多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚的制作方法
【專利摘要】一種多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，它包括魚頭、魚身、魚尾和魚鰭，其特征是所述的魚身包括柔性軸）、柔性骨架和帶有柔性電極的魚身人工肌肉，柔性骨架呈環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，它固定在柔性軸上，魚身人工肌肉以張緊狀態(tài)對(duì)稱布置在柔性骨架之間，當(dāng)一側(cè)的人工肌肉通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉收縮，使柔性軸及魚身產(chǎn)生連續(xù)彎曲，與魚尾、魚鰭配合形成身身/尾鰭推進(jìn)模式；魚頭和魚尾分別安裝在柔性軸的兩端并分別與第一個(gè)和最后一個(gè)柔性骨架相連。本發(fā)明的采用柔性結(jié)構(gòu)與柔性驅(qū)動(dòng)，模仿生物魚類的運(yùn)動(dòng)功能，形成機(jī)器魚整體漸變?nèi)嵝宰冃?，?shí)現(xiàn)柔性身體/尾鰭推進(jìn)和中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式，運(yùn)動(dòng)靈活。
【專利說明】多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿生技術(shù)，尤其是一種仿生機(jī)器魚，具體地說是一種利用人工肌肉柔性驅(qū)動(dòng)的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚。
【背景技術(shù)】
[0002]魚類是自然界最早出現(xiàn)的脊椎動(dòng)物，經(jīng)過億萬年的自然選擇，進(jìn)化出了非凡的水中運(yùn)動(dòng)功能。和普通的水下推進(jìn)器相比，魚類游動(dòng)具有高效率、高機(jī)動(dòng)性、低擾動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)家都在探索不同于螺旋槳推進(jìn)的高效率、機(jī)動(dòng)靈活的水下推進(jìn)方式。仿生機(jī)器魚研究魚類的推進(jìn)機(jī)理，可用于狹窄或危險(xiǎn)水下環(huán)境中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、軍事偵察、水下救援、水下考古、海洋生物觀察、水下設(shè)備檢修等工作，具有重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。
[0004]魚類的推進(jìn)模式根據(jù)產(chǎn)生推進(jìn)力部位的不同，可以分為身體/尾鰭推進(jìn)模式和中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式，目前的機(jī)器魚研究通常集中在一種推進(jìn)方式上，不能真實(shí)模仿魚類在不同場(chǎng)合下的運(yùn)動(dòng)功能。在機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)上，通常采用電機(jī)和形狀記憶合金等，且驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)分離，不能模仿生物魚類的肌肉柔性驅(qū)動(dòng)與直接驅(qū)動(dòng)功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。機(jī)器魚結(jié)構(gòu)多為剛性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，無法產(chǎn)生魚類的整體漸變?nèi)嵝宰冃?，影響了機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)柔順性和運(yùn)動(dòng)性倉(cāng)泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的仿生魚推進(jìn)方式單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)多種推進(jìn)方式的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，以便使仿生魚的前進(jìn)方式與真魚更加逼近。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，它包括魚頭、魚身、魚尾和魚鰭，其特征是所述的魚身包括柔性軸14、柔性骨架3和帶有柔性電極的魚身人工肌肉2，柔性骨架3呈環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，它固定在柔性軸13上，魚身人工肌肉2以張緊狀態(tài)對(duì)稱布置在柔性骨架3之間，當(dāng)一側(cè)的人工肌肉通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉收縮，使柔性軸14及魚身產(chǎn)生連續(xù)彎曲，與魚尾、魚鰭配合形成身身/尾鰭推進(jìn)模式；魚頭I和魚尾6分別安裝在柔性軸14的兩端并分別與第一個(gè)和最后一個(gè)柔性骨架3相連，控制裝置安裝在魚身中。
