CN112623169B - 一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，包括鱼头、鱼身和鱼尾，具体包括：鱼头外壳、微型蠕动泵、电池组、控制模块、电磁换向阀组、鱼脊弹簧片、鱼身肋架组、环形液动人工肌肉组、导管、刚柔耦合鱼尾、鱼身蒙皮。本发明创新性地采用液压驱动,将人工肌肉化直为曲，通过液压驱动多个关节，在结构设计方面上还原了鱼类的驱动结构。因此，本发明可以有效突破现有水下机器人效率低、驱动力小、柔顺性差等局限性，在水下勘探、水质检测、水下救援，军事侦察等诸多领域有广泛的应用前景。

Description

一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼

技术领域

本发明涉及水下仿生机器人领域，尤其涉及一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼。

背景技术

传统的水下航行器多采用螺旋桨等方式提供前进的动力，虽然集成化程度比较高，但是其噪声大，效率低，环境不友好等缺点也显而易见，基于此人们将目光转移到了自然界中的鱼类身上，相较于传统的水下航行器，鱼类游动有着高效、灵活、更能够适应自然环境等诸多优势。因此，仿生鱼类机器人的研究已经收到了越来越多的关注。

经过国内外几十年的不断研究和探索，自然界中的生物鱼主要以身体/尾鳍模式(BCF)和中间鳍/对鳍模式(MPF)作为主要的推进方式，采用BCF游动模式的鱼类波动身体并摆动尾鳍来生成推力，产生沿身体向尾鳍传播的鱼体波。而采用MPF游动模式的鱼类只使用中间鳍和两侧对鳍来产生推力。据统计，世界上85％的鱼类都是以BCF模式推进的，通常来讲，BCF游动模式相较于MPF游动模式来说有着机动性强、效率高等特点。

如专利CN206544587U公开的一种串联式电机驱动的仿生鱼推进系统及包含该推进系统的仿生鱼，其设计的仿生鱼采用BCF模式游动，鱼身全部采用刚性元件，在加重了鱼身整体重量的同时，控制复杂、运动姿态生硬的问题也尤为突兀。目前国内外的学者把目光主要聚集在了机器鱼柔性化的问题上，国外的Robert K.Katzschmann等人设计的液压驱动的软体机械鱼，鱼身虽然采用了全柔性的材料，但是其运动模式比较单一，只有一个自由度，不能够产生跟生物鱼相近的鱼体波，使得其运动效率比较低下。

目前大多数的柔性化仿生鱼主要是利用了柔性材料制作出空腔结构，通过注入加压流体使得空腔膨胀的方式来使得鱼体发生变形，这样的作动方式简单，轻量，但是其膨胀产生推力的作动方式与真实的鱼类通过骨骼肌产生收缩力的方式恰好相反，并且驱动力较小，驱动姿态单一，难以满足设计需求。因此，如何设计出一种兼具柔性化、高效率、多自由度、贴合生物鱼作动原理与游动姿态的仿生鱼成为仿生学领域一个仍需解决的难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，包括鱼头、鱼身和鱼尾，所述鱼头和鱼尾分别连接于鱼身的两端，所述鱼身内部设置有多关节，所述鱼头内部设有微型蠕动泵、控制模块和电磁换向阀组，所述控制模块通过调节微型蠕动泵的功率来调节鱼体的弯曲幅度，通过控制电磁换向阀组来控制鱼体的作动频率与时序。

进一步地，所述鱼身包括位于外部的鱼身蒙皮以及位于内部的鱼脊弹簧片、三组鱼身肋架和环形液动人工肌肉，所述鱼脊弹簧片纵向分布于鱼身的中轴线处，三组鱼身肋架由鱼脊弹簧片一端至另一端依次对称且垂直地分布于鱼脊弹簧片的左右两侧，多组环形液动人工肌肉连接于鱼头和鱼身肋架以及相邻的两组鱼身肋架之间。

