可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼与运动调控方法

摘要

一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼与运动调控方法，属机器人领域。该系统包括身体支撑板11、鱼尾组件、姿态调整组件、体积调整组件。上述姿态调整组件包括螺母配重块(20)、第一螺杆(21)、调姿电机(23)；通过螺母配重块(20)前后移动，实现仿生机器鱼前俯后仰调控。上述体积调整组件包括螺母滑块(34)、第二螺杆(35)、调体积电机(36)，位于身体支撑板(11)左侧的变体积连杆组件和位于右侧的变体积连杆组件；通过螺母滑块(34)前后移动，借助第一连杆、第二连杆实现仿生机器鱼改变体积调控；进而改变浮力实现上浮下潜的功能。通过控制舵机(14)转动，实现鱼尾(12)左右摆动。本发明结构简单、运动原理清晰、运动实现方便。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼与运动调控方法。

背景技术

全球海洋面积约占地球表面积71%，是一个资源丰富尚且远未得到开发的宝库，也是军事领域兵戎相见的战场。人类未来面临人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展三大矛盾挑战，要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源。因此，研究水下机器人将在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用。

仿生机器鱼作为水下机器人的一个重要分支，我国最早由中科院自动化所开始仿生机器鱼运动研究。国内许多科研机构和企业都已经开展了相关仿生鱼研制，最早投入到市面上的应该是中科步思德（洛阳）智控科技公司推出的一款科教娱乐型仿生机器鱼，主要通过关节来控制鱼的游动和转向（http://zkboost.cn.made-in-china.com/），这款鱼的头部和身体采用硬质外壳，不能改变体积，目前只能在水面上游动。深圳小奇点人工智能有限公司展示的一款仿真机器鱼，身体采用硬质外壳，通过配置将身体的重量与水的浮力人为调节到相等，通过调控身体的重心控制俯仰姿态，再结合尾巴摆动推进的方式实现上浮下潜功能（http://www.shenzhenxiaoqidian.com/productinfo/66323.html）），该机器鱼不可自动改变体积和调节浮力。德国Festo公司研制的Airacuda仿生机器鱼，也可以模仿鱼类的上浮下潜，在其头部有一空腔，该腔体可以填充空气或者液体。通过压力传感器反馈的信号来控制气阀的开闭，以控制空腔内是液体或气体，此种方式则需要自带气源的压力泵，通过压力泵贮备、释放气体和控制浮力，增加了一定的复杂度，同时头部则必须为硬质空腔体外壳（http://www.72byte.com/product/airacuda）。

目前为止，大多数仿生机器鱼具有硬质外壳，主要通过自带气源等方式，采用气体释放调节浮力，而针对弹性软体外皮的软体仿生机器鱼，采用机械仿生可变体积的，在水中自主实现浮力调控的方式还未报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼与运动调控方法。

所述的一种可变体积仿生鱼主体结构,其特征在于:包括身体支撑板、鱼尾组件、姿态调整组件、体积调整组件；所述的鱼尾组件包括鱼尾、尾巴连接器、舵机、转动杆、舵机支撑座；其中舵机支撑座固定于身体支撑板上，舵机固定安装于舵机支撑座中，鱼尾与尾巴连接器固连连接，尾巴连接器与舵机支撑座销钉连接，转动杆的前端安装在舵机输出轴上，转动杆的后端与尾巴连接器固连连接；所述的姿态调整组件包括螺母配重块、第一螺杆、调姿电机；所述的身体支撑板具有第一直线导槽，调姿电机通过调姿电机固定座固定安装于身体支撑板，调姿电机位于第一直线导槽的一端，第一螺杆位于第一直线导槽内且与调姿电机的输出端固定，螺母配重块与第一螺杆螺纹配合装配，螺母配重块具有与第一直线导槽对应的凹槽，该凹槽与第一直线导槽滑动装配；所述的体积调整组件包括螺母滑块、第二螺杆、调体积电机；上述身体支撑板具有第二直线导槽，调体积电机通过调体积电机固定座固定安装于身体支撑板，调体积电机位于第二直线导槽一端，第二螺杆位于第二直线导槽内且与调体积电机的输出端固定，螺母滑块与第二螺杆螺纹配合装配，螺母滑块具有与第二直线导槽对应的凹槽，该凹槽与第二直线导槽滑动装配；该体积调整组件还包括位于身体支撑板左侧的变体积连杆组件和位于右侧的变体积连杆组件，左侧和右侧的变体积连杆组件结构一样，均由第一连杆和第二连杆构成；其中第一连杆中部和第二连杆中部铰接，第一连杆第一端与调体积电机固定座铰接，第二连杆第一端与螺母滑块铰接；上述外壳分别具有与第一连杆第二端、第二连杆第二端配合的滑动槽。

