专利名称：双体机器鱼的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人，特别涉及一种无艏摇运动的仿生鱼机器人。(二) 背景技术人类有关鱼类游动机理的现代研究最早是从二十世纪三十年代开始的。但从 公开的文献表明，有关这方面的研究取得迅速进展是在过去的十五年，有关仿鱼 推进机理的大量研究则幵始于九十年代中、后期。Lighthill首先对水中动物的游 动方式进行了分类和力学分析。根据鱼类推进运动的特征，水下推进器可划分为 两种基本模式一类是曲伸式(anguilliform)，如八目鳗等；另 一类是摆尾式 (carangiform)，如海豚和金枪鱼等。曲伸式(anguilliform)特点就是整个身体(或几 乎整个身体)都参与了大振幅的波动，由于在整个身体长度上至少提供了一个完 整的波长，所以使横向力相抵消，使横向的运动趋势减低到最小，很多采用曲伸 式游动的鱼类通过改变波的方向能实现与向前运动一样的向后运动。曲伸式的推 进效率主要与波的传播速度有关，波的传播速度越大，推进效率就越高，与摆尾 式相比而言，身体波动式推进效率较低，主要适用于狭缝中的穿行。摆尾式 (czrangiform)游动的特点是躯体前部几乎不动，仅仅摆动躯体的尾部和一个大展 弦比的尾鳍来获得推力和机动控制力。海洋中游动速度最快的鱼类都采用摆尾 式，在运动过程中尾鳍摆动，而身体仅有小的摆动或波动，甚至保持很大的刚性。 其推进效率主要与下列参数有关l)尾鳍的展弦比；2)尾鳍的后掠角和前端的 曲率；3)尾鳍的刚度；4)尾鳍的形状；5)尾鳍的摆动规律。尾鳍摆动式推进具有很高的效率，适于长时间、长距离的游动，另外，还有一些鱼类通过这种游动方式的阻力很小、效率很高，特别适用于AUV和UUV的推进和机动控制。日本东海大学N. Kat等人研究了黑妒鱼的胸鳍运动原理，初步分析了胸鳍 动作状态与游动姿态的关系。N.Kat。从水下运动装置的机动性能出发主要分析 了在水平面以及垂直面上的盘旋以及转向运动与鱼的胸鳍摆动之间的关系，并研 制了试验样机，该样机可以用PC机来控制以实现类似于鱼类的运动。日本东芝 公司的研究人员研制了无线控制的能象真鱼一样游动的仿鱼机器人，该仿鱼机器
人长约60cm，重约6磅，该仿鱼机器人通过一台台式计算机控制它的一个尾鳍、 两个胸鳍的运动，由于没有必要完全精确的复制海洋鱼类的驱动方式，所以采用 弹性振动鳍制作了试验样机。日本东京工业大学研制了一艘1. 75米海豚型潜器 的自航试验模型，其尾部共有两个节点，第一个节点由发动机驱动，第二个节点 以弹簧联结。日本国家海洋研究院(NMRI)也研制了 UPF-2001等仿鱼机器人。在国内，北航机器人研究所、哈尔滨工程大学、中国科学院自动化所、哈尔 滨工业大学、中国科技大学、沈阳自动化研究所等单位开展了鱼类游动机理及水 下机器人仿鱼推进理论研究工作。机器鱼游动过程中，由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航 行器的推进效率。这种不利影响表现在两个方面首先，没有柔性机制的鱼体在 艏摇的情况下增大了迎角，从而产生很大的阻力；其次，目前尾鳍的运动规律是 以鱼体为参照系计算得到，并没有考虑鱼体晃动对于尾鳍运动状态的影响。 Triantafylloul总结大量前人工作后指出，尾鳍高效推进游动有三个条件，其中之 一就是尾鳍的攻角应在一定角度范围之内。而艏摇的存在，会使尾鳍攻角脱离设 定的最佳范围，从而降低推进效率。目前国内外对机器鱼己经开展了大量的研究。 理论工作方面，吴耀祖提出了非定常二维波动板理论，童秉纲、庄礼贤和程建宇 建立了一种半解析、半数值的三维波动板理论，给出了定量的三维非定常理论描 述；在模型试验方面，Cheng等研究了有限展弦比机翼的运动。但是，上述工作 在艏摇对机器鱼稳定性影响方面做的针对性的研究很少，暂时还没有这方面比较 成熟的研究结果，在解决机器鱼游动中艏摇的问题上也没有很好的解决方案。