进一步地，所述环形液动人工肌肉包括弹性软管、两个扎带和一个三通接头，所述的弹性软管外面包裹等长度的编织网，弯成环形后两端分别套上三通接头的两个接口，两个扎带分别在三通接头的外侧将编织网、弹性软管和三通接头一同扎紧，环形液动人工肌肉充压后能够发生环形收缩。

进一步地，所述的环形液动人工肌肉上的接头与电磁换向阀组上的接头依次连接，当鱼身向一侧摆动时，由于鱼脊弹簧片的作用，另一侧的环形液动人工肌肉会被动拉长，里面的液体通过电磁换向阀组流回微型蠕动泵，微型蠕动泵将流体加压后通过电磁换向阀组泵入这一侧的人工肌肉内使得这一侧的环形液动人工肌肉收缩，环形液动人工肌肉组同时作为传动部件和执行部件，从而实现单个关节的转动。

进一步地，所述的鱼脊弹簧片的外形曲线采用黄鳍金枪鱼的鱼身外形曲线，且与鱼头外壳的外形相契合。

进一步地，每组鱼身肋架上均匀地分布有多个套环，相邻的两个鱼身肋架上的套环相对应，用于分别连接环形液动人工肌肉的两端。

进一步地，所述鱼头包括鱼头外壳，鱼头外壳采用金枪鱼的流线型外形，鱼头外壳的外壁两侧水平对称置有一对仿生胸鳍，内部有用于固定鱼头内部器件的横板，横板上设置有凹槽和定位孔，便于元器件的固定以及导线和导管的连接，所述的横板上下通过螺栓固定有微型蠕动泵、电池组、控制模块、电磁换向阀组依次用导线连接，微型蠕动泵将流体加压后泵入鱼身。

进一步地，所述电磁换向阀组包括三个两位四通电磁换向阀。

进一步地，所述的鱼身蒙皮的外形采用黄鳍金枪鱼的鱼身外形，外形正好紧紧包裹整个鱼身骨架，采用弹性材料浇注，所述的鱼身蒙皮贴合鱼头的一侧边缘和鱼头外壳之间采用粘结剂密封，外面包裹一层防水胶带。

进一步地，所述的鱼尾采用黄鳍金枪鱼的新月形鱼尾外形，包括鱼尾骨架和鱼尾蒙皮；所述鱼尾蒙皮采用弹性材料浇注成，包裹鱼尾骨架，所述的鱼尾骨架和鱼尾蒙皮之间用粘结剂粘结；所述鱼尾骨架采用弹簧片切割而成，远离鱼尾末梢的一端设有定位孔，贴在鱼脊弹簧片的一侧。

本发明还提出一种基于液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼的工作方法，包括如下步骤：

S1、当一个关节需要实现弯曲时，关节对应的电磁换向阀切换到合适的位置，使得一侧的环形液动人工肌肉与微型蠕动泵的出口相接通，另一侧的环形液动人工肌肉与微型蠕动泵的入口相接通。

S2、此时蠕动泵工作，由于鱼脊弹簧片的作用使得另一侧的环形液动人工肌肉被动伸长，里面的流体通过电磁换向阀进入微型蠕动泵的入口，经过微型蠕动泵加压后，从出口流出，经过电磁换向阀将加压流体泵入这一侧的环形液动人工肌肉中，环形液动人工肌肉收缩，从而带动整个关节进行转动，上述的动作都是同时进行的。

S3、当鱼体弯曲到设定的角度之后，控制模块控制电磁换向阀换向，压力流体开始倒流，这一侧的环形液动人工肌肉失去压力源并开始被动拉伸，内部流体经过电磁换向阀流入微型蠕动泵的入口处，经过微型蠕动泵加压后，再经过电磁换向阀泵入另一侧的环形液动人工肌肉，使得另一侧的环形液动人工肌肉发生收缩，从而使得整个关节反向转动。上述过程不断往复循环，从而实现鱼体的左右不断摆动。

