專利名稱：仿生機器魚的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于水下探測、水下觀察、水下偵査等能夠在水中進行活動的裝置，具 體是一種仿生機器魚。
背景技術：
魚類的游動，特別是鰺科類魚的游動，其動力來源主要是尾部的擺動。目前，機器魚的 游動擺尾裝置大多采用多關節串聯的驅動方式，這種方式控制比較復雜；或者采用人工肌肉 驅動的方式，這些方式成本很高且控制復雜。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，時提供一種結構簡單且游動效 果逼真的仿生機器魚。
為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案 一種仿生機器魚，包括魚皮，魚尾骨 架、魚身骨架以及設置在魚身骨架上的伺服電動機，所述的魚皮套在所述的魚尾骨架和魚身 骨架外，還包括一錐齒輪副，該錐齒輪副也設置在所述的魚身骨架上，所述的伺服電動機的 輸出軸與錐齒輪副的輸入軸固定連接，錐齒輪副的輸出軸與一擺桿的固定端固定連接，在魚 身骨架的末端還設置有一彈性薄片，所述的魚尾骨架與所述的彈性薄片固定相連，彈性薄片 的一端與魚身骨架相連，彈性薄片的末端為龜尾方向，彈性薄片的中部與所述的擺桿的自由 端活動連接。
所述的彈性薄片的外形輪廓為魚形。
所述的彈性薄片與魚身骨架的連接端開設有一槽口，該缺口延伸至機器魚的尾柄處，所 述的擺桿位于缺口的中心，且在擺桿的自由端開設有槽口，所述的擺桿通過槽口插接在彈性 薄片的槽口內側。
在所述的擺桿的自由端設置有一短銷，在該短銷的兩端開設有槽口，所述的彈性薄片的 缺口兩側設置在槽口內。
所述的短銷位于機器魚的尾柄處，尤其是位于機器魚的尾柄末端。
所述的彈性薄片缺口兩側的厚度相同，且單側的厚度從魚身骨架連接端向缺U的末端線 性遞減。
本發明機器魚的游動機理是，在水中，受到一個往復變化的集中力的懸臂梁，其波動的 曲線和鯽魚的游動時的身體中心曲線相似。本發明的核心為尾部的擺動設計。按照原理所述，這里使用彈性體模擬魚類的尾部，替代現有設計所采用的剛性結構。使用電機專控系統控制 伺服電動機來帶動尾部的擺動，彈性的尾部是由可以簡化為懸臂梁模型的彈性薄片來實現的。 尾部的動力來源只有一個伺服電動機，具體的機械機構包含以下部分伺服電動機、換向錐 齒輪組、彈性薄片以及擺桿。伺服電動機的轉動，經過一對錐齒輪換向機構換向后帶動一根 擺桿繞其轉動中心轉動；擺桿的轉動帶動與其末端連接的彈性薄片發生彎曲，彈性薄片彎曲
時受到連接點的集中力和外部水的分布阻力的共同作用，便產生魚尾的曲線擺動，從而與真 實的魚游姿態趨于一致，效果逼真。 與現有技術相比，本發明具有如下優點-
1、 本發明的仿生機器魚，伺服電動機通過換向錐齒輪組與擺桿固定連接，將電機的轉動 轉變為擺桿的擺動，在擺桿的末端連接彈性薄片，機器魚在水中游動時，尾部的彈性薄受到 擺桿的集中作用力和水分布阻力的雙重作用，因此，魚尾部的擺動軌跡為曲線，真實的魚游
姿態趨于一致，效果逼真。
2、 采用輪廓為魚形的彈性薄片后，機器魚的擺動更加與真實魚的擺動曲線一致，彈性薄 片的集中受力點在彈性薄片的中心，當彈性薄片僅受擺桿集中力的作用時，彈性薄片在擺動 時，本身就具有中心受力點變形大，周邊變形小的特點，當同時受到水分布阻力的作用時， 彈性薄片的變形就更加與真實魚的游動曲線吻合。
3、 本發明機器魚，在彈性薄片上設置缺口，從而將彈性薄片與魚身骨架的連接端分為上 下兩部分，擺桿位于缺口內，并將彈性薄片插在擺桿前端的槽口內，同樣，具有結構簡單， 且擺動易于控制的特點。
4、 本發明在擺桿的自由端設置短銷，所述短銷是圓柱形，上下兩端對稱，都開有槽口， 彈性薄片被缺口分成的兩部分分別卡接在短銷的兩端槽口內，將擺桿的單作用點轉化為短銷 的兩作用點，使得彈性薄片的擺動更合理，上下趨于一致性。
5、 本發明彈性薄片被缺口分成的上下兩部分的厚度相同，且單側的厚度從魚身骨架連接 端向缺口的末端線性遞減，彈性薄片的一端被固定在魚身骨架上，自由端的集中作用力的作 用點在魚的尾柄處，采用寬度線性遞減的薄片，其在受到作用力時，不同寬度的位置，在相 同大的作用力時變形量不同，所以采用這樣的薄片結構后，機器魚在說中的擺動更加與真實 魚一致。
