專利名稱：機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器魚，用于研究開發(fā)新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器，也可作為玩具或收藏品，屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
在開發(fā)制造模仿魚類游動(dòng)的柔性船方面，研究人員認(rèn)為這種模仿魚類游動(dòng)的海上工具將比那些用螺旋槳驅(qū)動(dòng)的船更為高效和敏捷。機(jī)器魚還可能成為一個(gè)可尋找沉在海底的物品的游動(dòng)傳感器。機(jī)器魚最突出的優(yōu)點(diǎn)，還在于它可以實(shí)現(xiàn)低噪聲操作。而以往的探測器在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生極大的噪音，所以還沒等靠近目標(biāo)就已暴露。
只有在機(jī)器魚得到更多的研究和優(yōu)化之后，才能證明這種仿生技術(shù)確實(shí)比螺旋槳推動(dòng)前進(jìn)的機(jī)器更有效。采用魚身的正弦擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，而非通過渦輪推進(jìn)器提供驅(qū)動(dòng)力，使機(jī)器魚能躲過探測器的搜尋，這種由螺旋槳到仿生推進(jìn)的變革，具有十分重要的意義。
北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，一條長0.8米的機(jī)器魚在一項(xiàng)全新的仿生學(xué)研究成果——波動(dòng)推進(jìn)下，順利實(shí)現(xiàn)了不用螺旋槳的設(shè)想。這條機(jī)器魚體重8000克，在水中最大速度為每秒0.6米，能耗效率為70％至90％，控制上采用的是計(jì)算機(jī)遙控的方式。魚體是一個(gè)平面6關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(6節(jié)魚身)，包括魚頭和魚尾兩部分。魚頭是利用玻璃鋼制作的、仿鯊魚外形的殼體。整個(gè)魚的動(dòng)力電池、控制接收部分都放在魚頭里。魚尾的6個(gè)伺服電機(jī)扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)作為推動(dòng)器。
但是，這條機(jī)器魚還并不十分理想，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而成本高，份量重。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中考慮到魚類中，最常見的一種體型是體呈紡錘狀，中段肥大，頭尾稍尖細(xì)，從體軸看，頭尾軸最長，背腹軸較短，左右軸最短。大部分行動(dòng)迅速的魚類多屬于這種體型。這樣的體型可將水的阻力減至最低限度，以耗費(fèi)最小的能量獲得較大的速度，有利于覓取食物和躲避敵害。由于魚游動(dòng)時(shí)，尾跡是由一連串移動(dòng)著的渦環(huán)組成的，渦環(huán)近乎圓形，而新月型尾鰭特別容易使圓形渦環(huán)從后緣脫落，從而把為渦脫落所消耗掉的能量降低到最小，故推進(jìn)效率最高。這種渾圓漸變的魚體也適合在其內(nèi)部裝上所需的機(jī)構(gòu)。所以，本發(fā)明選擇鯖魚作為模仿對象，并設(shè)計(jì)新月型尾鰭。
本發(fā)明利用魚尾大提伸、小拖曳的特性，通過尾部的擺動(dòng)來獲得推動(dòng)力。設(shè)計(jì)的機(jī)器魚采用魚頭、魚身、魚尾三段式結(jié)構(gòu)，即采用頭部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、中段控制系統(tǒng)及尾部平衡、隨動(dòng)系統(tǒng)的三段式結(jié)構(gòu)，頭部與中段的連接處采用防水密封套筒實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，并通過一個(gè)由伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙搖桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，魚尾的平衡隨動(dòng)系統(tǒng)與第二段魚身的連接處采用了彈簧裝置，通過遙控器來控制機(jī)器魚中段的擺動(dòng)幅度，利用水對魚尾的阻尼，產(chǎn)生一個(gè)滯后的相位角，帶動(dòng)魚尾擺動(dòng)，這種波動(dòng)使魚獲得推動(dòng)力，產(chǎn)生近似正弦波的推力，推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)。在中段的魚身中安裝一個(gè)較小的伺服機(jī)來控制魚的轉(zhuǎn)向。