WO2019041562A1 - 一种仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

一种仿生机器鱼，包括头部（11）、躯干（21）和尾部（31），头部（11）、躯干（21）和尾部（31）通过贯穿头部（11）、躯干（21）和尾部（31）的中轴（90）连接成一体；头部（11）和尾部（31）相对于躯干（21）水平运动；躯干（21）内设有驱动头部（11）和尾部（31）运动的动力装置。通过动力装置驱动仿生机器鱼的头部、尾部水平方向的运动，以达到模仿鱼类在水面游动的目的，而且结构简单，运动灵活，且可智能控制运动也可人为操作运动；另外，由于设计结构不再像现有技术那么复杂，因此，能降低仿生机器鱼的研发和生产成本，且易于推广应用。

Description

一种仿生机器鱼

相关申请的交叉引用

本申请基于申请号为201710765642.4、申请日为2017年8月30日的中国专利申请提出，并要求该中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容在此引入本申请作为参考。

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种仿生机器鱼。

背景技术

20世纪90年代后，随着鱼类推进机理研究的深入，机器人技术、仿生学、电子技术、材料科学和控制技术的新发展，模拟鱼类游动机理的新型水下机器人——仿生机器鱼受到了国内外的广泛关注。美国麻省理工学院根据提出的鱼尾推进的“射流推进理论”，研制出长1.2米的仿生金枪鱼和长0.8米的仿生梭鱼；美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金和连杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼；美国新墨西哥大学利用高分子电解质离子交换膜(IEM)镀在仿生鱼鳍的金属簿片上，通过外加电场实现人造合成肌肉运动，产生类似鳗鱼的游动方式；英国Essex大学设计了具有三维运动能力的机器鱼。日本东京大学研制了两关节自推进的机器海豚；Kato等研究了对胸鳍推进机构的控制，并开发了机器鱼样机黑鲈；日本名古屋大学研制出形状记忆合金驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍鱼型微机器人。在中国，哈尔滨工程大学开展了仿生机器章鱼的研究工作；北京航空航天大学机器人研究所研制了机器鳗鱼、机器海豚以及采用扁平宽大的斧形水动力外型的SPC系列仿生机器鱼；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；北京大学力学与工程科学系研制了仿生海豚样机；中科院北京自动化研究所研发出微小型机器鱼、多传感器仿生机器鱼等。

但是，目前的仿生鱼均存在运动不灵活、结构复杂的缺点，由此导致成本高、无法大规模推广应用，更是无法达成人机合一的共同运动。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种仿生机器鱼，结构简单，运动灵活，可大规模推广应用，且是可实现人机合一的共同运动器材。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括头部、躯干和尾部，所述头部、躯干和尾部通过贯穿所述头部、躯干和尾部的中轴连接成一体；所述头部和尾部相对于所述躯干水平方向运动；所述躯干内设有驱动所述头部和尾部运动的动力装置。

优选地，所述头部和尾部相对于所述躯干水平方向摆动，且所述头部和尾部的摆动顺序相反；所述尾部设有预设长度的尾鳍。

优选地，所述头部和躯干连接处设有前肢，所述前肢和所述头部联动；所述尾部和躯干连接处设有后肢，所述后肢和所述尾部联动。

优选地，所述动力装置包括驱动电机和电池，所述驱动电机的电源输入端连接所述电池；所述动力装置的输出轴通过传动机构与所述头部和尾部连接。

优选地，所述传动机构包括至少两个相互啮合的齿轮和连杆机构，所述齿轮的转动带动所述连杆机构驱动所述头部和尾部在水平方向的摆动。

优选地，所述躯干包括密封的防水舱，所述驱动电机和电池安装于所述防水舱内。

优选地，所述躯干还包括浮力舱，所述浮力舱设有对空气进行压缩的 压缩部件；所述浮力舱与所述防水舱相邻。

优选地，所述仿生机器鱼还包括设置面板和控制所述动力装置和压缩部件的控制部件，所述控制部件一端分别连接所述动力装置和压缩部件，另一端连接所述仿生机器鱼的设置面板；所述控制部件设置于所述防水舱。