6、 可以通過控制伺服電動機，來控制機器魚能夠以不同的速度前進和不同的轉彎半徑轉 彎，過程靈活逼真，且控制方法簡單。
下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖l是機器魚尾內部機構簡圖。
圖2是機器魚內部構造前視圖。
圖3是圖2的俯視圖。
圖4是圖1的立體結構示意圖。
圖5是本發明彈性薄片結構示意圖。
圖6魚體中心線和彈性薄板變形圖，6 (a)是真實鯽魚游動過程中的一組身體輪廓的中心 曲線，6 (b)是本發明仿真機器魚的彈性薄片受到向右的力向右彎曲的曲線，6 (c)是本發 明仿真機器魚的彈性薄片受到向左的力向左彎曲的曲線。
圖中1、伺服電動機，2、換向錐齒輪組，3、擺桿，4、彈性薄片，41、缺口， 5、短銷， 6、魚身骨架，7、滑塊，8、魚皮，9、魚尾骨架，10、為機器魚尾柄，21 26是鯽魚游動的 身體輪廓中心曲線，29 30是彈性薄片的彎曲曲線。
具體實施例方式
本發明機器魚仿生的對象為鯽魚，機器魚的外形輪廓全部按照實際鯽魚的比例尺寸來設 計。附圖6中(a)圖是真實鯽魚游動過程中的一組身體輪廓的中心曲線，是采用圖像采集和處 理的方法得到的。當懸臂梁在水中受到一個集中力的作用，梁會產生彎曲，在彎曲過程中會 受到的水的阻力作用。合理設計梁的形狀、集中力的作用點和集中力的大小，梁的彎曲曲線 便可以和真實鯽魚游動的身體輪廓曲線相似，如圖6中(b)以及(c)，魚尾向右擺尾過程中 的曲線24和本發明仿真機器魚的彈性薄片4受到向右的力向右彎曲的曲線29，魚尾向左擺尾過 程中的曲線27和彈性薄片受到向左的力向左彎曲的曲線30。這樣使得梁受到的合力和鯽魚受 到的力一樣，使得機器魚像魚一樣游動。
本發明仿生機器魚包括魚皮8，魚尾骨架9、魚身骨架6以及設置在魚身骨架6上的伺 服電動機l，所述的魚皮8套在所述的魚尾骨架9和魚身骨架6外，還包括一錐齒輪副2，該 錐齒輪副2也設置在所述的魚身骨架6上，所述的伺服電動機1的輸出軸與錐齒輪副2的輸 入軸固定連接，錐齒輪副2的輸出軸與一擺桿3的固定端固定連接。因為機器魚形狀為長條 狀，其魚身直徑較小，同時，伺服電動機l體積較大，所以伺服電動機1需要水平放置，因 此，還需要包括一錐齒輪副2用來換向，當伺服電動機1體積較小或者機器魚魚身直徑較大 時，就無需換向齒輪副2，而將伺服電動機1垂直放置，然后直接連接擺桿3，在魚身骨架6 的末端采用困扎、焊接或者粘接的方式固定連接彈性薄片4，彈性薄片4的外形輪廓為最好 為魚形。魚尾骨架9也綁定在彈性薄片4上，彈性薄片4的末端為魚尾方向，彈性薄片4和擺桿3的連接方式可以采用下面的方式，在彈性薄片4與魚身骨架6的連接端開設有一缺口 41，該缺口41延伸至機器魚的尾柄10處，彈性薄片4缺口兩側的厚度相同，且單側的厚度 從魚身骨架6連接端向缺口的末端線性遞減，見圖5所示。擺桿3位于缺口的中心，且在擺 桿3的自由端開設有槽口，擺桿3通過槽口插接在彈性薄片4的缺口內側，也可以在擺桿3 的自由端設置有一短銷5，短銷5位于機器魚的尾柄10處，最好是尾柄10末端，即尾柄IO 與尾鰭的交點處。
機器魚魚尾結構原理如圖l所示，是使用伺服電動機1經錐齒輪組2換向后，帶動擺桿3擺 動，擺桿末端的滑塊7在適當的位置直接推動彈性薄片4，擺動出魚游動的姿態。
圖2、圖3以及圖4的短銷5連接了彈性薄片4和擺桿3，短銷5和擺桿3的配合是轉動副配合， 可以在擺桿的孔中轉動，短銷5和彈性薄板4的配合移動副配合，短銷5可以在彈性薄片4上滑 移。圖4中給出了擺桿3、短銷5、彈性薄板4和骨架6的裝配側視圖。短銷這樣的設計是出于兩 點要求 一方面在擺動過程中，彈性薄板發生彎曲，而擺桿不會生長或者縮短，這就要求給 彈性薄板作用力的短銷要能夠沿彈性薄板滑移，另-一方面在擺動過程中，彈性薄板在短銷處 的彎曲的切向是不斷變化的，這就要求短銷能夠適應切線方向的變化，能夠轉動。
