一種仿生機器魚的製作方法
2023-09-14 20:50:35 5
專利名稱：一種仿生機器魚的製作方法
技術領域：
本發明涉及機電一體化裝置，具體地說涉及模仿魚類運動的仿生機器魚。
背景技術：
20世紀90年代以前對於魚類仿生學的研究主要集中於理論方面。隨著魚類推進機理研究的深入和機器人技術的發展，1994年MIT的M.Triantafyllou研究組成功研製了世界上第一條真正意義上的仿生機器魚。此後，結合仿生學、電子技術、材料科學和控制技術的新發展，仿生機器魚的研究逐漸成為機器人領域的研究熱點。
國外除MIT研究組為研究魚機動性和渦流控制而研製出的仿生機器金槍魚外，有代表性的成果還有美國東北大學海洋科學中心利用形狀記憶合金(SMA)和連杆機構開發了波動推進的機器鰻魚。美國加州大學Berkeley分校研製了仿生機器魚Calibot。美國新墨西哥大學MethranMojarrad研究小組將高分子電解質離子交換膜(IEM)鍍在仿生機器魚的金屬薄片上，通過外加電場實現人工合成肌肉的運動，產生鰻魚的遊動方式。日本名古屋大學Toshio Fukuda教授在微型仿魚水下推進器方面開展研究，先後研製出形狀記憶合金驅動微型身體波動式水下推進器和壓電陶瓷(PZT)驅動的雙鰭魚型微機器人。為研究人工胸鰭機動性和推進性能，日本東海大學Kato實驗室研製了人工胸鰭黑鱸魚。日本運輸省船舶技術研究所(NMRI)自1999年來開展了一系列機器魚研究項目，並開發了一種新型發動機半自由活塞型斯特靈發動機作為機器魚的動力源。
在中國，哈爾濱工程大學開展了仿生機器章魚的研究工作。北京航空航天大學機器人研究所設計研製了機器鰻魚、機器海豚以及採用扁平寬大的斧形水動力外型的SPC仿生機器魚。中科院瀋陽自動化研究所製作了兩關節的仿生機器魚模型。中科院北京自動化研究所先後研發了仿鰺科機器魚、基於微機電系統(MEMS)傳感器的仿生機器魚。中科院北京自動化研究所研發的基於微機電系統傳感器的仿生機器魚，其胸鰭拍動機構由舵機通過一對萬向軸和一對齒輪帶動；胸鰭轉動機構由舵機通過一對錐齒輪帶動；尾部左右擺動機構由一個直流電機通過兩個共軛凸輪控制兩個關節的擺動，這兩個關節可看作為一六連杆機構。
目前，國內外仿生機器魚主要依靠兩自由度胸鰭或者尾鰭等實現相應的動作，沒有將胸鰭、尾鰭組合起來；上升下潛主要依靠胸鰭、改變重心或者儲水艙方式實現，其中前兩種方式難以實現水中懸浮和精確的深度控制，而後一種方式機構複雜，會影響到機器魚的機動性。本發明在中科院北京自動化研究所基於微機電系統(MEMS)傳感器的仿生機器魚基礎上，對胸鰭、尾鰭機構進行了改進，增加了新型的浮力調節機構，解決了現有技術存在的問題。
發明內容
本發明的目的是依據已有的魚類仿生學理論，利用精心設計的機械結構，結合電子技術、控制技術、計算機技術，開發可以模仿魚類運動的仿生機器魚，該仿生機器魚可以在三度自由空間動作，並可以在水中懸浮和精確的深度控制。
為了實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種仿生機器魚，包括魚殼體、胸鰭、尾部、探測部分、控制部分、浮力調節部分；魚殼體分為上下兩部分，兩部分連接處採用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成流線外形魚體的頭部、魚身；其魚身形成中空的內腔，胸鰭機構、尾部動力部分、探測部分、控制部分、浮力調節部分置於容腔內；其特徵在於，兩胸鰭分別裝在魚殼體前部外兩側，左右胸鰭拍動電機為步進電機，分別通過傳動裝置一對萬向軸和內外齒輪將轉動運動傳遞到左右胸鰭上，實現左右胸鰭的拍動；左右胸鰭共一轉動電機，轉動電機為步進電機，通過傳動裝置一條同步帶帶動胸鰭連筒轉動，再通過固定在胸鰭連筒上的外齒輪將轉動運動傳遞給左右胸鰭，實現左右胸鰭的轉動；機器魚尾部電機為直線電機，通過連杆機構控制尾部關節的擺動，實現其上下拍動；機器魚的上升下潛運動由浮力調節部分控制，浮力調節裝置中的直線電機帶動活塞筒上下移動，活塞筒可伸出魚殼體外或縮入魚殼體內，以改變機器魚體積，實現機器魚的上升下潛；控制部分與步進電機、直線電機電連接，根據需要發出指令，以控制兩胸鰭、尾鰭的動作以及上升下潛運動。
