專利名稱：可遠程遙控的多關節(jié)驅動的仿生機器魚的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機電一體化裝置，特別涉及可遠程遙控的多關節(jié)驅動的仿生機器魚。
本實用新型的目的是依據已有的魚類仿生學理論，利用特別設計的精巧的機械結構和計算機技術、電子技術、控制技術相結合，開發(fā)可以模仿魚類運動的仿生機器魚。
為實現上述目的，可遠程遙控的多關節(jié)驅動的仿生機器魚包括控制部分和多關節(jié)驅動的仿生機器魚體，第一驅動關節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅動電機放置在U型槽內；第二驅動關節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。
本實用新型可以為研究魚類運動的水動力學、游動機理、運動控制方法提供實驗本體，為制造效率高、機動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的水下運輸設備提供基本的實驗平臺，制作娛樂型或觀賞型仿生機器魚。
圖9是全部安裝完畢的在水中的仿生機器魚。
(一)仿生機器魚的機械結構仿生機器魚的機械結構部分主要包括頭部、關節(jié)、尾部、連接件等。仿生機器魚的頭部如


圖1所示，前面部分是流線型的，后面部分近似長方體，內部中空，頂部有兩個孔，通訊天線和檢測防水性能的進氣閥門從
圖1中所示位置的孔1引出，充電插頭從
圖1所示位置的孔2引出，為固定用連接件與魚頭連接所用的螺孔3在魚頭兩側各一。
仿生機器魚游動運動所需的多關節(jié)機構如圖2所示，依據實際需要，通過增減中間關節(jié)的數目，可在2-6關節(jié)之間調整機器魚關節(jié)數。各關節(jié)機構用堅固的質輕的具有一定厚度的材料，例如鋁材、強度較好的塑料，進行加工制作。在圖2中，1所指為控制電路板，其上3所指位置的兩個螺孔為將控制電路板同連接件2和第一驅動關節(jié)4上5所指位置的兩個螺孔用螺釘及螺母固定在一起的螺孔。圖中2所指為控制電路板與機器魚頭部固定在一起的連接件，具體結構如圖3所示，該圖中用于固定的螺孔可以依據具體裝配要求在加工時進行位置的微調。第一驅動關節(jié)4結構中的上開口U型槽為安裝驅動電機設置。6處所指兩個螺孔和7處所指兩個螺釘用于將電機固定于上開口U型槽內，一關節(jié)驅動電機軸通過電機自帶的連接器用8所指螺釘穿過9所指螺孔和第二驅動關節(jié)12固定在一起。11所指螺釘通過10所指螺孔頂在第一驅動關節(jié)4上開口U型槽底部淺凹槽內以支撐第二驅動關節(jié)12。所有螺釘可以通過添加墊片螺母的方法保證裝配精度，減輕后一驅動關節(jié)因重力和安裝精度問題對前一驅動關節(jié)電機驅動軸的壓力。13所指為邊緣經過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，通過其上14所指長方形孔將魚體骨架13套入并焊接于12左向開口U型槽和上開口U型槽之間的部分，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側底邊平行。魚體骨架13上15所指的圓孔為走線孔，各驅動關節(jié)電機的供電線和控制線從其中間穿過。第二驅動關節(jié)12結構中的上開口U型槽為安裝驅動電機設置。16處所指兩個螺孔和17處所指兩個螺釘用于將電機固定于上開口U型槽內，二關節(jié)驅動電機軸通過電機自帶的連接器用18所指螺釘穿過19所指螺孔和第三驅動關節(jié)22固定在一起。21所指螺釘通過20所指螺孔頂在第二驅動關節(jié)12上開口U型槽底部淺凹槽內以支撐第三驅動關節(jié)22。23所指為邊緣經過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，其略小于魚體骨架13，通過其上24所指長方形孔將魚體骨架23套入并焊接于22左向開口U型槽和上開口U型槽之間的部分，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側底邊平行。魚體骨架23上25所指的圓孔為走線孔，關節(jié)驅動電機的供電線和控制線從其中間穿過。第三驅動關節(jié)32結構中的上開口U型槽為安裝驅動電機設置。26處所指兩個螺孔和27處所指兩個螺釘用于將電機固定于上開口U型槽內，三關節(jié)驅動電機軸通過電機自帶的連接器用28所指螺釘穿過29所指螺孔和機器魚尾關節(jié)32固定在一起。31所指螺釘通過30所指螺孔頂在第三驅動關節(jié)22上開口U型槽底部淺凹槽內以支撐機器魚尾關節(jié)32。33所指為邊緣經過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，其略小于魚體骨架23，通過其上34所指長方形孔將魚體骨架33套入并焊接于32左向開口U型槽的右側底邊附近，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側底邊平行。魚體骨架33上35所指的圓孔為走線孔，關節(jié)驅動電機的供電線和控制線從其中間穿過。連接件38的具體結構可以參見圖4。機器魚尾關節(jié)32插入連接件38前端柱體的凹槽內，并通過36所指的螺孔和37所指的螺孔用40所指的螺釘固定在一起。機器魚尾42插入連接件38后端錐體的中間凹槽，并用41所指螺釘通過螺孔39將其固定。
