CN1256219C - 机器鱼 - Google Patents

Abstract

一种机器鱼，采用头部驱动系统、中段控制系统及尾部平衡随动系统的三段式结构，头部驱动系统包括伺服机、电池盒与接收器，头部伺服机与接收器一通道相连，中段控制系统内置一个伺服机与接收器的二通道相连，头部与中段的连接处采用防水密封套筒实现动密封，并通过一个由伺服机驱动的双摇杆机构联动。鱼尾的平衡随动系统与鱼身的连接处采用弹簧装置，使鱼尾处于不稳定的平衡随动状态。通过遥控器来控制机器鱼中段的摆动幅度，带动鱼尾摆动并推动机器鱼前进，中段伺服机控制鱼的转向。本发明外形和真鱼相近，可实现鱼的波动前进，利用水流对机器鱼腹鳍的反推力和机器鱼向单侧的摆尾共同实现机器鱼的转弯，能较好地进行鱼的水动力研究。

Description

机器鱼

技术领域

本发明涉及一种机器人装置，尤其是涉及一种机器鱼，用于研究开发新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器，也可作为玩具或收藏品，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

鱼类——尽管在直线前进时速度远逊于螺旋桨驱动的船只——在急转和零加速时，速度之快无与伦比。鱼类从静止状态加速前进时，它们最快可达10G，相当于航天飞机速度的3倍；至于高速急转弯时所需的空间，不到身体长度的一半。它们使用、发挥自身既有能量的本事，远远超过任何人造船舰。水生动物必须具备两种能力：(1)比捕食者和食物运动的更快、更灵敏；(2)在找到食物前能做长距离的运动。现有的水生动物形成了一整套低能耗条件下，快速游动的方法和体形。对其仿生学的研究，不仅有助于人们认识水生动物的形态进化的本质，更重要的是，它给人们许多宝贵的启示，以解决工程技术问题。近年来，西方发达国家对小型鱼类的仿生机器人技术的研究开发给与了越来越多的重视，海洋动物的这种推进方式具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器的模仿对象。

在开发制造模仿鱼类游动的柔性船方面，研究人员认为这种模仿鱼类游动的海上工具将比那些用螺旋桨驱动的船更为高效和敏捷。机器鱼还可能成为一个可寻找沉在海底的物品的游动传感器。机器鱼最突出的优点，还在于它可以实现低噪声操作。而以往的探测器在工作时都会产生极大的噪音，所以还没等靠近目标就已暴露。

只有在机器鱼得到更多的研究和优化之后，才能证明这种仿生技术确实比螺旋桨推动前进的机器更有效。采用鱼身的正弦摆动来实现前进，而非通过涡轮推进器提供驱动力，使机器鱼能躲过探测器的搜寻，这种由螺旋桨到仿生推进的变革，具有十分重要的意义。

北京航空航天大学机器人研究所，一条长0.8米的机器鱼在一项全新的仿生学研究成果——波动推进下，顺利实现了不用螺旋桨的设想。这条机器鱼体重8000克，在水中最大速度为每秒0.6米，能耗效率为70％至90％，控制上采用的是计算机遥控的方式。鱼体是一个平面6关节机构(6节鱼身)，包括鱼头和鱼尾两部分。鱼头是利用玻璃钢制作的、仿鲨鱼外形的壳体。整个鱼的动力电池、控制接收部分都放在鱼头里。鱼尾的6个伺服电机扭转摆动作为推动器。

但是，这条机器鱼还并不十分理想，结构复杂而成本高，份量重。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种新型结构的机器鱼，使之结构简单合理，控制方便可靠，为开发柔性船做前沿研究，并使其能朝着智能化方向发展。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中考虑到：鱼类中，最常见的一种体型是体呈纺锤状，中段肥大，头尾稍尖细，从体轴看，头尾轴最长，背腹轴较短，左右轴最短。大部分行动迅速的鱼类多属于这种体型。这样的体型可将水的阻力减至最低限度，以耗费最小的能量获得较大的速度，有利于觅取食物和躲避敌害。由于鱼游动时，尾迹是由一连串移动着的涡环组成的，涡环近乎圆形，而新月型尾鳍特别容易使圆形涡环从后缘脱落，从而把为涡脱落所消耗掉的能量降低到最小，故推进效率最高。这种浑圆渐变的鱼体也适合在其内部装上所需的机构。所以，本发明选择鲭鱼作为模仿对象，并设计新月型尾鳍。

本发明利用鱼尾大提伸、小拖曳的特性，通过尾部的摆动来获得推动力。设计的机器鱼采用鱼头、鱼身、鱼尾三段式结构，即采用头部驱动系统、中段控制系统及尾部平衡、随动系统的三段式结构，头部与中段的连接处采用防水密封套筒实现动密封，并通过一个由伺服机驱动的双摇杆机构联动，鱼尾的平衡随动系统与第二段鱼身的连接处采用了弹簧装置，通过遥控器来控制机器鱼中段的摆动幅度，利用水对鱼尾的阻尼，产生一个滞后的相位角，带动鱼尾摆动，这种波动使鱼获得推动力，产生近似正弦波的推力，推动机器鱼前进。在中段的鱼身中安装一个较小的伺服机来控制鱼的转向。

