本發(fā)明涉及一種人工肌肉驅動的柔性胸鰭擺動推進仿生機器魚，具體來說是利用柔性人工肌肉驅動片狀柔性框架實現(xiàn)胸鰭擺動的仿生機器魚，屬于仿生機器人技術領域。

背景技術：

魚類的推進模式根據(jù)產生推進力部位的不同，可以分為身體/尾鰭推進模式和中間鰭/對鰭推進模式，身體/尾鰭推進模式具有高速推進性能。隨著仿生魚研究的不斷深入，以胸鰭為主要推進力來源的推進模式引起科研人員的注意，其在推進效率、轉彎機動性、游動穩(wěn)定性等方面具有較為明顯優(yōu)勢。

采用胸鰭擺動推進模式的魚類屬于軟骨魚類，擁有大而扁平的柔軟胸鰭。鈣化的硬骨和軟骨組成的放射性鰭條遍布胸鰭內部，與肌肉有機結合，能實現(xiàn)胸鰭變形、運動的靈活控制。雙側胸鰭的同步、異步擺動配合實現(xiàn)前進、轉彎、上浮、下潛。胸鰭擺動推進模式具有高效率、高機動性和高穩(wěn)定性等特點，胸鰭擺動推進需要產生有效攻角才能夠產生向前的推進力。目前，采用胸鰭擺動推進的仿生機器魚多采用兩種方式實現(xiàn)有效攻角：一種采用柔性胸鰭前緣驅動，通過柔性鰭面和水流作用產生的被動變形實現(xiàn)攻角，鰭面變形可控程度低；采用多鰭條驅動機構，通過各鰭條擺動相位差，實現(xiàn)鰭面的波動傳遞，實現(xiàn)有效攻角。

目前，除個別該類機器魚采用記憶合金或者氣動人工肌肉驅動外，通常仍采用傳統(tǒng)的電動機作為胸鰭擺動的驅動器，驅動、傳動通常是剛性且分離，結構復雜，鰭條通常采用剛性或柔性結構，以膜狀或板狀柔性材料構成胸鰭鰭面，不能產生鰭面整體漸變的柔性變形，不能實現(xiàn)胸鰭擺動魚類在運動過程中的復雜鰭面運動，也無法達到與其自然原型等同的運動性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單且能實現(xiàn)復雜鰭面運動的柔性胸鰭擺動機器魚。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案：

一種人工肌肉驅動的柔性胸鰭擺動推進機器魚由本體、柔性胸鰭、魚尾、控制器、柔性防水套組成。所述機器魚外形采用流線形，輪廓模仿胸鰭推進魚類的輪廓。

所述機器魚的本體采用盒狀結構，控制器置于本體中。所述柔性胸鰭底邊與本體側面固連，所述魚尾與本體尾部固連。

所述柔性胸鰭采用柔性結構與柔性驅動，胸鰭沿機器魚長度方向可劃分為n個可獨立控制、相互連接的柔性驅動單元，n為自然數(shù)，大于等于1，每個驅動單元由片狀柔性框架和電活性聚合物人工肌肉組成。將若干層人工肌肉呈張緊狀態(tài)布置在片狀柔性框架兩側，當一側的人工肌肉通電時拉應力減小，另一側人工肌肉會產生收縮，柔性驅動單元能產生單自由度兩方向的連續(xù)彎曲擺動。多個驅動單元可采用同一個片狀柔性框架，也可采用多個獨立的片狀柔性框架，再將相鄰驅動單元的相鄰側邊固連。柔性框架采用梯形截面，即胸鰭邊緣薄、胸鰭根部厚的結構形式，柔性框架在人工肌肉的拉力作用下在橫向保持近似等剛度特性。

所述柔性胸鰭的多個柔性驅動單元可獨立控制，通過控制各驅動單元的通電時序與電壓，使胸鰭產生柔性漸變變形，實現(xiàn)復雜的胸鰭波形和鰭面運動。所述機器魚的兩側胸鰭獨立控制，實現(xiàn)兩側胸鰭的同步和異步擺動。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、胸鰭將柔性結構與柔性驅動相結合，能更好模仿胸鰭擺動推進魚類的運動性能。電活性聚合物人工肌肉具有能量密度高、響應速度快、無摩擦無噪聲等優(yōu)點，類似于生物肌肉。采用柔性框架，能產生連續(xù)彎曲變形，且不需要傳動機構，實現(xiàn)直接驅動，結構簡單。

2、胸鰭由若干柔性驅動單元組成，每個驅動單元可獨立控制，通過控制各驅動單元的通電時序與電壓，可實現(xiàn)復雜的胸鰭波形，兩側胸鰭可獨立控制，實現(xiàn)同步和異步擺動。

附圖說明

圖1為柔性胸鰭擺動機器魚；

圖2為柔性胸鰭擺動機器魚的橫截面圖；

圖3為柔性框架；

圖4為人工肌肉。

圖中標號分別為：1為柔性胸鰭，2為本體，3為魚尾，4為柔性防水套，5為攝像頭，6為人工肌肉，7為片狀柔性框架，8為通孔，9為柔性電極。

具體實施方式

本發(fā)明是一種利用人工肌肉驅動的柔性胸鰭擺動推進機器魚，包括柔性胸鰭1、本體2、魚尾3、柔性防水套4、攝像頭5和置于本體內的控制器。機器魚的輪廓模仿胸鰭擺動推進的魚類，采用流線形外觀，減小水流阻力。柔性胸鰭1的底邊與本體2的側面固連，魚尾3與本體2的尾部固連，魚尾3采用柔性材料制成。

柔性胸鰭1的橫截面如圖2所示，采用雙面驅動懸臂梁結構，包括片狀柔性框架7和人工肌肉6，在片狀柔性框架7的兩側各布置有若干層人工肌肉6，人工肌肉6為電活性聚合物人工肌肉。沿機器魚長度方向將柔性胸鰭1劃分為n個柔性驅動單元，n為自然數(shù)，且大于等于1。多個柔性驅動單元可共用一個片狀柔性框架7，在片狀柔性框架7中間加工有多個通孔，將若干層帶有柔性電極9的人工肌肉6以張緊狀態(tài)布置于柔性框架7兩側，使人工肌肉上的柔性電極9與片狀柔性框架上的通孔8對應，每個帶有一塊柔性電極9的人工肌肉6區(qū)域與相鄰的邊框就形成一個柔性驅動單元，構成多個柔性驅動單元組成的柔性胸鰭1。當不通電時，柔性胸鰭1呈平面狀，一側的人工肌肉6通電時拉應力減小，另一側人工肌肉6收縮，柔性驅動單元能產生單自由度兩方向的連續(xù)彎曲擺動。各柔性驅動單元也可獨立采用一個片狀柔性框架，再將相鄰柔性驅動單元的相鄰邊固連。

片狀柔性框架7既可采用矩形截面，即從胸鰭1邊緣到胸鰭1根部的厚度一致，也可以采用邊緣處薄、根部厚的梯形截面結構，使得柔性框架7能在橫向尺寸上保持等剛度特性，可防止框架在人工肌肉拉力作用下的失穩(wěn)。

通過控制柔性胸鰭1各柔性驅動單元的通電時序與電壓，能形成復雜的鰭面波形。通過兩側柔性胸鰭1的獨立控制，實現(xiàn)柔性胸鰭1的同步和異步擺動。

在機器魚外套上柔性防水套4，采用防水密封膠密封縫隙，實現(xiàn)防水密封。在機器魚的頭部增加攝像頭，用于對水下情況進行實時監(jiān)測。