CN1256259C - 仿生机器鱼的柔性推进机构 - Google Patents

Abstract

一种仿生机器鱼的柔性推进机构，包括能够模仿鱼类肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的柔性尾部、鱼体内由电机驱动的机构部分和电控部分。不锈钢弹性钢片做成的鱼尾连接在鱼体支架上，尾鳍驱动钢丝及尾部主体驱动钢丝分别穿过限位导孔固定在鱼尾上，两个驱动电机分别带动尾鳍驱动轮和尾部驱动轮转动，通过鱼尾两侧钢丝的协调拉紧放松，实现尾鳍的转动和整个尾部平动的复合运动，即鲹科加新月形尾鳍的推进模式，采用可调限位轮调节钢丝的松紧，固定限位轮使钢丝贴住鱼尾的两侧。本发明能很好的模仿鱼类的运动姿态，更好的利用涡流，提高推进效率，可用于水动力实验研究，并可推广用作小型水下设备或微小型无人水下探测器。

Description

仿生机器鱼的柔性推进机构

技术领域

本发明涉及一种仿生机器鱼的柔性推进机构，可用于鱼尾摆动的水动力实验研究，并可进一步推广应用于小型水下设备或微小型无人水下探测器，进行复杂海洋环境下的海底观测、水下作业、水下救生。属于机器人技术领域。

背景技术

传统的水下探测装置都是依靠螺旋桨推进的方式。随着海洋资源开发、海洋探索和海洋环境保护的进一步要求，传统的螺旋桨和涡轮推进器所提供的动力已无法满足水下机器人在水下高效作业的要求。近年来仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的进步促进了仿生机器鱼技术的发展。

目前，机器鱼的研究主要在于模仿鱼类的运动模式，根据不同鱼类的运动模式，机器鱼主要可以分为以下两种。一种是根据“摆动推进机理”设计的机器鱼，这种机器鱼主要模仿金枪鱼、旗鱼、鲨鱼等于鱼类的运动，把身体当作推进器，身体左右摆动激水，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。另一种是根据“波动推进机理”设计的，这类机器鱼主要模仿鳗鲡、泥鳅、鳝鱼等的运动，他们的尾鳍退化，其前进完全依赖于身体的摆动，鱼的脊椎曲线带动他所包络的液体向后喷出，产生推力。

北京航空航天大学机器人研究所研制了一条仿鳗鲡目身体波动式机器鱼(Robotfish)，该机器鱼长0.8米，靠身体的波动以及尾鳍的摆动实现了不用螺旋桨行进。

鱼体是一个平面6关节机构(6节鱼身)，包括鱼头和鱼尾部分。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进器。

对现有机器鱼及鱼形机器人的检索发现，日本专利JP7-215292A公开了一种“振动翼推进机构”，提出了一种来回摆动的运动模式，并在应用模型中采用了一种用两侧的绳子拉动振动翼来驱动的模式，两侧的绳子通过驱动轮后直接固定在振动翼上。申请号为02241163的中国发明专利公开了一种“可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼”，该机器鱼有两个驱动关节，第一个驱动关节有一个上开口U形槽，驱动电机放在U槽内，第二个驱动关节有一个左开口的U行槽，椭圆形的鱼体支架上有一个有一长方形孔，通过所述长方形孔将鱼体骨架套入在左向开口的U型槽和上开口U型槽之间。中国发明专利“新型遥控多关节仿生机器鱼”(申请号01219339)是由鱼形外壳、若干节骨架、电池和接收控制电路板构成，鱼形外壳由鱼头、与若干节骨架相对应的若干节鱼身和鱼尾构成，若干节鱼和鱼尾通过软质连接体相互密封连为一起，每节骨架是由舵机、固定架和摆动连接架构成，带动摆动连接架的舵机固定于固定架内，固定架与相应的鱼形外壳的鱼身内壁固接，摆动连接架与舵机的摆动输出体连接，带动后一节骨架摆动的前一节摆动连接架的末端与后一节骨架的舵机前端连接，最后一节骨的摆动架与鱼形外壳的鱼尾连接，所述骨架、电池和接收控制电路板密封设置在鱼形外壳内。

