一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体而言，涉及一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼。

背景技术

近年来，国内外对仿生机器鱼的研究已经取得了一定的突破，仿生机器鱼在水下勘探、水下救援、水产养殖等方面都有广泛的应用前景。仿生机器鱼通常采用摆动鱼尾的推进方式，这种方式相较于传统的采用螺旋桨水下推进器具有诸多优点：1)推进效率高；2)机动性高；3)噪音小；4)运动形式多样。而目前大部分设计的仿生机器鱼均采用电机驱动，存在能耗高、结构复杂、瞬时响应有严重的滞后性、常伴有较大的噪声等不可避免的缺陷。

采用磁驱动方式可避免振动传递，主动件与被动件无刚性连接，具有过载保护功能，能够实现机器的平稳工作。但由于现有的机器鱼内部通常是处于封闭状态，电磁驱动装置的发热问题会引起机器鱼持续工作时间较短、线路损坏、稳定续航能力差等问题。

发明内容

本发明提供一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼，通过在机器鱼内部设置流水通道并在机器鱼鱼身上设置仿生鱼鳃结构以使得水流从机器鱼内穿过带走热量时能够利用仿生鱼鳃结构的动作来维持机器鱼的平衡，从而能够在保持机器鱼动作稳定的情况下解决机器鱼内部的发热问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼，包括：

鱼头部，所述鱼头部的前端设有进水口，所述鱼头部的后端两侧分别设有出水口，两侧的出水口与所述进水口之间分别通过第一流水通道、第二流水通道连通，其中，所述第一流水通道和第二流水通道均被配置为与所述鱼头部内的驱动组件相互隔离；

传动机构，所述传动机构设置于所述鱼头部内并响应于所述驱动组件执行驱动动作；

动力机构，所述动力机构与所述传动机构配合并在所述传动机构的带动下进行动作以向机器鱼提供前进动力；

适于封闭所述出水口的鳃盖，所述鳃盖与所述鱼头部的外壳转动连接，所述鳃盖与所述传动机构配合以使其能够在传动机构的带动下反复封闭所述出水口。

在一些可选的实施方式中，两侧的所述出水口关于所述鱼头部的中心截面对称。

在一些可选的实施方式中，所述第一流水通道与所述第二流水通道的形状大小相同。

在一些可选的实施方式中，所述鱼头部内设置有隔离板，所述隔离板的内侧板面与所述鱼头部的外壳共同围合成用以安装所述传动机构的隔离腔，所述隔离板的外侧板面与所述鱼头部的外壳之间形成第一流水通道和第二流水通道，其中，所述隔离腔通过所述隔离板分别与所述第一流水通道和第二流水通道相互隔离。

