CN112693570A - 基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，包括鱼头组件、胸鳍、尾部连接件、尾鳍、伸缩杆、垃圾收纳网和鱼形外壳；利用机器鱼在水体中自由游动、沉潜的特点主要解决狭小水域固体垃圾的清理问题。本发明的垃圾收集装置采用垃圾收纳网，结构简单，且网可拆卸，网的大小可根据水域大小调整更换；网状结构重量轻，接触面大，降低成本的同时使垃圾存储量扩大。本发明基于胸鳍辅助尾鳍运动的机器鱼在配重块与浮力作用下可沉潜入水，垃圾清洁由单纯的水面范围扩展到整个浅层水域。

Description

基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼

技术领域

本发明涉及机器鱼技术领域，特别涉及一种基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼。

背景技术

对于水面垃圾的清理，现多采用人工打捞或大型综合清污装置，但两者都体积庞大，在狭窄的水域移动不便，成本过高、效率较低；采用传统螺旋桨推进器的水下机器人，在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流，增加阻力与能源消耗、降低推进效率且体积大、噪声较大。模仿鱼类的游动推进模式，研制出高效低噪灵活机动的仿生机器鱼，用以进行水下复杂环境作业，已经成为研究人员追求的目标。

发明内容

本发明的目的在于解决水下机器人推进效率低、体积大、噪声大，现有水面垃圾清理设备体积过大的问题，而提供一种水面垃圾清洁机器鱼，利用机器鱼胸鳍辅助尾鳍运动时灵活性高、体积小，优化解决水域固体垃圾的清理问题，降低成本，提高清洁效率。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，包括鱼头组件、胸鳍、尾部连接件、尾鳍、伸缩杆、垃圾收纳网和鱼形外壳；胸鳍连接在鱼头组件上，能在鱼头组件的作用下转动及上下拍打，尾部连接件连接在鱼头组件的末端，能够驱动鱼体摆动，尾鳍固连在尾部连接件的末端，鱼头组件和尾部连接件均位于鱼形外壳内，伸缩杆固连在鱼形外壳的两侧，伸缩杆的末端通过螺纹连接夹式爪的一端，夹式爪的另一端具有夹爪，夹爪采用高弹性高硬度的碳纤维复合柔性材料，夹爪固定夹持在垃圾收纳网的顶边缘，垃圾收纳网为顶部敞口的网状结构。

鱼形外壳采用流线型，伸缩杆与在所述鱼形外壳固接，两伸缩杆分别与鱼体成锐角对称分布在鱼体两侧，减小游动阻力，借助水体的反作用力将水域垃圾送至所述垃圾收纳网，减少驱动能耗；伸缩杆末端的夹式爪与所述伸缩杆螺纹连接，可人为调节所述垃圾收纳网的角度与距离，从而使所述垃圾收纳网收集不同距离的水面垃圾，也可根据水域大小选择不同的垃圾收纳网，从而实现大范围的垃圾收集的过程。垃圾收纳网通过夹式爪、螺纹连接在伸缩杆上，方便可拆卸更换垃圾收纳网以及倾倒垃圾收纳网中的垃圾。

进一步地，尾部连接件包括多个单元，多个单元沿着鱼体长度方向依次连接，除最后一个单元外，其他每个单元均包括一个舵机和一个固定连接块，固定连接块为U形结构，舵机的转轴转动连接在固定连接块的开口一端，第一个单元的固定连接块另一端固连在舵盘上，舵盘固定于鱼头组件末端；相邻单元之间通过支撑环连接，支撑环整体为环状结构，内部具有一个用于支撑舵机的安装架，前一个单元的舵机支撑在支撑环内，并于支撑环固定连接，下一个单元的固定连接块与前一个单元的舵机固连，最后一个单元的固定连接块一端与前一个单元的舵机固连，另一端固连尾鳍。

