專利名稱：一種仿生機(jī)器魚(yú)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)電一體化裝置，具體地說(shuō)涉及模仿魚(yú)類運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代以前對(duì)于魚(yú)類仿生學(xué)的研究主要集中于理論方面。隨著魚(yú)類推進(jìn)機(jī)理研究的深入和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，1994年MIT的M.Triantafyllou研究組成功研制了世界上第一條真正意義上的仿生機(jī)器魚(yú)。此后，結(jié)合仿生學(xué)、電子技術(shù)、材料科學(xué)和控制技術(shù)的新發(fā)展，仿生機(jī)器魚(yú)的研究逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
國(guó)外除MIT研究組為研究魚(yú)機(jī)動(dòng)性和渦流控制而研制出的仿生機(jī)器金槍魚(yú)外，有代表性的成果還有美國(guó)東北大學(xué)海洋科學(xué)中心利用形狀記憶合金(SMA)和連桿機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了波動(dòng)推進(jìn)的機(jī)器鰻魚(yú)。美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校研制了仿生機(jī)器魚(yú)Calibot。美國(guó)新墨西哥大學(xué)MethranMojarrad研究小組將高分子電解質(zhì)離子交換膜(IEM)鍍?cè)诜律鷻C(jī)器魚(yú)的金屬薄片上，通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人工合成肌肉的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生鰻魚(yú)的游動(dòng)方式。日本名古屋大學(xué)Toshio Fukuda教授在微型仿魚(yú)水下推進(jìn)器方面開(kāi)展研究，先后研制出形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)微型身體波動(dòng)式水下推進(jìn)器和壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)的雙鰭魚(yú)型微機(jī)器人。為研究人工胸鰭機(jī)動(dòng)性和推進(jìn)性能，日本東海大學(xué)Kato實(shí)驗(yàn)室研制了人工胸鰭黑鱸魚(yú)。日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所(NMRI)自1999年來(lái)開(kāi)展了一系列機(jī)器魚(yú)研究項(xiàng)目，并開(kāi)發(fā)了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)半自由活塞型斯特靈發(fā)動(dòng)機(jī)作為機(jī)器魚(yú)的動(dòng)力源。
在中國(guó)，哈爾濱工程大學(xué)開(kāi)展了仿生機(jī)器章魚(yú)的研究工作。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)研制了機(jī)器鰻魚(yú)、機(jī)器海豚以及采用扁平寬大的斧形水動(dòng)力外型的SPC仿生機(jī)器魚(yú)。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所制作了兩關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器魚(yú)模型。中科院北京自動(dòng)化研究所先后研發(fā)了仿鲹科機(jī)器魚(yú)、基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的仿生機(jī)器魚(yú)。中科院北京自動(dòng)化研究所研發(fā)的基于微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的仿生機(jī)器魚(yú)，其胸鰭拍動(dòng)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)通過(guò)一對(duì)萬(wàn)向軸和一對(duì)齒輪帶動(dòng)；胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)通過(guò)一對(duì)錐齒輪帶動(dòng)；尾部左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)兩個(gè)共軛凸輪控制兩個(gè)關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，這兩個(gè)關(guān)節(jié)可看作為一六連桿機(jī)構(gòu)。
目前，國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器魚(yú)主要依靠?jī)勺杂啥刃伥捇蛘呶馋挼葘?shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，沒(méi)有將胸鰭、尾鰭組合起來(lái)；上升下潛主要依靠胸鰭、改變重心或者儲(chǔ)水艙方式實(shí)現(xiàn)，其中前兩種方式難以實(shí)現(xiàn)水中懸浮和精確的深度控制，而后一種方式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)影響到機(jī)器魚(yú)的機(jī)動(dòng)性。