[0007]所述的魚鰭包括魚身前部對(duì)稱安裝的兩只胸鰭9，在腹部?jī)蓚?cè)對(duì)稱安裝的兩只腹鰭8，在背部中間安裝的一只背鰭4，在其尾部下側(cè)安裝的一只臀鰭7，以及魚尾6上連接的一個(gè)尾鰭5 ;它們均由片狀柔性框架16和帶有柔性電極的魚鰭人工肌肉片17組成，在片狀柔性框架16的中間加工有通孔，若干層魚鰭人工肌肉片17以張緊狀態(tài)布置在片狀柔性框架16兩側(cè)面上，使魚鰭人工肌肉片17上的柔性電極對(duì)準(zhǔn)片狀柔性框架16的通孔；未通電時(shí)，魚鰭呈平面狀，當(dāng)一側(cè)的魚鰭人工肌肉片17通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)魚鰭人工肌肉片17會(huì)收縮，魚鰭能產(chǎn)生單自由度兩方向的連續(xù)彎曲擺動(dòng)。
[0008]所述的胸鰭9對(duì)稱布置在機(jī)器魚身體前部?jī)蓚?cè)下端，沿徑向布置，它連接有用以調(diào)節(jié)胸鰭攻角的胸鰭角度調(diào)整裝置15，該角度調(diào)整裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸19、轉(zhuǎn)盤18和一對(duì)帶有柔性電極的調(diào)角人工肌肉20，胸鰭9與轉(zhuǎn)動(dòng)軸19固連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸19的一端樞裝在柔性軸14上，另一端樞裝在柔性骨架3上，轉(zhuǎn)盤18固定安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸19上，轉(zhuǎn)盤18連接有兩個(gè)調(diào)角用人工肌肉20，調(diào)角人工肌肉20以張緊狀態(tài)一端與轉(zhuǎn)盤18固連，另一端固定在相鄰的柔性骨架3上；當(dāng)一側(cè)調(diào)角人工肌肉20通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉會(huì)收縮，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤19，轉(zhuǎn)盤再帶支轉(zhuǎn)動(dòng)軸19產(chǎn)生單自由度兩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)胸鰭攻角；兩只胸鰭獨(dú)立控制，與其它魚鰭配合，形成中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式(這種模式是一種術(shù)語(yǔ)，英文簡(jiǎn)稱叫MPF，這種方式主要依靠胸鰭或腹鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力。另一種是身體/尾鰭(BCF)推進(jìn)模式)。
[0009]所述的魚頭I的兩側(cè)安裝有攝像頭，在魚頭上部安裝有天線，在魚頭前端安裝有測(cè)距傳感器。
[0010]在所述的魚頭、柔性骨架、魚尾及魚鰭上安裝有發(fā)光纖維，用于視覺觀測(cè)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)。
[0011 ] 所述的人工肌肉為介電型電活性聚合物。
[0012]二只腹鰭對(duì)稱布置在機(jī)器魚身體腹部?jī)蓚?cè)下端，固連在同一環(huán)形框架即柔性骨架3上。所述背鰭、臀鰭、尾鰭安裝在機(jī)器魚的豎直對(duì)稱面上，背鰭和臀鰭固連在兩個(gè)或多個(gè)相鄰環(huán)形框架即柔性骨架3之間，尾鰭與魚尾固連。
[0013]本發(fā)明的機(jī)器魚可采用身體/尾鰭推進(jìn)模式。當(dāng)柔性骨架一側(cè)的人工肌肉通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉縮短,使柔性軸及機(jī)器魚身體產(chǎn)生柔性連續(xù)彎曲，與尾鰭配合產(chǎn)生擺動(dòng)推進(jìn)。此時(shí)，未通電的魚鰭起到掌控平衡與方向的作用。在機(jī)器魚采用身體/尾鰭推進(jìn)模式時(shí)，通過角度調(diào)整機(jī)構(gòu)改變胸鰭攻角，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的上浮和下潛運(yùn)動(dòng)。
[0014]機(jī)器魚可采用中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式。以胸鰭為推進(jìn)力主要來源，此時(shí)由角度調(diào)整機(jī)構(gòu)改變胸鰭攻角。當(dāng)所述胸鰭一側(cè)的人工肌肉通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉收縮，使胸鰭產(chǎn)生柔性連續(xù)彎曲形成擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，其它魚鰭配合提供部分推進(jìn)力。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明的機(jī)器魚采用柔性驅(qū)動(dòng)與柔性結(jié)構(gòu)，能更好模仿魚類的柔性運(yùn)動(dòng)功能，產(chǎn)生機(jī)器魚的整體漸變?nèi)嵝宰冃巍Ｈ嵝则?qū)動(dòng)一介電型電活性聚合物人工肌肉具有能量密度高、響應(yīng)速度快、無摩擦、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，類似于生物肌肉，不需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0016]2、本發(fā)明的機(jī)器魚能采用身體/尾鰭和中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式，機(jī)器魚可根據(jù)運(yùn)動(dòng)需要選擇合適的推進(jìn)方式，運(yùn)動(dòng)靈活。