仿生机器鱼的柔性推进机构制造技术

一种仿生机器鱼的柔性推进机构，包括能够模仿鱼类肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的柔性尾部、鱼体内由电机驱动的机构部分和电控部分。不锈钢弹性钢片做成的鱼尾连接在鱼体支架上，尾鳍驱动钢丝及尾部主体驱动钢丝分别穿过限位导孔固定在鱼尾上，两个驱动电机分别带动尾鳍驱动轮和尾部驱动轮转动，通过鱼尾两侧钢丝的协调拉紧放松，实现尾鳍的转动和整个尾部平动的复合运动，即鲹科加新月形尾鳍的推进模式，采用可调限位轮调节钢丝的松紧，固定限位轮使钢丝贴住鱼尾的两侧。本发明专利技术能很好的模仿鱼类的运动姿态，更好的利用涡流，提高推进效率，可用于水动力实验研究，并可推广用作小型水下设备或微小型无人水下探测器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种仿生机器鱼的柔性推进机构，可用于鱼尾摆动的水动力实验研究，并可进一步推广应用于小型水下设备或微小型无人水下探测器，进行复杂海洋环境下的海底观测、水下作业、水下救生。属于机器人

技术介绍
传统的水下探测装置都是依靠螺旋桨推进的方式。随着海洋资源开发、海洋探索和海洋环境保护的进一步要求，传统的螺旋桨和涡轮推进器所提供的动力已无法满足水下机器人在水下高效作业的要求。近年来仿生学、机器人学、流体力学、新型材料和驱动装置的进步促进了仿生机器鱼技术的发展。目前，机器鱼的研究主要在于模仿鱼类的运动模式，根据不同鱼类的运动模式，机器鱼主要可以分为以下两种。一种是根据“摆动推进机理”设计的机器鱼，这种机器鱼主要模仿金枪鱼、旗鱼、鲨鱼等于鱼类的运动，把身体当作推进器，身体左右摆动激水，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进。另一种是根据“波动推进机理”设计的，这类机器鱼主要模仿鳗鲡、泥鳅、鳝鱼等的运动，他们的尾鳍退化，其前进完全依赖于身体的摆动，鱼的脊椎曲线带动他所包络的液体向后喷出，产生推力。北京航空航天大学机器人研究所研制了一条仿鳗鲡目身体波动式机器鱼(Robotfish)，该机器鱼长0.8米，靠身体的波动以及尾鳍的摆动实现了不用螺旋桨行进。鱼体是一个平面6关节机构(6节鱼身)，包括鱼头和鱼尾部分。鱼头是利用玻璃钢制作的、仿鲨鱼外形的壳体。整个鱼的动力电池、控制接收部分都放在鱼头里。鱼尾的6个伺服电机扭转摆动作为推进器。对现有机器鱼及鱼形机器人的检索发现，申请号为02241163的中国专利技术专利公开了一种“可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼”，该机器鱼有两个驱动关节，第一个驱动关节有一个上开口U形槽，驱动电机放在U槽内，第二个驱动关节有一个左开口的U行槽，椭圆形的鱼体支架上有一个有一长方形孔，通过所述长方形孔将鱼体骨架套入在左向开口的U型槽和上开口U型槽之间。中国专利技术专利“新型遥控多关节仿生机器鱼”(申请号01219339)是由鱼形外壳、若干节骨架、电池和接收控制电路板构成，鱼形外壳由鱼头、与若干节骨架相对应的若干节鱼身和鱼尾构成，若干节鱼和鱼尾通过软质连接体相互密封连为一起，每节骨架是由舵机、固定架和摆动连接架构成，带动摆动连接架的舵机固定于固定架内，固定架与相应的鱼形外壳的鱼身内壁固接，摆动连接架与舵机的摆动输出体连接，带动后一节骨架摆动的前一节摆动连接架的末端与后一节骨架的舵机前端连接，最后一节骨的摆动架与鱼形外壳的鱼尾连接，所述骨架、电池和接收控制电路板密封设置在鱼形外壳内。上述专利技术的机器鱼，在技术上主要存在如下一些问题都是采用多关节刚体协调控制来逼近鱼的游动姿态，虽然能够在一定程度上模仿鱼类的游动姿态，但其刚性的尾部始终无法做到鱼类那样的柔性；为了实现柔性的游动姿态，就必须增加关节数，导致机构和控制都十分复杂；并且头部摆动的问题仍无法很好地解决。