CN109050851A - 线驱动式机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线驱动式机器鱼，包括鱼头、鱼身及鱼尾，鱼尾包括尾鳍及支撑板组件，支撑板组件由从前往后依次连接的一块支撑板Ⅰ、至少一块支撑板Ⅱ和一块支撑板Ⅲ组成，支撑板Ⅰ的前侧固定连接于鱼身，支撑板Ⅲ的后侧固定连接于尾鳍，支撑板Ⅰ与支撑板Ⅱ之间、相邻支撑板Ⅱ之间及支撑板Ⅱ与支撑板Ⅲ之间均通过关节组件相连；还包括两根平行设置的传动线，传动线的前端连接于鱼尾驱动机构、后端依次穿过支撑板Ⅰ及支撑板Ⅱ后固定连接于支撑板Ⅲ；两传动线采用柔性材料制成并在鱼尾驱动机构的驱动下相继伸缩，以驱使支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ进行左右摆动；本发明的线驱动式机器鱼，其关节结构简单，在提供自身驱动力的同时减轻机器鱼整体重量。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种线驱动式机器鱼。
背景技术
鱼类的游动具有高效性、机动性以及低噪性等优点。因此，仿生机器鱼的研究己成为机器人研究领域的热点。随着仿生机器鱼研究的不断深入，仿生机器鱼在水下搜救、水质检测以及海洋资源勘探等领域发挥着重要的作用。仿生机器鱼建立在将鱼类的推进运动简化为理想条件下，鱼类身体连续的、周期性的形变基础之上的。仿生机械鱼作为一种新型水下机器人，可以适应复杂环境和高效作业等要求所带来的挑战，因而得到了广泛的研究与开发。
随着仿生学的不断发展，1994年麻省理工大学成功研制出世界上第一条长1.2m的机器鱼RoboTuna，之后各种机理的仿生鱼相继问世。专利CN101322878A中提出了一种内有固定骨架，螺旋桨调节沉浮，外套整体鱼皮的玩具机器鱼，该机器鱼弹性摆动部分无填充，不能保持良好的流线型外形，沉浮运行不稳定；专利CN201240497Y中提出了一种由骨架支撑，单关节摆动的机器鱼，该机器鱼骨架结构流线型差，只适用于水面；专利CN107380386A中公开了一种机器鱼三关节摆动，包括三个主驱动关节，每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，通过三个关节环环相扣，依次驱动实现鱼尾的摆动，该机器鱼关节结构复杂，舵机的使用增大鱼体质量，装配困难，沉浮效果不稳定。
现有的机器鱼大多采用一体结构，三关节摆动驱动，采用骨架支撑蒙皮方式，其驱动部分占用空间大，不利于其它功能模块搭载，后期研究应用不便。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种线驱动式机器鱼，使其关节结构简单，在提供自身驱动力的同时减轻机器鱼整体重量。
本发明的线驱动式机器鱼，包括依次相连的鱼头、鱼身及鱼尾，所述鱼尾包括尾鳍及支撑板组件，所述支撑板组件由从前往后依次连接的一块支撑板Ⅰ、至少一块支撑板Ⅱ和一块支撑板Ⅲ组成，所述支撑板Ⅰ的前侧固定连接于鱼身，所述支撑板Ⅲ的后侧固定连接于尾鳍，所述支撑板Ⅰ与支撑板Ⅱ之间、相邻支撑板Ⅱ之间及支撑板Ⅱ与支撑板Ⅲ之间均通过关节组件相连；该机器鱼还包括两根平行设置的传动线，所述传动线的前端连接于鱼尾驱动机构、后端依次穿过支撑板Ⅰ及支撑板Ⅱ后固定连接于支撑板Ⅲ；两所述传动线采用柔性材料制成并在鱼尾驱动机构的驱动下相继伸缩，以驱使所述支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ进行左右摆动；
所述鱼尾驱动机构设在鱼身并包括驱动电机、驱动轴及两个分别设在驱动轴两端的驱动转盘，所述驱动电机的输出轴与驱动轴传动连接；两所述驱动转盘上以错位方式设有凸柄，两所述传动线分别连接于两凸柄；