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的柔性仿生機(jī)器魚立體外形結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是本發(fā)明的柔性仿生機(jī)器魚的整體骨架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3是本發(fā)明的魚鰭的立體分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明的胸鰭的角度調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:1為魚頭，2為帶有柔性電極的魚身人工肌肉，3為柔性骨架，4為背鰭，5為尾鰭,6為魚尾,7為臀鰭,8為腹鰭,9為胸鰭，10為天線，11為測(cè)距傳感器，12為攝像頭，14為柔性軸，15為胸鰭角度調(diào)整裝置，16為片狀柔性框架，17為帶有柔性電極的魚鰭人工肌肉，18為轉(zhuǎn)盤，19為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，20為帶有柔性電極的調(diào)角人工肌肉。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023]如圖1-4所示。
[0024]一種多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，它主要由魚頭1、魚身、魚尾6和各種魚鰭組成，如圖1所示，魚頭I由帶有柔性電極的魚身人工肌肉2、柔性骨架3和柔性軸14組成，如圖2所示。柔性軸14和與柔性軸14固連的若干環(huán)形框架狀(類似汽車方向盤結(jié)構(gòu)，如圖2)柔性骨架3組成了本發(fā)明的機(jī)器魚骨架結(jié)構(gòu)13，所述魚身人工肌肉2對(duì)稱分布在柔性骨架3兩側(cè)，呈張緊狀態(tài)安裝在相鄰兩環(huán)形柔性骨架3之間。所述的魚身人工肌肉2是一種介電型電活性聚合物，具有能量密度高、響應(yīng)速度快，無摩擦無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，類似于生物肌肉。機(jī)器魚身體的運(yùn)動(dòng)模仿生物的主動(dòng)肌對(duì)抗肌驅(qū)動(dòng)原理，一側(cè)的魚身人工肌肉2通電后拉應(yīng)力減小，另一側(cè)的魚身人工肌肉2就會(huì)收縮，帶動(dòng)柔性軸14及機(jī)器魚身體產(chǎn)生一個(gè)自由度兩個(gè)方向的連續(xù)彎曲，與尾鰭5配合形成身體/尾鰭推進(jìn)。機(jī)器魚兩側(cè)的魚笛人工肌肉2可獨(dú)立控制，改變機(jī)器魚身體的波形、波幅、頻率可控制推進(jìn)力及轉(zhuǎn)彎力矩，控制裝置可安裝有魚身中。
[0025]背鰭4、尾鰭5、臀鰭7、腹鰭8、胸鰭9組成機(jī)器魚的魚鰭，它們均模仿真實(shí)魚鰭外形，魚鰭4、5、7、8、9均采用雙側(cè)驅(qū)動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)，包括片狀柔性框架16和帶有柔性電極的魚鰭人工肌肉17，如圖3所示，在片狀柔性框架16上加工有通孔，將若干層魚鰭人工肌肉17以張緊狀態(tài)安裝于片狀柔性框架16兩側(cè)，并使魚鰭人工肌肉17上的柔性電極區(qū)域與片狀柔性框架16的通孔對(duì)準(zhǔn)。在未通電時(shí)，魚鰭4、5、7、8、9呈平面形狀。當(dāng)一側(cè)的魚鰭人工肌肉17通電后拉應(yīng)力減小，另一側(cè)的魚鰭人工肌肉17收縮，魚鰭4、5、7、8、9能產(chǎn)生大角度連續(xù)彎曲，形成擺動(dòng)。
[0026]機(jī)器魚的兩只胸鰭9對(duì)稱布置于身體前部?jī)蓚?cè)下端位置，沿徑向布置。在未通電時(shí)，胸鰭9處于平面狀態(tài)，用于機(jī)器魚的平衡。胸鰭9與角度調(diào)整機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)動(dòng)軸19固連，如圖4所示，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)15的轉(zhuǎn)動(dòng)軸19 一端穿過機(jī)器魚身體前部的一個(gè)環(huán)形框13，另一端與同一環(huán)形框13鉸接，轉(zhuǎn)動(dòng)軸19通過轉(zhuǎn)盤18由一對(duì)人工肌肉20驅(qū)動(dòng)，當(dāng)一側(cè)的人工肌肉20通電后拉應(yīng)力減小，另一側(cè)的人工肌肉20收縮，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤18和轉(zhuǎn)動(dòng)軸19轉(zhuǎn)動(dòng)，改變胸鰭9的攻角。在身體/尾鰭推進(jìn)時(shí)，改變胸鰭9的攻角可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的上浮與下潛。胸鰭9的攻角改變后，胸鰭9擺動(dòng)可產(chǎn)生向前或向后的反作用力，胸鰭9的擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能與其它魚鰭配合可形成中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)。兩側(cè)胸鰭9獨(dú)立控制，當(dāng)兩側(cè)胸鰭9采用不同的攻角及不同的動(dòng)作頻率和彎曲幅度時(shí)，可產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎力矩用于機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎。
