CN113428330A - 一种柔性仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种柔性仿生机器鱼，主要包括机器鱼外壳、驱动模块、动作模块和控制模块，机器鱼外壳包括鱼头壳、鱼身壳和鱼尾壳；驱动模块包括采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板；动作模块的一端与驱动模块连接，另一端与鱼尾壳连接，以驱使鱼尾壳往复摆动；控制模块与驱动模块通讯连接，以调控驱动板的动作周期。本发明的各模块位置分布清晰，拆装方便；通过设置采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板，并将其作为驱动器，重量轻，力矩大，体积小，可较容易地实现仿生机器鱼的理想工作状态。

Description

一种柔性仿生机器鱼

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种仿生机器鱼，特别是涉及一种由形状记忆合金驱动的柔性仿生机器鱼。

背景技术

鱼类的游动有着效率高、速度快等特点，因此从仿生学的角度出发，人们研制出各种各样的仿生机器鱼。正是仿生机器鱼的出现扩大了人类对海洋的探索领域，使人们更容易地进行水质勘测、水中地形绘制等任务。

目前，仿生机器鱼的驱动方式主要是电机驱动，就是利用电机和舵机带动螺旋桨或者转化为鱼鳍的运动实现机器鱼的游动，再配合传感器或者摄像头等感知装置就可以实现机器鱼的无人控制模式。但是，由于电机的重量较大，体积较大，导致机器鱼在重量和结构上都很难进行协调布局；同时由于电机的力矩较小，响应较慢等因素导致仿生机器鱼很难达到预期的工作状态。

因此，需要设计一种重量较轻，响应较快，力矩较大的仿生机器鱼，以克服上述现有技术存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性仿生机器鱼，以解决上述现有技术存在的问题，该仿生机器鱼由形状记忆合金驱动，重量较轻，响应较快，力矩较大，可实现仿生机器鱼的平稳游动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种由形状记忆合金驱动的柔性仿生机器鱼，主要包括：

机器鱼外壳，所述机器鱼外壳包括鱼头壳、鱼身壳和鱼尾壳；

驱动模块，所述驱动模块固定设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，其包括采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板；

动作模块，所述动作模块设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，且所述动作模块的一端与所述驱动模块连接，另一端与所述鱼尾壳连接，以驱使所述鱼尾壳往复摆动；

控制模块，所述控制模块设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，所述控制模块与所述驱动模块通讯连接，以调控所述驱动板的动作周期。

可选的，所述控制模块包括：

单片机固定板，所述单片机固定板固定设置于所述鱼头壳内；

单片机，所述单片机固定设置于所述单片机固定板的一侧，用于与所述驱动模块通讯连接。

可选的，所述驱动模块还包括：

驱动板底板，所述驱动板底板固定设置于所述鱼头壳内，用于固定所述驱动板；所述驱动板至少设置有一块，且至少一块所述驱动板上设置有结构孔；

驱动板零件组，所述驱动板零件组包括驱动板连杆和横动滑块，所述驱动板连杆的一端连接所述结构孔，另一端连接所述横动滑块；所述驱动板或所述驱动板底板上设置有供所述横动滑块滑动的第一滑道，所述第一滑道沿垂直于所述驱动板连杆的方向延伸；所述驱动板连杆与所述动作模块连接。

