CN117262165A - 一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，包括鱼头模块、柔性躯干模块和鱼鳍模块，柔性躯干模块包括张拉整体结构、柔性鱼皮和主、被动绳，张拉整体结构包括多个关节构件，相邻关节构件通过弹簧连接；鱼鳍模块包括左、右胸鳍和柔性尾鳍，尾鳍基架与最后端的关节构件连接；鱼头模块包括鱼头基架、驱动机构、第一导轨滑块机构和鱼头外壳，鱼头基架与最前端的关节构件连接，驱动机构包括两对舵机，上、下舵机叶片的左、右两侧分别经第一、二主动绳与中部的关节构件、尾鳍基架连接，左、右舵机叶片分别连接左、右胸鳍，上、下被动绳一端连接第一导轨滑块机构，另一端连接尾鳍基架。该仿生机器鱼结构提高了仿生机器鱼的灵活性和仿真度。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构。
背景技术
随着陆地资源开发与利用的日趋成熟与完善，如何有效地开发与利用海洋资源的重要性日益凸显，各种各样的自主水下航行器应运而生。随着流体仿生和水下机器人技术的发展，在机器人领域开始了以鱼类为仿生对象的水下机器人。机器鱼作为一种新型的水下机器人，通过模拟鱼在水中运动来实现水下机器人的任务。与采用螺旋桨式推进器的传统水下机器人不同，仿生机器鱼具有灵活性高、噪声低和推进效率高等特点。目前，大多数机器鱼多采用多关节刚性串联结构，每个关节都由一个电机驱动。然而，这种方案存在负载不均衡问题，且随着关节数量的增加，结构和控制复杂性也会随之增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，该仿生机器鱼结构提高了仿生机器鱼的灵活性和仿真度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，包括鱼头模块、柔性躯干模块和鱼鳍模块，所述柔性躯干模块包括张拉整体结构、柔性鱼皮和多根主、被动绳，所述张拉整体结构包括前后依次设置的多个关节构件和多组弹簧，相邻关节构件之间通过一组弹簧连接；所述鱼鳍模块包括左、右胸鳍和柔性尾鳍，所述柔性尾鳍包括尾鳍基架和设于其外的具有尾鳍造型的柔性部，所述尾鳍基架向前通过一组弹簧与最后端的关节构件连接；所述鱼头模块包括鱼头基架、驱动机构、第一导轨滑块机构和鱼头外壳，所述鱼头基架向后通过一组弹簧与最前端的关节构件连接，所述第一导轨滑块机构安装于鱼头基架后侧，所述驱动机构包括分别安装于鱼头基架上的两对舵机，上舵机叶片的左、右两侧分别连接第一主动绳，两根第一主动绳分别穿过鱼头基架和若干关节构件与一个位于中部的关节构件的左、右两侧连接，下舵机叶片的左、右两侧分别连接第二主动绳，两根第二主动绳分别穿过鱼头基架和所有关节构件与尾鳍基架连接，以通过绳驱式欠驱动方式控制机器鱼的左右摆动，左、右舵机叶片分别与左、右胸鳍固定连接，以通过改变胸鳍攻角控制机器鱼的上浮下潜运动，第一导轨滑块机构上的上、下滑块分别连接上、下被动绳，上、下被动绳分别穿过所有关节构件与尾鳍基架连接，鱼头外壳安装于鱼头基架外侧。
进一步地，所述关节构件包括椭圆环件，所述椭圆环件上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆，所述椭圆环件左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆，所述椭圆环件的上、下、左、右分别开设有通孔，以分别穿过主、被动绳；相邻两关节构件之间，后侧关节构件的两前连接杆前端与前侧关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，后侧关节构件的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧与前侧关节构件的两前连接杆前端相连；所述尾鳍基架上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆，尾鳍基架的两前连接杆前端与最后端的关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，尾鳍基架的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧与最后端的关节构件的两前连接杆前端相连；所述鱼头基架左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆；最前端的关节构件的两前连接杆前端与鱼头基架的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，最前端的关节构件的两前连接杆前端还通过两根第三弹簧与鱼头基架或其上的第一导轨滑块机构相连。
进一步地，所述张拉整体结构包括四个关节构件，四个关节构件的椭圆环件尺寸从前向后依次变小。
进一步地，两根第一主动绳左右对称设置，两根第一主动绳前端分别通过第四弹簧与上舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第一主动绳后端分别穿过鱼头基架和第一关节构件与第二关节构件的左、右两侧固定连接，以通过第一主动绳将上舵机的驱动力传导到机器鱼躯干，上舵机叶片的摆动通过第一主动绳牵动第二关节构件来回摆动，进而实现机器鱼前半身摆动的仿生模拟；两根第二主动绳左右对称设置，两根第一主动绳前端分别通过第五弹簧与下舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第二主动绳后端分别穿过鱼头基架和所有关节构件与尾鳍基架的左、右两侧固定连接，以通过第二主动绳将下舵机的驱动力传导到机器鱼尾鳍，下舵机叶片的摆动通过第二主动绳牵动柔性尾鳍来回摆动，进而实现机器鱼尾鳍摆动的仿生模拟。
