一種基于繩驅結構的剛柔耦合機器魚

本發明屬于機器人，更具體地，涉及一種基于繩驅結構的剛柔耦合機器魚。

背景技術：

1、海洋和水下環境占據了地球的大部分面積，其中蘊含著豐富的資源，隨著機器人技術的進步，各種水下機器人的設計和應用為海洋勘探和開發提供了新的解決方案。近年來，仿生機器魚作為一種新型水下機器人，因其出色的環境適應性和潛在應用價值得到了快速發展。

2、在現階段的研究中，根據不同的應用場景和仿生對象，仿生機器魚的驅動結構大致可分為單剛性關節、多剛性關節、軟體智能材料和拉線結構。這些設計結構都共同促進了仿生機器魚和水下機器人領域的發展。傳統的單關節機器魚一般采用剛性尾鰭來產生前進的動力，控制簡單。但是該結構與真實的魚類運動模態差別較大，仿生程度較低，同時存在推進效率不高的問題。多關節機器魚可以實現更多的游動姿態，諸如直線迅游、c形轉彎等，該種設計多為單電機驅動單關節，并通過關節間節律運動來有效模擬魚類的柔順擺動和游動姿態，但隨著關節的引入，控制的復雜程度以及對驅動電機的要求也隨之提高。各種新型軟體材料的成功應用也為材料特性驅動下的機器魚研發提供了新的可能。這些驅動大多數建立在功能性材料在不同特定條件下的形變基礎上，因此也具有著絕大多數功能材料的明顯局限，即嚴苛的觸發條件和較低的驅動效率，并限制了機器魚的搭載和作業能力。因此，一種新的，能模仿魚類柔順游動和運動模態的，保持較高推進效率，且控制相對簡單的仿生機器魚具有較高的科研價值和潛在工程應用能力。

3、綜上，目前仍缺乏兼顧具有運動柔順性的、結構相對簡單的仿生機器魚設計方法。也缺少一種控制模型相對簡單、驅動效率較高的具有多場景普適性的設計方法，且運用現有的結構機制與設計理念難以進一步提升仿生機器魚的能力上限。

4、需要說明的是，在上述背景技術部分公開的信息僅用于對本技術的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

技術實現思路

1、本發明的主要目的在于解決上述背景技術中存在的問題，提供一種基于繩驅結構的剛柔耦合機器魚。

2、為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

3、一種基于繩驅張拉結構的剛柔耦合機器魚，包括剛性頭部、柔性擺動部以及繩驅張拉機構：

4、所述剛性頭部包括上剛性殼體和下剛性殼體，二者配合形成封閉空間，內部安裝所述繩驅張拉機構；所述繩驅張拉機構將驅動繩作用到所述柔性擺動部上，通過張拉驅動繩而使得所述柔性擺動部進行擺動；

5、所述柔性擺動部包括剛性骨架、前中置片、后中置片和柔性蒙皮，所述柔性蒙皮分為前部中空部分和后部實心部分，所述剛性骨架與所述前中置片設置在所述前部中空部分內，所述剛性骨架包括與所述前中置片相連的多個骨架單元，所述多個骨架單元將所述柔性蒙皮的前部中空部分撐開形成魚尾形的主動擺動部，位于后部的骨架單元與所述后中置片與相連，所述后中置片與所述后部實心部的空心槽過盈配合，并與機器魚的尾鰭連接，形成被動擺動部；各骨架單元均設有穿繩孔供驅動繩進行張拉，所述前中置片采用撓性材料，驅動繩張拉時帶動各骨架單元及所述前中置片進行對稱和非對稱彎曲，實現主動擺動部分對稱和非對稱擺動，所述后中置片在相對靜止的骨架單元上以懸臂梁模式擺動，從而提高被動擺動部的擺頻和輸出功率。

6、進一步地，還包括設置于所述上剛性殼體和所述下剛性殼體之間的tpu夾緊片；所述上剛性殼體和所述下剛性殼體通過螺栓連接，并與所述tpu（thermoplasticpolyurethane，熱塑性聚氨酯）夾緊片單元夾緊。所述tpu夾緊片邵氏硬度較小，具有一定的柔性，相比所述上剛性殼體與所述的下剛性殼體直接相連，接觸面積更大，壓力分布更均勻，密封性更好。

7、進一步地，所述多個骨架單元為四個片狀骨架單元，所述四個片狀骨架單元在軸側開有兩穿繩孔，驅動繩在靠后的第四個剛性骨架單元截止，靠前的第一、二、三剛性骨架單元側面開有兩個通孔，通過連接件與所述前中置片連接；所述第四剛性骨架單元側面開有四個通孔，前列兩通孔通過連接件與所述前中置片連接，后列兩通孔通過連接件與所述后中置片連接。?四個剛性骨架單元將所述柔性蒙皮的前部中空部張緊為所述剛柔耦合機器魚柔性擺動部的主動擺動部。