所述的仿生機器魚，其所述兩胸鰭的傳動裝置，其中胸鰭拍動機構的內齒輪、外齒輪相互嚙合，分別通過齒輪軸、軸承固定於胸鰭連筒上；胸鰭轉動機構中的胸鰭連筒通過一條圓弧齒型同步帶連接到同步帶輪上，該同步帶輪固定於胸鰭轉動電機的輸出端。
所述的仿生機器魚，其所述機器魚尾部，由尾鰭、魚皮、框架和尾部固定板構成，尾部固定板與魚身後端固接，尾鰭框架與尾部固定板垂直相接，多數個支撐框固定在三角形尾鰭框架上，尾鰭框架和支撐框進行開孔處理；尾部固定板上，通過兩滑杆的孔中設有密封槽，密封槽內有O型密封圈。
所述的仿生機器魚，其所述機器魚尾部，含有兩個直線電機和四連杆傳動機構，其中尾鰭框架與尾鰭構成尾部的兩個關節；第一尾部電機和第二尾部電機通過固定板固定在尾部電機預埋底座上，位於魚身內腔後部，其輸出端分別固定滑杆a和滑杆b，連杆a、連杆b分別與滑杆a和滑杆b連接；尾鰭框架採用三角形框架，一邊的中心固定在尾部固定板上，一角與連杆a相連；尾鰭與尾鰭連接塊固定在一起，尾鰭連接塊有兩處分別鉸接在尾鰭框架和連杆b上；支撐框固接在尾鰭框架上，魚皮包裹在支撐框外緣上面。
所述的仿生機器魚，其所述浮力調節裝置，其中的浮力調節電機通過浮力電機固定筒固定在浮力調節電機預埋底座上，位於魚殼體內腔下方中部，活塞筒連接在浮力調節電機的輸出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出魚殼體外，且與固定板中心孔的內側壁動接觸；密封用的O型密封圈放在浮力調節電機預埋底座的中心孔裡。
所述的仿生機器魚，其所述控制部分，包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息採集模塊、電機驅動器，其中微控制器模塊分別與通訊模塊、傳感信息採集模塊、電機驅動器電連接。
所述的仿生機器魚，其所述殼體由玻璃鋼製成，胸鰭和尾鰭用尼龍材料製成。
所述的仿生機器魚，其所述魚皮用乳膠製成。
本發明結構緊湊，外形逼真，可以為研究魚類運動的水動力學、遊動機理、運動控制方法提供實驗本體，為製造可用於水下偵察、環境監控、水下作業的高效、高機動性、低噪聲水下工具提供實驗平臺。
圖1是仿生機器魚上殼體三視圖；圖2是仿生機器魚下殼體三視圖；圖3是仿生機器魚機械結構主視圖；圖4是仿生機器魚機械結構俯視圖；圖5是尾鰭框架；圖6是支撐框；圖7是仿生機器魚控制電路原理框圖；圖8是仿生機器魚控制電路設計原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖分別對本發明提供的仿生機器魚的機械結構和控制電路做出說明。
本發明機器魚殼體分為上下兩部分，如圖1和圖2所示，兩部分連接處採用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成中空的內腔，外形呈流線形魚體的頭部、魚身，後面是由魚皮36、支撐框28、尾鰭框架20、尾部固定板34和尾鰭18形成的機器魚尾部，見圖3和圖4所示。