S4、上述的只是一个关节的作动过程，本发明有三个独立动作的关节，都可以通过一个压力源，不同的电磁换向阀来单独控制，进而使仿生鱼有着多种运动形态，更加灵活。

S5、调节微型蠕动泵的功率，可以控制输入环形液动人工肌肉的压力，进而可以调节鱼体往复摆动的最大角度。

S6、通过调节电磁换向阀的作动频率与时序，可以控制环形液动人工肌肉的作动频率，从而实现鱼体行进的速度，还可以实现鱼体的转弯。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，具有以下增益效果：

1.本发明中鱼身所用的驱动流体实现了内部循环，即通过微型蠕动泵及电磁换向阀实现了驱动流体在左右对称的环形液动人工肌肉之间往复流通，解决了传统液驱机器人存在的驱动介质难以循环，或者需要额外的储油储水仓等问题。

2.本发明中仿生鱼的驱动单元采用了环形液动人工肌肉这种柔性驱动器，并且结合鱼脊弹簧片的挠性，可以使仿生鱼具有更高的柔韧性，并且从驱动结构上来看，环形液动人工肌肉驱动关节转动的构造也结构上也接近于真实的鱼类肌肉结构，仿生性能更好。

3.本发明创新性地采用环形液动人工肌肉，相比于传统的直线式液动人工肌肉而言，环形液动人工肌肉在加压时可以提供有效地收缩力的同时，在没有压力时又可以被动地伸长，这样的特性在相当的程度上还原了鱼类的骨骼肌。

4.本发明中的仿生鱼可以通过调节微型蠕动泵的功率和电磁换向阀的作动时序与作动频率来调节鱼体的摆动幅度，摆动姿态和摆动的速度，使得仿生鱼更加灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼的整体装配视图；

图2为本发明实施例提供的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼的爆炸视图；

图3本发明实施例提供的鱼头外壳示意图；

图4本发明实施例提供的环形液动人工肌肉示意图；

图5本发明实施例提供的液压系统示意图。

附图标记说明：

A、鱼头

A-1、鱼头外壳，A-1-1、仿生胸鳍，A-1-2、横板，A-1-3、竖向凹槽，A-1-4、套环，A-2、控制模块，A-3、微型蠕动泵，A-4、锂电池组，A-5、电磁换向阀组，A-5-1、电磁换向阀；

B、鱼身

B-1、鱼脊弹簧片，B-2-1、第一关节鱼身肋架(右)，B-2-2、第一关节鱼身肋架(左)，B-2-1-1、套环一，B-2-1-2、套环二，B-3-1、第二关节鱼身肋架(右)，B-3-2、第二关节鱼身肋架(左)，B-3-1-1、套环三，B-3-1-2套环四，B-4-1、第三关节鱼身肋架(右)，B-4-2、第三关节鱼身肋架(左)，B-4-1-1、套环五，B-5-1-1、环形液动人工肌肉，B-5-1-1-1、编制网，B-5-1-1-2、弹性软管，B-5-1-1-3、三通接头，B-5-1-1-4、扎带，B-6、鱼身蒙皮；

C、鱼尾

C-1、鱼尾骨架，C-2、鱼尾蒙皮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。下面根据图1-5详细描述根据本发明的一种基于液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼。

如图1-5所示，本发明实施例公开了一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，包括三个模块：鱼头A、鱼身B和鱼尾C。其中：

如图1所示，鱼头A和鱼尾C分别连接于鱼身B的两端，如图2所示，具体主要包括：鱼头外壳A-1、微型蠕动泵A-3、电池组A-4、控制模块A-2、电磁换向阀组A-5、鱼脊弹簧片B-1、三组鱼身肋架组、环形液动人工肌肉组、鱼身蒙皮B-6、鱼尾骨架C-1和鱼尾蒙皮C-2。

具体的，如图3所示鱼头A包括鱼头外壳A-1，鱼头外壳A-1还原了金枪鱼的流线型外形，鱼头外壳A-1的外壁两侧水平对称置有一对仿生胸鳍A-1-1，内部有用于固定鱼头内部器件的横板A-1-2，横板上设置有凹槽和定位孔，便于元器件的固定以及导线和导管的连接。