优选地，所述躯干包括胸部段和腹部段，所述胸部段和腹部段上表面分别设有胸垫和腹垫；所述胸垫相对于所述胸部段水平方向移动，所述腹垫相对于所述腹部段水平方向移动。

优选地，所述前肢设有易于握持的把手，所述把手设有操作所述仿生机器鱼的操作按键。

优选地，所述前肢和后肢均设有至少一个配置为收拢所述前肢或后肢的折叠关节。

优选地，所述仿生机器鱼设有运动状态监测部件和地理位置定位部件，所述运动状态监测部件设置于所述头部，所述地理位置定位部件设置于所述防水舱内。

本发明实施例提供的仿生机器鱼，包括头部、躯干和尾部，所述头部、躯干和尾部通过贯穿所述头部、躯干和尾部的中轴连接成一体；所述头部和尾部相对于所述躯干水平方向运动；所述躯干内设有驱动所述头部和尾部运动的动力装置；可见，本发明实施例的仿生机器鱼，通过动力装置驱动仿生机器鱼的头部、尾部水平方向的运动，以达到模仿鱼类在水面游动的目的，而且结构简单，运动灵活，且可智能控制运动也可人为操作运动；另外，由于设计结构不再像现有技术那么复杂，因此，能降低仿生机器鱼的研发和生产成本，且易于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例仿生机器鱼的示意图；

图2为图1的侧视图的示意图；

图3为本发明实施例仿生机器鱼的动力传动示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括头部、躯干和尾部，所述头部、躯干和尾部通过贯穿所述头部、躯干和尾部的中轴连接成一体；所述头部和尾部能相对于所述躯干水平方向运动；所述躯干内设有驱动所述头部和尾部运动的动力装置。

这里，所述仿生机器鱼可以是用于休闲旅游的运动器材，更具体地可以是模仿鱼类及爬行动物运动的仿生运动器材；所述仿生机器鱼可以用于水面游动、水下游动或沙滩爬行；其中，水面游动时，可以是用户趴在或骑在所述仿生机器鱼上进行载人游动，人需要穿戴好潜水装备，也可以不载人的单独游动，通过遥控器控制；水下游动时，可以是用户趴在所述仿生机器鱼上进行载人潜水，人同样需要穿戴好潜水装备；沙滩爬行时，可以是用户趴在所述仿生机器鱼上进行载人行走，也可以是不载人的单独爬行，通过遥控器控制。

本发明实施例的原理是：通过动力装置驱动仿生机器鱼的头部、尾部水平方向的运动，以达到模仿鱼类在水面游动的目的，而且结构简单，运动灵活；另外，由于设计结构不再像现有技术那么复杂，因此，能降低仿生机器鱼的研发和生产成本，且易于推广应用。

为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图以及具体的应用实施例对本发明做进一步的阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。

图1为本发明实施例仿生机器鱼的组成结构示意图，图2为图1的侧视图的示意图；如图1和图2所示，所述仿生机器鱼包括头部11、躯干21和尾部31，所述头部11、躯干21和尾部31通过贯穿所述头部11、躯干21和尾部31的中轴(未在图中示出)连接成一体；所述头部11和尾部31 能相对于所述躯干21水平方向运动；所述躯干21内设有驱动所述头部11和尾部31运动的动力装置(未在图中示出)。

具体地，所述头部11和尾部31能相对于所述躯干21水平方向摆动，且所述头部11和尾部31的摆动顺序相反；所述尾部31设有预设长度的尾鳍；

这里，所述尾部31的尾鳍是所述仿生机器鱼前进的主要动力，所述尾鳍的长度可以根据所述仿生机器鱼的设计速度和动力装置的功率确定；所述头部11和尾部31的摆动顺序相反，主要是为了保证仿生机器鱼在运动中的平衡；

