CN111661286A - 机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种机器鱼，机器鱼为轴对称结构，包括主框架，主框架的两侧各设置有一压电驱动器、一柔性传动机构和一尾鳍，压电驱动器的一端固定在主框架上，压电驱动器的另一端通过柔性传动机构与尾鳍相连接，通过柔性传动机构将压电驱动器的形变转化为摆动输出并传递至尾鳍。与现有的技术相比，本发明提供的机器鱼通过设置双尾鳍结构，与单尾鳍结构相比，增加了一个驱动自由度，使控制更灵活，避免了传统机器鱼控制复杂的问题；通过使用压电驱动器驱动，驱动能量密度更高，驱动功耗更低；机器鱼的刚性结构使用碳纤维‑树脂复合材料制成，构件密度低，强度高，降低了功耗；通过使用柔性传动机构，可以简化设备传动结构，制作简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器鱼。
背景技术
机器鱼是外形像鱼的机器人，它能够在水中持续游动。机器鱼可用于环境监测或军事探测等领域，例如配备有化学传感器的自主机器鱼，它能够在水中游数小时，用以发现污染物质，并绘制监测区域的实时三维图，从而表明当前海水中存在什么化学物质以及位于什么地方。现有技术中，机器鱼通常使用常规电机和基于活塞往复运动的驱动器作为动力装置，由于常用的电机主要是基于电磁驱动原理，利用螺旋线圈中的电流产生电磁力，电流越大驱动力越大，然而电流越大产生的热损耗也越大；常用的活塞式驱动器存在活塞摩擦，也会产生较大的热能量损耗，因此上述两种机器鱼的驱动方式功耗均较高；另外，现有的机器鱼还存在控制复杂，质量大，结构复杂，不易制作等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种机器鱼，其控制简单，功耗低，可有效解决现有机器鱼功耗高，控制复杂的问题。
本发明提供的机器鱼，所述机器鱼为轴对称结构，包括主框架，所述主框架的两侧各设置有一压电驱动器、一柔性传动机构和一尾鳍，所述压电驱动器的一端固定在所述主框架上，所述压电驱动器的另一端通过所述柔性传动机构与所述尾鳍相连接，通过所述柔性传动机构将所述压电驱动器的形变转化为摆动输出并传递至所述尾鳍。
优选地，所述柔性传动机构为柔性铰链四杆机构。
优选地，所述柔性铰链四杆机构包括依次连接的驱动靠板、第一主动端薄膜、主动端副板、第二主动端薄膜、主动端主板、输出架、被动端副板和被动端薄膜，所述驱动靠板与所述压电驱动器相连接，所述被动端薄膜与所述主框架相连接，所述输出架与所述尾鳍相连接。
优选地，所述输出架由两块固定板垂直连接而成，所述主动端主板和所述被动端副板分别固定在所述输出架的其中一块固定板的两侧，所述尾鳍则固定在所述输出架的另一块固定板上。
优选地，所述主框架、所述驱动靠板、所述主动端副板、所述主动端主板、所述输出架和/或所述被动端副板由碳纤维-树脂复合材料制成。
优选地，还包括与所述主框架相连接的浮漂机构，所述浮漂机构用于为所述主框架提供浮力。
优选地，所述浮漂机构设置在所述主框架的上方，所述浮漂机构包括浮漂和浮漂支架，所述浮漂设置在所述浮漂支架的上端，所述浮漂支架的下端连接所述主框架。
优选地，所述浮漂为泡沫材料制成的球体。
优选地，所述主框架包括主梁，所述主梁两端分别设置有前梁和尾梁，所述前梁与所述压电驱动器的一端相连接，所述尾梁与所述柔性传动机构相连接。
优选地，所述压电驱动器由压电材料制成，所述压电材料包括锆钛酸铅、钛酸钡、氧化锌、铌酸钾钠、铁酸铋、弛豫铁电、聚偏氟乙烯中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明提供的机器鱼具有以下优点：
(1)使用压电驱动器驱动，驱动能量密度更高，驱动功耗更低；
(2)设置了双尾鳍结构，与单尾鳍结构相比，不仅增加了微型机器鱼游动的推力，使其动力更强、速度更快，而且还增加了一个驱动自由度，使机器鱼运动时更加容易操控，有助于调节其游动的机动性能，避免了传统机器鱼欠驱动控制复杂的问题；
(3)主梁、前梁、尾梁、浮漂支架、被动端副板、主动端主板、主动端副板、输出架、尾鳍骨架、前直角架和驱动靠板均由碳纤维-树脂复合材料制成，构件密度低，强度高，进一步减轻机器鱼的质量，降低了功耗；
