CN114537629B - 基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，包括鱼头组件、鱼尾骨架、尾鳍、尾摆机构、胸鳍机构、沉浮机构和控制模块；胸鳍机构、控制模块设置在鱼头组件内部，鱼尾骨架与鱼头组件固连，尾摆机构、沉浮机构设置在鱼尾骨架内部，尾鳍与鱼尾骨架、尾摆机构相连；控制模块通过闭路反馈控制尾摆机构、胸鳍机构和沉浮机构的运动，带动尾鳍和鱼尾骨架完成摆动动作，带动胸鳍完成拍动动作，同时调整鱼体俯仰角度实现上浮下潜。本发明通过单个电机实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，高度拟合鱼尾摆动轨迹，结合控制模块实现自主游动，极大地提高了仿生机器鱼的灵活性和仿真程度；推进效率高，可操纵性强，结构新颖，创新性强。

Description

基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼。

背景技术

在海洋开发和探索的过程中，各种各样的自主水下航行器应运而生。和普通的水下推进器相比，鱼类的游动具有推进效率高、机动性能好、隐蔽性能好等优点。随着近年来机械、电子、材料、计算机、仿生学等多学科的发展以及交叉学科的形成，机器鱼作为一种新型的仿生的水下航行器，通过模仿鱼的运动来实现水下航行器的任务,方便我们进行水下勘探、水下救援、水下作业等方面的研究。

鱼类按照游动的驱动部位的不同,主要分为胸鳍推进方式和尾鳍推进方式。由于以尾鳍为主的推进方式可以产生较高的推进速度和启动加速度,因此,目前对仿鱼推进机构的研究主要集中在尾鳍推进方式的鱼类。大部分仿生机器鱼尾部采用多关节串联驱动方式，通过控制每个电机的运动来控制每节鱼体的摆动角度和速度，以此来拟合鱼的游动身体曲线，但是这种方法控制复杂，难以灵活模拟鱼尾的运动。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，通过单个电机实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，高度拟合鱼尾摆动轨迹，结合控制模块实现自主游动，极大地提高了仿生机器鱼的灵活性和仿真程度。该仿生鱼推进效率高，可操纵性强，结构新颖，创新性强。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：包括鱼头组件、鱼尾骨架、尾摆机构、胸鳍机构、沉浮机构、控制模块、尾鳍；所述胸鳍机构、控制模块安装在鱼头组件内部，鱼尾骨架与鱼头组件固连，尾摆机构、沉浮机构安装在鱼尾骨架内部，尾鳍与鱼尾骨架、尾摆机构相连；控制模块控制尾摆机构、胸鳍机构和沉浮机构的运动，带动尾鳍和鱼尾骨架完成摆动动作，带动胸鳍完成拍动动作，并且调整鱼体俯仰角度。

进一步地，所述尾摆机构包括第一曲柄、第二曲柄、第一滑槽、第二滑槽、第一连杆、第二连杆、上导轨、下导轨、上滑块、下滑块、双轴直流电机和双轴舵机，其中第一曲柄一端固定在双轴直流电机输出轴上端，第二曲柄一端固定在双轴直流电机输出轴下端，第一曲柄沿柄长方向与第二曲柄沿柄长方向相互垂直；第一曲柄远离双轴直流电机输出轴一端的凸台插入第一滑槽中，第二曲柄远离双轴直流电机输出轴一端的凸台插入第二滑槽中；所述第一曲柄凸台与第一滑槽相切滑动，第二曲柄凸台与第二滑槽相切滑动；第一滑槽一端与上滑块固连，另一端的孔与第一连杆一端的凸台同轴心配合，第二滑槽一端与下滑块固连，另一端的孔与第二连杆一端的凸台同轴心配合；上滑块和下滑块分别与上导轨和下导轨配合；第一连杆远离双轴直流电机一端的孔与第二连杆远离双轴直流电机一端的凸台同轴心配合，所述第二连杆沿杆长方向与尾鳍前端连接柱固接；所述双轴舵机输出轴沿竖直方向布置；舵盘通过花键固定在输出轴上下两端。

进一步地，所述鱼尾骨架包括依次铰接在一起的第一支撑骨架、多个第二支撑骨架、第三支撑骨架，两相邻支撑骨架可相对转动，其中第一支撑骨架与鱼头组件固连，第三支撑骨架滑动设置在尾鳍前端连接柱上，第三支撑骨架与尾鳍滑动连接。

