一种磁驱动机器鱼的制作方法

本实用新型属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种磁驱动机器鱼。

背景技术：

仿生机器鱼是通过模仿自然界中鱼类的动作来进行的，通过模拟鱼类的前进以及换向等。鱼类利用躯干和尾部肌肉的交替收缩，使身体左右扭动击动水流，鱼借助击水所产生的反作用力，将身体推向前进，尾鳍决定鱼的运动方向。

目前，仿生机器鱼主要采用舵机驱动系统，而舵机驱动系统具有体积大和能耗高等缺点，当前水面和水下运载器多采用传统的螺旋桨作为推进器，其体积大、重量重、能耗高，而且目前的仿生机器鱼不能很好的实现鱼类自然的摆动。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本实用新型提供了一种磁驱动机器鱼，提供了一种由磁驱动作为动力源，实现的机器鱼摆动。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种磁驱动机器鱼，包括鱼身本体、连接轴、若干鱼身驱动机构及若干波动鳞片；鱼身本体包括鱼身和鱼尾，连接轴纵向设置在鱼身本体内，连接轴的一端与鱼身的前端连接，另一端与鱼尾的后端连接；若干鱼身驱动机构设置在鱼身内，且安装在连接轴上；

鱼身驱动机构包括环形盘、隔离板及驱动杆；环形盘上沿圆周均匀设置有磁体，磁体可沿环形盘的轴线运动，磁体与电源连接；

环形盘包括均匀间隔套设在连接轴上的第一环形盘、第二环形盘及第三环形盘；第二环形盘靠近第一环形盘一侧的磁体与第一环形盘上的磁体磁极相异，且位置相适应；第二环形盘靠第三环形盘一侧的磁体与第三环形盘上的磁体磁极相异，且位置相适应；

隔离板包括第一隔离板和第二隔离板，第一隔离板与第二环形盘上靠近第一环形盘一侧的磁体连接，第二隔离板与第二环形盘上靠近第三环形盘一侧的磁体连接；

第一隔离板上通过驱动杆与波动鳞片连接，第二隔离板通过驱动杆与波动鳞片；波动鳞片用于击动水流，若干波动鳞片组成完整鱼身。

进一步的，驱动杆包括第一驱动杆和第二驱动杆；第一驱动杆包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、第四杆件；第一杆件为L形杆件，L形杆件的长杆与第一隔离板或第二隔离板连接，短杆的一端与长杆固定连接，短杆另一端通过转动副与第二杆件的一端连接；第二杆件的另一端通过转动副与第三杆件的一端连接；第三杆件的另一端通过转动副与第四杆件连接；第一驱动杆和第二驱动杆结构相同，第一驱动杆和第二驱动杆分别设置在第二环形盘的两侧且呈中心对称设置；第一驱动杆与第一隔离板连接，第二驱动杆与第二隔离板连接。

进一步的，还包括扭簧，第四杆件通过回转副与扭簧的一端连接，扭簧的另一端与波动鳞片固定连接；回转副设置在距离第三杆件与第四杆件连接点的2/3位置处。

进一步的，驱动杆与波动鳞片之间还设置有鱼身摆动机构；鱼身摆动机构采用平行四边形机构，驱动杆的末端与平行四边形机构的长边连接，平行四边形机构的短边通过连接杆与波动鳞片连接。

进一步的，还包括滑轨，滑轨设置在第一环形盘与第二环形盘之间或第二环形盘与第三环形盘之间；滑轨固定安装在连接轴上或第二环形盘上，滑轨的轨道方向与连接轴的轴线平行，隔离板通过滑轨的轨道移动。

进一步的，还包括固定板，滑轨固定安装在固定板上；固定板套设在连接轴上，且与连接轴或第二环形盘固定连接；固定板与隔离板之间设置有弹簧，弹簧的一端与固定板连接，另一端与隔离板连接。

进一步的，还包括鱼尾导向机构，鱼尾导向机构包括第一鱼尾导向机构、第二鱼尾导向机构及固定盘；第一鱼尾导向机构和第二鱼尾导向机构的结构相同，且对称设置在连接轴的两侧；第一鱼尾导向机构和第二鱼尾导向机构固定安装在固定盘上，固定盘的中心套设在连接轴上；