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)包括頭部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、中段控制系統(tǒng)及尾部平衡、隨動(dòng)系統(tǒng)三部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)置于機(jī)器魚的頭部，包括一個(gè)大伺服機(jī)、電池盒與接收器，由遙控器控制大伺服機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)軸左右旋轉(zhuǎn)。置于魚頭最前端的電池盒及其上方的接收器固定在頭部前擋板上，固定在頭部后擋板上的大伺服機(jī)與接收器一通道相連，大伺服機(jī)的輸出端轉(zhuǎn)軸上方固定一個(gè)圓盤，沿圓盤直徑在圓盤上安裝頭部輸出桿，頭部輸出桿左右兩端的矩形槽內(nèi)分別用銷釘連接上拉桿和下拉桿，上下拉桿的另一端分別通過頭部、中部的轉(zhuǎn)動(dòng)連接件與中部前擋板固定連接。機(jī)器魚的第二段是魚身控制系統(tǒng)，包括前游控制和轉(zhuǎn)彎控制，內(nèi)置一個(gè)小伺服機(jī)與魚頭中接收器的二通道相連，遙控器控制小伺服機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)軸左右旋轉(zhuǎn)。小伺服機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)軸上方固定一個(gè)輸出桿，輸出桿與中部拉桿、中部連桿形成一個(gè)以小伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸和腹鰭轉(zhuǎn)軸為固定支點(diǎn)的雙搖桿機(jī)構(gòu)。頭部與中段的連接處采用防水密封套筒實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封。魚尾段的平衡隨動(dòng)系統(tǒng)與第二段魚身的連接處采用了彈簧裝置，支架固定于中部后擋板上，支座與其兩邊的兩塊小擋板之間各套入一根彈簧，兩段的彈簧長度、剛度均一致，使得魚尾處于不穩(wěn)定的平衡、隨動(dòng)狀態(tài)。
本發(fā)明的機(jī)器魚結(jié)構(gòu)簡單合理，控制方便可靠，從外形上看和真魚相近，實(shí)現(xiàn)了魚的波動(dòng)前進(jìn)，利用水流對機(jī)器魚腹鰭的反推力和機(jī)器魚向單側(cè)的擺尾共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎，能較好地進(jìn)行魚的水動(dòng)力研究。此外，為避免頻繁拆卸，對于機(jī)器魚內(nèi)部的供電采用內(nèi)置電池，外掛充電器，可隨時(shí)對機(jī)器魚進(jìn)行充電。
本發(fā)明利用魚身的正弦擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，而非通過渦輪推進(jìn)器提供驅(qū)動(dòng)力，使機(jī)器魚能躲過探測器的搜尋。這種由螺旋槳到仿生推進(jìn)的變革，為進(jìn)一步研究開發(fā)柔性船，并使其能朝著智能化方向發(fā)展具有重要意義。
本發(fā)明亦可開發(fā)成兒童玩具，或作為禮品、收藏品，使之集知識(shí)性、趣味性于一身，具有實(shí)用價(jià)值。


圖1中，1為接收器，2為電池盒，3為頭部輸出桿，4為上拉桿，5為防水密封套筒，6為中部前擋板，7為中部連桿，8為中部拉桿，9為中部輸出桿，10為中部后擋板，11為支架，12為小擋板，13為彈簧，14為支座，15為腹鰭，16為小伺服機(jī)，17為中部小伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸，18為腹鰭轉(zhuǎn)軸，19為中部轉(zhuǎn)動(dòng)固定件，20為頭部轉(zhuǎn)動(dòng)連接件，21為頭部后擋板，22為下拉桿，23為頭部大伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸，24為大伺服機(jī)，25為圓盤，26為頭部前擋板。
本發(fā)明的機(jī)器魚整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用魚頭、魚身、魚尾三段式結(jié)構(gòu)，即頭部驅(qū)動(dòng)段、控制轉(zhuǎn)彎的魚身以及尾部。
頭部內(nèi)置了電池盒2、接收器1和大伺服機(jī)24。接收器1和電池盒2置于魚頭的最前端，接收器1放在電池盒2的上方，兩者固定在頭部前擋板26上。大伺服機(jī)24固定在頭部后擋板21上。大伺服機(jī)24的接入線與接收器1一通道相連，遙控器控制大伺服機(jī)24輸出端的轉(zhuǎn)軸23左右旋轉(zhuǎn)，大伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸23上方用螺絲固定一個(gè)圓盤25，沿圓盤25直徑在上面安裝頭部輸出桿3，用螺絲固定。在頭部輸出桿3左右兩端的矩形槽內(nèi)分別用銷釘連接上拉桿4和下拉桿22的一端，使上拉桿4和下拉桿22能在矩形槽內(nèi)來回滑動(dòng)。上拉桿4、下拉桿22的另一端分別通過固定在頭部后擋板21上的防水密封套筒5，與頭部轉(zhuǎn)動(dòng)連接件20用銷釘連接，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)連接件20與中部轉(zhuǎn)動(dòng)固定件19也用銷釘連接，中部轉(zhuǎn)動(dòng)固定件19與中部前擋板6用螺絲固定連接。