优选地，支撑环、固定连接块、舵盘、鱼形外壳均为3D打印成形。

进一步地，鱼头组件包括鱼头外壳和底盘，底盘固定在鱼头外壳内部，底盘上固设有四个舵机，分别为第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，其中第一舵机与第二舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼体外部，即第一舵机的转轴指向鱼体左侧，第二舵机的转轴指向鱼体右侧，第三舵机与第四舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼背；第一舵机与第二舵机工作同步且转动方向完全相反，第三舵机与第四舵机工作同步且转动方向完全相同。

进一步地，第四舵机的转轴上固连摇杆转盘，摇杆转盘的盘面开设有若干个安装孔，若干个安装孔均沿摇杆转盘的中心周向设置，通过在安装孔中插入转盘轴，将摇杆的一端与摇杆转盘连接，摇杆的另一端与滑套连接，滑套套设在连杆的一端，连杆另一端自内向外依次套设有齿轮一和轴承，齿轮一靠近轴承的一侧固连有透盖，透盖与轴承的一端面固连，轴承的另一端面上固连有套筒的一端，轴承设置在轴承座内，轴承座固连在底盘上，穿过轴承的连杆另一端与连接件的一端铰接，连接件的另一端固连胸鳍，且连接件的另一端与套筒的另一端铰接；

第二舵机的转轴上连接有齿轮二，齿轮一与齿轮二啮合。

优选地，底盘上对称连接有四个配重块。配重块对称分布在底盘四个顶点，用于保证机器鱼沉潜与游动时的鱼体稳定。

优选地，底盘上固连有支架，四个舵机位于支架下方。支架固定于所述底盘上，使鱼头空间分层，减小鱼头体积；支架镂空处理，减轻整体重量。支架上放置可包括电源、电线、主控板、无线通信模块等控制组件，声呐、垃圾重量传感器等感知组件以及摄像头、激光雷达等自动定位组件，将鱼头内部空间分层。

本发明的技术效果在于：

本发明利用机器鱼在水体中自由游动、沉潜的特点主要解决狭小水域固体垃圾的清理问题。机器鱼的结构稳定，成本较低，电力驱动无污染。

本发明的垃圾收集装置采用垃圾收纳网，结构简单，且网可拆卸，网的大小可根据水域大小调整更换；网状结构重量轻，接触面大，降低成本的同时使垃圾存储量扩大。

本发明基于胸鳍辅助尾鳍运动的机器鱼在配重块与浮力作用下可沉潜入水，垃圾清洁由单纯的水面范围扩展到整个浅层水域。

本发明可借助无线通信模块进行遥控控制机器鱼运动，4G、5G技术的不断发展，不断扩大无线通信的距离，提高控制精度，远程控制减轻垃圾清理的人力物力；或借助导航定位自主规划路线运动，结合SLAM导航、搜索算法实现机器鱼的自主化运动的设计。

附图说明

图1是本发明的整体结构的透视图；

图2是本发明的整体俯视简图；

图3是尾部连接件的结构示意图；

图4是支撑环的结构示意图；

图5是胸鳍与鱼头内部连接结构示意图；

图6是鱼头组件内部结构图；

图7是鱼头组件内部结构俯视图；

图8是胸鳍连接结构图；

图9是胸鳍传动结构图；

图10是垃圾收纳网的结构示意图；

图11是夹式爪的结构示意图；

图12是机器鱼的区域定位示意图；

图13是机器鱼的控制流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1，一种基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，包括鱼头组件1、胸鳍2、尾部连接件、尾鳍3、伸缩杆4、垃圾收纳网5和鱼形外壳32。

如图1-9，所述鱼头组件1包括鱼头外壳、滑套10、隔套11、透盖12、连杆13、轴承座14、盘头螺钉15、套筒16、连接件17、齿轮一18、摇杆19、摇杆转盘20、转盘轴21、底盘22、配重块23、支架24、电源模块25、主控板26、第一舵机28、第二舵机29、第三舵机30和第四舵机31等。