第一鱼尾导向机构包括第四环形盘、第五环形盘、第一固定轴、第三隔离板、第一隔离板连接杆、第九杆件、第十杆件及弹簧；第四环形盘和第五环形盘间隔套设在第一固定轴上，第一固定轴安装在固定盘上，第一固定轴与连接轴平行设置；第四环形盘和第五环形盘上分别沿圆周均匀设置有磁体，第四环形盘上的磁体和第五环形盘上的磁体分别通过导线与电源连接，磁极相异且位置相适应；第三隔离板设置在第四环形盘和第五环形盘之间，第三隔离板固定安装在第五环形盘上的磁体端头连接，第三隔离板和第五环形盘之间设置弹簧，第四环形盘固定连接在固定盘上；

第一隔离板连接杆的一端与第三隔离板连接，第一隔离板连接杆的另一端通过转动副与第九杆件的一端连接，第九杆件的另一端通过转动副与第十杆件的一端连接，第十杆件的另一端与鱼尾鳞片连接。

进一步的，鱼身头部设置有视觉传感器、视觉处理单元，视觉传感器的输出端与视觉处理单元连接，视觉处理单元与终端显示器通过无线连接，视觉传感器采用双目视觉高清摄像头。

进一步的，鱼身包括上骨架和下骨架，上骨架和下骨架设置为S型结构；上骨架上部和下骨架下部分别设置有鱼鳍。

进一步的，电源设置在电源板上，电源板安装在鱼尾，电源通过导线与磁块连接；连接轴采用中空结构，导线设置在连接轴内。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型一种磁驱动机器鱼，采用了巨自由度和微积分的思想，每一组鱼身驱动机构控制鱼身某一处的局部摆动，利用磁驱动控制鱼身的局部摆动，当鱼身驱动机构数量足够多时，最终实现机器鱼的自然摆动；环形盘大小可根据鱼身位置来变动，更符合鱼身摆动实际效果；

进一步的，鱼体两边设计成平行四边形可变机构，可使鱼身进行摆动，在水的反作用力下推动鱼身前进；

进一步的，本发明中设置扭簧，实现了驱动杆和隔离板的复位，避免了驱动杆卡死；

进一步的，通过在隔离板与固定板之间设置弹簧，实现了隔离板的复位功能；

进一步的，鱼身上下整体设计成S型，上下两侧设有鱼鳍，便于鱼身前进。

附图说明

图1为本实用新型的机器鱼整体机构示意图；

图2为本实用新型的机器鱼整体机构内部结构示意图；

图3为本实用新型的鱼尾导向机构结构示意图；

图4为本实用新型的鱼身摆动机构结构示意图；

图5为本实用新型的鱼身驱动机构的正视图；

图6为本实用新型的鱼身驱动机构的俯视图；

图7为本实用新型的鱼身驱动机构的侧视图；

图8为本实用新型的鱼尾导向机构的静止时的运动简图；

图9为本实用新型的鱼尾导向机构运动时某一时刻的运动简图；

图10为本实用新型的鱼身驱动机构放大结构示意图；

图11为本实用新型的鱼身驱动机构力放大图。

其中1鱼身本体，2连接轴，3鱼身驱动机构，4鱼身摆动机构，5鱼尾导向机构，6波动鳞片，7磁体，8弹簧，9扭簧，10视觉传感器；11鱼身，12鱼尾，31环形盘，32第一滑轨，33第二滑轨，34弹簧，35驱动杆，36第一隔离板，37第二隔离板，38第一固定板，39第二固定板，311第一环形盘，312第二环形盘，313第三环形盘，351第一驱动杆，352第二驱动杆，3511第一杆件，3512第二杆件，3513第三杆件，3514第四杆件，3521第五杆件，3522第六杆件，3523第七杆件，第八杆件3524，41平行四边形机构，42连接杆，51第一鱼尾驱动机构，52第二鱼尾驱动机构，53固定盘，54鱼尾鳞片，511第四环形盘，512第五环形盘，513第一隔离板连接杆，514第三隔离板，515第九杆件，516第十杆件，517第一固定轴，521第六环形盘，522第七环形盘，523第二隔离板连接杆，524第四隔离板，525第十一杆件，526第十二杆件，527第二固定轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参考附图1-10所示，本实用新型一种磁驱动机器鱼，包括鱼身本体1、连接轴2、鱼身驱动机构3、鱼身摆动机构4、鱼尾导向机构5及波动鳞片6；