可选的，所述驱动板底板固定设置于所述单片机固定板的另一侧。

可选的，所述动作模块包括滑块连杆机构，所述滑块连杆机构的一端连接所述驱动板连杆，另一端连接所述鱼尾壳，以驱使所述鱼尾壳往复摆动。

可选的，所述滑块连杆机构包括：

第二滑道，所述第二滑道固定于所述驱动板底板上，且其沿所述机器鱼外壳的长度方向延伸；

传动杠杆，所述传动杠杆的一端与所述驱动板连杆铰接；

尾部杠杆，所述尾部杠杆的一端与所述传动杠杆的另一端铰接，所述尾部杠杆的另一端用于与所述鱼尾壳固定连接；

纵动滑块，所述纵动滑块设置有多个，所述传动杠杆和所述尾部杠杆均可转动连接有所述纵动滑块；任意一所述纵动滑块均滑动安装于所述第二滑道内。

可选的，所述传动杠杆至少连续设置有两根，且任意相邻两根所述传动杠杆之间铰接，形成传动杠杆组；所述传动杠杆组的一端与所述驱动板连杆铰接，另一端与所述尾部杠杆铰接。

可选的，所述驱动板零件组对称设置有两组，两组所述驱动板零件组内的所述驱动板连杆通过驱动板连杆连接件固定连接；任意一组所述驱动板零件组均连接一组所述动作模块。

可选的，两组所述动作模块中的所述第二滑道开设于同一杆状结构的两侧；两所述第二滑道或间隔或连通。

可选的，所述鱼尾壳包括：

尾部肌肉组织部分，所述尾部肌肉组织部分的前端用于与所述鱼身壳连接；

鱼尾部分，所述鱼尾部分与所述尾部肌肉组织部分的后端可拆卸连接；所述动作模块与所述鱼尾部分连接，以驱使所述鱼尾部分往复摆动。

可选的，所述鱼尾部分与所述尾部肌肉组织部分的后端可转动连接。

可选的，所述第二滑道与所述第一滑道和所述驱动板连杆均垂直。

可选的，所述控制模块用于控制流经所述驱动板的电流，以调控所述驱动板的动作周期。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的柔性仿生机器鱼，结构新颖合理，驱动模块内设置有采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板，鱼尾壳通过动作模块与该驱动板连接，从而鱼尾壳可由形状记忆合金驱动作往复摆动，重量较轻，响应较快，力矩较大，可实现仿生机器鱼的平稳游动，可较容易地实现仿生机器鱼的理想工作状态。

此外，在本发明提出的另一技术方案中，柔性仿生机器鱼的驱动模块通过形状记忆合金的变形可实现结构孔所处位置的正弦往复运动，动作模块的滑块连杆机构随形状记忆合金的变形呈波状运动，且力矩较大，同时滑块连杆机构将正弦往复运动转变为尾部的正弦摆动，实现了机器鱼尾部的摆动模式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼整体结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼中控制模块的立体示意图；

图3为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼中驱动模块的立体示意图；

图4为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼中动作模块的立体示意图；

图5为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼中机器鱼外壳的结构示意图；

图6为本发明实施例所公开的柔性仿生机器鱼中鱼尾上下摆动示意图；

图7为本发明实施例所公开的控制策略示意图。

其中，附图标记为：

001、柔性仿生机器鱼；

1、控制模块；101、单片机；102、单片机固定板；

2、驱动模块；201、驱动板；202、驱动板底板；203、横动滑块；204、驱动板连杆；205、驱动板连杆连接件；206、第一滑道；

3、动作模块；301、第一传动杠杆；302、第二传动杠杆；303、尾部杠杆；304、第一短纵动滑块；305、第二短纵动滑块；306、长纵动滑块；307、连杆盖；308、第二滑道；

4、机器鱼外壳；401、鱼头壳；402、尾部肌肉组织部分；403、鱼尾部分。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的之一是提供一种柔性仿生机器鱼，以解决现有技术存在的问题，该仿生机器鱼由形状记忆合金驱动，重量较轻，响应较快，力矩较大，可实现仿生机器鱼的平稳游动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-6所示，本实施例提供一种由形状记忆合金驱动的柔性仿生机器鱼001，主要包括控制模块1、驱动模块2、动作模块3和机器鱼外壳4。其中，机器鱼外壳4包括可前后依次连接鱼头壳401、鱼身壳和鱼尾壳；驱动模块2固定设置于鱼头壳401或鱼身壳内，位于柔性仿生机器鱼001的前中部，其包括采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板201；动作模块3设置于鱼头壳401或鱼身壳内，位于柔性仿生机器鱼001的中后部，动作模块3的前端与驱动模块2连接，后端与鱼尾壳连接，以驱使鱼尾壳往复摆动；控制模块1设置于鱼头壳401或鱼身壳内，控制模块1与驱动模块2通讯连接，以调控驱动板201的动作周期。上述各模块之间相对独立，可进行整体拆卸，作为优选方式，控制模块1和动作模块3与机器鱼外壳4固定连接，驱动模块2和控制模块1固定连接。

