一种仿生机器鱼制造技术

一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分。机器鱼壳体分上下两部分，连接处采用迷宫密封，围成流线外形鱼体的头部、鱼身，其它连接处采用Ｏ型密封圈密封；胸鳍装在鱼壳体外两侧，由步进电机驱动实现转动和拍动运动；尾鳍与鱼皮、框架、尾部固定板构成机器鱼尾部，由直线电机驱动实现上下拍动；探测部分由微型摄像头、红外传感器、压力传感器组成，提供机器鱼执行水下环境监控、侦察等任务必要的信息；控制部分由微控制器、传感信息采集模块、电机驱动器、通讯模块组成，控制机器鱼水中航行的姿态；浮力调节部分通过直线电机带动活塞筒往复运动调节机器鱼体积的方式改变机器鱼所受的浮力，以实现其上升下潜。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机电一体化装置，具体地说涉及模仿鱼类运动的仿生机器鱼。
技术介绍
20世纪90年代以前对于鱼类仿生学的研究主要集中于理论方面。随着鱼类推进机理研究的深入和机器人技术的发展，1994年MIT的M.Triantafyllou研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼。此后，结合仿生学、电子技术、材料科学和控制技术的新发展，仿生机器鱼的研究逐渐成为机器人领域的研究热点。国外除MIT研究组为研究鱼机动性和涡流控制而研制出的仿生机器金枪鱼外，有代表性的成果还有美国东北大学海洋科学中心利用形状记忆合金(SMA)和连杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼。美国加州大学Berkeley分校研制了仿生机器鱼Calibot。美国新墨西哥大学MethranMojarrad研究小组将高分子电解质离子交换膜(IEM)镀在仿生机器鱼的金属薄片上，通过外加电场实现人工合成肌肉的运动，产生鳗鱼的游动方式。日本名古屋大学Toshio Fukuda教授在微型仿鱼水下推进器方面开展研究，先后研制出形状记忆合金驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷(PZT)驱动的双鳍鱼型微机器人。为研究人工胸鳍机动性和推进性能，日本东海大学Kato实验室研制了人工胸鳍黑鲈鱼。日本运输省船舶技术研究所(NMRI)自1999年来开展了一系列机器鱼研究项目，并开发了一种新型发动机半自由活塞型斯特灵发动机作为机器鱼的动力源。在中国，哈尔滨工程大学开展了仿生机器章鱼的研究工作。北京航空航天大学机器人研究所设计研制了机器鳗鱼、机器海豚以及采用扁平宽大的斧形水动力外型的SPC仿生机器鱼。中科院沈阳自动化研究所制作了两关节的仿生机器鱼模型。中科院北京自动化研究所先后研发了仿鲹科机器鱼、基于微机电系统(MEMS)传感器的仿生机器鱼。中科院北京自动化研究所研发的基于微机电系统传感器的仿生机器鱼，其胸鳍拍动机构由舵机通过一对万向轴和一对齿轮带动；胸鳍转动机构由舵机通过一对锥齿轮带动；尾部左右摆动机构由一个直流电机通过两个共轭凸轮控制两个关节的摆动，这两个关节可看作为一六连杆机构。目前，国内外仿生机器鱼主要依靠两自由度胸鳍或者尾鳍等实现相应的动作，没有将胸鳍、尾鳍组合起来；上升下潜主要依靠胸鳍、改变重心或者储水舱方式实现，其中前两种方式难以实现水中悬浮和精确的深度控制，而后一种方式机构复杂，会影响到机器鱼的机动性。本技术在中科院北京自动化研究所基于微机电系统(MEMS)传感器的仿生机器鱼基础上，对胸鳍、尾鳍机构进行了改进，增加了新型的浮力调节机构，解决了现有技术存在的问题。
技术实现思路