本發(fā)明在中科院北京自動(dòng)化研究所基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的仿生機(jī)器魚(yú)基礎(chǔ)上，對(duì)胸鰭、尾鰭機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了新型的浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是依據(jù)已有的魚(yú)類仿生學(xué)理論，利用精心設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)可以模仿魚(yú)類運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器魚(yú)，該仿生機(jī)器魚(yú)可以在三度自由空間動(dòng)作，并可以在水中懸浮和精確的深度控制。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種仿生機(jī)器魚(yú)，包括魚(yú)殼體、胸鰭、尾部、探測(cè)部分、控制部分、浮力調(diào)節(jié)部分；魚(yú)殼體分為上下兩部分，兩部分連接處采用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成流線外形魚(yú)體的頭部、魚(yú)身；其魚(yú)身形成中空的內(nèi)腔，胸鰭機(jī)構(gòu)、尾部動(dòng)力部分、探測(cè)部分、控制部分、浮力調(diào)節(jié)部分置于容腔內(nèi)；其特征在于，兩胸鰭分別裝在魚(yú)殼體前部外兩側(cè)，左右胸鰭拍動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，分別通過(guò)傳動(dòng)裝置一對(duì)萬(wàn)向軸和內(nèi)外齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞到左右胸鰭上，實(shí)現(xiàn)左右胸鰭的拍動(dòng)；左右胸鰭共一轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)裝置一條同步帶帶動(dòng)胸鰭連筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)固定在胸鰭連筒上的外齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞給左右胸鰭，實(shí)現(xiàn)左右胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)器魚(yú)尾部電機(jī)為直線電機(jī)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)控制尾部關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其上下拍動(dòng)；機(jī)器魚(yú)的上升下潛運(yùn)動(dòng)由浮力調(diào)節(jié)部分控制，浮力調(diào)節(jié)裝置中的直線電機(jī)帶動(dòng)活塞筒上下移動(dòng)，活塞筒可伸出魚(yú)殼體外或縮入魚(yú)殼體內(nèi)，以改變機(jī)器魚(yú)體積，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的上升下潛；控制部分與步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)電連接，根據(jù)需要發(fā)出指令，以控制兩胸鰭、尾鰭的動(dòng)作以及上升下潛運(yùn)動(dòng)。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述兩胸鰭的傳動(dòng)裝置，其中胸鰭拍動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒輪、外齒輪相互嚙合，分別通過(guò)齒輪軸、軸承固定于胸鰭連筒上；胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的胸鰭連筒通過(guò)一條圓弧齒型同步帶連接到同步帶輪上，該同步帶輪固定于胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的輸出端。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述機(jī)器魚(yú)尾部，由尾鰭、魚(yú)皮、框架和尾部固定板構(gòu)成，尾部固定板與魚(yú)身后端固接，尾鰭框架與尾部固定板垂直相接，多數(shù)個(gè)支撐框固定在三角形尾鰭框架上，尾鰭框架和支撐框進(jìn)行開(kāi)孔處理；尾部固定板上，通過(guò)兩滑桿的孔中設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)有O型密封圈。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述機(jī)器魚(yú)尾部，含有兩個(gè)直線電機(jī)和四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中尾鰭框架與尾鰭構(gòu)成尾部的兩個(gè)關(guān)節(jié)；第一尾部電機(jī)和第二尾部電機(jī)通過(guò)固定板固定在尾部電機(jī)預(yù)埋底座上，位于魚(yú)身內(nèi)腔后部，其輸出端分別固定滑桿a和滑桿b，連桿a、連桿b分別與滑桿a和滑桿b連接；尾鰭框架采用三角形框架，一邊的中心固定在尾部固定板上，一角與連桿a相連；尾鰭與尾鰭連接塊固定在一起，尾鰭連接塊有兩處分別鉸接在尾鰭框架和連桿b上；支撐框固接在尾鰭框架上，魚(yú)皮包裹在支撐框外緣上面。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述浮力調(diào)節(jié)裝置，其中的浮力調(diào)節(jié)電機(jī)通過(guò)浮力電機(jī)固定筒固定在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座上，位于魚(yú)殼體內(nèi)腔下方中部，活塞筒連接在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出魚(yú)殼體外，且與固定板中心孔的內(nèi)側(cè)壁動(dòng)接觸；密封用的O型密封圈放在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座的中心孔里。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述控制部分，包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中微控制器模塊分別與通訊模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電連接。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述殼體由玻璃鋼制成，胸鰭和尾鰭用尼龍材料制成。
