專利名稱：雙體機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人，特別涉及一種無艏搖運(yùn)動(dòng)的仿生魚機(jī)器人。(二) 背景技術(shù)人類有關(guān)魚類游動(dòng)機(jī)理的現(xiàn)代研究最早是從二十世紀(jì)三十年代開始的。但從 公開的文獻(xiàn)表明，有關(guān)這方面的研究取得迅速進(jìn)展是在過去的十五年，有關(guān)仿魚 推進(jìn)機(jī)理的大量研究則幵始于九十年代中、后期。Lighthill首先對水中動(dòng)物的游 動(dòng)方式進(jìn)行了分類和力學(xué)分析。根據(jù)魚類推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的特征，水下推進(jìn)器可劃分為 兩種基本模式一類是曲伸式(anguilliform)，如八目鰻等；另 一類是擺尾式 (carangiform)，如海豚和金槍魚等。曲伸式(anguilliform)特點(diǎn)就是整個(gè)身體(或幾 乎整個(gè)身體)都參與了大振幅的波動(dòng)，由于在整個(gè)身體長度上至少提供了一個(gè)完 整的波長，所以使橫向力相抵消，使橫向的運(yùn)動(dòng)趨勢減低到最小，很多采用曲伸 式游動(dòng)的魚類通過改變波的方向能實(shí)現(xiàn)與向前運(yùn)動(dòng)一樣的向后運(yùn)動(dòng)。曲伸式的推 進(jìn)效率主要與波的傳播速度有關(guān)，波的傳播速度越大，推進(jìn)效率就越高，與擺尾 式相比而言，身體波動(dòng)式推進(jìn)效率較低，主要適用于狹縫中的穿行。擺尾式 (czrangiform)游動(dòng)的特點(diǎn)是軀體前部幾乎不動(dòng)，僅僅擺動(dòng)軀體的尾部和一個(gè)大展 弦比的尾鰭來獲得推力和機(jī)動(dòng)控制力。海洋中游動(dòng)速度最快的魚類都采用擺尾 式，在運(yùn)動(dòng)過程中尾鰭擺動(dòng)，而身體僅有小的擺動(dòng)或波動(dòng)，甚至保持很大的剛性。 其推進(jìn)效率主要與下列參數(shù)有關(guān)l)尾鰭的展弦比；2)尾鰭的后掠角和前端的 曲率；3)尾鰭的剛度；4)尾鰭的形狀；5)尾鰭的擺動(dòng)規(guī)律。尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)具有很高的效率，適于長時(shí)間、長距離的游動(dòng)，另外，還有一些魚類通過這種游動(dòng)方式的阻力很小、效率很高，特別適用于AUV和UUV的推進(jìn)和機(jī)動(dòng)控制。日本東海大學(xué)N. Kat等人研究了黑妒魚的胸鰭運(yùn)動(dòng)原理，初步分析了胸鰭 動(dòng)作狀態(tài)與游動(dòng)姿態(tài)的關(guān)系。N.Kat。從水下運(yùn)動(dòng)裝置的機(jī)動(dòng)性能出發(fā)主要分析 了在水平面以及垂直面上的盤旋以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)與魚的胸鰭擺動(dòng)之間的關(guān)系，并研 制了試驗(yàn)樣機(jī)，該樣機(jī)可以用PC機(jī)來控制以實(shí)現(xiàn)類似于魚類的運(yùn)動(dòng)。日本東芝 公司的研究人員研制了無線控制的能象真魚一樣游動(dòng)的仿魚機(jī)器人，該仿魚機(jī)器
人長約60cm，重約6磅，該仿魚機(jī)器人通過一臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)控制它的一個(gè)尾鰭、 兩個(gè)胸鰭的運(yùn)動(dòng)，由于沒有必要完全精確的復(fù)制海洋魚類的驅(qū)動(dòng)方式，所以采用 彈性振動(dòng)鰭制作了試驗(yàn)樣機(jī)。日本東京工業(yè)大學(xué)研制了一艘1. 75米海豚型潛器 的自航試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其尾部共有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，第二個(gè)節(jié)點(diǎn) 以彈簧聯(lián)結(jié)。日本國家海洋研究院(NMRI)也研制了 UPF-2001等仿魚機(jī)器人。在國內(nèi)，北航機(jī)器人研究所、哈爾濱工程大學(xué)、中國科學(xué)院自動(dòng)化所、哈爾 濱工業(yè)大學(xué)、中國科技大學(xué)、沈陽自動(dòng)化研究所等單位開展了魚類游動(dòng)機(jī)理及水 下機(jī)器人仿魚推進(jìn)理論研究工作。機(jī)器魚游動(dòng)過程中，由尾鰭拍動(dòng)產(chǎn)生側(cè)向力導(dǎo)致的機(jī)器魚的艏搖能夠影響航 行器的推進(jìn)效率。這種不利影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面首先，沒有柔性機(jī)制的魚體在 艏搖的情況下增大了迎角，從而產(chǎn)生很大的阻力；其次，目前尾鰭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是 以魚體為參照系計(jì)算得到，并沒有考慮魚體晃動(dòng)對于尾鰭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。 Triantafylloul總結(jié)大量前人工作后指出，尾鰭高效推進(jìn)游動(dòng)有三個(gè)條件，其中之 一就是尾鰭的攻角應(yīng)在一定角度范圍之內(nèi)。而艏搖的存在，會(huì)使尾鰭攻角脫離設(shè) 定的最佳范圍，從而降低推進(jìn)效率。目前國內(nèi)外對機(jī)器魚己經(jīng)開展了大量的研究。 