另外，由于关节之间要放置电机，尾部无法做到很薄。因此，为了更好更逼真的模仿鱼的柔性游动姿态，并且克服鱼头摆动的问题，需要专利技术一种柔性尾部，模仿鱼肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的机器鱼。对现有专利技术的检索尚未发现能克服上述问题的机器鱼。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种仿生机器鱼的柔性推进机构，更逼真的模仿鱼类的游动姿态，利用尾部产生的涡流提高推进效率，较好的克服鱼头摆动的问题，适应各种水动力实验研究及实际应用需求。为实现这样的目的，本专利技术的技术方案中，采用不锈钢弹性钢片做成的鱼尾连接在鱼体支架上，尾鳍驱动钢丝及尾部主体驱动钢丝分别穿过限位导孔固定在鱼尾上，两个驱动电机分别带动尾鳍驱动轮和尾部驱动轮转动，通过控制鱼尾对称线两个面的钢丝协调拉紧放松，实现尾鳍的转动和整个尾部平动的复合运动，即鲹科加新月形尾鳍的推进模式，采用可调限位轮调节钢丝的松紧，采用固定限位轮使钢丝贴住鱼尾。本专利技术的具体结构为本专利技术的机器鱼柔性推进机构包括能够模仿鱼类肌肉抽动驱动鱼尾协调摆动的柔性尾部、鱼体内由电机驱动的机构部分和电控部分，主要由不锈钢弹性钢片做成的鱼尾、尾鳍驱动部件、尾部驱动部件、可调限位部件及固定限位部件组成。鱼尾通过螺纹紧固件和鱼体支架固定，鱼尾的对称线上设置尾鳍部分限位导孔及尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置，尾部主体限位导孔及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置设置在鱼尾对称线的两侧。尾鳍驱动部件包括尾鳍驱动轮轴及尾鳍驱动轮，尾鳍驱动轮通过平键和尾鳍驱动轮轴相固定，尾鳍驱动轮轴通过轴承和鱼体支架相连，并通过螺母限位，尾鳍驱动钢丝通过螺钉固定在尾鳍驱动轮上的连接孔内，并绕经可调限位轮、固定限位轮后穿过尾鳍部分限位导孔，固定在尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置上。尾部驱动部件包括尾部驱动轮轴及尾部驱动轮，尾部驱动轮轴分为上下两部分，中间通过联轴器连接，尾部驱动轮轴通过轴承和鱼体支架相连，上下两根尾部主体驱动钢丝分别固定在上下两个尾部驱动轮上的连接孔内，并分别绕经上下两个可调限位轮、固定限位轮后穿过尾部主体限位导孔，与尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置相连。可调限位部件中的可调限位轮轴由紧固螺母固定在鱼体支架上，与可调限位轮轴平键连接的三个可调限位轮在鱼体支架沿鱼尾方向的一字槽内位置可调。固定限位部件中，三个固定限位轮由挡圈连接在固定限位轮轴上，固定限位轮轴通过固定限位轮支架与鱼体支架连接。本专利技术的柔性鱼尾主要有两个弯曲的位置，一个是尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲，另一个是鱼尾主体和鱼体的相对弯曲。在不锈钢弹性鱼尾的对称线的位置上打上若干小孔，设置尾鳍部分限位导孔，在对称线上尾鳍的位置打一个小孔，设置尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置。鱼尾对称线上尾鳍部分限位导孔及连接装置的位置可以确定尾鳍和鱼尾主体的相对弯曲位置以及弯曲程度。尾部主体限位导孔及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置设置在鱼尾对称线的两侧，其中，尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置的位置靠近尾鳍，由此确定了鱼尾主体和鱼体相对弯曲的位置。