(4)通过驱动靠板与第一主动端薄膜的配合，通过第一主动端薄膜与主动端副板的配合，通过主动端副板与第二主动端薄膜的配合，通过第二主动端薄膜与主动端主板的配合，通过主动端主板与输出架的配合，通过输出架与被动端副板的配合，通过被动端副板与被动端薄膜的配合，通过被动端薄膜与尾梁的配合，可以简化设备传动结构，制作简单，实用性强。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明一实施例提供的机器鱼的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的机器鱼的侧视图；
图3图2中D-D处的剖视图；
图4图2中A-A处的剖视图；
图5为图4中I处的放大图；
图6为本发明一实施例提供的柔性传动机构的传动原理示意图。
附图标记说明：
1、浮漂；2、尾梁；3、尾鳍薄膜；4、尾鳍骨架；5、主梁；6、压电驱动器；7、前直角架；8、前梁；9、导线；10、浮漂支架；11、输出架；12、被动端薄膜；13、被动端副板；14、主动端主板；15、第二主动端薄膜；16、主动端副板；17、驱动靠板；18、第一主动端薄膜。
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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1至图4所示，本实施例中提供的机器鱼它包括主框架、两个柔性传动机构、两个尾鳍、两个压电驱动器6和浮漂机构。两个柔性传动机构、两个尾鳍和两个压电驱动器6分别对称设置在主框架的两侧，浮漂机构设置在主框架的上方，用于为主框架提供浮力，整个机器鱼为对轴称结构。压电驱动器6的一端固定在所述主框架上，压电驱动器6的另一端通过柔性传动机构与尾鳍相连接，通过柔性传动机构将压电驱动器6的形变放大并转化为摆动输出并传递至尾鳍。压电驱动器是利用电场驱动，电流非常小且是弹性结构，因此热损耗和摩擦都小，使用压电驱动器作为驱动装置，可有效降低机器鱼功耗；另外，该机器鱼整体结构简单，易于制作；由于设置了双尾鳍，机器鱼控制简单。该机器鱼的结构简单，易于制造得到长度为厘米级甚至更小的微型机器鱼。
主框架是机器鱼的主要支撑结构，它包括主梁5，主梁5的前端设有前梁8，主梁5的后端设置有尾梁2。前梁8的两侧各设置有一个前直角架7，前直角架7起到连接及固定压电驱动器6的作用，压电驱动器6固定在前直角架7上的一端为压电驱动器6的固定端，另一端为压电驱动器6的自由端，驱动器的自由端与柔性传动机构相连接。
如图4、图5所示，柔性传动机构为柔性铰链四杆机构，它包括依次连接的驱动靠板17、第一主动端薄膜18、主动端副板16、第二主动端薄膜15、主动端主板14、输出架11、被动端副板13和被动端薄膜12。其中，驱动靠板17与压电驱动器6的自由端相连接，驱动靠板17所在的一端为柔性传动机构的主动端；被动端薄膜12与尾梁2相连接，被动端薄膜12所在的一端为柔性传动机构的被动端；输出架11位于柔性传动机构的主动端和被动端之间，由两块固定板垂直连接而成，主动端主板14和被动端副板13分别固定在输出架11的其中一块固定板的两侧，尾鳍则固定在输出架11的另一块固定板上；输出架11所在的位置即为柔性传动机构的输出端。第一主动端薄膜18、第二主动端薄膜15以及被动端薄膜12的作用就是实现铰链的转动，驱动靠板17、主动端副板16、主动端主板14和被动端副板13这四个刚性板在力学模型中就是刚性杆的作用，不能变形，由上述四个刚性板和连接板的薄膜形成了四杆机构；柔性铰链四杆机构将压电驱动器6的形变放大并转化为摆动输出并传递至尾鳍。柔性传动机构结构简单，易于制作，实用性强。
两个尾鳍分别设置在主框架的两侧并且与机器鱼的对称轴线相平行，两个尾鳍分别通过同侧的柔性传动机构与同侧的压电驱动器6相连接。如图1、图2所示，尾鳍包括尾鳍骨架4和设置在尾鳍骨架4上的尾鳍薄膜3，尾鳍薄膜3设置在靠近机器鱼对称轴线的一侧的尾鳍骨架4上，就图中方位而言，尾鳍薄膜3设置在尾鳍骨架4的内侧。尾鳍骨架4起到支撑尾鳍薄膜3的作用，尾鳍通过尾鳍骨架4与输出架11的另一块固定板相连接。通过设置双尾鳍结构，使机器鱼控制灵活，避免了传统微型机器鱼控制复杂的问题。
如图1、图3所示，浮漂机构包括相互连接的浮漂1和浮漂支架10，浮漂支架10的下端连接主梁5，浮漂支架10的上端设置浮漂1；浮漂1起到为主框架提供浮力的作用，优选浮漂1为泡沫塑料制成的球体，可使微机器鱼稳定地漂浮在水中。浮漂1杆起到连接浮漂1与主梁5及调节主梁5浸入液体深度的作用。
本发明中压电驱动器6可选用基于锆钛酸铅、钛酸钡、氧化锌、铌酸钾钠、铁酸铋、弛豫铁电、聚偏氟乙烯等压电材料的驱动器。
