专利名称：一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，这种仿生机器鱼可作为用于水下探测、水下作业、水下旅游的结构简单、携带方便的水下工具，亦可作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，属于机器人应用技术领域。
背景技术：
本实用新型作出以前，在已有技术中，对于机器鱼来说，有的是螺旋桨式驱动，有的是摆动机构驱动，均以各类电机为动力，采用的是各种纯机械结构，是刚性结构；游动转向采用方向舵等装置改变游动方向，不能较好地模仿鱼类的游动，动作不够灵活。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述不足之处，本实用仿生机器鱼以多个摆动式柔性关节直接驱动，多个柔性关节的连接如鱼的脊椎骨式的结构，类似鱼尾鳍的摆动游动，和鱼尾柄的弯曲偏转，改变游动方向。柔性关节采用板弹簧或板铰链为柔性骨架，波壳受气体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，柔性关节可顺时针、逆时针方向弯曲，动作灵活，耗能小，控制简单。
本实用新型的主要解决方案是这样实现的尾柄柔性关节1、过渡节2、尾鳍柔性关节3、尾鳍弹簧片4与龙骨11同轴相连，构成鱼的脊椎骨，其中尾柄柔性关节1可以在水平面顺时针、逆时针弯曲，改变游动方向；尾鳍柔性关节3可在水平面摆动，促使鱼向前游动；驱动装置6中的微型气泵31从软气囊8中抽气，通过软管5，驱动尾柄柔性关节1弯曲和尾鳍柔性关节3的摆动，尾鳍柔性关节3的摆动带动尾鳍弹簧片4摆动；仿生鱼上浮时，将气罐7内的气体释放到软气囊8中；而下沉时，驱动装置6中的微型气泵31从软气囊8中抽出气体，泵入气罐7中。通过充电口9对电池10充电，鱼的头部装有接收与控制装置12，遥控信号接收天线固定在龙骨11上。
本实用新型与已有技术相比具有以下优点本实用新型摆动式柔性关节的仿生机器鱼采用柔性关节直接驱动鱼的游动和转向，多个柔性关节的连接如鱼的脊椎骨式的结构，类似鱼尾鳍的摆动游动，和鱼尾柄的偏转，改变游动方向。柔性关节采用板弹簧或板铰链为柔性骨架，波壳受气体压力后轴向膨胀作为肌肉动力，柔性关节可顺时针、逆时针方向弯曲，较好地模仿鱼类的游动，动作灵活，耗能小，控制简单。
图1为本实用新型仿生机器鱼的主剖视图图2为本实用新型仿生机器鱼的俯视图图3为本实用新型仿生机器鱼尾柄柔性关节的A-A剖视图图4为本实用新型仿生机器鱼尾柄柔性关节的主剖图图5为本实用新型仿生机器鱼尾鳍柔性关节板铰链零件的主剖视图图6为本实用新型仿生机器鱼尾鳍柔性关节板铰链零件的俯视图图7为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的C-C剖视图图8为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的B-B剖视图图9为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的主剖视图图10为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的E-E剖视图图11为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的D-D剖视图图12为本实用新型仿生机器鱼转动气阀的A-A剖视图图13为本实用新型仿生机器鱼驱动系统图具体实施方式
下面本实用新型将结合附图中的实施例作进一步描述如附图1、2所示的仿生鱼的基本构造是尾柄柔性关节1、过渡节2、尾鳍柔性关3、尾鳍弹簧片4、软管5、驱动装置6、气罐7、软气囊8、充电口9、电池10、龙骨11、接收与控制装置12。