进一步地，所述第一导轨滑块机构沿竖向安装于鱼头基架后侧，所述第一导轨滑块机构的上、下部分别设有一段导轨，上、下两段导轨内分别设有可上下滑移并锁定定位的上、下滑块，上、下滑块分别连接上、下被动绳，以通过改变滑块位移距离调整上、下被动绳的预紧力从而改变机器鱼刚度。
进一步地，所述尾鳍基架前侧设置有第二导轨滑块机构，所述两根第二主动绳分别穿过鱼头基架和所有关节构件与第二导轨滑块机构上的滑块连接，以通过改变滑块位移距离调整第二主动绳的张紧程度。
进一步地，所述鱼头外壳为刚性结构，由刚性鱼头左壳和刚性鱼头右壳连接组成。
进一步地，所述柔性鱼皮为硅胶鱼皮，所述柔性鱼皮包覆于张拉整体结构外侧，且其前端与鱼头外壳对接，中部与各关节构件连接，后端与柔性尾鳍对接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，本发明进行了柔性躯干模块的创新设计，并通过舵机结合绳驱方式来控制机器鱼的运动及推进，绳索欠驱动和多点激励的驱动方式能够很好地拟合真实鱼类的鱼体波，从而极大地提高了仿生机器鱼的灵活性和仿真程度；该仿生机器鱼结构新颖，仿真度高，可操控性强，推进效率高，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的整体外部结构示意图；
图2为本发明实施例的整体内部结构俯视图；
图3为本发明实施例的整体内部结构侧视图；
图4为本发明实施例中鱼头模块的内部结构示意图；
图5为本发明实施例中张拉整体结构的示意图；
图6为本发明实施例中相邻关节构件的连接结构示意图。
图中：1、上舵机；2、下舵机；3、左舵机；4、右舵机；5、鱼头基架；6、第一张拉关节构件；7、第二张拉关节构件；8、第三张拉关节构件；9、第四张拉关节构件；10、尾鳍基架；11、刚性鱼头左壳；12、刚性鱼头右壳；13、硅胶鱼皮；14、具有尾鳍造型的柔性部；15、螺栓；16、叶片；17、第一弹簧；18、第二弹簧；19、第三弹簧；20、第四弹簧；21、第五弹簧；22、第一导轨滑块机构；23、第二导轨滑块机构；24、第一主动绳；25、第二主动绳；26、上被动绳；27、下被动绳；28、左胸鳍；29、右胸鳍；30、椭圆环件；31、前连接杆；32、后连接杆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1-6所示，本实施例提供了一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，包括鱼头模块、柔性躯干模块和鱼鳍模块，所述柔性躯干模块包括张拉整体结构、柔性鱼皮13和多根主、被动绳，多根主、被动绳用于模拟肌腱的作用，所述张拉整体结构包括前后依次设置的多个关节构件和多组弹簧，相邻关节构件之间通过一组弹簧连接。所述鱼鳍模块包括左胸鳍28、右胸鳍29和柔性尾鳍，柔性尾鳍用于提供机器鱼前进的驱动力，所述柔性尾鳍包括尾鳍基架10和设于其外的具有尾鳍造型的柔性部14，所述尾鳍基架10向前通过一组弹簧与最后端的关节构件连接。所述鱼头模块包括鱼头基架5、驱动机构、第一导轨滑块机构22和鱼头外壳，所述鱼头基架5向后通过一组弹簧与最前端的关节构件连接，所述第一导轨滑块机构22安装于鱼头基架5后侧，所述驱动机构包括分别安装于鱼头基架5上的两对舵机，分别是上舵机1与下舵机2和左舵机3与右舵机4，上舵机1、下舵机2、左舵机3、右舵机4分别通过螺栓固连在鱼头基架5的上下左右四个方位上；上舵机叶片的左、右两侧分别连接第一主动绳24，两根第一主动绳24分别穿过鱼头基架5和若干关节构件与一个位于中部的关节构件的左、右两侧连接，下舵机叶片的左、右两侧分别连接第二主动绳25，两根第二主动绳25分别穿过鱼头基架5和所有关节构件与尾鳍基架10连接，以通过绳驱式欠驱动方式控制机器鱼的左右摆动，左、右舵机叶片16分别与左胸鳍28、右胸鳍29固定连接，以通过舵机摆动改变胸鳍攻角进而控制机器鱼的上浮下潜运动，第一导轨滑块机构22上的上、下滑块分别连接上被动绳26、下被动绳27，上被动绳26、下被动绳27分别穿过所有关节构件与尾鳍基架10连接，鱼头外壳安装于鱼头基架5外侧。
具体地，所述关节构件包括椭圆环件30，所述椭圆环件30上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆31，所述椭圆环件左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆32，所述椭圆环件的上、下、左、右分别开设有通孔，以分别穿过主、被动绳；相邻两关节构件之间，后侧关节构件的两前连接杆前端与前侧关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧17首尾相连，后侧关节构件的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧18与前侧关节构件的两前连接杆前端相连；所述尾鳍基架10上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆，尾鳍基架10的两前连接杆前端与最后端的关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，尾鳍基架10的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧与最后端的关节构件的两前连接杆前端相连；所述鱼头基架5左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆；最前端的关节构件的两前连接杆前端与鱼头基架5的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，最前端的关节构件的两前连接杆前端还通过两根第三弹簧19与鱼头基架5或其上的第一导轨滑块机构相连。