所述鱼身包括一块平直的鱼身主板；所述鱼头包括头板、头板摆动机构、胸鳍及胸鳍摆动机构；所述头板平行设在鱼身主板的上方，所述头板摆动机构安装在鱼身主板上且其动力输出端与头板相连并驱动头板进行左右摆动；两块所述胸鳍对称设在摆动轴的两端，所述摆动轴通过摆动轴安装支架固定在头板上；所述胸鳍摆动机构安装在鱼身主板上且其动力输出端与摆动轴传动连接并驱动摆动轴进行上下摆动。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述鱼身主板的纵截面积由前往后逐渐增大，用于安装所述驱动电机的电机安装支架及用于安装驱动轴的驱动轴安装支架分别以可拆卸方式连接在鱼身主板的上下两侧。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述驱动电机的输出轴连接有主动带轮，所述驱动轴上固定有从动带轮，所述主动带轮与从动带轮之间通过传动带相连；所述鱼身主板上设有用于供传动带通过的传动带过孔。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述关节组件包括第一连接块、第二连接块和铰接轴，所述第一连接块的一端垂直连接第一横板，所述第二连接块的一端垂直连接第二横板；所述第一连接块上远离第一横板的端部设有平行于鱼身主板的铰接槽，所述第二连接块上远离第二横板的端部***铰接槽并由铰接轴连接定位形成单自由度转动连接结构，所述铰接轴平行于第一横板。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述支撑板Ⅰ的前侧面固定有两块相对设置的“L”形板，两所述“L”形板之间形成用于夹持固定鱼身主板的夹持区。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ均为圆板结构且从前往后这些圆板的直径递减；所述支撑板Ⅰ及支撑板Ⅱ对应设有用于供传动线通过的呈腰形的传动线过孔，所述支撑板Ⅲ上设有用于固定传动线的传动线固定孔，各所述传动线过孔与传动线固定孔均位于同一水平面。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述鱼身主板的后端连接有导向板，所述导向板上设有用于供传动线穿过并进行导向的导向孔。
作为对上述技术方案的进一步改进，所述头板摆动机构包括安装在鱼身主板底部的第一舵机；所述胸鳍摆动机构包括安装在头板顶部的第二舵机；所述第二舵机的输出轴上连接有一凸轮，所述摆动轴上垂直连接有一摆杆，所述凸轮与摆杆之间通过一连杆相连，所述连杆的一端铰接于凸轮上偏离轴心的位置、另一端铰接于摆杆。
通过上述公开内容，本发明具有以下有益技术效果：
本发明的线驱动式机器鱼，当一侧的传动线缩短时即拉动关节组件偏向这一侧进行转动，而另一侧的传动线则进行伸长以顺应关节组件的转动，由于两根传动线是相继运动的，如此关节组件即可进行周期性或者往复的左右摆动，以驱使支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ进行左右摆动，尾鳍随之左右摆动而产生使机器鱼行进的动力；由于各关节组件由传动线拉动，无需独立的关节驱动机构，使得关节结构简单，在提供自身驱动力的同时有效减轻了机器鱼整体重量。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的左视图；
图3为本发明的立体图；
图4为图3中A处放大图；
图5为图3中B处放大图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图5所示：本实施例的线驱动式机器鱼，包括依次相连的鱼头、鱼身及鱼尾，所述鱼尾包括尾鳍1及支撑板组件，所述支撑板组件由从前往后依次连接的一块支撑板Ⅰ2、至少一块支撑板Ⅱ3和一块支撑板Ⅲ4组成，所述支撑板Ⅰ2的前侧固定连接于鱼身，所述支撑板Ⅲ4的后侧固定连接于尾鳍1，所述支撑板Ⅰ2与支撑板Ⅱ3之间、相邻支撑板Ⅱ3之间及支撑板Ⅱ3与支撑板Ⅲ4之间均通过关节组件相连；该机器鱼还包括两根平行设置的传动线5，所述传动线5的前端连接于鱼尾驱动机构、后端依次穿过支撑板Ⅰ2及支撑板Ⅱ3后固定连接于支撑板Ⅲ4；两所述传动线5采用柔性材料制成并在鱼尾驱动机构的驱动下相继伸缩，以驱使所述支撑板Ⅱ3及支撑板Ⅲ4进行左右摆动。