更具体地，所述头部11和尾部31与躯干21之间设有便于头部摆动的平面轴承；并且，为了进一步减少所述仿生机器鱼在水中的阻力，所述头部11和尾部31与躯干21之间通过十字滑轨连接，即所述头部11和尾部31在相对于所述躯干21水平摆动的同时，还能相对于所述躯干21的前后左右方向滑动。

进一步地，所述头部11两侧分别设有升降鳍111，在所述仿生机器鱼水面运动中需要转向时起到帮助转向的作用。

所述头部11和躯干21连接处设有前肢41，所述前肢41和所述头部11联动；所述尾部31和躯干21连接处设有后肢51，所述后肢51和所述尾部31联动；

如图1和图2所示，前肢41以躯干21的中轴线为界，分为左前肢和右前肢，所述后肢51以所述躯干21的中轴线为界，分为左后肢和右后肢；这样，当所述头部向左摆动时，所述左前肢产生向后划水的作用，右前肢产生向前划水的作用，但通过设计合适形状的前肢41，例如设计一个倒V形的脚蹼，可以使得向后划水效果好于向前划水，即所述前肢41和所述头部11联动的结果是产生向前的动力；

同理，所述后肢51的运动也会产生向前的动力；

这样，通过前肢41和后肢51在水平方向的摆动，进一步增加所述仿生机器鱼的前进动力。

进一步地，所述仿生机器鱼的前肢41和后肢51还设有撑地垫411，这样，所述仿生机器鱼在沙滩时，可以通过前肢41和后肢51在水平方向的摆动进行爬行；

同水面游动一样，通过设计合适形状的前肢41和后肢51，能使所前肢41和后肢51在水平方向的摆动产生推动所述仿生机器鱼向前的动力。

具体地，所述头部11、躯干21、尾部31、前肢41和后肢51均可以采用工程塑料材质制作，例如聚酰胺(Polyamide Resin)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene)、ABS塑料(Acrylonitrile Butadiene Styrene plastic)等，也可以是塑钢、玻璃纤维增强塑料(GFRP或FRP)等复合材料；

进一步地，所述前肢41和后肢51的撑地垫411除了可以采用上述的材料外，也可以采用橡胶材质制作，这样更耐磨；所述尾部31的尾鳍优选采用玻璃纤维增强塑料制作，强度更好。

所述动力装置包括驱动电机和电池(均未在图中示出)，所述驱动电机的电源输入端连接所述电池；所述动力装置的输出轴(未在图中示出)通过传动机构与所述头部11和尾部31连接，连接的具体结构结合图3进行介绍。

进一步地，所述躯干21包括密封的防水舱(未在图中示出)，所述驱动电机和电池安装于所述防水舱内；

这里，所述驱动电机为直流无刷电机，所述电池为干式不漏水电池；所述电池充一次电，可连续使用约4小时。

具体地，所述驱动电机的输出轴伸出所述防水舱的部位可以采用密封圈密封或填料密封。

进一步地，所述躯干21还包括浮力舱(未在图中示出)，所述浮力舱设有能对空气进行压缩的压缩部件；这样，通过压缩部件对浮力舱内空气进行压缩，达到使所述仿生机器鱼潜入水下的目的；由于设计目的是运动器材，下潜深度不超过40米。

具体地，压缩部件对浮力舱内空气进行压缩后，浮力舱内压力增大体积变小，从而使浮力也变小，所述仿生机器鱼下沉；相反，对压缩空气进行还原后，浮力舱压力减小，体积变大，浮力也变大，所述仿生机器鱼上浮；所述压缩部件可以是空气压缩机；

所述浮力舱与所述防水舱相邻，所述浮力舱与所述防水舱可以是前后排布。

本发明实施例中，所述仿生机器鱼在水面的运动速度最高可达6公里/小时，在水下的运动速度最高可达4公里/小时，在地面爬行的速度则大大低于水面的运动速度，大于1公里/小时。

所述仿生机器鱼还包括设置面板61和控制所述动力装置和浮力舱的控制部件(未在图中示出)，所述控制部件一端分别连接所述动力装置和压缩部件，另一端连接所述仿生机器鱼的设置面板61；所述控制部件设置于所述防水舱；