尾鳍部分限位导孔包括带通孔的螺栓和紧固螺母，螺栓穿过鱼尾并通过紧固螺母固定在鱼尾上，螺栓的两头开有通孔，两根尾鳍驱动钢丝分别从鱼尾上下两个面穿过这两个通孔，固定在尾鳍驱动钢丝和鱼尾的连接装置上。尾部主体限位导孔结构与尾鳍部分限位导孔的结构相同，两组四根尾部主体驱动钢丝分别从鱼尾对称线两侧的上下两个面穿过限位导孔中的通孔，固定在尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置上。尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置、尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置的结构与限位导孔的结构相同，只是在钢丝穿过连接装置上的通孔后，外部再用一螺母将钢丝固定。机器鱼整个尾部的柔性驱动的实施过程如下为了更好的说明具体实施过程，我们分别为驱动钢丝编号鱼尾对称线上下两个面的尾鳍驱动钢丝分别为A和B，鱼尾对称线两侧上面的两根尾部驱动钢丝为C，鱼尾对称线两侧下面的两根尾部驱动钢丝为D。首先，钢丝A拉紧，尾鳍往左摆；到位后钢丝D拉紧，整个尾部带动尾鳍往右摆；到位后钢丝A放松，同时钢丝B拉紧，尾鳍往右摆；到位后钢丝D放松，钢丝C拉紧，整个尾部带动尾鳍往左摆；到位后，钢丝B放松，钢丝A拉紧，尾鳍往左摆。如此，完成一个周期的运动。整个机器鱼的运动通过电机连接驱动轮正反转，驱动鱼尾两个面上的钢丝交替拉紧放松，实现鱼尾的摆动。两个电机协调运动，实现尾鳍摆动和平动的复合运动，模仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生机器鱼的柔性推进机构，其特征在于包括不锈钢弹性钢片做成的鱼尾（１）、尾鳍驱动部件（３）、尾部驱动部件（４）、可调限位部件（５）及固定限位部件（６），鱼尾（１）通过螺纹紧固件和鱼体支架（２）固定，鱼尾（１）的对称线上设置尾鳍部分限位导孔（１０）和尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置（９），尾部主体限位导孔（１３）及尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置（１２）设置在鱼尾对称线的两侧，尾鳍驱动部件（３）包括尾鳍驱动轮轴（１７）及尾鳍驱动轮（２０），尾鳍驱动轮（２０）通过平键（２１）和尾鳍驱动轮轴（１７）相固定，尾鳍驱动轮轴（１７）通过轴承（１８）和鱼体支架（２）相连，并通过螺母（１９）限位，尾鳍驱动钢丝（１１）通过螺钉固定在尾鳍驱动轮（２０）上的连接孔（２２）内，并绕经可调限位轮（２７）、固定限位轮（２９）后穿过尾鳍部分限位导孔（１０），固定在尾鳍钢丝和鱼尾的连接装置（９）上；尾部驱动部件（４）包括尾部驱动轮轴（２３）及尾部驱动轮（２４），尾部驱动轮轴（２３）分为上下两部分，中间通过联轴器（２５）连接，尾部驱动轮轴（２３）通过轴承和鱼体支架（２）相连，上下两根尾部主体驱动钢丝（１４）分别固定在上下两个尾部驱动轮（２４）上的连接孔内，并分别绕经两个可调限位轮（２７）、固定限位轮（２９）后穿过尾部主体限位导孔（１３），与尾部主体钢丝和鱼尾的连接装置（１２）相连；可调限位部件（５）中的可调限位轮轴（２６）由紧固螺母（２８）固定在鱼体支架（２）上，与可调限位轮轴（２６）平键连接的三个可调限位轮（２７）在鱼体支架（２）沿鱼尾方向的一字槽内位置可调；固定限位部件（６）中，三个固定限位轮（２９）由挡圈连接在固定限位轮轴（３０）上，固定限位轮轴（３０）通过固定限位轮支架（３１）与鱼体支架（２）连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱豪华，凌晨，赵言正，付庄，曹其新，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]