專利名稱：雙尾超磁仿生機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雙尾超磁仿生機(jī)器魚。特別涉及到一種可用于設(shè)計(jì)生物血管內(nèi)器械以及工業(yè)管道內(nèi)機(jī)動(dòng)裝置等的仿生機(jī)器魚。

背景技術(shù)：
目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用中，已經(jīng)越來(lái)越迫切需要一種能在水，油，血液或其它液體中平穩(wěn)靈活移動(dòng)的新型管道微小型機(jī)器人。它能在液體中被無(wú)線驅(qū)動(dòng)，具有很高的機(jī)動(dòng)性和靈活性，能夠安全進(jìn)入一般器械不容易進(jìn)入的容器和器官。仿生機(jī)器魚就是具有此種功能的微型或小型裝置的一種。通過(guò)安裝的傳感器和驅(qū)動(dòng)器使它能夠在液體中平穩(wěn)靈活運(yùn)動(dòng)，并完成其他任務(wù)。
通常的仿生機(jī)器魚帶有很大的驅(qū)動(dòng)裝置，如上海勁鉆實(shí)業(yè)公司的人控機(jī)器魚，包括密封殼體位于密封殼體內(nèi)部的電力推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)電機(jī)，與推進(jìn)電機(jī)相連并為其提供動(dòng)力的電源，如專利CN1413877；浙江大學(xué)的一種波動(dòng)仿生機(jī)器魚，包括由一圓筒殼體、兩密封蓋和機(jī)器魚鰭固定件構(gòu)成的機(jī)器魚本體，在本體殼體內(nèi)放置有用于驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)舵機(jī)、控制電路板和電池，如專利CN2905655；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的仿生機(jī)器魚，該仿生機(jī)器魚的魚身與魚尾之間為活動(dòng)連接；沉浮機(jī)構(gòu)、搖擺機(jī)構(gòu)、信息感知機(jī)構(gòu)、控制器及電源均安裝在框架內(nèi)，如專利CN2628239；此外還有北京大學(xué)的一種多模態(tài)仿生機(jī)器魚，如專利CN1916800；上海交通大學(xué)的仿生機(jī)器魚的柔性推進(jìn)機(jī)構(gòu)，如專利CN1586990等。
已有的仿生機(jī)器人普遍存在的問(wèn)題就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本較高。在一些空間狹小的工作區(qū)域，顯然這些機(jī)器魚是不能滿足要求的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究和設(shè)計(jì)已經(jīng)注意到了這一點(diǎn)，采用形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)機(jī)體波動(dòng)，推進(jìn)仿生機(jī)器魚，如專利CN1887646。實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲的優(yōu)點(diǎn)。但其不足之處是該機(jī)器魚游動(dòng)需帶有一些導(dǎo)線等，增加一些阻力并會(huì)影響機(jī)器魚的游動(dòng)，且也限制了其游動(dòng)范圍。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)噪音以及便于控制的無(wú)線仿生機(jī)器魚，解決了仿生魚的小型化和游動(dòng)控制的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明技術(shù)方案是一種無(wú)線雙尾超磁仿生機(jī)器魚，如圖1所示，其特征在于它包括魚體和與其前后相連的兩個(gè)尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，所述尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上包括主體彈性材料片，一般為合金材料，和貼或鍍?cè)谥黧w材料片兩側(cè)的超磁致伸縮材料，如TbFe2、Terfenol-D、DyFe2和SmFe1.6等，構(gòu)成了該微型機(jī)器魚的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器(GMMA)。用于模擬肌肉的超磁材料的厚度分布特征如圖2所示，其分布函數(shù)滿足 ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x) 其中a，b，c，d，e，k由材料常數(shù)，液體粘度和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)確定，ξ(x)是超磁材料厚度，x是尾鰭長(zhǎng)度方向坐標(biāo)。與魚體后面相連的尾鰭設(shè)為魚尾2(L2)和與前面相連的尾鰭設(shè)為魚尾1(L1)。兩個(gè)魚尾具有不同的固有頻率。不妨取長(zhǎng)度L2＞L1。這樣當(dāng)外界磁場(chǎng)頻率接近魚尾2的二階固有頻率時(shí)，位于魚尾1的一階與二階固有頻率之間，此時(shí)兩個(gè)尾巴的擺動(dòng)模態(tài)圖如圖3所示。當(dāng)外界磁場(chǎng)頻率接近魚尾1的二階固有頻率時(shí)，位于魚尾2的二階與三階固有頻率之間，此時(shí)兩個(gè)尾巴的擺動(dòng)模態(tài)圖如圖4所示。通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度來(lái)控制兩個(gè)魚尾的擺動(dòng)模態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的向前(圖3)和向后游動(dòng)(圖4)。
