阅读说明：本技术 一种气动摆尾仿生鱼 (Pneumatic tail-swinging bionic fish ) 是由 王延杰 徐望舒 陈子豪 杨志威 骆敏舟 朱灯林 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气动软体仿生鱼尾结构,包括依次连接的头部结构、尾部结构和尾鳍结构；所述头部结构内设置有空腔；所述空腔内安装有气泵；所述尾部结构包括限制层、导气孔、左侧气腔结构和右侧气腔结构；所述左侧气腔结构和右侧气腔结构分别安装在限制层的两侧；所述导气孔设置在左侧气腔结构和右侧气腔结构的前部；气腔结构中具有“丰”字型的空腔；所述气泵通过气管连接导气孔。本发明结构以BCF(身体/尾鳍)运动模式为基础,模拟了鱼类的摆尾运动,具有较好的仿生性,该仿生鱼结构具有操纵简单、普及性高、水下适应性良好等特点。(The invention discloses a pneumatic soft bionic fish tail structure, which comprises a head structure, a tail structure and a tail fin structure which are sequentially connected; a cavity is arranged in the head structure; an air pump is arranged in the cavity; the tail structure comprises a limiting layer, an air guide hole, a left air cavity structure and a right air cavity structure; the left air cavity structure and the right air cavity structure are respectively arranged on two sides of the limiting layer; the air guide holes are arranged in the front parts of the left air cavity structure and the right air cavity structure; the air cavity structure is provided with a hollow cavity shaped like a Chinese character feng; the air pump is connected with the air guide hole through an air pipe. The bionic fish structure simulates the tail swinging motion of fish on the basis of a BCF (body/tail fin) motion mode, has better bionic property, and has the characteristics of simple operation, high popularity, good underwater adaptability and the like.)

一种气动摆尾仿生鱼

技术领域

本发明涉及仿生鱼领域，特别是涉及一种气动摆尾仿生鱼。

背景技术

随着时代的发展，人类对各种自然资源的需求日益增加，部分陆地资源在面临过度开采导致枯竭的情况下，人类在科学技术的支持下将目标转向了水下，而在这个过程中，水下机器人担当着不可或缺的作用。

传统的水下机器人一般为刚性结构，使用螺旋桨推进，这种结构不仅增加了能量消耗、降低了推进效率，还会产生噪声降低了隐蔽性。此外，传统的水下机器人在复杂水域下的作业也受到自身结构的极大限制。因此，借鉴鱼类游动具有推进效率高、机动灵活且扰动量低等各种优点的仿生机器鱼成了众多学者的研究对象。

通常鱼类的推进方式主要可以分为两种，他们按照推进方式和身体起作用的部位不同分为身体/尾鳍（Body and/or caudal fin，BCF）推进模式和中间鳍/对鳍（Medianand/or paired fin，MPF）推进模式。1978年相关研究学者Lindsey按照这种分类方法给出了多种鱼类的推进机理和作用方式。对于MPF的推进模式而言，运动方式较复杂，考虑因素较多，且设计方面具有一定的难度。而对于BCF，以BCF模式游动的鱼类其推进力主要依靠在水中身体的波动和/或尾鳍的摆动产生，世界上绝大多数鱼类都以BCF模式游动，具有效率高、速度快等特点。1994年，美国MIT研发出了世界上第一条仿生机器鱼Robo Tuna，是以BCF推进模式的金枪鱼为原型所设计出来的，其最高速度可达2m/s。

目前的鱼尾结构的驱动方式大多才采用伺服电机驱动，具有重量体积大、噪音大、效率高、设备精确度高等特点，在水下运动中，对于环境的要求较为严格。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气动摆尾仿生鱼，以解决现有技术中存在的适应性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气动摆尾仿生鱼，包括依次连接的头部结构、尾部结构和尾鳍结构；所述头部结构内设置有空腔；所述空腔内安装有气泵；所述尾部结构包括限制层、导气孔、左侧气腔结构和右侧气腔结构；所述左侧气腔结构和右侧气腔结构分别安装在限制层的两侧；所述导气孔设置在左侧气腔结构和右侧气腔结构的前部；所述气泵通过气管连接导气孔。所述导气孔是为了通入气体，得到驱动力。所述气泵所在的头部结构设计成“流线型”，目的是为了减少游动时的阻力。气泵结构主要用来提供气压，控制气压的大小。主要的运动结构是气动摆尾结构，内部结构具有左右两层的空腔结构，不同层通入气压之后会实现左右的摆动运动。尾鳍结构是为了模拟整体结构与鱼类更相似；