8、進一步地，所述繩驅張拉機構包括驅動電機、換向單元和對稱張拉單元，所述驅動電機通過所述換向單元耦合到所述對稱張拉單元，所述換向單元用于對電機扭矩進行換向，從而調控運動模態，所述對稱張拉單元由兩個對稱分布的繞線單元構成，兩個繞線單元分別對兩根驅動繩實施張拉，所述繞線單元包括凸臺齒輪、繞線盤和固線構件，所述凸臺齒輪與所述繞線盤同軸轉動，所述繞線盤與所述固線構件連接，帶動所述固線構件轉動，所述固線構件用于夾緊驅動繩。

9、進一步地，所述換向單元包括換向器單元、輸入軸單元、輸出軸單元以及至少一對相互嚙合的錐齒輪單元，所述輸入軸單元和所述輸出軸單元分別與所述驅動電機和對稱張拉單元相耦合，所述錐齒輪單元實現電機輸出扭矩至對稱張拉單元的直角換向；所述換向器單元包括換向器殼體，在所述換向器殼體外設有至少兩個深溝球軸承單元，所述深溝球軸承單元用以支持所述輸入軸單元和輸出軸單元的轉動；所述輸入軸單元和輸出軸單元上分別設有卡槽，每個卡槽配合有卡簧，卡簧的上側與換向器殼體相接觸，通過錐齒輪的嚙合和卡簧的干涉實現輸出軸和輸入軸單元與換向器殼體的定位；所述換向單元通過聯軸器與所述驅動電機連接，實現電機動力傳遞。

10、進一步地，所述凸臺齒輪和所述繞線盤中間開有等孔徑的通孔，與子母螺絲的母螺絲過盈配合；所述凸臺齒輪與所述繞線盤同軸；所述子母螺絲的子螺絲在所述繞線盤的下側與所述母螺絲配合后，對所述繞線盤限位；所述凸臺齒輪與所述換向器單元的輸出軸上的配合齒輪嚙合，所述輸出軸上的配合齒輪與所述輸出軸過盈配合，以帶動所述凸臺齒輪和所述繞線盤轉動。

11、進一步地，所述繩驅張拉機構還包括固定架單元，所述固定架單元包絡所述對稱張拉單元；所述固定架單元包括上夾緊板、下夾緊板、固定外殼、子固定片和子固定殼；所述上夾緊板和所述下夾緊板之間夾緊所述凸臺齒輪，所述子固定殼通過螺柱連接并夾緊所述對稱張拉單元；所述子固定片與所述子固定殼通過螺栓連接并將所述子固定外殼與所述固定外殼連接；所述固定外殼通過螺栓與所述換向器單元的換向器殼體連接。

12、進一步地，所述剛性頭部的封閉空間內還設置有電機固定架，所述驅動電機與所述電機固定架通過螺栓連接，所述電機固定架與所述下剛性殼體連接。

13、進一步地，所述剛性頭部采用橢圓曲線與拋物線的非線性耦合進行流線型殼體的參數化設計，遵循以下函數方程：

14、

15、其中， d為截面最大直徑；? l c為前半段頭部長度； l r為后半段魚體長度。

16、進一步地， d取75mm， l c取118.5mm， l r取185mm。

17、本發明一些實施例中，一種剛柔耦合機器魚，包括剛性頭部、柔性擺動部和繩驅張拉機構，其中：所述剛性頭部包括上剛性殼體、下剛性殼體和中層tpu夾緊片，所述剛性頭部與所述柔性擺動部以三層靜密封的方式相接。當機器魚直行游動時，所述剛性頭部主要降低機器魚行進阻力，所述柔性擺動部主要產生尾部渦流，提供機器魚前進的推進力；當機器魚進行左右轉向時，所述柔性擺動部占主導地位，機器魚通過所述柔性擺動部的非對稱擺動實現左右轉向。所述剛性頭部內集中了機器魚主要功能模塊和重量分布，也決定了機器魚的整體形狀。

18、在一些實施例中，所述柔性擺動部包括尾部四個片狀骨架單元、尾鰭單元、前中置片、后中置片和硅膠蒙皮。所述四個片狀骨架單元通過螺栓與所述前中置片等距連接。所述片狀骨架單元將所述硅膠蒙皮的前部中空部分撐開，形成所述機器魚的魚尾形的主動擺動部分。所述四個片狀骨架單元與所述硅膠蒙皮緊密貼合，所述硅膠蒙皮使得所述柔性擺動部具有密封性。所述后中置片與所述硅膠蒙皮的后部實心部分配合，形成所述柔性擺動部的被動擺動部分。

