具有吸附功能的仿生鱼

技术领域

本发明涉及的是一种仿生机器人领域的技术，具体是一种具有吸附功能的仿生鱼。

背景技术

现有仿生机器鱼采用舵机串联结构的推进装置，存在执行器多，控制复杂的缺点；无法实现垂直升潜；各个部位都为刚性结构，仿生程度低；且无法实现吸附功能，为仿生机器鱼结构设计带来极大挑战。此外，目前仿生机器鱼续航时间短，无法长时间完成多区域作业任务，持续作业能力弱。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种具有吸附功能的仿生鱼，以鱼为仿生对象，控制简单，可垂直升潜，仿生程度高，且可吸附于多种载体实现长航程多区域作业的仿生鱼。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种具有吸附功能的仿生鱼，包括：上下连接的上鱼身部分、下鱼身部分以及与上鱼身部分相连的鱼尾部分，其中：上鱼身部分包括：上鱼身外壳和吸附装置，下鱼身部分包括：下鱼身外壳、设置于其内的控制舱、一对上胸鳍驱动装置、尾鳍驱动装置以及对称设置于下鱼身外壳外的一对下胸鳍。

所述的吸附装置包括：依次相连的真空吸盘、吸盘连接管和水泵，其中：水泵固定设置于上鱼身外壳的左侧，可改变真空吸盘内的真空度，真空吸盘则固定设置于上鱼身外壳顶部，为仿生鱼提供吸力实现吸附脱离。

所述的鱼尾部分包括：与尾鳍驱动装置相连的鱼尾结构以及包裹鱼尾结构的鱼尾蒙皮，其中：鱼尾结构包括并列设置的主脊柱、次脊柱、拉线，被主脊柱和次脊柱穿过的的第一至第七关节，以及与第七关节依次连接的尾鳍连接件和柔性尾鳍，其中：柔性尾鳍通过拉线与尾鳍驱动装置相连，在拉线的驱动下，第七关节可以左右摆动，同时带动其余若干关节摆动，配合柔性尾鳍实现仿生机器鱼的游动姿态。

所述的上胸鳍驱动装置均包括：胸鳍舵机固定件、胸鳍舵机、上胸鳍和胸鳍连接件，其中：胸鳍固定件一端与鱼身外壳左侧突出方柱连接，另一端则通过螺丝螺母固定胸鳍舵机，胸鳍舵机输出轴方向与鱼身方向一致；胸鳍连接件带动上胸鳍绕胸鳍舵机输出轴进行扇形运动并产生沿垂向的仿生鱼的升潜力。

所述的尾鳍驱动装置包括：尾鳍舵机固定件、尾鳍舵机、拉线限制板、绕线滑轮和导线滑轮，其中：尾鳍舵机固定件固定设置于下鱼身外壳，尾鳍舵机固定于尾鳍舵机固定件前端，导线滑轮和拉线限制板固定于尾鳍舵机件后端，绕线滑轮则固定于尾鳍舵机输出轴之上。

所述的控制舱包括：舱体以及设置于其内的惯性导航、压力传感器、电池和单片机，其中：单片机向外部舵机和水泵输出控制指令，同时接收深度传感器和惯性导航的数据，深度传感器可测量仿生机器鱼的实时深度，惯性导航则测量仿生机器鱼实时姿态角度等数据，两个传感器的数据都会实时返回至单片机内供其进行数据处理，便于掌握仿生机器鱼的位置和姿态信息。

技术效果

本发明采用基于扑翼理论的胸鳍升潜结构实现仿生鱼的垂直升潜；采用线驱动的柔性推进结构，除刚性关节其他部件都为柔性结构，同时推进结构还拥有鱼独特的背鳍和腹鳍；采用受鱼吸附机制启发的真空式吸盘吸附结构，使仿生鱼具有额外的吸附功能。与现有技术相比，本发明结构精巧，只需控制三个伺服电机和一个水泵即可实现仿生鱼的游动、升潜以及吸附功能；机动性高，扑动式的胸鳍结构可通过胸鳍上下拍动频率不同实现垂直升潜；控制简单，线驱动的柔性推进结构只需单个伺服电机即可驱动仿生鱼尾来回摆动模拟仿鱼的游动姿态；仿鱼独特的背鳍和腹鳍使得推进结构推力大、仿生鱼稳定性高；具备独特的吸附功能，仿生鱼通过真空式吸盘吸附结构可吸附于海洋航行器、船只等载体底部，以较低的能耗跟随载体远距离多区域航行，配合载体执行相关任务；仿生程度高，仿生鱼的外形、胸鳍、鱼尾关节都以鱼为原型。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明上鱼身部分示意图；

