本發(fā)明涉及仿生水下潛器，尤其是涉及一種骨架式多弦牽動水下機器魚。

背景技術：

魚類在水中運動時，其速度或能耗單一方面可能不是最優(yōu)的，但其整體綜合性能經過長期自然選擇和優(yōu)勝略汰，已進化至卓越。由于魚類在水中運動的優(yōu)越性能，吸引仿生潛器研究，力圖應用魚類結構和運動機理制造出和真魚一樣游泳性能的仿生機器魚。

目前大部分機器魚采用多關節(jié)串聯(lián)驅動方式，即一個電機驅動一個關節(jié)，通過控制每個電機的運動來控制每節(jié)魚體的擺動角度和速度，以此來擬合魚游動的身體曲線。這種方式基本接近魚類游動時的體態(tài)，但在關節(jié)較少時游動較為生硬，且這種方法對電機的同步性要求較高，隨著關節(jié)數量的增多控制起來也比較復雜，功耗較高。這些因素導致這類仿生機器魚難以實現(xiàn)完全柔性的推進運動，推進效率難以與魚類媲美，機動性和穩(wěn)定性還存在不足。此外，已有基于弦動原理的機器魚采用單條彈性桿作為脊柱貫穿整個魚體，并采用單對弦作為動力牽引。但其單條彈性桿作為支撐軀干限制了各關節(jié)擺動的自由度，因而相對于多關節(jié)串聯(lián)驅動機器魚的大幅度和靈活性，單對弦動機器魚在動力、靈活性和穩(wěn)定性上存在顯著不足。

中國專利CN104743088A公開一種仿生水下機器魚驅動機構及其工作方法，它的動力鰭翅由一個主動鰭翅和兩個以上的前后排列的從動鰭翅組成；所述的主動鰭翅和從動鰭翅都是由“匚”形翅框和布置在“匚”形翅框上的一個或數個上下排列的翅片組成，翅片的上端兩側通過軸鉸接在翅框的上框上，翅片的下端下垂在各個翅框的下框之后；主動鰭翅和從動鰭翅在機器魚殼體外側從前向到后順序排列安裝，形成多組連在一起的平行四連桿機構。本發(fā)明實現(xiàn)了舵機轉向不變的前提下完成動力鰭翅的前后不同速度的擺動和翅葉自如的開閉，從而使機器魚向前推進，達到運動速度快、效率高、噪音小、不纏草和能通過水道狹窄處的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的機器魚存在的上述不足，提供靈活性與穩(wěn)定性較高，能耗較低，利用骨架結構實現(xiàn)多節(jié)點靈活控制，利用單舵機和多弦牽引克服多舵機非柔性機動的一種骨架式多弦牽動水下機器魚。

本發(fā)明設有魚頭、胸鰭、舵盤、舵機、舵機架、第一骨節(jié)、第二骨節(jié)、尾鰭、牽引弦、萬向節(jié)、機艙、背鰭、配重倉、控制裝置和探測模塊；

一對胸鰭固定在穿過魚頭的細桿上，細桿可加齒輪和電機，從而帶動胸鰭運動；所述舵盤與舵機通過舵機的齒輪咬合，可用螺絲加固，舵機設置于機艙外部的舵機架內，舵機導線由機艙開口通入機艙內，機艙開口用膠密封；所述舵機架與機艙相連；所述第一骨節(jié)、第二骨節(jié)和舵機架上均設有圓柱形突起，舵機架和第一骨節(jié)之間用萬向節(jié)連接，第一骨節(jié)和第二骨節(jié)之間用萬向節(jié)連接，第一骨節(jié)和第二骨節(jié)之間加裝彈性桿作為脊柱，用于增加穩(wěn)定性和靈動性，用螺栓穿過第二骨節(jié)與尾鰭連接處的圓孔并進行連接；所述牽引弦穿過第一骨節(jié)和第二骨節(jié)兩側的孔，牽引弦一端固定在舵盤上，牽引弦另一端固定在第二骨節(jié)上，當舵機運動時，牽引弦?guī)佣姹P轉動，舵盤拉動牽引弦，帶動魚尾擺動；所述背鰭與魚頭為一體；所述控制裝置設置于機艙的空腔內；所述配重倉設在魚頭內腔；控制裝置設有電池、主控板和通訊模塊；探測模塊設在魚頭的內腔前部。

