CN1785747A - 一种仿生机器鱼胸鳍结构 - Google Patents
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Abstract
一种仿生机器鱼胸鳍，胸鳍安置在壳体外两侧，壳体内部的传动装置带动胸鳍实现转动和拍动运动，胸鳍系统共有三个自由度；其结构是由第一、第二舵机通过第一、第二万向连轴器和线性滑座，将转动传递到齿轮轴，使齿轮转动，带动胸鳍作拍动动作；由第三舵机带动相互啮合的锥齿轮转动，带动空心轴转动，固定于空心轴内的齿轮随着转动，带动胸鳍作转动动作。本发明可作为模仿鱼类运动/研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法的实验本体，为制造效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的水下运输设备提供基本的实验平台，制作娱乐型或观赏型仿生机器鱼。
Description
技术领域
本发明属于机电一体化装置，具体地说涉及一种仿生机器鱼胸鳍结构。
背景技术
对于鱼类仿生学的研究在九十年代以前主要是开展理论方面的研究工作。在九十年代以后，随着电子技术、新型材料、机器人技术的快速发展，仿生机器鱼的研究在国内外已逐步开展起来。在这方面取得较好成果的有美国MIT大学的研究组为涡流控制和减阻机制研究而开发研制的仿生机器金枪鱼。美国东北大学利用形状记忆合金和连杆机构开发研制的机器鳗鱼。日本名古屋大学Fukuda教授开始了微型彷鱼水下推进器的研究，他先后研制出形状记忆合金(SMA)驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷(PZT)驱动的双鳍鱼型微机器人。日本东海大学的Kato实验室开发了研究人工胸鳍的机动性和推进的测试平台一仿黑色鲈鱼机器鱼。从1999年开始，日本运输省船舶技术研究所(SRI)开始了一系列的机器鱼研究项目，并开发了一种新型发动机半自由活塞型斯特灵发动机作为机器鱼的动力源。在国内，哈尔滨工程大学在国防基金的支持下开展了仿生机器章鱼的研究工作。中科院沈阳自动化研究所制作了两关节的仿生机器鱼模型。北京航空航天大学机器人研究所研究了机器鳗鱼和机器海豚。中科院自动化所设计的转动胸鳍可以提高机器鱼的机动性能，实现机器鱼的三维运动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生机器鱼胸鳍结构，本发明的胸鳍灵活小巧，可以像真正鱼的胸鳍一样转动、拍动。同时也为模仿鱼类运动/研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，为制造效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的水下运输设备提供基本的实验平台，制作娱乐型或观赏型仿生机器鱼。
为实现上述目的，本发明提供的仿生机器鱼胸鳍结构具有一对胸鳍，它们由各自电机带动实现拍动运动，同时这对胸鳍还受舵机带动实现转动运动。
附图说明
图1是胸鳍机械结构示意图；
图2是胸鳍控制电路原理框图；
图3是安装在机器鱼上的胸鳍外观示意图；
图4是胸鳍控制电路设计原理图。
具体实施方式
下面结合附图对胸鳍的机械结构和控制电路做出说明。
一对胸鳍10安置在壳体外两侧，由壳体内部设置的机构传动装置带动胸鳍实现转动和拍动运动。每个胸鳍有两个自由度，但是这两个胸鳍的转动是耦合在一起的，所以总体上来看，胸鳍系统一共有三个自由度。
图1为本发明胸鳍机械结构示意图。图1中，1-线性滑座；2-万向连轴器；3-舵机；4-万向连轴器；5-齿轮轴；6-相互啮合的齿轮；7-O型密封圈；8-齿轮轴；9-空心轴；10-胸鳍；11-O型密封圈；12-相互啮合的锥齿轮；13-舵机；14-锥齿轮轴。
先描述带动胸鳍作拍动运动的机械结构，需要说明的是胸鳍作拍动运动的机械结构为左右二套，这两部分完全对称，下面只描述其中的一套。