图3为本发明下鱼身部分示意图；

图4为本发明鱼尾部分示意图；

图5为本发明鱼尾结构示意图；

图6为本发明上胸鳍驱动装置示意图；

图7为本发明尾鳍驱动装置示意图；

图8为本发明控制舱内部示意图；

图9为本发明吸附装置示意图；

图中：1上鱼身部分、2下鱼身部分、3鱼尾部分、4上鱼身外壳、5吸附装置、6控制舱固定环、7左下胸鳍、8控制舱、9左上胸鳍驱动装置、10右上胸鳍驱动装置、11尾鳍驱动装置、12右下胸鳍、13下鱼身外壳、14鱼尾结构、15鱼尾蒙皮、16胸鳍固定件、17胸鳍舵机、18上胸鳍、19胸鳍连接件、20尾鳍舵机固定件、21尾鳍舵机、22绕线滑轮、23小导线滑轮、24拉线限制件、25支撑板、26惯性导航、27压力传感器、28电池、29单片机、30控制板盖、31短六角螺柱、32控制舱内盖、33长六角螺柱、34控制舱后盖、35控制舱前盖、36控制舱管、37穿舱螺丝、38空心螺丝堵头、39按钮开关、40水密接插件公头、41水密接触件母头、42穿舱螺母、43电池固定件、44主脊柱、45第一关节、46第二关节、47第三关节、48第四关节、49第五关节、50第六关节、51第七关节、52次脊柱、53柔性尾鳍、54尾鳍连接件、55拉线、56真空吸盘、57吸盘连接管、58水泵。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种具有吸附功能的仿生鱼，包括：上下连接的上鱼身部分1、下鱼身部分2以及与上鱼身部分1相连的鱼尾部分3。

如图2所示，所述的上鱼身部分1包括：上鱼身外壳4和吸附装置5，其中：吸附装置5通过水泵控制吸盘内真空度大小，实现吸附脱离。

如图3所示，所述的下鱼身部分2包括：下鱼身外壳13、设置于其内的控制舱8、一对上胸鳍驱动装置9、10、尾鳍驱动装置11以及对称设置于下鱼身外壳13外的一对下胸鳍7、12。

所述的下鱼身外壳13左右两端设有长方体柱，长方体柱上开孔分别用于固定左上胸鳍驱动装置9和右上胸鳍驱动装置10。

所述的下鱼身外壳13中间部分设有与控制舱8连接的突出的圆弧形固定环6，通过控制舱固定环6与下鱼身外壳13上的固定环压紧固定控制舱8，为节省内部空间和提高仿生机器鱼浮心位置，控制舱8与下鱼身外壳13之间有30度的夹角。

所述的控制舱8内设有单片机、电池以及传感器，可控制外部舵机、水泵以及处理传感器返回的数据，同时控制舱8也起水密舱的作用，通过O型圈静密封的方法实现防水密封的功能。

如图4和图5所示，所述的鱼尾部分3包括：与尾鳍驱动装置11相连的鱼尾结构14以及设置与其外部的鱼尾蒙皮15。

所述的鱼尾结构14包括并列设置的主脊柱44、次脊柱52、拉线55、被主脊柱44和次脊柱52穿过的第一至第七关节45-51、以及与第七关节51依次连接的尾鳍连接件54和柔性尾鳍53，其中：柔性尾鳍53通过拉线55与尾鳍驱动装置11相连，在拉线55的驱动下，第七关节51可以左右摆动，同时带动其余若干关节摆动，配合柔性尾鳍53实现仿生机器鱼的游动姿态。