所述魚頭前部可設頭部預留接口，所述魚頭的尾部可設有魚皮接口，所述第一骨節(jié)和第二骨節(jié)上均可設有魚皮接口。

所述舵機可采用WK-M1500舵機作為控制電機。

所述第一骨節(jié)和第二骨節(jié)構成魚身和魚尾。

所述彈性桿可采用Ni-Ti合金桿。

所述探測模塊可設有攝像頭。

所述配重倉可設在魚頭內腔兩側或下部。

運動時通過藍牙連接通訊模塊，發(fā)送相應指令，命令舵機運動。也可以提前對主控板設置游動方式，進行自主游動。

本發(fā)明利用骨架結構來實現(xiàn)多節(jié)點靈活控制，利用單舵機和多弦牽引來克服多舵機非柔性機動的水下機器魚裝置。配合骨架式尾部結構，從而實現(xiàn)用一個舵機代替多個舵機的效果：利用多弦牽引，提高魚尾擺動的穩(wěn)定性；利用萬向節(jié)連接骨架，保證骨架大幅度擺動的能力；利用柔性桿的彈性，將關節(jié)的運動變得連續(xù)而不生硬。節(jié)約能源，降低噪聲，自然也提高工作效率。機器魚頭部預留兩個外接設備的開口，從而將機器魚打造成一個搭載平臺，可以根據需要外設合適的傳感器及攝像器材。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明去除魚皮后的實施例結構示意圖。

圖2是本發(fā)明去除魚皮后的實施例的側視剖面示意圖。

圖3是本發(fā)明去除魚皮后的實施例頭部的示意圖。

圖4是本發(fā)明去除魚皮后的實施例的C形擺動圖。

圖5是本發(fā)明去除魚皮后的實施例的S形擺動圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖1～5所示，本發(fā)明實施例設有魚頭1、胸鰭2、舵盤3、舵機4、舵機架5、第一骨節(jié)6、第二骨節(jié)7、尾鰭8、牽引弦9、萬向節(jié)10、機艙13、背鰭14、配重倉16、控制裝置和探測模塊；

一對胸鰭2固定在穿過魚頭1的細桿上，細桿可加齒輪和電機，從而帶動胸鰭運動；所述舵盤3與舵機4通過舵機4的齒輪咬合，可用螺絲加固，舵機4設置于機艙13外部的舵機架5內，舵機導線由機艙開口通入機艙13內，機艙開口用膠密封；所述舵機架5與機艙13相連；所述第一骨節(jié)6、第二骨節(jié)7和舵機架5上均設有圓柱形突起，舵機架5和第一骨節(jié)6之間用萬向節(jié)10連接，第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7之間用萬向節(jié)10連接，第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7之間加裝彈性桿11作為脊柱，用于增加穩(wěn)定性和靈動性，用螺栓穿過第二骨節(jié)7與尾鰭8連接處的圓孔并進行連接；所述牽引弦9穿過第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7兩側的孔，牽引弦9一端固定在舵盤3上，牽引弦9另一端固定在第二骨節(jié)7上，當舵機運動時，牽引弦9帶動舵盤3轉動，舵盤3拉動牽引弦9，帶動魚尾擺動；所述背鰭14與魚頭1為一體；所述控制裝置設置于機艙13的空腔內；所述配重倉16可設在魚頭1的內腔下部；控制裝置設有電池、主控板和通訊模塊；探測模塊設在魚頭1的內腔前部。

所述魚頭1前部可設頭部預留接口12，所述魚頭1的尾部可設有魚皮接口15，所述第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7上均可設有魚皮接口15。

所述第一骨節(jié)6和第二骨節(jié)7構成魚身和魚尾。

所述彈性桿11可采用Ni-Ti合金桿。

所述探測模塊可設有攝像頭。

本發(fā)明的防水部分用封蓋加膠的方式對機艙進行防水處理，舵機和主機艙分離，舵機采用防水舵機。主機艙的防水裝置分為防水主機艙和主機艙防水蓋兩個部分。先將兩個部分的接觸面打磨平整，在安裝的過程中要用RTV硅橡膠把主機艙口和主機艙身粘接起來。