本实施例中，如图2所示，控制模块1包括单片机101和单片机固定板102，单片机固定板102优选通过螺钉螺母固定设置于鱼头壳401内，并垂直于机器鱼的长度延伸方向。单片机101优选通过四个螺钉螺母固定连接在单片机固定板102的远离鱼尾的侧面，即前侧面。单片机101用于与驱动模块2通讯连接，以提供驱动器(即通入电流的驱动板201)的控制策略。

本实施例中，如图3所示，驱动模块2还包括驱动板底板202和驱动板零件组。其中，驱动板底板20固定设置于鱼头壳401内，用于固定驱动板201；驱动板201至少设置有一块，且至少一块驱动板201上设置有结构孔；驱动板零件组包括驱动板连杆204和横动滑块203，驱动板连杆204的一端贯穿并连接上述结构孔，另一端连接横动滑块203；驱动板201或驱动板底板202上设置有供横动滑块203滑动的第一滑道206，第一滑道206沿垂直于驱动板连杆204的方向延伸；驱动板连杆204与动作模块3连接。

作为优选方式，如图3所示，本实施例的驱动板201优选为MigaOne(品牌)驱动板，是一种较为常见的现有记忆合金驱动器。驱动板201通过四个螺钉螺母固定连接在驱动板底板202上，驱动板底板202通过四个螺钉螺母固定连接在单片机固定板102的后侧面。驱动板201垂直于驱动板底板202设置，平行于机器鱼的长度延伸方向，其结构孔设置于驱动板201的靠近鱼尾的外边缘，结构孔的朝向垂直于机器鱼的长度延伸方向，驱动板连杆204穿过驱动板201的结构孔并与其固定。本实施例中，第一滑道206设置于驱动板底板202上，其与驱动板连杆204垂直，且垂直于机器鱼的长度延伸方向，横动滑块203与第一滑道206滑动连接。

本实施例中，如图4所示，动作模块3包括滑块连杆机构，滑块连杆机构的一端连接驱动板连杆204，另一端连接鱼尾壳，以驱使鱼尾壳往复摆动。其中，滑块连杆机构主要包括第二滑道308、至少两根传动杠杆、尾部杠杆303和若干纵动滑块；第二滑道308固定于驱动板底板202上，且其沿机器鱼外壳4的长度方向延伸，并垂直于驱动板底板202；传动杠杆至少连续设置有两根，且任意相邻两根传动杠杆之间铰接，形成传动杠杆组；传动杠杆组的一端与驱动板连杆204铰接，另一端与尾部杠杆303的一端铰接；尾部杠杆303的另一端用于与鱼尾壳固定连接；纵动滑块设置有多个，任意一传动杠杆和任意一尾部杠杆303均连接有一纵动滑块；任意一纵动滑块均滑动安装于第二滑道308内。