鱼身本体1包括鱼身11和鱼尾12，连接轴2纵向设置在鱼身本体1内，连接轴2的一端与鱼身11的前端连接，另一端与鱼尾12的后端连接；鱼身驱动机构3安装在连接轴2上，鱼身驱动机构3与鱼身摆动机构4连接，鱼身摆动机构4与波动鳞片6连接。鱼尾导向机构5包括鱼尾驱动机构51和鱼尾摆动机构52，鱼尾驱动机构51设置在鱼尾内，鱼尾驱动机构51与连接轴2连接，鱼尾驱动机构51与鱼尾摆动机构52连接，鱼尾摆动机构52与波动鳞片6连接。

鱼身11包括上骨架和下骨架，上骨架和下骨架设置为S型结构；上骨架上部和下骨架下部分别设置有鱼鳍；

波动鳞片6用于击动水流，若干波动鳞片6组成完整鱼身，波动鳞片6外侧还设置有触觉材料或修饰鳞片。

鱼身驱动机构3包括环形盘31、第一滑轨32、第二滑轨33、弹簧34、驱动杆35、第一隔离板36及第二隔离板37；环形盘31包括等距间隔套设在连接轴2上的第一环形盘311、第二环形盘312及第三环形盘313，第一环形盘311、第二环形盘312及第三环形盘313均与连接轴2固定连接。

环形盘31上设置有磁体7，磁体7采用圆柱体结构，磁体7的轴线与环形盘31的轴线平行；磁体7通过导线与电源连接，电源通电时磁体7的磁极发生变化；

第二环形盘312靠近第一环形盘311一侧的磁体7与第一环形盘311上的磁体7磁极相异，且位置相适应；第二环形盘312靠第三环形盘313一侧的磁体7与第三环形盘313上的磁体7磁极相异，且位置相适应；相邻两个环形盘上的磁极相异的对应磁体可沿轴线前后运动；

第一环形盘311上的磁体7采用水平分布，第二环形盘312靠第一环形盘311一侧的磁体7采用水平分布；第二环形盘312靠近第三环形盘313一侧的磁体7采用竖直方向分布，第三环形盘313上的磁体7采用竖直分布；第二环形盘312上沿圆周方向分布四个环形磁体，磁体内沿圆周方向分布八个磁铁块，这样使得磁力均匀，又整洁美观，符合受力要求；第一环形盘311和第三环形盘312分别设置有两个环形磁体；第一环形盘311和第三环形盘313上的磁体7所在位置不同，分别与靠近第二环形盘312的一侧的磁体位置相适应，且磁极相异，这样即节省磁铁材料，又能避免受力紊乱，分别向环形盘两侧提供动力。

第一滑轨34设置在第一环形盘311和第二环形盘312之间，靠近第二环形盘312一侧设置；第一滑轨32固定安装在第一固定板38上，第一滑轨32的轨道方向与连接轴2的轴向平行；第一固定板38套设在连接轴2上，且与连接轴2或第二环形盘312固定连接；

第一隔离板36设置在第二环形盘312靠近第一环形盘311一侧的磁体7端部，第一隔离板36与第一固定板38之间还设置有弹簧8；弹簧8的一端与第一固定板38连接，另一端与第一隔离板36连接；第一隔离板36上设置有与第一滑轨34配合的滑块，第一隔离板38通过滑块在第一滑轨32上移动；第一隔离板36与驱动杆35的前端连接。

第二滑轨33设置在第二环形盘312和第三环形盘313之间，靠近第二环形盘312一侧设置；第二滑轨33固定安装在第二固定板39上，第二滑轨33的轨道方向与连接轴2的轴向平行；第二固定板39套设在连接轴2上，且与连接轴2或第二环形盘312固定连接；

第二隔离板37设置在第二环形盘312靠近第三环形盘313一侧的磁体7端部，第二隔离板37与第二固定板39之间还设置有弹簧8；弹簧8的一端与第二固定板39连接，另一端与第二隔离板37连接；第二隔离板37上设置有与第二滑轨33配合的滑块，第二隔离板37通过滑块在第二滑轨33上移动；第二隔离板36与驱动杆35的前端连接；

驱动杆35包括结构完全相同的第一驱动杆351和第二驱动杆352，第一驱动杆351和第二驱动杆352分别设置在第二环形盘312两侧，且呈中心对称设置；

第一驱动杆351包括第一杆件3511、第二杆件3512、第三杆件3513及第四杆件3514；第一杆件3511为L形杆件，L形杆件的长杆与第一隔离板36连接，短杆的一端与长杆固定连接，短杆另一端通过转动副与第二杆件3512的一端连接，第二杆件3512为矩形结构；第二杆件3512的另一端与第三杆件3513的一端采用铰接连接；第三杆件3513的另一端通过转动副与第四杆件3514连接，第三杆件3514为矩形结构。