所述的鱼尾蒙皮15由液体硅胶在鱼尾模具中凝结而成，为柔性结构且具有延展性，鱼尾蒙皮15尺寸较鱼尾结构14小，通过拉伸后收缩固定设置于鱼尾结构外，可提高仿生鱼仿生程度和提高鱼尾结构产生的推力。

如图8所示，所述的主脊柱44和次脊柱52贯穿各个关节，主脊柱和次脊柱支撑整个鱼尾结构，防止各个关节在运动时产生扭转，实现鱼尾结构单独方向的运动；拉线55也穿过各关节左右的开孔，直到第七关节结束。第一关节45到第六关节50之间各关节距离都为65mm，第七关节51与第六关节50距离为33mm，各关节通过胶水固定设置于主脊柱43和次脊柱51上，鱼尾连接件54开孔半径与主脊柱43半径相同，因此可直接卡在主脊柱43上，实现鱼尾连接件54的可卸载性，柔性鱼尾53通过胶水固结于鱼尾连接件54上。与尾鳍驱动装置11配合，通过拉线55的位移使柔性鱼尾53产生摆动，从而实现仿生鱼的游动。

如图6所示，所述的上胸鳍驱动装置9、10均包括：胸鳍舵机固定件16、胸鳍舵机17、上胸鳍18和胸鳍连接件19，其中：胸鳍固定件16一端与鱼身外壳2左侧突出方柱连接，另一端则通过螺丝螺母固定胸鳍舵机17，胸鳍舵机17输出轴方向与鱼身方向一致；胸鳍连接件19带动上胸鳍18绕胸鳍舵机17输出轴进行扇形运动并产生沿垂向的仿生鱼的升潜力。

所述的胸鳍连接件19一端为圆盘形，开孔与胸鳍舵机17输出轴连接，另一端呈方形，延伸至下鱼壳外，连接固定上胸鳍18。

所述的升潜力与胸鳍运动速度有关，因此胸鳍做扇形运动时由于速度不同会产生大小不同的上升力和下潜力，当胸鳍上摆速度大于下摆速度时，仿生机器鱼下潜力大于上升力，实现下潜，当胸鳍上摆速度小于下摆速度时，仿生机器鱼下潜力小于上升力，实现上浮。

如图7所示，所述的尾鳍驱动装置11包括：尾鳍舵机固定件20、带有尾鳍舵机21的绕线滑轮22和导线滑轮23，其中：尾鳍舵机固定件20固定设置于下鱼身外壳2，绕线滑轮22和导线滑轮23分别设置于尾鳍舵机固定件20的前后两端。

所述的绕线滑轮22为圆柱形，中部有供连接尾鳍舵机19的开孔，外侧沿边有直径为4mm的圆形滑轨，用以放置拉线和供拉线运动，为防止拉线滑出，滑轨外部有2mm厚的滑轨壁。

所述的导线滑轮23固定设置于尾鳍舵机固定件18上的支撑柱，与绕线滑轮半径比为1：3，可对拉线施加预紧力，从而绷直拉线，使绕线滑轮转动产生的拉力能够正确传导到柔性尾鳍53。

所述的导线滑轮23的上下方分别设有拉线限制板24以防止拉线在水中浮起，降低鱼尾驱动装置驱动效果。

如图8所示，所述的控制舱8包括：舱体以及设置于其内的惯性导航26、压力传感器27、电池28和单片机29，其中：单片机29向外部舵机和水泵输出控制指令，同时接收深度传感器27和惯性导航26的数据，深度传感器27可测量仿生机器鱼的实时深度，惯性导航26则测量仿生机器鱼实时姿态角度等数据，两个传感器的数据都会实时返回至单片机29内供其进行数据处理，便于掌握仿生机器鱼的位置和姿态等信息。

所述的舱体包括：支撑板25以及设置于其上的控制板盖30、控制舱内盖32、控制舱后盖34、带有按钮开关39的控制舱前盖35、电池固定件43以及设置于支撑板25外部的控制舱管36，其中：支撑板25上开孔固定单片机29，压力传感器27和惯性导航26，由于电池28上没有开孔，因此需要单独的电池固定件43将其设置于支撑板23上。