作为优选方式，如图4所示，传动杠杆设置有两根，分别为第一传动杠杆301和第二传动杠杆302；第一传动杠杆301、第二传动杠杆302和尾部杠杆303分别对应连接一纵动滑块，且由于第一传动杠杆301、第二传动杠杆302和尾部杠杆303之间为铰接，所以三杠杆连接后，两端的杠杆位于下方、中间的杠杆相对位于上方，或者两端的杠杆位于上方、中间杠杆相对位于下方，如图4所示，本实施例优选两端的第一传动杠杆301和尾部杠杆303位于下方，中间的第二传动杠杆302高于第一传动杠杆301和尾部杠杆303，基于此，纵动滑块可总共设置三块，包括两块分别与第一传动杠杆301和尾部杠杆303连接的短纵动滑块和一块与第二传动杠杆302连接的长纵动滑块306。其中，两块短纵动滑块分别为第一短纵动滑块304和第二短纵动滑块305。具体操作时，首先按由鱼头至鱼尾的顺序将第一短纵动滑块304、长纵动滑块306及第二短纵动滑块305放入第二滑道308内，第一传动杠杆301一端(前端)的端孔穿过驱动板连杆204，中间孔穿过第一短纵动滑块304两侧轴段(即中间孔穿套于第一短纵动滑块304的外周)，另一端(后端)设置一端轴以穿过后面第二传动杠杆302的前端端孔；同样第二传动杠杆302的中间孔穿过长纵动滑块306两侧轴段(即该中间孔穿套于长纵动滑块306的外周)，另一端(后端)设置一端轴以穿过尾部杠杆304的前端端孔，尾部杠杆304的中间孔穿过第二短纵动滑块305两侧轴段(即该中间孔穿套于第二短纵动滑块305的外周)。本实施例的动作模块3还设置了连杆盖307，其通过螺丝螺母固定连接在第一传动杠杆301、第二传动杠杆302的端轴以及第一短纵动滑块304、第二短纵动滑块305、长纵动滑块306的两侧轴段上，由此形成一种完整的滑块连杆机构，其可放大驱动板结构孔往复运动的行程。上述方位描述中，靠近鱼头壳401的一端统称为“前端”，反之为“后端”。

本实施例中，如图4和5所示，驱动板零件组优选对称设置有两组，两组驱动板零件组内的驱动板连杆204通过驱动板连杆连接件205固定连接；两套驱动板零件组与驱动板连杆连接件205通过螺钉螺母固定连接形成一完整的驱动组件，驱动板201可带动该驱动组件进行往复运动。其中，任意一组驱动板零件组均连接一组动作模块3中的滑块连杆机构，两组动作模块3中的第二滑道308开设于同一杆状结构的两侧；两第二滑道308或间隔或连通。作为优选方式，两第二滑道308连通设置，如图4和5所示，两套的滑块连杆机构对称布置，共用一套第一短纵动滑块304、第二短纵动滑块305以及长纵动滑块306。本实施例中，优选第二滑道308与第一滑道206和驱动板连杆204均垂直。

本实施例中，如图1和6所示，鱼尾壳主要包括尾部肌肉组织部分402和鱼尾部分403，尾部肌肉组织部分402的前端用于与鱼身壳连接，鱼身壳用于连接鱼头壳401和尾部肌肉组织部分402，图中未示出，其安装后，应该包覆于动作模块3的外周。鱼尾部分403与尾部肌肉组织部分402的后端可拆卸连接，更确切的说是一种可转动连接，动作模块3与鱼尾部分403连接，以驱使鱼尾部分403往复摆动。如图5和6所示，保持尾部肌肉组织部分402的位置不动，将驱动模块2、动作模块3以及鱼尾部分403作为一个整体绕鱼体长度方向的中心轴旋转九十度后可改变形状记忆合金驱动的仿生机器鱼鱼尾的摆动方向，如图5至图6，即鱼尾从左右两侧摆动转变为了上下摆动。

本实施例中，驱动板连杆204同时具有粗轴段和细轴段，第一传动连杆301的前端端孔部分位于驱动板连杆204的粗轴段，驱动板连杆204的细轴段沿其轴向穿过驱动板201的结构孔。

本实施例中，如图7所示，单片机101可通过PWM(一种模拟控制方式)控制驱动板201的输入电流，利用输入电流使形状记忆合金收缩产生驱动力，从而改变结构孔的位置，再通过动作模块3放大结构孔往复运动的行程，最终实现形状记忆合金驱动的仿生机器鱼的摆动模式。

本实施例提出的柔性仿生机器鱼，各模块位置分布清晰，拆装方便；驱动模块内设置有采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板，并将其作为驱动器，鱼尾壳通过动作模块与该驱动板连接，从而鱼尾壳可由形状记忆合金驱动作往复摆动，重量较轻，响应较快，力矩较大，可实现仿生机器鱼的平稳游动，还可通过改变各模块安装的角度改变鱼尾的摆动方向，比如从左右摆动转变至上下摆动，如图5至图6所示。

