阅读说明：本技术 一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼 (Serial-type flexible drive's bionical machine fish ) 是由 欧文湛 张宇 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼,包括鱼头、鱼尾、密封舱及动力舱,鱼头和鱼尾分别具有第一腔体和第二腔体,密封舱和动力舱设置于第一腔体和/或第二腔体,密封舱内设置有姿态调节机构、锂电池及控制装置,动力舱内设置有前舵机组及后舵机组,前舵机组一端连接后舵机组、另一端连接姿态调节机构,后舵机组另一端连接鱼尾,控制装置与姿态调节机构、锂电池电连接,控制装置控制姿态调节机构运动,控制动力舱运动,进而带动鱼尾运动；本发明减小柔性驱动时鱼头有害的左右晃动、提高推进柔性驱动效率和增大动力的目的,仿生效果好,平稳性好；姿态调节机构结构简单体积小,快速调节鱼头俯仰姿态,配合鱼尾驱动,实现快速上浮下潜游动。(The invention provides a series-connection type flexibly-driven bionic robot fish, which comprises a fish head, a fish tail, a sealed cabin and a power cabin, wherein the fish head and the fish tail are respectively provided with a first cavity and a second cavity; the invention reduces the harmful left and right shake of the fish head during flexible driving, improves the flexible driving efficiency and increases the power, and has good bionic effect and good stability; the posture adjusting mechanism is simple in structure and small in size, can quickly adjust the pitching posture of the fish head, and can be driven by the fish tail to quickly float up and dive to move.)

一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼

技术领域

本发明涉及一种水下机器鱼，特别是涉及一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼。

背景技术

相较于采用螺旋桨结构驱动的水下潜器，模仿真实鱼类游动的仿生机器鱼具有噪声小、效率高和灵活度高等显著的优点，仿生机器鱼越来越成为相关研究的热点。

目前大部分的仿生机器鱼都是采用多关节尾部的驱动方式，一个电机驱动一个关节，从而提供一个摆动的自由度，自由度越多，拟合效果越好，即模仿效果越好。然而，这样的驱动方式有着明显的不足，当关节的数量较少时，机器鱼的游动姿态的连续性差，尾部动作僵硬；当关节的数量较多时，电机的协同控制复杂，而且稳定性变差。

因此，以较少的电机驱动柔软连贯游动的柔性驱动方式受到人们的关注。发明名称为一种多模态仿生拉线机器鱼的CPG控制方法及机器鱼(公开号CN110937092A)，该专利通过舵机交替地牵拉鱼体左右两侧的拉线，左右两侧的拉线交替地拉紧，进而牵动鱼尾相应地左右摆动。但是由于其两侧的拉线贯穿整条尾部并依靠单个舵机牵动拉线，所以这会使得鱼尾左右两侧在同一时刻仅有一侧受力收紧，鱼尾整体向受力的一侧快速摆动，这会产生一个大的摆动冲量，导致鱼头向另一侧快速摆动，用于部分抵消尾部产生的摆动冲量。因此，机器鱼通过左右摆动尾部实现向前游动的同时，鱼头也会相应地右左晃动，这不仅降低机器鱼的推进效率，还严重影响了摄像头和声纳等机器鱼内部模块的工作。同时，其依靠单动力源驱动整条尾部，会出现动力不足、灵活性不高的问题。

此外，现有的大部分浮潜装置具有结构复杂、占用空间大等缺点，很难应用于中小型水下潜器，尤其是中小型水下机器鱼。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼，可以有效解决上述问题。

本发明是这样实现的：

一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼，包括鱼头以及鱼尾，所述鱼头和所述鱼尾分别具有第一腔体和第二腔体，还包括密封舱以及动力舱，所述密封舱和所述动力舱分别设置于所述第一腔体和/或第二腔体内，所述密封舱内设置有姿态调节机构、锂电池以及控制装置，所述动力舱内设置有前舵机组以及后舵机组，所述前舵机组一端连接所述后舵机组、另一端连接所述姿态调节机构，所述后舵机组的另一端连接所述鱼尾的尾端，所述控制装置分别与所述姿态调节机构和所述锂电池电连接，所述控制装置用于控制所述姿态调节机构运动，从而控制所述动力舱运动，进而带动所述鱼尾的运动。

作为进一步改进的，所述鱼头前端设置有激光测距器和摄像头，所述鱼头外表面左右两侧分别设置有胸鳍，所述鱼头顶面设置有背鳍，所述鱼头后端设置有前舵机固定槽，通过所述前舵机固定槽将所述姿态调节机构与所述动力舱连接在一起。

作为进一步改进的，所述激光测距器和所述摄像头分别与所述控制装置电连接。

作为进一步改进的，所述第一腔体表面与所述密封舱外表面之间设置有防水涂层。

作为进一步改进的，所述姿态调节机构包括电机、固定架、滑轮、滑杆、配重块、滑块以及丝杆，所述电机设置于所述固定架后端，所述丝杆一端固设于所述电机的转轴、另一端连接所述滑轮，所述滑轮固设于所述固定架；所述滑杆固设于所述固定架前端与所述电机之间、且与所述丝杆平行；所述滑块套设于所述丝杆，所述配重块套设于所述滑块和所述滑杆，所述配重块与所述滑块固定连接在一起。

