一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼的制作方法

本发明涉及仿生机器鱼设备领域，具体涉及一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼。

背景技术：

仿生机器鱼是通过模仿鱼类的外形和运动规律来推动周围的水，以实现推进和转弯的，具有噪声低、对环境扰动小的特点，适合在长时间无能源补充及远距离条件的水下执行任务。因此，可以将仿生机器鱼应用于海洋勘测、海洋探险、海底管道检测、水下侦查和跟踪、水污染监测等，具有非常广阔的应用前景。

目前设计的仿生机器鱼主要包括外壳、头部、鱼鳍、骨架和运动控制单元，通过运动控制单元来控制鱼鳍和骨架的摆动来提高仿生机器鱼动作的仿真程度。其中，鱼鳍主要包括背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍，不同的鱼鳍具有不同的功能：胸鳍的功能是运动、平衡和掌握运动方向；腹鳍的功能是协助背鳍、臀鳍来维持鱼体的平衡，并具有辅助鱼体升降和拐弯的功能；尾鳍具有平衡、推进和转向的作用，通过尾鳍的摆动使鱼体产生前进运动的推进力。

现有的仿生机器鱼的结构不尽相同，但都是通过模仿和控制鱼鳍的运动来实现推进运动的目的。但是，现有的研究中还无法通过鱼鳍的相互配合来实现机器鱼的上浮、下潜和灵活转弯。另外，机器鱼在水中游动的过程中，由于鱼鳍的摆动以及水本身的流动可能会使头部稳定性较差，容易导致摄像头的成像画面不清晰，无法清楚地探测水中的情况，影响机器鱼的智能游动。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼，该机器鱼主要通过摄像头与二轴云台的连接结构，来起到防抖动的功能，有助于实时探测水中情况，获取图像，并根据所获取的图像实现智能游动，而且，通过鱼鳍的辅助模块和重心调节模块之间的相互配合，使机器鱼可以实现上升、下潜及水中任意平面直游等运动。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼，包括外壳、鱼尾动力模块、鱼鳍辅助模块、摄像头模块、重心调节模块以及用于控制机器鱼运作的控制模块及电源模块，所述摄像头模块包括摄像头，所述摄像头的一侧安装有用于带动所述摄像头上下及左右转动的二轴云台组件，所述控制模块与所述二轴云台组件电连接；

所述重心调节模块包括左右重心块和前后重心块，所述左右重心块的一侧设有用于带动所述左右重心块左右摆动的左右重心调节舵机；所述前后重心块安装于所述左右重心块的下侧，所述前后重心块沿外壳延伸的两侧分别设有主动带轮和从动带轮，所述主动带轮通过第一同步齿形带与所述从动带轮连接，所述主动带轮的上侧连接有前后重心调节舵机，所述第一同步齿形带的下侧设有线轨，所述前后重心块与所述线轨滑动连接。

进一步，所述二轴云台组件包括第一电机、第二电机以及用于连接所述第一电机与所述第二电机的l型支撑架，所述摄像头的外侧设有摄像头外壳，所述摄像头外壳的一侧设有带动所述摄像头外壳转动的第一电机，且与所述第一电机的转轴可拆卸连接，所述第一电机的另一侧与所述l型支撑架的竖直部可拆卸连接，所述l型支撑架的下侧通过支撑座连接有带动所述l型支撑架转动的第二电机，且与所述第二电机的转轴可拆卸连接，所述第二电机的下侧安装有摄像头底座。

进一步，所述重心调节模块还包括c型的安装壳体，所述左右重心调节舵机通过舵机支撑架与所述安装壳体的上端部可拆卸连接，所述线轴与所述安装壳体的下端部可拆卸连接，所述安装壳体的中部设有水平安装板，所述前后重心调节舵机安装于所述水平安装板的上侧，所述主动带轮与所述从动带轮均安装于所述水平安装板的下侧，且均与所述水平安装板可转动连接，所述从动带轮下端的从动带轮轴与所述线轨的一端可转动连接，所述左右重心块的形状为梨形。(钟摆形状，钟摆结构)

更进一步，所述线轨为工字型轨道，所述前后重心块的下侧设有与所述工字型轨道相适配的凹槽，所述凹槽卡接于所述工字型轨道上。

进一步，所述控制模块包括控制电路板，所述电源模块包括若干个电池；所述电源模块与所述控制模块电连接，所述控制模块分别与所述摄像头模块、所述重心调节模块、所述鱼尾动力模块、所述鱼鳍辅助模块电连接。