機(jī)器魚的第二段——魚身控制機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎，內(nèi)置一個(gè)小伺服機(jī)16。小伺服機(jī)16的接入線通過頭部后擋板21、中部前擋板6與魚頭中的接收器1的二通道相連。遙控器控制小伺服機(jī)16輸出端的轉(zhuǎn)軸17左右旋轉(zhuǎn)，小伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸17上方用螺絲固定一個(gè)中部輸出桿9，中部輸出桿9與中部拉桿8用銷釘連接，使得中部輸出桿9進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)中部拉桿8平移。中部拉桿8與中部連桿7也用銷釘連接，中部連桿7與腹鰭轉(zhuǎn)軸18固定連接。使中部拉桿8的平移能帶動(dòng)中部連桿7繞腹鰭轉(zhuǎn)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)，中部輸出桿9、中部拉桿8和中部連桿7形成一個(gè)以小伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸17和腹鰭轉(zhuǎn)軸18為固定支點(diǎn)的雙搖桿機(jī)構(gòu)。
魚尾與魚身的連接是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。支架11與支座14用銷釘相連，支架11固定于中部后擋板10上，支座14固定在魚尾上。支座14的左右兩邊的兩塊小擋板12也固定于中部后擋板10上。支座14和左右兩塊小檔板12之間各套入一根長度、剛度相同的壓彈簧13，使得魚尾處于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，使支座14繞著與支架11相連的銷釘轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)魚身不動(dòng)時(shí)，由于兩邊壓彈簧的作用，使魚身挺直。
遙控器一通道控制大伺服機(jī)24，使頭部輸出桿3左右能擺動(dòng)一定的角度，帶動(dòng)上拉桿4、下拉桿22前后移動(dòng)。中部前擋板6在機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞它的中心軸進(jìn)行來回45度的擺動(dòng)，并帶動(dòng)第二節(jié)魚身擺動(dòng)。利用水在機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)對魚身的阻力，作為隨動(dòng)部分的魚尾相對于魚頭就有一定的延時(shí)，使機(jī)器魚最終波動(dòng)式的前進(jìn)。
由于上拉桿4、下拉桿22在頭部輸出桿3的帶動(dòng)下，作的是平面運(yùn)動(dòng)，而不是直線運(yùn)動(dòng)，因此為了使上拉桿4、下拉桿22在作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)卡死，并且有更好的密封性，本發(fā)明把矩形槽開在頭部輸出桿3上，使得上拉桿4、下拉桿22能在頭部后擋板21的固定圓孔內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的頭部驅(qū)動(dòng)段和第二段魚身采用靜密封。魚頭分成上下兩個(gè)部分，下部單獨(dú)做蓋板，整個(gè)接收器、伺服機(jī)和電池均密封在魚頭下部。而在頭部與第二段的連接處是動(dòng)密封，為了使連接桿在前后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，避免水的流入，在頭部后擋板21處采用防水密封套筒5進(jìn)行了三層密封防水密封套筒5是一個(gè)兩頭套筒，中間套管的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在套管中灌油，兩端的套筒則起到了防止油滲出的作用。這樣既解決了密封問題，又解決了潤滑問題。在頭部驅(qū)動(dòng)段和第二段魚身，則采用靜密封。
本發(fā)明遙控器的二通道控制第二段魚身內(nèi)的小伺服機(jī)16使機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎。