具体地，所述控制部件可以是一个微控制单元(MCU，Microcontroller Unit)，所述控制部件内设置有控制所述动力装置和压缩部件的固件；

所述设置面板61配置为对所述仿生机器鱼的运动性能进行设置，比如可以设置速度、功率，打开与遥控器配合的红外线部件、打开下潜功能等；

进一步地，所述设置面板61上还设有包括智能模式、电动模式、人力模式的模式选择按键，配置为控制所述仿生机器鱼的运动模式；

与所述模式选择按键对应，所述控制部件设有三种控制所述仿生机器鱼运动的运动模式：“智能模式”，“电动模式”，“人力模式”；其中，

所述“智能模式”为不需用户操作，所述仿生机器鱼自动向前运动，一般速度固定设置为低速，并且运动区域为预设，能提前识别前方障碍物；所述“电动模式”为用户控制所述仿生机器鱼的前进方向，速度可以调节，也可以固定；“人力模式”为关闭动力装置，依靠人力驱动向前，配置为辅助用户水中锻炼，“人力模式”也可以配置为动力装置的电池耗尽时；

具体地，所述“智能模式”中的预设运动区域可以通过限定连续前进的距离来设置，即连续前进限定的距离后就转弯90度，这样所述仿生机器鱼的预设运动区域可以是在一个边长相等的矩形中；

能够理解的是，预设运动区域也可以是其它类似的规则形状；

进一步的，所述仿生机器鱼还可以设置有声纳探测仪(未在图中示出)，配置为在智能模式中识别前方的障碍物。

进一步地，所述躯干21包括胸部段71和腹部段81，所述胸部段71和腹部段81上表面分别设有胸垫711和腹垫811，所述胸垫711和腹垫811能相对于所述胸部段71和腹部段81水平方向移动；这样，当用户趴在或骑在所述仿生机器鱼上时，所述仿生机器鱼在运动过程中更容易掌握平衡；

具体地，所述胸部段71和腹部段81均通过十字滑轨连接所述胸垫711和腹垫811。

进一步地，所述前肢41设有易于握持的把手412，所述把手412设有操作所述仿生机器鱼的操作按键；

所述操作按键可以包括模式切换按键、调速按键、转向按键等，所述模式切换按键配置为切换所述仿生机器鱼的运动模式，所述调试按键配置为调节所述仿生机器鱼运动速度，所述转向按键配置为控制所述仿生机器鱼的方向。

进一步地，所述前肢41和后肢51均设有至少一个配置为收拢所述前肢41或后肢51的折叠关节；这样，在使用完成后，可以将所述前肢41和 后肢51进行收拢，便于携带。

具体地，所述折叠关节可以是设有插销的合页，通过插销限制合页的转动，折叠时，取消插销对合页的转动限制，完成折叠；

能够理解的是，所述折叠关节也可以是其它结构。

进一步地，所述仿生机器鱼设有运动状态监测部件(未在图中示出)和地理位置定位部件(未在图中示出)，所述运动状态监测部件设置于所述头部11，所述地理位置定位部件设置于所述防水舱内；

所述运动状态监测部件配置为控制所述仿生机器鱼的动态平衡，其原理是通过重力传感部件检测所述头部11的重心变化情况来确定所述仿生机器鱼的运动状态，对偏离预设平衡位置的情况，通过平衡装置调节仿生机器鱼的平衡；

具体地，所述运动状态监测部件可以是陀螺仪(gyroscope)，所述平衡装置可以是能左右移动的压舱平衡块，所述压舱平衡块位于所述防水舱内，设有驱动所述压舱平衡块左右移动的平衡电机，所述平衡电机根据所述运动状态监测部件的监测结果调整所述压舱平衡块在所述防水舱内的位置；所述平衡电机的电源输入端连接所述电池。