本技术的目的是依据已有的鱼类仿生学理论，利用精心设计的机械结构，结合电子技术、控制技术、计算机技术，开发可以模仿鱼类运动的仿生机器鱼，该仿生机器鱼可以在三度自由空间动作，并可以在水中悬浮和精确的深度控制。为了实现上述目的，本技术的技术解决方案是提供1.一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分；鱼壳体分为上下两部分，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成流线外形鱼体的头部、鱼身；其鱼身形成中空的内腔，胸鳍机构、尾部动力部分、探测部分、控制部分、浮力调节部分置于容腔内；其特征在于，两胸鳍分别装在鱼壳体前部外两侧，左右胸鳍拍动电机为步进电机，分别通过两个万向轴连接在线性滑座两端，并分别固定在内齿轮轴和拍动电机输出端；内齿轮和外齿轮是一对啮合的齿轮，分别固定在内齿轮轴和外齿轮轴上；在内齿轮轴和外齿轮轴两个轴两端各有一个轴承，四轴承都固定在胸鳍连筒上；机器鱼的胸鳍固定在外齿轮上；在内齿轮轴、外齿轮轴两端设置了O型密封圈；左右胸鳍共一转动电机，胸鳍转动电机为步进电机，通过胸鳍电机固定板固定在胸鳍电机预埋底座上，其输出端固定一圆弧齿型同步带轮；胸鳍连筒中间位置加工有圆弧齿，一条同步带连接在同步带轮与胸鳍连筒之间；机器鱼尾部，由尾鳍、鱼皮、框架和尾部固定板构成，尾部固定板与鱼身后端固接，尾鳍框架与尾部固定板垂直相接，多数个支撑框固定在三角形尾鳍框架上，尾鳍框架和支撑框进行开孔处理；尾部固定板上，通过两滑杆的孔中设有密封槽，密封槽内有O型密封圈。机器鱼尾部，含有两个直线电机和四连杆传动机构，其中尾鳍框架与尾鳍构成尾部的两个关节；第一尾部电机和第二尾部电机通过固定板固定在尾部电机预埋底座上，位于鱼身内腔后部，其输出端分别固定滑杆a和滑杆b，连杆a、连杆b分别与滑杆a和滑杆b连接；尾鳍框架采用三角形框架，一边的中心固定在尾部固定板上，一角与连杆a相连；尾鳍与尾鳍连接块固定在一起，尾鳍连接块有两处分别铰接在尾鳍框架和连杆b上；支撑框固接在尾鳍框架上，鱼皮包裹在支撑框外缘上面；浮力调节部分，其中的浮力调节电机通过浮力电机固定筒固定在浮力调节电机预埋底座上，位于鱼壳体内腔下方中部，活塞筒连接在浮力调节电机的输出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出鱼壳体外，且与固定板中心孔的内侧壁动接触；密封用的O型密封圈放在浮力调节电机预埋底座的中心孔里；控制部分与步进电机、直线电机电连接，根据需要发出指令，以控制两胸鳍、尾鳍的动作以及上升下潜运动。所述的仿生机器鱼，其所述控制部分，包括通讯模块、微控制器模块、传感信息采集模块、电机驱动器，其中微控制器模块分别与通讯模块、传感信息采集模块、电机驱动器电连接。所述的仿生机器鱼，其所述壳体由玻璃钢制成，胸鳍和尾鳍用尼龙材料制成。所述的仿生机器鱼，其所述鱼皮用乳胶制成。本技术结构紧凑，外形逼真，可以为研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，为制造可用于水下侦察、环境监控、水下作业的高效、高机动性、低噪声水下工具提供实验平台。附图说明图1是仿生机器鱼上壳体三视图；图2是仿生机器鱼下壳体三视图；图3是仿生机器鱼机械结构主视图；图4是仿生机器鱼机械结构俯视图；图5是尾鳍框架；图6是支撑框；图7是仿生机器鱼控制电路原理框图；图8是仿生机器鱼控制电路设计原理图。具体实施方式以下结合附图分别对本技术提供的仿生机器鱼的机械结构和控制电路做出说明。