一种仿生机器鱼的制作方法

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种仿生机器鱼。

背景技术：

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，当今的自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)已经成为人类进行海洋研究和探索的重要平。近年来，随着人类对鱼类游动机理认识的不断探索和相关制造技术、控制技术的发展，一种采用鱼体仿生推进机理的水下潜器应运而生，为研制高效率、高机动性、低噪音和易隐蔽的水下航行器提供了一种新思路。

机器鱼是一种利用鱼类游动机理实现推进的水下潜器，装配各种微小型传感器，利用先进的控制和通讯手段，可以构成一套类似鱼体结构的，可以游动的传感器。装有不同传感器的机器鱼具有良好的机动性和隐蔽性，可以在狭小的空间内作业并实现低噪音运动。技术一旦成熟，机器鱼将在复杂环境的水下作业、海洋监测、海洋生物观察、军事侦察及排雷、布雷等方面发挥重大作用。

现阶段的机器鱼在减阻效果和仿生效果上主要存在以下缺点：

首先，现阶段仿生鱼鱼皮多采用硅胶皮蒙覆结构，对鱼皮具体结构的研究还相对较少，致使现阶段的仿生鱼鱼皮普遍存在下水后易变形、鱼体摆动时，鱼皮对其摆动效果影响大等缺陷。

其次，推进系统存在动力不足、仿生程度差的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种仿生机器鱼，该仿生机器鱼减阻效果好、仿生程度高。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供了一种仿生机器鱼，包括依次相连的头部、躯干部和尾部，头部的前端具有细长的尖端结构，头部的外表面为流线型结构；躯干部包括鱼皮和推进系统，鱼皮包裹在推进系统的外部；鱼皮的整体形状为流线型结构，鱼皮上沿其长轴线方向并列分布有多个沟槽，使鱼皮形成柔性伸缩结构；推进系统驱动躯干部摆动以实现仿生机器鱼在水下的移动；尾部包括尾鳍支架和尾鳍，尾鳍支架一端与躯干部相连接，尾鳍支架另一端安装有尾鳍。

进一步的，头部的内部设有容纳搭载模块的空腔，空腔的顶面和底面均为平面，空腔的两侧面为弧形面。空腔也为流线形结构，空腔顶面和底面的平面结构有利于内部控制部件的布局设置，也有助于设置装配螺钉孔。

进一步的，头部与所述躯干部之间依次设置有密封圈、防水垫和防水盖板，防水垫的形状与头部靠近躯干部的端面的形状一致，防水盖板上设置有控制线引出孔和安装连接件的连接孔。

进一步的，头部后半部分的顶端安装有背鳍，头部后半部分的两侧对称的安装有胸鳍。在仿生机器鱼的头部设置背鳍安装槽和胸鳍安装槽，背鳍和胸鳍分别安装在相应的安装槽内，设置背鳍和胸鳍，利于保持仿生机器鱼的平衡，使仿生机器鱼在移动过程中保持直立，避免其发生侧翻，提高其工作的可靠性。

进一步的，将尖端结构与头部的后部相连接的部分为过渡段，过渡段的上部和下部为弧形面，过渡段的两侧为对称布置的扁平面。过渡段的上部和下部为圆弧形流线型结构，左右脸颊为扁平面结构，进一步的减小前进的阻力。

进一步的，鱼皮上的沟槽为围绕所述鱼皮的侧壁首尾相接的环形沟槽。鱼体在摆动时，鱼皮的一侧被拉伸，鱼皮的另一侧被压缩，沟槽在鱼皮的周向上形成完整的环，拉伸变形和压缩变形的补偿点规整一致，鱼皮的拉开和压缩只需要很小的力就能实现，且不需要克服鱼皮的大幅度弹性变形产生的阻力，避免了鱼皮对仿生鱼游动的影响。

