肋骨(3)、前脊椎(4)、销轴(5)、第一左电磁肌肉(6)和后脊椎(7)，所述的前肋骨(3)和后肋骨(1)正对布置，所述的第一右电磁肌肉(2)、前脊椎(4)、第一左电磁肌肉(6)和后脊椎(7)均设置在前肋骨(3)和后肋骨(1)之间，所述的第一左电磁肌肉(6)和第一右电磁肌肉(2)固设在前肋骨(3)和后肋骨(1)左右两侧，所述的前脊椎(4)与前肋骨(3)中部固定连接，所述的后脊椎(7)与后肋骨(1)中部固定连接，所述的前脊椎(4)和后脊椎(7)端部通过销轴(5)连接；

所述的机器人骨架(10)的相邻两关节之间通过共用同一肋骨实现串联，机器人头部与机器人骨架之间及机器人尾部与机器人骨架之间通过共用机器人骨架(10)相应端部的肋骨实现连接；

所述的机器人头部包括第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉和头部肋骨(15)，所述的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉和第二左电磁肌肉均固定设置在两个头部肋骨之间，且辅助电磁肌肉设置在第二右电磁肌肉和第二左电磁肌肉之间；

所有的电磁肌肉结构均相同，均包括两个电磁铁、导磁橡胶(16)和磁性液体(17)，所述的导磁橡胶(16)为中空圆柱结构，两个电磁铁设置在导磁橡胶(16)内，所述的磁性液体(17)注入两个电磁铁和导磁橡胶(16)围成的空腔内，所述的电磁铁包括线圈(18)和磁芯(19)，所述线圈(18)缠绕在磁芯(19)上；

通过机器人骨架(10)的多个关节与机器人头部(8)和机器人尾部(9)的各电磁肌肉的协调动作实现仿鳗鱼机器人的游动；

所述工作方法，包括

假定机器人骨架的某一关节的后肋骨(1)、后脊椎(7)不动，接通电源，此关节的第一右电磁肌肉(2)的电磁铁产生引力，在引力的作用下第一右电磁肌肉(2)收缩，同时此关节的第一左电磁肌肉(6)的电磁铁产生斥力，在斥力的作用下第一左电磁肌肉(6)伸长，则前肋骨(3)和前脊椎(4)绕销轴(5)顺时针转动，即向右摆动；改变电流的方向，则此关节的第一左电磁肌肉(6)收缩、第一右电磁肌肉(2)伸长，则前肋骨(3)和前脊椎(4)绕销轴(5)逆时针转动，即向左摆动；重复上述过程，则此关节连续左右摆动；通过控制机器人的骨架的各关节的电磁肌肉的电流，从而控制各关节的摆动，实现机器人的向前游动；

当机器人向前游动时，通过控制机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩，则机器人的重心前移，机器人向前下方游动，即游动时下沉；

当机器人向前游动时，改变机器人头部和机器人尾部的电磁肌肉的电流方向，使头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生引力作用，在引力作用下，头部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时收缩；使尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉的电磁铁之间产生斥力作用，在斥力的作用下，尾部的第二右电磁肌肉、辅助电磁肌肉、第二左电磁肌肉同时伸长，则机器人的重心后移，机器人向前上方游动，即游动时上浮。

2.根据权利要求1所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：向磁芯上的线圈通电，电磁铁极化，磁性液体和导磁橡胶极化，每个电磁肌肉的两个电磁铁端部磁极相同或相反，实现电磁肌肉伸长或收缩。

3.根据权利要求1所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：在机器人头部(8)和机器人尾部(9)增加调节机器人重心的配重(12)。

4.根据权利要求3所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：所述配重(12)设置在机器人头部(8)和机器人尾部(9)靠外侧的肋骨上。

5.根据权利要求1所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：所述机器人骨架(10)的各关节、机器人头部(8)和机器人尾部(9)采用3D打印、注塑、铸造或机械加工方法制作。

6.根据权利要求1所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：在机器人外表面包裹一层硅胶软套对机器人整体密封。

7.根据权利要求1所述的基于电磁人工肌肉的仿鳗鱼机器人的工作方法，其特征在于：所述磁性液体(17)为由磁性固体颗粒、基载液和界面活性剂混合而成的胶状液体。

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