第四杆件3514上还设置有回转副，回转副设置在距离第三杆件3513与第四杆件3514连接点的2/3位置处；第四杆件3514通过回转副与扭簧9的一端连接9连接，扭簧9的另一端与鱼身摆动机构4连接；扭簧9用于实现驱动的复位功能，通过驱动杆将所传递的力传递至扭簧9后，扭簧9放大力给鱼身摆动机构4，提高鱼身摆动幅度。

第一驱动杆(351)和第二驱动杆(352)结构相同，第一驱动杆(351)和第二驱动杆(352)分别设置在第二环形盘(312)的两侧且呈中心对称设置；第一驱动杆(352)与第一隔离板(36)连接，第二驱动杆(352)与第二隔离板(37)连接。

第二驱动杆352包括第五杆件3521、第六杆件3522、第七杆件3523及第八杆件3524；第一杆件3521为L形杆件，L形杆件的长杆与第二隔离板37连接，短杆的一端与长杆固定连接，短杆另一端通过转动副与第六杆件3522的一端连接，第六杆件3522为矩形结构；第六杆件3522的另一端与第七杆件3523的一端采用铰接连接；第七杆件3523的另一端通过转动副与第八杆件3524连接，第八杆件3524为矩形结构。

第八杆件3524上还设置有回转副，回转副设置在距离第七杆件3523与第八杆件3524连接点的2/3位置处；第八杆件3524通过回转副与扭簧9的一端连接，扭簧9的另一端与鱼身摆动机构4连接；扭簧9用于实现驱动的复位功能，通过驱动杆将所传递的力传递至扭簧9后，扭簧9放大力给鱼身摆动机构4，提高鱼身摆动幅度。

鱼身驱动机构的动作原理：

以第一环形盘311和第二环形盘312之间的第二驱动杆351运动为例：

调节电源，使第二环形盘312靠近第一环形盘311上的磁体7和第一环形盘311上的磁体7为异性磁极；在异性磁极磁体引力的作用下，第二环形盘312靠近第一环形盘311上的磁体7带动第一隔离板36会沿着第一滑轨32向着第一环形盘311方向移动；

第一隔离板36运动，带动第一驱动杆351运动，第一驱动杆351的第一杆件3511向第一环形盘31的方向运动，接着第一杆件3511通过转动副会使得第二杆件3512向上抬起；第二杆件3512与第三杆件3513铰接在一起，同样会带动第三杆件3513向上倾斜，此时第三杆件3513会对第四杆件3514产生一个挤压推力，使得第四杆件3514以扭簧9为回转中心逆时针转动；由于第四杆件3514的回转中心位于第四杆件3514的2/3位置，在此过程会进行力的放大；

第一隔离板36通过弹簧8与第一滑轨32固定，第一隔离板36在向第一环形盘311运动过程中需要克服弹簧8的弹性阻力；当第一环形盘311和第二环形盘312之间不在产生吸力时，弹簧8会使第一隔离板36复位；并且由于扭簧9弹力的作用，当第四杆件3514不在受力时，弹力会使第四杆件3514复位。

鱼身摆动机构4采用平行四边形机构，平行四边形机构的长边与驱动杆35的第四杆件3514连接，平行四边形机构的短边通过连接杆与波动鳞片6连接。

鱼身摆动机构动作原理：

第四杆件3514转动时，驱动平行四边形机构运动时，平行四边形机构通过连接杆42推动波动鳞片6运动，波动鳞片6运动时对水产生推动，进而实现鱼身摆动；在第四杆件3514的推力作用下，经过平行四边形机构的放大作用，平行四边形机构与波动鳞片6连接，每一组的鱼身驱动机构3都会带动波动鳞片6摆动，当波动鳞片的数量6足够多，且与波动鳞片6连接的鱼身驱动机构3数量足够多，根据鱼身11进行合理放置以及比例放大，结合微积分思想，鱼身11整体上将呈现完整的摆动。

鱼尾导向机构5包括第一鱼尾导向机构51、第二鱼尾导向机构52及固定盘53，第一鱼尾导向机构51和第二鱼尾导向机构52对称设置在连接轴2的两侧；第一鱼尾导向机构52和第二鱼尾导向机构52固定安装在固定盘53上，固定盘53的中心套设在连接轴2上。