鱼头、鱼身及鱼尾均具有仿真实鱼类的结构，例如一些流线式结构与现有的机器鱼基本相同，在此不再赘述；机器鱼运动动力主要依靠鱼尾摆动而产生，鱼头主要进行方向控制，鱼身则为安装主体；尾鳍1呈板状、扇形；“前”是指靠近鱼头的方向，“后”则为靠近尾鳍1的方向；在机器鱼处于静止、笔直状态时，支撑板Ⅰ2、支撑板Ⅱ3和支撑板Ⅲ4相平行；支撑板Ⅱ3的数量可根据需要而设，至少为一块，本实施例即设置了三块；关节组件即形成了相邻支撑板之间的转动关节，各关节组件位于同一平面，且在机器鱼处于静止、笔直状态时位于同一直线；传动线5可采用玻璃纤维或者碳素纤维制成，其粗细程度可根据需要而定，不一定是细线结构，还可以是绳状或者棒状结构；鱼尾驱动机构为电控机构，可驱动两传动线5相继进行伸长、缩短(这里的长短是指位于鱼尾部分的长度)，两传动线5对称设置，当一侧的传动线5缩短时即拉动关节组件偏向这一侧进行转动，而另一侧的传动线5则进行伸长以顺应关节组件的转动，由于两根传动线5是相继运动的，如此关节组件即可进行周期性或者往复的左右摆动，以驱使支撑板Ⅱ3及支撑板Ⅲ4进行左右摆动，尾鳍1随之左右摆动而产生使机器鱼行进的动力；由于各关节组件由传动线5拉动，无需独立的关节驱动机构，使得关节结构简单，在提供自身驱动力的同时有效减轻了机器鱼整体重量。
本实施例中，所述鱼尾驱动机构设在鱼身并包括驱动电机6、驱动轴7及两个分别设在驱动轴7两端的驱动转盘8，所述驱动电机6的输出轴与驱动轴7传动连接；两所述驱动转盘8上以错位方式设有凸柄9，两所述传动线5分别连接于两凸柄9；鱼尾驱动机构设在鱼身，可降低鱼尾重量，使其运动更灵活；驱动电机6可为减速电机结构，能提供较大力矩，且转速易控；驱动轴7沿机器鱼的宽度方向(即左右方向)设置，两驱动转盘8即沿驱动轴7的径向设置；两驱动转盘8可为圆盘结构且对称设置；凸柄9是用于直接拉动传动线5的部件，随驱动转盘8一同旋转；“错位”是指在使用状态下两凸柄9分别设在两驱动转盘8的不同位置，使得两凸柄9可分别带动两传动线5相继进行伸长、缩短；优选地，其中一驱动转盘8的凸柄9在另一驱动转盘8上的投影与该驱动转盘8上的凸柄9具有对称关系，从而使得在其中一根传动线5处于伸长极限时，另一根传动线5处于收缩极限；采用这一结构，无需改变驱动电机6输出轴的转向即可实现对两传动线5的连续驱动，使得鱼尾可产生连续的动力。
本实施例中，所述鱼身包括一块平直的鱼身主板10，所述鱼身主板10的纵截面积由前往后逐渐增大，用于安装所述驱动电机6的电机安装支架11及用于安装驱动轴7的驱动轴安装支架12分别以可拆卸方式连接在鱼身主板10的上下两侧；鱼身主板10为平板结构；电机安装支架11、驱动轴安装支架12均可螺接在鱼身主板10上，便于其安装和拆卸；采用这一结构，电机安装支架11、驱动轴安装支架12分别设在鱼身主板10的上下两侧，使得鱼身主板10的重量分布均衡，提高机器鱼运动的平衡度；驱动轴安装支架12上可设置相关的轴孔及轴承。
本实施例中，所述驱动电机6的输出轴连接有主动带轮13，所述驱动轴7上固定有从动带轮14，所述主动带轮13与从动带轮14之间通过传动带(图中未示出)相连；所述鱼身主板10上设有用于供传动带通过的传动带过孔15；主动带轮13、从动带轮14分别设在鱼身主板10的上下两侧并位于同一平面；传动带过孔15优选为矩形孔，利于传动带的运动；驱动电机6与驱动轴7之间通过带传动的方式传递动力，这一结构使得传动平稳、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹性，并可在过载的情况下打滑。