理論工作方面，吳耀祖提出了非定常二維波動(dòng)板理論，童秉綱、莊禮賢和程建宇 建立了一種半解析、半數(shù)值的三維波動(dòng)板理論，給出了定量的三維非定常理論描 述；在模型試驗(yàn)方面，Cheng等研究了有限展弦比機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)。但是，上述工作 在艏搖對機(jī)器魚穩(wěn)定性影響方面做的針對性的研究很少，暫時(shí)還沒有這方面比較 成熟的研究結(jié)果，在解決機(jī)器魚游動(dòng)中艏搖的問題上也沒有很好的解決方案。此前，本發(fā)明的申請人曾經(jīng)提出了申請?zhí)枮?00710072128.9，名稱為一 種多關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)魚形機(jī)器人的發(fā)明專利申請。它包括多關(guān)節(jié)尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)、胸鰭同步轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制電路以及配重、形狀支撐和密封部分，多關(guān)節(jié) 尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、多級(jí)四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和尾鰭，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接多 級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，多級(jí)四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接尾鰭，胸鰭同步轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括支撐固定部 件、安裝在支撐固定部件上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、左右兩個(gè)胸鰭和傳動(dòng)桿，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接 傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿連接兩個(gè)胸鰭，驅(qū)動(dòng)控制電路包括安裝在機(jī)器人內(nèi)的紅外遙感控 制部分和下位機(jī)電路，紅外遙感控制部分通過信號(hào)傳輸接口連接下位機(jī)電路。這 種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人雖然能在水下自由游動(dòng)、具有上浮和下潛功能、遠(yuǎn)程遙控、能夠 在復(fù)雜水流環(huán)境下急加速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。但是仍無法解決機(jī)器魚游動(dòng)中的艏搖問 題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能在機(jī)械結(jié)構(gòu)上解決仿生機(jī)器魚艏向搖擺的問 題的雙體機(jī)器魚。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括機(jī)器魚的魚頭部分，在魚頭部分后面安 裝有兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并排與魚頭相連。 本發(fā)明還可以包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、 所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一級(jí)四連桿機(jī)構(gòu)和尾部連桿組成，其構(gòu)成包括桿2、 L形連桿4、桿6、桿8;桿8的兩端分別與桿2、 L形連桿4的一端通 過轉(zhuǎn)軸l、轉(zhuǎn)軸7鉸接，且其鉸接點(diǎn)處與魚頭部分連接；桿6的另一端通過轉(zhuǎn)軸 3與L形連桿4的一端鉸接；L形連桿4的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處通過轉(zhuǎn)軸5與桿2的另一端 鉸接。2、 所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩級(jí)連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)組成；其組成 包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)11、 33，由桿9和桿10、桿32和桿31組成的兩個(gè)曲柄遙桿 組件，滑槽12，兩個(gè)滑桿13、 30，由L形桿17、桿[29組成的一級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)， 由L形桿22、桿24、桿26、桿28組成的二級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)，由L形桿20、桿19、 桿18、桿16、桿15、桿14組成的三級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)。3、 所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩級(jí)連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)組成，其驅(qū)動(dòng) 電機(jī)為一個(gè)雙輸出軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本發(fā)明是根據(jù)已有的魚類仿生學(xué)理論，設(shè)計(jì)出由直流電機(jī)靈活驅(qū)動(dòng)的雙體 機(jī)器魚多關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)尾部，開發(fā)出無艏向搖擺的雙體仿生機(jī)器魚。