所述的身体支撑板左侧和右侧的第一连杆和第二连杆均为上下两个。所述的调姿电机和调体积电机，在身体支撑板的前后方向上位于不同端。所述的调姿电机固定座由调姿电机右固定座和调姿电机左固定座组成；所述的调体积电机固定座由调体积电机右固定座和调体积电机左固定座组成；外壳由右外壳、左外壳组成。

所述的可变体积仿生鱼主体结构的仿生鱼,其特征在于:还包括主控电路板、开关、姿态传感器、电路转接板、红外接收模块、无线电接收模块、电池；还包括弹性软体身体外皮、弹性软体尾巴外皮、弹性软体背鳍、弹性软体尾鳍、弹性软体左胸鳍、左鱼眼、弹性软体右胸鳍、右鱼眼。

所述的可变体积仿生鱼的运动调控方法,其特征在于包括以下过程: 通过控制调姿电机旋转，驱动第一螺杆转动，实现螺母配重块前后移动；通过螺母配重块前后移动，实现仿生机器鱼前俯后仰调控；通过控制调体积电机旋转，驱动第二螺杆转动，实现螺母滑块前后移动，借助第一连杆、第二连杆实现仿生机器鱼改变体积调控；进而改变浮力实现上浮下潜的功能；通过控制舵机转动，实现鱼尾左右摆动；当鱼尾左右摆动幅度相等时，仿生机器鱼则会前向直行游动；当鱼尾偏右侧摆动时，仿生机器鱼则会前向右转游动；当鱼尾偏左侧摆动时，仿生机器鱼则会前向左转游动。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明为一种可变体积的软体仿生机器鱼，身体柔软符合自然鱼的仿生特性，手感和外观上更接近仿生要求，与传统硬质外壳或部分硬质外壳的鱼有明显区别，可进一步增强了仿生功效，设计出更为逼真的仿生机器鱼；

2、本发明为一种软体仿生机器鱼，因身体柔软容易变形，在不同水深环境下，受到的水压不同，导致体积会变形，影响了仿生机器鱼自身浮力，会增加了深度控制难度；发明人面对该不利的因素，巧妙的设计了可变体积机构，将不利的因素转变为有利因素，被用来调节体积大小，改变仿生机器鱼浮力，有效地控制上浮下潜运动功能，与传统调控方式有较大改进。

3、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足水下机器人下潜上浮、前俯后仰、前进、左右转弯功能需求，可实现水下三维空间的复杂运动轨迹，减少了传统运动的耦合性问题。

因此，所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼与运动调控方法，通过调体积电机控制软体仿生机器鱼的体积，在水中就可以改变浮力实现上浮下潜的功能；通过调姿电机控制软体仿生机器鱼的质心位置，在水中就可以改变姿态角度实现前俯后仰的功能；通过舵机控制摆动幅度和方向，在水中可以实现前进、左转和右转功能。结合上述调控方法，可实现软体仿生机器鱼在水中的三维空间复杂运动功能，在水下资源勘探、水文监测和家庭娱乐等方面应用广泛，为未来水下机器人发展提供技术储备。