機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)依靠在第二段魚身內(nèi)的小伺服16機(jī)控制伸出魚身的腹鰭狀銅片，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向。遙控器控制中部輸出桿9進(jìn)行左右30度的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)中部拉桿8平移，使中部連桿7繞腹鰭轉(zhuǎn)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)。腹鰭轉(zhuǎn)軸18的輸出端為控制轉(zhuǎn)彎的腹鰭。在機(jī)器魚游動(dòng)時(shí)，當(dāng)腹鰭向右轉(zhuǎn)，機(jī)器魚也向右轉(zhuǎn)，反之腹鰭向左轉(zhuǎn)，機(jī)器魚則向左轉(zhuǎn)彎。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器魚，包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和平衡隨動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于采用頭部驅(qū)動(dòng)段、控制轉(zhuǎn)彎的魚身以及尾部三段式結(jié)構(gòu)，置于魚頭最前端的電池盒(2)及其上方的接收器(1)固定在頭部前擋板(26)上，大伺服機(jī)(24)固定在頭部后擋板(21)上，大伺服機(jī)(24)的接入線與接收器(1)一通道相連，大伺服機(jī)(24)的輸出端轉(zhuǎn)軸(23)上方固定一個(gè)圓盤(25)，沿圓盤(25)直徑在圓盤上安裝頭部輸出桿(3)，頭部輸出桿(3)左右兩端的矩形槽內(nèi)分別用銷釘連接上拉桿(4)和下拉桿(22)，上拉桿(4)、下拉桿(22)的另一端分別通過固定在頭部后擋板(21)上的防水密封套筒(5)，與頭部轉(zhuǎn)動(dòng)連接件(20)連接，頭部轉(zhuǎn)動(dòng)連接件(20)與中部轉(zhuǎn)動(dòng)固定件(19)連接，中部轉(zhuǎn)動(dòng)固定件(19)與中部前擋板(6)固定連接，中段內(nèi)小伺服機(jī)(16)的接入線通過頭部后擋板(21)、中部前擋板(6)與接收器(1)的二通道相連，小伺服機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)軸(17)上方固定一個(gè)中部輸出桿(9)，中部輸出桿(9)與中部拉桿(8)用銷釘連接，中部拉桿(8)與中部連桿(7)也用銷釘連接，中部連桿(7)與腹鰭轉(zhuǎn)軸(18)固定連接，中部輸出桿(9)、中部拉桿(8)和中部連桿(7)形成一個(gè)以小伺服機(jī)轉(zhuǎn)軸(17)和腹鰭轉(zhuǎn)軸(18)為固定支點(diǎn)的雙搖桿機(jī)構(gòu)，魚尾段隨動(dòng)系統(tǒng)中支架(11)與支座(14)用銷釘相連，支架(11)固定于中部后擋板(10)上，支座(14)固定在魚尾上，支座(14)與其兩邊也固定于中部后擋板(10)上的兩塊小擋板(12)之間套入一根長度、剛度相同的彈簧(13)。
2.如權(quán)利要求1所說的機(jī)器魚，其特征在于頭部驅(qū)動(dòng)段和第二段魚身的連接處采用動(dòng)密封，防水密封套筒(5)是一個(gè)兩頭套筒，中間套管的結(jié)構(gòu)，套管中灌油，兩端的套筒防油滲出。
3.如權(quán)利要求1所說的機(jī)器魚，其特征在于頭部驅(qū)動(dòng)段和第二段魚身分別采用靜密封。
全文摘要
一種機(jī)器魚，采用頭部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、中段控制系統(tǒng)及尾部平衡、隨動(dòng)系統(tǒng)的三段式結(jié)構(gòu)，頭部與中段的連接處采用防水密封套筒實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，并通過一個(gè)由伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙搖桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，魚尾的平衡隨動(dòng)系統(tǒng)與第二段魚身的連接處采用了彈簧裝置，通過遙控器來控制機(jī)器魚中段的擺動(dòng)幅度，利用水對魚尾的阻尼，產(chǎn)生一個(gè)滯后的相位角，帶動(dòng)魚尾擺動(dòng)，并推動(dòng)機(jī)器魚前進(jìn)，在中段的魚身中安裝一個(gè)較小的伺服機(jī)來控制魚的轉(zhuǎn)向。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，從外形上看和真魚相近，實(shí)現(xiàn)了魚的波動(dòng)前進(jìn)，利用水流對機(jī)器魚腹鰭的反推力和機(jī)器魚向單側(cè)的擺尾共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎，能較好地進(jìn)行魚的水動(dòng)力研究。
文檔編號(hào)B25J9/06GK1472045SQ0312953
公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者唐櫻, 馬培蓀, 唐 櫻 申請人:上海交通大學(xué)