通過增加和減少同22一樣的中間驅動關節(jié)可在2-6個之間調整機器魚驅動關節(jié)的數目，并調整魚體長度。圖8給出一個4關節(jié)驅動的仿生機器魚具體機械結構實現的圖片。
(二)仿生機器魚的控制電路仿生機器魚的控制電路結構圖如圖5所示，主要包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息采集模塊、電機驅動模塊、控制參數存儲模塊幾部份。通訊模塊主要進行數據通訊，實現控制命令的下傳和機器魚內部信息的上傳；傳感信息采集模塊主要進行觸覺、視覺、方位、姿態(tài)、聲納等信息的采樣；控制參數存儲模塊主要存儲機器魚游動所需要的各種魚體波控制參數，保證機器魚的游動控制；微控制器模塊通過對傳感信息進行處理，并依據下傳的控制命令和任務，提取控制參數，給出電機控制命令；電機驅動模塊接受微控制器模塊下發(fā)的電機控制命令對機器魚各驅動關節(jié)的步進電機轉動角度進行控制實現機器魚的運動。整個控制電路和驅動電機使用充電電池進行供電，充電電池使用的充電線插頭從魚頭部孔中引出并固定在魚頭上。
依據此仿生機器魚控制電路結構框圖給出的一個仿生機器魚具體實現時控制電路原理圖，如圖6所示。
(三)仿生機器魚的防水密封如圖7所示，仿生機器魚防水蒙皮是使用橡膠注塑成型的橡膠圓筒，上面呈現規(guī)則的波紋如圖7中2所指，圓筒一端大，圖7中1所指處，另一端小，圖7中3所指處。將機器魚魚頭和除魚尾外的各關節(jié)全部安裝在一起，然后將防水蒙皮套在其上，魚皮大的一端1可以依靠橡膠皮的彈性緊緊包在魚頭如
圖1后部，使用橡皮膠將魚皮與魚頭部粘牢；魚皮后部小的一端3依靠橡膠皮的彈性緊緊包在魚體尾部連接件的圓柱體部分，使用橡皮膠將魚皮與魚尾連接件圓柱體部分粘牢；完成防水密封后將魚尾安裝在魚尾連接件上，用螺釘固定緊。依此方法給出的一個全部密封完畢的仿生機器魚，如圖9所示。
實施例依據本實用新型所說明的機械結構，控制電路結構，防水密封方法，制作了一個四關節(jié)的機器魚。使用塑料制作了機器魚的流線型頭部和尾部使用的連接件，鋁板制作了機器魚的各驅動關節(jié)，薄鋁片制作了機器魚魚體骨架和機器魚頭部的連接件，薄塑料板制作具有柔性的機器魚魚尾，結構如圖8所示。按照圖6電路原理圖實現的控制電路，使用51系列單片機芯片做為微控制器，無線通訊模塊作為通訊模塊，E2PROM24C02作為控制參數存儲模塊，CPLD作為電機運動控制驅動單元。該系統使用充電電池為電機、控制電路供電。將防水蒙皮套在機器魚的機構上，使用橡皮膠將防水蒙皮在機器魚頭部和尾部連接件處粘牢，如圖9所示。
權利要求1.一種可遠程遙控的多關節(jié)驅動的仿生機器魚，包括控制部分和多關節(jié)驅動的仿生機器魚體，其特征在于第一驅動關節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅動電機放置在U型槽內；第二驅動關節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。
2.按權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述驅動關節(jié)之間通過驅動電機軸的連接器相連。
3.按權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述上開口U型槽的底部有一淺凹槽，以便螺釘支撐第二驅動關節(jié)。
4.按權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述的橢圓型魚體支撐骨架上有一走線孔。
5.按權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述的控制部分包括通訊模塊，用于數據通訊，實現控制命令的下傳和機器魚內部信息的上傳；傳感信息采集模塊，用于觸覺、視覺、方位、姿態(tài)、聲納等信息的采樣；控制參數存儲模塊，用于存儲機器魚游動所需要的各種魚體波控制參數，保證機器魚的游動控制；微控制器模塊通過對傳感信息進行處理，并依據下傳的控制命令和任務，提取控制參數，給出電機控制命令；電機驅動模塊，接受微控制器模塊下發(fā)的電機控制命令對機器魚各驅動關節(jié)的步進電機轉動角度進行控制實現機器魚的運動。
6.按權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述的多關節(jié)驅動的仿生機器魚體還包括呈現規(guī)則波紋的防水蒙皮。
7.按權利要求6所述的仿生機器魚，其特征在于所述的防水蒙皮由橡膠注塑制成。
專利摘要一種可遠程遙控的多關節(jié)驅動的仿生機器魚，包括控制部分和多關節(jié)驅動的仿生機器魚體，第一驅動關節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅動電機放置在U型槽內；第二驅動關節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。本實用新型可以為研究魚類運動的水動力學、游動機理、運動控制方法提供實驗本體，為制造效率高、機動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的水下運輸設備提供基本的實驗平臺，制作娛樂型或觀賞型仿生機器魚。
文檔編號G09B25/00GK2549555SQ0224116
公開日2003年5月7日 申請日期2002年7月4日 優(yōu)先權日2002年7月4日
發(fā)明者王碩, 喻俊志, 譚民, 陳爾奎, 梁健宏 申請人:中國科學院自動化研究所