作为进一步改进的，所述前舵机组包括固设于所述前舵机固定槽内的前舵机、固设于所述前舵机上的前U形舵机臂、以及两根前弹簧，两根所述前弹簧一端固设于所述前U形舵机臂、另一端与所述后舵机组连接。

作为进一步改进的，所述后舵机组包括用于与所述前弹簧连接的后舵机固定槽、固设于所述后舵机固定槽的后舵机、固设于所述后舵机上的后U形舵机臂、以及两根后弹簧，两根所述后弹簧一端固设于所述后U形舵机臂、另一端与所述鱼尾末端连接、并固定于尾鳍前端。

作为进一步改进的，所述前舵机和所述后舵机与所述控制装置电连接。

作为进一步改进的，所述鱼尾前端开设一开口，所述前舵机固定槽设置于所述开口上，将所述姿态调节机构与所述前舵机连接一起，所述鱼尾前端通过防水胶与所述鱼头后端粘连，使所述机器鱼形成一体化外形。

作为进一步改进的，两根所述前弹簧以及两个所述后弹簧均分别采用上下并联排列。

本发明的有益效果是：本发明提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼，其尾部为柔性材料的串联式结构，采用双舵机串联耦合驱动，可达到大大减小柔性驱动时鱼头有害的左右晃动、提高推进柔性驱动效率和增大动力的目的，仿生效果好，平稳性好。其姿态调节机构结构简单，占用体积小，可快速调节鱼头的俯仰姿态，配合鱼尾的驱动，实现快速的上浮和下潜游动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的外部结构立体示意图。

图2是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的侧视剖面结构示意图。

图3是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的剖开的结构立体示意图。

图4是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的S形游动时的结构示意图。

图5是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的弓形游动时的结构示意图。

图6是本发明实施例提供一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼的姿态调节机构的结构示意图。

图中：1.鱼头 2.背鳍 3.尾鳍

4.鱼尾 5.胸鳍 6.激光测距器

7.摄像头 8.密封舱 9.姿态调节机构

10.锂电池 11.控制装置 12.动力舱

13.前舵机固定槽 14.后舵机固定槽 15.前舵机

16.后舵机 17.前U形舵机臂 18.后U形舵机臂

19.前弹簧 20.后弹簧 21.螺母

22.电机 23.固定架 24.滑轮

25.滑杆 26.配重块 27.滑块

28.丝杆

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1～图6所示，一种串联式柔性驱动的仿生机器鱼，包括鱼头1以及鱼尾4，所述鱼头1和所述鱼尾4分别具有第一腔体和第二腔体，其特征在于，还包括密封舱8以及动力舱12，所述密封舱8和所述动力舱12分别设置于所述第一腔体和/或第二腔体内，所述密封舱8内设置有姿态调节机构9、锂电池10以及控制装置11，所述动力舱12内设置有前舵机组以及后舵机组，所述前舵机组一端连接所述后舵机组、另一端连接所述姿态调节机构9，所述后舵机组的另一端连接所述鱼尾的尾端，所述控制装置11分别与所述姿态调节机构9和所述锂电池10电连接，所述控制装置11用于控制所述姿态调节机构9运动，从而控制所述动力舱12运动，进而带动所述鱼尾4的运动。

进一步地，所述鱼头1前端设置有激光测距器6和摄像头7，所述鱼头1外表面左右两侧分别设置有胸鳍5，所述鱼头1顶面设置有背鳍2，所述鱼头1后端设置有前舵机固定槽13，通过所述前舵机固定槽13将所述姿态调节机构9与所述动力舱12连接在一起；所述激光测距器6和所述摄像头7分别与所述控制装置11电连接。

进一步地，所述第一腔体表面与所述密封舱8外表面之间设置有防水涂层。

如图6所示，所述姿态调节机构9包括电机22、固定架23、滑轮24、滑杆25、配重块26、滑块27以及丝杆28，所述电机22设置于所述固定架23后端，所述丝杆28一端固设于所述电机22的转轴、同轴转动，所述丝杆28另一端连接所述滑轮24，所述滑轮24固设于所述固定架23上的圆孔；所述滑杆25固设于所述固定架23前端与所述电机22之间、且与所述丝杆28平行；所述滑块27套设于所述丝杆28，所述配重块26套设于所述滑块27和所述滑杆25，所述配重块26与所述滑块27固定连接在一起；所述电机22采用步进电机；所述滑块27和所述丝杆28具有互相配合的螺纹，所述滑块27可以带动所述配重块26在所述丝杆28上运动。