本發(fā)明特別 是針對目前單尾推進(jìn)仿生機(jī)器魚游動(dòng)中產(chǎn)生艏向擺動(dòng)而使尾部推進(jìn)效率大大降 低的問題，提出雙體仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)方案，解決機(jī)器魚艏向擺動(dòng)的問題。雙體機(jī) 器魚特征是由兩條機(jī)器魚尾部推進(jìn)，機(jī)器魚前端不動(dòng)部位(魚頭)相互固聯(lián)(也 可以釆用一個(gè)魚頭兩條尾巴推進(jìn)的方式，原理相同)，簡單的說就是將兩條單尾 推進(jìn)機(jī)器魚的前端(魚頭)相互固聯(lián)，使其成為一體，后面兩條多關(guān)節(jié)機(jī)器魚尾 部對稱擺動(dòng)推進(jìn)。雙體機(jī)器魚減搖原理是利用魚的兩條多關(guān)節(jié)尾部擺動(dòng)過程中對 應(yīng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生大小相等、方向相反的橫向作用力相互抵消原理使機(jī)器魚整體始終處 在橫向受力平衡的狀態(tài)，從而從機(jī)械本體上解決了單尾仿生機(jī)器魚游動(dòng)中艏向搖 擺的問題。本裝置的發(fā)明可以為研究魚類運(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，為制造效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低、對環(huán)境擾動(dòng)小的水下運(yùn) 輸設(shè)備提供基本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，雙體的設(shè)計(jì)思想對提高機(jī)器魚尾部的推進(jìn)效率和提 高機(jī)器魚游動(dòng)速度有重要的意義。雙體仿生機(jī)器魚與單尾鰭機(jī)器魚相比之優(yōu)勢一般來說，利用單尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚存在如下問題1. 由于單尾推進(jìn)的機(jī)器魚存在艏搖問題，這樣勢必增加機(jī)器魚的航行阻力， 降低機(jī)器魚的前進(jìn)速度。2. 單尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚航行軌跡不穩(wěn)定，機(jī)器魚前進(jìn)路線的精確控制較難 實(shí)現(xiàn)。3. 單尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)性較真實(shí)魚類差很多，特別是關(guān) 節(jié)數(shù)較少的機(jī)器魚。與單尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚相比，雙體仿生機(jī)器魚即利用并發(fā)揮了仿魚推進(jìn)的優(yōu) 點(diǎn)，又克服了單尾推進(jìn)模式存在的艏搖問題，保證了仿生機(jī)器魚航行的穩(wěn)定性， 從而降低了機(jī)器魚的航行阻力，提高了尾部仿生推進(jìn)器的效率。主要優(yōu)勢有1. 雙體機(jī)器魚的兩條尾鰭反向擺動(dòng)過程中，相互抵消了較大的尾鰭擺動(dòng)側(cè) 向力，從而避免了機(jī)器魚的搖艏運(yùn)動(dòng)，這樣降低了機(jī)器魚的航行阻力，增加了尾 鰭的有效擺幅，從而提高了尾鰭的向前推力和推進(jìn)效率。2. 雙體仿生機(jī)器魚可以實(shí)現(xiàn)一條尾鰭為舵，另一條尾鰭擺動(dòng)推進(jìn)，使機(jī)器 魚在水平面內(nèi)的機(jī)動(dòng)性能大大改善，同時(shí)具有良好的操縱性。3. 仿生雙體機(jī)器魚多關(guān)節(jié)尾部無論安裝在水面船舶上，還是水下潛器上， 航行體都具有良好的航行穩(wěn)定性，滿足工程應(yīng)用的需要。另外，多關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)的雙體機(jī)器魚還具有逐級(jí)波動(dòng)傳動(dòng)特性、多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、 具有遠(yuǎn)程遙控功能、可上浮下潛、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水流環(huán)境下急加速、低能量損耗、 能量利用率高、制作材料廣泛、成本低廉、制作簡單等特點(diǎn)。本項(xiàng)發(fā)明建立了一個(gè)能在水下自由游動(dòng)、具有上浮和下潛功能、無艏向搖擺 的、性能可靠、體積小巧、價(jià)格低廉、制作材料廣泛、具有遠(yuǎn)程遙控功能的并具 有在復(fù)雜水流環(huán)境下急加速運(yùn)動(dòng)的微小型水下機(jī)器人平臺(tái)。它可以充當(dāng)水下偵察