本發明仿生機器魚的胸鰭機構、尾鰭的動力部分，浮力調節機構、探測部分、控制部分，都置於中空的內腔中，內腔下部設有水平平臺，水平平臺上設有底座，仿生機器魚的胸鰭機構、尾鰭的動力部分，浮力調節機構、探測部分、控制部分，固定於水平平臺上的底座上。其中，胸鰭機構位於魚殼體內腔前部，浮力調節機構位於魚殼體內腔中部，尾鰭的動力部分位於魚殼體內腔後部。
下面結合附圖分別對本發明提供的仿生機器魚的機械結構(主要包括胸鰭機構、尾部機構、浮力調節機構)和控制電路做出說明。
機器魚有一對胸鰭，採用NACA23012翼型。先描述一下胸鰭拍動的機械結構，需要說明的是胸鰭拍動的機械結構完全對稱，下面僅以右側胸鰭21為例。
右側胸鰭拍動電機26通過胸鰭電機固定板4固定在胸鰭電機預埋底座5上。兩個萬向軸1和3連接在線性滑座2兩端作為傳遞轉動運動的元件，並分別固定在內齒輪軸25和拍動電機26輸出端。內齒輪24和外齒輪22是一對嚙合的齒輪，分別固定在內齒輪軸25和外齒輪軸23上。在內齒輪軸25和外齒輪軸23兩個軸兩端各有一個軸承，可以在軸承上轉動，而這些軸承都固定在胸鰭連筒30上。機器魚的胸鰭21固定在外齒輪22上。在內齒輪軸25、外齒輪軸23兩端設置了O型密封圈29。
由上述結構，當右側胸鰭拍動電機26轉動時，經過萬向軸3-線性滑座2-萬向軸1的組合體，將轉動傳遞給內齒輪軸25，內齒輪軸25帶動固定在其上的內齒輪24轉動，與內齒輪24嚙合的外齒輪22也隨之轉動，胸鰭21固定在外齒輪22上，因此胸鰭21就會隨著轉動，從而實現胸鰭21的拍動運動。
下面描述一下胸鰭轉動的機構，需要說明的是本發明通過一個步進電機同時控制兩側胸鰭的轉動，從而左右胸鰭轉動的角度完全一致。胸鰭轉動電機32通過胸鰭電機固定板4固定在胸鰭電機預埋底座5上，其輸出端固定一圓弧齒型同步帶輪33。胸鰭連筒30中間位置加工有圓弧齒，一條同步帶31連接在同步帶輪33與胸鰭連筒30之間。
基於上述結構，胸鰭轉動電機32會帶動同步帶輪33轉動，再通過同步帶31帶動胸鰭連筒30轉動，而內、外齒輪24、22及內、外齒輪軸25、23都安裝在胸鰭連筒30內部，所以固定在外齒輪22上的胸鰭會隨著胸鰭連筒30的轉動而轉動，從而實現了胸鰭的轉動運動。
機器魚尾部是由兩個直線電機驅動的四連杆機構，其中尾鰭框架20與尾鰭18構成尾部的兩個關節。第一尾部電機11和第二尾部電機12通過固定板固定在尾部電機預埋底座10上，其輸出端分別固定滑杆a19和滑杆b15，連杆a14、連杆b16分別與滑杆a19和滑杆b15連接。尾鰭框架20採用三角形框架，如圖5所示，一邊的中心固定在尾部固定板34上，一角與連杆a14相連。採用NACA23012翼型的尾鰭18與尾鰭連接塊17固定在一起，尾鰭連接塊17有兩處分別鉸接在尾鰭框架20和連杆b16上。支撐框28(見圖6)固接在尾鰭框架20上，魚皮36包裹在支撐框28外緣上面。尾部固定板34上，通過滑杆a19和滑杆b15的孔中設有密封槽，密封槽內有O型密封圈13和35。
基於上述結構，第一尾部電機11帶動滑杆a19做往復運動，通過連杆a14即可帶動尾鰭框架20上下拍動，固接在框架20上的支撐框28也隨著上下拍動，魚皮36被支撐框28撐成流線形狀，因此，尾部第一關節在第一尾部電機11的帶動下實現上下拍動。第二尾部電機12帶動滑杆b15做往復運動，通過連杆b16與尾鰭框架20一起控制尾部第二關節一尾鰭18的拍動。為了減少尾部負載，本發明在保證尾鰭框架20和支撐框28強度的基礎上，在尾鰭框架20和支撐框28上面開孔，去除多餘材料。
仿生機器魚的上升下潛運動是通過浮力調節裝置實現的，由一個直線電機驅動。在具體實現中，浮力調節電機7通過浮力電機固定筒9固定在浮力調節電機預埋底座6上，活塞筒8連接在浮力調節電機7的輸出端，密封用的O型密封圈放在浮力調節電機預埋底座6裡。