优选的，鱼皮的侧壁的纵向截面由多个V形结构依次连接构成，V形结构的凹陷处形成所述沟槽，相邻的两个V形结构的连接处形成波峰。V形结构使鱼皮形成波纹管结构，加工工艺性好。

进一步的，推进系统包括多个依次相连的推进单元，每个推进单元由内向外依次包括驱动装置、驱动装置内支架和驱动装置外支架；驱动装置外支架的一端连接到驱动装置的输出轴上并随输出轴转动，驱动装置外支架的另一端以可转动的方式连接到驱动装置内支架上，驱动装置外支架的中部与其后方的推进单元的驱动装置内支架固定连接。

多个推进单元依次连接，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，可以实现灵活度高的运动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态，此外，多个推进单元也增大了推进系统产生的推进力，提高推进效率。

进一步的，驱动装置的输出轴纵向布置，在同一个推进单元中，所述驱动装置外支架的两端同轴转动；在不同的推进单元之间，所述驱动装置外支架的旋转轴相互平行。

驱动装置的输出轴纵向布置时，其转动会带动推进单元左右摆动，与鱼体运动时的摆动情况一致，仿生程度高，灵活度高。驱动装置外支架两端同轴转动，可降低在驱动装置外支架转动过程中，推进单元各个部件所受到的剪切力，增加推进系统工作的可靠性，延长推进系统的使用寿命，降低维护维修的成本。各旋转轴相互平行，模拟鱼体真实的关节运动的情况，进一步提高了仿生机器鱼对鱼体运动的模拟程度。

进一步的，相邻的推进单元之间设有圆盘形的骨架。圆盘形骨架分别与两侧的推进单元相连接，推进单元与圆盘形骨架的接触面积较大，提高连接的可靠性；同时，圆盘形的骨架与鱼皮的内侧壁均匀接触，起到支撑作用，增强鱼皮的抗压能力减小了其在水压下的鱼体变形量。

进一步的，尾鳍的中部和两侧分别设有刚性的尾鳍夹板，尾鳍夹板同时与尾鳍支架和尾鳍相连接。

本发明的驱动装置可采用舵机、步进电机、直流电机、伺服电机等一切可控电机单元。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明示例的仿生机器鱼，头部和鱼皮均为流线形结构，有效降低其游动时受到的流体阻力；头部具有细长的尖端结构，可用于在仿生鱼游动时劈开鱼头前部的水流，起到减阻的作用，提升仿生机器鱼的游动速度和灵活性；鱼皮侧壁上的沟槽在鱼皮摆动时产生补偿作用，降低了鱼皮变形量，从而降低鱼皮变形对其摆动效果带来的影响，减阻效果好。

2、本发明示例的仿生机器鱼，推进系统驱动仿生鱼的躯干部摆动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态，在尾部设置有尾鳍，尾鳍在推进系统的作用下发生摆动，模拟真实鱼类的游动动作，仿生程度高。

3、本发明示例的仿生机器鱼，头部的密封圈、防水垫和防水盖板形成三道密封结构，从而使头部形成独立密封模块，控制装置、通讯装置、电源装置等均布置在在鱼体头部内，头部与后部鱼体结构的防水密封相互独立，有利于保证鱼头内部控制模块等的工作性能稳定，降低仿生鱼密封防水难度。防水盖板上的连接孔用于安装与后部鱼身连接的螺钉等连接件，也预留了控制线引出孔，在仿生鱼装配完成后只需在预留孔位置利用硅胶做简单防水处理即可保证鱼头模块的独立防水，操作十分简便。

4、本发明示例的仿生机器鱼，鱼皮上的沟槽结构在材料不变的情况下增大了其抗压强度，减小了在水压作用下鱼体的变形量，同时，鱼皮设置沟槽增大了排水面积，进而增大了仿生鱼的浮力，使其内部可以设置更多的搭载模块。

