仿生机器鱼的制作方法

本实用新型涉及仿真机器人，具体涉及仿生机器鱼。

背景技术：

2016年是人工智能元年，谷歌的AlphaGo震惊世界。机器是人工智能技术的载体，由此，世界各地的研究所或者公司也推出多款机器人，从类人机器人，服务机器人到军方的战备机器人，可以说机器人行正如当年的移动互联网一样蓬勃火热发展。市面上的机器人多以工业机器人和服务机器人为主，这些机器人一般是按照特定的功能定制的，比如焊接机器人，扫地机器人等，要在这些机器人上做进一步修改升级就相当困难，基本上都要重新设计。而一般的机器人开发平台入门又比较高，而且基本都是大公司垄断，价格昂贵，一些小的企业或个人基本上不会考虑。那些小的机器人开发平台往往只提供一些开发板或开发模组，只适合用来学习或做简易的玩具。目前，急需一种开发简便、模块化程度高的机器人开发平台。在机器人开发平台中，运动处理是机器人运动的核心，如何从单一重复性的动作到智能化高仿真动作，都是目前研究领域的空白。

以往的机器鱼设计复杂，完成动作单一，仿生程度低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供仿生机器鱼，本实用新型运动控制灵活，机器人动作仿真程度高。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

仿生机器鱼，包括机器鱼,所述的机器鱼包括外壳、头部、鱼鳍、骨架、运动控制单元；所述的外壳包裹所述的骨架；所述的头部安装与所述外壳一端；所述的鱼鳍连接于外壳上；所述的骨架上安装有动作执行元件；所述的动作执行元件由运动控制单元控制，所述的头部、鱼鳍、骨架分别与所述的动作执行元件连接；所述的运动控制单元控制动作执行元件运动，带动所述的头部完成开合动作、转向动作，带动所述的鱼鳍完成摆动动作，带动所述的骨架尾部完成摆动动作。

进一步的，所述的机器鱼还包括沉浮装置；所述的沉浮装置包括沉浮控制器、水泵盒、压力罐；所述的水泵盒内设有水泵、阀体；所述的压力罐内设有水囊，所述的水囊与压力罐之间密封连接；所述的水囊与压力罐之间密封有气体；所述的水泵、阀体与沉浮控制器连接；所述的水泵与水囊通过管路连接；所述的水泵与压力罐之间的管路上设有阀体；所述的沉浮控制器控制水泵进水、控制阀体开关。

进一步的，所述的机器鱼还包括避障装置；所述的避障装置包括避障控制器、距离检测器、转向装置；所述的避障控制器与距离检测器、转向装置连接；所述的距离检测器检测水平平面内距离值并反馈给所述的避障控制器，所述的避障控制器根据距离值判断并控制转向装置转向。

进一步的，所述的骨架包括多个铰接在一起骨架关节；所述骨架关节包括一第一支撑部、一第二支撑部及一连接部，所述第一支撑部与第二支撑部相互平行，所述连接部的两端分别与所述第一支撑部及第二支撑部垂直连接；相邻两个骨架关节的两个第一支撑部上下叠置且通过竖向设置的销轴铰接，相邻两个骨架关节的两个第二支撑部上下叠置且通过竖向设置的销轴铰接。

进一步的，所述的外壳包括若干外壳关节；相邻两节所述的外壳关节中，靠近头部侧的外壳关节后端设有一凸起，所述凸起的厚度小于外壳关节的厚度，相邻两节外壳关节中远离头部侧的外壳关节的前端设有一凹槽，所述凸起收容于所述凹槽内，所述凸起的厚度小于所述凹槽的厚度使相邻两节外壳关节之间形成一间隙。

进一步的，所述每一外壳关节包括一壳体及至少一固定于所述壳体内壁上的加强结构，每一所述骨架关节与两所述外壳关节的加强结构固定连接并位于两所述外壳关节之间。

进一步的，所述的动作执行元件包括电机、绕线轮安装座、绕线轮；所述的绕线轮通过绕线轮安装座与电机连接；所述的电机转动带动所述的绕线轮转向；导线一端固定于绕线轮上，另一端固定于骨架或鱼鳍上；所述的动作执行元件还包括动力舵机、转向舵机、辅助舵机；所述的动力舵机与所述的骨架尾部连接；所述的转向舵机所述的骨架头部连接；所述的辅助舵机与鱼鳍连接。

进一步的，所述的机器鱼还包括导线装置；所述的导线装置包括出线导轮、过线导轮；所述的出线导轮安装于动作执行元件出导线位置的骨架上，所述的过线导轮安装于非动作执行元件出导线位置的骨架上。

进一步的，所述的鱼鳍包括一鱼鳍骨架、一鱼鳍外壳；所述鱼鳍外壳包覆于所述鱼鳍骨架；所述鱼鳍骨架包括一基板，所述基板设有至少一凹槽；所述鱼鳍骨架还包括若干限位结构，所述限位结构从所述基板延伸而出，所述限位结构限制所述凹槽的弯折程度。

本实用新型的有益效果是:本实用新型提供仿生机器鱼，包括机器鱼，所述的机器鱼包括外壳、头部、鱼鳍、骨架、运动控制单元；所述的外壳包裹所述的骨架；所述的头部安装与所述外壳一端；所述的鱼鳍连接于外壳上；所述的骨架上安装有动作执行元件；所述的动作执行元件由运动控制单元控制，所述的头部、鱼鳍、骨架分别与所述的动作执行元件连接；所述的运动控制单元控制动作执行元件运动，带动所述的头部完成开合动作、转向动作，带动所述的鱼鳍完成摆动动作，带动所述的骨架尾部完成摆动动作。本实用新型运动控制灵活，控制精准度高，极大的提高了仿生机器鱼动作的仿真程度。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型的仿生机器鱼立体分解示意图；