底盘22固定在鱼头外壳内部，底盘上固设有四个舵机，分别为第一舵机28、第二舵机29、第三舵机30和第四舵机31，其中第一舵机与第二舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼体外部，即第一舵机的转轴指向鱼体左侧，第二舵机的转轴指向鱼体右侧，第三舵机与第四舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼背；第一舵机28与第二舵机29工作同步且转动方向完全相反，第一舵机28与第二舵机上连接的传动机构完全相同，第三舵机30与第四舵机31工作同步且转动方向完全相同，第三舵机30与第四舵机上连接的传动机构完全相同。

如图7-9所示，以右胸鳍为例，第四舵机的转轴上固连摇杆转盘20，摇杆转盘的盘面开设有若干个安装孔，若干个安装孔均沿摇杆转盘的中心周向设置，通过在安装孔中插入转盘轴21，将摇杆的一端与摇杆转盘连接，摇杆的另一端与滑套10连接，滑套套设在连杆的一端，连杆另一端自内向外依次套设有齿轮一和轴承，齿轮一靠近轴承的一侧固连有透盖，透盖与轴承的一端面固连，轴承的另一端面上固连有套筒的一端，穿过轴承的连杆另一端与连接件的一端铰接，连接件的另一端固连胸鳍，且连接件的另一端与套筒的另一端铰接；

第四舵机31转动带动套在舵机输出轴的转盘20同向转动，转盘轴21固定在摇杆转盘20上，为摇杆19传递主动力矩使摇杆19摆动，利用曲柄摇杆工作原理带动连杆13在齿轮一和轴承内左右移动，带动连接件也左右移动，因套筒固定在轴承上，在轴承座固定作用下，使连接件17利用曲柄摇杆原理带动胸鳍2上下拍打运动，完成鱼体游动的升潜运动；

第二舵机的转轴上连接有齿轮二，齿轮一与齿轮二啮合，第二舵机转动带动齿轮一转动，齿轮一带动轴承、套筒、连接件、胸鳍和连杆一起转动，实现胸鳍翻转，完成鱼体游动的前后换向运动。

换向运动和升潜运动通过不同的arduino程序分别控制第一舵机及第二舵机、第三舵机及第四舵机，彼此独立，互不影响，可以实现机器鱼运动的自主性和灵活性，扩大机器鱼所能捕捞水域垃圾的面积和深度。尾鳍驱动电路驱动尾部连接件中舵机，实现尾部摆动和鱼体前进运动。无线通信控制电路主要是连接无线通信模块，通过发射和接收信号波进行与人远程遥控的信息传输，进而实现对机器鱼的遥控，接收PC等用户智能终端发送的控制指令，译码后将指令信息传递给arduino控制板驱动舵机的转动，可以使机器鱼的操作方便简单。

如图13，对机器鱼的遥控通讯如下：

利用单片机改造操控手柄，将前进后退、左右转等按方向定义，并通过相应逻辑的电路设计与单片机对应的I/O口相连，再通过I/O端口给出的高低电平来判断遥控指令，逻辑将控制指令经串口传递给无线通信模块，通过正确设定无线通信模块的工作状态，将控制指令传递给机器鱼子系统，在支架上有该通信模块的收发模块，它接到指令后传递给arduino控制板，从而控制机器鱼机动。

无线通信技术可选为成熟的蓝牙无线控制模块，抗干扰性能好，主要优点在于其扩频特点。蓝牙板块与arduino及单片机的控制编程可实现对舵机控制，并且蓝牙模块可直接在电脑、蓝牙主机、手机等带有蓝牙功能的智能终端上操作控制，降低遥控成本，操作方便。在硬件方面采用串口通信，增加了通信的可靠性。

如图5，所述轴承座14通过盘头螺钉15固定在底盘22上。

如图6、7，底盘上对称连接有四个配重块23，用于保证机器鱼沉潜与游动时的鱼体稳定。

如图6，底盘上固连有支架24，四个舵机位于支架下方，使鱼头空间分层；支架24上可放置电源模块25、稳压模块、电线、主控板26、无线通信模块等控制组件，以及声呐、垃圾重量传感器等感知组件以及摄像机、激光雷达等自主导航组件，所述支架24将鱼头内部空间分层，有利于减小鱼头尺寸；支架24镂空设计，用于减轻整体重量。