进一步地，所述相邻两节支撑骨架中，靠近头部侧的支撑骨架后端设有一扇形凹槽，远离头部侧的支撑骨架的前端设有一凸起，前一支撑骨架的凹槽与后一支撑骨架的凸起上下叠置且通过销轴铰接，所述相邻支撑骨架可在一定角度内相对转动。

进一步地，所述鱼尾骨架还包括丝杆安装板、上舵机支撑板、下舵机支撑板、直流电机支撑板、上导轨支撑板和下导轨支撑板；其中第一支撑骨架在底部设置丝杠安装板；上舵机支撑板和下舵机支撑板平行固设在第一支撑骨架上，直流电机支撑板、上导轨支撑板和下导轨支撑板平行固设在其中一个第二支撑骨架上，上导轨支撑板与下导轨支撑板相对鱼体呈对称布置。

进一步地，第三支撑骨架沿鱼体轴线设置一孔，所述尾鳍前端设有连接柱，所述尾鳍前端连接柱贯穿所述第三支撑骨架插入第二连杆的尾鳍安装孔中与所述第二连杆固接。

进一步地，所述双轴直流电机固设在直流电机支撑板上，上导轨和下导轨分别固定在上导轨支撑板和下导轨支撑板上，双轴舵机通过上下定位孔安装在上舵机支撑板和下舵机支撑板上，其中，所述双轴舵机舵盘分别与上导轨支撑板和直流电机支撑板固连，上导轨固定在所述上导轨支撑板底部，下导轨固定在下导轨支撑板顶面。

进一步地，所述胸鳍机构包括胸鳍安装板、左胸鳍、右胸鳍和舵机；所述舵机固设在胸鳍安装板一侧，左胸鳍与舵机转轴固连，右胸鳍插入胸鳍安装板上的安装孔中，左胸鳍、右胸鳍相对鱼头呈左右对称设置，左胸鳍滑槽、右胸鳍滑槽与胸鳍安装板滑槽中同时插入销轴，通过舵机转动可实现左右胸鳍的同步上下拍动。

进一步地，所述沉浮机构包括滑块、丝杠、丝杠支架和步进电机，步进电机固定在丝杠支架上，丝杠与步进电机转轴固连，滑块插入丝杠支架两侧平行滑轨中并与丝杠螺旋配合，丝杠滑块上安装配重。

进一步地，控制模块包括树莓派、直流电机驱动板、步进电机驱动板、超声波测距传感器、陀螺仪、摄像头、驱动板安装架；树莓派连接在鱼头组件内与驱动板安装架相连；直流电机驱动板固定在驱动板安装架水平面上，步进电机驱动板固定在驱动板安装架竖直面靠近鱼嘴一侧；摄像头安装于鱼嘴处，超声波测距传感器安装于两侧鱼眼处，陀螺仪安装于下鱼头壳上。超声波测距传感器、陀螺仪将信号传递给树莓派，树莓派处理并发送信号给双轴舵机、胸鳍舵机、双轴直流电机和步进电机。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明使用基于复合连杆机构的尾鳍推进机构模拟尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，高度拟合鱼尾摆动轨迹，胸鳍上下同步拍动辅助尾鳍推进，具有控制简单、高效推进、机动性强等特点，极大地提高了仿生机器鱼动作的仿真程度。

本发明的双轴直流电机单向转动，可避免电机反复减速反转带来的能量损耗和震动，实现尾鳍的高频摆动，满足大功率推进的要求。其次，正弦运动具有缓冲特点，可以减轻对零部件的磨损。该推进系统具有运动无急回，可实现减速、可操纵性强和运动转换集成的特点。

本发明具有超声波避障和陀螺仪姿态检测功能，通过信号反馈与尾摆机构、胸鳍机构、沉浮机构联合驱动形成闭路控制系统，实现自动巡航、偏航以及上浮下潜等动作。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明尾摆机构和鱼尾骨架部分结构示意图；