上述发明的机器鱼，在技术上主要存在如下一些问题：日本的发明专利没有明确的提出通过尾部的平动和尾鳍的摆动相结合的运动模式，同时也没有指出摆动的频率，而这些都是仿生机器鱼的推进机构中最重要的模式和参数；另外，在其发明中，绳子直接固定在驱动轮和振动翼上，因此振动翼的弯曲部位没法控制，在两侧绳子驱动的时候，很可能导致作用力相抵消，产生弯曲的不确定性。国内的机器鱼都是采用多关节刚体协调控制来逼近鱼的游动姿态，虽然能够在一定程度上模仿鱼类的游动姿态，但其刚性的尾部始终无法做到鱼类那样的柔性；为了实现柔性的游动姿态，就必须增加关节数，导致机构和控制都十分复杂；并且头部摆动的问题仍无法很好地解决。另外，由于关节之间要放置电机，尾部无法做到很薄。

因此，为了更好更逼真的模仿鱼的柔性游动姿态，并且克服鱼头摆动的问题，需要发明一种柔性尾部，模仿鱼肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的机器鱼。对现有专利技术的检索尚未发现能克服上述问题的机器鱼。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种仿生机器鱼的柔性推进机构，更逼真的模仿鱼类的游动姿态，利用尾部产生的涡流提高推进效率，较好的克服鱼头摆动的问题，适应各种水动力实验研究及实际应用需求。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，采用不锈钢弹性钢片做成的鱼尾连接在鱼体支架上，尾鳍驱动钢丝及尾部主体驱动钢丝分别穿过限位导孔固定在鱼尾上，两个驱动电机分别带动尾鳍驱动轮和尾部驱动轮转动，通过控制鱼尾对称线两个面的钢丝协调拉紧放松，实现尾鳍的转动和整个尾部平动的复合运动，即模仿鲹科鱼类新月形尾鳍的推进模式，采用可调限位轮调节钢丝的松紧，采用固定限位轮使钢丝贴住鱼尾。

本发明的具体结构为：

本发明的机器鱼柔性推进机构包括能够模仿鱼类肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的柔性尾部、鱼体内由电机驱动的机构部分和电控部分，主要由不锈钢弹性钢片做成的鱼尾、尾鳍驱动部件、尾部驱动部件、可调限位部件及固定限位部件组成。鱼尾通过螺纹紧固件和鱼体支架固定，鱼尾的对称线上设置尾鳍部分限位导孔及尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置，尾部主体限位导孔及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置设置在鱼尾对称线的两侧。尾鳍驱动部件包括尾鳍驱动轮轴及尾鳍驱动轮，尾鳍驱动轮通过平键和尾鳍驱动轮轴相固定，尾鳍驱动轮轴通过轴承和鱼体支架相连，并通过螺母限位，尾鳍驱动钢丝通过螺钉固定在尾鳍驱动轮上的连接孔内，并绕经可调限位轮、固定限位轮后穿过尾鳍部分限位导孔，固定在尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置上。尾部驱动部件包括尾部驱动轮轴及尾部驱动轮，尾部驱动轮轴分为上下两部分，中间通过联轴器连接，尾部驱动轮轴通过轴承和鱼体支架相连，上下两根尾部主体驱动钢丝分别固定在上下两个尾部驱动轮上的连接孔内，并分别绕经上下两个可调限位轮、固定限位轮后穿过尾部主体限位导孔，与尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置相连。可调限位部件中的可调限位轮轴由紧固螺母固定在鱼体支架上，与可调限位轮轴平键连接的三个可调限位轮在鱼体支架沿鱼尾方向的一字槽内位置可调。固定限位部件中，三个固定限位轮由挡圈连接在固定限位轮轴上，固定限位轮轴通过固定限位轮支架与鱼体支架连接。

本发明的柔性鱼尾主要有两个弯曲的位置，一个是尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲，另一个是鱼尾主体和鱼体的相对弯曲。在不锈钢弹性鱼尾的对称线的位置上打上若干小孔，设置尾鳍部分限位导孔，在对称线上尾鳍的位置打一个小孔，设置尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置。鱼尾对称线上尾鳍部分限位导孔及连接装置的位置可以确定尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲位置以及弯曲程度。尾部主体限位导孔及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置设置在鱼尾对称线的两侧，其中，尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置的位置靠近尾鳍，由此确定了鱼尾主体和鱼体相对弯曲的位置。