电源模块25稳压后接到主控板26上，主控板26控制胸鳍驱动电路、尾鳍驱动电路和无线通信控制电路，胸鳍驱动电路与鱼头组件1中四个舵机相连。

如图8，所述胸鳍2与连接件17通过螺钉连接，连接件与套筒16的一端铰接，由套筒16带动胸鳍2绕中心轴线转动，所述齿轮一外圈固定有透盖12，透盖与所述齿轮一18螺钉连接，套筒一端固连在轴承上，从而使所述胸鳍2固定在所述鱼头组件外侧并随齿轮一18的转动而转动；所述连接件17外侧包裹密封圈与鱼头外壳固定，用于防水密封。

如图1至图4，尾部连接件包括多个单元，多个单元沿着鱼体长度方向依次连接，除最后一个单元外，其他每个单元均包括一个舵机6和一个固定连接块8，固定连接块为U形结构，舵机的转轴转动连接在固定连接块的开口一端，第一个单元的固定连接块另一端固连在舵盘9上，舵盘固定于鱼头组件1末端；相邻单元之间通过支撑环7连接，支撑环整体为环状结构，内部具有一个用于支撑舵机的安装架，前一个单元的舵机支撑在支撑环内，并于支撑环固定连接，下一个单元的固定连接块与前一个单元的舵机固连，最后一个单元的固定连接块一端与前一个单元的舵机固连，另一端固连尾鳍3。

本实施例中，尾部连接件包括4个单元，共有3个舵机，分别为前舵机、中舵机和后舵机，前舵机转动带动所述第二个单元的固定连接块8摆动，从而带动中舵机位置的偏移，然后中舵机带动与其固连的第三个单元的固定连接块8摆动，从而带动后舵机位置的偏移，不同时刻舵机的转角的变化实现尾部的曲线摆角随时间变化，从而为鱼体前进提供主要动力。

在本实施例中，如图4，所述支撑环7起骨架支撑作用，被外侧所述鱼形外壳32包裹。为了防水以及减轻鱼体的总重量，所述支撑环7、固定连接块8、舵盘9、鱼形外壳32均为3D打印成形，同时，硬质鱼形外壳更有助于密封及防水效果。

在本实施例中，所述尾部连接件的舵机6均采用LDX-21型号，在鱼体游动时，通过arduino控制板程序使尾部三个舵机转动不同转角，实现鱼尾部在垂直于鱼体的左右两个方向出现最大90°的偏角。

在本实施例中，所述鱼形外壳32上下部具有流线型，用于减小鱼体游动的阻力。

如图10、11，垃圾收纳网5通过连接在伸缩杆4末端的夹式爪27连接，夹式爪27通过螺纹旋入伸缩杆4末端，夹式爪的夹爪采用高弹性高硬度的碳纤维复合柔性材料，可以手动使其张开，夹住并固定渔网，使所述的垃圾收纳网5固定在所述伸缩杆4末端，夹式爪27使垃圾收纳网5可拆卸更换，从而可以实现依据水域的面积大小选用不同体积的垃圾收纳网，渔网可更换的简单操作提高本发明产品的使用寿命。

伸缩杆选用304不锈钢抄网杆，像钓鱼杆一样硬度高韧性好，可伸缩，所述伸缩杆4与鱼形外壳32固接，连接所述垃圾收纳网5，从而使所述垃圾收纳网5收集不同距离的水面垃圾。

如图12，机器鱼也可利用状态决策树自主进行轨迹规划而运动，通过在支架24上固定防水摄像机、激光雷达以及垃圾探测的传感装置，判定近距离范围内固体垃圾的位置，即下一个到达的垃圾收集点。通过建立区域坐标系，判断机器鱼所在位置区域以及姿态区域来控制机器鱼的游动方向。本次实施例中，以鱼体重心为原点，以鱼体重心到下一个到达的垃圾收集点连线方向为X轴正方向，即得到目标位置与机器鱼的相对位置。在程序中设定机器鱼不断调整自身朝向直到鱼体与X轴正向的位置夹角α范围缩收敛到误差允许范围内，驱动鱼体前进，到达指定位置。