設(shè)備、武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的載體，完成普通士兵無法完成的多種任務(wù)，也可以 作為觀賞性機(jī)器魚或水下機(jī)器人玩具開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的意義在于在現(xiàn)有的仿生魚研究成果下，尋找仿生魚新的推進(jìn)機(jī)構(gòu) 方式，重點(diǎn)解決單尾機(jī)器魚在水中游動(dòng)產(chǎn)生的艏向擺動(dòng)而大大降低機(jī)器人推進(jìn)效 率的問題，并提出了三種機(jī)器魚多關(guān)節(jié)尾部波動(dòng)推進(jìn)設(shè)計(jì)方案，促進(jìn)水下游動(dòng)機(jī) 器人的應(yīng)用和研究。雙體機(jī)器魚消除機(jī)器魚游動(dòng)中所產(chǎn)生的艏搖原理如下-圖1為單尾機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)的受力簡圖，由圖中任意關(guān)節(jié)的受力 分析可以看出關(guān)節(jié)擺動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力(即圖中的阻力D)可分解為X方向的前進(jìn)動(dòng)力和z方向的垂直分解力，由于每個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的z方向的垂直分解力為同 一個(gè)方向，不能相互抵消，因而影響了整個(gè)結(jié)構(gòu)在z向的穩(wěn)定性，致使機(jī)器魚在游動(dòng)的過程中不斷產(chǎn)生艏向搖擺運(yùn)動(dòng)，大大降低了機(jī)器魚尾部的推進(jìn)效率。圖2為雙體機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)的受力簡圖，由圖中任意對稱的兩個(gè) 關(guān)節(jié)受力分析可以看出對稱關(guān)節(jié)擺動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)力(即圖中的阻力D)可分解 為X方向的前進(jìn)動(dòng)力和Z方向的垂直分解力，由于每個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的Z方向的垂 直分解力大小相等、方向相反，致使Z向上的力相互抵消，受力平衡，因而機(jī)器 魚在游動(dòng)過程中除了兩條尾部產(chǎn)生的X方向前進(jìn)動(dòng)力外，沒有其他力影響機(jī)器 魚的運(yùn)動(dòng)，因而不會(huì)出現(xiàn)機(jī)器魚艏搖問題，提高了尾部的推進(jìn)效率。雙體機(jī)器魚工作原理如下控制系統(tǒng)控制機(jī)器魚多關(guān)節(jié)尾部驅(qū)動(dòng)電機(jī)和胸鰭電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，多關(guān)節(jié)尾部結(jié)構(gòu)始終以正弦波形式的擺動(dòng)，為機(jī)器魚整體前進(jìn)提供動(dòng)力，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的各種游動(dòng)姿態(tài)，例如前迸、轉(zhuǎn) 彎等，其中兩條多關(guān)節(jié)尾部對稱擺動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)快速前游，如圖8—10所示，兩條尾部以相同方向擺動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)器魚的上浮下潛。

圖1是單尾機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)任意關(guān)節(jié)受力簡圖；圖2是雙體機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)任意關(guān)節(jié)受力簡圖；圖3是本發(fā)明的第一種實(shí)施方式的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖；圖4是圖3的俯視圖；圖5是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖6是圖5的俯視圖；圖7是本發(fā)明的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8是本發(fā)明的第三種實(shí)施方式的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖； 圖9是圖8的俯視圖；圖IO是采用單電機(jī)雙關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)(簡化結(jié)構(gòu))的雙體機(jī)器魚尾部機(jī)構(gòu)簡圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述-雙體機(jī)器魚包括機(jī)器魚的魚頭部分，在魚頭部分后面安裝有兩套尾部擺動(dòng)驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并排與魚頭相連。尾部結(jié)構(gòu)必須對稱設(shè)計(jì)，前游 時(shí)左右對稱擺動(dòng)，這樣才能保證機(jī)器魚高速前游，而當(dāng)兩條尾部向同一個(gè)方向擺 動(dòng)時(shí)就可以轉(zhuǎn)彎。雙體機(jī)器魚尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可釆用以下三種設(shè)計(jì)方案尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1:如圖3和圖4，它由一級(jí)四連桿機(jī)構(gòu)和尾部連桿兩級(jí)關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)。包括桿2、 L形連桿4、桿6、桿8和轉(zhuǎn)軸1、 3、 5、 7，其中，桿2為驅(qū)動(dòng)桿，組成了第 二關(guān)節(jié)的主體，L形連桿4為魚尾主體，桿8與機(jī)器魚身體相連。