CN104015904A - 多组合推进式柔性仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

一种多组合推进式柔性仿生机器鱼，它包括鱼头、鱼身、鱼尾和鱼鳍，其特征是所述的鱼身包括柔性轴）、柔性骨架和带有柔性电极的鱼身人工肌肉，柔性骨架呈环形框架结构，它固定在柔性轴上，鱼身人工肌肉以张紧状态对称布置在柔性骨架之间，当一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉收缩，使柔性轴及鱼身产生连续弯曲，与鱼尾、鱼鳍配合形成身身/尾鳍推进模式；鱼头和鱼尾分别安装在柔性轴的两端并分别与第一个和最后一个柔性骨架相连。本发明的采用柔性结构与柔性驱动，模仿生物鱼类的运动功能，形成机器鱼整体渐变柔性变形，实现柔性身体/尾鳍推进和中间鳍/对鳍推进模式，运动灵活。

Description

多组合推进式柔性仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种仿生技术，尤其是一种仿生机器鱼，具体地说是一种利用人工肌肉柔性驱动的多组合推进式柔性仿生机器鱼。

背景技术

鱼类是自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动功能。和普通的水下推进器相比，鱼类游动具有高效率、高机动性、低扰动的特点，对复杂环境的适应能力强。

目前国内外科学家都在探索不同于螺旋桨推进的高效率、机动灵活的水下推进方式。仿生机器鱼研究鱼类的推进机理，可用于狭窄或危险水下环境中的水质监测、军事侦察、水下救援、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作，具有重要的研究价值和应用前景。

鱼类的推进模式根据产生推进力部位的不同，可以分为身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式，目前的机器鱼研究通常集中在一种推进方式上，不能真实模仿鱼类在不同场合下的运动功能。在机器鱼的驱动上，通常采用电机和形状记忆合金等，且驱动与传动分离，不能模仿生物鱼类的肌肉柔性驱动与直接驱动功能，结构复杂。机器鱼结构多为刚性关节结构，无法产生鱼类的整体渐变柔性变形，影响了机器鱼的运动柔顺性和运动性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的仿生鱼推进方式单一、结构复杂的问题，设计一种结构简单，能实现多种推进方式的多组合推进式柔性仿生机器鱼，以便使仿生鱼的前进方式与真鱼更加逼近。

本发明的技术方案是：

一种多组合推进式柔性仿生机器鱼，它包括鱼头、鱼身、鱼尾和鱼鳍，其特征是所述的鱼身包括柔性轴14、柔性骨架3和带有柔性电极的鱼身人工肌肉2，柔性骨架3呈环形框架结构，它固定在柔性轴13上，鱼身人工肌肉2以张紧状态对称布置在柔性骨架3之间，当一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉收缩，使柔性轴14及鱼身产生连续弯曲，与鱼尾、鱼鳍配合形成身身/尾鳍推进模式；鱼头1和鱼尾6分别安装在柔性轴14的两端并分别与第一个和最后一个柔性骨架3相连，控制装置安装在鱼身中。

所述的鱼鳍包括鱼身前部对称安装的两只胸鳍9，在腹部两侧对称安装的两只腹鳍8，在背部中间安装的一只背鳍4，在其尾部下侧安装的一只臀鳍7，以及鱼尾6上连接的一个尾鳍5；它们均由片状柔性框架16和带有柔性电极的鱼鳍人工肌肉片17组成，在片状柔性框架16的中间加工有通孔，若干层鱼鳍人工肌肉片17以张紧状态布置在片状柔性框架16两侧面上，使鱼鳍人工肌肉片17上的柔性电极对准片状柔性框架16的通孔；未通电时，鱼鳍呈平面状，当一侧的鱼鳍人工肌肉片17通电时拉应力减小，另一侧鱼鳍人工肌肉片17会收缩，鱼鳍能产生单自由度两方向的连续弯曲摆动。

所述的胸鳍9对称布置在机器鱼身体前部两侧下端，沿径向布置，它连接有用以调节胸鳍攻角的胸鳍角度调整装置15，该角度调整装置包括转动轴19、转盘18和一对带有柔性电极的调角人工肌肉20，胸鳍9与转动轴19固连，转动轴19的一端枢装在柔性轴14上，另一端枢装在柔性骨架3上，转盘18固定安装在转动轴19上，转盘18连接有两个调角用人工肌肉20，调角人工肌肉20以张紧状态一端与转盘18固连，另一端固定在相邻的柔性骨架3上；当一侧调角人工肌肉20通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉会收缩，带动转盘19，转盘再带支转动轴19产生单自由度两方向的转动，调节胸鳍攻角；两只胸鳍独立控制，与其它鱼鳍配合，形成中间鳍/对鳍推进模式（这种模式是一种术语，英文简称叫MPF,这种方式主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动 产生推进力。另一种是身体/尾鳍(BCF)推进模式）。