图2是本实用新型的仿生机器鱼外壳内部结构示意图；

图3是本实用新型的仿生机器鱼骨架上沉浮装置结构示意图；

图4是本实用新型的水泵盒内部结构示意图；

图5是本实用新型的沉浮装置原理示意图；

图6是本实用新型的沉浮装置管路示意图；

图7是本实用新型的动作执行元件结构分解示意图；

图8是本实用新型的导向装置与骨架关节装配示意图；

图9是本实用新型的导向装置结构示意图；

图10是本实用新型的避障装置避障原理示意图；

图11是本实用新型的仿生机器鱼转向原理示意图；

图12为所述仿生机器鱼鱼身结构的右半边外壳的一立体图。

图13为图12所示仿生机器鱼鱼身结构的右半边外壳的另一角度的立体图。

图14为仿生机器鱼鱼身结构的一外壳关节的通用外壳的一立体图。

图15为仿生机器鱼鱼身结构的一外壳关节的鱼鳍处外壳的一立体图。

图16为仿生机器鱼鱼身结构的一外壳关节的配合型外壳的一立体图。

图17为仿生机器鱼鱼身结构的一外壳关节与对应骨架关节的装配图。

图18为仿生机器鱼鱼身结构的一节完整的装配图。

图19为仿生机器鱼鱼身结构的相邻两节外壳的立体图。

图20是本实用新型的一种仿生机器鱼交互系统流程示意图；

图中标号：1、外壳；10、外壳关节；10a、通用外壳；10b、鱼鳍处外壳；10c、配合外壳；11、壳体；12、加强结构；121、连接孔；122、固定孔；123、镂空；13、键；14、安装孔；15、前置外壳；151、凸起；16、后置外壳；161、凹槽；2、头部；21、下颚；22、距离检测器；23、检测区域；3、尾部；4、仿生鱼鳍；41、鱼鳍骨架；5、骨架；511、第一支撑部；512、第二支撑部；513、连接部；6、动作执行元件；60、动力舵机；61、绕线轮安装座；62、绕线轮；63、转向舵机；64、辅助舵机；7、沉浮装置；71、水泵盒；72、压力罐；711、水泵；712、压力传感器；713、阀体；721、水囊；722、气体；81、出线导轮；82、过线导轮；83、导线；100、机器鱼。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

参照图1-20所示，仿生机器鱼，如图1所示，为机器鱼100结构分解示意图，机器鱼100包括外壳1、头部2、尾部3、仿生鱼鳍4、骨架5，如图2所示，骨架5上安装有动作执行元件6，包括动力舵机60、转向舵机63、辅助舵机64，骨架5中部与尾部各安装有一动力舵机60；所述的转向舵机63响应运动控制单元发出的方向指令；所述的动力舵机60响应运动控制单元发出的前进指令。骨架5还安装有4台辅助舵机64；4台辅助舵机64呈前后各一对仿生鱼鳍4对称布置；所述的辅助舵机64连接仿生鱼鳍4；如图6所示，机器鱼100转向时，单侧辅助舵机64运动带动单侧仿生鱼鳍4运动，如机器鱼100向右转向时，左侧辅助舵机64运动带动左侧仿生鱼鳍4运动，完成辅助向右转向；向左转向原理同上。同时，仿生鱼鳍4还作为辅助动力舵机，当机器鱼100不执行转向运动时，两侧辅助舵机64带动两侧仿生鱼鳍4运动，运动方式为同步游动与异步游动。

下面结合图3-图6详细说明沉浮装置7的沉浮控制：

如图3、图4所示，沉浮装置7，包括沉浮控制器、水泵盒71、压力罐72，水泵盒71内设有水泵711、阀体713；压力罐72内设有水囊721，水囊721与压力罐72之间密封连接；水囊721与压力罐72之间密封有气体722；水泵711、阀体713与沉浮控制器连接；水泵711与水囊721通过管路连接；水泵711与压力罐72之间的管路上设有阀体713；如图2所示，沉浮控制器安装于水泵盒71内；沉浮控制器控制水泵711进水、控制阀体713开关。

优选地，阀体713为电磁单向阀。

优选地，压力罐72的数量为2个以上。阀体713的数量为压力罐72的数量的两倍。

优选地，水泵盒71还设有流量计；流量计一端通过管路与水泵711连接，另一端通过管路与外界水域连通；流量计与沉浮控制器电连接。

优选地水泵盒71还设有压力传感器712；压力传感器712由沉浮控制器控制。

水泵盒71和两个压力罐72通过连接管路组成整个沉浮系统，水泵盒71里装有沉浮控制器，通过骨架5上设有的深度传感器检测机器鱼100当前所在的深度和实际设置的深度来调节两个储水罐的充放水，改变机器鱼100的重力和浮力的关系，实现机器鱼100在水中的上浮和下潜。

