專利名稱：仿生機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水下探測(cè)、水下觀察、水下偵査等能夠在水中進(jìn)行活動(dòng)的裝置，具 體是一種仿生機(jī)器魚。
背景技術(shù)：
魚類的游動(dòng)，特別是鰺科類魚的游動(dòng)，其動(dòng)力來源主要是尾部的擺動(dòng)。目前，機(jī)器魚的 游動(dòng)擺尾裝置大多采用多關(guān)節(jié)串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)方式，這種方式控制比較復(fù)雜；或者采用人工肌肉 驅(qū)動(dòng)的方式，這些方式成本很高且控制復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，時(shí)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且游動(dòng)效 果逼真的仿生機(jī)器魚。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種仿生機(jī)器魚，包括魚皮，魚尾骨 架、魚身骨架以及設(shè)置在魚身骨架上的伺服電動(dòng)機(jī)，所述的魚皮套在所述的魚尾骨架和魚身 骨架外，還包括一錐齒輪副，該錐齒輪副也設(shè)置在所述的魚身骨架上，所述的伺服電動(dòng)機(jī)的 輸出軸與錐齒輪副的輸入軸固定連接，錐齒輪副的輸出軸與一擺桿的固定端固定連接，在魚 身骨架的末端還設(shè)置有一彈性薄片，所述的魚尾骨架與所述的彈性薄片固定相連，彈性薄片 的一端與魚身骨架相連，彈性薄片的末端為龜尾方向，彈性薄片的中部與所述的擺桿的自由 端活動(dòng)連接。
所述的彈性薄片的外形輪廓為魚形。
所述的彈性薄片與魚身骨架的連接端開設(shè)有一槽口，該缺口延伸至機(jī)器魚的尾柄處，所 述的擺桿位于缺口的中心，且在擺桿的自由端開設(shè)有槽口，所述的擺桿通過槽口插接在彈性 薄片的槽口內(nèi)側(cè)。
在所述的擺桿的自由端設(shè)置有一短銷，在該短銷的兩端開設(shè)有槽口，所述的彈性薄片的 缺口兩側(cè)設(shè)置在槽口內(nèi)。
所述的短銷位于機(jī)器魚的尾柄處，尤其是位于機(jī)器魚的尾柄末端。
所述的彈性薄片缺口兩側(cè)的厚度相同，且單側(cè)的厚度從魚身骨架連接端向缺U的末端線 性遞減。
本發(fā)明機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)理是，在水中，受到一個(gè)往復(fù)變化的集中力的懸臂梁，其波動(dòng)的 曲線和鯽魚的游動(dòng)時(shí)的身體中心曲線相似。本發(fā)明的核心為尾部的擺動(dòng)設(shè)計(jì)。按照原理所述，這里使用彈性體模擬魚類的尾部，替代現(xiàn)有設(shè)計(jì)所采用的剛性結(jié)構(gòu)。使用電機(jī)?？叵到y(tǒng)控制 伺服電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng)尾部的擺動(dòng)，彈性的尾部是由可以簡(jiǎn)化為懸臂梁模型的彈性薄片來實(shí)現(xiàn)的。 尾部的動(dòng)力來源只有一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，具體的機(jī)械機(jī)構(gòu)包含以下部分伺服電動(dòng)機(jī)、換向錐 齒輪組、彈性薄片以及擺桿。伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過一對(duì)錐齒輪換向機(jī)構(gòu)換向后帶動(dòng)一根 擺桿繞其轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；擺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與其末端連接的彈性薄片發(fā)生彎曲，彈性薄片彎曲
時(shí)受到連接點(diǎn)的集中力和外部水的分布阻力的共同作用，便產(chǎn)生魚尾的曲線擺動(dòng)，從而與真 實(shí)的魚游姿態(tài)趨于一致，效果逼真。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-
1、 本發(fā)明的仿生機(jī)器魚，伺服電動(dòng)機(jī)通過換向錐齒輪組與擺桿固定連接，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)變?yōu)閿[桿的擺動(dòng)，在擺桿的末端連接彈性薄片，機(jī)器魚在水中游動(dòng)時(shí)，尾部的彈性薄受到 擺桿的集中作用力和水分布阻力的雙重作用，因此，魚尾部的擺動(dòng)軌跡為曲線，真實(shí)的魚游