进一步，所述鱼尾动力模块包括可转动的安装于所述外壳尾部的鱼尾以及控制所述鱼尾摆动的鱼尾舵机；所述鱼鳍辅助模块包括背鳍、背鳍舵机、胸鳍和胸鳍舵机，位于所述外壳背部的所述背鳍通过所述背鳍舵机与所述外壳可转动连接，位于所述外壳的胸部两侧的所述胸鳍通过所述胸鳍舵机与所述外壳转动连接。

更进一步，所述鱼尾舵机的一侧设有鱼尾固定座，所述鱼尾舵机的上端通过舵机固定筒与所述鱼尾固定座可拆卸连接，所述鱼尾舵机的下端通过舵机固定架与所述鱼尾固定座可拆卸连接，所述鱼尾固定座靠近所述鱼尾的一侧设有鱼尾轴，且所述鱼尾轴通过第二轴承与所述鱼尾固定座可转动连接；所述鱼尾的一端上安装有鱼尾连接板，所述鱼尾连接板与所述鱼尾轴可拆卸连接，所述鱼尾轴的下端通过锥齿轮组件与所述鱼尾舵机连接。

更进一步，所述锥齿轮组件包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述鱼尾舵机的一侧设有鱼尾舵机连接头，且通过鱼尾舵机连接头与所述第二锥齿轮可拆卸连接，所述第一锥齿轮安装于所述鱼尾轴的下侧，且与所述第二锥齿轮齿形啮合；所述鱼尾轴的上端部设有鱼尾轴固定筒，且通过第一轴承与所述鱼尾轴固定筒可转动连接。

更进一步，所述背鳍的一端下侧安装有背鳍连接轴，所述背鳍连接轴的一端上设有轴齿轮，所述轴齿轮通过第二同步齿形带与所述背鳍舵机的转轴连接，所述背鳍连接轴通过第三轴承与所述外壳可转动连接。

更进一步，所述胸鳍舵机的一侧设有胸鳍舵机连接头，所述胸鳍舵机连接头通过联轴器连接有胸鳍连接轴，所述胸鳍舵机的一侧安装有胸鳍固定架，所述胸鳍连接轴通过第四轴承与所述胸鳍固定架可转动连接，所述胸鳍的一端上安装有胸鳍连接板，所述胸鳍连接轴与所述胸鳍连接板可拆卸连接。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明提供一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼具有如下有益效果：

1、本发明提供的机器鱼，在鱼体头部安装有高清摄像头和二轴云台组件，二轴云台包括两个直流无刷电机，用于控制摄像头在水平方向和竖直方向的转动，给摄像头提供一个稳定的拍摄环境，可抵消掉因鱼体晃动而导致的拍摄画面抖动的现象，即使鱼体在水中游动或者水本身的流动，都能够使拍摄达到稳定的效果；通过鱼体前部安装的高清摄像头和二轴鱼台组件，能够实时探测水中情况，获取高清图像，并能够根据所获取的图像实现智能游动。

2、本发明提供的机器鱼，在鱼体中部安装有重心调节模块，能够改变机器鱼的左右、前后重心，再通过与鱼尾、胸鳍、背鳍相互配合来实现鱼体上浮、下潜和灵活的转弯，使鱼体能够在水中的任意平面内游动，且提高了机器鱼游动的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1的剖面图。

图3为本发明实施例1中摄像头模块的爆炸图。

图4为本发明实施例1中摄像头模块的结构示意图。

图5为本发明实施例1中重心调节模块的结构示意图。

图6为本发明实施例1中控制模块及电源模块的结构示意图。

图7为本发明实施例1中鱼尾动力模块的爆炸图。

图8为本发明实施例1中鱼尾动力模块的结构示意图。

图9为本发明实施例1中鱼鳍辅助模块的背鳍部分的结构示意图。

图10为本发明实施例1中鱼鳍辅助模块的胸鳍部分的结构示意图。

图11为本发明实施例1中鱼鳍辅助模块的结构示意图。

图中：1、摄像头模块、101、摄像头外壳；102、摄像头；103、第一电机；104、l型支撑架；105、支撑座；106、第二电机；107、摄像头底座；

2、重心调节模块；201、安装壳体；202、左右重心调节舵机；203、舵机支撑架；204、左右中心块；205、前后重心调节舵机；206、水平安装板；207、主动带轮；208、线轨；209、第一同步齿形带；210、前后中心块；211、从动带轮轴；212、从动带轮；

