CN111891323A - 一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼，包括鱼头结构和鱼身结构，所述鱼头结构包括鱼头外壳和密封箱，所述鱼身结构包括由第一关节和第二关节构成的柔性鱼体和被动运动的柔性尾鳍；所述鱼身结构的前端有四个凸起键，与所述鱼头结构末端的凹槽间隙配合，并有四个均匀分布的定位孔保证连接紧密不发生相对滑动。本发明采用仿鲨鱼外形，减小了机器鱼的游动阻力，提高了游动性能；采用柔性驱动的方式，使得机器鱼的摆动更加柔顺流畅，增强了机器鱼的环境适应性，降低了对周围环境的扰动和噪音；采用内部水压驱动，降低了成本，减除了污染，对环境绿色环保；采用两关节柔性驱动，实现机器鱼S形摆动，使其运动姿态更加贴近鱼类，增大了游动速度，提高了推进效率。

Description

一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼。

背景技术

海洋是我国重要的国土资源，建设海洋强国，提高海洋资源开发能力，是我国的战略目标。为了开发海洋资源，水下航行器的开发和利用日趋活跃。传统的水下航行器一般采用螺旋桨推进器作为驱动器，但因其自身机械结构和推进机理的特点，存在着推进效率低、噪音大、灵活性差等不足。鱼类具有卓越的运动能力，其高效性、机动性、低噪音等优点正是现有的水下航行器所需要的，因此仿生推进的研究吸引了国内外许多学者的研究兴趣，他们希望研究出接近真实鱼类的仿生机器鱼，来适应水下复杂的环境，进行各种水下的工作。

目前国内关于仿生机器鱼的发明设计还存在许多不足之处，专利CN110077566A提出了一种多关节连杆式尾部机构推进的仿生机器鱼，利用齿轮组啮合实现多个关节的运动，该机器鱼虽然能够模拟鱼体尾部的波状摆动，具有良好的灵活度和机动性能，但是由连杆组成的刚性关节只能实现折线形不连续摆动，摆动姿态僵硬，游动阻力较大，对环境适应性较低；专利CN109941415A提出了一种绳索牵引放生软骨机器鱼，该机器鱼使用绳索牵引机构作为动力与传动装置驱动鱼尾摆动，虽然机器鱼鱼身具有较高的柔性，可实现连续摆动，但是绳索牵引机构仅由一个电机输出动力，鱼身仅能实现单侧C型摆动，与鱼类波状摆动不符，推进效率较低。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种具有柔性仿生鱼身、能模仿鱼类波状摆动的两关节压力驱动柔性仿生机器鱼，采用液压柔性驱动的方式，使得机器鱼实现S形波状摆动，游动柔顺流畅，能量转换效率和环境适应性高，提高仿生机器鱼的速度和推进效率。

为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：

一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼，包括鱼头结构和鱼身结构，所述鱼头结构包括鱼头外壳和密封箱，所述鱼身结构包括由第一关节和第二关节构成的柔性鱼体和被动运动的柔性尾鳍；所述鱼身结构的前端有四个凸起键，与所述鱼头结构末端的凹槽间隙配合，并有四个均匀分布的定位孔保证连接紧密不发生相对滑动。

进一步，所述仿生机器鱼良好的流线型身体可极大地减小形体阻力，为得到流线型鱼体外形，采用仿形原理，使用三维扫描仪扫描仿真鱼模型，采集到鱼体三维模型，获得本发明的仿生机器鱼外形。

进一步，所述鱼头外壳采用3D打印，顶端内部采用空腔网格结构，目的是减轻鱼头重量，用于放置配重块，达到机器鱼整体的配重平衡；鱼头外壳前段、中间段内部采用阶梯结构，便于密封箱的安放；鱼头结构的末端与鱼身相连。

进一步，所述密封箱由不锈钢材料机械加工制成，为方便编程和读取传感器数据，将密封箱分为电子元器件模块和动力模块，独立密封。所述电子元器件模块包括电子元器件模块密封箱箱体、电子元器件模块密封箱端盖、O型圈构成防水密封舱，以及其内部的电子控制板、传感器，所述子控制板和传感器由肋板固定位置。所述动力模块包括动力模块密封箱箱体、动力模块密封箱端盖、O型圈构成防水密封舱，以及其内部的电池、直流电机、电机驱动器、齿轮泵，所述池、直流电机、电机驱动器、齿轮泵由肋板固定位置，软管由接头与齿轮泵接口相连，电子控制板连接控制电机驱动器，电机驱动器控制直流电机的启停、转速、转向。