沉浮控制流程如下：深度传感器先检测当前深度值，然后跟主控板发送过来的设置深度值比较，当设置深度比当前深度值小时，阀体73开启，压力罐72中气体722压力大于水囊721中水压，水囊721中水被挤出，机器鱼100上浮，并每隔0.2s检测机器鱼100上浮的速度，当上浮速度小于1cm/s，继续排水，浮力慢慢比重力大，上浮速度逐渐加大，当上浮深度值等于1cm/s时，阀体73关闭，水囊721停止排水。当上浮速度大于1cm/s时，水泵711开启，水囊721进水，重力逐渐大于浮力，上浮速度减慢，控制机器鱼100以1cm/s的速度上浮，在没有到达设定深度时，水囊721动态充放水，以接近1cm/s的上浮速度上浮到设定深度。到达设定深度后，检测当前的速度，若当前上浮速度值大于0.1cm/s,水囊721进水，若下沉速度大于0.1cm/s,水囊721放水，动态调节，让机器鱼100稳定在设置深度值附近；当设置深度比当前深度值大时，水泵711开启，阀体73开启，水囊721进水，重力大于浮力，机器鱼100下沉，每隔200ms检测下沉的深度，当下沉的速度大于2cm/s时出水阀开启，水囊721排水，当下沉速度等于2cm/s，水泵711关闭，阀体73关闭，机器鱼100以约2cm/s的速度下沉，到达设定深度附近，水囊721开始动态充放水，控制上浮速度和下沉速度都在0.1cm/s，让机器鱼100悬浮在设置深度附近。

如图3所示，一种优选的方案，浮沉装置安装与骨架5上，水泵盒71安装与骨架5中部。骨架5上设有2个压力罐72，分别位于骨架5尾段与骨架5头段。并配备一个高压大流量的水泵711，通过快速改变压力罐72中水囊721内水的多少，调节机器鱼100身体的重力和浮力之间的关系，实现机器鱼100上浮下潜的运动。当水囊721充水，机器鱼100身体的重力大机器鱼100浮力，机器鱼100依靠重力的作用下沉，差别越大，加速度越大。当水囊721排水时，浮力大于重力，机器鱼100依靠浮力的作用上浮。当重力和浮力相等且机器鱼100的速度等于0时，机器鱼100可自由悬浮在水中。在实际的控制过程中，通过水深传感器检测机器鱼100当前所在的深度，通过当前深度和设置的深度比较，当设置深度大于当前深度时，沉浮控制器打开水泵711和阀体73，对水囊721加水，让机器鱼100身重力大机器鱼100浮力，实现下潜，在下潜的过程中实时检测下沉的速度，当下潜过快时沉浮控制器控制水泵711放水，控制机器鱼100身的下潜速度，当机器鱼100下潜到设定位置附近时，水泵711通过不停地充放水，让机器鱼100在设定深度附近上下小幅波动，实现机器鱼100悬浮在水中某一深度。当设定的深度小于当前深度时，沉浮控制器控制水泵711放水，上浮到设定深度，然后悬浮在该深度附近。

采用双罐控制的原因是为了让机器鱼100在水中上浮下沉的姿态更加逼真。上浮时机器鱼100头部附近的压力罐72先放水，让头部先浮上来，当机器鱼100头上浮的角度达到预先设定的角度时，尾段压力罐72开始放水，机器鱼100尾跟着浮起来，给人感觉上浮时，机器鱼100头先抬起来，慢慢游上来，上浮过程形象逼真。下沉时也是机器鱼100头段压力罐72先进水，机器鱼100头先下沉，接着尾段压力罐72进水，机器鱼100尾部跟着下沉，整体下沉过程形象逼真。

如图3、图4、图5所示，机器鱼100骨架上前后两个压力罐72，骨架中间装设有水泵盒71，水泵711和控制流向的阀体73都装在水泵盒71里密封，水泵711和通过两根管路与两压力罐72连接，中间一根短管与外界水域连通，短管作为水泵711进水口。沉浮是通过两个压力罐72内的水囊721体积大小来控制的。压力罐72内装有一个水囊721，水囊721和压力罐72外壁间密封有一定压力的气体722，水泵711将外界水泵入压力罐72后水囊721体积增大，压缩周围气体722，使得机器鱼100整体浮力减小。排水过程通过压力罐72内压缩气体722的压力将水挤出压力罐72，增加浮力。压力罐72内气体722的压力是可调节的，以便适应不同的水域，例如在10M水深的环境中，压力罐72内气压需要0.15～0.2MP方能将管内水体挤出，在20M深的环境下压力罐72内气体需要0.2～0.3MP。

管路循环如图6所示，压力罐72分为水罐A、水罐B，阀体73设有4个，分别为阀a、阀b、阀c、阀d，在两条回路上各设有一个流量计，在给水罐A进水的阶段，阀a、阀b、阀d均关闭、阀c打开，在水泵711的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵711、阀3进入水罐A。水罐A放水过程中，关闭阀b、阀c、阀d并打开阀a，水罐A中的水在罐内气压的作用下排出，并通过流量计排入外部水域。B罐的进水、排水同理。当水罐A进水、水罐B排水同时进行，关闭阀a、阀d，打开阀b、阀c，在水泵711的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵711、阀c进入水罐A；水罐A排水、水罐B进水同理；水罐A、水罐B同时进水时，关闭阀a、阀b，打开阀c、阀d，在水泵711的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵711、阀c、阀d进入水罐A、水罐B；水罐A、水罐B同时排水时，关闭阀c、阀d，打开阀a、阀b，水罐A、水罐B中的水在罐内气压的作用下排出，并通过流量计排入外部水域。

结合图7-图11详细说明机器鱼100避障装置：

优选地，如图1所示，机器鱼100头部2内还设有开合机构，所述的开合机构内设有压力传感器。一种优选方案为，压力传感器设于开合机构的牙齿内，开合机构闭合时压力传感器感受不到压力变化，当开合机构咬住物体时，压力传感器感受到压力变化，反馈给避障控制器，避障控制器控制开合机构打开，松开物体，以免影响避障装置工作。