本发明的具体结构包括头部驱动系统、中段控制系统及尾部平衡、随动系统三部分。驱动系统置于机器鱼的头部，包括一个头部伺服机、电池盒与接收器，由遥控器控制头部伺服机输出端的转轴左右旋转。置于鱼头最前端的电池盒及其上方的接收器固定在头部前挡板上，固定在头部后挡板上的头部伺服机与接收器一通道相连，头部伺服机的输出端转轴上方固定一个圆盘，沿圆盘直径在圆盘上安装头部输出杆，头部输出杆左右两端的矩形槽内分别用销钉连接上拉杆和下拉杆，上下拉杆的另一端分别通过头部、中部的转动连接件与中部前挡板固定连接。机器鱼的第二段是鱼身控制系统，包括前游控制和转弯控制，内置一个中段伺服机与鱼头中接收器的二通道相连，遥控器控制中段伺服机输出端的转轴左右旋转。中段伺服机输出端的转轴上方固定一个输出杆，输出杆与中部拉杆、中部连杆形成一个以中段伺服机转轴和腹鳍转轴为固定支点的双摇杆机构。头部与中段的连接处采用防水密封套筒实现动密封。鱼尾段的平衡随动系统与第二段鱼身的连接处采用了弹簧装置，支架固定于中部后挡板上，支座与其两边的两块小挡板之间各套入一根弹簧，两段的弹簧长度、刚度均一致，使得鱼尾处于不稳定的平衡、随动状态。

本发明的机器鱼结构简单合理，控制方便可靠，从外形上看和真鱼相近，实现了鱼的波动前进，利用水流对机器鱼腹鳍的反推力和机器鱼向单侧的摆尾共同实现机器鱼的转弯，能较好地进行鱼的水动力研究。此外，为避免频繁拆卸，对于机器鱼内部的供电采用内置电池，外挂充电器，可随时对机器鱼进行充电。

本发明利用鱼身的正弦摆动来实现前进，而非通过涡轮推进器提供驱动力，使机器鱼能躲过探测器的搜寻。这种由螺旋桨到仿生推进的变革，为进一步研究开发柔性船，并使其能朝着智能化方向发展具有重要意义。

本发明亦可开发成儿童玩具，或作为礼品、收藏品，使之集知识性、趣味性于一身，具有实用价值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图1中，1为接收器，2为电池盒，3为头部输出杆，4为上拉杆，5为防水密封套筒，6为中部前挡板，7为中部连杆，8为中部拉杆，9为中部输出杆，10为中部后挡板，11为支架，12为小挡板，13为弹簧，14为支座，15为腹鳍，16为中段伺服机，17为中段伺服机转轴，18为腹鳍转轴，19为中部转动固定件，20为头部转动连接件，21为头部后挡板，22为下拉杆，23为头部伺服机转轴，24为头部伺服机，25为圆盘，26为头部前挡板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的机器鱼整体结构如图1所示，采用鱼头、鱼身、鱼尾三段式结构，即头部驱动段、控制转弯的鱼身以及尾部。

头部内置了电池盒2、接收器1和头部伺服机24。接收器1和电池盒2置于鱼头的最前端，接收器1放在电池盒2的上方，两者固定在头部前挡板26上。头部伺服机24固定在头部后挡板21上。头部伺服机24的接入线与接收器1一通道相连，遥控器控制头部伺服机24输出端的转轴23左右旋转，头部伺服机转轴23上方用螺丝固定一个圆盘25，沿圆盘25直径在上面安装头部输出杆3，用螺丝固定。在头部输出杆3左右两端的矩形槽内分别用销钉连接上拉杆4和下拉杆22的一端，使上拉杆4和下拉杆22能在矩形槽内来回滑动。上拉杆4、下拉杆22的另一端分别通过固定在头部后挡板21上的防水密封套筒5，与头部转动连接件20用销钉连接，头部转动连接件20与中部转动固定件19也用销钉连接，中部转动固定件19与中部前挡板6用螺丝固定连接。

机器鱼的第二段——鱼身控制机器鱼转弯，内置一个中段伺服机16。中段伺服机16的接入线通过头部后挡板21、中部前挡板6与鱼头中的接收器1的二通道相连。遥控器控制中段伺服机16输出端的转轴17左右旋转，中段伺服机转轴17上方用螺丝固定一个中部输出杆9，中部输出杆9与中部拉杆8用销钉连接，使得中部输出杆9进行左右转动时可带动中部拉杆8平移。中部拉杆8与中部连杆7也用销钉连接，中部连杆7与腹鳍转轴18固定连接。使中部拉杆8的平移能带动中部连杆7绕腹鳍转轴18转动，中部输出杆9、中部拉杆8和中部连杆7形成一个以中段伺服机转轴17和腹鳍转轴18为固定支点的双摇杆机构。