所述的鱼头1的两侧安装有摄像头，在鱼头上部安装有天线，在鱼头前端安装有测距传感器。

在所述的鱼头、柔性骨架、鱼尾及鱼鳍上安装有发光纤维，用于视觉观测机器鱼的运动。

所述的人工肌肉为介电型电活性聚合物。

二只腹鳍对称布置在机器鱼身体腹部两侧下端，固连在同一环形框架即柔性骨架3上。所述背鳍、臀鳍、尾鳍安装在机器鱼的竖直对称面上，背鳍和臀鳍固连在两个或多个相邻环形框架即柔性骨架3之间，尾鳍与鱼尾固连。

本发明的机器鱼可采用身体/尾鳍推进模式。当柔性骨架一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉缩短，使柔性轴及机器鱼身体产生柔性连续弯曲，与尾鳍配合产生摆动推进。此时，未通电的鱼鳍起到掌控平衡与方向的作用。在机器鱼采用身体/尾鳍推进模式时，通过角度调整机构改变胸鳍攻角，实现仿生机器鱼的上浮和下潜运动。

机器鱼可采用中间鳍/对鳍推进模式。以胸鳍为推进力主要来源，此时由角度调整机构改变胸鳍攻角。当所述胸鳍一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉收缩，使胸鳍产生柔性连续弯曲形成摆动产生推进力，其它鱼鳍配合提供部分推进力。

本发明的有益效果：

1、本发明的机器鱼采用柔性驱动与柔性结构，能更好模仿鱼类的柔性运动功能，产生机器鱼的整体渐变柔性变形。柔性驱动—介电型电活性聚合物人工肌肉具有能量密度高、响应速度快、无摩擦、无噪声等优点，类似于生物肌肉，不需要传动机构，能实现直接驱动，结构简单。

   2、本发明的机器鱼能采用身体/尾鳍和中间鳍/对鳍推进模式，机器鱼可根据运动需要选择合适的推进方式，运动灵活。

附图说明

图1是本发明的柔性仿生机器鱼立体外形结构示意图。

图2是本发明的柔性仿生机器鱼的整体骨架结构示意图。

图3是本发明的鱼鳍的立体分解结构示意图。

图4是本发明的胸鳍的角度调整装置结构示意图。

图中：1为鱼头，2为带有柔性电极的鱼身人工肌肉，3为柔性骨架，4为背鳍，5为尾鳍，6为鱼尾，7为臀鳍，8为腹鳍，9为胸鳍，10为天线，11为测距传感器，12为摄像头，14为柔性轴，15为胸鳍角度调整装置，16为片状柔性框架，17为带有柔性电极的鱼鳍人工肌肉，18为转盘，19为转动轴，20为带有柔性电极的调角人工肌肉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图1-4所示。

一种多组合推进式柔性仿生机器鱼，它主要由鱼头1、鱼身、鱼尾6和各种鱼鳍组成，如图1所示，鱼头1由带有柔性电极的鱼身人工肌肉2、柔性骨架3和柔性轴14组成，如图2所示。柔性轴14和与柔性轴14固连的若干环形框架状（类似汽车方向盘结构，如图2）柔性骨架3组成了本发明的机器鱼骨架结构13，所述鱼身人工肌肉2对称分布在柔性骨架3两侧，呈张紧状态安装在相邻两环形柔性骨架3之间。所述的鱼身人工肌肉2是一种介电型电活性聚合物，具有能量密度高、响应速度快，无摩擦无噪声等优点，类似于生物肌肉。机器鱼身体的运动模仿生物的主动肌对抗肌驱动原理，一侧的鱼身人工肌肉2通电后拉应力减小，另一侧的鱼身人工肌肉2就会收缩，带动柔性轴14及机器鱼身体产生一个自由度两个方向的连续弯曲，与尾鳍5配合形成身体/尾鳍推进。机器鱼两侧的鱼笛人工肌肉2可独立控制，改变机器鱼身体的波形、波幅、频率可控制推进力及转弯力矩，控制装置可安装有鱼身中。

背鳍4、尾鳍5、臀鳍7、腹鳍8、胸鳍9组成机器鱼的鱼鳍，它们均模仿真实鱼鳍外形，鱼鳍4、5、7、8、9均采用双侧驱动悬臂梁结构，包括片状柔性框架16和带有柔性电极的鱼鳍人工肌肉17，如图3所示，在片状柔性框架16上加工有通孔，将若干层鱼鳍人工肌肉17以张紧状态安装于片状柔性框架16两侧，并使鱼鳍人工肌肉17上的柔性电极区域与片状柔性框架16的通孔对准。在未通电时，鱼鳍4、5、7、8、9呈平面形状。当一侧的鱼鳍人工肌肉17通电后拉应力减小，另一侧的鱼鳍人工肌肉17收缩，鱼鳍4、5、7、8、9能产生大角度连续弯曲，形成摆动。