[0027]機(jī)器魚的兩只腹鰭8對(duì)稱布置在身體腹部?jī)蓚?cè)下端，沿徑向布置，腹鰭8擺動(dòng)時(shí)可配合胸鰭9形成推進(jìn)。機(jī)器魚的背鰭4布置于身體背部，位于豎直對(duì)稱面內(nèi)，可產(chǎn)生彎曲擺動(dòng)，臀鰭7布置于身體尾部下端，位于豎直對(duì)稱面內(nèi)，可產(chǎn)生彎曲擺動(dòng)。背鰭4和臀鰭7固連在兩個(gè)或多個(gè)相鄰的環(huán)形框13之間。尾鰭5與魚尾6固連，位于豎直對(duì)稱面內(nèi)。
[0028]在魚頭I上部安裝有天線10，用于無線通訊與GPS導(dǎo)航。在魚頭I的兩側(cè)安裝有攝像頭12，用于獲取機(jī)器魚前方的圖像。在魚頭I前端安裝有測(cè)距傳感器11，用于測(cè)量機(jī)器魚前方是否有障礙物及與障礙之間的距離，測(cè)距傳感器11可用超聲波傳感器、激光傳感器、紅外傳感器等。
[0029]在機(jī)器魚的魚頭1、柔性骨架的環(huán)形框13、魚尾6及魚鰭4、5、7、8、9上安裝有發(fā)光纖維，用于視覺觀測(cè)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)，也可增加機(jī)器魚的觀賞性。
[0030]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，它包括魚頭、魚身、魚尾和魚鰭，其特征是所述的魚身包括柔性軸(14)、柔性骨架(3)和帶有柔性電極的魚身人工肌肉(2)，柔性骨架(3)呈環(huán)形框架結(jié)構(gòu)，它固定在柔性軸(13)上，魚身人工肌肉(2)以張緊狀態(tài)對(duì)稱布置在柔性骨架(3 )之間，當(dāng)一側(cè)的人工肌肉通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉收縮，使柔性軸(14)及魚身產(chǎn)生連續(xù)彎曲，與魚尾、魚鰭配合形成身身/尾鰭推進(jìn)模式；魚頭(I)和魚尾(6)分別安裝在柔性軸(14)的兩端并分別與第一個(gè)和最后一個(gè)柔性骨架(3)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，其特征是所述的魚鰭包括魚身前部對(duì)稱安裝的兩只胸鰭(9)，在腹部?jī)蓚?cè)對(duì)稱安裝的兩只腹鰭(8)，在背部中間安裝的一只背鰭(4)，在其尾部下側(cè)安裝的一只臀鰭(7)，以及魚尾(6)上連接的一個(gè)尾鰭(5)；它們均由片狀柔性框架(16)和帶有柔性電極的魚鰭人工肌肉片(17)組成，在片狀柔性框架(16)的中間加工有通孔，若干層魚鰭人工肌肉片(17)以張緊狀態(tài)布置在片狀柔性框架(16)兩側(cè)面上，使魚鰭人工肌肉片(17)上的柔性電極對(duì)準(zhǔn)片狀柔性框架(16)的通孔；未通電時(shí)，魚鰭呈平面狀，當(dāng)一側(cè)的魚鰭人工肌肉片(17)通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)魚鰭人工肌肉片(17)會(huì)收縮，魚鰭能產(chǎn)生單自由度兩方向的連續(xù)彎曲擺動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，其特征是所述的胸鰭(9)連接有用以調(diào)節(jié)胸鰭攻角的角度調(diào)整裝置，該角度調(diào)整裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸(19)、轉(zhuǎn)盤(18)和一對(duì)帶有柔性電極的調(diào)角人工肌肉(20)，胸鰭(9)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸(19)固連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸(19)的一端樞裝在柔性軸(14)上，另一端樞裝在柔性骨架(3)上，轉(zhuǎn)盤(18)固定安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸(19)上，轉(zhuǎn)盤(18)連接有兩個(gè)調(diào)角用人工肌肉(20)，調(diào)角人工肌肉(20)以張緊狀態(tài)一端與轉(zhuǎn)盤(18)固連，另一端固定在相鄰的柔性骨架(3)上；當(dāng)一側(cè)調(diào)角人工肌肉(20)通電時(shí)拉應(yīng)力減小，另一側(cè)人工肌肉會(huì)收縮，帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(19)，轉(zhuǎn)盤再帶支轉(zhuǎn)動(dòng)軸(19)產(chǎn)生單自由度兩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)胸鰭攻角；兩只胸鰭獨(dú)立控制，與其它魚鰭配合，形成中間鰭/對(duì)鰭推進(jìn)模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，其特征是所述的魚頭(I)的兩側(cè)安裝有攝像頭，在魚頭上部安裝有天線，在魚頭前端安裝有測(cè)距傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組合推進(jìn)式柔性仿生機(jī)器魚，其特征是在所述的魚頭、柔性骨架、魚尾及魚鰭上安裝有發(fā)光纖維，用于視覺觀測(cè)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的柔性仿生機(jī)器魚，其特征是所述的人工肌肉為介電型電活性聚合物。
【文檔編號(hào)】B63H1/36GK104015904SQ201410233127
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】王躍成 申請(qǐng)人:王躍成