第一舵机3，其电机轴与第一万向连轴器2相连接，该第一万向连轴器2连接一线性滑座1，线性滑座1的另一端与第二万向连轴器4相连接，该第二万向连轴器4连接一齿轮轴5，该齿轮轴5垂直贯穿地固定在一空心轴9上，与相互啮合的齿轮6中的一个固定在一起，这对齿轮位于空心轴9内。胸鳍10与6中的另外一个齿轮固接在一起。
由上述结构，当第一舵机3转动时，通过第一、第二万向连轴器2、4和线性滑座1，将转动传递到齿轮轴5，驱动齿轮轴5转动，从而使齿轮6进行转动，进而实现胸鳍10的拍动功能。
再结合图1描述带动胸鳍进行转动的结构，需要说明的是，带动胸鳍作转动运动的结构只有一套，其具体结构是：
第三舵机13(因为带动胸鳍作拍动运动的机械结构中分左右两个舵机，分别称第一和第二舵机，因此带动胸鳍作转动运动的结构中的舵机称第三舵机)，其轴上安装有锥齿轮12。一齿轮轴14，同轴安装一锥齿轮，该锥齿轮与第三舵机13轴上的锥齿轮12相互啮合；齿轮轴14的两端各连接一空心轴。
由上述结构，当第三舵机13转动时带动相互啮合的锥齿轮12转动，固定在锥齿轮12上的齿轮轴14跟着转动，与齿轮轴14连接的空心轴9也随着转动，固定于空心轴9内的相互啮合的齿轮6随着空心轴9的转动而转动，因为胸鳍固定在齿轮6上，从而实现胸鳍的转动。
为了防止壳体内进水，本发明在空心轴9与齿轮轴5和空心轴9与壳体接触的部位加设O型密封圈7、11。
本发明的控制电路原理框图见图2。本发明共采用3个舵机来驱动胸鳍机构，控制胸鳍的位姿是通过控制舵机的位置来完成的。通讯模块负责接收控制指令，经过微处理器处理后，向电机驱动模块发送驱动数据，然后驱动模块负责向3个舵机发送PWM(脉冲宽度调制)控制信号。3个舵机接收到信号时，分别按信号指令进行动作，从而实现对胸鳍的控制。
实施例
依据本发明所说明的机械结构、控制电路结构，制作了一条带胸鳍的仿生机器鱼。其壳体采用有机玻璃制成，壳体内用铝材制成轴、齿轮等零件，胸鳍用塑料材料制成，其剖面形状为圆头尖尾翼型。安装完机器鱼胸鳍后的外观示意图如图3所示。控制电路实现如图4，微控制器采用AVR系列，舵机采用FUTABA的S9402，选取CPLD为电机驱动模块，采用充电电池作为电机、控制电路的电源。
Claims (5)
1.一种仿生机器鱼胸鳍，一对胸鳍安置在壳体外两侧，壳体内部的传动装置带动胸鳍实现转动和拍动运动，胸鳍系统共有三个自由度；其传动装置为：
第一舵机和第二舵机分设在两侧，每一舵机的电机轴与第一万向连轴器相连接，该第一万向连轴器连接一线性滑座，该线性滑座的另一端与第二万向连轴器相连接，该第二万向连轴器连接一齿轮轴，该齿轮轴垂直贯穿地固定在一空心轴上，并同轴固定一齿轮，该齿轮设在空心轴内，并与胸鳍连接；
第三舵机设置在两个空心轴之间，第三舵机的轴上安装有锥齿轮；一齿轮轴同轴安装一锥齿轮，该锥齿轮与第三舵机轴上的锥齿轮相互啮合；齿轮轴的两端各连接一空心轴；
空心轴与齿轮轴和空心轴与壳体接触的部位加设O型密封圈；
由上述结构，当第一舵机和/或第二舵机转动时，通过第一、第二万向连轴器和线性滑座，将转动传递到齿轮轴，驱动齿轮轴转动，使齿轮带动胸鳍作上下拍动运动；
由第三舵机转动时带动相互啮合的锥齿轮转动，固定在锥齿轮上的齿轮轴跟着转动，与齿轮轴连接的空心轴也随着转动，固定于空心轴内的相互啮合的齿轮随着空心轴转动，使胸鳍转动。
2.权利要求1的仿生机器鱼胸鳍，其特征在于，壳体为有机玻璃制成，壳体内传动机构的轴和齿轮为铝材制成，胸鳍用塑料材料制成。
3.权利要求1或2的仿生机器鱼胸鳍，其特征在于，胸鳍的剖面形状为圆头尖尾翼型。
4.权利要求1的仿生机器鱼胸鳍，其特征在于，设置在空心轴内的齿轮与胸鳍之间还啮合一齿轮，该齿轮通过一齿轮轴固定在空心轴上。
5.权利要求1的仿生机器鱼胸鳍，其特征在于，采用充电电池作为电源。
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