附图说明

图1是本发明所述的一种可变体积仿生鱼的外观左视图；

图2是本发明所述的一种可变体积仿生鱼的外观俯视图；

图3是本发明所述的一种可变体积仿生鱼去外皮后的内部结构图；

图4是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外皮后的内部结构主视图；

图5是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外皮后的内部结构左视图；

图6是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外皮后的内部结构俯视图；

图7是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外壳后的内部运动结构图；

图8是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外壳后的内部运动结构主视图；

图9是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外壳后的内部运动结构俯视图；

图10是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼去外壳后的内部运动结构右视图；

图11是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的尾巴部分结构爆炸图；

图12是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的去外壳后身体部分结构爆炸图；

图13是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的外壳部分结构爆炸图；

图14是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的调整运动姿态示意图；

图15是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的变体积运动原理示意图；

图16是本发明所述的一种可变体积仿生鱼主体结构及仿生鱼的前进和转弯运动示意图。

上述图中标号名称：1、弹性软体身体外皮、2、弹性软体尾巴外皮、3、弹性软体背鳍、4、弹性软体尾鳍、5、弹性软体左胸鳍、6、左鱼眼、7、弹性软体右胸鳍、8、右鱼眼、9、左外壳、10、右外壳、11、身体支撑板、12、鱼尾、13、尾巴连接器、14、舵机、15、转动杆、16、舵机支撑座、17、垫片、18、主控电路板、19、开关、20、螺母配重块、21、长螺杆、22、调姿电机右固定座、23、调姿电机、24、调姿电机左固定座、25、姿态传感器、26、电路转接板、27、红外接收模块、28、无线电接收模块、29、电池、30、右侧上层II连杆、31、右侧上层I连杆、32、右侧下层II连杆、33、右侧下层I连杆、34、螺母滑块、35、短螺杆、36、调体积电机、37、调体积电机右支撑座、38、调体积电机左支撑座、39、左侧上层I连杆、40、左侧上层II连杆、41、左侧下层I连杆、42、左侧下层II连杆、第一直线导槽43和第二直线导槽44。

图中A1-A2-A3-A4为机器鱼前俯后仰调控顺序；B1-B2为机器鱼体积从小变大的调控顺序；C1-C2-C1-C3-C1为机器鱼直行前进时尾巴摆动顺序；C1-C2-C1为机器鱼右转前进尾巴摆动顺序；C1-C3-C1为机器鱼左转前进尾巴摆动顺序。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1-13，本实施例为一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，包括弹性软体身体外皮1、弹性软体尾巴外皮2、弹性软体背鳍3、弹性软体尾鳍4、弹性软体左胸鳍5、左鱼眼6、弹性软体右胸鳍7、右鱼眼8、左外壳9、右外壳10、身体支撑板11、鱼尾12、尾巴连接器13、舵机14、转动杆15、舵机支撑座16、垫片17、主控电路板18、开关19、螺母配重块20、长螺杆21、调姿电机右固定座22、调姿电机23、调姿电机左固定座24、姿态传感器25、电路转接板26、红外接收模块27、无线电接收模块28、电池29、右侧上层II连杆30、右侧上层I连杆31、右侧下层II连杆32、右侧下层I连杆33、螺母滑块34、短螺杆35、调体积电机36、调体积电机右支撑座37、调体积电机左支撑座38、左侧上层I连杆39、左侧上层II连杆40、左侧下层I连杆41、左侧下层II连杆42、第一直线导槽43、第二直线导槽44组成。

如图1-2所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼身体外层包括弹性软体身体外皮1、弹性软体尾巴外皮2、弹性软体背鳍3、弹性软体尾鳍4、弹性软体左胸鳍5、左鱼眼6、弹性软体右胸鳍7、右鱼眼8，其中弹性软体主要指具有一定弹变性能的软体材料（如硅胶、橡胶）；弹性软体背鳍3在弹性软体身体外皮1正上方粘贴固定，弹性软体尾鳍4在弹性软体身体外皮1正下方粘贴固定，弹性软体左胸鳍5和弹性软体右胸鳍7分别与弹性软体身体外皮1左右两侧粘贴固定，左鱼眼6和右鱼眼8分别粘贴于弹性软体身体外皮1左右前方两侧；弹性软体身体外皮1和弹性软体尾巴外皮2均为空腔结构，弹性软体身体外皮1和弹性软体尾巴外皮2相互粘贴后形成密闭空间。