此前，本发明的申请人曾经提出了申请号为200710072128.9，名称为一 种多关节波动推进鱼形机器人的发明专利申请。它包括多关节尾部摆动驱动机 构、胸鳍同步转动机构、驱动控制电路以及配重、形状支撑和密封部分，多关节 尾部摆动驱动机构包括驱动电机、多级四连杆传动机构和尾鳍，驱动电机连接多 级传动机构，多级四连杆传动机构连接尾鳍，胸鳍同步转动机构包括支撑固定部 件、安装在支撑固定部件上的驱动电机、左右两个胸鳍和传动杆，驱动电机连接 传动杆，传动杆连接两个胸鳍，驱动控制电路包括安装在机器人内的红外遥感控 制部分和下位机电路，红外遥感控制部分通过信号传输接口连接下位机电路。这 种结构的机器人虽然能在水下自由游动、具有上浮和下潜功能、远程遥控、能够 在复杂水流环境下急加速运动等优点。但是仍无法解决机器鱼游动中的艏摇问 题。
发明内容本发明的目的在于提供一种能在机械结构上解决仿生机器鱼艏向摇摆的问 题的双体机器鱼。本发明的目的是这样实现的它包括机器鱼的鱼头部分，在鱼头部分后面安 装有两套尾部摆动驱动机构，两套尾部摆动驱动机构并排与鱼头相连。 本发明还可以包括这样一些结构特征1、 所述的尾部摆动驱动机构由一级四连杆机构和尾部连杆组成，其构成包括杆2、 L形连杆4、杆6、杆8;杆8的两端分别与杆2、 L形连杆4的一端通 过转轴l、转轴7铰接，且其铰接点处与鱼头部分连接；杆6的另一端通过转轴 3与L形连杆4的一端铰接；L形连杆4的转折点处通过转轴5与杆2的另一端 铰接。2、 所述的尾部摆动驱动机构由两级连杆机构关节和尾部关节组成；其组成 包括两个驱动电机11、 33，由杆9和杆10、杆32和杆31组成的两个曲柄遥杆 组件，滑槽12，两个滑杆13、 30，由L形杆17、杆[29组成的一级推进关节， 由L形杆22、杆24、杆26、杆28组成的二级推进关节，由L形杆20、杆19、 杆18、杆16、杆15、杆14组成的三级推进关节。3、 所述的尾部摆动驱动机构由两级连杆机构关节和尾部关节组成，其驱动 电机为一个双输出轴驱动电机。本发明是根据已有的鱼类仿生学理论，设计出由直流电机灵活驱动的双体 机器鱼多关节波动推进尾部，开发出无艏向摇摆的双体仿生机器鱼。本发明特别 是针对目前单尾推进仿生机器鱼游动中产生艏向摆动而使尾部推进效率大大降 低的问题，提出双体仿生机器鱼设计方案，解决机器鱼艏向摆动的问题。双体机 器鱼特征是由两条机器鱼尾部推进，机器鱼前端不动部位(鱼头)相互固联(也 可以釆用一个鱼头两条尾巴推进的方式，原理相同)，简单的说就是将两条单尾 推进机器鱼的前端(鱼头)相互固联，使其成为一体，后面两条多关节机器鱼尾 部对称摆动推进。双体机器鱼减摇原理是利用鱼的两条多关节尾部摆动过程中对 应关节产生大小相等、方向相反的横向作用力相互抵消原理使机器鱼整体始终处 在横向受力平衡的状态，从而从机械本体上解决了单尾仿生机器鱼游动中艏向摇 摆的问题。本装置的发明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，双体的设计思想对提高机器鱼尾部的推进效率和提 高机器鱼游动速度有重要的意义。双体仿生机器鱼与单尾鳍机器鱼相比之优势一般来说，利用单尾鳍推进的机器鱼存在如下问题1. 由于单尾推进的机器鱼存在艏摇问题，这样势必增加机器鱼的航行阻力， 降低机器鱼的前进速度。2. 单尾鳍推进的机器鱼航行轨迹不稳定，机器鱼前进路线的精确控制较难 实现。3. 单尾鳍推进的机器鱼在水平面内的回转性较真实鱼类差很多，特别是关 节数较少的机器鱼。与单尾鳍推进的机器鱼相比，双体仿生机器鱼即利用并发挥了仿鱼推进的优 点，又克服了单尾推进模式存在的艏摇问题，保证了仿生机器鱼航行的稳定性， 从而降低了机器鱼的航行阻力，提高了尾部仿生推进器的效率。主要优势有1. 双体机器鱼的两条尾鳍反向摆动过程中，相互抵消了较大的尾鳍摆动侧 向力，从而避免了机器鱼的摇艏运动，这样降低了机器鱼的航行阻力，增加了尾 鳍的有效摆幅，从而提高了尾鳍的向前推力和推进效率。