如附图1、2和13所示，仿生鱼外皮由不透水的橡胶或弹性尼龙布构成，除在腹部软气囊8处、尾柄柔性关节1段和尾鳍柔性关节3段等无骨架，其余部分按照鱼刺状分布有细丝骨架，细丝骨架固定在龙骨11上，构成流线形状的鱼体；尾柄柔性关节1、过渡节2、尾鳍柔性关节3、尾鳍弹簧片4与龙骨11同轴相连，构成鱼的脊椎骨，其中尾柄柔性关节1可以在水平面顺时针、逆时针弯曲，改变游动方向；尾鳍柔性关节3可在水平面摆动，促使鱼向前游动；驱动装置6中的微型气泵31从软气囊8中抽气，通过转动气阀30、软管5，驱动尾鳍柔性关节3的摆动，尾鳍柔性关节3的摆动带动尾鳍弹簧片4摆动；或通过三位五通阀和软管5，驱动尾柄柔性关节1弯曲；仿生鱼上浮时，4DT得电，从气罐7中释放出的气体进入软气囊8中；而下沉时，驱动装置6中的微型气泵31从软气囊8中抽出气体，泵入气罐7中。通过充电口9对电池10充电，鱼的头部装有接收与控制装置12，遥控信号接收天线固定在龙骨11上。
尾鳍柔性关节3的结构如附图3、4所示波壳15(单节波壳的纵截面形状是“V”、“U”、“Ω”等形状的橡胶波纹管)靠卡箍14夹紧在头座13和尾座16的卡口上，波壳15、头座13和尾座16构成的封闭空腔；软管5由管螺母19固定在直角接头18，气体通过软管5和直角接头18进入关节空腔，直角接头18与尾座16间有密封圈17密封；由上述零件构成了一个独立的流体驱动肌肉组件。板弹簧21的两端由内六角螺栓20定位夹紧在两个流体驱动肌肉组件的头座13和尾座16的导向方槽内，这样由两个流体驱动肌肉组件和一个板弹簧9形构成了摆动的尾鳍柔性关节3。
本实用新型所述波壳15的单节波壳的纵截面形状是“V”、“U”、“Ω”等形状的橡胶波纹管。
尾柄柔性关节1与尾鳍柔性关节3的不同之处是在尾柄柔性关节1中，由板铰链22替换原尾鳍柔性关节3的板弹簧21，安装形式和其余结构完全相同，这样才能灵活地改变游动方向，板铰链22的结构如附图5、6所示。
转动气阀30的结构如附图7～12所示阀芯23靠滚针轴承28支撑在前盖24和后盖29上，前盖24和后盖29靠轴向凸缘止口与阀壳体26的中孔定位，并用沉头螺钉连接，前盖24和后盖29的侧面嵌有密封圈25，阀壳体26中孔内用胶粘接弹性密封衬套27。
下面介绍转动气阀30的工作原理微型气泵31泵出的气体从转动气阀30的P口进入、由环槽经阀芯中孔、再从小半环窄槽到O1口、再进入尾鳍柔性关节3中的一个波壳15；此时，尾鳍柔性关节3的另一个波壳15的气体，经O2口、小半环宽槽后由出口排出到软气囊8。转过一定角度后，尾鳍柔性关节3中的两个波壳15进气和排气互相转换，达到转动配气作用。如此连续循环，实现尾鳍柔性关节3的摆动驱动。
下面为本实用新型仿生机器鱼的工作原理及工作过程如附图13所示，在驱动系统中，动力选择某微型气泵31，仿生鱼利用此微型气泵31的泵体，由相应参数的微型直流伺服电机替代微型气泵的原电机，同时直流伺服电机亦通过同步齿形带和塑料蜗轮蜗杆减速器减速后，驱动转动气阀30转动。微型气泵31从软气囊8中抽气，通过转动气阀30配气，驱动尾鳍柔性关节3摆动。当仿生鱼下沉时，3DT通电，微型气泵31将软气囊8的部分气体泵到气罐7中；升浮时，3DT断电、4DT通电，将气罐7的部分气体释放到软气囊8中(气罐7的气体压力大于软气囊8的气体压力)。尾鳍柔性关节3的空腔体积较尾柄柔性关节1小，转动气阀30的转动保证仿生机器鱼尾鳍柔性关节3的连续摆动，推进仿生机器鱼不断前进，直流伺服电机的转速快，尾鳍柔性关节3摆动速度快，机器鱼游动速度快；通电1DT或2DT，可驱动尾柄柔性关节1的弯曲，改变推进方向；1DT和2DT失电，保持尾柄柔性关节1的弯曲或伸直状态。
