一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼

技术领域

本申请属于水下仿生机器人技术领域，涉及一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼。

背景技术

水下机器人是海洋科技中的重要组成部分，在军事、民事上均有广泛应用，涵盖情报收集、水下及水上侦查监视、作战打击和后勤支援等诸多领域，并且在海洋资源探测、海洋资源开发以及海洋农业等方面显示出重要的应用前景。不同水下机器人适应于不同的应用场景，传统螺旋桨推进机器人虽具有结构紧凑简单、可靠性高、密封性好等优点，但也存在噪声大、流体扰动大、环境适应性差、综合效率低等不足。研究表明仿生型的水下机器人同水下生物具有更好的交互性，更加适用于一些诸如海洋牧场观测、隐蔽侦查监视等方面的应用。因此，仿生机器鱼的研究成为水下机器人的一个前沿方向和研究热点。

研究者根据鱼类的不同推进模式，开发出不同推进模式的仿生机器鱼。作为胸鳍拍动驱动软骨鱼类，鲼亚目生物经过长时间的进化与自然选择使得其本身具有优异的推进效能，根据《中国动物志》分类，鲼亚目生物属于脊索动物门、软骨鱼纲、板鳃亚纲、鳐形总目、鲼目，其中典型鲼亚目生物有蝠鲼、鹞鲼、牛鼻鲼等。鲼亚目生物可通过胸鳍的柔性变形运动的协调动作来展现良好的机动性、高效性和稳定性。因此，鲼亚目生物鱼适合作为以高效、灵活、稳定为主要应用需求的自主水下机器人的设计仿生对象。研究表明鲼亚目生物的胸鳍柔性变形运动的实现具有两个原因：一是鲼亚目生物神经的主动控制，二是鲼亚目生物水下运动中与流体力相互作用产生的被动变形。其产生的柔性变形可分为胸鳍前缘到后缘的弦向变形和胸鳍基部到尖端的展向变形。一些研究表明被动变形对鲼亚目生物或仿生机器鱼的水下运动性能起着重要作用，鲼亚目生物或仿生机器鱼的被动变形特点也引起了研究者的广泛关注。但目前主要集中在仿鲼亚目生物水动力模型的仿真计算研究及部分仿生胸鳍的被动变形水动力性能试验研究，而对仿生机器鱼展向和弦向两个方向的被动变形的结构仿生优化设计研究仍存在不足。

具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼属于仿生水下机器人，尽管研究者研制了各种仿鲼亚目机器鱼，如发明专利CN108482627B、CN114889788A、CN112519998A，但针对鲼亚目生物胸鳍展向和弦向被动变形特点的结构仿生设计仍存在不足。而针对鲼亚目生物胸鳍被动变形特点进行的仿生机器鱼可具有更好的机动性、高效性和稳定性，因此具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼的设计有待研究。

发明内容

本申请的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼，本申请以鲼亚目生物为仿生对象，拟通过展向和弦向的被动变形结构设计，提升仿鲼亚目机器鱼的水下运动性能。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本申请提供一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼，包括：

仿生鱼体结构，所述仿生鱼体结构的两侧分别设置有仿生胸鳍结构；

仿生胸鳍结构，所述仿生胸鳍结构包括两个主动杆和两个被动杆，所述两个主动杆一端与设置在仿生鱼体结构侧面的舵机相连，两个被动杆与两个主动杆相连，且设置有若干翼型支撑板，用于支撑仿生胸鳍蒙皮；

硬件控制系统，所述硬件控制系统设置于仿生鱼体结构的内部，用于控制仿生胸鳍结构动作，实现仿生胸鳍结构的展向和弦向的被动变形运动。

在一个可行的实施例中，本申请仿生鱼体结构包括仿生鱼体头部、仿生鱼体舱盖和仿生鱼体舱体；仿生鱼体头部安装在仿生鱼体舱体的前端，仿生鱼体舱盖安装在仿生鱼体舱体的顶部，硬件控制系统设置于仿生鱼体舱体的内部；仿生鱼体舱体的两侧对称设置有凸台；仿生胸鳍结构安装于仿生鱼体舱体两侧的凸台上。