在本实施例中，所述张拉整体结构包括四个关节构件，分别是第一张拉关节构件6、第二张拉关节构件7、第三张拉关节构件8和第四张拉关节构件9，四个关节构件的椭圆环件尺寸从前向后依次变小，与真实鱼类的形状、尺寸相似，通过将上述关节构件连接起来构成机器鱼的脊柱及躯干结构。在本发明的不同实施例中，为了模拟不同鱼类，张拉整体结构可以包括不同数量的关节构件。
两根第一主动绳24左右对称设置，两根第一主动绳24前端分别通过第四弹簧20与上舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第一主动绳24后端分别穿过鱼头基架5和第一关节构件与第二关节构件的左、右两侧固定连接，以通过第一主动绳将上舵机的驱动力传导到机器鱼躯干，上舵机叶片的摆动通过第一主动绳牵动第二关节构件来回摆动，进而实现机器鱼前半身摆动的仿生模拟。两根第二主动绳25左右对称设置，两根第一主动绳25前端分别通过第五弹簧21与下舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第二主动绳25后端分别穿过鱼头基架5和所有关节构件与尾鳍基架10的左、右两侧固定连接，以通过第二主动绳将下舵机的驱动力传导到机器鱼尾鳍，下舵机叶片的摆动通过第二主动绳牵动柔性尾鳍来回摆动，进而实现机器鱼尾鳍摆动的仿生模拟，并通过舵机牵引第二主动绳的欠驱动和多点激励模式，对机器鱼尾鳍进行形状控制。通过上舵机1和下舵机2的共同作用，实现仿生机器鱼能够在水中游水前进。
在本实施例中，所述第一导轨滑块机构22沿竖向安装于鱼头基架5后侧，所述第一导轨滑块机构22的上、下部分别设有一段导轨，上、下两段导轨内分别设有可上下滑移并锁定定位的上、下滑块，上、下滑块分别连接上被动绳26、下被动绳27，以通过改变滑块位移距离调整上、下被动绳的预紧力从而改变机器鱼刚度。
所述尾鳍基架10前侧设置有第二导轨滑块机构23，所述两根第二主动绳分别穿过鱼头基架5和所有关节构件与第二导轨滑块机构23上的滑块连接，以通过改变滑块位移距离调整第二主动绳的张紧程度。
在本实施例中，所述鱼头外壳为刚性结构，由刚性鱼头左壳11和刚性鱼头右壳12连接组成。所述柔性鱼皮13为硅胶鱼皮，所述柔性鱼皮13包覆于张拉整体结构外侧，且其前端与鱼头外壳对接，中部通过设置于椭圆环件上的螺栓15与各关节构件连接，后端与柔性尾鳍的尾鳍基架10对接。在本实施例中，具有尾鳍造型的柔性部14采用硅胶浇筑成型于尾鳍基架10。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，包括鱼头模块、柔性躯干模块和鱼鳍模块，所述柔性躯干模块包括张拉整体结构、柔性鱼皮和多根主、被动绳，所述张拉整体结构包括前后依次设置的多个关节构件和多组弹簧，相邻关节构件之间通过一组弹簧连接；所述鱼鳍模块包括左、右胸鳍和柔性尾鳍，所述柔性尾鳍包括尾鳍基架和设于其外的具有尾鳍造型的柔性部，所述尾鳍基架向前通过一组弹簧与最后端的关节构件连接；所述鱼头模块包括鱼头基架、驱动机构、第一导轨滑块机构和鱼头外壳，所述鱼头基架向后通过一组弹簧与最前端的关节构件连接，所述第一导轨滑块机构安装于鱼头基架后侧，所述驱动机构包括分别安装于鱼头基架上的两对舵机，上舵机叶片的左、右两侧分别连接第一主动绳，两根第一主动绳分别穿过鱼头基架和若干关节构件与一个位于中部的关节构件的左、右两侧连接，下舵机叶片的左、右两侧分别连接第二主动绳，两根第二主动绳分别穿过鱼头基架和所有关节构件与尾鳍基架连接，以通过绳驱式欠驱动方式控制机器鱼的左右摆动，左、右舵机叶片分别与左、右胸鳍固定连接，以通过改变胸鳍攻角控制机器鱼的上浮下潜运动，第一导轨滑块机构上的上、下滑块分别连接上、下被动绳，上、下被动绳分别穿过所有关节构件与尾鳍基架连接，鱼头外壳安装于鱼头基架外侧。
2.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述关节构件包括椭圆环件，所述椭圆环件上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆，所述椭圆环件左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆，所述椭圆环件的上、下、左、右分别开设有通孔，以分别穿过主、被动绳；相邻两关节构件之间，后侧关节构件的两前连接杆前端与前侧关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，后侧关节构件的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧与前侧关节构件的两前连接杆前端相连；所述尾鳍基架上、下两侧向前分别固连有斜向内的前连接杆，尾鳍基架的两前连接杆前端与最后端的关节构件的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，尾鳍基架的两前连接杆前端还通过两根第二弹簧与最后端的关节构件的两前连接杆前端相连；所述鱼头基架左、右两侧向后分别固连有斜向内的后连接杆；最前端的关节构件的两前连接杆前端与鱼头基架的两后连接杆后端位于同一平面并通过四根第一弹簧首尾相连，最前端的关节构件的两前连接杆前端还通过两根第三弹簧与鱼头基架或其上的第一导轨滑块机构相连。