如图3-6所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼去掉外皮后身体内部结构主要包括左外壳9、右外壳10、身体支撑板11、鱼尾12，身体支撑板11在仿生机器鱼正中间，左外壳9和右外壳10分别处于身体支撑板11左右两侧，鱼尾12处于身体支撑板11正后方。

如图7-10所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼去掉外壳后身体内部结构主要包括身体支撑板11、鱼尾12、尾巴连接器13、舵机14、转动杆15、舵机支撑座16、垫片17、主控电路板18、开关19、螺母配重块20、长螺杆21、调姿电机右固定座22、调姿电机23、调姿电机左固定座24、姿态传感器25、电路转接板26、红外接收模块27、无线电接收模块28、电池29、右侧上层II连杆30、右侧上层I连杆31、右侧下层II连杆32、右侧下层I连杆33、螺母滑块34、短螺杆35、调体积电机36、调体积电机右支撑座37、调体积电机左支撑座38、左侧上层I连杆39、左侧上层II连杆40、左侧下层I连杆41、左侧下层II连杆42组成。

如图11所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼尾巴内部结构主要包括身体支撑板11、鱼尾12、尾巴连接器13、舵机14、转动杆15、舵机支撑座16、垫片17，其中鱼尾12与尾巴连接器13通过螺钉固连，转动杆15安装在舵机14输出轴上，舵机14固定于舵机支撑座16内，尾巴连接器13与固定于舵机支撑座16销钉连接，且保持转动杆15置于尾巴连接器13的卡爪内；身体支撑板11与舵机支撑座16之间安置垫片17，并一起通过螺钉固定连接。

如图12所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼去掉外壳后身体内部主要包括身体支撑板11、主控电路板18、开关19、螺母配重块20、长螺杆21、调姿电机右固定座22、调姿电机23、调姿电机左固定座24、姿态传感器25、电路转接板26、红外接收模块27、无线电接收模块28、电池29、右侧上层II连杆30、右侧上层I连杆31、右侧下层II连杆32、右侧下层I连杆33、螺母滑块34、短螺杆35、调体积电机36、调体积电机右支撑座37、调体积电机左支撑座38、左侧上层I连杆39、左侧上层II连杆40、左侧下层I连杆41、左侧下层II连杆42，其中主控电路板18置于身体支撑板11的竖直槽中间固定，开关19置于身体支撑板11右后侧固定；姿态传感器25固定于身体支撑板11前部靠上右侧处，电路转接板26固定于身体支撑板11前部靠下右侧处，红外接收模块27固定于身体支撑板11前部靠上左侧处，无线电接收模块28固定于身体支撑板11前部靠下左侧处，电池29置于身体支撑板11下方电池槽中；螺母配重块20与长螺杆21螺纹配合装配，调姿电机23输出端与长螺杆21固定，螺母配重块20中间凹槽与身体支撑板11的第一直线导槽43滑动装配，螺母配重块20、长螺杆21和调姿电机23装配后置于身体支撑板11的第一直线导槽43中间位置，调姿电机左固定座24和调姿电机右固定座22分别置于调姿电机23左右两侧，且分别与身体支撑板11通过螺钉固定；螺母滑块34与短螺杆35螺纹配合装配，调体积电机36输出端与短螺杆35固定，螺母滑块34中间凹槽与身体支撑板11的第二直线导槽44直线滑动装配，螺母滑块34、短螺杆35和调体积电机36装配后置于身体支撑板11的第二直线导槽44中间位置，调体积电机左支撑座38和调体积电机右支撑座37分别置于调体积电机36左右两侧，且分别与身体支撑板11通过螺钉固定；右侧上层I连杆31一端销钉连接在调体积电机右支撑座37上部，右侧上层II连杆30一端销钉连接在螺母滑块34右上部，且右侧上层I连杆31和右侧上层II连杆30中间位置销钉连接；右侧下层I连杆33一端销钉连接在调体积电机右支撑座37下部，右侧下层II连杆32一端销钉连接在螺母滑块34右下部，且右侧下层I连杆33和右侧下层II连杆32中间位置销钉连接；左侧上层I连杆39一端销钉连接在调体积电机左支撑座38上部，左侧上层II连杆40一端销钉连接在螺母滑块34左上部，且左侧上层I连杆39和左侧上层II连杆40中间位置销钉连接；左侧下层I连杆41一端销钉连接在调体积电机左支撑座38下部，左侧下层II连杆42一端销钉连接在螺母滑块34左下部，且左侧下层I连杆41和左侧下层II连杆42中间位置销钉连接。