如图4、图6、图7、图11所示，转向装置包括转向舵机63、导线83，所述的转向舵机63安装于骨架5上，所述的动作执行元件6包括电机、绕线轮安装座61、绕线轮62，所述的导线83一端与绕线轮62固定并缠绕与绕线轮62上，所述的导线83另一端固定于骨架5前部。组装所述绕线轮62时，一导线83穿过线孔，可减小所述导线83的磨损。使用所述绕线轮62时，当转向动作执行元件63转轴带动所述绕线轮62旋转时，一侧旋入拉紧，一侧旋出处于松弛状态，使机器鱼100转弯，实现鱼身的左右摆动，效果逼真。

如图9所示，所述的转向装置还包括导线轮，所述的导线轮包括出线导轮81、过线导轮82；所述的出线导轮81安装于转向动作执行元件63出导线83位置的骨架5上，所述的过线导轮82安装于非转向动作执行元件63出导线83位置的骨架5上。优选地，所述的导线83分为动力导线与转向导线。

所述的水下避障装置与机器鱼100动力装置连接，所述的机器鱼100动力装置包括动力舵机60。所述的机器鱼100动力装置还包括动力导线、导线轮；所述的动力导线一端固定于动力舵机60，另一端固定于骨架5尾部；所述的导线轮包括出线导轮81、过线导轮82；所述的出线导轮81安装于动力动作执行元件60出动力导线位置的骨架5上，所述的过线导轮82安装于非动力舵机60出动力导线位置的骨架5上。如图3所示，机器鱼100中部，尾部各设有一动力动作执行元件60，动力动作执行元件60转轴带动所述绕线轮62旋转时，一侧旋入拉紧，一侧旋出处于松弛状态，使机器鱼100尾部摆动，实现机器鱼100前进，效果逼真。

如图10所示，所述的距离检测器22为声呐传感器或超声波传感器或红外线传感器。优选地，声呐传感器的数量为2个以上，两个所述的声呐传感器分别安装于下颚21底面两侧；声呐传感器是一种专门应用在水中测距用的传感器，声呐信号在水中传播不容易衰减，信号的稳定性好。两个声呐传感器安装在下颚21的下方，两个声呐的夹角约20度，形成两个检测区域23，分别用来检测左前方和右前方的距离变化。仿真机器游动时，避障控制器间歇式控制声呐传感器发射声呐信号，并实时接收声呐的返回信号，优选地，发射声呐信号发射间隔设为10hz-50hz，通过计算声呐发射后接收的时间差和声呐在水中的传输速度，即可算出仿真机器1和障碍物之间的距离，声呐从发射到收到反射信号这段时间就是声呐一个来回的时间，这个时间与声呐在水中传输速度的乘积结果除以2就是实际的距离值。避障控制器实时判断距离的变化，提前控制仿真机器1的左转或者右转，实现避开障碍物的功能。

优选地，一种避障装置的控制方法流程如下：

距离检测初始化，测试距离检测器工作是否正常；距离值设定，设定警戒距离值；距离值检测，检测水下避障装置当前两侧距离值；两侧距离比较，比较当前两侧距离值大小；距离值比较，比较两侧距离值中较小则与警戒距离值；转向舵机转向，根据距离值比较判断转向方向。

优先地，避障装置的控制方法还包括：速度值设定，设定最大避障速度；速度检测，检测当前前进速度；速度比较，比较当前速度与最大避障速度大小。根据所述的速度比较，调节转向舵机转向幅度。

优选地，所述的水下避障装置的控制方法还包括压力检测，检测水下避障装置有无缠绕障碍物。

优选地，两侧距离比较后，左侧距离值小，比较左侧距离值与警戒距离值2m；左侧距离值小于等于警戒距离值2m，转向舵机63向右旋转；左侧距离值大于警戒距离值2m，转向舵机63不工作；所述的两侧距离比较后，右侧距离值小，比较右侧距离值与警戒距离值2m；右侧距离值小于等于警戒距离值2m，转向舵机63向左旋转；右侧距离值大于警戒距离值2m，转向舵机63不工作；所述的两侧距离比较后，所述的两侧距离相等，比较两侧距离值与警戒距离值2m；右侧距离值小于等于警戒距离值2m，随机旋转方向，转向舵机63按随机旋转方向旋转；两侧距离值大于警戒距离值2m，转向舵机63不工作。当两侧距离值小于等于警戒距离值2m时，检测当前前进速度，当前前进速度大于最大避障速度，降低动力动作执行元件60转速同时增大转向舵机转向幅度。

如图1、图12、图13所示，为本实用新型的机器鱼100鱼身结构，包括一外壳1及一骨架5。为了方便对所述机器鱼100鱼身结构进行描述，首先建立一直角坐标系，并规定X方向沿鱼前进的方向并且为水平方向，Y方向与X方向垂直且为水平方向，Z方向为竖直方向，鱼沿着Z方向上升或下潜。

所述外壳1在Y方向上为左右对称的结构，现以右半边外壳为例对所述外壳1进行描述。所述外壳1沿X方向包括若干外壳关节10，由于所述外壳1的整体形状是根据古生物的外形进行设计的，所以沿X方向的不同位置处的外壳关节10的形状与结构是不同的，可以分为通用外壳10a、鱼鳍处外壳10b、配合型外壳10c三种。现以通用外壳10a为例，对所述外壳关节10的结构进行具体描述。

如图14所示，为所述外壳关节10的一通用外壳10a结构示意图。所述通用外壳10a包括一壳体11及设置于所述壳体11内壁上的一加强结构12，所述加强结构12与所述壳体11一体成型，或者所述加强结构12焊接于所述壳体11上。所述加强结构12沿Y方向设有一连接孔121及一固定孔122，所述连接孔121贯穿所述加强结构12及壳体11。所述加强结构12沿X方向设有一镂空123，所述镂空123内安放有浮子用来调整机器鱼的浮态。所述通用外壳10a结构包括两个加强结构12，分别位于所述壳体11内壁的上下两端。所述壳体11的上下边缘均设有一键13，与之对称的左侧壳体11的相应位置处设有一与所述键13匹配的槽(图未示)。

