CN114834618A - 一种刚柔耦合型仿生鱼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域。目的是提供一种刚柔耦合型仿生鱼机器人；该装置应具有机构灵活、仿生效果好、机械效率高等特点。技术方案是：一种刚柔耦合型仿生鱼机器人，包括依次连接的头部、身体躯干、尾鳍以及安装控制模块的密封舱，其特征在于：该机器人还配设有驱动所述身体躯干往复摆动的绳驱动装置以及驱动尾鳍摆动的尾鳍驱动装置；所述绳驱动装置包括设置在头部的头部舵机、由头部舵机带动的绞盘以及缠绕在绞盘上且牵拉着身体躯干使其左右摆动的驱动线；所述尾鳍驱动装置包括固定在身体躯干尾端的尾部舵机、由尾部舵机带动的十字绞盘以及安装在十字绞盘上的尾鳍。

Description

一种刚柔耦合型仿生鱼机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体是涉及一种刚柔耦合型仿生鱼机器人。
背景技术
鱼类等水生动物经历了数百万年的进化，天生具备了在水中高速、高效、灵活游动的能力。这些卓越的性能引起了学者的广泛关注，并激励他们对此展开了大量研究。
自1994年麻省理工大学研制“Robo Tuna”至今的近三十年时间里，仿鱼类水下机器人越来越成为人们的焦点。仿生鱼机器人通常不是使用螺旋桨，而是通过改变自身外形来实现游动。在传统仿生鱼机器人设计中，改变自身外形的驱动力通常由电机提供。
1998年，麻省理工大学研发了“Robo Tuna”的最高版本“VCUUV”，它采用液压驱动控制尾鳍、电机驱动控制胸鳍。2005年，英国埃塞克斯大学研制了仿生鲤鱼“fish-G9”，其尾部由三个伺服电机串联驱动。2000年，美国东北大学首次采用SMA丝作为仿生七鳃鳗鱼的驱动器，该机器鱼通过间隔规律地加热SMA丝来驱动其弹性脊椎。2007年，麻省理工大学研制了一款黏弹性材料的仿生机器鱼，它通过正弦激励的驱动器激起黏弹性鱼体的振动模态摆动推进。由此可知，目前大部分仿生鱼机器人的结构为单一的刚性驱动或单一的柔性驱动，这些驱动方式模拟生物鱼类柔性摆动的效果有限。因此，有必要提出一种刚柔耦合型仿生鱼机器人。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种刚柔耦合型仿生鱼机器人；该装置应具有机构灵活、仿生效果好、机械效率高等特点。
本发明提供的技术方案是：
一种刚柔耦合型仿生鱼机器人，包括依次连接的头部、身体躯干、尾鳍以及安装控制模块的密封舱，其特征在于：该机器人还配设有驱动所述身体躯干往复摆动的绳驱动装置以及驱动尾鳍摆动的尾鳍驱动装置；
所述绳驱动装置包括设置在头部的头部舵机、由头部舵机带动的绞盘以及缠绕在绞盘上且牵拉着身体躯干使其左右摆动的驱动线；
所述尾鳍驱动装置包括固定在身体躯干尾端的尾部舵机、由尾部舵机带动的十字绞盘以及安装在十字绞盘上的尾鳍。
所述头部包括由头部上外壳和头部下外壳连接而成的头部外壳，头部外壳中形成的支撑空间用作放置所述密封舱。
所述的身体躯干包括脊椎以及依次排列且固定在脊椎上的若干个身体骨架，每个身体骨架包括通过嵌合结构相互连接的身体上骨架和身体下骨架；该嵌合结构位于身体骨架的中间部位，其中央形成有可与脊椎相配合的骨架脊椎安装孔。
所述身体上骨架与身体下骨架之间的部分边沿保持间隙，作为驱动线引导槽；该驱动线引导槽位于身体骨架的左右两侧。
所述脊椎的一端与头部下外壳上的头部脊椎安装孔过盈配合实现连接；脊椎的另一端与尾部舵机平台上的尾部脊椎安装孔过盈配合实现连接；所述尾部脊椎安装孔由尾部舵机左平台与尾部舵机右平台连接而成。
所述脊椎为矩形截面的弹性棒，采用高分子弹性材料制成；骨架脊椎安装孔、头部脊椎安装孔以及尾部脊椎安装孔均为带圆角的矩形孔。
所述身体上骨架、身体下骨架上均具有安装浮力块与重力块的镂空结构，以用来以调整机器人的浮力和重心。
所述仿生鱼机器人还采用防水皮膜整体包覆，以提高机器人的仿真度。
所述控制模块包含单片机、电池和稳压模块。
所述嵌合结构为燕尾槽。
本发明的有益效果是：
1)本发明使用单片机进行控制，这使得仿生鱼机器人具有制作成本低廉、控制方法简单、可靠性强等优点。
