CN219857579U - 一种具有三关节机构的仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三关节尾鳍驱动的仿生机器鱼，机器鱼由依次连接的鱼头部分、连接基座、鱼身部分及尾鳍部分组成。头部包含刚性鱼头、电源模块、主控制模块、信息采集模块、胸鳍驱动模块和用于固定各模块的固定架；连接基座用于连接腰部和头部；身体部分包含三关节驱动机构和柔软鱼皮；尾部主体为柔顺尾鳍。三关节舵机输出幅值依次变大、相位滞后的运动，近似拟合鱼体波形，整体模式变换平滑，运动稳定可靠。

Description

一种具有三关节机构的仿生机器鱼

技术领域

本实用新型涉及水下机器人领域，特别涉及一种多关节机器鱼的结构设计。

背景技术

海洋蕴含丰富的能源资源、生物资源，许多国家都展开了对海洋的探索，水下航行器应运而生，在多个领域都有运用，在民用领域，可以实现海底资源勘探、设备检修、海中搜救等任务；在军事领域，可用于地形探测、特殊武器投放。但是，其缺点也同样显而易见：噪声大、效率低和能源利用率低。

经过数亿年的进化，鱼类具有卓越的运动性能和协调能力，研究人员借鉴其优异的生理结构设计出机器鱼，弥补了传统水下航行器机动性差、噪音大、效率低的缺点，为机器鱼提供了现实支撑。但是，机器鱼仍面临着游泳姿态僵硬，难以拟合真实鱼类行波曲线的问题。

因此，本领域技术人员提供了一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其游动姿态自然柔顺，运动模式切换平和，大大降低了机器鱼游动的阻力。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种具有三关节机构的仿生机器鱼，增强其在水中的运动性能。

一种具有三关节机构的仿生机器鱼，机器鱼由鱼头部分、连接基座、身体部分、尾鳍部分依次连接组成，其特征在于：所述的鱼头部分由刚性鱼头、电源模块、主控制模块、信息采集模块、胸鳍驱动模块和用于固定各模块的固定架组成；所述连接基座位于鱼头部分与身体部分中的固定架之间，通过销钉、销轴连接鱼头部分和身体部分 ；所述身体部分由三关节驱动结构与柔软鱼皮组成，通过螺钉与连接基座固接，三关节驱动结构由依次连接的连接架、第一关节舵机、第一关节连接件、第二关节舵机、第二关节连接件、第三关节舵机、第三关节连接件组成，柔软鱼皮覆盖于第一关节连接件、第二关节连接件、第三关节连接件之上；所述尾鳍部分前端与身体部分中的第三关节连接件相连，柔软鱼皮后端部分覆盖于所述尾鳍前端；所述仿生机器鱼头部结构、三关节机构和尾鳍部分通过销钉、销轴或螺钉螺母连接，结构简单，装卸方便。

作为优选的，所述电源模块、主控制模块、信息采集模块通过固定架居于鱼头中心位置，胸鳍驱动模块的胸鳍舵机放置在其正下方，空间布置合理。

作为优选的，所述三关节驱动机构在连接架处中心均布四个孔，通过螺钉与连接基座相连；上下端均布四个孔，通过螺钉螺母与关节舵机相连，关节舵机后端使用螺钉与关节连接件前端相连，连接件后端位置使用螺钉与另一关节舵机相连，依次连接组成三关节驱动机构。

作为优选的，所述信息采集模块的压力传感器与胸鳍驱动模块采用橡胶圈密封，柔软鱼皮采用防水胶布密封。

作为优选的，所述鱼头部分顶部设计端盖，用于数据传输、电池充电。

作为优选的，所述胸鳍驱动模块的胸鳍通过连杆与舵机相连，在舵机驱动下上下摆动。

作为优选的，所述机器鱼仿生对象为北美狗鱼，在机动性和速度上综合性能高。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种可的水下机器鱼，具有以下优点：

1、尾鳍部分仿照真实的鱼类流线，采用柔性硅胶材料制成，减小了机器鱼运动过程的阻力，提高了驱动的效率；

2、采用三关节机构进行驱动，可以模拟真实鱼类运动过程，实现不同的运动形态。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的整体分解结构示意图；