由于气泵需要电力的动力，在外部具有一层硅胶结构，硅胶结构由于其本身的材料特性，具有较好的绝缘性和气密性，保证了不会产生用电安全、电流泄漏等问题；尾部驱动所需要的气压较小，气泵选择的型号也较小，可以放置在鱼头部结构中，如果鱼尾尺寸较大，所需要的气压较大，气泵型号也较大，可以将头部结构去除，将气泵结构移到外部，通过气动连接单元和气管与摆尾结构相连，依旧可以进行驱动，对于结构的功能特性不发生影响。

进一步的，所述左侧气腔结构和右侧气腔结构内部的两侧均设置有多个相对的横向气腔；相对的横向气腔的中间设置有一条纵向气腔。

整个左侧气腔结构或右侧气腔结构中具有“丰”字形的空腔；在左侧气腔结构和右侧气腔结构的中间具有限制层，所述气腔结构中的“丰”字形空腔通入气压之后，会发生膨胀，由于一侧具有限制层，因此在限制层的一侧不发生膨胀变化，而远离限制层的一侧则膨胀变化较为剧烈，因此整个气腔结构向着具有限制层的一侧进行弯曲；由于气动摆尾机构具有左右两个气腔结构，因此在向着左边气腔结构通入一定气压的气体时，整个摆尾机构向着右边摆动，当向着右边气腔结构通入一定气压的气体时整个摆尾机构向着左边摆动，从而实现左右摆动的运动状态，实现摆尾的运动。

进一步的，所述尾鳍机构的展弦比为3-4：1。

进一步的，所述限制层的材料为无纺织布；所述左侧气腔结构和右侧气腔结构采用的材料是硅橡胶。

进一步的，所述左侧气腔结构和右侧气腔结构采用铸造的制备方式，通过硅胶与限制层进行粘黏。

进一步的，所述头部结构、尾部结构和尾鳍结构组成的整体结构为流线型曲线结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以气泵作为鱼尾结构的驱动，该气压驱动的鱼尾结构，它和传统的仿生机器鱼一样具备持续游动以及转弯、上浮、下潜等能力，与电机驱动的刚性仿生鱼相比，气动仿生鱼不仅没有电机驱动产生的噪音；除此之外，本发明相比于电机驱动的刚性鱼尾结构，气压驱动的结构大多是软体结构，具有强适应性与高柔顺性，适用于各种复杂的环境，而且在狭小环境下避免了刚性鱼身的限制，活动能力更强。

附图说明

图1为本发明提出的一种气动摆尾仿生鱼的头部、尾部、尾鳍结构与功能分区图。

图2为本发明提出的一种气动摆尾仿生鱼尾部的气动摆尾结构的解剖图。

图3为本发明提出的一种气动摆尾仿生鱼鱼尾摆动变化示意图，（a）是未发生变化图，（b）是左边发生膨胀，向右弯曲，（c）是右边发生膨胀，向左弯曲。

附图标记：1-头部结构，2-尾部结构，3-尾鳍结构，4-气泵机构，5-气动摆尾机构，6-尾鳍机构，7-气泵所在空腔，8-限制层，9-导气孔，10-左侧气腔结构，11-右侧气腔结构，12-左侧“丰”字气腔，13-右侧“丰”字气腔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细的说明，但是本发明的实施方式并不因此限定于以下实例。

请参阅图1-3，一种气动摆尾仿生鱼。如图1所示，仿生软体鱼尾结构从结构上分为三个部分，分别是头部结构1、尾部结构2、尾鳍结构3，从功能上也同样分成三个部分，分别是气泵结构4、气动摆尾结构5、尾鳍机构6。结构上与功能上的三个部分分别一一对应。具体地，在头部结构1中具有一个空腔，这个空腔就是气泵所在空腔7，气泵被放置在这个空间中，通过气动连接件以及气管与气动摆尾结构5相连。如果需要将气泵结构4与气动摆尾结构5进行一体化连接，则可以通过硅胶将这两者连为一体，如果需要单独取出气泵，则可以单独将气泵机构4移除整体结构，对于气动摆尾机构5而言没有任何影响。气泵所在的头部结构1，具有较大的质量，其目的是为了加强整体鱼尾结构的侧向稳定性，质量增加，头部的摆动也相对应的剪减小了，目的是为了避免造成额外的能量损失。

优选地，整个头部结构1、尾部结构2都采用流线型结构，在水中运动的效率较好，阻力较小。尾鳍机构3由硅胶制备而成，由于尾鳍可以保证整个结构运动的平稳性，尾鳍具有越大的展弦比，则鱼尾结构具有更好的推进效率，尾鳍机构3的形状的展弦比设计在3：1和4:1，优选的可以设置为3.25:1，一方面保证了整个机构的平衡与稳定性，另一方面也增强了整个机构运动的推进效率。