进一步，所述柔性鱼身的第一关节或第二关节包括三层结构：左侧弹性驱动单元，右侧弹性驱动单元和中间约束层。所述左侧弹性驱动单元或右侧弹性驱动单元内嵌肋板形成流体空腔，外层弹性材料构成。两侧弹性驱动单元空腔内存在压差时，压强大的一侧拉伸变形大于另一侧，由于受到中间可弯曲但不能伸长的约束层的轴向方向的约束，压强大的一侧外侧伸长量大于贴近约束层的伸长量，从而产生偏向中间层方向的弯曲运动。

进一步，为保证弹性驱动单元的弯曲变形，鱼身外层材料选用硬度较小的弹性材料，内嵌肋板选用硬度较大的弹性材料，中间约束层选用可反复弯曲不可伸长的约束材料，如聚丙烯材料。所述柔性鱼体的第一关节的两侧接口与齿轮泵的两个接口对应连接，第二关节的两侧接口与另一个齿轮泵的两个接口对应连接，齿轮泵的正反转控制关节左右两侧内部水压的大小变化。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

本发明采用仿鲨鱼外形，获得流线型鱼体外形，减小了机器鱼的游动阻力，提高了游动性能；采用柔性驱动的方式，使得机器鱼的摆动更加柔顺流畅，增强了机器鱼的环境适应性，降低了对周围环境的扰动和噪音；采用内部水压驱动，降低了成本，消除了污染，对环境影响小；采用两关节柔性驱动，实现机器鱼S形摆动，使其运动姿态更加接近鱼类，加快了游动速度，提高了推进效率。

附图说明

图1为本发明的仿鲨鱼外形示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的鱼头外壳结构中心剖面俯视图。

图4为本发明的鱼头外壳结构正向主视图。

图5为本发明鱼头内密封箱结构示意图。

图6为本发明电子元器件模块爆炸图。

图7为本发明动力模块爆炸视图。

图8为本发明柔性鱼身驱动单元结构示意图。

图9为本发明驱动单元结构示意图。

图10为本发明驱动单元弯曲原理示意图。

图中，1、鱼头结构，101、空腔网格结构，102、鱼头外壳前段，103、鱼头外壳中间段，104、鱼头末端的连接凹槽，105、鱼头连接处的定位孔，2、电子元器件模块密封箱，201、电子元器件密封箱端盖，202、电子控制板，203、O型圈，204、电子元器件密封箱箱体，205、传感器，206、固定肋板，3、动力模块密封箱，301、动力模块密封箱端盖，302、两个电机驱动器，303、固定肋板，304、O型圈，305、动力模块密封箱箱体，306、两个直流电机，307、两个齿轮泵，308、两个电池，309、软管，310、齿轮泵泵口接头，4、鱼身第一关节，401、鱼身前端的连接凸起键，402、第一关节鱼身流体通道接头，403、第一关节中间约束层，404、第一关节鱼身内嵌肋板，405、第一关节弹性鱼皮，406、第二关节鱼身流体通道，407、鱼身连接处的定位孔，408、第一关节鱼身流体通道，409、第一关节鱼身右侧弹性驱动单元，410、第一关节鱼身左侧弹性驱动单元，5、鱼身第二关节，501、第二关节鱼身流体通道接头，502、第二关节弹性鱼皮，503、第二关节鱼身内嵌流体空腔，504、第二关节鱼身内嵌肋板，505、第二关节中间约束层，6、柔性尾鳍。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

仿生机器鱼良好的流线型身体可极大地减小形体阻力，为得到流线型鱼体外形，使用三维扫描仪扫描仿真鲨鱼模型，采集到鲨鱼鱼体三维模型，获得本发明的仿生机器鱼外形，如图1所示。

如图2所示，一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼，包括鱼头结构和柔性鱼身结构；所述鱼头结构包括鱼头外壳1和电子元器件模块密封箱2、动力模块密封箱3，所述鱼身结构包括鱼身第一关节4、鱼身第二关节5和被动运动的柔性尾鳍6；所述鱼身前端有四个连接凸起键401，与所述鱼头结构末端的凹槽104间隙配合，并有鱼头四个均匀分布的定位孔105与鱼身连接处的定位孔407保证连接紧密不发生相对滑动。

如图3-4所示，所述鱼头外壳1采用3D打印，顶端内部采用空腔网格结构101，目的是减轻鱼头重量，用于放置配重块，达到机器鱼整体的配重平衡；鱼头外壳前段102、中间段103内部采用阶梯结构，便于密封箱的安放；鱼头结构末端的连接凹槽与鱼身相连。

