本發(fā)明涉及仿生水下潛器，尤其是涉及一種骨架式多弦牽動水下機(jī)器魚。

背景技術(shù)：

魚類在水中運(yùn)動時(shí)，其速度或能耗單一方面可能不是最優(yōu)的，但其整體綜合性能經(jīng)過長期自然選擇和優(yōu)勝略汰，已進(jìn)化至卓越。由于魚類在水中運(yùn)動的優(yōu)越性能，吸引仿生潛器研究，力圖應(yīng)用魚類結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理制造出和真魚一樣游泳性能的仿生機(jī)器魚。

目前大部分機(jī)器魚采用多關(guān)節(jié)串聯(lián)驅(qū)動方式，即一個電機(jī)驅(qū)動一個關(guān)節(jié)，通過控制每個電機(jī)的運(yùn)動來控制每節(jié)魚體的擺動角度和速度，以此來擬合魚游動的身體曲線。這種方式基本接近魚類游動時(shí)的體態(tài)，但在關(guān)節(jié)較少時(shí)游動較為生硬，且這種方法對電機(jī)的同步性要求較高，隨著關(guān)節(jié)數(shù)量的增多控制起來也比較復(fù)雜，功耗較高。這些因素導(dǎo)致這類仿生機(jī)器魚難以實(shí)現(xiàn)完全柔性的推進(jìn)運(yùn)動，推進(jìn)效率難以與魚類媲美，機(jī)動性和穩(wěn)定性還存在不足。此外，已有基于弦動原理的機(jī)器魚采用單條彈性桿作為脊柱貫穿整個魚體，并采用單對弦作為動力牽引。但其單條彈性桿作為支撐軀干限制了各關(guān)節(jié)擺動的自由度，因而相對于多關(guān)節(jié)串聯(lián)驅(qū)動機(jī)器魚的大幅度和靈活性，單對弦動機(jī)器魚在動力、靈活性和穩(wěn)定性上存在顯著不足。

中國專利CN104743088A公開一種仿生水下機(jī)器魚驅(qū)動機(jī)構(gòu)及其工作方法，它的動力鰭翅由一個主動鰭翅和兩個以上的前后排列的從動鰭翅組成；所述的主動鰭翅和從動鰭翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一個或數(shù)個上下排列的翅片組成，翅片的上端兩側(cè)通過軸鉸接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各個翅框的下框之后；主動鰭翅和從動鰭翅在機(jī)器魚殼體外側(cè)從前向到后順序排列安裝，形成多組連在一起的平行四連桿機(jī)構(gòu)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)轉(zhuǎn)向不變的前提下完成動力鰭翅的前后不同速度的擺動和翅葉自如的開閉，從而使機(jī)器魚向前推進(jìn)，達(dá)到運(yùn)動速度快、效率高、噪音小、不纏草和能通過水道狹窄處的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的機(jī)器魚存在的上述不足，提供靈活性與穩(wěn)定性較高，能耗較低，利用骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)靈活控制，利用單舵機(jī)和多弦牽引克服多舵機(jī)非柔性機(jī)動的一種骨架式多弦牽動水下機(jī)器魚。

本發(fā)明設(shè)有魚頭、胸鰭、舵盤、舵機(jī)、舵機(jī)架、第一骨節(jié)、第二骨節(jié)、尾鰭、牽引弦、萬向節(jié)、機(jī)艙、背鰭、配重倉、控制裝置和探測模塊；

一對胸鰭固定在穿過魚頭的細(xì)桿上，細(xì)桿可加齒輪和電機(jī)，從而帶動胸鰭運(yùn)動；所述舵盤與舵機(jī)通過舵機(jī)的齒輪咬合，可用螺絲加固，舵機(jī)設(shè)置于機(jī)艙外部的舵機(jī)架內(nèi)，舵機(jī)導(dǎo)線由機(jī)艙開口通入機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙開口用膠密封；所述舵機(jī)架與機(jī)艙相連；所述第一骨節(jié)、第二骨節(jié)和舵機(jī)架上均設(shè)有圓柱形突起，舵機(jī)架和第一骨節(jié)之間用萬向節(jié)連接，第一骨節(jié)和第二骨節(jié)之間用萬向節(jié)連接，第一骨節(jié)和第二骨節(jié)之間加裝彈性桿作為脊柱，用于增加穩(wěn)定性和靈動性，用螺栓穿過第二骨節(jié)與尾鰭連接處的圓孔并進(jìn)行連接；所述牽引弦穿過第一骨節(jié)和第二骨節(jié)兩側(cè)的孔，牽引弦一端固定在舵盤上，牽引弦另一端固定在第二骨節(jié)上，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動時(shí)，牽引弦?guī)佣姹P轉(zhuǎn)動，舵盤拉動牽引弦，帶動魚尾擺動；所述背鰭與魚頭為一體；所述控制裝置設(shè)置于機(jī)艙的空腔內(nèi)；所述配重倉設(shè)在魚頭內(nèi)腔；控制裝置設(shè)有電池、主控板和通訊模塊；探測模塊設(shè)在魚頭的內(nèi)腔前部。