图3是本发明鱼尾骨架结构示意图；

图4是本发明控制模块和鱼头组件结构示意图；

图5是本发明沉浮机构结构示意图；

图6是本发明胸鳍机构结构示意图；

图7是本发明第一连杆和第二连杆铰接点位移曲线图；

附图中：

1-鱼头组件；2-控制模块；3-尾摆机构；4-尾鳍；5-鱼尾骨架；6-沉浮机构；7-胸鳍机构；101-上鱼头壳；102-下鱼头壳；201-步进电机驱动板；202-直流电机驱动板；203-驱动板安装架；204-电源；205-树莓派；206-陀螺仪模块；207-摄像头；208-超声波传感器；301-双轴直流电机；302-上滑块；303-上导轨；304-第一曲柄；305-第一滑槽；306-第一连杆；307-第二连杆；308-第二曲柄；309-第二滑槽；310-下滑块；311-下导轨；312-舵机；501-第一骨架关节；502-第三骨架关节；503-第二骨架关节；504-丝杠安装板；505-下导轨支撑板；506-直流电机支撑板；507-下舵机支撑板；508-上舵机支撑板；509-上导轨支撑板；601-步进电机；602-丝杠支架；603-丝杠；604-滑块；701-左胸鳍；702-胸鳍安装板；703-右胸鳍；704-双轴舵机。

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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：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。

请参考说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，由鱼头组件1、控制模块2、尾摆机构3、尾鳍4、鱼尾骨架5、沉浮机构6和胸鳍机构7组成。

如图3，本发明鱼头组件1包括上鱼头壳101和下鱼头壳102。上鱼壳101与下鱼壳102通过螺栓连接，且与第一支撑骨架501固连。鱼头壳采用ABS塑料，通过3D打印方式，依照生物鱼的流线型外形制成。

如图2，尾摆机构3包括第一曲柄304、第二曲柄308、第一滑槽305、第二滑槽309、第一连杆306、第二连杆307、上导轨303、下导轨311、上滑块302、下滑块310、双轴直流电机301和双轴舵机312。第一曲柄304一端通过螺栓夹紧的方式固定在双轴直流电机301输出轴上端，第二曲柄308一端通过螺栓夹紧的方式固定在双轴直流电机301输出轴下端，第一曲柄304沿柄长方向与第二曲柄308沿柄长方向相互垂直；第一滑槽305一端与上滑块302固连，另一端的孔与第一连杆306一端的凸台同轴心配合，第二滑槽309一端与下滑块310固连，另一端的孔与第二连杆307一端的凸台同轴心配合；第一曲柄304远离双轴直流电机301输出轴一端的凸台插入第一滑槽305中，第二曲柄308远离双轴直流电机301输出轴一端的凸台插入第二滑槽309中；第一曲柄304凸台与第一滑槽305相切滑动，第二曲柄308凸台与第二滑槽309相切滑动。

第一连杆306远离双轴直流电机301一端的孔与第二连杆307远离双轴直流电机301一端的凸台同轴心配合，尾鳍4前端连接柱安装在第二连杆307沿杆长方向设置的尾鳍安装孔内。其中尾鳍4前端连接柱可通过螺纹与第二连杆307连接。双轴直流电机301转动带动第一曲柄304、第二曲柄308转动，带动第一滑槽305、第二滑槽309以Π/2的相位差沿导轨方向做正弦运动，带动第一连杆306和第二连杆307的铰接点做类正弦运动，如图7所示。实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，提供机器鱼前进推力；双轴舵机转动带动第三支撑骨架转动，实现转向。

如图1、2所示，鱼尾骨架5包括依次相互铰接在一起的第一支撑骨架501、第二支撑骨架503和第三支撑骨架502、上舵机支撑板508、下舵机支撑板507、直流电机支撑板506、上导轨支撑板509和下导轨支撑板505；相邻两节支撑骨架中，靠近头部侧的支撑骨架后端设有一扇形凹槽，远离头部侧的支撑骨架的前端设有一凸起，前一支撑骨架的凹槽与后一支撑骨架的凸起上下叠置且通过销轴铰接，两相邻支撑骨架可在一定角度内相对转动。两相邻支撑骨架铰接形成的关节可在一定角度内相对转动。第三支撑骨架502在沿鱼体轴线方向上设一孔，尾鳍4前端连接柱插入孔中，第三支撑骨架502可沿尾鳍前端连接柱轴向移动。其中尾鳍4前端连接柱和第三支撑骨架502之间可通过相吻合的花键和花键槽滑动连接。

如图5示，沉浮机构6包括滑块604、丝杠603、丝杠支架602和步进电机601。滑块604插入丝杠支架602两侧平行滑轨并与丝杠603配合。控制步进电机601转动即可实现支架上滑块604的直线运动，带动固连在滑块604上的配重前后移动，从而改变整个鱼身的重心，控制鱼的浮沉。