在一个可行的实施例中，本申请仿生鱼体舱体一侧的凸台上，由前至后依次设置有第一舵机、第二舵机和被动杆安装圆柱轴；仿生胸鳍结构的两个主动杆中，第一主动杆与第一舵机相连，第二主动杆与第二舵机相连；仿生胸鳍结构的两个被动杆中，第一被动杆与被动杆安装圆柱轴相连，第二被动杆的前端与第二主动杆的末端通过铰链相连。

在一个可行的实施例中，本申请第一主动杆的中部套设有第一翼型支撑板前缘部分，末端套设有第二翼型支撑板前缘部分；第二主动杆的尾部套设有第一翼型支撑板中间部分，中部套设有第二翼型支撑板中间部分；第一被动杆的中部套设有第一翼型支撑板后缘部分，末端套设有第二翼型支撑板后缘部分；第二被动杆的前端套设有第三翼型支撑板，尾部套设有第四翼型支撑板。

在一个可行的实施例中，本申请第一翼型支撑板前缘部分、第二翼型支撑板中间部分和第一翼型支撑板后缘部分的位置相对设置；第二翼型支撑板前缘部分、第一翼型支撑板中间部分和第二翼型支撑板后缘部分的位置相对设置。

在一个可行的实施例中，本申请仿生鱼体头部与仿生鱼体舱体之间，以及仿生鱼体舱盖与仿生鱼体舱体之间设置有密封垫。

在一个可行的实施例中，本申请仿生鱼体舱体两侧的凸台上还安装有防水穿线螺母，硬件控制系统的控制板与第一舵机和第二舵机间的连线通过防水穿线螺母进行连接。

在一个可行的实施例中，本申请仿生胸鳍连杆的各零部件采用尼龙材料，通过3D打印制成。

在一个可行的实施例中，本申请仿生胸鳍蒙皮采用硅橡胶制成。

在一个可行的实施例中，本申请硬件控制系统，包括：

驱动模块，通过PWM信号控制所述仿生胸鳍连杆结构的驱动舵机；

通讯模块，用于与上位机的信号交互；

视觉模块，通过控制板实现所述仿鲼亚目机器鱼的视觉信号采集；

电源模块，用于提供能量；

深度感知模块，用于采集水下深度信息；

控制板，所述控制板的主控芯片采用STM32，通过串口连接所述硬件控制系统的不同模块，实现水下的视觉信息采集、深度信息采集、信息信号通讯和运动控制。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

本申请以鲼亚目生物为设计启发对象，针对鲼亚目生物水下运动中胸鳍在展向和弦向两个方向的被动变形特点，设计了具有展向和弦向被动变形的仿生胸鳍结构。所设计仿生胸鳍结构的连杆结构具有两个主动杆与两个被动杆，并且设置安装了不同翼型支撑板。仿生胸鳍结构的翼型支撑板外形模拟真实生物胸鳍截面形状，以提高机器鱼的运动性能。在仿生胸鳍蒙皮的作用下，硬件控制系统通过控制舵机驱动主动杆的运动实现了仿生胸鳍连杆结构的运动，进而在水环境的联合作用下实现了仿生胸鳍结构的弦向和展向的被动变形。本申请所提出的考虑被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼通过仿生胸鳍结构设计实现了更好的鲼亚目生物运动仿生，提高机器鱼的运动性能。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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是本申请的轴测图。

图2是本申请的俯视图。

图3是本申请仿生鱼体示意图。

图4是本申请仿生胸鳍连杆结构示意图。

其中：1-仿生鱼体结构；2-仿生胸鳍结构；3-仿生鱼体头部；4-仿生鱼体舱盖；5-仿生鱼体舱体；6-第一主动杆；7-第二主动杆；8-第一被动杆；9-第二被动杆；10-第四翼型支撑板；11-第三翼型支撑板；12-第二翼型支撑板前缘部分；13-第二翼型支撑板中间部分；14-第二翼型支撑板后缘部分；15-第一翼型支撑板前缘部分；16-第一翼型支撑板中间部分；17-第一翼型支撑板后缘部分；18-仿生胸鳍蒙皮；19-铰链；20-顶部螺栓；21-头部螺栓；22-防水穿线螺母；23-第一舵机；24-第二舵机；25-被动杆安装圆柱轴。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图对本申请做进一步详细描述：