本发明中，为了进一步减轻机器鱼的质量，主框架(包括主梁5、前梁8和尾梁2)、浮漂1结构的浮漂支架10、柔性铰链中所涉及的各种板(驱动靠板17、被动端副板13、主动端主板14、主动端副板16)和输出架11、尾鳍骨架4以及前直角架7均由碳纤维-树脂复合材料制成，构件密度低，强度高。机器鱼质量减轻后，功耗降低，同时有利于延长机器鱼的可持续游动时间。
当需要驱动机器鱼时，用导线9将压电驱动器6接入交流电源，如图6所示，压电驱动器6的自由端带动驱动靠板17做向内和向外的线性往复运动，通过柔性铰链四杆机构的传动作用，使得驱动靠板17带动输出架11、尾鳍骨架4及尾鳍薄膜3做旋转的往复运动，从而模拟鱼尾鳍摆动，推动机器鱼游动。以柔性铰链四杆机构作为传动结构，即使压电驱动器6的位移相对较小，也可以放大尾鳍的振荡角，提高机器鱼游动速度。
最后应说明的是：以上实施方式及实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式及实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式或实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式或实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种机器鱼，其特征在于，所述机器鱼为轴对称结构，包括主框架，所述主框架的两侧各设置有一压电驱动器、一柔性传动机构和一尾鳍，所述压电驱动器的一端固定在所述主框架上，所述压电驱动器的另一端通过所述柔性传动机构与所述尾鳍相连接，通过所述柔性传动机构将所述压电驱动器的形变转化为摆动输出并传递至所述尾鳍。
2.根据权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，所述柔性传动机构为柔性铰链四杆机构。
3.根据权利要求2所述的机器鱼，其特征在于，所述柔性铰链四杆机构包括依次连接的驱动靠板、第一主动端薄膜、主动端副板、第二主动端薄膜、主动端主板、输出架、被动端副板和被动端薄膜，所述驱动靠板与所述压电驱动器相连接，所述被动端薄膜与所述主框架相连接，所述输出架与所述尾鳍相连接。
4.根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述输出架由两块固定板垂直连接而成，所述主动端主板和所述被动端副板分别固定在所述输出架的其中一块固定板的两侧，所述尾鳍则固定在所述输出架的另一块固定板上。
5.根据权利要求3所述的机器鱼，其特征在于，所述主框架、所述驱动靠板、所述主动端副板、所述主动端主板、所述输出架和/或所述被动端副板由碳纤维-树脂复合材料制成。
6.根据权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，还包括与所述主框架相连接的浮漂机构，所述浮漂机构用于为所述主框架提供浮力。
7.根据权利要求6所述的机器鱼，其特征在于，所述浮漂机构设置在所述主框架的上方，所述浮漂机构包括浮漂和浮漂支架，所述浮漂设置在所述浮漂支架的上端，所述浮漂支架的下端连接所述主框架。
8.根据权利要求7所述的机器鱼，其特征在于，所述浮漂为泡沫材料制成的球体。
9.根据权利要求1所述的机器鱼，其特征在于，所述主框架包括主梁，所述主梁两端分别设置有前梁和尾梁，所述前梁与所述压电驱动器的一端相连接，所述尾梁与所述柔性传动机构相连接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的机器鱼，其特征在于，所述压电驱动器由压电材料制成，所述压电材料包括锆钛酸铅、钛酸钡、氧化锌、铌酸钾钠、铁酸铋、弛豫铁电、聚偏氟乙烯中的一种或多种。
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|---|---|---|---|---|
| CN112455635A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-03-09 | 南京航空航天大学 | 一种压电驱动划水式潜航器及其驱动方法 |
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| CN116443221A (zh) * | 2023-04-20 | 2023-07-18 | 北方工业大学 | 一种单驱动机器鱼及其平面运动控制方法 |
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