所述地理位置定位部件，配置为乘坐所述仿生机器鱼之外的用户获取所述仿生机器鱼的地理位置，可用于联合搜救、呼救、海岸管理等。

具体地，所述地理位置定位部件可以是全球定位系统(GPS，Global Positioning System)定位器；

更具体地，乘坐所述仿生机器鱼之外的用户通过与所述仿生机器鱼建立通讯连接的服务器获取所述仿生机器鱼的地理位置，所述仿生机器鱼的控制部件内置有能与所述服务器连接的用户身份识别(SIM，Subscriber Identification Module)卡。

图3为本发明实施例仿生机器鱼的动力传动示意图，如图3所示，所 述仿生机器鱼包括头部11、躯干21和尾部31，所述头部11、躯干21和尾部31通过贯穿所述头部11、躯干21和尾部31的中轴90连接成一体；所述传动机构包括将动力装置的动力传递到头部11与前肢41的第一传动机构和将动力装置的动力传递到尾部31与后肢51的第二传动机构；其中，

所述第一传动机构包括连接所述动力装置的第一齿轮91和连接所述头部11与前肢41的第二齿轮92，所述第一齿轮91和第二齿轮92之间连接有三个相互啮合的中间齿轮93，所述中间齿轮93分别与所述第一齿轮91和第二齿轮92啮合；

具体地，所述动力装置的输出轴(未在图中示出)可以设置为垂直于所述中轴90，这样在输出轴上设置带动所述第一齿轮91转动的齿轮组(未在图中示出)更方便；

能够理解的是，也可以通过在输出轴上设置带动所述第一齿轮91转动的链条链轮、带和带轮等传动部件，将动力传递到所述第一齿轮91。

所述第二齿轮92通过连杆94连接所述头部11和前肢41，由于所述头部11和前肢41是联动的，因此所述连杆94连接到前肢41；

更具体地，所述两个连杆94的一端与所述第二齿轮92铰接，两个铰接点与第二齿轮92的圆心的距离相等；所述两个连杆94的另一端分别铰接左前肢和右前肢上，两个铰接点与中轴90的轴线的距离相等；

这样，每个连杆94与第二齿轮92和前肢41构成了双摇杆机构，当动力装置通过所述第一齿轮91带动所述第二齿轮92转动时，所述连杆94会推动所述前肢41或头部11在水平方向转动；为了达到摆动的目的，所述动力装置设置为正转和反转交替运行，在正常前进时，正转和反转的时间是相等的，如果需要调整方向，则可以调整正转和反转的时间比例；所述动力装置的运行由所述控制部件控制。

所述第二传动机构包括连接所述动力装置的第三齿轮101和连接所述 尾部31与后肢51的第四齿轮102，所述第三齿轮101和第四齿轮102之间连接有两个相互啮合的中间齿轮103，所述中间齿轮103分别与所述第三齿轮101和第四齿轮102啮合；

由于第二传动机构的中间齿轮103只有两个，而第一传动机构的中间齿轮93有三个，因此所述尾部31、后肢51与所述头部11、前肢41的摆动顺序相反。

具体地，所述动力装置的输出轴(未在图中示出)可以设置为垂直于所述中轴90，这样在输出轴上设置带动所述第三齿轮101转动的齿轮组(未在图中示出)更方便；

由于，所述尾部31为所述仿生机器鱼前进的主要动力，因此需要设置与所述后肢51不同的摆动幅度，因此所述第四齿轮102只设有连接所述后肢51的连杆104，另外通过带传动将动力传递到带轮105，然后在带轮105上设置连杆106，连杆106连接所述尾部31；

更具体地，所述两个连杆104的一端与所述第四齿轮102铰接，两个铰接点与第四齿轮102的圆心的距离相等；所述两个连杆104的另一端分别铰接左后肢和右后肢上，两个铰接点与中轴90轴线的距离相等；所述连杆106的一端与所述带轮105铰接，所述连杆106的另一端铰接所述尾部31；

这样，每个连杆104与第四齿轮102和后肢51构成了双摇杆机构，当动力装置通过所述第三齿轮101带动所述第四齿轮102转动时，所述连杆104会推动所述后肢51在水平方向转动；为了达到摆动的目的，所述动力装置设置为正转和反转交替运行，在正常前进时，正转和反转的时间是相等的，如果需要调整方向，则可以调整正转和反转的时间比例；所述动力装置的运行由所述控制部件控制；