图3为本实用新型实施例的整体剖面示意图；

图4为本实用新型实施例的胸鳍摆动机构示意图；

图5为本实用新型实施例的三关节驱动机构轴测示意图；

图6为本实用新型实施例的三关节驱动机构局部剖面示意图。

符号说明

1、鱼头部分；2、连接基座；3、身体部分；4、尾鳍部分；11、刚性鱼头；12、控制板；13、IMU；14、锂电池；15、头部上内板；16、胸鳍驱动机构；17、头部下内板；18、压力传感器；19、红外传感器；31、柔软鱼皮；32、三关节驱动机构；161、左胸鳍；162、左胸鳍连接件；163、胸鳍舵机；164、右胸鳍连接件；165、右胸鳍；191、前红外传感器；192、右红外传感器；193、左红外传感器；321、连接架；322、第一关节舵机；323、第一关节连接件；324、第二关节舵机；325、第二关节连接件；326、第三舵机；327、第三关节连接件。

具体实施方式

用于描述本实用新型专利的在例图中示出，在例图中相同的序号代表相同的部件。例图中对某些结构进行了简化，用于解释本实用新型专利，并不能代表实际形态。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

如图1所示，多关节机器鱼由鱼头部分1、连接基座2、身体部分3及尾鳍部分4这四大模块组成。

如图2所示，多关节机器鱼包含刚性鱼头11、前红外传感器192、右红外传感器192、左红外传感器193、压力传感器18、STM32控制板12、IMU 13、电池14、胸部驱动结构16、头部上内板15、头部下内板17、连接基座2、三关节驱动结构32、柔软鱼皮31、柔顺尾部4、若干螺钉螺母。

如图3所示，所述鱼头部分1中的红外传感器19分别位于头部的前端中线的“前、左、右”位置，采集机器鱼“前、左、右”的障碍物信息；所述压力传感器18处于红外传感器19右后方，较细轴端处于外部，较粗轴端处于机器鱼内部，用于采集深度信息；所述胸鳍驱动结构16处于头部机构1的中心位置，两胸鳍连接件一端与胸鳍舵机相连，另一端与胸鳍相连，头部下内板17安装在胸鳍舵机下方，用于支撑舵机，同时，头部下内板17其上凸台在螺钉的作用下与胸鳍舵机固结，头部下内板17下方设计有四长轴，与头部主体11底部延申的孔进行孔轴连接；在胸部舵机上方，装有头部上内板15，一端与刚性鱼头11相连，一端与连接基座2相连，其上放置有STM32控制板12、IMU惯性传导单元13和电池14，为获取准确的姿态信息，IMU惯性传导单元放置于中线位置；所述身体部分中设有三关节驱动结构32，用于模拟出鱼尾的摆动；所述柔软鱼皮31套在三关节驱动结构32之上，其前端套于连接基座2上，后端套于尾鳍部分4的尾柄处。

为解决在水下作业的漏水问题，机器鱼设计了多处防水机制，例如，压力传感器连接孔中，均安装有防水垫圈。柔软鱼皮前端较窄，使其套牢在连接基座2上，同时，后续安装采用防水胶布多次缠绕，既有防水也有固定的作用。头部上方的正方形孔，用于程序烧录和充电，为实现防水，设计有一硅胶端盖覆盖在上面。总体来说，密封性能良好。

尾鳍部分4前端呈椭圆形，在其中间有一矩形槽，末端打横向通孔，通过螺钉螺母与身体部分3相连，末端横截面逐渐变窄，且呈月牙型，整体流线型强，与真鱼更加相似，水下运动时阻力更小。

如图4所示，胸鳍舵机163上通过螺钉与左胸鳍连接件162和右胸鳍连接件164固结，同时，左右两胸鳍连接件插入左胸鳍161与右胸鳍165的孔洞中，通过螺钉螺母相连。在一个舵机的驱动下，两胸鳍的摆动完全一致，提供向上的浮力，胸鳍也可用于保持机器鱼的稳定。

如图5所示，所述三关节驱动结构32位于整个身体部分3的中心位置，连接架321缘处均布四个孔，通过螺钉与连接基座2相连，中部均布四个孔通过螺钉螺母与第一关节舵机322相连，第一关节舵机322后端使用螺钉与第一关节连接件323前端相连，第一关节连接件323后端位置使用螺钉与第二关节舵机324相连，第二舵机关节324后端与第二关节连接件325使用螺钉固结，第二关节连接件325后端位置使用螺钉与第三关节舵机326相连，第三关节连接件327前端与第三关节舵机326使用螺钉固结，中后端位置用螺钉螺母与尾鳍部分4相连。