如图6所示，胸鳍机构7胸鳍安装板702、左胸鳍701、右胸鳍703和舵机704。左胸鳍701、右胸鳍703相对鱼身对称面呈左右对称设置，左胸鳍701滑槽、右胸鳍703滑槽与胸鳍安装板702滑槽中同时插入销轴，通过舵机704转动可实现左右胸鳍的同步上下拍动。

如图4示，控制模块2包括树莓派205、直流电机驱动板202、步进电机驱动板201、超声波测距传感器208、陀螺仪206、摄像头207、驱动板安装架203和电源204。通过超声波测距传感器208、摄像头207来获取外部环境，控制双轴舵机312、双轴直流电机301和胸鳍舵机704转动，实现鱼尾、胸鳍的摆动。通过陀螺仪206获取鱼体姿态，控制步进电机601转动，调整俯仰角，实现沉浮。

在本实施例中，整体鱼身的密封，由硅胶薄膜包覆，薄膜连接处由704硅橡胶粘合，对伸出杆采用o型圈，聚四氟乙烯密封圈所构成的结构进行密封。

具体工作过程如下：

当机器鱼水平推进时，双轴直流电机301转动，带动电机轴上的第一曲柄304、第二曲柄308匀速转动运动，继而带动第一滑槽305、第二滑槽309以Π/2恒定相位差沿导轨方向做正弦运动，第一连杆306和第二连杆307的铰接点做类正弦运动，实现尾柄横移和尾鳍摆动的复合运动，高度拟合鱼尾摆动轨迹，提供机器鱼前进推力；尾鳍摆动带动第七骨架关节502相对鱼体轴线产生平移和转动，继而带动鱼尾骨架5转动形成鱼体曲线，极大提高了机器鱼的外壳柔性和仿真程度。

当机器鱼转向时，双轴舵机312转动带动第三支撑骨架503相对轴线方向转动，同时，双轴直流电机312转动，提供前进推力，实现转向。

当机器鱼沉浮时，步进电机601转动，带动丝杠603转动，带动滑块604及其上的配重沿鱼体轴线方向做直线运动，配重位置的改变会引起鱼身整体重心的位置，进而改变鱼身俯仰角。滑块604前移，鱼身重心也随之前移，鱼尾摆动即可使鱼下沉，相反，鱼则上浮。控制胸鳍机构7中的舵机704转动，经槽口配合和活动销固定使左右胸鳍反方向转动，模拟鱼拍水动作，在转向和沉浮过程中稳定鱼身。

当机器鱼自主游动时，通过超声波测距模块208和陀螺仪传感器206组成的反馈系统控制鱼的运动。安装在鱼眼处的超声波测距探头208自动发送8个40khz的方波并自动检测是否有信号返回，若有则输出高电平，若无则保持低电平，与安装在支架上的陀螺仪206相配合通过电平高低反馈信号给树莓派205修正鱼运动轨迹；通过比较鱼左右两侧探头电平是否同时变化来判断机器鱼所处环境，若只有左侧鱼眼探头电平由低电平转为高电平，则控制转向舵机使鱼向右转向，若只有右侧鱼眼探头电平由低电平转为高电平，则控制双轴舵机312使鱼向左转动，若两侧探头同时转为高电平，则默认鱼向左转向。陀螺仪传感器206采用卡尔曼滤波算法，通过读取传感器三轴加速度、三轴角速度，解算出稳定的姿态角度，通过串口将信号传递至树莓派205，控制步进电机601转动，调节滑块604位置，控制机器鱼下潜上浮。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：包括鱼头组件、鱼尾骨架、尾摆机构、胸鳍机构、沉浮机构、控制模块、尾鳍；所述胸鳍机构、控制模块安装在鱼头组件内部，鱼尾骨架与鱼头组件固连，尾摆机构、沉浮机构安装在鱼尾骨架内部，尾鳍与鱼尾骨架、尾摆机构相连；控制模块控制尾摆机构、胸鳍机构和沉浮机构的运动，带动尾鳍和鱼尾骨架完成摆动动作，带动胸鳍完成拍动动作，并且调整鱼体俯仰角度；