本發(fā)明的效果和益處在于將超磁致伸縮材料貼或鍍?cè)谥黧w材料片上，利用其隨外部磁場(chǎng)的變化而發(fā)生變形，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，產(chǎn)生擺動(dòng)和波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)類似魚類的游動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為設(shè)計(jì)和制備微小型機(jī)器魚提供了思路。雙尾機(jī)器魚是一個(gè)新的設(shè)計(jì)思想，在外部磁場(chǎng)控制下能夠?qū)崿F(xiàn)向前向后游動(dòng)。本發(fā)明由于沒(méi)有電機(jī)等動(dòng)力裝置和系統(tǒng)，而通過(guò)施加外部磁場(chǎng)達(dá)到控制其游動(dòng)，可達(dá)到零噪音裝置設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用時(shí)，只通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)的頻率及強(qiáng)度，就可控制魚尾實(shí)現(xiàn)各種擺動(dòng)，從而達(dá)到仿生魚游動(dòng)速度等基本功能的控制。此外雙尾魚的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了向前向后游動(dòng)，便于回收，更有利于在狹小空間內(nèi)控制作業(yè)。



附圖1是雙尾超磁仿生機(jī)器魚結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1頭部魚尾，即魚尾1；2尾部魚尾，即魚尾2；3魚體。
附圖2是超磁仿生機(jī)器魚魚尾結(jié)構(gòu)示意圖。圖中4主體材料；5模擬肌肉的超磁致伸縮材料。
附圖3是雙尾魚向前游動(dòng)時(shí)尾巴擺動(dòng)模態(tài)圖。圖中的左圖為魚尾1模態(tài)；右圖為魚尾2模態(tài)；中間與魚體相連；x尾鰭擺動(dòng)縱向坐標(biāo)；w尾鰭擺動(dòng)橫向位置坐標(biāo)；T0L T9尾鰭一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)10個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。
附圖4是雙尾魚向后游動(dòng)時(shí)尾巴擺動(dòng)模態(tài)圖。圖中的左圖為魚尾1模態(tài)；右圖為魚尾2模態(tài)；中間與魚體相連。x尾鰭擺動(dòng)縱向坐標(biāo)；w尾鰭擺動(dòng)橫向位置坐標(biāo)；T0L T9尾鰭一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)10個(gè)時(shí)刻點(diǎn)。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例 超磁致伸縮材料(GMM)是一種新型功能材料，處于一定的外界磁場(chǎng)下，因其具有極大的正逆磁致伸縮系數(shù)值、大的輸出力、快的響應(yīng)速度、很高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。本發(fā)明就是利用這種伸縮特性工作的，具體結(jié)構(gòu)如下參照?qǐng)D1，雙尾超磁仿生機(jī)器魚，它包括魚體和與其前后相連的兩個(gè)尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)；每個(gè)尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上包括主體材料片，如鋁合金片等，和貼或鍍?cè)谠撈瑑蓚?cè)的超磁致伸縮材料，上側(cè)為正磁致伸縮系數(shù)的超磁致伸縮材料，如TbFe2、Terfenol-D、DyFe2等，下側(cè)為逆磁致伸縮系數(shù)的超磁致伸縮材料，如SmFe1.6等。以下給出一個(gè)實(shí)例 液體介質(zhì)為甘油，粘性系數(shù)μ＝1.494[Pa·s]；鋁合金楊氏模量E＝7.0×1010[Pa]，密度ρ＝2.6[g/cm3]，寬度b＝0.009[m]，厚度h＝0.0009[m]；只貼上側(cè)超磁材料，該超磁材料TbFe2，楊氏模量E2＝9.4×1010[pa]，耦合系數(shù)，d＝3×10-4[Oe-1]。