尾鳍部分限位导孔包括带通孔的螺栓和紧固螺母，螺栓穿过鱼尾并通过紧固螺母固定在鱼尾上，螺栓的两头开有通孔，两根尾鳍驱动钢丝分别从鱼尾上下两个面穿过这两个通孔，固定在尾鳍驱动钢丝和鱼尾的连接装置上。

尾部主体限位导孔结构与尾鳍部分限位导孔的结构相同，两组四根尾部主体驱动钢丝分别从鱼尾对称线两侧的上下两个面穿过限位导孔中的通孔，固定在尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置上。

尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置、尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置的结构与限位导孔的结构相同，只是在钢丝穿过连接装置上的通孔后，外部再用一螺母将钢丝固定。

机器鱼整个尾部的柔性驱动可以通过控制调整鱼尾对称线两个面上的钢丝放松或拉紧，使尾鳍产生正反两个方向的摆动，实现尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲。同理，可以通过控制调整鱼尾对称线两侧两个面上的钢丝放松或拉紧，使鱼尾产生正反两个方向的摆动，实现鱼尾主体和鱼体的相对弯曲。

整个机器鱼的运动通过电机连接驱动轮正反转，驱动鱼尾两个面上的钢丝交替拉紧放松，实现鱼尾的摆动。两个电机协调运动，实现尾鳍摆动和平动的复合运动，模仿鲹科鱼类新月形尾鳍的推进模式。

本发明的机器鱼模仿鲹科鱼类新月形尾鳍的推进模式，游动过程中尾鳍作摆动和平动的复合运动，其摆动的轨迹近似正弦曲线。在游动过程中，身体前2/3部分几乎保持刚性，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍以及尾鳍于身体的连接部分，该部分截面积比较小，可以极大的减小形体的阻力，尾鳍产生超过90％的推进力。

本发明结构简单，易于控制，柔性的机器鱼尾巴能更好的拟合鱼类的推进模式，不仅能最大程度的模仿鱼类的运动姿态，而且能更好的运用柔性变形的力学效应，更好的利用尾部的涡流，提高推进效率。本发明不仅可以用于鱼尾摆动的水动力实验研究，而且可以推广用作小型水下设备或微小型无人水下探测器，进行复杂海洋环境下的海底观测、水下作业、水下救生，而且由于其隐蔽性好，还可应用于多种军事用途，有着广泛的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明机器鱼推进机构的整体结构示意图。

图1中，鱼尾1、鱼体支架2、尾鳍驱动部件3、尾部驱动部件4、可调限位部件5、固定限位部件6。

图2为本发明鱼尾部结构示意图。

图2中，尾鳍7、尾部主体8、尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置9、尾鳍部分限位导孔10，尾鳍驱动钢丝11，尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置12，尾部主体限位导孔13，尾部主体驱动钢丝14。

图3为限位导孔的结构示意图。

图3中，打通孔的的螺栓15、固定螺栓在鱼尾上的螺母16。

图4为尾鳍驱动部件3的结构示意图。

图4中，尾鳍驱动轮轴17，轴承18，紧固螺母19，尾鳍驱动轮20，连接轴和驱动轮的平键21，固定钢丝和驱动轮连接的孔22。

图5为尾部驱动部件4的结构示意图。

图5中，尾部驱动轮轴23，尾部驱动轮24，联轴器25。

图6为可调限位部件5的结构示意图。

图6中，可调限位轮轴26，可调限位轮27，紧固螺母28。

图7为固定限位部件6的结构示意图。

图7中，固定限位轮29，固定限位轮轴30，固定限位轮支架31。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的推进机构主要包括能够模仿鱼类肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的柔性尾部，以及鱼体内由电机驱动的机构部分和电控部分，整体结构如图1所示。不锈钢弹性钢片做成的鱼尾1通过螺纹紧固件和鱼体支架2固定，尾鳍驱动部件3、尾部驱动部件4通过轴承和鱼体支架2连接，可调限位部件5通过紧固螺母和鱼体支架2相连，固定限位部件6通过其本身的固定限位轮支架与鱼体支架2连接。

鱼尾结构的实施方式如图2所示，采用0.6mm的不锈钢钢丝，在不锈钢弹性鱼尾的对称线位置上设置若干个尾鳍部分限位导孔10，在对称线上尾鳍的位置设置尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置9。尾部主体限位导孔13及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置12设置在鱼尾对称线的两侧。