由上述機構，浮力調節電機7可以帶動活塞筒8做往復運動，改變機器魚的體積，從而使得機器魚所受浮力發生變化，由於機器魚重力是恆定的，因此，當調節浮力大於重力時，機器魚會上升，當調節浮力小於重力時，機器魚下潛。當機器魚體積發生變化時，機器魚內部空氣壓力會發生變化，由於尾部魚皮36採用乳膠製成，有彈性，會隨著壓力變化膨脹或收縮，這將妨礙機器魚上升下潛功能的實現。為此，需要將浮力調節機構所在的魚殼體與尾部隔開，這就是O型密封圈13和35的作用。
基於上面介紹的仿生機器魚機械結構，當機器魚上電啟動後，根據探測部分提供的相關傳感信息，左右胸鰭可以通過各自的拍動電機帶動相應拍動機構，實現胸鰭拍動運動，進而可實現仿生機器魚方向控制；左右胸鰭可通過胸鰭轉動機構轉動相應角度；機器魚尾部可通過尾部機構上下拍動，賦予機器魚前進的動力；當機器魚需要深入水下執行任務時，通過浮力調節機構可以實現其浮潛運動。
本發明的控制電路原理框圖見圖7，主要包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息採集模塊、電機驅動器幾部分。通訊模塊主要負責與外界的信息傳遞；傳感信息採集模塊主要實現探測部分紅外、壓力、視覺傳感器信息的採樣；微控制器模塊與通訊模塊、傳感信息採集模塊電連接，處理相關傳感信息，結合接收的命令，通過與其電連接的電機驅動器控制相應電機動作。本發明共採用6個電機分別驅動胸鰭、尾部以及浮力調節裝置。整個控制電路和電機均使用充電電池供電，充電電池用充電插頭從殼體頂部引出並固定。本發明為機器魚安裝了視覺傳輸光纜和數據電纜線用於信息(圖像、數據)的上傳以及控制命令的接收，這些信息是機器魚順利執行水下環境監控、偵察等任務的基礎。
實施例依據本發明所說明的機械結構、控制電路結構，製作了一條仿生機器魚。其殼體採用玻璃鋼手糊工藝製成，機器魚尾部固定在上面，胸鰭和尾鰭均採用尼龍材料，魚皮用乳膠製成。在將各機構安裝固定完畢，連好所有控制線路後，上下殼體連接處用迷宮密封，殼體與胸鰭、尾部、浮力調節裝置連接處採用O型密封圈密封，然後上下殼體用螺釘連接，將魚皮套在魚殼體上並用橡皮膠密封，得到實物。控制電路實現如圖8，使用AVR單片機作為微控制器，採用鋰充電電池作為控制電路、電機、傳感器等的電源。3路紅外與1路壓力傳感器連接到微控制器模塊，1路視覺傳感器通過光端機接到視覺傳輸光纜上；通訊模塊通過RS232接口與微控制器模塊相連；微控制器模塊發送6路電機控制信號送入相應的電機驅動器WM224M中。
權利要求
1.一種仿生機器魚，包括魚殼體、胸鰭、尾部、探測部分、控制部分、浮力調節部分；魚殼體分為上下兩部分，兩部分連接處採用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成流線外形魚體的頭部、魚身；其魚身形成中空的內腔，胸鰭機構、尾部動力部分、探測部分、控制部分、浮力調節部分置於容腔內；其特徵在於，兩胸鰭分別裝在魚殼體前部外兩側，左右胸鰭拍動電機為步進電機，分別通過傳動裝置一對萬向軸和內外齒輪將轉動運動傳遞到左右胸鰭上，實現左右胸鰭的拍動；左右胸鰭共一轉動電機，轉動電機為步進電機，通過傳動裝置一條同步帶帶動胸鰭連筒轉動，再通過固定在胸鰭連筒上的外齒輪將轉動運動傳遞給左右胸鰭，實現左右胸鰭的轉動；機器魚尾部電機為直線電機，通過連杆機構控制尾部關節的擺動，實現其上下拍動；機器魚的上升下潛運動由浮力調節部分控制，浮力調節裝置中的直線電機帶動活塞筒上下移動，活塞筒可伸出魚殼體外或縮入魚殼體內，以改變機器魚體積，實現機器魚的上升下潛；控制部分與步進電機、直線電機電連接，根據需要發出指令，以控制兩胸鰭、尾鰭的動作以及上升下潛運動。