本实施例中，所述关节组件包括第一连接块16、第二连接块17和铰接轴18，所述第一连接块16的一端垂直连接第一横板19，所述第二连接块17的一端垂直连接第二横板20；所述第一连接块16上远离第一横板19的端部设有平行于鱼身主板10的铰接槽16a，所述第二连接块17上远离第二横板20的端部***铰接槽16a并由铰接轴18连接定位形成单自由度转动连接结构，所述铰接轴18平行于第一横板19；使用时，第一横板19安装在支撑板的后侧面，第二横板20安装在支撑板的前侧面，安装方式均优选为螺接，铰接轴18也可选为螺栓，以便于安装和拆卸、维护；第一横板19、第二横板20的中心优选与相应支撑板的中心同心设置；铰接槽16a为沿机器鱼宽度方向开设的横槽，使得鱼尾可进行左右摆动。
本实施例中，所述支撑板Ⅰ2的前侧面固定有两块相对设置的“L”形板21，两所述“L”形板21之间形成用于夹持固定鱼身主板10的夹持区；该机器鱼还可设置弹性的支撑杆(图中未示出)，该支撑杆平行于鱼身主板10设置并依次穿过“L”形板21、支撑板Ⅰ2、支撑板Ⅱ3及支撑板Ⅲ4；“L”形板21具有横部和纵部，“相对设置”是指两块“L”形板21以轴对称的方式设置；“L”形板21的横部连接于支撑板Ⅰ2、纵部连接于鱼身主板10，连接方式优选为螺接；支撑杆可为两根，其分别设在关节组件的上下侧，能够进一步将各支撑板连接起来，提高机器鱼的结构强度及平直度；支撑杆具有一定弹性，当相邻支撑板相对运动时可发生形变以适应其运动。
本实施例中，所述支撑板Ⅰ2、支撑板Ⅱ3及支撑板Ⅲ4均为圆板结构且从前往后这些圆板(即各支撑板)的直径递减，以模仿真实鱼的由粗到细的尾部，使尾部看着更加美观，同时提高承受力，起支撑作用；所述支撑板Ⅰ2及支撑板Ⅱ3对应设有用于供传动线5通过的呈腰形的传动线过孔22，所述支撑板Ⅲ4上设有用于固定传动线5的传动线固定孔23，各所述传动线过孔22与传动线固定孔23均位于同一水平面；腰形的传动线过孔22为传动线5的拉伸运动留出充足的运动空间,也起着约束传动线5的作用。
本实施例中，所述鱼身主板10的后端连接有导向板24，所述导向板24上设有用于供传动线5穿过并进行导向的导向孔24a；导向板24限制传动线5的位置，使传动线5能在传动线过孔22中运动；导向孔中可设有定滑轮，以实现传动线5的平滑转向，防止传动线5发生不当磨损，延长其使用寿命。
本实施例中，所述鱼头包括头板25、头板摆动机构、胸鳍26及胸鳍摆动机构；所述头板25平行设在鱼身主板10的上方，所述头板摆动机构安装在鱼身主板10上且其动力输出端与头板25相连并驱动头板25进行左右摆动；两块所述胸鳍26对称设在摆动轴27的两端，所述摆动轴27通过摆动轴安装支架28固定在头板25上；所述胸鳍摆动机构安装在鱼身主板10上且其动力输出端与摆动轴27传动连接并驱动摆动轴27进行上下摆动；头板25与鱼身主板10之间具有间隙；头板25由头板摆动机构驱动，胸鳍26由胸鳍摆动机构驱动，二者配合可控制机器鱼的转向，从而实现机器鱼向上向下运动。
本实施例中，所述头板摆动机构包括安装在鱼身主板10底部的第一舵机29；所述胸鳍摆动机构包括安装在头板25顶部的第二舵机30；所述第二舵机30的输出轴上连接有一凸轮31，所述摆动轴27上垂直连接有一摆杆32，所述凸轮31与摆杆32之间通过一连杆33相连，所述连杆33的一端铰接于凸轮31上偏离轴心(即凸轮31与第二舵机30输出轴的连接部位)的位置、另一端铰接于摆杆；第一舵机29的输出轴穿过鱼身主板10并与头板25相连；第二舵机30的输出轴则通过凸轮连杆组件与摆动轴27相连，凸轮连杆组件结构简单，传动精度高、稳定、效率高。