所述魚頭前部可設(shè)頭部預(yù)留接口，所述魚頭的尾部可設(shè)有魚皮接口，所述第一骨節(jié)和第二骨節(jié)上均可設(shè)有魚皮接口。

所述舵機(jī)可采用WK-M1500舵機(jī)作為控制電機(jī)。

所述第一骨節(jié)和第二骨節(jié)構(gòu)成魚身和魚尾。

所述彈性桿可采用Ni-Ti合金桿。

所述探測模塊可設(shè)有攝像頭。

所述配重倉可設(shè)在魚頭內(nèi)腔兩側(cè)或下部。

運(yùn)動時(shí)通過藍(lán)牙連接通訊模塊，發(fā)送相應(yīng)指令，命令舵機(jī)運(yùn)動。也可以提前對主控板設(shè)置游動方式，進(jìn)行自主游動。

本發(fā)明利用骨架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)靈活控制，利用單舵機(jī)和多弦牽引來克服多舵機(jī)非柔性機(jī)動的水下機(jī)器魚裝置。配合骨架式尾部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)用一個舵機(jī)代替多個舵機(jī)的效果：利用多弦牽引，提高魚尾擺動的穩(wěn)定性；利用萬向節(jié)連接骨架，保證骨架大幅度擺動的能力；利用柔性桿的彈性，將關(guān)節(jié)的運(yùn)動變得連續(xù)而不生硬。節(jié)約能源，降低噪聲，自然也提高工作效率。機(jī)器魚頭部預(yù)留兩個外接設(shè)備的開口，從而將機(jī)器魚打造成一個搭載平臺，可以根據(jù)需要外設(shè)合適的傳感器及攝像器材。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明去除魚皮后的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明去除魚皮后的實(shí)施例的側(cè)視剖面示意圖。

圖3是本發(fā)明去除魚皮后的實(shí)施例頭部的示意圖。

圖4是本發(fā)明去除魚皮后的實(shí)施例的C形擺動圖。

圖5是本發(fā)明去除魚皮后的實(shí)施例的S形擺動圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1～5所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有魚頭1、胸鰭2、舵盤3、舵機(jī)4、舵機(jī)架5、第一骨節(jié)6、第二骨節(jié)7、尾鰭8、牽引弦9、萬向節(jié)10、機(jī)艙13、背鰭14、配重倉16、控制裝置和探測模塊；

一對胸鰭2固定在穿過魚頭1的細(xì)桿上，細(xì)桿可加齒輪和電機(jī)，從而帶動胸鰭運(yùn)動；所述舵盤3與舵機(jī)4通過舵機(jī)4的齒輪咬合，可用螺絲加固，舵機(jī)4設(shè)置于機(jī)艙13外部的舵機(jī)架5內(nèi)，舵機(jī)導(dǎo)線由機(jī)艙開口通入機(jī)艙13內(nèi)，機(jī)艙開口用膠密封；所述舵機(jī)架5與機(jī)艙13相連；所述第一骨節(jié)6、第二骨節(jié)7和舵機(jī)架5上均設(shè)有圓柱形突起，舵機(jī)架5和第一骨節(jié)6之間用萬向節(jié)10連接，第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7之間用萬向節(jié)10連接，第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7之間加裝彈性桿11作為脊柱，用于增加穩(wěn)定性和靈動性，用螺栓穿過第二骨節(jié)7與尾鰭8連接處的圓孔并進(jìn)行連接；所述牽引弦9穿過第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7兩側(cè)的孔，牽引弦9一端固定在舵盤3上，牽引弦9另一端固定在第二骨節(jié)7上，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)動時(shí)，牽引弦9帶動舵盤3轉(zhuǎn)動，舵盤3拉動牽引弦9，帶動魚尾擺動；所述背鰭14與魚頭1為一體；所述控制裝置設(shè)置于機(jī)艙13的空腔內(nèi)；所述配重倉16可設(shè)在魚頭1的內(nèi)腔下部；控制裝置設(shè)有電池、主控板和通訊模塊；探測模塊設(shè)在魚頭1的內(nèi)腔前部。

所述魚頭1前部可設(shè)頭部預(yù)留接口12，所述魚頭1的尾部可設(shè)有魚皮接口15，所述第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7上均可設(shè)有魚皮接口15。

所述第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7構(gòu)成魚身和魚尾。

所述彈性桿11可采用Ni-Ti合金桿。

所述探測模塊可設(shè)有攝像頭。

本發(fā)明的防水部分用封蓋加膠的方式對機(jī)艙進(jìn)行防水處理，舵機(jī)和主機(jī)艙分離，舵機(jī)采用防水舵機(jī)。主機(jī)艙的防水裝置分為防水主機(jī)艙和主機(jī)艙防水蓋兩個部分。先將兩個部分的接觸面打磨平整，在安裝的過程中要用RTV硅橡膠把主機(jī)艙口和主機(jī)艙身粘接起來。