所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其所述魚(yú)皮用乳膠制成。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，外形逼真，可以為研究魚(yú)類運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)、游動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)控制方法提供實(shí)驗(yàn)本體，為制造可用于水下偵察、環(huán)境監(jiān)控、水下作業(yè)的高效、高機(jī)動(dòng)性、低噪聲水下工具提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。


圖1是仿生機(jī)器魚(yú)上殼體三視圖；圖2是仿生機(jī)器魚(yú)下殼體三視圖；圖3是仿生機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖；圖4是仿生機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)俯視圖；圖5是尾鰭框架；圖6是支撐框；圖7是仿生機(jī)器魚(yú)控制電路原理框圖；圖8是仿生機(jī)器魚(yú)控制電路設(shè)計(jì)原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖分別對(duì)本發(fā)明提供的仿生機(jī)器魚(yú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路做出說(shuō)明。
本發(fā)明機(jī)器魚(yú)殼體分為上下兩部分，如圖1和圖2所示，兩部分連接處采用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成中空的內(nèi)腔，外形呈流線形魚(yú)體的頭部、魚(yú)身，后面是由魚(yú)皮36、支撐框28、尾鰭框架20、尾部固定板34和尾鰭18形成的機(jī)器魚(yú)尾部，見(jiàn)圖3和圖4所示。
本發(fā)明仿生機(jī)器魚(yú)的胸鰭機(jī)構(gòu)、尾鰭的動(dòng)力部分，浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、探測(cè)部分、控制部分，都置于中空的內(nèi)腔中，內(nèi)腔下部設(shè)有水平平臺(tái)，水平平臺(tái)上設(shè)有底座，仿生機(jī)器魚(yú)的胸鰭機(jī)構(gòu)、尾鰭的動(dòng)力部分，浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、探測(cè)部分、控制部分，固定于水平平臺(tái)上的底座上。其中，胸鰭機(jī)構(gòu)位于魚(yú)殼體內(nèi)腔前部，浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于魚(yú)殼體內(nèi)腔中部，尾鰭的動(dòng)力部分位于魚(yú)殼體內(nèi)腔后部。
下面結(jié)合附圖分別對(duì)本發(fā)明提供的仿生機(jī)器魚(yú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)(主要包括胸鰭機(jī)構(gòu)、尾部機(jī)構(gòu)、浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))和控制電路做出說(shuō)明。
機(jī)器魚(yú)有一對(duì)胸鰭，采用NACA23012翼型。先描述一下胸鰭拍動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要說(shuō)明的是胸鰭拍動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，下面僅以右側(cè)胸鰭21為例。
右側(cè)胸鰭拍動(dòng)電機(jī)26通過(guò)胸鰭電機(jī)固定板4固定在胸鰭電機(jī)預(yù)埋底座5上。兩個(gè)萬(wàn)向軸1和3連接在線性滑座2兩端作為傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的元件，并分別固定在內(nèi)齒輪軸25和拍動(dòng)電機(jī)26輸出端。內(nèi)齒輪24和外齒輪22是一對(duì)嚙合的齒輪，分別固定在內(nèi)齒輪軸25和外齒輪軸23上。在內(nèi)齒輪軸25和外齒輪軸23兩個(gè)軸兩端各有一個(gè)軸承，可以在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)，而這些軸承都固定在胸鰭連筒30上。機(jī)器魚(yú)的胸鰭21固定在外齒輪22上。在內(nèi)齒輪軸25、外齒輪軸23兩端設(shè)置了O型密封圈29。