如图2所示，气动摆尾机构5包括了限制层8、导气孔9、左侧气腔结构10和右侧气腔结构11。整个气动摆尾机构5的线条依照的是流线型机构的样式，曲线的线条公式可以表示成为：

。其中，

，

，

，

。流线型曲线，在水中运动的效率较好，阻力较小。

在左侧气腔结构10和右侧气腔结构11的前部分别具有一个导气孔9，导气孔9与气泵通过气管连接，在左侧气腔结构10和右侧气腔结构11的中间具有一个限制层8。其中限制层8采用的材料是无纺织布，不会随着气压的改变而发生形状的变化，左侧气腔结构10和右侧气腔结构11采用的材料是硅橡胶，具有杨氏模量低的特点，容易发生变形。

在左侧气腔结构10和右侧气腔结构11中间分别具有左侧“丰”字型气腔12和右侧“丰”字型气腔13，“丰”字型气腔的结构为在横向具有一条一条的气腔，在纵向具有一个与横向气腔贯通的气腔，整个气腔的状态类似于汉字“丰”，这种结构一般称之为多气腔型结构，一旦向着气腔通入一定气压的气体，整个结构会发生膨胀，纵向和横向的长度均会增大。限制层的作用就是抑制气腔结构10、11的膨胀。

具体地，当气泵通过导气孔9向着左侧气腔结构10通入一定气压的气体时，左侧气腔结构10内部的左侧“丰”字型气腔12受到气压的挤压，发生膨胀，径向和纵向的尺寸均发生增大，但是由于在左侧气腔结构10的右侧粘贴了限制层8，限制层8不受气压的影响，不会发生改变，因此在左侧气腔结构10的右侧一面是不会发生膨胀，尺寸不发生改变，只有左侧气腔结构10的左边一侧发生膨胀，因此左侧气腔结构10向着限制层8的一侧发生弯曲。

优选地，左侧气腔结构10和右侧气腔结构11均采用的是模具铸造的方式进行制作，首先采用3D打印的方式，将铸造模具进行打印，再进行浇筑硅胶。在将左侧气腔结构10和右侧气腔结构11与中间的限制层8通过硅胶进行粘黏之后，通常采用硅胶在尾部结构2的外面在进行二次铸造，形成一个完整的硅胶保护层，一方面是为了保证整体结构的完整性，另一方面也是为了保证尾部结构2的气密性，防止气体的泄漏。硅胶材料均采用Smooth-On公司的Ecoflex 00-50。

整个气动摆尾机构的摆尾运动方式如下，如图3（b）所示，当气泵通过导气孔9向着左侧气腔结构10通入一定气压的气体时，由于左侧气腔结构10内存在左侧“丰”字气腔12，左侧气腔结构10会发生膨胀的作用，径向和纵向的尺寸均会有所增大，左侧气腔结构10的右侧有着限制层，不会发生形状的变化，因此左侧气腔结构10只有左侧发生变形，整个气动摆尾机构5向着右侧发生摆动；如图3（c）所示当气泵通过导气孔9向着右侧气腔结构11通入一定气压的气体时，由于右侧气腔结构11内存在右侧“丰”字气腔13，,右侧气腔结构11会发生膨胀的作用，径向和纵向的尺寸均会有所增大，右侧气腔结构11的左侧有着限制层，不会发生形状的变化，因此右侧气腔结构11只有右侧发生变形，整个气动摆尾机构5向着左侧发生摆动，最终实现了左右摆动的运动方式。

优选地，通过调节气压的大小，可以调整摆动的幅度，气压越大，摆动的幅度越大。通过调节两个导气孔9的通断频率，可以调节摆动的频率，通断频率越大，鱼尾摆动的频率也就越大。

本发明采用的是硅橡胶作为材料，具有无毒害现象，成本较低，制作材料容易获取的特点；结构形状为流线型，在水中运动速度快、效率高且不易发生漏电等安全隐患；可以将气泵放置在头部结构中，与整体结构一体化，也可将头部机构移除整体结构，单独放置在水面上，具有可拆卸的特点，易于故障排查和调换检修气泵；本发明结构简单，柔软度高、顺应性强，刚度低、破坏性小，对于环境适应性良好，适用于水下探测、侦察搜救等领域。

本发明结构以BCF（身体/尾鳍）运动模式为基础，模拟了鱼类的摆尾运动，具有较好的仿生性，该仿生鱼结构具有操纵简单、普及性高、水下适应性良好等特点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所做的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。