姿態(tài)趨于一致，效果逼真。
2、 采用輪廓為魚形的彈性薄片后，機(jī)器魚的擺動(dòng)更加與真實(shí)魚的擺動(dòng)曲線一致，彈性薄 片的集中受力點(diǎn)在彈性薄片的中心，當(dāng)彈性薄片僅受擺桿集中力的作用時(shí)，彈性薄片在擺動(dòng) 時(shí)，本身就具有中心受力點(diǎn)變形大，周邊變形小的特點(diǎn)，當(dāng)同時(shí)受到水分布阻力的作用時(shí)， 彈性薄片的變形就更加與真實(shí)魚的游動(dòng)曲線吻合。
3、 本發(fā)明機(jī)器魚，在彈性薄片上設(shè)置缺口，從而將彈性薄片與魚身骨架的連接端分為上 下兩部分，擺桿位于缺口內(nèi)，并將彈性薄片插在擺桿前端的槽口內(nèi)，同樣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 且擺動(dòng)易于控制的特點(diǎn)。
4、 本發(fā)明在擺桿的自由端設(shè)置短銷，所述短銷是圓柱形，上下兩端對(duì)稱，都開有槽口， 彈性薄片被缺口分成的兩部分分別卡接在短銷的兩端槽口內(nèi)，將擺桿的單作用點(diǎn)轉(zhuǎn)化為短銷 的兩作用點(diǎn)，使得彈性薄片的擺動(dòng)更合理，上下趨于一致性。
5、 本發(fā)明彈性薄片被缺口分成的上下兩部分的厚度相同，且單側(cè)的厚度從魚身骨架連接 端向缺口的末端線性遞減，彈性薄片的一端被固定在魚身骨架上，自由端的集中作用力的作 用點(diǎn)在魚的尾柄處，采用寬度線性遞減的薄片，其在受到作用力時(shí)，不同寬度的位置，在相 同大的作用力時(shí)變形量不同，所以采用這樣的薄片結(jié)構(gòu)后，機(jī)器魚在說中的擺動(dòng)更加與真實(shí) 魚一致。
6、 可以通過控制伺服電動(dòng)機(jī)，來控制機(jī)器魚能夠以不同的速度前進(jìn)和不同的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn) 彎，過程靈活逼真，且控制方法簡(jiǎn)單。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
圖l是機(jī)器魚尾內(nèi)部機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2是機(jī)器魚內(nèi)部構(gòu)造前視圖。
圖3是圖2的俯視圖。
圖4是圖1的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明彈性薄片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6魚體中心線和彈性薄板變形圖，6 (a)是真實(shí)鯽魚游動(dòng)過程中的一組身體輪廓的中心 曲線，6 (b)是本發(fā)明仿真機(jī)器魚的彈性薄片受到向右的力向右彎曲的曲線，6 (c)是本發(fā) 明仿真機(jī)器魚的彈性薄片受到向左的力向左彎曲的曲線。
圖中1、伺服電動(dòng)機(jī)，2、換向錐齒輪組，3、擺桿，4、彈性薄片，41、缺口， 5、短銷， 6、魚身骨架，7、滑塊，8、魚皮，9、魚尾骨架，10、為機(jī)器魚尾柄，21 26是鯽魚游動(dòng)的 身體輪廓中心曲線，29 30是彈性薄片的彎曲曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明機(jī)器魚仿生的對(duì)象為鯽魚，機(jī)器魚的外形輪廓全部按照實(shí)際鯽魚的比例尺寸來設(shè) 計(jì)。附圖6中(a)圖是真實(shí)鯽魚游動(dòng)過程中的一組身體輪廓的中心曲線，是采用圖像采集和處 理的方法得到的。當(dāng)懸臂梁在水中受到一個(gè)集中力的作用，梁會(huì)產(chǎn)生彎曲，在彎曲過程中會(huì) 受到的水的阻力作用。合理設(shè)計(jì)梁的形狀、集中力的作用點(diǎn)和集中力的大小，梁的彎曲曲線 便可以和真實(shí)鯽魚游動(dòng)的身體輪廓曲線相似，如圖6中(b)以及(c)，魚尾向右擺尾過程中 的曲線24和本發(fā)明仿真機(jī)器魚的彈性薄片4受到向右的力向右彎曲的曲線29，魚尾向左擺尾過 程中的曲線27和彈性薄片受到向左的力向左彎曲的曲線30。這樣使得梁受到的合力和鯽魚受 到的力一樣，使得機(jī)器魚像魚一樣游動(dòng)。