在一些可选的实施方式中，所述隔离板包括第一板体、第二板体和第三板体；

所述第一板体被构造为弧形板且与所述进水口对中设置，所述第一板体的外凸面靠近所述进水口；

两个所述第二板体长度方向的一端分别与所述第一板体长度方向的两端连接；

两个所述第三板体长度方向的一端分别与两个所述第二板体长度方向的另一端连接，两个所述第三板体长度方向的另一端与所述鱼头部的外壳连接；

所述第一板体、第二板体和第三板体在各自宽度方向上的两端分别与所述鱼头部的外壳连接。

在一些可选的实施方式中，所述传动机构包括：

限位轴，所述限位轴连接于所述鱼头部的外壳，所述第二板体的板面与所述限位轴的轴线平行；

转动环，所述转动环活动套设于所述限位轴；

传动件，所述传动件与所述转动环连接，所述传动件在所述驱动组件的磁力作用下带动所述转动环转动；

衔接件，所述衔接件与所述转动环连接且与所述传动件位置相对，所述衔接件与所述动力机构配合以带动动力机构动作。

在一些可选的实施方式中，所述鳃盖通过索体与所述传动机构连接。

在一些可选的实施方式中，所述鳃盖与所述鱼头部的外壳弹性转动连接。

在一些可选的实施方式中，所述索体的弹性模量被配置为当索体被所述传动机构带动拉伸时长度不变。

在一些可选的实施方式中，所述动力机构被配置为模量渐变的柔性鱼尾部，所述柔性鱼尾部与所述鱼头部通过密封胶膜连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼，通过进水口与出水口之间第一流水通道、第二流水通道的设置，机器鱼在前进的过程中水流可以自进水口经第一流水通道、第二流水通道向出水口流动，流动的水可以将机器鱼内磁驱动装置产生的热量带出机器鱼外部以实现散热目的，同时在出水口处设置的鳃盖可以在传动机构的带动下进行动作，扑动的鳃盖能够在鱼头部的两侧产生流速差，从而能够提高水在第一流水通道和第二流水通道中的流速，保证散热效果，并且扑动的鳃盖同时又充当了鱼类的鳍部，能够促进机器鱼在运动过程中的机体平衡性能，降低因水穿过机器鱼内部而对机器鱼在运动过程中的平衡性能的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼内部各组件俯视剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼外部整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼的侧视结构示意图；

图4为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼鱼头部整体示意图；

图5为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼头部与尾部之间密封连接的密封胶膜示意图；

图6为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼的模量渐变式鱼尾示意图；

图7为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼电磁驱动装置中的传动器；

图8为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼的四根拉线示意图；

图9为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼运动过程中鳃盖和拉线的变化情况示意图；

图10为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼的横截面结构示意图；

图11为发明实施例提供的基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼模量渐变式鱼尾的制备流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-外壳；2-第一流水通道；3-驱动组件；4-第二流水通道；5-密封胶膜；6-进水口；7-隔离板；8-传动机构；9-索体；10-动力机构；11-鳃盖；12-出水口；13-鳃盖束线孔；14-隔板集线孔；15-限位轴；16-衔接件安装槽；17-转动环束线孔；18-传动件；19-衔接件；20-转动环；21-拉线一；22-拉线二；23-拉线三；24-拉线四。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-图10所示，本发明实施例提供一种基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼，该基于仿生鱼鳃散热的磁驱动机器鱼包括鱼头部、传动机构8、动力机构10和鳃盖11。

鱼头部的整体外形与鱼类的身形类似以使机器鱼整体的仿生效果更好，只是鱼头部由加工或者注塑成型，因此鱼头部的形状更为规整，鱼头部的横向截面形状可以是椭圆形，自鱼头部的前端向后端的方向上，鱼头部的横向截面面积依次增大。鱼头部可以包括外壳1、设置在外壳1内的驱动组件3以及其他传感器等，鱼头部的前端设有进水口6，鱼头部的后端两侧分别设有出水口12，两侧的出水口12与进水口6之间分别通过第一流水通道2、第二流水通道4连通，从而水可以通过第一流水通道2和第二流水通道4自进水口6进入鱼头部内并分别通过两侧的出水口12流出鱼头部，水在经过鱼头部内的过程中可以带走一部分由于驱动机器鱼前进做功而产生的热量，进而实现鱼头部内降温的目的，避免机器鱼出现例如持续工作时间短、线路损坏、稳定续航能力差等问题，其中，第一流水通道2和第二流水通道4均被配置为与鱼头部内的驱动组件3相互隔离，从而能够避免驱动组件3与水相互接触而导致的锈蚀、线路短路、水的流动而引起额外阻力等问题。由于本申请实施例中的机器鱼为磁驱动机器鱼，因而驱动组件3可以设置为电磁铁，具体的，电磁铁可以设置为两个并在外壳1内呈对称排布，两个电磁铁分别可以设置在第一流水通道2和第二流水通道4中并在电磁铁外设置防水壳体，电磁铁作为驱动组件3中的主要发热部件，其能够与第一流水通道2和第二流水通道4中的水充分接触，从而实现电磁铁的及时散热。

传动机构8设置于鱼头部内并响应于驱动组件3执行驱动动作，从而传动机构8能够将驱动组件3所施加的磁吸引转化为例如回转运动、线性运动、摆动运动等驱动动作，传动机构8同样与第一流水通道2和第二流水通道4相互隔离，从而避免传动机构8与水直接接触而导致传动机构8被锈蚀或其运动受到影响。