推進(jìn)原理如下 桿2在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下繞著轉(zhuǎn)軸1左右擺動(dòng)(一級(jí)擺動(dòng))，桿2運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了 L 形桿4和桿6繞轉(zhuǎn)軸3、 5、 7的運(yùn)動(dòng)，這樣就帶動(dòng)了魚尾(L形桿4)左右擺動(dòng) (二級(jí)擺動(dòng))，兩個(gè)關(guān)節(jié)的左右擺動(dòng)產(chǎn)生了機(jī)器魚前進(jìn)動(dòng)力。此種結(jié)構(gòu)最為簡單， 設(shè)計(jì)的機(jī)器魚可模仿游動(dòng)速度較慢、關(guān)節(jié)數(shù)較少的魚類運(yùn)動(dòng)，適合制作玩具或觀 賞性的機(jī)器魚。尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案2:雙體機(jī)器魚尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三級(jí)關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)，結(jié)合圖5和圖6，它有兩 級(jí)連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)。它包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)11、 33，兩個(gè)曲柄遙桿組件 (桿9、 10、 31、 32)，滑槽12，兩個(gè)滑桿13、 30， 一級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)(L形桿17、 桿[29)， 二級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)(L形桿[22、桿24、 26、 28)，三級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)(L形桿[20、 桿19、 18、 16、 15、 14)，其中三個(gè)L形桿17、 22和20是三個(gè)關(guān)節(jié)推進(jìn)的主體。 工作原理如下以整個(gè)魚尾順時(shí)針擺動(dòng)為例，電機(jī)33順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲柄遙 桿機(jī)構(gòu)(桿32、 31)推動(dòng)滑桿30在滑槽12中向左滑動(dòng)，滑桿30向左滑動(dòng)一方
面帶動(dòng)的是第一級(jí)關(guān)節(jié)(L形桿[17、桿29)繞軸25順時(shí)針擺動(dòng)，另一方面它還 同時(shí)帶動(dòng)第二級(jí)關(guān)節(jié)(L形桿22、桿24、 26、 28)繞軸23順時(shí)針擺動(dòng)，也就是 說電機(jī)33控制的是第一級(jí)關(guān)節(jié)和第二級(jí)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，電機(jī)ll輸出動(dòng) 力，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲柄遙桿機(jī)構(gòu)(桿9、 10)推動(dòng)滑桿13在滑槽12中向右 滑動(dòng)，推動(dòng)由桿14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 22組成的兩級(jí)平行四連桿機(jī)構(gòu) 向右運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)推動(dòng)L形桿20繞軸21順時(shí)針擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第三級(jí)關(guān)節(jié)(尾部) 的波動(dòng)推進(jìn)，即電機(jī)11控制的是魚尾關(guān)節(jié)20的左右擺動(dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程相 反就實(shí)現(xiàn)魚尾逆時(shí)針擺動(dòng)，兩個(gè)電機(jī)相互配合來回轉(zhuǎn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)尾部三個(gè)關(guān)節(jié)的 靈活擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)魚尾的波動(dòng)推進(jìn)。圖7為采用三級(jí)關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)結(jié)構(gòu)的雙體 機(jī)器魚機(jī)構(gòu)簡圖，其中34是控制機(jī)器魚上浮下潛的胸鰭，35為控制胸鰭運(yùn)動(dòng)的 電機(jī)。其前端組裝裝配如下描述胸鰭34通過各自的傳動(dòng)桿61與各自驅(qū)動(dòng)電機(jī) 35相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)35分別固聯(lián)于機(jī)體54和60上，胸鰭主要控制機(jī)器魚的上浮、 下潛運(yùn)動(dòng)以及機(jī)器魚的穩(wěn)定性。機(jī)器魚兩個(gè)機(jī)體54和60必須通過桿57 (圖中 為三根桿串聯(lián)，目的是拆裝方便)相互固聯(lián)，成為一體，使機(jī)器魚兩條尾部擺動(dòng) 產(chǎn)生的橫向力能夠通過機(jī)體54、 60和桿57相互抵消(大小相等，方向相反)。 