尾鳍驱动钢丝11穿过若干个尾鳍部分限位导孔10后，固定在尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置9上，通过拉紧或放松鱼尾对称线上的尾鳍驱动钢丝11，在鱼尾在连接装置9和限位导孔10之间会产生比较大的弯曲，尾鳍7会产生摆动，鱼体主体会产生比较微弱的弯曲，如此和尾鳍形成连续性很好的弯曲，能逼真的模仿鱼尾的摆动；通过调节限位导孔10的疏密及其位置可以调节鱼尾主体的弯曲程度。通过实验确定钢丝需拉紧的长度，根据水动力试验以及理论分析，可知，当尾鳍摆动角度为25°左右时，其推进效率最高，所以，通过试验测量，可确定拉紧的最佳长度，实现高效推进。分别控制调整鱼尾对称线两个面上的钢丝放松或拉紧，可使尾鳍产生正反两个方向的摆动，实现尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲。同理，鱼尾主体的摆动和尾鳍的摆动相似，尾部主体驱动钢丝14穿过尾部主体限位导孔13，与尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置12相连。分别控制调整鱼尾对称线两侧两个面上的钢丝放松或拉紧，可使鱼尾产生正反两个方向的摆动，实现鱼尾主体和鱼体的相对弯曲。

本发明实施例中鱼尾的长度为200mm，不锈钢钢片的厚度为0.2mm。

其中尾鳍采用新月形尾鳍，后略角30°，展弦比6.3。新月形尾鳍尖锐的后缘有利于尾流涡环的脱落，并且新月形尾鳍的弧形前缘可产生很大一部分的前缘吸力，均有助于提高推进速度。

通过协调拉紧尾鳍驱动钢丝11和尾部主体驱动钢丝14，可以使鱼尾实现模仿鲹科鱼类新月形尾鳍的推进模式。

其中，尾鳍部分限位导孔10及尾部主体限位导孔13具有相同的结构，如图3所示，限位导孔包括带通孔的螺栓15和紧固螺母16，螺栓15穿过鱼尾，其两头开有通孔，钢丝穿过这两个孔，通过紧固螺母16将螺栓15固定在鱼尾上。螺栓15上通孔的位置远离或靠近鱼尾，直接影响钢丝拉紧时的力矩，对推进效率有一定的影响。

尾鳍部分钢丝和鱼尾的连接装置9、尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置12的结构和上述限位导孔的结构相同，钢丝穿过导孔后，外部再用一螺母固定即可。

尾鳍驱动部件3的结构如图4所示，包括尾鳍驱动轮轴17及尾鳍驱动轮20。尾鳍驱动轮20通过平键21和尾鳍驱动轮轴17相固定，尾鳍驱动轮轴17通过轴承18和支架相连，并通过螺母19限位，尾鳍驱动钢丝11通过螺钉固定在尾鳍驱动轮20上的连接孔22内。电机带动尾鳍驱动轮轴17转动，尾鳍驱动轮轴17通过平键21带动尾鳍驱动轮20转动，使与驱动轮20相连的驱动尾鳍的两侧的钢丝11，交替拉紧放松，实现尾鳍的摆动。尾鳍驱动轮20的直径为20mm，结合上述确定的钢丝需拉紧的长度，可以确定电机需转过的角度。

尾部驱动部件4的结构如图5所示，包括尾部驱动轮轴23及尾部驱动轮24。尾部驱动轮24、尾部驱动轮轴23与鱼体及支架2之间的连接和尾鳍驱动轮的相同。由于装配的要求，尾部驱动轮轴23分为上下两部分，中间通过联轴器25连接。尾部驱动轮轴23通过轴承和鱼体支架2相连，上下两根尾部主体驱动钢丝14分别固定在上下两个尾部驱动轮24上的连接孔内。

尾部驱动轮24与尾部主体驱动钢丝14的连接也和上述的尾鳍驱动轮20相同。尾部驱动轮24的尺寸和尾鳍驱动轮20相同。尾部驱动轮24通过拉紧放松尾部主体驱动钢丝14而使尾部摆动。

可调限位部件5的结构如图6所示，可调限位轮轴26由紧固螺母28固定在鱼体支架2上，支架上沿鱼尾方向铣一字槽，与可调限位轮轴26平键连接的三个可调限位轮27在鱼体支架2的一字槽内位置可调，调节可调限位轮27的位置可以调整钢丝的松紧。