此外，上述柔性仿生机器鱼还具有如下有益效果：

(1)驱动板采用形状记忆合金丝作为驱动元件，重量轻，力矩大，响应快，因此可较容易地实现仿生机器鱼的理想工作状态；

(2)将各个模块的安放位置沿机器鱼长度方向划分，因此可以很方便地进行各个模块的整体拆装；

(3)驱动模块通过形状记忆合金的变形实现结构孔所处位置的正弦往复运动，同时通过动作模块的滑块连杆机构将正弦往复运动转变为尾部肌肉组织的正弦摆动，实现了机器鱼尾部的摆动模式。

(4)驱动模块和动作模块是呈轴对称的，因此可以将驱动模块和动作模块一起整体翻转九十度后改变鱼尾摆动的方向。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种柔性仿生机器鱼，其特征在于，包括：

机器鱼外壳，所述机器鱼外壳包括鱼头壳、鱼身壳和鱼尾壳；

驱动模块，所述驱动模块固定设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，其包括采用形状记忆合金丝作为驱动元件的驱动板；

动作模块，所述动作模块设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，且所述动作模块的一端与所述驱动模块连接，另一端与所述鱼尾壳连接，以驱使所述鱼尾壳往复摆动；

控制模块，所述控制模块设置于所述鱼头壳或所述鱼身壳内，所述控制模块与所述驱动模块通讯连接，以调控所述驱动板的动作周期。

2.根据权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述控制模块包括：

单片机固定板，所述单片机固定板固定设置于所述鱼头壳内；

单片机，所述单片机固定设置于所述单片机固定板的一侧，用于与所述驱动模块通讯连接。

3.根据权利要求1或2所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动模块还包括：

驱动板底板，所述驱动板底板固定设置于所述鱼头壳内，用于固定所述驱动板；所述驱动板至少设置有一块，且至少一块所述驱动板上设置有结构孔；

驱动板零件组，所述驱动板零件组包括驱动板连杆和横动滑块，所述驱动板连杆的一端连接所述结构孔，另一端连接所述横动滑块；所述驱动板或所述驱动板底板上设置有供所述横动滑块滑动的第一滑道，所述第一滑道沿垂直于所述驱动板连杆的方向延伸；所述驱动板连杆与所述动作模块连接。

4.根据权利要求3所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述动作模块包括滑块连杆机构，所述滑块连杆机构的一端连接所述驱动板连杆，另一端连接所述鱼尾壳，以驱使所述鱼尾壳往复摆动。

5.根据权利要求4所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述滑块连杆机构包括：

第二滑道，所述第二滑道固定于所述驱动板底板上，且其沿所述机器鱼外壳的长度方向延伸；

传动杠杆，所述传动杠杆的一端与所述驱动板连杆铰接；

尾部杠杆，所述尾部杠杆的一端与所述传动杠杆的另一端铰接，所述尾部杠杆的另一端用于与所述鱼尾壳固定连接；

纵动滑块，所述纵动滑块设置有多个，所述传动杠杆和所述尾部杠杆均可转动连接有所述纵动滑块；任意一所述纵动滑块均滑动安装于所述第二滑道内。

6.根据权利要求5所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述传动杠杆至少连续设置有两根，且任意相邻两根所述传动杠杆之间铰接，形成传动杠杆组；所述传动杠杆组的一端与所述驱动板连杆铰接，另一端与所述尾部杠杆铰接。

7.根据权利要求3所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动板零件组对称设置有两组，两组所述驱动板零件组内的所述驱动板连杆通过驱动板连杆连接件固定连接；

任意一组所述驱动板零件组均连接一组所述动作模块。

8.根据权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼尾壳包括：

尾部肌肉组织部分，所述尾部肌肉组织部分的前端用于与所述鱼身壳连接；

鱼尾部分，所述鱼尾部分与所述尾部肌肉组织部分的后端可拆卸连接；所述动作模块与所述鱼尾部分连接，以驱使所述鱼尾部分往复摆动。

9.根据权利要求5所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述第二滑道与所述第一滑道和所述驱动板连杆均垂直。

10.根据权利要求1所述的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述控制模块用于控制流经所述驱动板的电流，以调控所述驱动板的动作周期。

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