参见图1，本申请实施例公开了一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼，包括仿鲼亚目机器鱼由仿生鱼体结构1、仿生胸鳍结构2和硬件控制系统所组成。

仿生鱼体结构1包括仿生鱼体头部3、仿生鱼体舱盖4、仿生鱼体舱体5；仿生鱼体头部3通过螺栓与仿生鱼体舱体5的前部相连接，仿生鱼体舱盖4通过螺栓与仿生鱼体舱体5的顶部相连接；仿生鱼体舱体5两侧设置有凸台型结构，可用于连接仿生胸鳍结构2。

仿生胸鳍结构2包括有两组对称安装的仿生胸鳍蒙皮18与仿生胸鳍连杆结构，仿生胸鳍连杆结构通过两个舵机与仿生鱼体结构1中的仿生鱼体舱体5相连接；仿生胸鳍蒙皮18由仿生胸鳍连杆结构所支撑；仿生胸鳍连杆结构在仿生胸鳍蒙皮18的柔性作用下也可以通过舵机驱动实现仿生胸鳍连杆结构的运动，进而在水环境的联合作用下实现仿生胸鳍结构2的展向被动变形与弦向被动变形；仿生胸鳍连杆结构由两个主动杆、两个被动杆和四个翼型支撑板组成；两个主动杆分别由两个舵机驱动，实现仿生机器鱼的主动变形运动。

硬件控制系统位于仿生鱼体结构1的仿生鱼体舱体5内，其主要包括的模块有驱动模块、通讯模块、视觉模块、深度感知模块、电源模块、控制板等；利用硬件控制系统，其可以实现仿鲼亚目机器鱼水下的运动、通讯、感知等功能的控制。

在一个可行的实施例中，仿鲼亚目机器鱼的仿生鱼体头部3设置有密封槽，可便于与仿生鱼体舱体5连接处防水密封垫的安装，仿生鱼体舱盖4设置有两个密封槽，可便于与仿生鱼体舱体5连接处两个防水密封垫的安装。在仿生鱼体舱体5的两侧设置的凸台型结构中进一步设计有两个舵机安装槽、一个防水穿线螺母22安装槽和一个仿生胸鳍连杆结构中被动杆的安装结构件。仿生鱼体舱体5两侧的凸台型结构上设置有沿凸台的凹槽，以便于仿生胸鳍结构2安装于仿生鱼体结构1。

在一个可行的实施例中，仿生胸鳍结构2的仿生胸鳍连杆结构包括第一主动杆6、第二主动杆7、第一被动杆8和第二被动杆9。在第一主动杆6、第二主动杆7和第一被动杆8上依次安装了第一翼型支撑板和第二翼型支撑板。为了避免仿生胸鳍连杆结构的运动干涉，第一翼型支撑板和第二翼型支撑板分为了第一翼型支撑板前缘部分15、第一翼型支撑板中间部分16、第一翼型支撑板后缘部分17、第二翼型支撑板前缘部分12、第二翼型支撑板中间部分13和第二翼型支撑板后缘部分14。利用各翼型支撑板上设置的圆槽，第一翼型支撑板前缘部分15和第二翼型支撑板前缘部分12分别插入第一主动杆6上，第一翼型支撑板中间部分16和第二翼型支撑板中间部分13分别插入第二主动杆7上，第一翼型支撑板后缘部分17和第二翼型支撑板后缘部分14分别插入第一被动杆8上，第三翼型支撑板11和第四翼型支撑板10分别插入第二被动杆9上。第二被动杆9与第二主动杆7间通过铰链19连接，第二被动杆9可绕第二主动杆7旋转。第一被动杆8利用根部圆形槽孔连接在仿生鱼体舱体5侧边的被动杆安装圆柱轴25上，第一被动杆8可实现绕仿生鱼体舱体5旋转。

