一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚，包括C形鋁制頭部、控制室與推進(jìn)機(jī)構(gòu)。所述控制室包括：主控板、鋰電池組、電機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、無線通訊模塊。所述的推進(jìn)機(jī)構(gòu)包括：第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、“Z形”連桿、偏心輪、滑槽和尾鰭。本發(fā)明通過驅(qū)動電機(jī)單方向帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，以及第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的位置配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚高速游動特性。另外，通過電機(jī)不對稱快速正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向控制。該仿生機(jī)器魚重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的高游速和高機(jī)動性。
【專利說明】
一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及仿生機(jī)器魚技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著仿生技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為模仿魚類游動的機(jī)器系統(tǒng)，仿生機(jī)器魚是仿生學(xué)與機(jī)電學(xué)高度發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的游動性能，具有高機(jī)動、低擾動、無污染等優(yōu)點(diǎn)。隨著研究的逐步深入，機(jī)器魚的高速游動性逐漸引起廣大研究者的廣泛關(guān)注。較快的游速對機(jī)器魚快速高效地完成水下作業(yè)具有十分重要的意義。
[0003]為了深入了解機(jī)器魚的游動機(jī)理，提高機(jī)器魚的游速，各國學(xué)者做了大量的研究工作。日本電器通訊大學(xué)的Jun Shintak等人于2010年成功開發(fā)了一款小型機(jī)器魚，實(shí)現(xiàn)
4.3倍體長/秒的游速和27°/s的轉(zhuǎn)向速度。英國Essex大學(xué)于2014年成功研制了多款機(jī)器魚，最高游速可達(dá)到11.6倍體長/秒。然而，為了實(shí)現(xiàn)高游速的目的，上述研究的機(jī)器魚除了將電機(jī)安裝在機(jī)器魚的內(nèi)部外，電池、主控電路板、驅(qū)動板、通訊模塊等均設(shè)置在機(jī)器魚的外部，這種設(shè)計嚴(yán)重限制了機(jī)器魚的應(yīng)用。
[0004]另外，機(jī)器魚通過電機(jī)驅(qū)動尾部進(jìn)行持續(xù)地往復(fù)運(yùn)動來產(chǎn)生主推動力，拍動頻率越高，運(yùn)動速度越快。傳統(tǒng)的控制方法是利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)魚尾的擺動動作，這樣電機(jī)的利用效率低，不利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的高速游動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，針對上述存在的不足，本發(fā)明的主要目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)高速游動的仿生機(jī)器魚。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚，所述機(jī)器魚包括:
[0007]頭部;控制室，包括主控板和電機(jī);所述電機(jī)在主控板的控制下轉(zhuǎn)動；
[0008]推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括:第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)機(jī)、偏心輪、滑槽、偏心軸和尾鰭；
[0009]其中，偏心輪的一端與所述電機(jī)的輸出軸固定連接，另一端通過偏心軸與所述滑槽接觸;所述滑槽開在第一關(guān)節(jié)處;第一關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)可轉(zhuǎn)動連接;所述尾鰭與所述第二關(guān)節(jié)固定連接；當(dāng)所述電機(jī)轉(zhuǎn)動時，偏心輪向某個方向轉(zhuǎn)動，偏心軸與滑槽接觸點(diǎn)產(chǎn)生作用力，從而帶動所述的第一關(guān)節(jié)進(jìn)行偏轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)谝魂P(guān)節(jié)擺動時，帶動第二關(guān)節(jié)運(yùn)動。