本發(fā)明仿生機(jī)器魚包括魚皮8，魚尾骨架9、魚身骨架6以及設(shè)置在魚身骨架6上的伺 服電動(dòng)機(jī)l，所述的魚皮8套在所述的魚尾骨架9和魚身骨架6外，還包括一錐齒輪副2，該 錐齒輪副2也設(shè)置在所述的魚身骨架6上，所述的伺服電動(dòng)機(jī)1的輸出軸與錐齒輪副2的輸 入軸固定連接，錐齒輪副2的輸出軸與一擺桿3的固定端固定連接。因?yàn)闄C(jī)器魚形狀為長(zhǎng)條 狀，其魚身直徑較小，同時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)l體積較大，所以伺服電動(dòng)機(jī)1需要水平放置，因 此，還需要包括一錐齒輪副2用來換向，當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)1體積較小或者機(jī)器魚魚身直徑較大 時(shí)，就無需換向齒輪副2，而將伺服電動(dòng)機(jī)1垂直放置，然后直接連接擺桿3，在魚身骨架6 的末端采用困扎、焊接或者粘接的方式固定連接彈性薄片4，彈性薄片4的外形輪廓為最好 為魚形。魚尾骨架9也綁定在彈性薄片4上，彈性薄片4的末端為魚尾方向，彈性薄片4和擺桿3的連接方式可以采用下面的方式，在彈性薄片4與魚身骨架6的連接端開設(shè)有一缺口 41，該缺口41延伸至機(jī)器魚的尾柄10處，彈性薄片4缺口兩側(cè)的厚度相同，且單側(cè)的厚度 從魚身骨架6連接端向缺口的末端線性遞減，見圖5所示。擺桿3位于缺口的中心，且在擺 桿3的自由端開設(shè)有槽口，擺桿3通過槽口插接在彈性薄片4的缺口內(nèi)側(cè)，也可以在擺桿3 的自由端設(shè)置有一短銷5，短銷5位于機(jī)器魚的尾柄10處，最好是尾柄10末端，即尾柄IO 與尾鰭的交點(diǎn)處。
機(jī)器魚魚尾結(jié)構(gòu)原理如圖l所示，是使用伺服電動(dòng)機(jī)1經(jīng)錐齒輪組2換向后，帶動(dòng)擺桿3擺 動(dòng)，擺桿末端的滑塊7在適當(dāng)?shù)奈恢弥苯油苿?dòng)彈性薄片4，擺動(dòng)出魚游動(dòng)的姿態(tài)。
圖2、圖3以及圖4的短銷5連接了彈性薄片4和擺桿3，短銷5和擺桿3的配合是轉(zhuǎn)動(dòng)副配合， 可以在擺桿的孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，短銷5和彈性薄板4的配合移動(dòng)副配合，短銷5可以在彈性薄片4上滑 移。圖4中給出了擺桿3、短銷5、彈性薄板4和骨架6的裝配側(cè)視圖。短銷這樣的設(shè)計(jì)是出于兩 點(diǎn)要求 一方面在擺動(dòng)過程中，彈性薄板發(fā)生彎曲，而擺桿不會(huì)生長(zhǎng)或者縮短，這就要求給 彈性薄板作用力的短銷要能夠沿彈性薄板滑移，另-一方面在擺動(dòng)過程中，彈性薄板在短銷處 的彎曲的切向是不斷變化的，這就要求短銷能夠適應(yīng)切線方向的變化，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。
伺服電動(dòng)機(jī)1固定在骨架6上的方法是使用兩個(gè)短的套筒，套筒上有定位孔，和魚身架6 上的沉頭孔配合，并使用沉頭螺釘固定。彈性薄片4和魚身骨架6的固定方法使用細(xì)棉線捆綁， 棉線環(huán)繞的匝數(shù)足夠多，棉線的預(yù)緊力足夠大，并使用膠水固化，以使得彈性薄片4返復(fù)擺動(dòng) 時(shí)不會(huì)松動(dòng)。魚皮采用天然膠乳制作，套在魚身骨架骨架6和魚尾骨架上，并使用膠水密封。 擺桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于魚身體的2/3處，短銷位于尾柄和尾鰭的交點(diǎn)處。通過對(duì)伺服電機(jī) 的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾柄和尾鰭交叉點(diǎn)角度位置的實(shí)時(shí)控制，使得交叉點(diǎn)的位置按照真實(shí)鯽魚游 動(dòng)的位置變化，從而在彈性薄板上模擬出真實(shí)鯽魚游動(dòng)身體中心的曲線。
本發(fā)明仿生機(jī)器魚可以通過控制伺服電動(dòng)機(jī)，來控制機(jī)器魚能夠以不同的速度前進(jìn)和不 同的轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，過程靈活逼真，且控制方法簡(jiǎn)單。機(jī)器魚游動(dòng)具體包括向前游動(dòng)和轉(zhuǎn)彎， 前進(jìn)的速度和轉(zhuǎn)彎的半徑都是可以調(diào)節(jié)控制的。調(diào)節(jié)控制得方法是控制擺桿以不同的速度， 在不同的位置左右擺動(dòng)，要求機(jī)器魚前進(jìn)時(shí)，擺桿在左右擺動(dòng)，且每次擺動(dòng)時(shí)左右極限位置 相同即可。當(dāng)要求調(diào)節(jié)機(jī)器魚的速度，高速向前游動(dòng)時(shí)，擺桿的擺動(dòng)速度變大即可，低速向 前游動(dòng)時(shí)，擺桿擺動(dòng)的速度變小即可；要求機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎時(shí)，擺桿半邊偏擺。