进一步地，所述前舵机组包括前舵机15、前U形舵机臂17以及两根前弹簧19，所述后舵机组包括后舵机固定槽14、后舵机16、后U形舵机臂18、以及两根后弹簧20，所述前舵机15固设于所述前舵机固定槽13内，并通过螺母21拧紧加固，所述前U形舵机臂17固设于所述前舵机15的齿轮转轴上，两根所述前弹簧19一端焊接于所述前U形舵机臂17上，另一端嵌入到所述后舵机固定槽14内，且通过所述螺母21拧紧加固，所述后U形舵机臂18固设于所述后舵机16的齿轮转轴上，两根所述后弹簧20一端焊接于所述后U形舵机臂18上，另一端穿过所述鱼尾4末端、并固定于尾鳍3前端；所述螺母21可以采用沉头螺母，但不仅限于沉头螺母；所述前舵机15和所述后舵机16与所述控制装置11电连接。

进一步地，所述鱼尾4前端开设一开口，本实施例中，所述开口为矩形，但不局限于矩形，所述前舵机固定槽13设置于所述开口上，将所述姿态调节机构9与所述前舵机15连接一起，所述鱼尾4前端通过防水胶与所述鱼头1后端粘连，使所述机器鱼形成一体化外形。

进一步地，两根所述前弹簧19以及两个所述后弹簧20均分别采用上下并联排列方式，避免鱼尾出现以所述前弹簧19和所述后弹簧20为轴而旋转。

进一步地，所述鱼尾4采用硅胶材质，所述尾鳍3采用橡胶材质。

进一步地，所述电机22采用步进电机。

本发明的工作原理如下：

本发明的所述鱼尾4采用硅胶材质，硅胶材质为柔性材料，所述鱼尾单元为串联式结构，采用双舵机串联耦合驱动，当所述仿生机器鱼进行S形游动前进时，以图4为例，以鱼头朝正向，所述前舵机15带动所述前U形舵机臂17向右侧转动，所述前弹簧15受力发生形变，形成凸向右侧的弓形柔性结构，此后随着所述前弹簧15形变的恢复，所述鱼尾单元的前半部分向右侧柔性摆动；与此同时，所述后舵机16带动所述后U形舵机臂18向左侧转动，所述后弹簧18受力发生形变，形成凸向左侧的弓形柔性结构，此后随着后弹簧形变的恢复，所述鱼尾单元的后半部分及采用橡胶材质的尾鳍3向左侧柔性摆动，如此形成了S形的串联式柔性驱动，所述鱼尾单元的前、后部分由于摆动分别产生了相反方向的摆动冲量，所述鱼尾单元的左右两侧方向的冲量大致抵消，大大减小了S形柔性驱动时所述鱼头单元的晃动，克服了现有相关技术存在的问题，提高了柔性驱动的效率和平稳性。此外，本发明由于采用双动力串联耦合驱动，较已有的单动力的柔性驱动结构，具有更大的推进力。

当所述仿生机器鱼进行弓形游动转向时，以图5为例，所述前舵机15和所述后舵机16分别带动所述前U形舵机臂17和所述后U形舵机臂18向左侧转动，所述前弹簧19和所述后弹簧20受力发生形变，均形成凸向左侧的弓形柔性结构，形成了弓形的串联式柔性驱动，此后随着所述前弹簧19和所述后弹簧20形变的恢复，整条所述鱼尾单元向左侧柔性摆动，产生大的左向冲量，导致所述鱼头单元快速地向右转向。

所述姿态调节机构9可以通过调节所述鱼头单元的俯仰姿态，配合所述鱼尾单元的驱动，实现快速的上浮和下潜游动。当所述电机22的转轴和所述丝杆28同轴顺时针方向转动，驱动所述滑块27和所述配重块26一起向前移动，鱼体重心前移，所述鱼头单元下俯，配合所述鱼尾单元的驱动，鱼体作下潜游动；当所述电机22的转轴和所述丝杆28同轴逆时针方向转动，驱动所述滑块27和所述配重块26一起向后移动，鱼体重心后移，所述鱼头单元上仰，配合所述鱼尾单元的驱动，鱼体作上浮游动；当所述配重块26移动到所述滑杆25中部合适的位置，鱼体重心平衡，所述鱼头单元朝向水平，鱼体作水平游动。

所述摄像头7可以采集水下图像存储在所述控制装置11的存储卡中；所述激光测距器6可在水下利用激光近距离测距，当靠近障碍物到一定距离时，所述控制装置11识别信号，并发出转向游动指令，实现紧急避障；所述控制装置11的控制程序为本领域技术人员所容易得到的，再此就不多赘述。

本发明的所述鱼尾4采用硅胶材质，硅胶材质为柔性材料，所述鱼尾单元为串联式结构，采用双舵机串联耦合驱动，可达到大大减小柔性驱动时所述鱼头单元有害的左右晃动、提高推进柔性驱动效率和增大动力的目的，仿生效果好，平稳性好；所述姿态调节机构9结构简单，占用体积小，可快速调节所述鱼头单元的俯仰姿态，配合所述鱼尾单元的驱动，实现快速的上浮和下潜游动。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。