由上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)右側(cè)胸鰭拍動(dòng)電機(jī)26轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)萬(wàn)向軸3-線性滑座2-萬(wàn)向軸1的組合體，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給內(nèi)齒輪軸25，內(nèi)齒輪軸25帶動(dòng)固定在其上的內(nèi)齒輪24轉(zhuǎn)動(dòng)，與內(nèi)齒輪24嚙合的外齒輪22也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，胸鰭21固定在外齒輪22上，因此胸鰭21就會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)胸鰭21的拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
下面描述一下胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，需要說(shuō)明的是本發(fā)明通過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)控制兩側(cè)胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而左右胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度完全一致。胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)32通過(guò)胸鰭電機(jī)固定板4固定在胸鰭電機(jī)預(yù)埋底座5上，其輸出端固定一圓弧齒型同步帶輪33。胸鰭連筒30中間位置加工有圓弧齒，一條同步帶31連接在同步帶輪33與胸鰭連筒30之間。
基于上述結(jié)構(gòu)，胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)32會(huì)帶動(dòng)同步帶輪33轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)同步帶31帶動(dòng)胸鰭連筒30轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)、外齒輪24、22及內(nèi)、外齒輪軸25、23都安裝在胸鰭連筒30內(nèi)部，所以固定在外齒輪22上的胸鰭會(huì)隨著胸鰭連筒30的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
機(jī)器魚(yú)尾部是由兩個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)，其中尾鰭框架20與尾鰭18構(gòu)成尾部的兩個(gè)關(guān)節(jié)。第一尾部電機(jī)11和第二尾部電機(jī)12通過(guò)固定板固定在尾部電機(jī)預(yù)埋底座10上，其輸出端分別固定滑桿a19和滑桿b15，連桿a14、連桿b16分別與滑桿a19和滑桿b15連接。尾鰭框架20采用三角形框架，如圖5所示，一邊的中心固定在尾部固定板34上，一角與連桿a14相連。采用NACA23012翼型的尾鰭18與尾鰭連接塊17固定在一起，尾鰭連接塊17有兩處分別鉸接在尾鰭框架20和連桿b16上。支撐框28(見(jiàn)圖6)固接在尾鰭框架20上，魚(yú)皮36包裹在支撐框28外緣上面。尾部固定板34上，通過(guò)滑桿a19和滑桿b15的孔中設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)有O型密封圈13和35。
基于上述結(jié)構(gòu)，第一尾部電機(jī)11帶動(dòng)滑桿a19做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿a14即可帶動(dòng)尾鰭框架20上下拍動(dòng)，固接在框架20上的支撐框28也隨著上下拍動(dòng)，魚(yú)皮36被支撐框28撐成流線形狀，因此，尾部第一關(guān)節(jié)在第一尾部電機(jī)11的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)上下拍動(dòng)。第二尾部電機(jī)12帶動(dòng)滑桿b15做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿b16與尾鰭框架20一起控制尾部第二關(guān)節(jié)一尾鰭18的拍動(dòng)。為了減少尾部負(fù)載，本發(fā)明在保證尾鰭框架20和支撐框28強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，在尾鰭框架20和支撐框28上面開(kāi)孔，去除多余材料。
仿生機(jī)器魚(yú)的上升下潛運(yùn)動(dòng)是通過(guò)浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)的，由一個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在具體實(shí)現(xiàn)中，浮力調(diào)節(jié)電機(jī)7通過(guò)浮力電機(jī)固定筒9固定在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座6上，活塞筒8連接在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)7的輸出端，密封用的O型密封圈放在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座6里。
由上述機(jī)構(gòu)，浮力調(diào)節(jié)電機(jī)7可以帶動(dòng)活塞筒8做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變機(jī)器魚(yú)的體積，從而使得機(jī)器魚(yú)所受浮力發(fā)生變化，由于機(jī)器魚(yú)重力是恒定的，因此，當(dāng)調(diào)節(jié)浮力大于重力時(shí)，機(jī)器魚(yú)會(huì)上升，當(dāng)調(diào)節(jié)浮力小于重力時(shí)，機(jī)器魚(yú)下潛。當(dāng)機(jī)器魚(yú)體積發(fā)生變化時(shí)，機(jī)器魚(yú)內(nèi)部空氣壓力會(huì)發(fā)生變化，由于尾部魚(yú)皮36采用乳膠制成，有彈性，會(huì)隨著壓力變化膨脹或收縮，這將妨礙機(jī)器魚(yú)上升下潛功能的實(shí)現(xiàn)。為此，需要將浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所在的魚(yú)殼體與尾部隔開(kāi)，這就是O型密封圈13和35的作用。