2)本发明具有刚柔耦合结构，仿生鱼机器人的脊椎由聚氨酯材料制成，尾鳍由光敏树脂制成，这使得其模仿真实鱼类的效果更好，游动效率更高。
3)本发明采用了绳驱动装置控制仿生鱼机器人脊椎的弯曲，这使得仿生鱼机器人身体摆动的幅度、频率等运动参数可以得到更直观和精确的控制，使其能够具有更佳的游动效果。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构图之一(前侧、静止状态)。
图2是本发明实施例的立体结构图之二(后侧、静止状态)。
图3是发明中的头部立体结构示意图。
图4本发明中的身体骨架结构示意图。
图5是本发明中的绳驱动装置安装位置示意图。
图6是图5中尾部的放大结构示意图。
图7是本发明中的尾部立体结构示意图。
图8是本发明中皮膜的轮廓示意图。
图9是本发明的游动状态示意图(移走皮膜)。
图中，1.头部上外壳；2.头部下外壳；3.脊椎；4.驱动线；5.身体上骨架；6.身体下骨架；7.尾鳍；8.密封舱；9.头部舵机；10.脊椎压盖；11.头部脊椎安装孔；12.头部导线孔；13.舵机安装孔；14.燕尾槽；15.驱动线引导槽；16.骨架脊椎安装孔；17.绞盘；18.圆形舵盘；19.导线孔；20.螺纹孔；21.十字绞盘；22.尾部舵机左平台；23.尾部舵机右平台；24.尾部舵机；25.尾部舵机安装孔；26.防水皮膜。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，头部上外壳1和头部下外壳2依靠其各自两侧的通孔采用螺栓连接，从而形成头部外壳。如图3所示，头部上外壳1和头部下外壳2连接之后会形成一个支撑空间，用于安装密封舱8。脊椎压盖10与头部下外壳采用螺栓连接，所形成的带圆角的头部脊椎安装孔11用于与脊椎3作过盈配合连接。如图3所示，头部下外壳设有舵机安装孔13，头部舵机9采用螺栓连接安装在头部下外壳上。
如图4所示，每个身体骨架由身体上骨架5和身体下骨架6通过燕尾槽14相互连接而成，连接后形成的带圆角的骨架脊椎安装孔16用于与脊椎3作过盈配合连接；利用摩擦力为每个身体骨架提供在脊椎上的轴向固定力。脊椎为矩形(优选正方形)截面的弹性棒，采用高分子弹性材料制成；优选聚氨酯棒。身体上骨架和身体下骨架连接后的外轮廓呈圆形，可以支撑身体皮膜。身体上骨架以及身体下骨架的左右两侧边沿之间保持间隙，作为驱动线引导槽15可以引导驱动线。身体上骨架和身体下骨架上还具有镂空结构，可以用来安装浮力块和重力块以调整浮力和重心。
如图5所示，圆形舵盘18采用螺钉连接安装在头部舵机9的转轴上，绞盘17采用螺钉连接安装在圆形舵盘18上。驱动线4缠绕在绞盘17上，驱动线的两端分别穿过身体骨架两侧的驱动线引导槽15，然后连接在尾部舵机平台两侧的突出部(由图可知：尾部舵机平台往左侧突出的左边突出部与往右侧突出的右边突出部上均设有导线孔19和螺纹孔20，驱动线穿过导线孔后缠绕在与该螺纹孔配合的螺钉上)；通过拧紧螺钉可将驱动线4的两端分别拉紧并固定在尾部舵机平台左边突出部和右边突出部上。
如图6、图7所示，十字绞盘21固定(优选采用螺钉固定)安装在尾部舵机24的转轴上，转轴的轴线竖直布置；尾鳍7(推荐由光敏树脂制成)采用螺钉连接安装在十字绞盘21上。尾部舵机平台-左22和尾部舵机平台-右23采用螺栓相互连接，并与尾部舵机24过盈配合连接。尾部舵机左平台22和尾部舵机右平台23连接之后所形成一个带圆角的尾部脊椎安装孔25，用于与脊椎3作过盈配合连接。
头部脊椎安装孔11、骨架脊椎安装孔16、尾部舵机安装孔25均为有圆角的方孔，脊椎3为聚氨酯方棒，其截面形状为无圆角的正方形，因此脊椎3可以和上述脊椎安装孔过盈配合，进而完成身体骨架在脊椎上的轴向固定。
进一步地，仿生鱼机器人采用防水皮膜26包覆机器人整体，以提高机器人的仿真度；如图8所示。
下面对刚柔耦合型仿生鱼机器人的工作过程进行说明。
仿生鱼机器人的游动动作由身体摆动和尾鳍摆动完成。
仿生鱼机器人的身体摆动由绳驱动装置实现。密封仓8中的控制模块包含单片机(优选STM32单片机)、电池和稳压模块。STM32单片机具有定时器模块，可以产生PWM波。头部舵机9内的控制电路可以根据接受到的PWM波的占空比将舵机的转角调整到相应的角度。将PWM波的占空比规划成随时间变化的函数，并编写程序通过单片机执行，即可实现舵机旋转角度的轨迹规划。
