专利名称：可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电一体化装置，特别涉及可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼。
本实用新型的目的是依据已有的鱼类仿生学理论，利用特别设计的精巧的机械结构和计算机技术、电子技术、控制技术相结合，开发可以模仿鱼类运动的仿生机器鱼。
为实现上述目的，可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼包括控制部分和多关节驱动的仿生机器鱼体，第一驱动关节，其有一个上开口U型槽，驱动电机放置在U型槽内；第二驱动关节，其有一个左向开口的U型槽；椭圆型鱼体支撑骨架，其有一长方形孔，通过所述长方形孔将鱼体骨架套入在左向开口的U型槽和上开口U型槽之间。
本实用新型可以为研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，为制造效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的水下运输设备提供基本的实验平台，制作娱乐型或观赏型仿生机器鱼。
图9是全部安装完毕的在水中的仿生机器鱼。
(一)仿生机器鱼的机械结构仿生机器鱼的机械结构部分主要包括头部、关节、尾部、连接件等。仿生机器鱼的头部如
图1所示，前面部分是流线型的，后面部分近似长方体，内部中空，顶部有两个孔，通讯天线和检测防水性能的进气阀门从
图1中所示位置的孔1引出，充电插头从
图1所示位置的孔2引出，为固定用连接件与鱼头连接所用的螺孔3在鱼头两侧各一。
仿生机器鱼游动运动所需的多关节机构如图2所示，依据实际需要，通过增减中间关节的数目，可在2-6关节之间调整机器鱼关节数。各关节机构用坚固的质轻的具有一定厚度的材料，例如铝材、强度较好的塑料，进行加工制作。在图2中，1所指为控制电路板，其上3所指位置的两个螺孔为将控制电路板同连接件2和第一驱动关节4上5所指位置的两个螺孔用螺钉及螺母固定在一起的螺孔。图中2所指为控制电路板与机器鱼头部固定在一起的连接件，具体结构如图3所示，该图中用于固定的螺孔可以依据具体装配要求在加工时进行位置的微调。第一驱动关节4结构中的上开口U型槽为安装驱动电机设置。6处所指两个螺孔和7处所指两个螺钉用于将电机固定于上开口U型槽内，一关节驱动电机轴通过电机自带的连接器用8所指螺钉穿过9所指螺孔和第二驱动关节12固定在一起。11所指螺钉通过10所指螺孔顶在第一驱动关节4上开口U型槽底部浅凹槽内以支撑第二驱动关节12。所有螺钉可以通过添加垫片螺母的方法保证装配精度，减轻后一驱动关节因重力和安装精度问题对前一驱动关节电机驱动轴的压力。13所指为边缘经过打磨的光滑无毛刺的椭圆型鱼体支撑骨架，通过其上14所指长方形孔将鱼体骨架13套入并焊接于12左向开口U型槽和上开口U型槽之间的部分，长方形孔的长边与左向开口U型槽的右侧底边平行。鱼体骨架13上15所指的圆孔为走线孔，各驱动关节电机的供电线和控制线从其中间穿过。第二驱动关节12结构中的上开口U型槽为安装驱动电机设置。16处所指两个螺孔和17处所指两个螺钉用于将电机固定于上开口U型槽内，二关节驱动电机轴通过电机自带的连接器用18所指螺钉穿过19所指螺孔和第三驱动关节22固定在一起。21所指螺钉通过20所指螺孔顶在第二驱动关节12上开口U型槽底部浅凹槽内以支撑第三驱动关节22。23所指为边缘经过打磨的光滑无毛刺的椭圆型鱼体支撑骨架，其略小于鱼体骨架13，通过其上24所指长方形孔将鱼体骨架23套入并焊接于22左向开口U型槽和上开口U型槽之间的部分，长方形孔的长边与左向开口U型槽的右侧底边平行。鱼体骨架23上25所指的圆孔为走线孔，关节驱动电机的供电线和控制线从其中间穿过。第三驱动关节32结构中的上开口U型槽为安装驱动电机设置。26处所指两个螺孔和27处所指两个螺钉用于将电机固定于上开口U型槽内，三关节驱动电机轴通过电机自带的连接器用28所指螺钉穿过29所指螺孔和机器鱼尾关节32固定在一起。31所指螺钉通过30所指螺孔顶在第三驱动关节22上开口U型槽底部浅凹槽内以支撑机器鱼尾关节32。33所指为边缘经过打磨的光滑无毛刺的椭圆型鱼体支撑骨架，其略小于鱼体骨架23，通过其上34所指长方形孔将鱼体骨架33套入并焊接于32左向开口U型槽的右侧底边附近，长方形孔的长边与左向开口U型槽的右侧底边平行。鱼体骨架33上35所指的圆孔为走线孔，关节驱动电机的供电线和控制线从其中间穿过。连接件38的具体结构可以参见图4。机器鱼尾关节32插入连接件38前端柱体的凹槽内，并通过36所指的螺孔和37所指的螺孔用40所指的螺钉固定在一起。机器鱼尾42插入连接件38后端锥体的中间凹槽，并用41所指螺钉通过螺孔39将其固定。
通过增加和减少同22一样的中间驱动关节可在2-6个之间调整机器鱼驱动关节的数目，并调整鱼体长度。图8给出一个4关节驱动的仿生机器鱼具体机械结构实现的图片。