兩條多關(guān)節(jié)推進(jìn)機(jī)器魚尾部55和58分別通過軸56和59與機(jī)體54和60相連， 機(jī)器魚各自的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也固定在各自的機(jī)體上，這樣當(dāng)機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)電機(jī)62轉(zhuǎn)動(dòng)， 就會(huì)帶動(dòng)各自的機(jī)器魚尾部55和60繞各自軸56和59整體對稱擺動(dòng)，就會(huì)推進(jìn) 機(jī)器魚向前運(yùn)動(dòng)。簡單的說，雙體機(jī)器魚組裝方式就是把兩條單尾推進(jìn)機(jī)器魚的 頭部固聯(lián)起來成為一體，達(dá)到機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)橫向受力能夠傳遞到一起而相互抵消 的目的，值得注意的是兩條機(jī)器魚尾部必須整體對稱擺動(dòng)推進(jìn)。 尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案3此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)器魚尾部也是用三級(jí)關(guān)節(jié)波動(dòng)推進(jìn)，結(jié)合圖8和圖9，其 三級(jí)關(guān)節(jié)由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其原理是三節(jié)連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)，利用前一個(gè)關(guān)節(jié)與后一 個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連桿產(chǎn)生的差值來驅(qū)動(dòng)后一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說后一個(gè)關(guān)節(jié)相 對轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小由相鄰兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩連桿產(chǎn)生的差值(即L形桿39縱向長度 與桿48長的差、桿48長與桿53長的差)大小來決定，從而節(jié)與節(jié)之間產(chǎn)生相 對轉(zhuǎn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)尾部的整體擺動(dòng)。具體工作原理如下電機(jī)33通過連桿50、 51 帶動(dòng)滑桿36在滑槽12中左右運(yùn)動(dòng)，滑桿36的左右運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)后面連桿37、 49、52的運(yùn)動(dòng)，其中連桿49再拉動(dòng)L形連桿39繞軸38左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)關(guān)節(jié) 左右運(yùn)動(dòng)；而連桿52推動(dòng)由L形桿41、桿47、 48、 L形桿39組成的四連桿機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)第二級(jí)關(guān)節(jié)(L形桿41橫向)繞軸40左右運(yùn)動(dòng)，同樣原理， 桿37推動(dòng)由L形桿41、桿46、 53、 L形桿39組成的第一節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)和由L 形桿41、桿44、 45、 L形桿43組成的第二節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)第三級(jí) 關(guān)節(jié)(L形桿43橫向)繞軸42左右運(yùn)動(dòng)。由于L形桿39縱向與桿48、桿48 與桿53繞軸[38]轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)依次產(chǎn)生差值，導(dǎo)致三節(jié)連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第一節(jié)L形桿 39橫向與第二節(jié)L形桿41橫向，以及第二節(jié)L形桿41橫向與第三節(jié)L形桿 43橫向有轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)差角，從而節(jié)與節(jié)之間會(huì)產(chǎn)生相對的差動(dòng)運(yùn)動(dòng)，差角的大小 由L形桿39縱向長度、桿48和桿53的長度差決定，這樣就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚波動(dòng) 推進(jìn)狀態(tài)。圖IO是采用單電機(jī)雙關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)(簡化結(jié)構(gòu))的雙體機(jī)器魚尾部機(jī)構(gòu) 簡圖。雙體機(jī)器魚還不僅僅局限于上面的三種結(jié)構(gòu)，例如用記憶合金制作的柔性尾 部驅(qū)動(dòng)器、每個(gè)電機(jī)每節(jié)驅(qū)動(dòng)的尾部結(jié)構(gòu)等等，設(shè)計(jì)雙體機(jī)器魚的目的是從機(jī)械 結(jié)構(gòu)上解決機(jī)器魚水中游動(dòng)時(shí)艏向搖擺的問題?？刂葡到y(tǒng)起到控制機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及遙控機(jī)器人的作用。