基于上面介紹的仿生機(jī)器魚(yú)機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器魚(yú)上電啟動(dòng)后，根據(jù)探測(cè)部分提供的相關(guān)傳感信息，左右胸鰭可以通過(guò)各自的拍動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)相應(yīng)拍動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)胸鰭拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚(yú)方向控制；左右胸鰭可通過(guò)胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度；機(jī)器魚(yú)尾部可通過(guò)尾部機(jī)構(gòu)上下拍動(dòng)，賦予機(jī)器魚(yú)前進(jìn)的動(dòng)力；當(dāng)機(jī)器魚(yú)需要深入水下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，通過(guò)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)其浮潛運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的控制電路原理框圖見(jiàn)圖7，主要包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器幾部分。通訊模塊主要負(fù)責(zé)與外界的信息傳遞；傳感信息采集模塊主要實(shí)現(xiàn)探測(cè)部分紅外、壓力、視覺(jué)傳感器信息的采樣；微控制器模塊與通訊模塊、傳感信息采集模塊電連接，處理相關(guān)傳感信息，結(jié)合接收的命令，通過(guò)與其電連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制相應(yīng)電機(jī)動(dòng)作。本發(fā)明共采用6個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)胸鰭、尾部以及浮力調(diào)節(jié)裝置。整個(gè)控制電路和電機(jī)均使用充電電池供電，充電電池用充電插頭從殼體頂部引出并固定。本發(fā)明為機(jī)器魚(yú)安裝了視覺(jué)傳輸光纜和數(shù)據(jù)電纜線用于信息(圖像、數(shù)據(jù))的上傳以及控制命令的接收，這些信息是機(jī)器魚(yú)順利執(zhí)行水下環(huán)境監(jiān)控、偵察等任務(wù)的基礎(chǔ)。
實(shí)施例依據(jù)本發(fā)明所說(shuō)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制電路結(jié)構(gòu)，制作了一條仿生機(jī)器魚(yú)。其殼體采用玻璃鋼手糊工藝制成，機(jī)器魚(yú)尾部固定在上面，胸鰭和尾鰭均采用尼龍材料，魚(yú)皮用乳膠制成。在將各機(jī)構(gòu)安裝固定完畢，連好所有控制線路后，上下殼體連接處用迷宮密封，殼體與胸鰭、尾部、浮力調(diào)節(jié)裝置連接處采用O型密封圈密封，然后上下殼體用螺釘連接，將魚(yú)皮套在魚(yú)殼體上并用橡皮膠密封，得到實(shí)物?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)如圖8，使用AVR單片機(jī)作為微控制器，采用鋰充電電池作為控制電路、電機(jī)、傳感器等的電源。3路紅外與1路壓力傳感器連接到微控制器模塊，1路視覺(jué)傳感器通過(guò)光端機(jī)接到視覺(jué)傳輸光纜上；通訊模塊通過(guò)RS232接口與微控制器模塊相連；微控制器模塊發(fā)送6路電機(jī)控制信號(hào)送入相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器WM224M中。
權(quán)利要求
1.一種仿生機(jī)器魚(yú)，包括魚(yú)殼體、胸鰭、尾部、探測(cè)部分、控制部分、浮力調(diào)節(jié)部分；魚(yú)殼體分為上下兩部分，兩部分連接處采用迷宮密封，用螺釘連接在一起，圍成流線外形魚(yú)體的頭部、魚(yú)身；其魚(yú)身形成中空的內(nèi)腔，胸鰭機(jī)構(gòu)、尾部動(dòng)力部分、探測(cè)部分、控制部分、浮力調(diào)節(jié)部分置于容腔內(nèi)；其特征在于，兩胸鰭分別裝在魚(yú)殼體前部外兩側(cè)，左右胸鰭拍動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，分別通過(guò)傳動(dòng)裝置一對(duì)萬(wàn)向軸和內(nèi)外齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞到左右胸鰭上，實(shí)現(xiàn)左右胸鰭的拍動(dòng)；左右胸鰭共一轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)裝置一條同步帶帶動(dòng)胸鰭連筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)固定在胸鰭連筒上的外齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞給左右胸鰭，實(shí)現(xiàn)左右胸鰭的轉(zhuǎn)動(dòng)；機(jī)器魚(yú)尾部電機(jī)為直線電機(jī)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)控制尾部關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