3、外壳；4、鱼尾动力模块；401、鱼尾舵机；402、鱼尾轴；403、第一防水垫；404、第一轴承；405、舵机固定筒；406、鱼尾轴固定筒；407、鱼尾连接板；408、鱼尾；409、鱼尾固定座；410、锥齿轮轴；411、舵机固定架；412、第一锥齿轮；413、第二轴承；414、第二防水垫；415、第二锥齿轮；416、鱼尾舵机连接头；

5、鱼鳍辅助模块；501、轴齿轮；502、第三轴承；503、第三防水垫；504、背鳍连接轴；505、背鳍；506、第二同步齿形带；507、背鳍舵机；511、胸鳍舵机；512、胸鳍固定架；513、胸鳍舵机连接头；514、联轴器；515、胸鳍连接轴；516、第四轴承；517、第四防水垫；518、胸鳍连接板；519、胸鳍；6、控制模块；7、电源模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，“若干个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1-2所示，本发明实施例所提供的一种基于视觉的多鳍协作驱动机器鱼，包括外壳3、鱼尾动力模块4、鱼鳍辅助模块5、摄像头模块1、重心调节模块2以及用于控制机器鱼运作的控制模块6及电源模块7。

如图6所示，控制模块6包括控制电路板，电源模块7包括若干个电池；电源模块7与控制模块6电连接，控制模块6分别与摄像头模块1、重心调节模块2、鱼尾动力模块4、鱼鳍辅助模块5电连接。在鱼尾处留有足够的空间来存放控制电路板和电池，用以控制整个机器鱼系统的运作。

机器鱼的运动方式为：由动力模块(尾鳍)提供动力，通过鱼鳍辅助模块(胸鳍和背鳍)和重心调节模块之间的相互配合，使鱼可以实现上升下潜及水中任意平面直游等运动。

如图3所示，摄像头模块1包括摄像头102，摄像头102的一侧安装有用于带动摄像头102上下及左右转动的二轴云台组件，控制模块6与二轴云台组件电连接；通过高清摄像头和二轴云台组件，实时探测水中情况，获取图像，并根据所获取图像实现智能游动。

其中，二轴云台组件包括第一电机103、第二电机106以及用于连接第一电机103与第二电机106的l型支撑架104，摄像头102安装在摄像头外壳101内，摄像头外壳101的一侧与第一电机103的转轴可拆卸连接，且第一电机103能够带动摄像头外壳101发生竖向转动，第一电机103的另一侧与l型支撑架104的竖直部可拆卸连接，l型支撑架104的下侧通过支撑座105与第二电机106的转轴可拆卸连接，且第二电机106能够带动l型支撑架104发生水平转动，第二电机106的下侧安装有摄像头底座107。

在此，第一电机与第二电机均为直流无刷电机，第一电机的底座通过螺栓与l型支撑架的一侧连接，l型支撑架的下端通过螺栓与支撑座连接。第二电机的底座通过螺栓与摄像头底座连接，最终摄像头底座通过螺栓连接到机器鱼外壳的底板上。装配完成后如图4所示。它是由控制电路控制两个直流无刷电机来稳定和调节摄像头的位置，直流无刷电机一，也就是第一电机可控制摄像头上下转动，直流无刷电机二，也就是第二电机可控制摄像头左右转动。因此，就算在水中机器鱼有一定的抖动也不会影响到摄像头的正常拍摄工作。通过该二轴云台组件结构能够进一步提高摄像头拍摄的稳定性。

如图5所示，重心调节模块2包括左右重心块204和前后重心块210，左右重心块204的一侧设有用于带动左右重心块204左右摆动的左右重心调节舵机202；前后重心块210安装于左右重心块204的下侧，前后重心块210沿外壳延伸的两侧分别设有主动带轮207和从动带轮212，主动带轮207通过第一同步齿形带209与从动带轮212连接，主动带轮207的上侧连接有前后重心调节舵机205，第一同步齿形带209的下侧设有线轨208，前后重心块210与线轨208滑动连接。