第一鱼尾导向机构51包括第四环形盘511、第五环形盘512、第一固定轴517、第三隔离板514、第一隔离板连接杆513、第九杆件515、第十杆件516及弹簧8；第四环形盘511和第五环形盘512间隔套设在第一固定轴518上，第一固定轴518安装在固定盘53上，第一固定轴517与连接轴2平行设置；第四环形盘511上沿圆周均匀设置有四个磁体，第五环形盘512上沿圆周均匀设置有四个磁体，第四环形盘511上的磁体和第五环形盘512上的磁体7，分别通过导线与电源连接，磁体的磁极相异，且位置相适应；第三隔离板515设置在第四环形盘511和第五环形盘512之间，第三隔离板514固定安装在第五环形盘512上的磁体端头连接，第三隔离板514和第五环形盘512之间设置弹簧8；弹簧8的一端与第三隔离板514的侧面连接，另一端与第五环形盘512连接，弹簧8用于第三隔离板514复位，第四环形盘512固定连接在固定盘53上；

第一隔离板连接杆513的一端与第三隔离板514连接，第一隔离板连接杆513的另一端通过转动副与第九杆件515的一端连接，第九杆件515的另一端通过转动副与第十杆件516的一端连接，第十杆件516的另一端与鱼尾鳞片54连接。

第二鱼尾导向机构52包括第六环形盘521、第七环形盘522、第二固定轴527、第四隔离板524、第二隔离板连接杆523、第十一杆件525、第十二杆件526及弹簧8；第六环形盘521和第七环形盘522间隔套设在第二固定轴527上，第二固定轴527安装在固定盘53上，第二固定轴527与连接轴2平行设置；第六环形盘521上沿圆周均匀设置有四个磁体，第七环形盘522上沿圆周均匀设置有四个磁体，第六环形盘521上的磁体和第七环形盘522上的磁体7，分别通过导线与电源连接，磁体的磁极相异，且位置相适应；第四隔离板525设置在第六环形盘521和第七环形盘522之间，第四隔离板524固定安装在第六环形盘522上的磁体端头连接，第四隔离板524和第六环形盘522之间设置弹簧；弹簧的一端与第四隔离板524的侧面连接，另一端与第七环形盘522连接，弹簧用于第四隔离板524复位，第六环形盘522固定连接在固定盘53上；

第二隔离板连接杆523的一端与第四隔离板524连接，第二隔离板连接杆523的另一端通过转动副与第十一杆件525的一端连接，第十一杆件525的另一端通过转动副与第十二杆件526的一端连接，第十二杆件526的另一端与鱼尾鳞片54连接。

鱼尾导向机构的动作原理：

以第一鱼尾驱动机构的动作原理为例：

启动电源，使第四环形盘和第五环形盘上的磁体磁极相异，第五环形盘磁体将在磁体吸力的作用下，会给第三隔离板一个推力，第三隔离板在克服弹簧的阻力下沿着第一固定轴直线运动，此时将带动第一隔离板连接杆直线运动，第一隔离板连接轴与第九杆件之间有转动副，第九杆件中心也有一转动副，第一隔离板连接杆的直线运动将使第九杆件发生转动，第九杆件与第十杆件之间也有转动副，此时第九杆件的偏转会使得第十杆件发生从上往下看逆时针转动，第十杆件与鱼尾鳞片连接，这样就使得鱼尾发生了偏转。

本实用新型中还包括电源板，电源板套设在连接轴上且电源板设置在鱼尾12设置，电源板上设置有电源和导线，电源通过导线分别与鱼身驱动机构3和鱼尾导向机构4的磁体7连接，连接轴2采用中空轴体结构，导线设置在连接轴2的中空轴体内，磁体7通电后为鱼身驱动机构3和鱼尾导向机构4提供动力。

本实用新型中还包括视觉传感器10、视频处理单元及显示终端，视觉传感器10设置在鱼身11的头部，视觉传感器10采用双目视觉高清摄像头，视频处理单元设置在鱼身11内；视觉传感器10采用的是双目视觉高清摄像头，视觉传感器10的输出端与视频处理单元的输入端采用电路连接；视频处理单元采用无线网络与显示终端连接，视觉传感器10用于监控水下环境，通过将采集到的水下环境情况发送给鱼身内部的视频处理单元，视频处理单元将处理结果返回到监控设备的显示终端上。