(二)仿生机器鱼的控制电路仿生机器鱼的控制电路结构图如图5所示，主要包括通讯模块、微控制器模块、传感信息采集模块、电机驱动模块、控制参数存储模块几部份。通讯模块主要进行数据通讯，实现控制命令的下传和机器鱼内部信息的上传；传感信息采集模块主要进行触觉、视觉、方位、姿态、声纳等信息的采样；控制参数存储模块主要存储机器鱼游动所需要的各种鱼体波控制参数，保证机器鱼的游动控制；微控制器模块通过对传感信息进行处理，并依据下传的控制命令和任务，提取控制参数，给出电机控制命令；电机驱动模块接受微控制器模块下发的电机控制命令对机器鱼各驱动关节的步进电机转动角度进行控制实现机器鱼的运动。整个控制电路和驱动电机使用充电电池进行供电，充电电池使用的充电线插头从鱼头部孔中引出并固定在鱼头上。
依据此仿生机器鱼控制电路结构框图给出的一个仿生机器鱼具体实现时控制电路原理图，如图6所示。
(三)仿生机器鱼的防水密封如图7所示，仿生机器鱼防水蒙皮是使用橡胶注塑成型的橡胶圆筒，上面呈现规则的波纹如图7中2所指，圆筒一端大，图7中1所指处，另一端小，图7中3所指处。将机器鱼鱼头和除鱼尾外的各关节全部安装在一起，然后将防水蒙皮套在其上，鱼皮大的一端1可以依靠橡胶皮的弹性紧紧包在鱼头如
图1后部，使用橡皮胶将鱼皮与鱼头部粘牢；鱼皮后部小的一端3依靠橡胶皮的弹性紧紧包在鱼体尾部连接件的圆柱体部分，使用橡皮胶将鱼皮与鱼尾连接件圆柱体部分粘牢；完成防水密封后将鱼尾安装在鱼尾连接件上，用螺钉固定紧。依此方法给出的一个全部密封完毕的仿生机器鱼，如图9所示。
实施例依据本实用新型所说明的机械结构，控制电路结构，防水密封方法，制作了一个四关节的机器鱼。使用塑料制作了机器鱼的流线型头部和尾部使用的连接件，铝板制作了机器鱼的各驱动关节，薄铝片制作了机器鱼鱼体骨架和机器鱼头部的连接件，薄塑料板制作具有柔性的机器鱼鱼尾，结构如图8所示。按照图6电路原理图实现的控制电路，使用51系列单片机芯片做为微控制器，无线通讯模块作为通讯模块，E2PROM24C02作为控制参数存储模块，CPLD作为电机运动控制驱动单元。该系统使用充电电池为电机、控制电路供电。将防水蒙皮套在机器鱼的机构上，使用橡皮胶将防水蒙皮在机器鱼头部和尾部连接件处粘牢，如图9所示。
权利要求1.一种可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼，包括控制部分和多关节驱动的仿生机器鱼体，其特征在于第一驱动关节，其有一个上开口U型槽，驱动电机放置在U型槽内；第二驱动关节，其有一个左向开口的U型槽；椭圆型鱼体支撑骨架，其有一长方形孔，通过所述长方形孔将鱼体骨架套入在左向开口的U型槽和上开口U型槽之间。
2.按权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于所述驱动关节之间通过驱动电机轴的连接器相连。
3.按权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于所述上开口U型槽的底部有一浅凹槽，以便螺钉支撑第二驱动关节。
4.按权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于所述的椭圆型鱼体支撑骨架上有一走线孔。
5.按权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于所述的控制部分包括通讯模块，用于数据通讯，实现控制命令的下传和机器鱼内部信息的上传；传感信息采集模块，用于触觉、视觉、方位、姿态、声纳等信息的采样；控制参数存储模块，用于存储机器鱼游动所需要的各种鱼体波控制参数，保证机器鱼的游动控制；微控制器模块通过对传感信息进行处理，并依据下传的控制命令和任务，提取控制参数，给出电机控制命令；电机驱动模块，接受微控制器模块下发的电机控制命令对机器鱼各驱动关节的步进电机转动角度进行控制实现机器鱼的运动。
6.按权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于所述的多关节驱动的仿生机器鱼体还包括呈现规则波纹的防水蒙皮。
7.按权利要求6所述的仿生机器鱼，其特征在于所述的防水蒙皮由橡胶注塑制成。
专利摘要一种可远程遥控的多关节驱动的仿生机器鱼，包括控制部分和多关节驱动的仿生机器鱼体，第一驱动关节，其有一个上开口U型槽，驱动电机放置在U型槽内；第二驱动关节，其有一个左向开口的U型槽；椭圆型鱼体支撑骨架，其有一长方形孔，通过所述长方形孔将鱼体骨架套入在左向开口的U型槽和上开口U型槽之间。本实用新型可以为研究鱼类运动的水动力学、游动机理、运动控制方法提供实验本体，为制造效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的水下运输设备提供基本的实验平台，制作娱乐型或观赏型仿生机器鱼。
文档编号G09B25/00GK2549555SQ0224116
公开日2003年5月7日 申请日期2002年7月4日 优先权日2002年7月4日
发明者王硕, 喻俊志, 谭民, 陈尔奎, 梁健宏 申请人:中国科学院自动化研究所