本技术机器鱼壳体分为上下两部分，如图1和图2所示，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成中空的内腔，外形呈流线形鱼体的头部、鱼身，后面是由鱼皮36、支撑框28、尾鳍框架20、尾部固定板34和尾鳍18形成的机器鱼尾部，见图3和图4所示。本技术仿生机器鱼的胸鳍机构、尾鳍的动力部分，浮力调节机构、探测部分、控制部分，都置于中空的内腔中，内腔下部设有水平平台，水平平台上设有底座，仿生机器鱼的胸鳍机构、尾鳍的动力部分，浮力调节机构、探测部分、控制部分，固定于水平平台上的底座上。其中，胸鳍机构位于鱼壳体内腔前部，浮力调节机构位于鱼壳体内腔中部，尾鳍的动力部分位于鱼壳体内腔后部。以下结合附图分别对本技术提供的仿生机器鱼的机械结构(主要包括胸鳍机构、尾部机构、浮力调节机构)和控制电路做出说明。机器鱼有一对胸鳍，采用NACA23012翼型。先描述一下胸鳍拍动的机械结构，需要说明的是胸鳍拍动的机械结构完全对称，下面仅以右侧胸鳍21为例。右侧胸鳍拍动电机26通过胸鳍电机固定板4固定在胸鳍电机预埋底座5上。两个万向轴1和3连接在线性滑座2两端作为传递转动运动的元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生机器鱼，包括鱼壳体、胸鳍、尾部、探测部分、控制部分、浮力调节部分；鱼壳体分为上下两部分，两部分连接处采用迷宫密封，用螺钉连接在一起，围成流线外形鱼体的头部、鱼身；其鱼身形成中空的内腔，胸鳍机构、尾部动力部分、探测部分、控制部分、浮力调节部分置于容腔内；其特征在于，　　　　两胸鳍分别装在鱼壳体前部外两侧，左右胸鳍拍动电机为步进电机，分别通过两个万向轴连接在线性滑座两端，并分别固定在内齿轮轴和拍动电机输出端；内齿轮和外齿轮是一对啮合的齿轮，分别固定在内齿轮轴和外齿轮轴上；在内齿轮轴和外齿轮轴两个轴两端各有一个轴承，四轴承都固定在胸鳍连筒上；机器鱼的胸鳍固定在外齿轮上；在内齿轮轴、外齿轮轴两端设置了Ｏ型密封圈；　　　　左右胸鳍共一转动电机，胸鳍转动电机为步进电机，通过胸鳍电机固定板固定在胸鳍电机预埋底座上，其输出端固定一圆弧齿型同步带轮；胸鳍连筒中间位置加工有圆弧齿，一条同步带连接在同步带轮与胸鳍连筒之间；　　　　机器鱼尾部，由尾鳍、鱼皮、框架和尾部固定板构成，尾部固定板与鱼身后端固接，尾鳍框架与尾部固定板垂直相接，多数个支撑框固定在三角形尾鳍框架上，尾鳍框架和支撑框进行开孔处理；尾部固定板上，通过两滑杆的孔中设有密封槽，密封槽内有Ｏ型密封圈。　　　　机器鱼尾部，含有两个直线电机和四连杆传动机构，其中尾鳍框架与尾鳍构成尾部的两个关节；第一尾部电机和第二尾部电机通过固定板固定在尾部电机预埋底座上，位于鱼身内腔后部，其输出端分别固定滑杆（ａ）和滑杆（ｂ），连杆（ａ）、连杆（ｂ）分别与滑杆（ａ）和滑杆（ｂ）连接；尾鳍框架采用三角形框架，一边的中心固定在尾部固定板上，一角与连杆（ａ）相连；尾鳍与尾鳍连接块固定在一起，尾鳍连接块有两处分别铰接在尾鳍框架和连杆（ｂ）上；支撑框固接在尾鳍框架上，鱼皮包裹在支撑框外缘上面；　　　　浮力调节部分，其中的浮力调节电机通过浮力电机固定筒固定在浮力调节电机预埋底座上，位于鱼壳体内腔下方中部，活塞筒连接在浮力调节电机的输出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出鱼壳体外，且与固定板中心孔的内侧壁动接触；密封用的Ｏ型密封圈放在浮力调节电机预埋底座的中心孔里；　　　　控制部分与步进电机、直线电机电连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志强，谭民，王硕，周超，王龙，沈志忠，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]