所述骨架式多弦牽動水下機(jī)器魚的尺寸為：長度為53.73cm，外寬為12.33cm，內(nèi)寬為9.56cm，高為15.02cm，質(zhì)量為1.5kg；所述第一骨節(jié)(大骨節(jié))的長度為85mm，第二骨節(jié)(小骨節(jié))的長度為84mm；尾鰭的長度為114mm，牽引弦9的長度為170mm，牽引弦9兩側(cè)各有上中下3股弦以提高穩(wěn)定性。以最常見魚類——鯉魚作為仿生對象進(jìn)行3D建模然后打印。本發(fā)明將魚分成了頭部和尾部，其中尾部由2塊骨節(jié)組成。其中魚殼、舵盤、骨架以及胸鰭和尾鰭都是用3D打印機(jī)打印的。

本發(fā)明整體分為前后兩部分，用萬向節(jié)連接在一起，形成流線外形魚體的頭部、魚身。魚殼頭部其魚眼處可以根據(jù)實(shí)際需要安裝光源，魚頭形成中空的內(nèi)腔,魚嘴附近的前腔搭載攝像頭等探測模塊，后腔分為上下兩部分，上部用來安放機(jī)艙，下部為浮力調(diào)節(jié)配重倉部分。將機(jī)艙和機(jī)艙防水蓋兩個部分的接觸面打磨平整，在安裝的過程中用RTV硅橡膠把主機(jī)艙口和主機(jī)艙身粘接起來。魚尾附帶乳膠魚皮，用O型密封圈將魚皮包裹固定于魚尾外緣，整體模仿出魚的形態(tài)。

本發(fā)明軀干的多弦牽引結(jié)構(gòu)由舵盤和牽引弦構(gòu)成，舵盤與舵機(jī)連接，骨節(jié)進(jìn)行多處開孔處理，3條牽引弦穿過孔連接在第二骨節(jié)上，牽引骨架式魚尾擺動。彈性桿采用Ni-Ti合金桿。該材料是一種形狀記憶合金，它的伸縮率在20％以上，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，是一種優(yōu)秀的彈性材料。記憶合金除具有獨(dú)特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優(yōu)異特點(diǎn)。用該材料為骨節(jié)提供回復(fù)力，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間大擺幅運(yùn)動，并且增加骨節(jié)之間的穩(wěn)定性。

本發(fā)明軀干采用骨架式結(jié)構(gòu)，由第一骨節(jié)、第二骨節(jié)、尾鰭、萬向節(jié)、柔性桿構(gòu)成。骨節(jié)和舵機(jī)架間、骨節(jié)與骨節(jié)使用萬向節(jié)連接，使關(guān)節(jié)具有獨(dú)立大幅度轉(zhuǎn)動的能力，克服了現(xiàn)有的弦動機(jī)器魚設(shè)計(jì)中單軸穿過整個尾部導(dǎo)致的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動幅度受限的現(xiàn)象。同時(shí)使用柔性桿，提供大幅度擺動后的回復(fù)力，使關(guān)節(jié)活動更自然柔順。

單舵機(jī)動力裝置采用舵機(jī)架，舵機(jī)架內(nèi)安裝有一防水舵機(jī)，其上連接舵盤。舵機(jī)帶動舵盤轉(zhuǎn)動以控制魚尾擺動，具體為：舵機(jī)將轉(zhuǎn)動運(yùn)動傳遞到舵盤，舵盤拉扯固定在第二骨節(jié)上的牽引弦，引起第二骨節(jié)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)魚身和魚尾左右不同角度定向規(guī)律擺動，完成多自由空間動作,進(jìn)行大幅度的柔性擺動；舵盤每側(cè)連接3條牽引弦，使動力分布均勻并增加了穩(wěn)定性。

所述控制裝置的主控板為Arduino開發(fā)板，通訊模塊為HC-05或HC-06藍(lán)牙模塊，采用ITEAD Bluetooth Robot或BT Client app，能夠在手機(jī)終端控制下完成魚尾的擺動，供電系統(tǒng)主要為18650可充式鋰電池強(qiáng)力電池，在配重倉內(nèi)預(yù)放2塊鉛鐵板進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)。

所述舵機(jī)可采用WK-M1500舵機(jī)作為控制電機(jī)，該舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制裝置，有利于在仿生機(jī)器魚游動性能的測試過程中測試機(jī)器魚在不同擺幅和頻率下的游動性能。

本發(fā)明利用多弦牽引的方式，配合骨架式尾部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)用一個舵機(jī)代替多個舵機(jī)的效果，利用柔性桿的彈性，將關(guān)節(jié)的運(yùn)動變得連續(xù)而不生硬，可以實(shí)現(xiàn)C型和S型運(yùn)動，提供了一種相比多電機(jī)聯(lián)動機(jī)器魚更簡單、節(jié)能、高效的方案。