权利要求1.一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，其特征是尾柄柔性关节(1)、过渡节(2)、尾鳍柔性关节(3)、尾鳍弹簧片(4)与龙骨(11)同轴相连，构成鱼的脊椎骨；其中尾柄柔性关节(1)可以在水平面顺时针、逆时针弯曲，改变游动方向；尾鳍柔性关节(3)可在水平面摆动，促使鱼向前游动；驱动装置(6)中的微型气泵(31)从软气囊(8)中抽气，通过三位五通阀和软管(5)，驱动尾柄柔性关节(1)弯曲；亦可通过转动气阀(30)和软管(5)，驱动尾鳍柔性关节(3)的摆动，尾鳍柔性关节(3)的摆动带动尾鳍弹簧片(4)摆动；仿生鱼上浮时，电磁阀4DT得电，从气罐(7)中释放出气体，进入软气囊(8)中；而下沉时，电磁阀3DT得电、4DT失电，驱动装置(6)中的微型气泵(31)从软气囊(8)中抽出气体，泵入气罐(7)中；通过充电口(9)对电池(10)充电，鱼的头部装有接收与控制装置(12)，遥控信号接收天线固定在龙骨(11)上。
2.根据权利要求1所述的一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，其特征在于所述尾鳍柔性关节(3)的结构波壳(15)靠卡箍(14)夹紧在头座(13)和尾座(16)的卡口上，波壳(15)、头座(13)和尾座(16)构成的封闭空腔；软管(5)由管螺母(19)固定在直角接头(18)，气体通过软管(5)和直角接头(18)进入关节空腔，直角接头(18)与尾座(16)间有密封圈(17)密封，由上述零件构成了一个独立的流体驱动肌肉组件；板弹簧(21)的两端由内六角螺栓(20)定位夹紧在两个流体驱动肌肉组件的头座(13)和尾座(16)的导向方槽内，这样由两个流体驱动肌肉组件和一个板弹簧(21)构成了摆动的尾鳍柔性关节(3)。
3.根据权利要求1所述的一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，其特征在于所述尾柄柔性关节(1)的结构波壳(15)靠卡箍(14)夹紧在头座(13)和尾座(16)的卡口上，波壳(15)、头座(13)和尾座(16)构成的封闭空腔；软管(5)由管螺母(19)固定在直角接头(18)，气体通过软管(5)和直角接头(18)进入关节空腔，直角接头(18)与尾座(16)间有密封圈(17)密封，由上述零件构成了一个独立的流体驱动肌肉组件；板铰链(22)的两端由内六角螺栓(20)定位夹紧在两个流体驱动肌肉组件的头座(13)和尾座(16)的导向方槽内，这样由两个流体驱动肌肉组件和一个板铰链(22)构成了摆动的尾柄柔性关节(1)。
4.根据权利要求1所述的一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，其特征在于所述的转动气阀(30)的构造是阀芯(23)靠滚针轴承(28)支撑在前盖(24)和后盖(29)上，前盖(24)和后盖(29)靠轴向凸缘止口与阀壳体(26)的中孔定位，并用沉头螺钉连接，前盖(24)和后盖(29)的侧面嵌有密封圈(25)，阀壳体(26)中孔内用胶粘接弹性密封衬套(27)。
5.根据权利要求2或3所述的一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，其特征在于所述波壳(15)的单节波壳的纵截面形状是“V”、“U”或“Ω”形状的橡胶波纹管。
专利摘要本实用新型涉及一种摆动式柔性关节的仿生机器鱼，可作为用于水下探测、水下作业、水下旅游的结构简单、携带方便的水下工具，亦可作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，属于机器人应用技术领域。直流伺服电机驱动微型气泵，并通过同步齿形带和塑料蜗轮蜗杆减速器减速后，使转动气阀转动；微型气泵从软气囊进气，可驱动柔性关节后回气到软气囊；当仿生鱼下沉时，将软气囊的部分气体泵到气罐中；升浮时，将气罐的气体释放到气囊中。尾鳍柔性关节的波壳体积较小，转动气阀的转动使机器鱼尾鳍关节的连续摆动，推进仿生鱼不断前进，直流伺服电机的转速快，机器鱼游动速度快；驱动尾柄柔性关节，改变推进方向。
文档编号B63B38/00GK2784307SQ20052006838
公开日2006年5月31日 申请日期2005年1月17日 优先权日2005年1月17日
发明者章军, 须文波, 吕兵 申请人:江南大学