如图15所示，为所述外壳关节10的一鱼鳍处外壳10b结构示意图。该鱼鳍处外壳10b与上述通用外壳10a的区别在于，其壳体11的下端没有设置所述加强结构12，而是设有一安装孔14，所述安装孔14用来安装鱼鳍，如图1所示。

如图16所示，为所述外壳关节10的一配合型外壳10c结构示意图。该配合型外壳10c与上述通用外壳10a的区别在于，其仅在壳体11内壁上端设置了加强结构12。

如图17所示，所述骨架5包括多个铰接在一起以形成该骨架5的骨架关节51。所述骨架关节51呈U型，包括呈片状且水平设置的第一支撑部511，与第一支撑部511平行且呈片状的第二支撑部512以及两端分别与所述第一支撑部511及第二支撑部512垂直连接的连接部513。所述骨架关节51还包括至少一限位件和至少一连接轴，所述限位件与所述第一支撑部511或第二支撑部512之间通过螺纹固定连接，所述限位件上设有一限位孔，所述连接轴插置于所述限位孔内。所述连接部513在靠近所述第一支撑部511的端部开设有一过口，相邻的两个骨架关节51的其中一个骨架关节51中的第一支撑部511插入另一个骨架关节51的连接部513上的过口内，并且两个第一支撑部511相抵靠并通过竖直方向设置的销轴铰接，相邻的两个骨架关节51的第二支撑部512上下分布并相互抵触且通过竖直方向设置的销轴铰接，这样就实现了相邻的两个骨架关节51之间的铰接连接，并且相邻的两个骨架关节51以它们之间的销轴为转轴左右摆动。

如图8、图18所示，所述外壳关节10与对应的骨架关节51之间的装配方式为：所述加强结构12上的固定孔122设有内螺纹，所述连接轴设有外螺纹，所述连接轴插入所述固定孔122内，并通过螺纹将所述外壳关节10与对应的骨架关节51固定连接。左右两个对称的外壳关节10之间通过键槽结构紧密连接，所述加强结构12上的连接孔121设有内螺纹，一设有外螺纹的螺钉(图未示)穿过两对称的外壳关节10上的连接孔121，并通过螺纹将左右对称关节10固定连接，使左右两个外壳关节10形成一个环形整体，保证外观的完整性，同时形成一个完整的刚性外壳。所述外壳关节10与对应的骨架关节51之间的装配方式可以有效地保证所述外壳关节10在运动过程中与其对应的骨架关节51保持相对静止，并随所述骨架关节51左右摆动而摆动。

如图19所示，为了便于描述相邻两节外壳关节10之间的装配关系，将相邻两节外壳关节10中靠近鱼头的一节称为前置外壳15，靠近鱼尾的一节称为后置外壳16。所述前置外壳15的后端设有一凸起151，所述凸起151的厚度小于所述前置外壳15的厚度。所述后置外壳16的前端设有一凹槽161，所述凸起151收容于所述凹槽161内，所述凸起151的厚度小于所述凹槽161的厚度使所述前置外壳15与后置外壳16之间形成一间隙。所述凸起151与凹槽161同时设于所述外壳关节10的内壁或同时设于所述外壳关节10的外壁。在本实施例中，所述凸起151设置于所述前置外壳15的内壁，所述凹槽161设置于所述后置外壳16的内壁。所述前置外壳15与后置外壳16分别固定安装于对应的骨架关节51上，由于所述前置外壳15与后置外壳16之间形成一间隙，这样当相邻的骨架关节51左右摆动时，所述前置外壳15与所述后置外壳16随之相对错动，这样多节外壳关节10相互配合就能形成鱼身整体左右摆动的运动效果。

优选地，鱼鳍4包括一鱼鳍骨架41及一鱼鳍外壳。

所述鱼鳍骨架41为聚丙烯薄板。所述鱼鳍骨架41包括连接板及一基板。所述连接板与所述基板一体成型，所述基板设有两凹槽。所述凹槽的延伸方向与所述鱼身的长度方向垂直。在所述连接板上设有一盲孔，所述盲孔孔径方向与所述凹槽延伸方向垂直。所述鱼鳍骨架41通过所述盲孔与所述机器鱼鱼身的骨架相连。所述鱼鳍骨架41还包括六个限位结构。所述限位结构从所述基板延伸而出，每一所述限位结构均包括两限位单元。所述两限位单元之间形成一间隙，所述间隙位于所述凹槽中央。当所述凹槽发生弯折时，每一所述限位结构的两所述限位单元相抵触，限制所述凹槽的弯折程度，防止所述鱼鳍4在所述凹槽处折断。所述鱼鳍骨架41上还包括若干加强筋，增强所述鱼鳍骨架41的强度。优选的，所述加强筋延伸方向与所述凹槽的延伸方向垂直。所述鱼鳍骨架41上还设有若干通孔15，减轻所述鱼鳍骨架41的重量。