通过单片机控制，使头部舵机9往复转动，带动绞盘17往复摆动以牵引驱动线4，从而实现尾部绕头部的往复摆动。根据单片机的设置，绞盘17的转角幅度约为-90°～90°，根据机构分析的结果，尾部横向摆动的幅度约为-14cm～14cm。
仿生鱼机器人的尾部摆动由尾部舵机实现。尾部舵机24内的控制电路，可以根据PWM波的占空比将舵机的转角调整到相应的角度。
通过单片机控制，使尾部舵机24往复摆动，带动尾鳍7绕尾部舵机转轴的往复摆动。根据单片机的设置，尾部舵机的转角幅度和尾鳍的摆动幅度约为-70°～70°。
当仿生鱼机器人处于静止状态时，头部舵机9和尾部舵机24保持在中位，仿生鱼的身体和尾鳍保持平直(如图1所示)。当仿生鱼机器人处于向前游动状态时，仿生鱼机器人的尾部和尾鳍同时往复摆动，并且摆动的周期相同、相位相差180°(如图9所示)。身体的摆动和尾鳍的摆动相互配合共同实现对鱼类游动的模仿，水对尾鳍的反作用力的合力是仿生鱼机器人向前游动的动力。

Claims (10)

1.一种刚柔耦合型仿生鱼机器人，包括依次连接的头部、身体躯干、尾鳍以及安装控制模块的密封舱，其特征在于：该机器人还配设有驱动所述身体躯干往复摆动的绳驱动装置以及驱动尾鳍摆动的尾鳍驱动装置；
所述绳驱动装置包括设置在头部的头部舵机(9)、由头部舵机带动的绞盘(17)以及缠绕在绞盘上且牵拉着身体躯干使其左右摆动的驱动线(4)；
所述尾鳍驱动装置包括固定在身体躯干尾端的尾部舵机(24)、由尾部舵机带动的十字绞盘(21)以及安装在十字绞盘上的尾鳍(7)。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述头部包括由头部上外壳(1)和头部下外壳(2)连接而成的头部外壳，头部外壳中形成的支撑空间用作安装所述密封舱(8)。
3.根据权利要求2所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述的身体躯干包括脊椎(3)以及依次排列且固定在脊椎上的若干个身体骨架，每个身体骨架包括通过嵌合结构相互连接的身体上骨架(5)和身体下骨架(6)；该嵌合结构位于身体骨架的中间部位，其中央形成有可与脊椎相配合的骨架脊椎安装孔(16)。
4.根据权利要求3所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述身体上骨架与身体下骨架之间的部分边沿保持间隙，作为驱动线引导槽(15)；该驱动线引导槽位于身体骨架的左右两侧。
5.根据权利要求4所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述脊椎的一端与头部下外壳上的头部脊椎安装孔(11)过盈配合实现连接；脊椎的另一端与尾部舵机平台上的尾部脊椎安装孔(25)过盈配合实现连接；所述尾部脊椎安装孔由尾部舵机左平台(22)与尾部舵机右平台(23)连接而成。
6.根据权利要求5所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述脊椎为矩形截面的弹性棒，采用高分子弹性材料制成；所述骨架脊椎安装孔、头部脊椎安装孔以及尾部脊椎安装孔均为带圆角的矩形孔。
7.根据权利要求6所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述身体上骨架、身体下骨架上均具有安装浮力块与重力块的镂空结构，以用来以调整机器人的浮力和重心。
8.根据权利要求7所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述仿生鱼机器人还采用防水皮膜(26)整体包覆，以提高机器人的仿真度。
9.根据权利要求8所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述控制模块包含单片机、电池和稳压模块。
10.根据权利要求9所述的刚柔耦合型仿生鱼机器人，其特征在于：所述嵌合结构为燕尾槽(14)。
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