动力机构10与传动机构8配合并在传动机构8的带动下进行动作以向机器鱼提供前进动力。动力机构10与传动机构8之间可以直接连接，从而动力机构10与传动机构8的动作一致，直接连接也可以减少传动过程中的能量损失，节省能源消耗。动力机构10与传动机构8之间也可以间接连接，例如动力机构10与传动机构8之间可以通过例如蜗轮蜗杆、曲柄连杆、曲柄摇杆、凸轮机构、齿轮齿条等运动转换组件进行连接，从而传动机构8的运动模式可以不受过多的限制，有利于根据鱼头部的安装空间、内部形状结构选择合适的传动机构8类型。

鳃盖11的形状被构造为适于封闭出水口12，鳃盖11的形状可以与出水口12的形状一致，从而鳃盖11在具有较好的封闭效果的同时又能够适应鱼头部的外部形状，也就是说鳃盖11通过嵌入出水口12内以对出水口12进行封闭，鳃盖11与鱼头部的外壳1转动连接，其中鳃盖11可以与鱼头部的外壁转动连接，鳃盖11与鱼头部的外壁之间可以通过球铰链、孔轴结构等实现转动连接，鳃盖11也可以与出水口12的内壁转动连接，鳃盖11与出水口12的内壁之间可以通过球铰链、孔轴结构等实现转动连接，其中，两个鳃盖11的转动连接结构可以相同也可以不同，鳃盖11与传动机构8配合以使其能够在传动机构8的带动下反复封闭出水口12，从而鳃盖11可以在传动机构8的带动下进行转动以封闭出水口12，鳃盖11在转动过程中可以使鱼头部侧面产生流速差，从而有利于第一水流通道和第二水流通道内的水随鳃盖11周围的液压变化而快速流动，提高散热效率；同时，鳃盖11的转动模拟了鱼类的鳍部运动，从而鳃盖11的设置也有利于促进机器鱼在运动中保持机体的平衡，降低因第一流水通道2和第二流水通道4的设置而对机器鱼机体平衡的影响，保证机器鱼整体的运动精度。由于鳃盖11需要在传动机构8的带动下反复地封闭出水口12，即鳃盖11需要以一定频率进行正向、逆向转动，因此实际实施时，传动机构8可以采用往复运动机构，例如传动机构8的运动类型可以为摆动运动，从而传动机构8可以与鳃盖11直接连接而无需额外设置运动转换组件来占用鱼头部的安装空间，避免机器鱼整体体积、重量过大。

在一些可选的实施方式中，两侧的出水口12关于鱼头部的中心截面对称。

本申请实施例中，中心截面可以被理解为：当机器鱼被中心截面切割后形成第一部分和第二部分，第一部分和第二部分可以关于中心截面对称。也就是说两个出水口12的水流流向也关于中心截面对称，从而可以减小水流穿过鱼头部内部而对机器鱼的机体平衡的影响。

在一些可选的实施方式中，第一流水通道2与第二流水通道4的形状大小相同。这样设置，能够尽量使水流经过第一流水通道2和第二流水通道4时对机器鱼机体平衡的影响一致，在两个出水口12关于鱼头部的中心截面对称时，第一水流通道和第二水流通道也关于中心截面对称，如此便可以进一步减小因水流穿过鱼头部内部而对机器鱼机体平衡的影响。