[0010]本發(fā)明提出的一種兩關(guān)節(jié)單電機(jī)驅(qū)動的高游速機(jī)器魚，開發(fā)了以偏心輪機(jī)構(gòu)為主驅(qū)動的新型高游速機(jī)器魚。通過電機(jī)的單方向旋轉(zhuǎn)以及第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的位置配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚高速游動特性。通過電機(jī)不對稱快速正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向控制。該仿生機(jī)器魚重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的高游速和高機(jī)動性。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明中單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)快機(jī)器魚整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本發(fā)明中機(jī)器魚推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明中機(jī)器的魚樣機(jī)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0015]下面通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地闡述說明。
[0016]本發(fā)明的一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)快速游動仿生機(jī)器魚，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:C形鋁制頭部I，控制室2與推進(jìn)機(jī)構(gòu)3。其中:C形鋁制頭部I位于整個機(jī)器魚前端，該結(jié)構(gòu)外形設(shè)計簡單并且有利于減少機(jī)器魚游動時的阻力。
[0017]所述控制室2位于C形鋁制頭部I的后方，主要包括:主控板4、鋰電池組6、電機(jī)驅(qū)動模塊13、直流電機(jī)14、無線通訊模塊5;所述的主控板4與無線通信模塊5、電機(jī)驅(qū)動模塊13相連，所述的電機(jī)驅(qū)動模塊13還與直流電機(jī)14相連，無線通信模塊5將接收到的控制指令傳給主控板4，進(jìn)而控制電機(jī)驅(qū)動模塊13驅(qū)動直流電機(jī)14運(yùn)轉(zhuǎn)。所述的鋰電池組6為整個系統(tǒng)供電。
[0018]所述的推進(jìn)機(jī)構(gòu)3位于控制室2的后方，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括:第一關(guān)節(jié)7、第二關(guān)節(jié)10、“Z形”連桿11、偏心輪12、滑槽8、偏心軸15和尾鰭9。其中，所述第一關(guān)節(jié)7位于控制室2后方，所述偏心輪12—端與所述電機(jī)14的輸出軸固定連接，另一端通過偏心軸15與所述滑槽8接觸，所述滑槽8開在第一關(guān)節(jié)7處，當(dāng)所述電機(jī)14轉(zhuǎn)動時，偏心輪12向某個方向轉(zhuǎn)動，偏心軸15與滑槽8接觸點(diǎn)產(chǎn)生作用力，從而帶動所述的第一關(guān)節(jié)7進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，當(dāng)所述第一關(guān)節(jié)7擺動到最大幅度時，偏心軸15與滑槽8的另一端接觸，開始驅(qū)動第一關(guān)節(jié)7反向擺動到水平位置。當(dāng)所述電機(jī)14帶動所述偏心輪12轉(zhuǎn)動一圈后，所述第一關(guān)節(jié)7正好完成一個周期的擺動。所述偏心輪12上帶有很多小孔，方便調(diào)節(jié)所述第一關(guān)節(jié)7的擺動幅度，當(dāng)選擇離偏心輪圓心較遠(yuǎn)的圓孔時，第一關(guān)節(jié)7的擺動幅度就會相應(yīng)的增加。所述的尾鰭9與所述第二關(guān)節(jié)10固定連接。所述的第二關(guān)節(jié)10采用被動驅(qū)動的方式通過所述的“Z形”連桿11與所述第一關(guān)節(jié)7連接，所述的“Z形”連桿11 一端與第一關(guān)節(jié)7連接，另一端與第二關(guān)節(jié)10連接。這種連桿的設(shè)計使的機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)得到簡化，減少了在水中游動時的阻力。當(dāng)所述第一關(guān)節(jié)7擺動時，連桿位置發(fā)生變化帶動第二關(guān)節(jié)10進(jìn)行運(yùn)動，同時第二關(guān)節(jié)10與第一關(guān)節(jié)7之間產(chǎn)生一個關(guān)節(jié)角，隨著連桿位置的變化，關(guān)節(jié)角在時刻發(fā)生變化，進(jìn)而驅(qū)使機(jī)器魚的第一關(guān)節(jié)
7、第二關(guān)節(jié)10產(chǎn)生類似魚體波的游動姿態(tài)。此時，當(dāng)所述直流電機(jī)14單方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)時就能實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚持續(xù)的往復(fù)擺動，并且通過改變所述直流電機(jī)14的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)機(jī)器魚擺動頻率。
[0019]當(dāng)仿生機(jī)器魚要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時，首先所述直流電機(jī)14朝一個方向旋轉(zhuǎn)一段時間，然后向反方向轉(zhuǎn)動相同的時間，并且這一時間非常短暫。所述電機(jī)14在往返轉(zhuǎn)動過程中，會驅(qū)動偏心輪12進(jìn)行連續(xù)的正反轉(zhuǎn)，從而帶動所述第一關(guān)節(jié)7、所述第二關(guān)節(jié)10、所述尾鰭9不斷地從水平位置擺動一個角度后又回到水平位置。實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎功能。整個電機(jī)驅(qū)動部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單，因此機(jī)械傳動的阻力也非常小。