进一步的，如图1和2所示，横板A-1-2上下通过螺栓固定有微型蠕动泵A-3、电池组A-4、控制模块A-2、电磁换向阀组A-5等元件，微型蠕动泵A-3、电池组A-4、电磁换向阀组A-5、控制模块A-2依次用导线连接，微型蠕动泵A-3将流体加压后泵入鱼身B。

更进一步的，微型蠕动泵A-3、电池组A-4和控制模块A-2按照电路连接的规则用导线依次连接。微型蠕动泵A-3、电磁换向阀组A-5按照依次用导管连接，电磁换向阀组A-5由与关节数目相对应的两位四通换向阀组成。微型蠕动泵A-3将来自于单侧环形液动人工肌肉B-5的流体，经过电磁换向阀组A-5加压后再通过电磁换向阀组A-5泵入对侧的环形液动人工肌肉B-5内。

进一步的，控制模块A-2通过调节微型蠕动泵A-3的功率来调节鱼体的弯曲幅度，通过控制电磁换向阀组A-5来控制鱼体的作动频率与时序。控制模块A-2内部含有GPS定位系统，陀螺仪，控制板等元件，可以方便地定位仿生鱼，检测运动姿态。控制模块A-2上包含有通信系统，可以接受外部的控制信号来控制微型蠕动泵和电磁换向阀的作动方式，进而控制仿生鱼的行进路径。

鱼头外壳A-1在靠近鱼身B的边缘处有用于固定鱼脊弹簧片的竖向凹槽A-1-3。竖向凹槽A-1-3的两端上下置有定位孔，用以和鱼脊弹簧片B-1通过螺栓固定。

鱼头外壳A-1靠近鱼身B的边缘处置有与鱼身肋架组B-2相对应的六个套环A-1-4。

鱼身B包括鱼脊弹簧片B-1、鱼身肋架组、环形液动人工肌肉组和鱼身蒙皮B-6。鱼身肋架组固定在鱼脊弹簧片B-1上，环形液动人工肌肉组均匀地排布在鱼头A和鱼身肋架及鱼身肋架和鱼身肋架之间，为关节的运动提供收缩力，所述的电磁换向阀组A-5包括三个两位四通电磁换向阀，所述的环形液动人工肌肉组B-5上的接头B-5-3与所述的电磁换向阀组A-5上的接头依次连接。

进一步的，鱼脊弹簧片B-1的外形曲线还原了黄鳍金枪鱼的鱼身外形曲线，与鱼头外壳A-1的外形相契合，鱼脊弹簧片B-1上两侧对称布置鱼身肋架组。

进一步的，鱼身肋架组由三组对称的鱼身肋架组组成，三组鱼身肋架组按照大小分为第一关节鱼身肋架组，第二关节鱼身肋架组以及第三关节鱼身肋架组，鱼身肋架组按照从第一关节到第三关节的排布方式由从鱼头到鱼尾的方向依次排布。

更进一步的，第一关节鱼身肋架组由两个完全对称的较大尺寸的第一关节鱼身肋架(右)B-2-1、第一关节鱼身肋架(左)B-2-2组成，第一关节鱼身肋架(右)B-2-1和第一关节鱼身肋架(左)B-2-2在靠近鱼头A的一侧置有与鱼头外壳A-1边缘处的套环相对应的三个套环一B-2-1-1，在靠近第二关节鱼身肋架组的一侧置有与第二关节鱼身肋架组相对应的两个套环二B-2-1-2，在上下两侧置有对称的凸台用以与鱼脊弹簧片B-1连接，凸台上有两个对称的定位孔用来和鱼脊弹簧片B-1通过螺栓固定。

第二关节鱼身肋架组由两个中等尺寸的第二关节鱼身肋架(右)B-3-1、第二关节鱼身肋架(左)B-3-2组成，第二关节鱼身肋架(右)B-3-1、第二关节鱼身肋架(左)B-3-2在靠近鱼身第一关节鱼身肋架组的一侧置有与第一关节鱼身肋架组上的套环相对应的两个套环三B-3-1-1，在靠近第三关节鱼身肋架组的一侧置有与第三关节鱼身肋架组上的套环相对应的一个套环四B-3-1-2，在上下两侧置有对称的凸台用以与鱼脊弹簧片B-1连接，凸台上有两个对称的定位孔用来和鱼脊弹簧片B-1通过螺栓固定。