如图5-7所示，所述密封箱由不锈钢材料机械加工制成，为方便编程和读取传感器数据，将密封箱分为电子元器件模块密封箱2和动力模块密封箱3，独立密封。所述电子元器件模块密封箱2由电子元器件模块密封箱端盖201、密封箱箱体204、O型圈203构成防水密封舱，其内部的电子控制板202、传感器205由肋板206固定位置。所述动力模块密封箱3由动力模块密封箱端盖301、动力模块密封箱箱体305、O型圈304构成防水密封舱，其内部的电池308、直流电机306、电机驱动器302、齿轮泵307由肋板303固定位置，软管309由接头310与齿轮泵接口相连，电子控制板202连接控制电机驱动器302，电机驱动器302控制直流电机306的启停、转速、转向。

如图8-10所示，鱼身第一关节4由三层结构组成：第一关节左侧弹性驱动单元410，第一关节右侧驱动单元409，第一关节中间约束层403；鱼身第二关节5也由第二关节左侧弹性驱动单元、第二关节右侧驱动单元和第二关节中间约束层组成；第一、二关节的单侧柔性驱动单元的组成结构相同，其中第二关节单侧柔性驱动单元由中间约束层505，鱼身内嵌肋板504，外层弹性鱼皮502，鱼身内嵌流体空腔503构成。为保证柔性驱动单元的弯曲变形，第一关节弹性鱼皮405材料选用硬度较小的弹性材料，第一关节鱼身内嵌肋板404选用硬度较大的弹性材料，第一关节中间约束层403选用可弯曲但不可拉伸的材料。第一关节4的两侧接口402与齿轮泵的两个接口接头310对应连接，两侧的第二关节鱼身流体通道接头501与另一个齿轮泵的两个接口对应连接，齿轮泵的正反转控制关节左右两侧内部水压的大小变化。

本发明的工作原理是鱼身两个关节4、5分别由软管309与两个齿轮泵307连接，通过具有相位差的两个电机306的转速、换向控制齿轮泵的流量，获得关节内部空腔503的压强变化，引起鱼身关节4、5的左右摆动，从而模仿鱼类摆动。鱼身柔性驱动单元弯曲原理是两侧驱动单元空腔内存在压差时，压强大的左侧驱动单元410拉伸变形大于右侧驱动单元409，由于受到中间可弯曲但不能伸长的约束层403的轴向方向的约束，压强大的一侧驱动单元410外侧伸长量大于贴近约束层的伸长量，从而产生偏向中间层方向的弯曲运动。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两关节压力驱动柔性仿生机器鱼，包括鱼头结构与柔性鱼身结构，其特征在于：所述鱼头结构包括鱼头外壳和密封箱，所述鱼身结构包括由第一关节和第二关节构成的柔性鱼体和被动运动的柔性尾鳍；所述鱼身结构的前端有四个凸起键，与所述鱼头结构末端的凹槽间隙配合，并有四个均匀分布的定位孔保证连接紧密不发生相对滑动。

2.如权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述的仿生机器鱼外形是使用三维扫描仪扫描仿真鱼模型，采集到鱼体三维模型而获得的。

3.如权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼头外壳采用3D打印，顶端内部采用空腔网格结构，用于放置配重块；鱼头外壳前段、中间段内部采用阶梯结构，便于密封箱的安放。

4.如权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述密封箱包括独立密封的电子元器件模块和动力模块。

5.如权利要求4所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述电子元器件模块包括电子元器件模块密封箱箱体、电子元器件模块密封箱端盖、O型圈构成防水密封舱，以及其内部的电子控制板、传感器。

6.如权利要求4所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述动力模块包括由动力模块密封箱箱体、动力模块密封箱端盖、O型圈构成防水密封舱，以及其内部的电池、直流电机、电机驱动器、齿轮泵，软管由接头与齿轮泵接口相连，电子控制板连接控制电机驱动器，电机驱动器控制直流电机的启停、转速、转向。

7.如权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述第一关节或第二关节结构包括三层结构：左侧弹性驱动单元，右侧弹性驱动单元和中间约束层。

8.如权利要求7所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述左侧弹性驱动单元或右侧弹性驱动单元内嵌肋板形成流体空腔，外层弹性材料构成。

9.如权利要求8所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述外层弹性材料选用弹性较大、材料较软的橡胶材料，内嵌肋板选用硬度较大的树脂材料，中间约束层选用可反复弯曲不可伸长的约束材料。

10.如权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述第一关节的两侧流体接口与齿轮泵的两个接口对应连接，第二关节的两侧流体接口与另一个齿轮泵的两个接口对应连接，齿轮泵的正反转控制关节左右两侧内部水压的大小变化。

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