所述骨架式多弦牽動水下機器魚的尺寸為：長度為53.73cm，外寬為12.33cm，內寬為9.56cm，高為15.02cm，質量為1.5kg；所述第一骨節(jié)(大骨節(jié))的長度為85mm，第二骨節(jié)(小骨節(jié))的長度為84mm；尾鰭的長度為114mm，牽引弦9的長度為170mm，牽引弦9兩側各有上中下3股弦以提高穩(wěn)定性。以最常見魚類——鯉魚作為仿生對象進行3D建模然后打印。本發(fā)明將魚分成了頭部和尾部，其中尾部由2塊骨節(jié)組成。其中魚殼、舵盤、骨架以及胸鰭和尾鰭都是用3D打印機打印的。

本發(fā)明整體分為前后兩部分，用萬向節(jié)連接在一起，形成流線外形魚體的頭部、魚身。魚殼頭部其魚眼處可以根據實際需要安裝光源，魚頭形成中空的內腔,魚嘴附近的前腔搭載攝像頭等探測模塊，后腔分為上下兩部分，上部用來安放機艙，下部為浮力調節(jié)配重倉部分。將機艙和機艙防水蓋兩個部分的接觸面打磨平整，在安裝的過程中用RTV硅橡膠把主機艙口和主機艙身粘接起來。魚尾附帶乳膠魚皮，用O型密封圈將魚皮包裹固定于魚尾外緣，整體模仿出魚的形態(tài)。

本發(fā)明軀干的多弦牽引結構由舵盤和牽引弦構成，舵盤與舵機連接，骨節(jié)進行多處開孔處理，3條牽引弦穿過孔連接在第二骨節(jié)上，牽引骨架式魚尾擺動。彈性桿采用Ni-Ti合金桿。該材料是一種形狀記憶合金，它的伸縮率在20％以上，阻尼特性比普通的彈簧高10倍，是一種優(yōu)秀的彈性材料。記憶合金除具有獨特的形狀記憶功能外，還具有耐磨損、抗腐蝕、高阻尼和超彈性等優(yōu)異特點。用該材料為骨節(jié)提供回復力，可以實現(xiàn)關節(jié)與關節(jié)之間大擺幅運動，并且增加骨節(jié)之間的穩(wěn)定性。

本發(fā)明軀干采用骨架式結構，由第一骨節(jié)、第二骨節(jié)、尾鰭、萬向節(jié)、柔性桿構成。骨節(jié)和舵機架間、骨節(jié)與骨節(jié)使用萬向節(jié)連接，使關節(jié)具有獨立大幅度轉動的能力，克服了現(xiàn)有的弦動機器魚設計中單軸穿過整個尾部導致的關節(jié)轉動幅度受限的現(xiàn)象。同時使用柔性桿，提供大幅度擺動后的回復力，使關節(jié)活動更自然柔順。

單舵機動力裝置采用舵機架，舵機架內安裝有一防水舵機，其上連接舵盤。舵機帶動舵盤轉動以控制魚尾擺動，具體為：舵機將轉動運動傳遞到舵盤，舵盤拉扯固定在第二骨節(jié)上的牽引弦，引起第二骨節(jié)運動，從而實現(xiàn)魚身和魚尾左右不同角度定向規(guī)律擺動，完成多自由空間動作,進行大幅度的柔性擺動；舵盤每側連接3條牽引弦，使動力分布均勻并增加了穩(wěn)定性。

所述控制裝置的主控板為Arduino開發(fā)板，通訊模塊為HC-05或HC-06藍牙模塊，采用ITEAD Bluetooth Robot或BT Client app，能夠在手機終端控制下完成魚尾的擺動，供電系統(tǒng)主要為18650可充式鋰電池強力電池，在配重倉內預放2塊鉛鐵板進行浮力調節(jié)。

所述舵機可采用WK-M1500舵機作為控制電機，該舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制裝置，有利于在仿生機器魚游動性能的測試過程中測試機器魚在不同擺幅和頻率下的游動性能。

本發(fā)明利用多弦牽引的方式，配合骨架式尾部結構，從而實現(xiàn)用一個舵機代替多個舵機的效果，利用柔性桿的彈性，將關節(jié)的運動變得連續(xù)而不生硬，可以實現(xiàn)C型和S型運動，提供了一種相比多電機聯(lián)動機器魚更簡單、節(jié)能、高效的方案。