2. 双体仿生机器鱼可以实现一条尾鳍为舵，另一条尾鳍摆动推进，使机器 鱼在水平面内的机动性能大大改善，同时具有良好的操纵性。3. 仿生双体机器鱼多关节尾部无论安装在水面船舶上，还是水下潜器上， 航行体都具有良好的航行稳定性，满足工程应用的需要。另外，多关节波动推进的双体机器鱼还具有逐级波动传动特性、多关节驱动、 具有远程遥控功能、可上浮下潜、可实现复杂水流环境下急加速、低能量损耗、 能量利用率高、制作材料广泛、成本低廉、制作简单等特点。本项发明建立了一个能在水下自由游动、具有上浮和下潜功能、无艏向摇摆 的、性能可靠、体积小巧、价格低廉、制作材料广泛、具有远程遥控功能的并具 有在复杂水流环境下急加速运动的微小型水下机器人平台。它可以充当水下侦察
设备、武器系统、通信系统的载体，完成普通士兵无法完成的多种任务，也可以 作为观赏性机器鱼或水下机器人玩具开发，具有广阔的应用前景。本发明的意义在于在现有的仿生鱼研究成果下，寻找仿生鱼新的推进机构 方式，重点解决单尾机器鱼在水中游动产生的艏向摆动而大大降低机器人推进效 率的问题，并提出了三种机器鱼多关节尾部波动推进设计方案，促进水下游动机 器人的应用和研究。双体机器鱼消除机器鱼游动中所产生的艏摇原理如下-图1为单尾机器鱼在水中游动时关节的受力简图，由图中任意关节的受力 分析可以看出关节摆动产生的动力(即图中的阻力D)可分解为X方向的前进动力和z方向的垂直分解力，由于每个关节产生的z方向的垂直分解力为同 一个方向，不能相互抵消，因而影响了整个结构在z向的稳定性，致使机器鱼在游动的过程中不断产生艏向摇摆运动，大大降低了机器鱼尾部的推进效率。图2为双体机器鱼在水中游动时关节的受力简图，由图中任意对称的两个 关节受力分析可以看出对称关节摆动所产生的动力(即图中的阻力D)可分解 为X方向的前进动力和Z方向的垂直分解力，由于每个关节产生的Z方向的垂 直分解力大小相等、方向相反，致使Z向上的力相互抵消，受力平衡，因而机器 鱼在游动过程中除了两条尾部产生的X方向前进动力外，没有其他力影响机器 鱼的运动，因而不会出现机器鱼艏摇问题，提高了尾部的推进效率。双体机器鱼工作原理如下控制系统控制机器鱼多关节尾部驱动电机和胸鳍电机的转动，多关节尾部结构始终以正弦波形式的摆动，为机器鱼整体前进提供动力，控制电机的转动状态就可以实现机器鱼的各种游动姿态，例如前迸、转 弯等，其中两条多关节尾部对称摆动时实现快速前游，如图8—10所示，两条尾部以相同方向摆动时实现转弯，胸鳍转动控制机器鱼的上浮下潜。
图1是单尾机器鱼在水中游动时任意关节受力简图；图2是双体机器鱼在水中游动时任意关节受力简图；图3是本发明的第一种实施方式的尾部摆动驱动机构的原理示意图；图4是图3的俯视图；图5是本发明的第二种实施方式的尾部摆动驱动机构的原理示意图6是图5的俯视图；图7是本发明的第二种实施方式的结构的示意图；图8是本发明的第三种实施方式的尾部摆动驱动机构的原理示意图； 图9是图8的俯视图；图IO是采用单电机双关节驱动(简化结构)的双体机器鱼尾部机构简图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述-双体机器鱼包括机器鱼的鱼头部分，在鱼头部分后面安装有两套尾部摆动驱 动机构，两套尾部摆动驱动机构并排与鱼头相连。尾部结构必须对称设计，前游 时左右对称摆动，这样才能保证机器鱼高速前游，而当两条尾部向同一个方向摆 动时就可以转弯。双体机器鱼尾部结构设计可釆用以下三种设计方案尾部结构设计方案1:如图3和图4，它由一级四连杆机构和尾部连杆两级关节波动推进。包括杆2、 L形连杆4、杆6、杆8和转轴1、 3、 5、 7，其中，杆2为驱动杆，组成了第 二关节的主体，L形连杆4为鱼尾主体，杆8与机器鱼身体相连。推进原理如下 杆2在伺服电机的带动下绕着转轴1左右摆动(一级摆动)，杆2运动带动了 L 形杆4和杆6绕转轴3、 5、 7的运动，这样就带动了鱼尾(L形杆4)左右摆动 (二级摆动)，两个关节的左右摆动产生了机器鱼前进动力。