所述鱼鳍外壳为一端开口，另一端封闭的壳体。所述鱼鳍外壳包括一连接部，所述连接部呈波纹管状，便于与机器鱼鱼身相连。

所述鱼鳍外壳包覆于所述鱼鳍骨架41。所述鱼鳍骨架41的外侧边缘与所述鱼鳍外壳的内壁抵触，支撑所述鱼鳍外壳的外形。所述鱼鳍4对称安装于所述机器鱼鱼身上，作为前鳍及后鳍，控制机器鱼的上浮下潜及行进方向。所述连接部套接于所述机器鱼鱼身，所述鱼鳍骨架41通过所述盲孔与一伺服电机的输出轴相连，在所述伺服电机的驱动下，所述鱼鳍骨架41前后摆动，控制机器鱼的行进方向、上浮下潜及行进速度。由于所述凹槽处薄板厚度比所述本体122的薄板厚度小，所述仿真鱼鳍运动时受水流冲击在所述凹陷121处发生弯折，配合所述伺服电机的驱动，实现所述鱼鳍4模拟鱼鳍的摆动。

优选地，机器鱼100内设有的传感器包括陀螺仪传感器、加速度传感器、距离传感器、角度传感器、湿度传感器、温度传感器、水压传感器、电流传感器、霍尔传感器；所述的陀螺仪传感器感应机器鱼位姿信息反馈至运动控制单元；所述的加速度传感器感应机器鱼运动加速度信息反馈至运动控制单元；所述的距离传感器包括红外测距传感器、超声波测距传感器、声呐测距传感器；所述的距离传感器感应机器鱼与外界环境的距离信息反馈至运动控制单元；所述的角度传感器感应舵机旋转角度信息反馈至运动控制单元；所述的湿度传感器感应舵机内湿度信息反馈至运动控制单元；所述的温度传感器感应舵机内温度信息反馈至运动控制单元；所述的水压传感器感应沉浮动作单元内水压信息反馈至运动控制单元；所述的电流传感器感应舵机中相电流信息反馈至运动控制单元；所述的霍尔传感器感应舵机内电机转子位置信息反馈至运动控制单元。声呐传感器是一种专门应用在水中测距用的传感器，声呐信号在水中传播不容易衰减，信号的稳定性好。在应用中把两个声呐传感器安装在鱼头的下方，两个声呐的夹角约20度，分别用来检测左前方和右前方的距离变化。机器鱼游动时，运动控制单元间歇式控制声呐传感器发射声呐信号，并实时接收声呐的返回信号，通过计算声呐发射后接收的时间差和声呐在水中的传输速度，即可算出机器鱼和障碍物之间的距离，声呐从发射到收到反射信号这段时间就是声呐一个来回的时间，这个时间与声呐在水中传输速度的乘积结果除以2就是实际的距离值。运动控制单元实时判断距离的变化，提前控制机器鱼100的左转或者右转，实现避开障碍物的功能。陀螺仪传感器,加速度传感器,水压传感器,配合两个方向的声纳测距(前方和下方),可以实时检测机器鱼100运动姿态和规划运动路径。流量计用来计量储水罐的进水量和出水量,液位计用来检测机器鱼在水池中的深度,水压传感器用来检测储水罐中的蓄水量。机器鱼100身体两侧各安装若干个可见光感应器,感应器可以检测光照强度，机器鱼通过对比两侧光强，控制前进方向,实现趋光或避光运动。机器鱼身体安装激光接收器,用于接收经过特殊调制的激光束，用户使用激光笔照射不同接收器可以触发机器鱼作出对应的动作；机器鱼100的某些运动部位有可能接触或伤害到人和其他动物,在这些部位加入了压力传感器和微动开关,可以防止意外事故的发生；电流传感器检测舵机内无刷电机的相电流，霍尔传感器舵机内无刷电机转子的位置，温度传感器检测电机模块温度，湿度传感器检测舵机内电机是否进水,磁角度传感器检测舵机内电机旋转角度。

优选地，传感器通信采用总线通信协议进行传输。传感器中定义一个数据结构体struct{data1；data2；data3；data4；data5；data6；data7；data8}；数据结构体里面有8个字节的数据分别为传感数值A+传感数值B+故障位+优先权位+指令+预留位A+传感预留位B+传感预留位C，在不同的传感单元中，每个字节所表示的意义也有所不同：

(1)声呐传感器：data1字节表示声呐测量的距离；data2字节表示声呐的电流；data3字节表示声呐模块的故障信息；data4表示声呐模块的ID；data5表示命令，data6，data7，data8预留。

(2)视频传感器：data1字节表示图像的颜色；data2字节表示图像的亮度；data3字节表示视频模块的故障信息；data4表示视频模块的ID；data5表示命令，data6，data7，data8预留。

(3)超声波测距传感器：data1字节表示实测距离的高8位；data2字节表示表示实测距离的低8位；data3字节表示超声波模块的故障信息；data4表示超声波模块的ID；data5表示命令，data6，data7，data8预留。

(4)红外测距传感器：data1字节表示实测距离的高8位；data2字节表示表示实测距离的低8位；data3字节表示红外模块的故障信息；data4表示红外模块的ID；data5表示命令，data6，data7，data8预留。

(5)温湿度检测传感器：data1字节表示测量温度值；data2字节表示表示测量湿度值；data3字节表示温湿度模块的故障信息；data4表示温湿度模块的ID；data5表示命令，data6，data7，data8预留。

优选地，运动控制单元包含动作响应方法、运动通信方法，所述的动作响应方法包含用户动作响应、自由动作响应；所述的用户动作响应用于响应用户侧定义的动作指令；所述的自由动作响应用于响应机器鱼空闲状态自由动作指令；所述的运动通信采用总线通信协议进行传输；所述的运动通信包括指令发送、指令接收；所述的指令接收用于接收所述的动作指令；所述的指令发送以动作指令格式发送。