在一些可选的实施方式中，可参阅图1，第一流水通道2和第二流水通道4可以通过在鱼头部内设置隔离板7形成，隔离板7的内侧板面与鱼头部的外壳1共同围合成用以安装传动机构8的隔离腔，隔离板7的外侧板面与鱼头部的外壳1之间形成第一流水通道2和第二流水通道4，其中，隔离腔通过隔离板7分别与第一流水通道2和第二流水通道4相互隔离。隔离板7和外壳1的内壁共同围合成相对封闭的隔离腔，隔离腔内可以安装传动机构8，从而传动机构8便可以通过隔离板7与第一流水通道2和第二流水通道4实现相互隔离。第一流水通道2和第二流水通道4通过设置隔离板7和外壳1即可形成，从而能够免于设置管道作为第一流水通道2、第二流水通道4，且隔离板7结构简单，不会对机器鱼整体的重量、大小造成较大影响。具体的，隔离板7可以包括第一板体、第二板体和第三板体；第一板体被构造为弧形板且与进水口6对中设置，第一板体的外凸面靠近进水口6；两个第二板体长度方向的一端分别与第一板体长度方向的两端连接；两个第三板体长度方向的一端分别与两个第二板体长度方向的另一端连接，两个第三板体长度方向的另一端与鱼头部的外壳1连接；第一板体、第二板体和第三板体在各自宽度方向上的两端分别与鱼头部的外壳1连接。第一板体的设置一方面能够对进水口6进入的水进行分流，从而保证第一流水通道2和第二流水通道4的水流流速尽量保持一致，另一方面第一板体对与进水口6进入的水的阻挡效果小，从而从进水口6进入的水对机器鱼整体的阻力较小，机器鱼克服该阻力前进所需功耗低，能够进一步节约能源。

在一些可选的实施方式中，可参阅图4以及图7，传动机构8可以包括限位轴15、转动环20、传动件18和衔接件19；限位轴15连接于鱼头部的外壳1，限位轴15两端分别与鱼头部的外壳1内壁连接，限位轴15与外壳1内壁可以是固定连接，也可以是转动连接，只要能够保证限位轴15的轴线固定即可，第二板体的板面与限位轴15的轴线平行，第一板体另一个板面与外壳1内壁之间设置电磁铁；转动环20活动套设于限位轴15，从而转动环20可以在限位轴15上自由转动，限位轴15上可以在转动环20的两侧设置凸肩以转动环20在限位轴15的轴向上移动；传动件18与转动环20连接，传动件18在驱动组件3的磁力作用下带动转动环20转动，传动件18设置为能够被磁力吸引的构件，从而传动件18可以在电磁铁的磁力吸引下与第二板体板面贴合，传动件18还可以被进一步配置为方形钕铁硼磁性摆片，从而在电磁铁导通的情况下，传动件18的动作响应更加及时，进而可以保证机器鱼的动作流畅度，并且当其中一个电磁铁对传动件18进行吸引时，另一个电磁铁可以对传动件18进行排斥，从而传动件18的动作响应及时性能够得到进一步的提高；衔接件19与转动环20连接且与传动件18位置相对，衔接件19与动力机构10配合以带动动力机构10动作。

在一些可选的实施方式中，可参阅图8，鳃盖11通过索体9与传动机构8连接。鳃盖11可以与传动机构8中的转动环20连接。索体9的数量可以设置为四根，分别为拉线一21、拉线二22、拉线三23和拉线四24，其中一个鳃盖11通过拉线一21和拉线二22与转动环20连接，拉线一21和拉线二22在转动环20上的位置相对，其中拉线一21位于传动件18与转动环20的连接处，拉线二22位于衔接件19与转动环20的连接处；另一个鳃盖11通过拉线三23和拉线四24与转动环20连接，拉线三23和拉线四24在转动环20上的位置相对，其中拉线三23位于传动件18与转动环20的连接处，拉线四24位于衔接件19与转动环20的连接处。转动环20上可以设置转动环束线孔17以与索体9连接。鳃盖11上可以设置鳃盖束线孔13以实现索体9的固定，第三板体上可以设置隔板集线孔14以供索体9穿过。

在一些可选的实施方式中，鳃盖11与鱼头部的外壳1弹性转动连接。这样设置，当传动机构8向一个方向摆动带动鳃盖11封闭出水口12后，传动机构8向另一个方向摆动时，鳃盖11可以在传动机构8的带动下以及弹性转动结构的弹性作用下及时打开。

在一些可选的实施方式中，索体9的弹性模量被配置为当索体9被传动机构8带动拉伸时长度不变。也就是说，索体9是不带弹性的索体9，从而鳃盖11可以及时响应传动机构8的动作。