在一个可行的实施例中，仿生鱼体舱体5的一侧的凸台型结构上本申请的两个舵机安装槽可安装两个驱动舵机，第一主动杆6与第二主动杆7的根部分别连接到两个驱动舵机上，可实现第一主动杆6与第二主动杆7的旋转运动，在仿生胸鳍蒙皮18的柔性作用下带动第一被动杆8与第二被动杆9的旋转运动，实现仿鲼亚目机器鱼在驱动舵机的主动控制和水下流场的被动作用下的展向和弦向的被动变形。

在一个可行的实施例中，仿鲼亚目机器鱼的仿生鱼体头部3的前段设置有摄像头安装口，可利用硬件控制系统的视觉模块和控制板采集仿鲼亚目机器鱼在水下的运动情况。

在一个可行的实施例中，第一翼型支撑板、第二翼型支撑板、第三翼型支撑板11和第四翼型支撑板10的翼型几何形状为模拟真实鲼亚目生物的胸鳍截面翼型形状，可降低仿鲼亚目机器鱼水中运动的阻力，提供较好的运动性能。

在一个可行的实施例中，仿生胸鳍连杆结构的零部件采用高性能尼龙材料3D打印制造。仿生胸鳍蒙皮18采用柔性硅橡胶制作。

在一个可行的实施例中，硬件控制系统包括驱动模块、通讯模块、视觉模块、深度感知模块、电源模块、控制板等，具体的：

驱动模块通过PWM信号控制仿生胸鳍连杆结构的驱动舵机。

通讯模块用于与上位机的信号交互。

视觉模块通过控制板实现仿鲼亚目机器鱼的视觉信号采集。

电源模块为仿鲼亚目机器鱼提供能量。

深度感知模块用于采集仿鲼亚目机器鱼的水下深度信息。

控制板的主控芯片采用STM32，通过串口连接硬件控制系统的不同模块，实现仿鲼亚目机器鱼在水下的视觉信息采集、深度信息采集，信息信号通讯和运动控制。

实施例：

参见图1，本申请实施例公开了一种具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼，基于硬件控制系统，本申请的仿生胸鳍结构在舵机的驱动下可以实现仿生胸鳍连杆结构两个主动杆的运动，仿生胸鳍连杆结构上也设置安装有不同的翼型支撑板以支撑仿生胸鳍蒙皮，仿生胸鳍连杆结构的主动杆运动时在仿生胸鳍蒙皮的作用下带动仿生胸鳍连杆结构的被动杆动作，实现仿鲼亚目机器鱼仿生胸鳍结构的展向和弦向的被动变形运动，提升水下运动性能。

如图1所示，本申请具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼，包括仿生鱼体结构1、仿生胸鳍结构2，以及在仿生鱼体结构内部安装的硬件控制系统；

如图2和图3所示，仿生鱼体结构1包括仿生鱼体头部3、仿生鱼体舱盖4和仿生鱼体舱体5，仿生鱼体结构1模拟了鲼亚目生物鱼体的外形；仿生鱼体头部3与仿生鱼体舱体5的前部利用头部螺栓21安装装配，仿生鱼体舱盖4与仿生鱼体舱体5的顶部利用顶部螺栓20安装装配。并且在仿生鱼体头部3与仿生鱼体舱体5之间和仿生鱼体舱盖4与仿生鱼体舱体5之间安装有密封垫以实现防水功能；仿生鱼体舱体5两侧凸台对称设计，凸台上设置的两个舵机安装槽和防水穿线螺母安装槽分别安装了第一舵机23、第二舵机24和防水穿线螺母22；凸台上还设置有被动杆安装圆柱轴25；仿生鱼体舱体5的两侧凸台型结构上设置有沿凸台的凹槽，便于安装仿生胸鳍结构2。