19、在一些實施例中，本發明在硅膠蒙皮的后部實心部中間開有空心槽，所述空心槽的形狀是所述后中置片的等距縮放；所述后中置片與所述硅膠蒙皮在后部實心部的空心槽過盈配合，形成所述柔性擺動部的被動擺動部分；相比無所述后中置片的被動擺動部分，有所述后中置片的被動擺動部分擺頻更快。

20、在一些實施例中，所述上剛性殼體采雙層設計，內部有一平臺板；所述平臺板上側放置電源模塊和升壓模塊，所述電源模塊和升壓模塊通過雙面泡沫膠與所述平臺板相互粘接固定；所述平臺板下側防止控制板與藍牙模塊；所述藍牙與所述控制板通過引腳相連，所述控制板與所述平臺通過泡沫膠相互粘接；所述上剛性殼體外側分布九通孔，通孔內嵌螺母套；所述下剛性殼體也分布有與所述上剛性殼體對應的螺紋孔。

21、在一些實施例中，所述上剛性殼體和下剛性殼體均噴涂防水漆，以防止發生滲水、漏水。殼體外形為流線型，長度、寬度、高度、截面采用參數化設計，相互配合后構成與鲹科魚類相應的紡錘形空間。

22、本發明具有如下有益效果：

23、本發明提供了一種基于繩驅張拉結構的剛柔耦合機器魚的設計方法，解決了傳統機器魚體型龐大繁雜、控制系統復雜、游動姿態僵硬、驅動效率較低的問題。該機器魚結合了剛體機器魚驅動效率高和軟體機器魚非結構化環境適應能力強的優點，不僅具備較高的輸出功率，具有較好的潛在工程應用價值，而且通過繩驅柔性尾部設計，在較高水平利用空間、極大簡化了控制模型的同時實現了魚尾擺動的連續性和柔順性，從而實現對魚類的較高仿生度、推進效率和簡易控制模型的較好結合。這種剛柔耦合機器魚為各種復雜的水下和海洋的非結構化環境下，新型水下機器人尤其是仿生機器魚的設計提供了高效、新穎的解決方案，滿足了控制容易、效率高、能耗低的要求。

24、本發明機器魚的柔性擺動部是一個由單電機驅動的張拉擺動系統，由片狀骨架單元組成的主動擺動部和中置片內嵌的被動擺動部構成。與現有機器魚擺動部不同的是，柔性擺動部的分段設計更好地擬合了魚類真實游動的尾部狀態，同時，內嵌采用回彈性好、耐疲勞的材料的中置片的被動擺動部在保證柔性尾部柔順性的同時提高了其與骨架單元相連部分的局部剛度，從而提高了被動擺動部的擺動頻率，同時提高了其輸出功率，克服了傳統軟體機器魚游動速度慢、輸出力不足、輸出功率低的問題。

25、本發明實施例對繩驅張拉機構進行了優化，采用電機結合換向器和齒輪箱的張拉系統，在體積和空間極為有限的條件下實現了集成度較高的機構設計。利用該繩驅張拉機構進行驅動繩的張拉，進而帶動骨架單元實現柔性擺動部的主動部彎曲，主動部帶動被動部，進而實現整個擺動部的對稱、非對稱和高頻擺動。在電機持續轉動的情況下，和現在大多數繩驅機器魚所采用的單一舵機設計的不同，電機連帶齒輪轉動拉線可以在繩驅張拉的換向上更加平滑，驅動的擺動部可以表現出更高的驅動頻率和更擬合正弦輸出波的波形，克服了剛體機器魚擺動姿態僵硬、連續性低、靈活性差的固有問題。

26、剛性頭部優選采用橢圓曲線與拋物線的非線性耦合進行流線型殼體的參數化設計，遵循所提的函數方程，得到的形狀極大降低了機器魚游動時的行進阻力。物體在流體中運動時所受的阻力，是由內摩擦和渦旋兩個原因所造成的。在速度很小時，阻力的大小主要決定于內摩擦。在速度較大時主要決定于渦旋，速度越快，渦旋的作用越大。為了有效地減小阻力，就要設法避免渦旋的形成。通過對魚類的游泳進行觀察，發現凡是游得快的魚，如帶魚、鯊魚等，都具有一種特殊的雪茄煙式的形狀。又通過大量實驗得出結論，將機器魚做成上述形狀，能減小渦旋作用或避免渦旋的形成，因而大大地減低了流體對它的阻力。

27、本發明實施例中的其他有益效果將在下文中進一步述及。