向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，要 求擺桿在左半邊擺動(dòng)即可，向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，要求半干在右半邊擺動(dòng)即可。要求機(jī)器魚以不同的 轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，比如向左以小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，擺桿以高速度在左半邊往返擺動(dòng)即可，向左 以大轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎，擺桿以低速度在左半邊往返擺動(dòng)即可。
權(quán)利要求
1、一種仿生機(jī)器魚，包括魚皮(8)，魚尾骨架(9)、魚身骨架(6)以及設(shè)置在魚身骨架(6)上的伺服電動(dòng)機(jī)(1)，所述的魚皮(8)套在所述的魚尾骨架(9)和魚身骨架(6)外，其特征在于還包括一錐齒輪副(2)，該錐齒輪副(2)也設(shè)置在所述的魚身骨架(6)上，所述的伺服電動(dòng)機(jī)(1)的輸出軸與錐齒輪副(2)的輸入軸固定連接，錐齒輪副(2)的輸出軸與一擺桿(3)的固定端固定連接，在魚身骨架(6)的末端還設(shè)置有一彈性薄片(4)，所述的魚尾骨架(8)與所述的彈性薄片(4)固定相連，彈性薄片(4)的一端與魚身骨架(6)相連，彈性薄片(4)的末端為魚尾方向，彈性薄片(4)的中部與所述的擺桿(3)的自由端活動(dòng)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)的外形輪廓 為魚形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)與魚身 骨架(6)的連接端開設(shè)有一缺口 (41)，該缺口 (41)延伸至機(jī)器魚的尾柄處(10)，所述的 擺桿(3)位于缺口 (41)的中心，且在擺桿(3)的自由端開設(shè)有槽口，所述的擺桿(3)通 過槽口插接在彈性薄片(4)的缺口 (41)內(nèi)側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于在所述的擺桿(3)的自由端設(shè)置 有一短銷(5)，在該短銷(5)的兩端開設(shè)有槽口，所述的彈性薄片(4)的缺口兩側(cè)設(shè)置在 槽口內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的短銷(5)位于機(jī)器魚的尾 柄處(10)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿生機(jī)器人，其特征在于所述的短銷(5)位于機(jī)器魚的尾 柄(10)末端。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)缺口 (41) 兩側(cè)的厚度相同，且單側(cè)的厚度從魚身骨架(6)連接端向缺口 (41)的末端線性遞減。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿生機(jī)器魚，能夠?qū)崿F(xiàn)以不同的速度前進(jìn)和不同的轉(zhuǎn)彎半徑左右轉(zhuǎn)彎。采用單自由度控制方式，使用伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過換向齒輪組換向，帶動(dòng)擺桿擺動(dòng)，擺桿末端的銷軸推動(dòng)一端固定于機(jī)器魚骨架上另一端自由的彈性薄板往復(fù)擺動(dòng)。通過控制系統(tǒng)控制彈性薄板的擺動(dòng)方式的不同，控制機(jī)器魚的游動(dòng)方式不同。擺桿左右對(duì)稱的擺動(dòng)，機(jī)器魚前進(jìn)，改變擺幅和頻率可以控制機(jī)器魚前進(jìn)的速度；擺桿偏在半邊擺動(dòng)，比如偏在左半邊擺動(dòng)可以使魚向左轉(zhuǎn)彎，機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎，改變擺桿的擺幅和頻率可以控制機(jī)器魚轉(zhuǎn)彎的半徑。
文檔編號(hào)B63H1/36GK101318544SQ20081002263
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者王興松, 許家林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)