机器鱼的两只胸鳍9对称布置于身体前部两侧下端位置，沿径向布置。在未通电时，胸鳍9处于平面状态，用于机器鱼的平衡。胸鳍9与角度调整机构15的转动轴19固连，如图4所示，角度调整机构15的转动轴19一端穿过机器鱼身体前部的一个环形框13，另一端与同一环形框13铰接，转动轴19通过转盘18由一对人工肌肉20驱动，当一侧的人工肌肉20通电后拉应力减小，另一侧的人工肌肉20收缩，带动转盘18和转动轴19转动，改变胸鳍9的攻角。在身体/尾鳍推进时，改变胸鳍9的攻角可实现机器鱼的上浮与下潜。胸鳍9的攻角改变后，胸鳍9摆动可产生向前或向后的反作用力，胸鳍9的摆动转动复合运动功能与其它鱼鳍配合可形成中间鳍/对鳍推进。两侧胸鳍9独立控制，当两侧胸鳍9采用不同的攻角及不同的动作频率和弯曲幅度时，可产生转弯力矩用于机器鱼转弯。

机器鱼的两只腹鳍8对称布置在身体腹部两侧下端，沿径向布置，腹鳍8摆动时可配合胸鳍9形成推进。机器鱼的背鳍4布置于身体背部，位于竖直对称面内，可产生弯曲摆动，臀鳍7布置于身体尾部下端，位于竖直对称面内，可产生弯曲摆动。背鳍4和臀鳍7固连在两个或多个相邻的环形框13之间。尾鳍5与鱼尾6固连，位于竖直对称面内。

在鱼头1上部安装有天线10，用于无线通讯与GPS导航。在鱼头1的两侧安装有摄像头12，用于获取机器鱼前方的图像。在鱼头1前端安装有测距传感器11，用于测量机器鱼前方是否有障碍物及与障碍之间的距离，测距传感器11可用超声波传感器、激光传感器、红外传感器等。

在机器鱼的鱼头1、柔性骨架的环形框13、鱼尾6及鱼鳍4、5、7、8、9上安装有发光纤维，用于视觉观测机器鱼的运动，也可增加机器鱼的观赏性。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种多组合推进式柔性仿生机器鱼，它包括鱼头、鱼身、鱼尾和鱼鳍，其特征是所述的鱼身包括柔性轴（14）、柔性骨架（3）和带有柔性电极的鱼身人工肌肉（2），柔性骨架（3）呈环形框架结构，它固定在柔性轴（13）上，鱼身人工肌肉（2）以张紧状态对称布置在柔性骨架（3）之间，当一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉收缩，使柔性轴（14）及鱼身产生连续弯曲，与鱼尾、鱼鳍配合形成身身/尾鳍推进模式；鱼头（1）和鱼尾（6）分别安装在柔性轴（14）的两端并分别与第一个和最后一个柔性骨架（3）相连。

2.根据权利要求1所述的多组合推进式柔性仿生机器鱼，其特征是所述的鱼鳍包括鱼身前部对称安装的两只胸鳍（9），在腹部两侧对称安装的两只腹鳍（8），在背部中间安装的一只背鳍（4），在其尾部下侧安装的一只臀鳍（7），以及鱼尾（6）上连接的一个尾鳍（5）；它们均由片状柔性框架（16）和带有柔性电极的鱼鳍人工肌肉片（17）组成，在片状柔性框架（16）的中间加工有通孔，若干层鱼鳍人工肌肉片（17）以张紧状态布置在片状柔性框架（16）两侧面上，使鱼鳍人工肌肉片（17）上的柔性电极对准片状柔性框架（16）的通孔；未通电时，鱼鳍呈平面状，当一侧的鱼鳍人工肌肉片（17）通电时拉应力减小，另一侧鱼鳍人工肌肉片（17）会收缩，鱼鳍能产生单自由度两方向的连续弯曲摆动。

3.根据权利要求2所述的多组合推进式柔性仿生机器鱼，其特征是所述的胸鳍（9）连接有用以调节胸鳍攻角的角度调整装置，该角度调整装置包括转动轴（19）、转盘（18）和一对带有柔性电极的调角人工肌肉（20），胸鳍（9）与转动轴（19）固连，转动轴（19）的一端枢装在柔性轴（14）上，另一端枢装在柔性骨架（3）上，转盘（18）固定安装在转动轴（19）上，转盘（18）连接有两个调角用人工肌肉（20），调角人工肌肉（20）以张紧状态一端与转盘（18）固连，另一端固定在相邻的柔性骨架（3）上；当一侧调角人工肌肉（20）通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉会收缩，带动转盘（19），转盘再带支转动轴（19）产生单自由度两方向的转动，调节胸鳍攻角；两只胸鳍独立控制，与其它鱼鳍配合，形成中间鳍/对鳍推进模式。

4.根据权利要求1所述的多组合推进式柔性仿生机器鱼，其特征是所述的鱼头（1）的两侧安装有摄像头，在鱼头上部安装有天线，在鱼头前端安装有测距传感器。

5.根据权利要求1所述的多组合推进式柔性仿生机器鱼，其特征是在所述的鱼头、柔性骨架、鱼尾及鱼鳍上安装有发光纤维，用于视觉观测机器鱼的运动。

6.根据权利要求1、2或3所述的柔性仿生机器鱼，其特征是所述的人工肌肉为介电型电活性聚合物。