如图6所示，由于部分结构在图5中难以辨别其真实方位，因此，辅以图6进行理解。图6关节连接采用局部剖视图可知，舵机前端通过与连接架通过螺钉连接，后端通过螺钉与后端连接架相连。

当机器鱼向前巡游时，第一关节舵机322运行，滞后一段时间后，第二关节舵机324运行，且转动幅度更大，再次滞后一段时间，第三关节舵机326运行，转动更大幅度，带动鱼尾，循环往复，完成前行。若要实现倒游，第三舵机326最先运行，滞后一段时间，第二舵机324运行，同样转动更大幅度，再次滞后一段时间，第一舵机322运行，幅度更大，带动鱼头摆动，提供向后的驱动力，完成倒游。

当机器鱼右转运动时，第一关节舵机322运行，此时并不是对称转动，相比于直游，左转幅度更大，右转幅度更小；第二关节舵机324相比于第一关节舵机，左转幅度更大，右转幅度更小；第三关节舵机326相比于第一关节舵机，左转幅度更大，右转幅度更小，最后，三关节呈现“C”型姿态，产生向右的反作用力，机器鱼右转弯。由上可推出，左转运动相比于右转运动的区别仅在右转幅度更大，左转幅度更小。

机器鱼上浮时，胸鳍舵机向下转动更大的幅度，腰部舵机163正常运行，带动胸鳍运动，产生向上的反作用力，实现上浮。下潜时舵机转动方向相反，实现下潜。

因此，可以简单的正弦运动来近似描述机器鱼的运动，通过简单的相位和振幅调节就可以实现机器鱼的基本动作。

三关节机器鱼仿生对象为北美狗鱼，属于身体-尾鳍游动模式，利用身体的变形带动尾鳍摆动产生向前的推进力，在机动性和速度上综合性能高。

数据采集模块包含红外传感器、压力传感器、惯性传导单元，分别获得距离信息、深度信息、姿态信息。机器鱼水下运行时，随着水下环境的变化，传感器向控制器发送数据，控制单元对数据进行处理，驱动相应的舵机，完成对应的动作，实现避障等功能。

以上实例仅用于本实用新型的技术方案，该技术方案描述较为详细具体，但并非限制，应当指出的是本领域的普通技术员，在不脱离本实用新型构思的前提下进行修改变形，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有三关节机构的仿生机器鱼，机器鱼由鱼头部分、连接基座、身体部分、尾鳍部分依次连接组成，其特征在于：所述的鱼头部分由刚性鱼头、电源模块、主控制模块、信息采集模块、胸鳍驱动模块和用于固定各模块的固定架组成；所述连接基座位于鱼头部分与身体部分中的固定架之间，通过销钉、销轴连接鱼头部分和身体部分 ；所述身体部分由三关节驱动结构与柔软鱼皮组成，通过螺钉与连接基座固接，三关节驱动结构由依次连接的连接架、第一关节舵机、第一关节连接件、第二关节舵机、第二关节连接件、第三关节舵机、第三关节连接件组成，柔软鱼皮覆盖于第一关节连接件、第二关节连接件、第三关节连接件之上；所述尾鳍部分前端与身体部分中的第三关节连接件相连，柔软鱼皮后端部分覆盖于所述尾鳍前端；所述仿生机器鱼头部结构、三关节机构和尾鳍部分通过销钉、销轴或螺钉螺母连接，结构简单，装卸方便。

2.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述电源模块、主控制模块、信息采集模块通过固定架居于鱼头中心位置，所述胸鳍驱动模块的胸鳍舵机放置在其正下方，空间布置合理。

3.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述三关节驱动结构在连接架处中心均布四个孔，通过螺钉与连接基座相连；上下端均布四个孔，通过螺钉螺母与关节舵机相连，关节舵机后端使用螺钉与关节连接件前端相连，连接件后端位置使用螺钉与另一关节舵机相连，依次连接组成三关节驱动机构。

4.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述信息采集模块的压力传感器与胸鳍驱动模块采用橡胶圈密封，柔软鱼皮采用防水胶布密封。

5.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述鱼头部分顶部设计端盖，用于数据传输、电池充电。

6.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述胸鳍驱动模块的胸鳍部分通过连杆与舵机相连，在舵机驱动下上下摆动。

7.根据权利要求1所述的一种具有三关节机构的仿生机器鱼，其特征是，所述机器鱼仿生对象为北美狗鱼，在机动性和速度上综合性能高。