控制方式可采 用單片機(jī)上、下位機(jī)適時(shí)檢測的方式，上位機(jī)為機(jī)器人提供紅外遙感控制，主要 負(fù)責(zé)外界信號(hào)的接受和接收信號(hào)后指令的發(fā)送，它與下位機(jī)通過信號(hào)傳輸接口連 接。下位機(jī)負(fù)責(zé)所有電機(jī)的控制，調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)的擺動(dòng)角度、時(shí)間和速度，這樣 就可以控制機(jī)器人的游動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可為單片機(jī)典型的最小系統(tǒng)，也可 以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他接口功能，電機(jī)采用芯片輸出的PWM信號(hào)控制。另外，配重、形狀支撐和密封外衣是機(jī)器人制作必備的輔助部分，也是機(jī)器 人能在水下自由游動(dòng)所必需的。配重采用重金屬多點(diǎn)分布配重的方法，在機(jī)器魚 一些特定的應(yīng)用中，可以用設(shè)備調(diào)整機(jī)器人的配重。形狀支撐部分采用輕質(zhì)易加 工材料，目的是保正機(jī)器人整體的仿垂體和外形的流線型，滿足機(jī)器人外形和水 中快速游動(dòng)的需要。密封部分采用軟橡膠套整體密封的方法，其中胸鰭密封是屬 于動(dòng)密封，是整個(gè)機(jī)器人密封的難點(diǎn)，可采用橡膠管套圓管的方式，利用橡膠管 和圓管之間的彈性摩擦來實(shí)現(xiàn)密封。機(jī)器人能源采用鎳氫充電電池供電，在機(jī)器 人的肚子底部留有充電接口和程序調(diào)試密封接口。
權(quán)利要求
1、一種雙體機(jī)器魚，它包括機(jī)器魚的魚頭部分，其特征是在魚頭部分后面安裝有兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并排與魚頭相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙體機(jī)器魚，其特征是所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一級(jí)四連桿機(jī)構(gòu)和尾部連桿組成，其構(gòu)成包括桿(2)、 L形連桿(4)、桿(6)、 桿(8);桿(8)的兩端分別與桿(2)、 L形連桿(4)的一端通過轉(zhuǎn)軸(1)、轉(zhuǎn)軸(7)鉸接， 且其鉸接點(diǎn)處與魚頭部分連接;桿(6)的另一端通過轉(zhuǎn)軸(3)與L形連桿(4)的一端 鉸接；L形連桿(4)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處通過轉(zhuǎn)軸(5)與桿(2)的另一端鉸接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙體機(jī)器魚，其特征是所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)由兩級(jí)連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)組成；其組成包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(ll)、 (33)， 由桿(9)和桿(10)、桿(32)和桿(31)組成的兩個(gè)曲柄遙桿組件，滑槽(12)，兩個(gè)滑 桿(13)、 (30)，由L形桿(17)、桿(29)組成的一級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)，由L形桿(22)、桿(24)、 桿(26)、桿(28)組成的二級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)，由L形桿(20)、桿(19)、桿(18)、桿(16)、 桿(15)、桿(14)組成的三級(jí)推進(jìn)關(guān)節(jié)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙體機(jī)器魚，其特征是所述的尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)由兩級(jí)連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)組成，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)為一個(gè)雙輸出軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種雙體機(jī)器魚。它包括機(jī)器魚的魚頭部分，在魚頭部分后面安裝有兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩套尾部擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并排與魚頭相連。與單尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚相比，雙體仿生機(jī)器魚即利用并發(fā)揮了仿魚推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了單尾推進(jìn)模式存在的艏搖問題，保證了仿生機(jī)器魚航行的穩(wěn)定性，從而降低了機(jī)器魚的航行阻力，提高了尾部仿生推進(jìn)器的效率。
文檔編號(hào)B63H1/00GK101157381SQ20071014448
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者劉增文, 孫艷杰, 季寶鋒, 常媛媛, 張永銳, 王立權(quán), 賈守波, 陳東良 申請人:哈爾濱工程大學(xué)