所述尾摆机构包括第一曲柄、第二曲柄、第一滑槽、第二滑槽、第一连杆、第二连杆、上导轨、下导轨、上滑块、下滑块、双轴直流电机和双轴舵机，其中第一曲柄一端固定在双轴直流电机输出轴上端，第二曲柄一端固定在双轴直流电机输出轴下端，第一曲柄沿柄长方向与第二曲柄沿柄长方向相互垂直；第一曲柄远离双轴直流电机输出轴一端的凸台插入第一滑槽中，第二曲柄远离双轴直流电机输出轴一端的凸台插入第二滑槽中；所述第一曲柄凸台与第一滑槽相切滑动，第二曲柄凸台与第二滑槽相切滑动；第一滑槽一端与上滑块固连，另一端的孔与第一连杆一端的凸台同轴心配合，第二滑槽一端与下滑块固连，另一端的孔与第二连杆一端的凸台同轴心配合；上滑块和下滑块分别与上导轨和下导轨配合；第一连杆远离双轴直流电机一端的孔与第二连杆远离双轴直流电机一端的凸台同轴心配合，所述第二连杆沿杆长方向与尾鳍前端连接柱固接；所述双轴舵机输出轴沿竖直方向布置；舵盘通过花键固定在输出轴上下两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述鱼尾骨架包括依次铰接在一起的第一支撑骨架、多个第二支撑骨架、第三支撑骨架，两相邻支撑骨架可相对转动，其中第一支撑骨架与鱼头组件固连，第三支撑骨架滑动设置在尾鳍前端连接柱上，第三支撑骨架与尾鳍滑动连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述两相邻支撑骨架中，靠近头部侧的支撑骨架后端设有一扇形凹槽，远离头部侧的支撑骨架的前端设有一凸起，前一支撑骨架的凹槽与后一支撑骨架的凸起上下叠置且通过销轴铰接，所述相邻支撑骨架可在一定角度内相对转动。

4.根据权利要求2所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述鱼尾骨架还包括丝杆安装板、上舵机支撑板、下舵机支撑板、直流电机支撑板、上导轨支撑板和下导轨支撑板；其中第一支撑骨架在底部设置丝杠安装板；上舵机支撑板和下舵机支撑板平行固设在第一支撑骨架上，直流电机支撑板、上导轨支撑板和下导轨支撑板平行固设在其中一个第二支撑骨架上，上导轨支撑板与下导轨支撑板相对鱼体呈对称布置。

5.根据权利要求2所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：第三支撑骨架沿鱼体轴线设置一孔，所述尾鳍前端设有连接柱，所述尾鳍前端连接柱贯穿所述第三支撑骨架插入第二连杆的尾鳍安装孔中与所述第二连杆固接。

6.根据权利要求4所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述双轴直流电机固设在直流电机支撑板上，上导轨和下导轨分别固定在上导轨支撑板和下导轨支撑板上，双轴舵机通过上下定位孔安装在上舵机支撑板和下舵机支撑板上，其中，所述双轴舵机舵盘分别与上导轨支撑板和直流电机支撑板固连，上导轨固定在所述上导轨支撑板底部，下导轨固定在下导轨支撑板顶面。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述胸鳍机构包括胸鳍安装板、左胸鳍、右胸鳍和舵机；所述舵机固设在胸鳍安装板一侧，左胸鳍与舵机转轴固连，右胸鳍插入胸鳍安装板上的安装孔中，左胸鳍、右胸鳍相对鱼头呈左右对称设置，左胸鳍滑槽、右胸鳍滑槽与胸鳍安装板滑槽中同时插入销轴，通过舵机转动可实现左右胸鳍的同步上下拍动。

8.根据权利要求1所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：所述沉浮机构包括滑块、丝杠、丝杠支架和步进电机，步进电机固定在丝杠支架上，丝杠与步进电机转轴固连，滑块插入丝杠支架两侧平行滑轨中并与丝杠螺旋配合，丝杠滑块上安装配重。

9.根据权利要求1所述的一种基于复合连杆机构的尾鳍推进自主游动仿生机器鱼，其特征在于：控制模块包括树莓派、直流电机驱动板、步进电机驱动板、超声波测距传感器、陀螺仪、摄像头、驱动板安装架；树莓派连接在鱼头组件内与驱动板安装架相连；直流电机驱动板固定在驱动板安装架水平面上，步进电机驱动板固定在驱动板安装架竖直面靠近鱼嘴一侧；摄像头安装于鱼嘴处，超声波测距传感器安装于两侧鱼眼处，陀螺仪安装于下鱼头壳上，超声波测距传感器、陀螺仪将信号传递给树莓派，树莓派处理并发送信号给双轴舵机、胸鳍舵机、双轴直流电机和步进电机。

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