鱼尾与鱼身的连接是一个随动系统。支架11与支座14用销钉相连，支架11固定于中部后挡板10上，支座14固定在鱼尾上。支座14的左右两边的两块小挡板12也固定于中部后挡板10上。支座14和左右两块小档板12之间各套入一根长度、刚度相同的压弹簧13，使得鱼尾处于不稳定的平衡状态，使支座14绕着与支架11相连的销钉转动。而当鱼身不动时，由于两边压弹簧的作用，使鱼身挺直。

遥控器一通道控制头部伺服机24，使头部输出杆3左右能摆动一定的角度，带动上拉杆4、下拉杆22前后移动。中部前挡板6在机器鱼运动时，绕它的中心轴进行来回45度的摆动，并带动第二节鱼身摆动。利用水在机器鱼游动时对鱼身的阻力，作为随动部分的鱼尾相对于鱼头就有一定的延时，使机器鱼最终波动式的前进。

由于上拉杆4、下拉杆22在头部输出杆3的带动下，作的是平面运动，而不是直线运动，因此为了使上拉杆4、下拉杆22在作平面运动时不会卡死，并且有更好的密封性，本发明把矩形槽开在头部输出杆3上，使得上拉杆4、下拉杆22能在头部后挡板21的固定圆孔内作直线运动。

本发明的头部驱动段和第二段鱼身采用静密封。鱼头分成上下两个部分，下部单独做盖板，整个接收器、伺服机和电池均密封在鱼头下部。而在头部与第二段的连接处是动密封，为了使连接杆在前后运动的同时，避免水的流入，在头部后挡板21处采用防水密封套筒5进行了三层密封：防水密封套筒5是一个两头套筒，中间套管的结构。本发明在套管中灌油，两端的套筒则起到了防止油渗出的作用。这样既解决了密封问题，又解决了润滑问题。在头部驱动段和第二段鱼身，则采用静密封。

本发明遥控器的二通道控制第二段鱼身内的中段伺服机16使机器鱼转弯。

机器鱼的转弯运动依靠在第二段鱼身内的中段伺服机16控制伸出鱼身的腹鳍状铜片，实现机器鱼的转向。遥控器控制中部输出杆9进行左右30度的转动，带动中部拉杆8平移，使中部连杆7绕腹鳍转轴18转动。腹鳍转轴18的输出端为控制转弯的腹鳍。在机器鱼游动时，当腹鳍向右转，机器鱼也向右转，反之腹鳍向左转，机器鱼则向左转弯。

Claims (3)

1、一种机器鱼，包括驱动系统、控制系统和平衡随动系统，其特征在于采用头部驱动段、控制转弯的鱼身以及尾部三段式结构，置于鱼头最前端的电池盒(2)及其上方的接收器(1)固定在头部前挡板(26)上，头部伺服机(24)固定在头部后挡板(21)上，头部伺服机(24)的接入线与接收器(1)一通道相连，头部伺服机(24)的输出端转轴(23)上方固定一个圆盘(25)，沿圆盘(25)直径在圆盘上安装头部输出杆(3)，头部输出杆(3)左右两端的矩形槽内分别用销钉连接上拉杆(4)和下拉杆(22)，上拉杆(4)、下拉杆(22)的另一端分别通过固定在头部后挡板(21)上的防水密封套筒(5)与头部转动连接件(20)连接，头部转动连接件(20)与中部转动固定件(19)连接，中部转动固定件(19)与中部前挡板(6)固定连接，鱼身内中段伺服机(16)的接入线通过头部后挡板(21)、中部前挡板(6)与接收器(1)的二通道相连，中段伺服机转轴(17)上方固定一个中部输出杆(9)，中部输出杆(9)与中部拉杆(8)用销钉连接，中部拉杆(8)与中部连杆(7)也用销钉连接，中部连杆(7)与腹鳍转轴(18)固定连接，中部输出杆(9)、中部拉杆(8)和中部连杆(7)形成一个以中段伺服机转轴(17)和腹鳍转轴(18)为固定支点的双摇杆机构；鱼尾段的平衡随动系统与鱼身的连接处采用弹簧装置，支架(11)与支座(14)用销钉相连，支架(11)固定于中部后挡板(10)上，支座(14)固定在鱼尾上，支座(14)与其两边也固定于中部后挡板(10)上的两块小挡板(12)之间各套入一根长度、刚度相同的弹簧(13)，通过支座(14)绕着与支架(11)相连的销钉转动及支座两边弹簧(13)的作用，使鱼尾处于不稳定的平衡随动状态。

2、如权利要求1所说的机器鱼，其特征在于头部驱动段和第二段鱼身的连接处采用动密封，防水密封套筒(5)是一个两头套筒，中间套管的结构，套管中灌油，两端的套筒防油渗出。

3、如权利要求1所说的机器鱼，其特征在于头部驱动段和第二段鱼身分别采用静密封。