第三关节鱼身肋架组由两个较小尺寸的第三关节鱼身肋架(右)B-4-1、第三关节鱼身肋架(左)B-4-2组成，所述的第三关节鱼身肋架(右)B-4-1、第三关节鱼身肋架(左)B-4-2在靠近第二关节鱼身肋架组的一侧置有与第二关节鱼身肋架组上的套环相对应的一个套环五B-4-1-1，侧面有均匀排布的四个定位孔用来和鱼脊弹簧片B-1通过螺栓固定连接。

第一关节鱼身肋架(右)B-2-1、第一关节鱼身肋架(左)B-2-2、第二关节鱼身肋架(右)B-3-1、第二关节鱼身肋架(左)B-3-2和第三关节鱼身肋架(右)B-4-1、第三关节鱼身肋架(左)B-4-2整体呈弧形，弧度还原了黄鳍金枪鱼的截面弧度。

进一步的，环形液动人工肌肉组固定在鱼身肋架组与鱼头外壳B-1上面的套环内，环形液动人工肌肉组包括三组环形液动人工肌肉组，分别为第一关节环形液动人工肌肉组，第二关节环形液动人工肌肉组和第三关节环形液动人工肌肉组。

更进一步的，第一关节液动人工肌肉组包括六个对称布置的环形液动人工肌肉B-5-1-1，环形液动人工肌肉B-5-1-1一侧固定在鱼头A靠近第一关节鱼身肋架组B-2的套环B-2-1-1内，另一侧固定在第一关节鱼身肋架组B-2对应的靠近鱼头A一侧的套环A-1-4内。

第二关节液动人工肌肉组包括四个对称布置的环形液动人工肌肉，第二关节环形液动人工肌肉组包括的环形液动人工肌肉一侧固定在第一关节鱼身肋架组B-2靠近第二关节鱼身肋架组B-3一侧的套环B-2-1-2内，另一侧固定在第二关节鱼身肋架组B-3对应的靠近第一关节鱼身肋架组B-2一侧的套环B-3-1-1内。

第三关节液动人工肌肉组包括两个对称布置的环形液动人工肌肉，第三关节环形液动人工肌肉组包括的环形液动人工肌肉一侧固定在第二关节鱼身肋架组靠近第三关节鱼身肋架组一侧的套环内，另一侧固定在第三关节鱼身肋架组上对应的套环B-4-1-1内。

更进一步的，如图4所示，环形液动人工肌肉B-5-1-1的结构主要包括弹性软管B-5-1-1-2，编织网B-5-1-1-1，两个扎带B-5-1-1-3，一个三通接头B-5-1-1-4，所述的弹性软管B-5-1-1-2外面包裹等长度的编织网B-5-1-1-1，弯成环形后两端分别套上三通接头B-5-1-1-4的两个接口，两个扎带B-5-1-1-3分别在三通接头B-5-1-1-4的外侧将编织网B-5-1-1-1、弹性软管B-5-1-1-2和三通接头B-5-1-1-4一同扎紧，环形液动人工肌肉B-5-1-1充压后会发生环形收缩。具体的，当鱼身B向一侧摆动时，由于鱼脊弹簧片B-1的作用，另一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-1会被动拉长，里面的液体通过电磁换向阀组A-5流回微型蠕动泵A-3，微型蠕动泵A-3将流体加压后通过电磁换向阀组A-5泵入这一侧的人工肌肉内使得这一侧的环形液动人工肌肉收缩，环形液动人工肌肉组可同时作为传动部件和执行部件，从而实现单个关节的转动。

鱼身蒙皮B-6的外形还原了黄鳍金枪鱼的鱼身外形，外形正好紧紧包裹整个鱼身骨架，采用弹性材料浇注，所述的鱼身蒙皮B-6贴合鱼头A的一侧边缘和鱼头外壳A-1之间采用粘结剂保证密封，外面包裹一层防水胶带，所述的鱼身蒙皮B-6另一端贴合第三关节鱼身肋架组B-4的表面，外面用扎带扎紧。