磁致伸縮材料分布函數(shù)滿足ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x)，其中a＝ξ0＝1.0×10-5[m]，b＝-3.7×10-6[m]，c＝5.0×10-6[m]，d＝-5.0×10-6[m]，e＝3.7×10-6[m]，k＝1.875/L。魚尾2的長(zhǎng)度為L(zhǎng)＝0.09[m]，魚尾1的長(zhǎng)度是魚尾2長(zhǎng)度的0.77倍，即L＝0.07[m]。外部磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在B0＝10[T]，通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)的頻率達(dá)到魚尾2的二階固有頻率附近時(shí)(421[Hz])，無(wú)線雙尾超磁仿生機(jī)器魚將向前開始游動(dòng)，擺動(dòng)模態(tài)圖如圖3所示；調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)的頻率達(dá)到魚尾1的二階固有頻率附近時(shí)(710[Hz])，無(wú)線雙尾超磁仿生機(jī)器魚將向后開始游動(dòng)，擺動(dòng)模態(tài)圖如圖4所示。向前和向后游動(dòng)平均速度比約為5∶4。
權(quán)利要求
1.一種雙尾超磁仿生機(jī)器魚，其特征在于魚體兩頭各有一個(gè)尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，即魚尾1和魚尾2，尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)包含無(wú)磁的主體材料片和粘貼或涂鍍?cè)谥黧w材料片兩側(cè)的超磁致伸縮材料，通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)頻率和強(qiáng)度，調(diào)整魚尾1和魚尾2的擺動(dòng)和波動(dòng)模態(tài)，控制機(jī)器魚向前或向后游動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙尾超磁仿生機(jī)器魚，其特征在于兩個(gè)尾鰭具有不同的長(zhǎng)度和不同的固有頻率，當(dāng)外界磁場(chǎng)頻率接近魚尾2的二階固有頻率時(shí)，位于魚尾1的一階與二階固有頻率之間，此時(shí)兩個(gè)尾巴的擺動(dòng)將驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚向前游動(dòng)；當(dāng)外界磁場(chǎng)頻率接近魚尾1的二階固有頻率時(shí)，位于魚尾2的二階與三階固有頻率之間，此時(shí)兩個(gè)尾巴的擺動(dòng)將驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚向后游動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種雙尾超磁仿生機(jī)器魚，其特征在于粘貼或涂鍍?cè)谥黧w彈性材料片兩側(cè)用于模擬肌肉的超磁致伸縮材料的厚度；其分布函數(shù)滿足
ξ(x)＝a+b·sin(k·x)+c·cos(k·x)+d·ch(k·x)+e·sh(k·x)
其中a，b，c，d，e，k是由材料常數(shù)，液體粘度和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)確定，ξ(x)是超磁材料厚度，x是尾鰭長(zhǎng)度方向坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。提供一種仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)思想和方案。該魚魚尾由超磁致伸縮材料貼或鍍?cè)谥黧w材料片上構(gòu)成，此超磁材料應(yīng)該滿足一種特殊的分布規(guī)律。隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度等的變化使魚尾擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)游動(dòng)。如圖所示，雙尾超磁仿生機(jī)器魚包括魚體和與其前后相連的兩個(gè)魚尾推進(jìn)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)魚尾具有不同的固有頻率，在不同的外磁場(chǎng)頻率控制下實(shí)現(xiàn)向前和向后游動(dòng)。雙尾超磁仿生機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)噪音，不攜帶任何動(dòng)力系統(tǒng)以及外部控制等優(yōu)點(diǎn)。這種仿生機(jī)器魚有利于在狹小空間內(nèi)控制作業(yè)，特別是在細(xì)小管道和器官等中。
文檔編號(hào)B63H1/37GK101148194SQ200710157799
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者徐新生, 孫發(fā)明 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)