为了连接左右重心块和前后重心块，方便机器鱼重心的调节，重心调节模块2还包括c型的安装壳体201，左右重心调节舵机202通过舵机支撑架203与安装壳体201的上端部可拆卸连接，安装壳体和舵机支撑架为一个整体，然后将左右重心调节舵机通过螺栓安装在舵机支撑架上，舵机头部安装了左右重心块，使左右重心块悬空安装在安装壳体的顶部，方便调节左右重心块的左右摆动。

线轨208与安装壳体201的下端部可拆卸连接，安装壳体201的中部设有水平安装板206，前后重心调节舵机205安装于水平安装板206的上侧，并在前后重心调节舵机的头上安装了主动带轮，主动带轮207与从动带轮212均安装于水平安装板206的下侧，且均与水平安装板206可转动连接，从动带轮212下端的从动带轮轴211与线轨208的一端可转动连接，左右重心块204的形状为梨形，也可以选择为钟摆的形状，使底部的重心向机器鱼外壳的左右方向偏转，方便用于调节机器鱼的左、右转向动作。

将前后重心块210装在线轨208上，可以通过第一同步齿形带209带动前后重心块210滑动。线轨208为工字型轨道，前后重心块210的下侧设有与工字型轨道相适配的凹槽，凹槽卡接于工字型轨道上，以提高线轨与前后重心块的安装稳定性。当控制电路来控制左右重心调节舵机时，左右重心调节舵机的角度发生改变，从而使左右重心块发生偏转，改变了机器鱼的左右重心；当控制电路来控制前后重心调节舵机时，前后重心调节舵机得角度发生改变，并通过带轮和同步带传输给前后重心块，使重块滑动，从而改变机器鱼的前后重心，方便用于调节机器鱼的上浮、下潜动作。

机器鱼的整体详细运动形式为：由控制电路控制安装在机器鱼内部的6个舵机和2个直流无刷电机，舵机分别控制机器鱼的尾鳍、胸鳍、背鳍、前后重心和左右重心，直流无刷电机是控制云台，给摄像头提供一个稳定的拍摄环境，可抵消掉因鱼体晃动而导致的拍摄画面抖动现象。

机器鱼的动力是由鱼尾部分提供动力，要让机器鱼前进时只需要控制鱼尾部分的舵机，一直改变其舵机的占空比，鱼尾就会进行摆动。

若要转弯时，对于鱼尾部分只要改变鱼尾的摆动角度就可以使机器鱼转向，但是如果仅仅依靠鱼尾部分进行转向，转弯半径会很大，为了减少转弯半径，如向左转时，首先鱼尾在偏左的位置摆动，提供一个偏向左的，并向前的动力，控制电路控制内部左右重心的舵机来控制重块向左倾斜，同时控制模块也控制背鳍部分的舵机，改变鱼背鳍的角度，从三个方面使鱼转弯，从而使机器鱼的转弯更加灵活，减小转弯半径。

当机器鱼需要下潜时，机器鱼的控制部分控制内部前后重心舵机，通过舵机转动来改变安装在线轨上滑块的前后位置，滑块向前滑动，机器鱼会向前倾斜再加上鱼尾的动力，机器鱼就会向下潜，为了使下潜的更加流畅和迅速，此时也就需要改变机器鱼的胸鳍部分的舵机，以此来改变胸鳍的角度，从而辅助机器鱼的下潜。

当机器鱼需要上浮时，机器鱼的内部前后重心滑块向后滑动，机器鱼会向后倾斜，再改变其鱼鳍的角度，由鱼尾提供一个上浮的动力，机器鱼就会向上浮。

这样通过鱼尾、胸鳍、背鳍相互配合来实现机器鱼的上浮、下潜和灵活的转弯。在需要观察水中情况时，可开启摄像头进行拍摄，摄像头设有云台防抖功能，即使机器鱼在水中游动或者水本身的流动造成的影响，拍摄也可以达到稳定的效果。

如图7所示，鱼尾动力模块4包括可转动的安装于外壳3尾部的鱼尾408以及控制鱼尾408摆动的鱼尾舵机401。鱼尾舵机401的一侧设有鱼尾固定座409，鱼尾舵机401的上端通过舵机固定筒405与鱼尾固定座409可拆卸连接，且通过螺栓与鱼尾固定座连接，以提高连接的稳定性。鱼尾舵机401的下端通过舵机固定架411与鱼尾固定座409可拆卸连接，且通过螺栓加强与鱼尾固定座的连接稳固性。