5、本发明示例的仿生机器鱼，其推进系统设置多个推进单元，增大了推进系统产生的推进力，提高推进效率；此外，多个推进单元之间既可以独立控制，也可以耦合控制，结合实际运行环境可以增加关节推进单元数量以增强推进系统运动性能或者减少关节推进单元数量以控制运动能耗，非常灵活。

6、本发明示例的仿生机器鱼，设置多个推进单元，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，运动方式多样、灵活，能够实现原地急转、高速运动下高曲率转向、狭窄空间内运动等特殊环境下的运动，且能够实现高速运动状态下姿态的平滑切换。设置有尾鳍，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态。

7、本发明示例的仿生机器鱼，推进系统采用模拟生物节律运动的方式，且驱动装置可采用多种可控电机，易于实现，相比较现有螺旋桨推进装置，具有工作噪声小，隐蔽性小等优点。

附图说明

图1为本发明示例的仿生机器鱼的整体结构示意图(省略鱼皮)；

图2为本发明示例的仿生机器鱼的头部的结构示意图；

图3为本发明示例的仿生机器鱼的头部密封结构的示意图；

图4为本发明示例的仿生机器鱼的鱼皮的结构示意图；

图5为本发明示例的仿生机器鱼的推进系统的结构示意图；

图6为图5中驱动装置内支架的结构示意图；

图7为图5中驱动装置的结构示意图；

图8为图5中驱动装置外支架的结构示意图；

图9为本发明示例的仿生机器鱼的尾部的结构示意图。

图中：1-头部，11-尖端结构，12-背鳍，13-胸鳍，14-防水盖板，15-空腔，16-密封圈，17-防水垫，18-O型圈，19-紧定螺钉，

2-推进系统，21-骨架，22-驱动装置外支架，23-驱动装置，24-驱动装置内支架，

3-尾部，31-尾鳍支架，32-尾鳍夹板，33-尾鳍，

4-鱼皮。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种仿生机器鱼，包括依次相连的头部1、躯干部和尾部3。

头部1的前端具有细长的尖端结构11，头部1的外表面为流线型结构。头部1后半部分的顶端安装有背鳍12，头部1后半部分的两侧对称的安装有胸鳍13。在仿生机器鱼的头部设置背鳍安装槽和胸鳍安装槽，背鳍12和胸鳍14分别安装在相应的安装槽内，设置背鳍12和胸鳍13，利于保持仿生机器鱼的平衡，使仿生机器鱼在移动过程中保持直立，避免其发生侧翻，提高其工作的可靠性。

如图2所示，头部1的内部设有容纳搭载模块的空腔15，空腔15的顶面和底面均为平面，空腔15的两侧面为弧形面。空腔15也为流线形结构，空腔15顶面和底面的平面结构有利于内部控制部件的布局设置，也有助于设置装配螺钉孔。

如图3所示，头部1与所述躯干部之间依次设置有密封圈16、防水垫17和防水盖板14，防水垫17的形状与头部1靠近躯干部的端面的形状一致，防水盖板14上设置有控制线引出孔和安装连接件的连接孔，防水盖板14通过紧定螺钉19安装在头部1的端面上，紧定螺钉19配有O型圈18。头部的密封圈、防水垫和防水盖板形成三道密封结构，从而使头部形成独立密封模块，控制装置、通讯装置、电源装置等均布置在在鱼体头部内，头部与后部鱼体结构的防水密封相互独立，有利于保证鱼头内部控制模块等的工作性能稳定，降低仿生鱼密封防水难度。防水盖板上的连接孔用于安装与后部鱼身连接的螺钉，也预留了控制线引出孔，在仿生鱼装配完成后只需在预留孔位置利用硅胶做简单防水处理即可保证鱼头模块的独立防水。

头部1具有细长的尖端结构11，可用于在仿生鱼游动时劈开鱼头前部的水流，减小其游动时受到的流体阻力，提升仿生机器鱼的游动速度和灵活性。

将尖端结构11与头部1的后部相连接的部分为过渡段，过渡段的上部和下部为弧形面，过渡段的两侧为对称布置的扁平面。过渡段的上部和下部为圆弧形流线型结构，左右脸颊为扁平面结构，进一步的减小前进的阻力。