在一些可选的实施方式中，动力机构10被配置为模量渐变的柔性鱼尾部，柔性鱼尾部与鱼头部通过密封胶膜5连接，柔性鱼尾部上设置有适于衔接件19插设的衔接件安装槽16，当柔性鱼尾部与鱼头部通过密封胶膜5连接后，衔接件19与衔接件安装槽16配合。

柔性鱼尾部的形状与鱼类的尾巴形状类似，为两叶鳍片对称的正形尾，由磁流变弹性体(MRE)制成。如图11所示，模量渐变式柔性鱼尾从首端至末端构成MRE各组分的比例逐渐改变、弹性逐渐增强。MRE由大分子聚二甲基硅氧烷端活性基团与固化剂、铁磁颗粒进行耦合反应,完成固化过程,进而形成一种磁流变弹性体材料。其中大分子聚二甲基硅氧烷端活性基团与固化剂的质量比为10:1，通过改变鱼尾不同部位所使用铁磁颗粒的比例，使得模量渐变式柔性鱼尾从首端至末端加入的铁磁颗粒的比例逐渐降低、弹性逐渐增强，模量渐变式的结构特点以自然界真实鱼尾的柔性特点为参照，可以增大机器鱼运动时鱼尾的摆动幅度和产生的动力。模量渐变式柔性鱼尾在方形钕铁硼磁性摆片的驱动下进行周期性的摆动，实现在水下的前进和转弯。柔性鱼尾部是以自然界真实鱼尾的柔性特点为参照的被动式鱼尾，鱼尾从首端至末端弹性逐渐增强，并设计为正形尾，在水流的阻力下更易弯曲，并与水流充分接触，被动式弯曲的模量渐变式柔性鱼尾部可以增大机器鱼运动时鱼尾的摆动幅度和产生的动力，能更有效地使尾部脱离涡流，提高游动效率。

工作时，通过驱动电路所产生的周期性正负方波可变电流，使得两个电磁铁在任意时刻所产生的的磁场方向均关于鱼头部中心截面对称，且相对的吸合面与所述鱼头部中心截面形成一定倾斜(实际实施时，通常将倾斜角度设置为15°)，以此提高电磁铁与方形钕铁硼磁性摆片之间的吸合力。两个电磁铁在任意时刻所产生的的磁场方向均关于机体中心截面对称，其中一个电磁铁对方形钕铁硼磁性摆片的异性磁极面产生吸引力，另一个对方形钕铁硼磁性摆片的异性磁极面产生排斥力，方形钕铁硼磁性摆片的左右摆动幅度及摆动灵敏度得以增大。

如图9所示，当方形钕铁硼磁性摆片向一侧摆动时，驱动衔接件19及模量渐变式鱼尾反向摆动。方形钕铁硼磁性摆片从中间位置向一侧摆动再摆向另一侧最终摆回中间位置为机器鱼的一个运动周期。重复机器鱼在一个周期内的运动可实现机器鱼在水下的前进，重复机器鱼在半个周期内的运动可实现机器鱼在水下的转弯运动。拉线用于拉动鳃盖11，控制鳃盖11的开合。

如图9(a)所示，当鱼尾在每半个运动周期开始时处于中间位置时，四根拉线均为紧绷状态，鱼鳃盖11打开的幅度最大。当鱼尾向右侧摆动过程中，如图9(b)所示，拉线一21、拉线四24逐渐放松，拉线二22、拉线三23仍为紧绷状态，随转动环20的转动拉动鱼鳃盖11向内侧扑动，直至鳃盖11完全闭合，如图9(c)所示。鳃盖11完全闭合时，机器鱼处于四分之一个运动周期，由于受到从进水口6流入第一水流通道和第二水流通道内流动的水的压力和后续鱼尾向中间摆动时拉线的牵引，鱼鳃盖11又逐渐打开，鱼尾向左侧摆动过程中情况相同。机器鱼鳃部周期性规律摆动的同时，从进水口6进入第一水流通道和第二水流通道的水流经电磁铁的四周并从出水口12流出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。