其上下拍動(dòng)；機(jī)器魚(yú)的上升下潛運(yùn)動(dòng)由浮力調(diào)節(jié)部分控制，浮力調(diào)節(jié)裝置中的直線電機(jī)帶動(dòng)活塞筒上下移動(dòng)，活塞筒可伸出魚(yú)殼體外或縮入魚(yú)殼體內(nèi)，以改變機(jī)器魚(yú)體積，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的上升下潛；控制部分與步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)電連接，根據(jù)需要發(fā)出指令，以控制兩胸鰭、尾鰭的動(dòng)作以及上升下潛運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述兩胸鰭的傳動(dòng)裝置，其中胸鰭拍動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒輪、外齒輪相互嚙合，分別通過(guò)齒輪軸、軸承固定于胸鰭連筒上；胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的胸鰭連筒通過(guò)一條圓弧齒型同步帶連接到同步帶輪上，該同步帶輪固定于胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的輸出端。
3.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述機(jī)器魚(yú)尾部，由尾鰭、魚(yú)皮、框架和尾部固定板構(gòu)成，尾部固定板與魚(yú)身后端固接，尾鰭框架與尾部固定板垂直相接，多數(shù)個(gè)支撐框固定在三角形尾鰭框架上，尾鰭框架和支撐框進(jìn)行開(kāi)孔處理；尾部固定板上，通過(guò)兩滑桿的孔中設(shè)有密封槽，密封槽內(nèi)有O型密封圈。
4.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述機(jī)器魚(yú)尾部，含有兩個(gè)直線電機(jī)和四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中尾鰭框架與尾鰭構(gòu)成尾部的兩個(gè)關(guān)節(jié)；第一尾部電機(jī)和第二尾部電機(jī)通過(guò)固定板固定在尾部電機(jī)預(yù)埋底座上，位于魚(yú)身內(nèi)腔后部，其輸出端分別固定滑桿a和滑桿b，連桿a、連桿b分別與滑桿a和滑桿b連接；尾鰭框架采用三角形框架，一邊的中心固定在尾部固定板上，一角與連桿a相連；尾鰭與尾鰭連接塊固定在一起，尾鰭連接塊有兩處分別鉸接在尾鰭框架和連桿b上；支撐框固接在尾鰭框架上，魚(yú)皮包裹在支撐框外緣上面。
5.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述浮力調(diào)節(jié)裝置，其中的浮力調(diào)節(jié)電機(jī)通過(guò)浮力電機(jī)固定筒固定在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座上，位于魚(yú)殼體內(nèi)腔下方中部，活塞筒連接在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出端，且活塞筒由固定板的中心孔中伸出魚(yú)殼體外，且與固定板中心孔的內(nèi)側(cè)壁動(dòng)接觸；密封用的O型密封圈放在浮力調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)埋底座的中心孔里。
6.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述控制部分，包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中微控制器模塊分別與通訊模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電連接。
7.如權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述殼體由玻璃鋼制成，胸鰭和尾鰭用尼龍材料制成。
8.如權(quán)利要求3所述的仿生機(jī)器魚(yú)，其特征在于，所述魚(yú)皮用乳膠制成。
全文摘要
一種仿生機(jī)器魚(yú)，包括魚(yú)殼體、胸鰭、尾部、探測(cè)部分、控制部分、浮力調(diào)節(jié)部分。機(jī)器魚(yú)殼體分上下兩部分，連接處采用迷宮密封，圍成流線外形魚(yú)體的頭部、魚(yú)身，其它連接處采用O型密封圈密封；胸鰭裝在魚(yú)殼體外兩側(cè)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)；尾鰭與魚(yú)皮、框架、尾部固定板構(gòu)成機(jī)器魚(yú)尾部，由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下拍動(dòng)；探測(cè)部分由微型攝像頭、紅外傳感器、壓力傳感器組成，提供機(jī)器魚(yú)執(zhí)行水下環(huán)境監(jiān)控、偵察等任務(wù)必要的信息；控制部分由微控制器、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、通訊模塊組成，控制機(jī)器魚(yú)水中航行的姿態(tài)；浮力調(diào)節(jié)部分通過(guò)直線電機(jī)帶動(dòng)活塞筒往復(fù)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器魚(yú)體積的方式改變機(jī)器魚(yú)所受的浮力，以實(shí)現(xiàn)其上升下潛。
文檔編號(hào)B63H1/36GK1939805SQ200510105020
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月26日
發(fā)明者曹志強(qiáng), 譚民, 王碩, 周超, 王龍, 沈志忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所