优选地，所述的用户动作响应包含以下步骤：变量初始化，解析动作指令(动作类型判断、动作状态判断、发送动作指令、执行动作指令、动作同步判断、动作超时判断、动作循环判断)判断是否是实时测试动作，根据分类，对待解析动作结构体指针赋予不同的指针值。接下来一步步解析动作，根据动作类型，超时，动作重复次数，每个动作状态的同步位，动作控制模式等，设定舵机角度，舵机速度等，执行完一次动作解析后，将会判断动作类型，释放信号量，告诉运动控制单元可以开始继续运行，更新机器鱼状态，错误判断并删除动作指令。

优选地，所述的自由动作响应流程如下：首先，优先级上，情景模式这种特殊情况优先级最高，检测传感单元数据，综合判断，符合某一情景模式的话，将直接执行该情景模式设置的动作命令，当没有符合的情景模式时，先去判断传感单元值，进行避障操作，如果不需要避障，则判断当前机器鱼状态，执行相应的动作，如果为自由状态，则首先生成在动作指令数量范围内的随机数，同时计算随机数执行概率来决定是否执行该动作，到达出现次数后，执行对应随机数的命令。

运动通信包括数据发送、数据接收，运动通信以动作指令数据包传输，如表1所示，动作指令数据包格式为帧头+机器代号+指令类型+数据长度+子命令+子命令数据+校验帧+帧尾。

表1

用户端数据包格式说明：

(1)帧头，用两个字节表示,分别是0xfe、0xef；

(2)机器代号，不同的设备，定义不同的代号来区分；

(3)指令类型，用于表示这个数据包所要执行的功能，可以自行定义；

(4)数据长度，除去帧头，帧尾四个字节后的数据长度；

(5)子命令，指令类型下面的子命令类，即二级命令；

(6)子数据，传输的用户端数据；

(7)校验帧，采用CRC校验，帧头后到CRC校验值前的数据经CRC计算后的结果值。

(8)帧尾，用两个字节表示,分别是0xfd、0xdf。

优选地，数据发送根据用户侧的发送请求，按照动作指令数据格式将数据组成一串数据包，并把该串数据包通过无线发送出去，等待应答标志接收，开启等待应答超时计数。若超时计数完成未收到应答标志或者收到的应答标志错误则重新发送数据，若接收应答标志正确，且未超时，则结束本次发送。

数据接收端接收到第一个字节后判断该字节是否是0xfe，如果是则继续接收第二个字节，判断第二个字节是0xef，帧头正确，开始保存后面收到的有效数据，并记录接收的数据长度。当接收到的数据是0xfd，且下一个收到的数据是0xdf时，表示收到帧尾，该数据包结束，比较数据包里的长度值和接收记录的长度值是否相等，如果不相等，说明数据在发送过程中有丢失，该数据包的数据有误，不能使用。如果两者长度相等则表明数据包长度正确，再通过CRC计算校验值，把计算的校验值和数据包里的CRC校验值对比，若相等，说明数据正确，若不等，说明数据在发送过程中由于其他原因出错，该数据包不可用，请求重新发送。若收到的数据经过检验正确则返回正确的应答标志，反之返回错误的应答标志，请求发送端重新发送数据，确保每一次通信的数据都是正确的。

表2中为指令类型。

表2

表3中为子命令类型。

表3

优选地，动作数据包中定义一个数据结构体struct{data1；data2；data3；data4；data5；data6；data7；data8}；数据结构体里面有8个字节的数据分别为动作执行数值A+动作执行数值B+动作执行数值C+优先权位+故障位+指令+动作执行预留位A+动作执行预留位B，在不同的动作执行元件中，每个字节所表示的意义也有所不同：

(1)舵机执行模块：data1表示舵机的角度；data2表示舵机的速度；data3表示舵机的电流；data4表示舵机模块的ID；data5表示命令，data6表示舵机的故障信息，data7，data8预留。

(2)伺服电机执行模块：data1表示伺服电机的角度；data2表示伺服电机的速度；data3表示伺服电机的电流；data4表示伺服电机模块ID；data5表示命令，data6表示伺服电机的故障信息，data7，data8预留。

(3)步进电机模块：data1表示步进电机的角度；data2表示步进电机的速度；data3表示步进电机的电流；data4表示步进电机模块的ID；data5表示命令，data6表示步进电机的故障信息，data7，data8预留。

下以如图3所示的一种机器鱼为例，前进动作指令代码如下：

FE FF 00 06 45 00 32 00 00 BF FB 00 00 00 00 40 00 02 00 02 00 00 00 03 00 18 00 03 00 40 0D 07 00 00 00 01 50 3C 00 02 3C 32 00 03 1E 14 00 03 00 18 00 03 00 40 0D 07 00 00 00 01 50 C4 FF 02 3C CE FF 03 1E EC FF 00 00 00 DA F3 9A 40 FD DF

这条命令通过控制机器鱼100鱼头方向舵机63以速度30，角度范围-20度至20度，机器鱼100鱼身动力舵机60以速度60，角度范围-50度至50度，机器鱼100鱼尾动力舵机60以速度80，角度范围-60度至60度的设定进行摆动实现游行前进。

在总线空闲时，所有的动作执行元件都可以发送数据，最先访问的先获得控制权。在总线协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的动作执行元件都可以开始发送新消息。两个以上的动作执行元件同时开始发送消息时，根据标识符ID决定优先级。ID并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜(被判定为优先级最高)的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。当多个动作执行元件同时发送信息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜(被判定为优先级最高)的动作执行元件可继续发送反馈信息给主控模块，仲裁失利的动作执行元件则立刻停止发送而进入接收状态。

总线可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线等)。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。