本装置采用6节锂电池串联而成的电池28，主要作用为向单片机29和舱外的舵机和水泵供电。

所述的支撑板25的两侧突出两个方柱，与控制板盖30的开口连接，两个控制板盖30之间通过长六角螺柱33之间连接，同时固定支撑板25；控制舱后端的控制板盖30通过短六角螺柱31与后端的控制舱内盖32连接，控制舱内盖32管壁侧有两处凹槽，外侧有一处凹槽，三处凹槽都设有O型圈，通过O型圈静密封的方式进行防水，此防水装置可满足水下100m的防水要求。

所述的控制舱内盖32通过螺丝螺母连接控制舱后盖34；5个穿舱螺丝37和对应的穿舱螺栓42配合固定设置于控制舱后盖34上，外部舵机和水泵的线缆穿过穿舱螺丝37后对穿舱螺丝进行硫化胶的灌注，可使控制舱内外保持通信的同时满足控制舱的防水要求。

所述的控制舱前盖35则与控制舱前端的控制舱内盖32连接，安装空心螺栓堵头38，按钮开关39，水密接插件母头41和水密接插件公头40，其中：空心螺栓堵头38可测量控制舱的气密性，防止控制舱漏水，损坏舱内的电子设备；为防止控制舱开舱导致的气密性下降，设置水密接插件实现电池28的舱外充电，提高仿生鱼的可靠性。

如图9所示，所述的吸附装置5包括：依次相连的真空吸盘56、吸盘连接管57和水泵58，其中：水泵58固定设置于上鱼身外壳4的左侧，可改变真空吸盘56内的真空度，真空吸盘56则固定设置于上鱼身外壳4顶部，为仿生鱼提供吸力。

当仿生鱼执行吸附动作时，水泵58将真空吸盘56中的水排出，真空吸盘56内外产生压力差从而实现吸附；当需要脱离时，水泵56停止工作，水流进真空吸盘56内使内外压力差恢复，从而实现脱离。

本实施例中上鱼身部份1提供机器鱼的吸附功能，下鱼身部分2则提供机器鱼的升潜功能和游动功能；鱼尾部分3由若干个关节被主脊柱和次脊柱串联而成，柔性鱼尾53由液态硅胶凝结而成，模拟鱼尾尾部柔性。仿生鱼工作时，鱼尾结构14的若干个关节和柔性鱼尾53由尾鳍驱动装置11驱动拉线实现波形摆动，模拟真实鱼类游动状态；胸鳍驱动装置可驱动左右上胸鳍，使胸鳍上下摆动存在频率差，下摆和上摆时存在升降力差，通过升降力差实现仿生鱼的升潜；吸附装置通过水泵58改变真空吸盘56内的真空度，实现仿生鱼的吸附脱离；控制舱11则保证控制指令的实时输出，为整个仿生鱼系统供电，控制外部的舵机和水泵工作，同时返回仿生鱼实时的位置状态，便于操控者对其运动位置进行操控。

与现有技术相比，本装置通过设计精巧的结构，只需控制三个伺服电机和一个水泵即可实现仿生鱼的游动、升潜以及吸附功能；采用基于扑翼理论的胸鳍升潜结构，实现了仿生鱼的垂直升潜，同时在仿生鱼吸附时提供了预紧力；采用线驱动的柔性推进结构，只需单个伺服电机即可驱动仿生鱼尾来回摆动模拟仿鱼的游动姿态，控制简单；采用具有鱼背鳍和腹鳍的鱼尾蒙皮，以及液态硅胶凝结而成的鱼尾，仿生程度高，提高了线驱动推进装置的推力和仿生鱼整体的稳性；采用受鱼吸附机制启发的真空式吸盘吸附装置，实现了仿生鱼的吸附功能，使仿生鱼能够吸附于载体，跟随载体长距离多区域航行，减少了仿生鱼的能耗，提高了仿生鱼的续航时间。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。