3.根据权利要求2所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述张拉整体结构包括四个关节构件，四个关节构件的椭圆环件尺寸从前向后依次变小。
4.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，两根第一主动绳左右对称设置，两根第一主动绳前端分别通过第四弹簧与上舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第一主动绳后端分别穿过鱼头基架和第一关节构件与第二关节构件的左、右两侧固定连接，以通过第一主动绳将上舵机的驱动力传导到机器鱼躯干，上舵机叶片的摆动通过第一主动绳牵动第二关节构件来回摆动，进而实现机器鱼前半身摆动的仿生模拟；两根第二主动绳左右对称设置，两根第一主动绳前端分别通过第五弹簧与下舵机叶片的左、右两侧固定连接，两根第二主动绳后端分别穿过鱼头基架和所有关节构件与尾鳍基架的左、右两侧固定连接，以通过第二主动绳将下舵机的驱动力传导到机器鱼尾鳍，下舵机叶片的摆动通过第二主动绳牵动柔性尾鳍来回摆动，进而实现机器鱼尾鳍摆动的仿生模拟。
5.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述第一导轨滑块机构沿竖向安装于鱼头基架后侧，所述第一导轨滑块机构的上、下部分别设有一段导轨，上、下两段导轨内分别设有可上下滑移并锁定定位的上、下滑块，上、下滑块分别连接上、下被动绳，以通过改变滑块位移距离调整上、下被动绳的预紧力从而改变机器鱼刚度。
6.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述尾鳍基架前侧设置有第二导轨滑块机构，所述两根第二主动绳分别穿过鱼头基架和所有关节构件与第二导轨滑块机构上的滑块连接，以通过改变滑块位移距离调整第二主动绳的张紧程度。
7.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述鱼头外壳为刚性结构，由刚性鱼头左壳和刚性鱼头右壳连接组成。
8.根据权利要求1所述的一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构，其特征在于，所述柔性鱼皮为硅胶鱼皮，所述柔性鱼皮包覆于张拉整体结构外侧，且其前端与鱼头外壳对接，中部与各关节构件连接，后端与柔性尾鳍对接。
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| CN202311383443.9A CN117262165A (zh) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | 一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311383443.9A CN117262165A (zh) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | 一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117262165A true CN117262165A (zh) | 2023-12-22 |
Family
ID=89219385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311383443.9A Pending CN117262165A (zh) | 2023-10-24 | 2023-10-24 | 一种多点激励的变刚度张拉仿生机器鱼结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117262165A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117921747A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于弹簧的可控时变刚度柔性基座 |
-
2023
- 2023-10-24 CN CN202311383443.9A patent/CN117262165A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117921747A (zh) * | 2024-03-25 | 2024-04-26 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于弹簧的可控时变刚度柔性基座 |
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