伺服電動機1固定在骨架6上的方法是使用兩個短的套筒，套筒上有定位孔，和魚身架6 上的沉頭孔配合，并使用沉頭螺釘固定。彈性薄片4和魚身骨架6的固定方法使用細棉線捆綁， 棉線環繞的匝數足夠多，棉線的預緊力足夠大，并使用膠水固化，以使得彈性薄片4返復擺動 時不會松動。魚皮采用天然膠乳制作，套在魚身骨架骨架6和魚尾骨架上，并使用膠水密封。 擺桿3的轉動中心位于魚身體的2/3處，短銷位于尾柄和尾鰭的交點處。通過對伺服電機 的控制，實現對尾柄和尾鰭交叉點角度位置的實時控制，使得交叉點的位置按照真實鯽魚游 動的位置變化，從而在彈性薄板上模擬出真實鯽魚游動身體中心的曲線。
本發明仿生機器魚可以通過控制伺服電動機，來控制機器魚能夠以不同的速度前進和不 同的轉彎半徑轉彎，過程靈活逼真，且控制方法簡單。機器魚游動具體包括向前游動和轉彎， 前進的速度和轉彎的半徑都是可以調節控制的。調節控制得方法是控制擺桿以不同的速度， 在不同的位置左右擺動，要求機器魚前進時，擺桿在左右擺動，且每次擺動時左右極限位置 相同即可。當要求調節機器魚的速度，高速向前游動時，擺桿的擺動速度變大即可，低速向 前游動時，擺桿擺動的速度變小即可；要求機器魚轉彎時，擺桿半邊偏擺。向左轉彎時，要 求擺桿在左半邊擺動即可，向右轉彎時，要求半干在右半邊擺動即可。要求機器魚以不同的 轉彎半徑轉彎時，比如向左以小轉彎半徑轉彎，擺桿以高速度在左半邊往返擺動即可，向左 以大轉彎半徑轉彎，擺桿以低速度在左半邊往返擺動即可。
權利要求
1、一種仿生機器魚，包括魚皮(8)，魚尾骨架(9)、魚身骨架(6)以及設置在魚身骨架(6)上的伺服電動機(1)，所述的魚皮(8)套在所述的魚尾骨架(9)和魚身骨架(6)外，其特征在于還包括一錐齒輪副(2)，該錐齒輪副(2)也設置在所述的魚身骨架(6)上，所述的伺服電動機(1)的輸出軸與錐齒輪副(2)的輸入軸固定連接，錐齒輪副(2)的輸出軸與一擺桿(3)的固定端固定連接，在魚身骨架(6)的末端還設置有一彈性薄片(4)，所述的魚尾骨架(8)與所述的彈性薄片(4)固定相連，彈性薄片(4)的一端與魚身骨架(6)相連，彈性薄片(4)的末端為魚尾方向，彈性薄片(4)的中部與所述的擺桿(3)的自由端活動連接。
2、 根據權利要求1所述的仿生機器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)的外形輪廓 為魚形。
3、 根據權利要求1或2所述的仿生機器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)與魚身 骨架(6)的連接端開設有一缺口 (41)，該缺口 (41)延伸至機器魚的尾柄處(10)，所述的 擺桿(3)位于缺口 (41)的中心，且在擺桿(3)的自由端開設有槽口，所述的擺桿(3)通 過槽口插接在彈性薄片(4)的缺口 (41)內側。
4、 根據權利要求3所述的仿生機器魚，其特征在于在所述的擺桿(3)的自由端設置 有一短銷(5)，在該短銷(5)的兩端開設有槽口，所述的彈性薄片(4)的缺口兩側設置在 槽口內。
5、 根據權利要求4所述的仿生機器魚，其特征在于所述的短銷(5)位于機器魚的尾 柄處(10)。
6、 根據權利要求5所述的仿生機器人，其特征在于所述的短銷(5)位于機器魚的尾 柄(10)末端。
7、 根據權利要求6所述的仿生機器魚，其特征在于所述的彈性薄片(4)缺口 (41) 兩側的厚度相同，且單側的厚度從魚身骨架(6)連接端向缺口 (41)的末端線性遞減。
全文摘要
本發明公開了一種仿生機器魚，能夠實現以不同的速度前進和不同的轉彎半徑左右轉彎。采用單自由度控制方式，使用伺服電動機經過換向齒輪組換向，帶動擺桿擺動，擺桿末端的銷軸推動一端固定于機器魚骨架上另一端自由的彈性薄板往復擺動。通過控制系統控制彈性薄板的擺動方式的不同，控制機器魚的游動方式不同。擺桿左右對稱的擺動，機器魚前進，改變擺幅和頻率可以控制機器魚前進的速度；擺桿偏在半邊擺動，比如偏在左半邊擺動可以使魚向左轉彎，機器魚轉彎，改變擺桿的擺幅和頻率可以控制機器魚轉彎的半徑。
文檔編號B63H1/36GK101318544SQ20081002263
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月18日 優先權日2008年7月18日
發明者王興松, 許家林 申請人:東南大學