综上所述，本发明提供的一种水面垃圾清洁机器鱼，利用机器鱼胸鳍辅助尾鳍提高机器鱼运动的灵活性，利用垃圾收纳网，降低水面垃圾清洁的成本与操作复杂度，利用无线通信模块或自主导航SLAM定位，提高垃圾收集的智能化水平，可以有效解决在狭小水域垃圾清洁的问题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：包括鱼头组件、胸鳍、尾部连接件、尾鳍、伸缩杆、垃圾收纳网和鱼形外壳；胸鳍连接在鱼头组件上，能在鱼头组件的作用下转动及上下拍打，尾部连接件连接在鱼头组件的末端，能够驱动鱼体摆动，尾鳍固连在尾部连接件的末端，鱼头组件和尾部连接件均位于鱼形外壳内，伸缩杆固连在鱼形外壳的两侧，伸缩杆的末端通过螺纹连接夹式爪的一端，夹式爪的另一端具有夹爪，夹爪采用高弹性高硬度的碳纤维复合柔性材料，夹爪固定夹持在垃圾收纳网的顶边缘，垃圾收纳网为顶部敞口的网状结构。

2.根据权利要求1所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：尾部连接件包括多个单元，多个单元沿着鱼体长度方向依次连接，除最后一个单元外，其他每个单元均包括一个舵机和一个固定连接块，固定连接块为U形结构，舵机的转轴转动连接在固定连接块的开口一端，第一个单元的固定连接块另一端固连在舵盘上，舵盘固定于鱼头组件末端；相邻单元之间通过支撑环连接，支撑环整体为环状结构，内部具有一个用于支撑舵机的安装架，前一个单元的舵机支撑在支撑环内，并于支撑环固定连接，下一个单元的固定连接块与前一个单元的舵机固连，最后一个单元的固定连接块一端与前一个单元的舵机固连，另一端固连尾鳍。

3.根据权利要求2所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：支撑环、固定连接块、舵盘、鱼形外壳均为3D打印成形。

4.根据权利要求2所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：鱼头组件包括鱼头外壳和底盘，底盘固定在鱼头外壳内部，底盘上固设有四个舵机，分别为第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机，其中第一舵机与第二舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼体外部，即第一舵机的转轴指向鱼体左侧，第二舵机的转轴指向鱼体右侧，第三舵机与第四舵机相对鱼头呈左右对称设置，两个舵机的转轴均朝向鱼背；第一舵机与第二舵机工作同步且转动方向完全相反，第三舵机与第四舵机工作同步且转动方向完全相同。

5.根据权利要求4所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：第四舵机的转轴上固连摇杆转盘，摇杆转盘的盘面开设有若干个安装孔，若干个安装孔均沿摇杆转盘的中心周向设置，通过在安装孔中插入转盘轴，将摇杆的一端与摇杆转盘连接，摇杆的另一端与滑套连接，滑套套设在连杆的一端，连杆另一端自内向外依次套设有齿轮一和轴承，齿轮一靠近轴承的一侧固连有透盖，透盖与轴承的一端面固连，轴承的另一端面上固连有套筒的一端，轴承设置在轴承座内，轴承座固连在底盘上，穿过轴承的连杆另一端与连接件的一端铰接，连接件的另一端固连胸鳍，且连接件的另一端与套筒的另一端铰接；

第二舵机的转轴上连接有齿轮二，齿轮一与齿轮二啮合。

6.根据权利要求5所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：底盘上对称连接有四个配重块。

7.根据权利要求5所述的基于胸鳍辅助尾鳍运动的水面垃圾清洁机器鱼，其特征在于：底盘上固连有支架，四个舵机位于支架下方。

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