躯干部包括鱼皮4和推进系统2，鱼皮4包裹在推进系统2的外部。

如图4所示，鱼皮4的整体形状为流线型结构，鱼皮4上沿其长轴线方向并列分布有多个沟槽，使鱼皮4形成柔性伸缩结构。鱼皮4采用硅胶皮制成，硅胶皮为柔性材料且具有弹性，使鱼皮4成为带有弹性的柔性伸缩结构。鱼皮4侧壁上的沟槽在鱼皮摆动时产生补偿作用，降低了鱼皮变形量，从而降低鱼皮变形对其摆动效果带来的影响。

鱼皮4的侧壁的纵向截面由多个V形结构依次连接构成，V形结构的凹陷处形成沟槽，相邻的两个V形结构的连接处形成波峰。V形结构使鱼皮4形成波纹管结构，加工工艺性好。

在仿生鱼鱼体呈自然伸展状态时，其两侧波纹管状鱼皮连续V形结构未受到拉力或压力的作用，呈现出设计时的结构尺寸。其初始结构尺寸为：V形结构的夹角为45°，V形结构形成的等腰三角形的两个腰的单边长度为8mm，相邻的波峰的距离约为6mm。

当仿生鱼鱼体摆动时，随着其摆动幅度的不断增大，鱼体圆弧逐渐增大侧的连续V形鱼皮被拉伸，V形变得比较扁平，当鱼体摆动到极限大圆弧状态时，V形结构拉伸量最大。此时，V形结构的夹角约为80°，相邻的V形结构波峰2的距离约为10.5mm。

同理，随着仿生鱼鱼体摆动幅度的不断增大，鱼体圆弧逐渐减小侧的连续V形鱼皮被压缩，V形变得更为狭小，当鱼体摆动到极限小圆弧状态时，V形结构压缩量最大。此时，V形结构夹角约为20°，相邻V形结构波峰2的距离约为2.5mm。

从上述鱼皮4的结构尺寸，我们可以得到V形结构鱼皮沟槽的深度约为7mm，相邻的波峰之间的距离约为6mm。若需要长度为L的一段鱼皮，则其V形槽的齿数n＝L/7。假设两侧鱼皮之间间距为a，则其拉伸后的极限状态可以达到夹角大小为θ＝4L/3a的一段同心圆圆弧。

如图5所示，推进系统2包括三个依次相连的推进单元，每个推进单元由内向外依次包括驱动装置23、驱动装置内支架24和驱动装置外支架22；驱动装置外支架22的一端连接到驱动装置23的输出轴上并随输出轴转动，驱动装置外支架22的另一端以可转动的方式连接到驱动装置内支架24上，驱动装置外支架22的中部与其后方的推进单元的驱动装置内支架24固定连接。

驱动装置23的输出轴纵向布置，在同一个推进单元中，所述驱动装置外支架22的两端同轴转动；在不同的推进单元之间，所述驱动装置外支架22的旋转轴相互平行。

相邻的推进单元之间设有圆盘形的骨架21。圆盘形骨架21分别与两侧的推进单元相连接，推进单元与圆盘形骨架21的接触面积较大，提高连接的可靠性；同时，圆盘形的骨架21与鱼皮4的内侧壁均匀接触，起到支撑作用，增强鱼皮4的抗压能力减小了其在水压下的鱼体变形量。

驱动装置内支架24的结构如图6所示，驱动装置内支架24包括U形的主体，主体的两端对称的设有第一安装板。驱动装置23的结构如图7所示，驱动装置23的两侧分别设有第二安装板，第一安装板和第二安装板一一对应的固定连接在一起，驱动装置内支架24的主体将驱动装置23上与输出轴相对的侧面罩住。