[0020]在一實(shí)施例中，通過電機(jī)不對稱正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向控制。所述電機(jī)不對稱正反轉(zhuǎn)是指:首先電機(jī)以第一速度正向轉(zhuǎn)動，驅(qū)使機(jī)器魚以相應(yīng)的速度往一個方向擺動，之后電機(jī)以第二速度反向轉(zhuǎn)動，所述第二速度小于第一速度；目的是使機(jī)器魚的魚體保持彎曲狀態(tài)，并慢慢恢復(fù)到水平狀態(tài)。所述機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎幅度與以下兩個因素有關(guān):第一與電機(jī)的正反轉(zhuǎn)頻率;如果正向轉(zhuǎn)動的第一速度越大，反向回轉(zhuǎn)的第二速度越小，則機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎幅度越大；第二與偏心輪有關(guān)，偏心輪上帶有多個小孔，可以方便調(diào)節(jié)第一關(guān)節(jié)的擺動幅度，當(dāng)選擇離偏心輪圓心較遠(yuǎn)的圓孔時，第一關(guān)節(jié)的擺動幅度就會相應(yīng)的增加，進(jìn)而使得機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎幅度增加。
[0021]圖3為根據(jù)本發(fā)明上述技術(shù)方案制作的仿生機(jī)器魚樣機(jī)。如圖3所示，其尺寸(長X寬X高)為411mmX30mmX 120mm，總重量約為1.8kg。測試中，該仿生機(jī)器魚依靠電機(jī)的單方向旋轉(zhuǎn)以及第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)的位置配合關(guān)系實(shí)現(xiàn)其高速游動性，最高游速為1.28m/s,對應(yīng)3.1倍體長/秒。通過電機(jī)不對稱正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向控制，最高轉(zhuǎn)向角速度為92°/S。
[0022]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種單電機(jī)驅(qū)動的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚，其特征在于，包括: 頭部;控制室，包括主控板和電機(jī);所述電機(jī)在主控板的控制下轉(zhuǎn)動； 推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括:第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)機(jī)、偏心輪、滑槽、偏心軸和尾鰭； 其中，偏心輪的一端與所述電機(jī)的輸出軸固定連接，另一端通過偏心軸與所述滑槽接觸;所述滑槽開在第一關(guān)節(jié)處;第一關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)可轉(zhuǎn)動連接;所述尾鰭與所述第二關(guān)節(jié)固定連接；當(dāng)所述電機(jī)轉(zhuǎn)動時，偏心輪向某個方向轉(zhuǎn)動，偏心軸與滑槽接觸點(diǎn)產(chǎn)生作用力，從而帶動所述的第一關(guān)節(jié)進(jìn)行偏轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)谝魂P(guān)節(jié)擺動時，帶動第二關(guān)節(jié)運(yùn)動。2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述推動機(jī)構(gòu)還包括:Z形連桿，用于連接第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)；當(dāng)?shù)谝魂P(guān)節(jié)擺動時，Z形連桿位置發(fā)生變化以帶動第二關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動，同時第二關(guān)節(jié)與第一關(guān)節(jié)之間產(chǎn)生一個關(guān)節(jié)角，隨著Z形連桿位置的變化，關(guān)節(jié)角在時刻發(fā)生變化，進(jìn)而驅(qū)使第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)產(chǎn)生類似魚體波的游動姿態(tài)。3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述電機(jī)單方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)，以使機(jī)器魚持續(xù)的往復(fù)擺動。4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，所述機(jī)器魚的擺動頻率通過所述電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。5.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，通過控制所述電機(jī)使其往返轉(zhuǎn)動，以實(shí)現(xiàn)所述機(jī)器魚的轉(zhuǎn)彎動作。6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)器魚，其特征在于，通過控制電機(jī)不對稱正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向控制。
【文檔編號】B63H25/42GK106005337SQ201610618146
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】喻俊志, 張程, 劉金存, 吳正興
【申請人】中國科學(xué)院自動化研究所