如图2和图4所示，仿生胸鳍结构2的仿生胸鳍连杆结构包括第一主动杆6、第二主动杆7、第一被动杆8和第二被动杆9；利用各翼型支撑板上设置的圆槽，第一主动杆6上安装了第一翼型支撑板前缘部分15和第二翼型支撑板前缘部分12，第二主动杆7上安装了第一翼型支撑板中间部分13和第二翼型支撑板中间部分16，第一被动杆8上安装了第一翼型支撑板后缘部分17和第二翼型支撑板后缘部分14；仿生胸鳍结构2的翼型支撑板形状模拟了真实生物胸鳍截面形状，以提高机器鱼的运动性能；所安装翼型支撑板支撑起仿生胸鳍蒙皮18，仿生胸鳍蒙皮18的柔性特点可以带动仿生胸鳍连杆结构的运动变形；仿生胸鳍连杆结构的零部件采用高性能尼龙材料3D打印制造，仿生胸鳍蒙皮18采用柔性硅橡胶制作。

如图1-图4所示，仿生胸鳍结构2安装于仿生鱼体舱体5的侧边凸台；第一主动杆6与第一舵机23安装配合；第二主动杆7与第二舵机24安装配合；第一被动杆8与被动杆安装圆柱轴25安装配合；第二被动杆9与第二主动杆7间通过铰链19安装配合；在仿生胸鳍蒙皮18的作用下，本申请的仿鲼亚目机器鱼硬件控制系统通过控制第一舵机23驱动第一主动杆6以及通过控制第二舵机24驱动第二主动杆7实现不同的摆动运送，进而带动仿生胸鳍结构2实现弦向和展向的被动变形运动。

本申请的硬件控制系统可安装于仿生鱼体舱体5内，其包括的模块有驱动模块、通讯模块、视觉模块、深度感知模块、电源模块、控制板等；利用硬件控制系统，其可以实现仿鲼亚目机器鱼水下的运动、通讯、感知等功能的控制；硬件控制系统的控制板与第一舵机23和第二舵机24间的连线可以通过防水穿线螺母22进行连接，以起到防水密封的功能。

本申请的工作方式如下所示：

本申请的具有被动变形结构的仿鲼亚目机器鱼在工作时，上位机发送控制信号给仿鲼亚目机器鱼，仿鲼亚目机器鱼利用通讯模块获取控制信号并传送给控制板，控制板根据上位机发送的控制信号对仿鲼亚目机器鱼硬件控制系统的不同模块进行控制。当鲼亚目机器鱼需执行不同的模态运动时，控制板通过计算输出的PWM信号控制不同舵机，进而驱动仿生胸鳍结构2的主动杆的不同运动，在仿生胸鳍结构2的翼型支撑板、被动杆和仿生胸鳍蒙皮18的相互作用下，主动杆的不同运动带动仿生胸鳍实现不同复杂的空间变形运动，该运动一方面可实现仿鲼亚目机器鱼的不同模态运动需求，另一方面仿生胸鳍结构2间的相互配合是的其展向和弦向的被动变形运动得到实现，提升了该仿鲼亚目机器鱼的水下运动性能。

本申请的仿鲼亚目机器鱼的一侧仿生胸鳍在工作时，两个主动杆分别在舵机的驱动作用下实现与舵机臂同步的转动，两个主动杆运动时，安装在主动杆上的翼型支撑板部件会跟随主动杆运动，本申请的仿生胸鳍结构2中的所安装的不同翼型支撑板部件共同支撑着仿生胸鳍蒙皮18，两个主动杆上安装的翼型支撑板部件的运动会在仿生胸鳍蒙皮18的作用下带动被动杆上安装的翼型支撑板部件运动，进行带动仿生胸鳍结构2的两个被动杆运动，最终实现仿鲼亚目机器鱼仿生胸鳍的展向和弦向被动变形运动。通过调整舵机的驱动参数，如幅值、频率，相位差等，可调整仿生胸鳍两个主动杆的不同运动设置，在主动杆不同的运动作用下，仿生胸鳍最终实现不同的复杂空间变形运动。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。