2.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述兩胸鰭的傳動裝置，其中胸鰭拍動機構的內齒輪、外齒輪相互嚙合，分別通過齒輪軸、軸承固定於胸鰭連筒上；胸鰭轉動機構中的胸鰭連筒通過一條圓弧齒型同步帶連接到同步帶輪上，該同步帶輪固定於胸鰭轉動電機的輸出端。
3.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述機器魚尾部，由尾鰭、魚皮、框架和尾部固定板構成，尾部固定板與魚身後端固接，尾鰭框架與尾部固定板垂直相接，多數個支撐框固定在三角形尾鰭框架上，尾鰭框架和支撐框進行開孔處理；尾部固定板上，通過兩滑杆的孔中設有密封槽，密封槽內有O型密封圈。
4.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述機器魚尾部，含有兩個直線電機和四連杆傳動機構，其中尾鰭框架與尾鰭構成尾部的兩個關節；第一尾部電機和第二尾部電機通過固定板固定在尾部電機預埋底座上，位於魚身內腔後部，其輸出端分別固定滑杆a和滑杆b，連杆a、連杆b分別與滑杆a和滑杆b連接；尾鰭框架採用三角形框架，一邊的中心固定在尾部固定板上，一角與連杆a相連；尾鰭與尾鰭連接塊固定在一起，尾鰭連接塊有兩處分別鉸接在尾鰭框架和連杆b上；支撐框固接在尾鰭框架上，魚皮包裹在支撐框外緣上面。
5.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述浮力調節裝置，其中的浮力調節電機通過浮力電機固定筒固定在浮力調節電機預埋底座上，位於魚殼體內腔下方中部，活塞筒連接在浮力調節電機的輸出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出魚殼體外，且與固定板中心孔的內側壁動接觸；密封用的O型密封圈放在浮力調節電機預埋底座的中心孔裡。
6.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述控制部分，包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息採集模塊、電機驅動器，其中微控制器模塊分別與通訊模塊、傳感信息採集模塊、電機驅動器電連接。
7.如權利要求1所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述殼體由玻璃鋼製成，胸鰭和尾鰭用尼龍材料製成。
8.如權利要求3所述的仿生機器魚，其特徵在於，所述魚皮用乳膠製成。
全文摘要
一種仿生機器魚，包括魚殼體、胸鰭、尾部、探測部分、控制部分、浮力調節部分。機器魚殼體分上下兩部分，連接處採用迷宮密封，圍成流線外形魚體的頭部、魚身，其它連接處採用O型密封圈密封；胸鰭裝在魚殼體外兩側，由步進電機驅動實現轉動和拍動運動；尾鰭與魚皮、框架、尾部固定板構成機器魚尾部，由直線電機驅動實現上下拍動；探測部分由微型攝像頭、紅外傳感器、壓力傳感器組成，提供機器魚執行水下環境監控、偵察等任務必要的信息；控制部分由微控制器、傳感信息採集模塊、電機驅動器、通訊模塊組成，控制機器魚水中航行的姿態；浮力調節部分通過直線電機帶動活塞筒往復運動調節機器魚體積的方式改變機器魚所受的浮力，以實現其上升下潛。
文檔編號B63H1/36GK1939805SQ200510105020
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月26日 優先權日2005年9月26日
發明者曹志強, 譚民, 王碩, 周超, 王龍, 沈志忠 申請人:中國科學院自動化研究所