鱼尾固定座409靠近鱼尾408的一侧设有鱼尾轴402，鱼尾轴402上端装有第一防水垫403和第一轴承404，下端装有第二防水垫414和第二轴承413，然后安装在鱼尾固定座409的轴承孔内，且鱼尾轴402通过第二轴承413与鱼尾固定座409可转动连接，通过第一防水垫403与第二防水垫414能够提高鱼尾408在机器鱼的外壳连接处的防水密封性。鱼尾408的一端上安装有鱼尾连接板407，鱼尾连接板407与鱼尾轴402可拆卸连接，鱼尾轴402的下端通过锥齿轮组件与鱼尾舵机401连接。

在此，鱼尾轴的中部设有两侧向内凹陷的卡接部，鱼尾连接板上设有朝向鱼尾轴中部的u型卡槽口，鱼尾连接板上的卡槽口卡接于鱼尾轴中部的卡接部上，且通过螺栓固定连接，提高了鱼尾连接板与鱼尾轴之间的连接稳定性，避免鱼尾的摆动的过程中发生偏转，影响机器鱼在水中的精准方向控制。

其中，锥齿轮组件包括第一锥齿轮412和第二锥齿轮415，鱼尾舵机401的一侧设有鱼尾舵机连接头416，且通过鱼尾舵机连接头416与第二锥齿轮415可拆卸连接，第二锥齿轮415远离鱼尾舵机连接头416的另一端的内轴孔插入到锥齿轮轴410上，以实现第二锥齿轮415的可转动连接；第一锥齿轮412安装于鱼尾轴402的下侧，且与第二锥齿轮415齿形啮合；鱼尾轴402的上端部设有鱼尾轴固定筒406，且通过第一轴承404与鱼尾轴固定筒406可转动连接。

具体的，第一锥齿轮412的上侧设有套接于鱼尾轴402上的轴承，轴承与鱼尾固定座409固定连接，鱼尾固定座409与锥齿轮轴410以轴承方式连接，锥齿轮轴410可相对鱼尾固定座409转动，锥齿轮轴410与第二锥齿轮415远离鱼尾舵机401的一侧固定连接。通过锥齿轮轴410来加强第二锥齿轮的安装稳定性，且不影响第一锥齿轮、第二锥齿轮及鱼尾轴的转动。

装配完成后如图8所示。通过控制电路控制鱼尾舵机的来回往复转动，将转动传给第二锥齿轮，然后传到第一锥齿轮，再到鱼尾轴，鱼尾轴通过鱼尾连接板传给鱼尾，就可以控制鱼尾的摆动，从而给机器鱼提供动力。

鱼鳍辅助模块5的背鳍部分如图9所示，包括背鳍505、背鳍舵机507，位于外壳3背部的背鳍505通过背鳍舵机507与外壳3可转动连接，

背鳍505的前端下侧安装有背鳍连接轴504，背鳍连接轴504的下端设有轴齿轮501，轴齿轮501通过第二同步齿形带506与背鳍舵机507的转轴连接，背鳍连接轴504通过第三轴承502与外壳3可转动连接。在此，背鳍连接轴504上装有第三轴承502和第三防水垫503，安装在机器鱼的外壳上，背鳍连接轴504通过螺栓与背鳍505固定连接。由控制电路控制背鳍舵机，背鳍舵机旋转，通过第二同步齿形带、轴齿轮、背鳍连接轴传给背鳍，从而背鳍也一起旋转，以此来改变背鳍的角度。

鱼鳍辅助模块5的胸鳍部分如图10所示，包括胸鳍519和胸鳍舵机511，位于外壳3的胸部两侧的胸鳍519通过胸鳍舵机511与外壳3转动连接。

胸鳍舵机511的一侧设有胸鳍舵机连接头413，胸鳍舵机连接头513通过联轴器514连接有胸鳍连接轴515，胸鳍舵机511的一侧安装有胸鳍固定架512，胸鳍连接轴515通过第四轴承516与胸鳍固定架512可转动连接，胸鳍519的一端上安装有胸鳍连接板518，胸鳍连接轴515与胸鳍连接板518可拆卸连接。

在此，胸鳍连接轴515上装有第四轴承516和第四防水垫517，并装在鱼鳍固定架512上。鱼鳍辅助模块的装配完成部分如图11所示。由控制电路控制胸鳍舵机，胸鳍舵机旋转，通过胸鳍连接轴515传给胸鳍连接板518，传到胸鳍上，从而胸鳍也旋转，以此来改变胸鳍的角度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。