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种线驱动式机器鱼，包括依次相连的鱼头、鱼身及鱼尾，其特征在于：所述鱼尾包括尾鳍及支撑板组件，所述支撑板组件由从前往后依次连接的一块支撑板Ⅰ、至少一块支撑板Ⅱ和一块支撑板Ⅲ组成，所述支撑板Ⅰ的前侧固定连接于鱼身，所述支撑板Ⅲ的后侧固定连接于尾鳍，所述支撑板Ⅰ与支撑板Ⅱ之间、相邻支撑板Ⅱ之间及支撑板Ⅱ与支撑板Ⅲ之间均通过关节组件相连；该机器鱼还包括两根平行设置的传动线，所述传动线的前端连接于鱼尾驱动机构、后端依次穿过支撑板Ⅰ及支撑板Ⅱ后固定连接于支撑板Ⅲ；两所述传动线采用柔性材料制成并在鱼尾驱动机构的驱动下相继伸缩，以驱使所述支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ进行左右摆动；
所述鱼尾驱动机构设在鱼身并包括驱动电机、驱动轴及两个分别设在驱动轴两端的驱动转盘，所述驱动电机的输出轴与驱动轴传动连接；两所述驱动转盘上以错位方式设有凸柄，两所述传动线分别连接于两凸柄；
所述鱼身包括一块平直的鱼身主板；所述鱼头包括头板、头板摆动机构、胸鳍及胸鳍摆动机构；所述头板平行设在鱼身主板的上方，所述头板摆动机构安装在鱼身主板上且其动力输出端与头板相连并驱动头板进行左右摆动；两块所述胸鳍对称设在摆动轴的两端，所述摆动轴通过摆动轴安装支架固定在头板上；所述胸鳍摆动机构安装在鱼身主板上且其动力输出端与摆动轴传动连接并驱动摆动轴进行上下摆动。
2.根据权利要求1所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述鱼身主板的纵截面积由前往后逐渐增大，用于安装所述驱动电机的电机安装支架及用于安装驱动轴的驱动轴安装支架分别以可拆卸方式连接在鱼身主板的上下两侧。
3.根据权利要求2所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述驱动电机的输出轴连接有主动带轮，所述驱动轴上固定有从动带轮，所述主动带轮与从动带轮之间通过传动带相连；所述鱼身主板上设有用于供传动带通过的传动带过孔。
4.根据权利要求1所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述关节组件包括第一连接块、第二连接块和铰接轴，所述第一连接块的一端垂直连接第一横板，所述第二连接块的一端垂直连接第二横板；所述第一连接块上远离第一横板的端部设有平行于鱼身主板的铰接槽，所述第二连接块上远离第二横板的端部***铰接槽并由铰接轴连接定位形成单自由度转动连接结构，所述铰接轴平行于第一横板。
5.根据权利要求1所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述支撑板Ⅰ的前侧面固定有两块相对设置的“L”形板，两所述“L”形板之间形成用于夹持固定鱼身主板的夹持区。
6.根据权利要求1所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ及支撑板Ⅲ均为圆板结构且从前往后这些圆板的直径递减；所述支撑板Ⅰ及支撑板Ⅱ对应设有用于供传动线通过的呈腰形的传动线过孔，所述支撑板Ⅲ上设有用于固定传动线的传动线固定孔，各所述传动线过孔与传动线固定孔均位于同一水平面。
7.根据权利要求1所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述鱼身主板的后端连接有导向板，所述导向板上设有用于供传动线穿过并进行导向的导向孔。
8.根据权利要求1至7任一项所述的线驱动式机器鱼，其特征在于：所述头板摆动机构包括安装在鱼身主板底部的第一舵机；所述胸鳍摆动机构包括安装在头板顶部的第二舵机；所述第二舵机的输出轴上连接有一凸轮，所述摆动轴上垂直连接有一摆杆，所述凸轮与摆杆之间通过一连杆相连，所述连杆的一端铰接于凸轮上偏离轴心的位置、另一端铰接于摆杆。
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