通信时主动作执行元件按结构体定义的数据包，通过总线的通信方式，把数据传输至总线上，挂载在总线上的从动作执行元件的总线过滤器会自动识别该数据帧里包含的ID非主动作执行元件，该数据包会被过滤掉，不再接收后面的数据。如果过滤器识别出该帧数据ID是本主动作执行元件，则接收整帧数据，解析数据包里的命令功能，从动作执行元件根据命令码和数据执行相应的动作，并把反馈信息需要反馈给用户侧。

优选地，用户动作响应方式包括单一动作响应、连续动作响应；具体形式命令码的格式，如表4所示：

表4

优选地，连续动作响应时，用户侧想要生成需要的各种动作组合，可以在工作控制窗口选中上面建立的命令码中的某几个组成一个动作组，同样可以选中多个动作组形成相应的组合命令码。组合命令码生成后你可以点击测试按钮，测试你生成的动作有没有达到你预想的效果，如果不符合，还可以调整上面的参数，直到达到你的要求为止。创建传感器与动作组联系起来，当传感器的值符合设定的阈值范围时，便执行相应的动作组命令码。当用户生成一条符合要求的组合命令码时要及时命名并保存到本地数据库，同时下载其他用户动作组命令码更新至本用户的机器鱼硬件平台，而命令码的翻译工作在硬件系统中进行。用户也可以选择将组合命令码上传到云服务器上共享或出售。

优选地，交互系统包括，第一检测模块、语音模块、第一判断模块、邀请模块、第二判断模块和互动模块，主要工作流程如下：

所述第一检测模块，检测工作信号；

优选地，所述工作信号包括：人体信号、语音信号和无线电信号。

所述语音模块，当检测模块到所述工作信号时，发出问候语音；

优选地，发出问候语音，具体包括：根据不同的节日和一天中的不同时段，发出不同的问候语音。

具体的，根据一天中的不同时段发出不同的语音，包括：早上好、下午好、晚上好等。

所述第一判断模块，判断是否接收到与所述问候语音对应的回复语音；

所述邀请模块，当接收到与所述问候语音对应的回复语音时，发出邀请语音；

所述第二判断模块，判断是否接收到与所述邀请语音对应的互动语音；

所述互动模块，当接收到与所述邀请语音对应的互动语音时，根据所述互动语音进入对应的互动状态。

优选地，所述互动状态包括：聊天状态、表演状态和游戏状态等。

优选地，所述互动状态还包括用户自定义模式，可以根据用户不同需求进行二次开发。

优选地，所述系统还包括切换模块。

所述切换模块，根据接收到的切换语音切换互动状态。

具体的，在互动过程中，如果接收到切换语音，则根据接收到的切换语言切换互动状态。

例如，在聊天过程中，接收到语音要求唱歌，则切换到唱歌状态，根据用户的需要开始唱歌，并支持点歌功能。

采集模块，采集环境参数。

优选地，所述环境参数包括温度、湿度和光照度等。

优选地，所述系统还包括：

提醒模块，根据所述环境参数提醒用户环境变化及注意事项。

优选地，所述系统还包括：

第二检测模块，当检测到待机信号或预设时间内接收不到语音，则进入待机状态；

优选地，所述待机信号包括：再见语音、拜拜语音等。

优选地，所述待机状态的能耗非常低，进入待机状态，可以最大限度的节约能源。

优选地，机器鱼交互方法如图20所示，包括以下步骤：

步骤110、检测工作信号，发出问候语音；

优选地，所述工作信号包括：人体信号、语音信号和无线电信号。

优选地，发出问候语音，具体包括：根据不同的节日和一天中的不同时段，发出不同的问候语音。

具体的，根据一天中的不同时段发出不同的语音，包括：早上好、下午好、晚上好等。

步骤120、判断是否接收到与所述问候语音对应的回复语音，若是，则发出邀请语音；

步骤130、判断是否接收到与所述邀请语音对应的互动语音，若是，则根据所述互动语音进入对应的互动状态；

优选地，所述互动状态包括：聊天状态、表演状态和游戏状态等。

优选地，所述互动还包括用户自定义模式，可以根据用户不同需求进行二次开发。

优选地，所述方法还包括：

步骤140、根据接收到的切换语音切换互动状态；

具体的，在互动过程中，如果接收到切换语音，则根据接收到的切换语言切换互动状态。

例如，在聊天过程中，接收到语音要求唱歌，则切换到唱歌状态，根据用户的需要开始唱歌，并支持点歌功能。

优选地，所述方法还包括：

步骤150、当检测到待机信号或预设时间内接收不到语音，则进入待机状态；

优选地，所述待机信号包括：再见语音、拜拜语音等。

优选地，所述待机状态的能耗非常低，进入待机状态，可以最大限度的节约能源。

优选地，所述方法还包括：

采集环境参数，根据所述环境参数提醒用户环境变化及注意事项。

优选地，所述环境参数包括温度、湿度和光照度等。

本实用新型提供仿生机器鱼，包括机器鱼，所述的机器鱼包括外壳、头部、鱼鳍、骨架、运动控制单元；所述的外壳包裹所述的骨架；所述的头部安装与所述外壳一端；所述的鱼鳍连接于外壳上；所述的骨架上安装有动作执行元件；所述的动作执行元件由运动控制单元控制，所述的头部、鱼鳍、骨架分别与所述的动作执行元件连接；所述的运动控制单元控制动作执行元件运动，带动所述的头部完成开合动作、转向动作，带动所述的鱼鳍完成摆动动作，带动所述的骨架尾部完成摆动动作。本实用新型运动控制灵活，控制精准度高，极大的提高了仿生机器鱼动作的仿真程度。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本实用新型；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时,凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。