同理，所述连杆106与尾部31构成了双摇杆机构，所述连杆106会推 动所述尾部31在水平方向的摆动；

上述第一齿轮91、第二齿轮92、第三齿轮101、第四齿轮102、中间齿轮93和中间齿轮103均可以是渐开线圆柱直齿轮，图3中为图面简洁，未示出齿形；当然也可以是其它能够传递转矩的齿轮；

上述带轮105可以是普通的三角带带轮，也可以是同步带带轮。

能够理解的是，所述仿生机器鱼也可以使用其它结构的传动机构，达到所述头部11、前肢41、后肢51和尾部31在水平方向摆动的目的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

工业实用性

本发明实施例的仿生机器鱼，通过动力装置驱动仿生机器鱼的头部、尾部水平方向的运动，以达到模仿鱼类在水面游动的目的，而且结构简单，运动灵活，且可智能控制运动也可人为操作运动；另外，由于设计结构不再像现有技术那么复杂，因此，能降低仿生机器鱼的研发和生产成本，且易于推广应用。

Claims (12)

1. 一种仿生机器鱼，所述仿生机器鱼包括头部、躯干和尾部，所述头部、躯干和尾部通过贯穿所述头部、躯干和尾部的中轴连接成一体；所述头部和尾部相对于所述躯干水平方向运动；所述躯干内设有驱动所述头部和尾部运动的动力装置。
2. 根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其中，所述头部和尾部相对于所述躯干水平方向摆动，且所述头部和尾部的摆动顺序相反；所述尾部设有预设长度的尾鳍。
3. 根据权利要求2所述的仿生机器鱼，其中，所述头部和躯干连接处设有前肢，所述前肢和所述头部联动；所述尾部和躯干连接处设有后肢，所述后肢和所述尾部联动。
4. 根据权利要求1、2或3所述的仿生机器鱼，其中，所述动力装置包括驱动电机和电池，所述驱动电机的电源输入端连接所述电池；所述动力装置的输出轴通过传动机构与所述头部和尾部连接。
5. 根据权利要求4所述的仿生机器鱼，其中，所述传动机构包括至少两个相互啮合的齿轮和连杆机构，所述齿轮的转动带动所述连杆机构驱动所述头部和尾部在水平方向的摆动。
6. 根据权利要求5所述的仿生机器鱼，其中，所述躯干包括密封的防水舱，所述驱动电机和电池安装于所述防水舱内。
7. 根据权利要求6所述的仿生机器鱼，其中，所述躯干还包括浮力舱，所述浮力舱设有对空气进行压缩的压缩部件；所述浮力舱与所述防水舱相邻。
8. 根据权利要求7所述的仿生机器鱼，其中，所述仿生机器鱼还包括设置面板和控制所述动力装置和压缩部件的控制部件，所述控制部件一端分别连接所述动力装置和压缩部件，另一端连接所述仿生机器鱼的 设置面板；所述控制部件设置于所述防水舱。
9. 根据权利要求1、2或3所述的仿生机器鱼，其中，所述躯干包括胸部段和腹部段，所述胸部段和腹部段上表面分别设有胸垫和腹垫；所述胸垫相对于所述胸部段水平方向移动，所述腹垫相对于所述腹部段水平方向移动。
10. 根据权利要求3所述的仿生机器鱼，其中，所述前肢设有易于握持的把手，所述把手设有操作所述仿生机器鱼的操作按键。
11. 根据权利要求3所述的仿生机器鱼，其中，所述前肢和后肢均设有至少一个配置为收拢所述前肢或后肢的折叠关节。
12. 根据权利要求6所述的仿生机器鱼，其中，所述仿生机器鱼设有运动状态监测部件和地理位置定位部件，所述运动状态监测部件设置于所述头部，所述地理位置定位部件设置于所述防水舱内。

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