固定限位部件6的结构如图7所示，三个固定限位轮29由挡圈连接在固定限位轮轴30上。固定限位轮支架31支撑固定限位轮轴30，固定限位轮支架31通过螺纹紧固件连接到鱼体支架2。

本发明的机器鱼由直流电机驱动，电机转矩为16.2*10^-3N.m，减速箱的减速比为218.4∶1。

本发明的整个仿生机器鱼的柔性推进机构，与机器鱼的鱼体支架相连，放置在一个仿鱼皮的柔性材料制成的鱼皮外套内，外形呈现一条完整的仿生机器鱼，只有在鱼皮外套下侧有一个开口，当把机器鱼装入鱼皮中后，再把开口密封。

本发明采用弹性钢片作为机器鱼的尾部，采用钢丝拉动使尾部摆动，并通过两个电机协调控制使尾部实现模仿鳍科鱼类新月形尾鳍的推进模式，能逼真的模仿鱼类的运动，更提高了机器鱼的推进效率。

Claims (5)

1、一种仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于包括不锈钢弹性钢片做成的鱼尾(1)、尾鳍驱动部件(3)、尾部驱动部件(4)、可调限位部件(5)及固定限位部件(6)，鱼尾(1)通过螺纹紧固件和鱼体支架(2)固定，鱼尾(1)的对称线上设置尾鳍部分限位导孔(10)和尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置(9)，尾部主体限位导孔(13)及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置(12)设置在鱼尾对称线的两侧，尾鳍驱动部件(3)包括尾鳍驱动轮轴(17)及尾鳍驱动轮(20)，尾鳍驱动轮(20)通过平键(21)和尾鳍驱动轮轴(17)相固定，尾鳍驱动轮轴(17)通过轴承(18)和鱼体支架(2)相连，并通过螺母(19)限位，尾鳍驱动钢丝(11)通过螺钉固定在尾鳍驱动轮(20)上的连接孔(22)内，并绕经可调限位轮(27)、固定限位轮(29)后穿过尾鳍部分限位导孔(10)，固定在尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置(9)上；尾部驱动部件(4)包括尾部驱动轮轴(23)及尾部驱动轮(24)，尾部驱动轮轴(23)分为上下两部分，中间通过联轴器(25)连接，尾部驱动轮轴(23)通过轴承和鱼体支架(2)相连，上下两根尾部主体驱动钢丝(14)分别固定在上下两个尾部驱动轮(24)上的连接孔内，并分别绕经两个可调限位轮(27)、固定限位轮(29)后穿过尾部主体限位导孔(13)，与尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置(12)相连；可调限位部件(5)中的可调限位轮轴(26)由紧固螺母(28)固定在鱼体支架(2)上，与可调限位轮轴(26)平键连接的三个可调限位轮(27)在鱼体支架(2)沿鱼尾方向的一字槽内位置可调；固定限位部件(6)中，三个固定限位轮(29)由挡圈连接在固定限位轮轴(30)上，固定限位轮轴(30)通过固定限位轮支架(31)与鱼体支架(2)连接。

2、如权利要求1的仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于所述尾鳍部分限位导孔(10)和尾部主体限位导孔(13)结构相同，包括带通孔的螺栓(15)和紧固螺母(16)，螺栓(15)穿过鱼尾并通过紧固螺母(16)固定在鱼尾上，螺栓(15)的两头开有通孔，尾鳍驱动钢丝(11)或尾部主体驱动钢丝(14)从这两个通孔穿过。

3、如权利要求1的仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于所述尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置(9)、尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置(12)的结构相同，包括带通孔的螺栓(15)和紧固螺母(16)，螺栓(15)穿过鱼尾并通过紧固螺母(16)固定在鱼尾上，螺栓(15)的两头开有通孔，尾鳍驱动钢丝(11)或尾部主体驱动钢丝(14)从这两个通孔穿过，外部再用一螺母将钢丝固定。

4、如权利要求1的仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于所述不锈钢弹性钢片做成的鱼尾(1)的长度为200mm，不锈钢钢片的厚度为0.2mm。

5、如权利要求1的仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于所述尾鳍驱动轮(20)及尾部驱动轮(24)的直径为20mm。

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