此种结构最为简单， 设计的机器鱼可模仿游动速度较慢、关节数较少的鱼类运动，适合制作玩具或观 赏性的机器鱼。尾部结构设计方案2:双体机器鱼尾部结构设计采用三级关节波动推进，结合图5和图6，它有两 级连杆机构关节和尾部关节。它包括两个驱动电机11、 33，两个曲柄遥杆组件 (杆9、 10、 31、 32)，滑槽12，两个滑杆13、 30， 一级推进关节(L形杆17、 杆[29)， 二级推进关节(L形杆[22、杆24、 26、 28)，三级推进关节(L形杆[20、 杆19、 18、 16、 15、 14)，其中三个L形杆17、 22和20是三个关节推进的主体。 工作原理如下以整个鱼尾顺时针摆动为例，电机33顺时针转动，通过曲柄遥 杆机构(杆32、 31)推动滑杆30在滑槽12中向左滑动，滑杆30向左滑动一方
面带动的是第一级关节(L形杆[17、杆29)绕轴25顺时针摆动，另一方面它还 同时带动第二级关节(L形杆22、杆24、 26、 28)绕轴23顺时针摆动，也就是 说电机33控制的是第一级关节和第二级关节的运动。与此同时，电机ll输出动 力，顺时针转动，通过曲柄遥杆机构(杆9、 10)推动滑杆13在滑槽12中向右 滑动，推动由杆14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 22组成的两级平行四连杆机构 向右运动，这样就会推动L形杆20绕轴21顺时针摆动，实现第三级关节(尾部) 的波动推进，即电机11控制的是鱼尾关节20的左右摆动。整个机构运动过程相 反就实现鱼尾逆时针摆动，两个电机相互配合来回转动就能实现尾部三个关节的 灵活摆动，从而实现鱼尾的波动推进。图7为采用三级关节波动推进结构的双体 机器鱼机构简图，其中34是控制机器鱼上浮下潜的胸鳍，35为控制胸鳍运动的 电机。其前端组装装配如下描述胸鳍34通过各自的传动杆61与各自驱动电机 35相连，驱动电机35分别固联于机体54和60上，胸鳍主要控制机器鱼的上浮、 下潜运动以及机器鱼的稳定性。机器鱼两个机体54和60必须通过杆57 (图中 为三根杆串联，目的是拆装方便)相互固联，成为一体，使机器鱼两条尾部摆动 产生的横向力能够通过机体54、 60和杆57相互抵消(大小相等，方向相反)。 两条多关节推进机器鱼尾部55和58分别通过轴56和59与机体54和60相连， 机器鱼各自的驱动电机也固定在各自的机体上，这样当机器鱼驱动电机62转动， 就会带动各自的机器鱼尾部55和60绕各自轴56和59整体对称摆动，就会推进 机器鱼向前运动。简单的说，双体机器鱼组装方式就是把两条单尾推进机器鱼的 头部固联起来成为一体，达到机器鱼游动时横向受力能够传递到一起而相互抵消 的目的，值得注意的是两条机器鱼尾部必须整体对称摆动推进。 尾部结构设计方案3此种结构设计的机器鱼尾部也是用三级关节波动推进，结合图8和图9，其 三级关节由一个电机驱动。其原理是三节连杆机构串联，利用前一个关节与后一 个关节转动时连杆产生的差值来驱动后一个关节的转动，也就是说后一个关节相 对转动角度大小由相邻两关节转动时两连杆产生的差值(即L形杆39纵向长度 与杆48长的差、杆48长与杆53长的差)大小来决定，从而节与节之间产生相 对转动，而实现尾部的整体摆动。具体工作原理如下电机33通过连杆50、 51 带动滑杆36在滑槽12中左右运动，滑杆36的左右运动拉动后面连杆37、 49、52的运动，其中连杆49再拉动L形连杆39绕轴38左右摆动，实现第一级关节 左右运动；而连杆52推动由L形杆41、杆47、 48、 L形杆39组成的四连杆机 构运动，最终实现第二级关节(L形杆41横向)绕轴40左右运动，同样原理， 杆37推动由L形杆41、杆46、 53、 L形杆39组成的第一节四连杆机构和由L 形杆41、杆44、 45、 L形杆43组成的第二节四连杆机构运动，最终实现第三级 关节(L形杆43横向)绕轴42左右运动。