鱼尾C包括鱼尾骨架C-1和鱼尾蒙皮C-2，鱼尾骨架C-1与第三关节鱼身肋架组B-4和鱼脊弹簧片B-1连接，鱼尾蒙皮B-6包裹鱼尾骨架C-1。

更进一步的，鱼尾C整体造型还原了黄鳍金枪鱼的新月形鱼尾外形，鱼尾C包括鱼尾骨架C-1和鱼尾蒙皮C-2两部分。鱼尾骨架C-1采用弹簧片切割而成，远离鱼尾末梢的一端设有定位孔，贴在鱼脊弹簧片B-1的一侧，夹在第三关节鱼身肋架组B-4的中间。鱼尾蒙皮C-2采用弹性材料浇注成新月形并包裹住鱼尾骨架C-1，所述的鱼尾骨架C-1和鱼尾蒙皮C-2之间用粘结剂粘结。

如图5所示，本发明还提出一种基于液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼的工作方法，包括如下步骤：

S1、当一个关节需要实现弯曲时，关节对应的电磁换向阀A-5-1切换到合适的位置，使得一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-1与微型蠕动泵A-3的出口相接通，另一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-4与微型蠕动泵A-3的入口相接通。

S2、此时微型蠕动泵A-3工作，由于鱼脊弹簧片B-1的作用使得另一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-1被动伸长，里面的流体通过电磁换向阀A-5-1进入微型蠕动泵A-3的入口，经过微型蠕动泵A-3加压后，从出口流出，经过电磁换向阀B-5-1-1将加压流体泵入这一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-1中，环形液动人工肌肉收缩，从而带动整个关节进行转动，上述的动作都是同时进行的。

S3、当鱼体弯曲到设定的角度之后，控制模块A-2控制电磁换向阀A-5-1换向，压力流体开始倒流，这一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-1失去压力源并开始被动拉伸，内部流体经过电磁换向阀A-5-1流入微型蠕动泵A-3的入口处，经过微型蠕动泵A-3加压后，再经过电磁换向阀A-5-1泵入另一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-4，使得另一侧的环形液动人工肌肉B-5-1-4发生收缩，从而使得整个关节反向转动。上述过程不断往复循环，从而实现鱼体的左右不断摆动。

S4、上述的只是一个关节的作动过程，本发明有三个独立动作的关节，都可以通过一个压力源，不同的电磁换向阀来单独控制，进而使仿生鱼有着多种运动形态，更加灵活。

S5、调节微型蠕动泵A-3的功率，可以控制输入环形液动人工肌肉的压力，进而可以调节鱼体往复摆动的最大角度。

S6、通过调节电磁换向阀A-5的作动频率与时序，可以控制环形液动人工肌肉B-5的作动频率，从而实现仿生鱼行进的速度，还可以实现仿生鱼的转弯。

本发明中的微型蠕动泵A-3、控制模块A-2、电池组A-4与电磁换向阀组A-5中相应的组件通过导线连接，微型蠕动泵A-3、电磁换向阀组A-5，环形液动人工肌肉组中相应组件通过导气软管相连，图2中为了描述简洁，未画出电线与导管，因此，为避免对本发明产生局限性的误解，在此不对导线与导管作硬性描述。同样地，控制模块A-2、微型蠕动泵A-3、电池组A-4、电磁换向阀组A-5、为市场现有产品，因此也不对其原理进行解析。