驱动装置外支架22的结构如图7所示，驱动装置外支架22包括两块横板和一块竖板，两块横板对称的安装在竖板的两端，其中一块横板与驱动装置23的输出轴相连接，另一块横板与驱动装置内支架24相连接。

驱动装置外支架22与驱动装置23之间以及驱动装置外支架22与其他的推进单元之间通过驱动装置内支架24进行连接，更加牢固可靠且便于连接件的安装；驱动装置内支架24还对驱动装置23形成一定的保护作用。驱动装置外支架22形成一个向一侧旋转90°的U形结构，竖板与其后方的推进单元连接，使整个推进系统的结构非常紧凑。

本仿生推进系统通过三个关节单元级联而成。单个关节的最大转动角度为正负90度。设关节级联数目为N(N>＝2)，则第N个关节相对第一个关节可达到的最大角度差为正负90*(N-1)。且各关节均可通过仿生推进算法进行控制。可控参数包括每个关节进行周期运动的幅度、周期、速度、各关节之间的角度相位差、各个关节的动态偏置角及静态偏置角度。

本实施例推进系统中，三个推进单元所包含的三个驱动装置1的输出轴处形成三个关节，与真实鱼体的躯干对比，模拟程度高，通过三个关节的配合协作运动能够实现前进、后退、左转、右转以及原地自传等运动。

如图9所示，尾部3包括尾鳍支架31和尾鳍33，尾鳍支架31一端与躯干部相连接，尾鳍支架31另一端安装有尾鳍33。尾鳍33的中部和两侧分别设有刚性的尾鳍夹板32，尾鳍夹板32同时与尾鳍支架31和尾鳍33相连接。

后端的尾鳍33可以选用一定厚度的橡胶板制成，尾鳍夹板32采用一定厚度的不锈钢制成，可降低仿生鱼的研制成本。尾鳍夹板32可以提高橡胶尾鳍的结构强度，使其在摆动时更加贴近真实鱼类的游动状态。在选定最佳尾鳍结构后可将尾鳍支架31、尾鳍夹板32设计为内部骨架结构，最后采用包胶处理，支撑外边美观的尾鳍结构。

如图9所示，本实施例中，尾鳍33的形状为带有弧形缺口的近似燕尾形的形状，但是本发明对于尾鳍33的形状不做限定，可以在不改变尾部3的结构的前提下随意改变尾鳍33的形状，用于研究尾鳍形状对仿生机器鱼推进效率的影响。

本实施例中，驱动装置23采用舵机，除去实施例所述的舵机外，本发明的驱动装置还可采用伺服电机、步进电机、直流电机等一切可控电机单元。

本实施例中鱼皮4的褶皱采用V形结构，此外，还可以采用U形褶皱或者其他形式的沟槽和褶皱。

本实施例中驱动装置内支架24的主体的U形架结构在实现其功能的前提下最为节省材料，减轻推进系统的重量，便于仿生鱼型机器人的内部搭载更多其他的工作模块。但是，本发明驱动装置内支架24的主体的形状并不限于实施例所述的形状，还可以设置为将驱动装置23的侧壁下部均罩住的凹槽状结构。驱动装置外支架22的形状也不限于实施例所述的形状，横板或者竖板均可以进行延伸。

本发明中，推进单元的数量并不限于实施例所述的三个，可以通过增加推进单元的数量来提高推进系统的推进力以及系统运动形式、形状的多变性；也可以通过减少推进单元的数量来适应简单环境下的运动。多个推进单元依次连接，最后部的推进单元相对于最前部的推进单元的旋转角度为各个关节的旋转角度的叠加值，可以实现灵活度高的运动，更真实的模拟鱼类游动时的摆动姿态。

本发明中，“前”、“后”仅仅是为了便于描述而采用的相对位置，以仿生机器鱼的头部为前方，尾部为后方进行描述，并不能理解为绝对位置而对本发明构成限制。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。