如图13所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构，其特征在于：该软体仿生机器鱼身体内部还包括左外壳9和右外壳10，其中左侧上层I连杆39、左侧上层II连杆40、左侧下层I连杆41、左侧下层II连杆42的另一端分别置于左外壳9对应的4个滑动槽内；右侧上层II连杆30、右侧上层I连杆31、右侧下层II连杆32、右侧下层I连杆33的另一端分别置于右外壳10对应的4个滑动槽内。

如图14所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼其调控方法，其特征在于：该软体仿生机器鱼通过控制调姿电机23旋转，驱动长螺杆21转动，实现螺母配重块20前后移动；当螺母配重块20向前移动到最大幅度A1，仿生机器鱼前俯姿态角度最大；当螺母配重块20向后移动到最大幅度A4，仿生机器鱼后仰姿态角度最大；通过螺母配重块20前后移动，可实现（如图A1-A2-A3-A4-A3-A2-A1）软体仿生机器鱼前俯后仰调控。

如图15所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼其调控方法，其特征在于：该软体仿生机器鱼通过控制调体积电机36旋转，驱动短螺杆35转动，实现螺母滑块34前后移动；螺母滑块34前后移动驱动，驱动由右侧上层II连杆30、右侧上层I连杆31、右侧下层II连杆32、右侧下层I连杆33、左侧上层I连杆39、左侧上层II连杆40、左侧下层I连杆41、左侧下层II连杆42组成的传动机构，推动左外壳9和右外壳10左右移动；当螺母滑块34向前移动最大时B1，左外壳9和右外壳10分别往右和左移动，软体仿生机器鱼体积变小；当螺母滑块34向后移动最大时B2，左外壳9和右外壳10分别往左和右移动，软体仿生机器鱼体积变大；通过螺母滑块34前后移动，可实现（如图B1-B2-B1）软体仿生机器鱼改变体积调控。

如图16所示，所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼其调控方法，其特征在于：该软体仿生机器鱼通过控制舵机14转动，实现鱼尾12左右摆动；当鱼尾12左右摆动幅度相等时，软体仿生机器鱼则会前向直行游动（如图C1-C2-C1-C3-C1）；当鱼尾12偏右侧摆动时，软体仿生机器鱼则会前向右转游动（如图C1-C2-C1）；当鱼尾12偏左侧摆动时，软体仿生机器鱼则会前向左转游动（如图C1-C3-C1）。

所述的一种可变体积的软体仿生机器鱼运动结构及其调控方法，通过调体积电机36控制软体仿生机器鱼的体积，在水中就可以改变浮力实现上浮下潜的功能；通过调姿电机23控制软体仿生机器鱼的质心位置，在水中就可以改变姿态角度实现前俯后仰的功能；通过舵机14控制摆动幅度和方向，在水中可以实现前进、左转和右转功能。因此，结合上述调控方法，可实现软体仿生机器鱼在水中的三维空间复杂运动功能，在水下资源勘探、水文监测和家庭娱乐等方面应用广泛，为未来水下机器人发展提供技术储备。