本发明在结构上创新性地采用环形液动人工肌肉来为关节的扭转提供驱动力，不仅能够实现主动收缩，还能实现被动的伸长，克服了传统具有编织结构的人工肌肉只能收缩，舒张程度低的问题，这样在单侧的肌肉进行收缩时，另一侧的肌肉可以被动的伸长。在驱动方式上，创新性地采用了流体内循环的方式来驱动环形液动人工肌肉，即将需要舒张一侧的环形液动人工肌肉内的流体通过微型蠕动泵加压泵入到另一侧需要收缩的环形液动人工肌肉中。在控制方式上通过对电磁换向阀的调控可以实现对各个关节的单独调控。本发明通过上述的设计减轻了鱼体的重量，提高了鱼身的自由度与推进效率，在相当大的程度上还原了真实鱼类肌肉的作动形态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。以上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：其依然可以对前述各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，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，包括鱼头、鱼身和鱼尾，所述鱼头和鱼尾分别连接于鱼身的两端，所述鱼身内部设置有多关节，所述鱼头内部设有微型蠕动泵、控制模块和电磁换向阀组，所述控制模块通过调节微型蠕动泵的功率来调节鱼体的弯曲幅度，通过控制电磁换向阀组来控制鱼体的作动频率与时序；

所述鱼身包括位于外部的鱼身蒙皮以及位于内部的鱼脊弹簧片、三组鱼身肋架和环形液动人工肌肉，所述鱼脊弹簧片纵向分布于鱼身的中轴线处，三组鱼身肋架由鱼脊弹簧片一端至另一端依次对称且垂直地分布于鱼脊弹簧片的左右两侧，多组环形液动人工肌肉连接于鱼头和鱼身肋架以及相邻的两组鱼身肋架之间；

所述环形液动人工肌肉包括弹性软管、两个扎带和一个三通接头，所述的弹性软管外面包裹等长度的编织网，弯成环形后两端分别套上三通接头的两个接口，两个扎带分别在三通接头的外侧将编织网、弹性软管和三通接头一同扎紧，环形液动人工肌肉充压后能够发生环形收缩；

所述的环形液动人工肌肉上的接头与电磁换向阀组上的接头依次连接，当鱼身向一侧摆动时，由于鱼脊弹簧片的作用，另一侧的环形液动人工肌肉会被动拉长，里面的液体通过电磁换向阀组流回微型蠕动泵，微型蠕动泵将流体加压后通过电磁换向阀组泵入这一侧的人工肌肉内使得这一侧的环形液动人工肌肉收缩，环形液动人工肌肉组同时作为传动部件和执行部件，从而实现单个关节的转动。

2.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，所述的鱼脊弹簧片的外形曲线采用黄鳍金枪鱼的鱼身外形曲线，且与鱼头外壳的外形相契合。

3.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，每组鱼身肋架上均匀地分布有多个套环，相邻的两个鱼身肋架上的套环相对应，用于分别连接环形液动人工肌肉的两端。

4.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，所述鱼头包括鱼头外壳，鱼头外壳采用金枪鱼的流线型外形，鱼头外壳的外壁两侧水平对称置有一对仿生胸鳍，内部有用于固定鱼头内部器件的横板，横板上设置有凹槽和定位孔，便于元器件的固定以及导线和导管的连接，所述的横板上下通过螺栓固定有微型蠕动泵、电池组、控制模块、电磁换向阀组依次用导线连接，微型蠕动泵将流体加压后泵入鱼身。

5.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，所述电磁换向阀组包括三个两位四通电磁换向阀。

6.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，所述的鱼身蒙皮的外形采用黄鳍金枪鱼的鱼身外形，外形正好紧紧包裹整个鱼身骨架，采用弹性材料浇注，所述的鱼身蒙皮贴合鱼头的一侧边缘和鱼头外壳之间采用粘结剂密封，外面包裹一层防水胶带。

7.根据权利要求1所述的基于环形液动人工肌肉的多关节刚柔耦合仿生鱼，其特征在于，所述的鱼尾采用黄鳍金枪鱼的新月形鱼尾外形，包括鱼尾骨架和鱼尾蒙皮；所述鱼尾蒙皮采用弹性材料浇注成，包裹鱼尾骨架，所述的鱼尾骨架和鱼尾蒙皮之间用粘结剂粘结；所述鱼尾骨架采用弹簧片切割而成，远离鱼尾末梢的一端设有定位孔，贴在鱼脊弹簧片的一侧。

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