由于L形杆39纵向与杆48、杆48 与杆53绕轴[38]转动时依次产生差值，导致三节连杆机构转动时第一节L形杆 39横向与第二节L形杆41横向，以及第二节L形杆41横向与第三节L形杆 43横向有转动出现差角，从而节与节之间会产生相对的差动运动，差角的大小 由L形杆39纵向长度、杆48和杆53的长度差决定，这样就能实现机器鱼波动 推进状态。图IO是采用单电机双关节驱动(简化结构)的双体机器鱼尾部机构 简图。双体机器鱼还不仅仅局限于上面的三种结构，例如用记忆合金制作的柔性尾 部驱动器、每个电机每节驱动的尾部结构等等，设计双体机器鱼的目的是从机械 结构上解决机器鱼水中游动时艏向摇摆的问题。控制系统起到控制机器人电机的转动以及遥控机器人的作用。控制方式可采 用单片机上、下位机适时检测的方式，上位机为机器人提供红外遥感控制，主要 负责外界信号的接受和接收信号后指令的发送，它与下位机通过信号传输接口连 接。下位机负责所有电机的控制，调节各个电机的摆动角度、时间和速度，这样 就可以控制机器人的游动方式。驱动控制系统可为单片机典型的最小系统，也可 以在此基础上扩展其他接口功能，电机采用芯片输出的PWM信号控制。另外，配重、形状支撑和密封外衣是机器人制作必备的辅助部分，也是机器 人能在水下自由游动所必需的。配重采用重金属多点分布配重的方法，在机器鱼 一些特定的应用中，可以用设备调整机器人的配重。形状支撑部分采用轻质易加 工材料，目的是保正机器人整体的仿垂体和外形的流线型，满足机器人外形和水 中快速游动的需要。密封部分采用软橡胶套整体密封的方法，其中胸鳍密封是属 于动密封，是整个机器人密封的难点，可采用橡胶管套圆管的方式，利用橡胶管 和圆管之间的弹性摩擦来实现密封。机器人能源采用镍氢充电电池供电，在机器 人的肚子底部留有充电接口和程序调试密封接口。
权利要求
1、一种双体机器鱼，它包括机器鱼的鱼头部分，其特征是在鱼头部分后面安装有两套尾部摆动驱动机构，两套尾部摆动驱动机构并排与鱼头相连。
2、 根据权利要求1所述的双体机器鱼，其特征是所述的尾部摆动驱动机构由一级四连杆机构和尾部连杆组成，其构成包括杆(2)、 L形连杆(4)、杆(6)、 杆(8);杆(8)的两端分别与杆(2)、 L形连杆(4)的一端通过转轴(1)、转轴(7)铰接， 且其铰接点处与鱼头部分连接;杆(6)的另一端通过转轴(3)与L形连杆(4)的一端 铰接；L形连杆(4)的转折点处通过转轴(5)与杆(2)的另一端铰接。
3、 根据权利要求1所述的双体机器鱼，其特征是所述的尾部摆动驱动机 构由两级连杆机构关节和尾部关节组成；其组成包括两个驱动电机(ll)、 (33)， 由杆(9)和杆(10)、杆(32)和杆(31)组成的两个曲柄遥杆组件，滑槽(12)，两个滑 杆(13)、 (30)，由L形杆(17)、杆(29)组成的一级推进关节，由L形杆(22)、杆(24)、 杆(26)、杆(28)组成的二级推进关节，由L形杆(20)、杆(19)、杆(18)、杆(16)、 杆(15)、杆(14)组成的三级推进关节。
4、 根据权利要求3所述的双体机器鱼，其特征是所述的尾部摆动驱动机 构由两级连杆机构关节和尾部关节组成，其驱动电机为一个双输出轴驱动电机。
全文摘要
本发明提供的是一种双体机器鱼。它包括机器鱼的鱼头部分，在鱼头部分后面安装有两套尾部摆动驱动机构，两套尾部摆动驱动机构并排与鱼头相连。与单尾鳍推进的机器鱼相比，双体仿生机器鱼即利用并发挥了仿鱼推进的优点，又克服了单尾推进模式存在的艏摇问题，保证了仿生机器鱼航行的稳定性，从而降低了机器鱼的航行阻力，提高了尾部仿生推进器的效率。
文档编号B63H1/00GK101157381SQ20071014448
公开日2008年4月9日 申请日期2007年10月26日 优先权日2007年10月26日
发明者刘增文, 孙艳杰, 季宝锋, 常媛媛, 张永锐, 王立权, 贾守波, 陈东良 申请人:哈尔滨工程大学