一种用于海上探究的仿生鱼的制作方法

【技术领域】

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于海上探究的仿生鱼。

背景技术：

水下机器人及航行器在海洋环境监测、深海作业以及海床资源开发等领域的应用越发频繁，其作用也越发重要。仿生鱼作为一种能够依靠“鱼鳍”而非推进器进行游动的水下机器人，应运而生。

由日本九州大学研制开发的仿生鱼运动所借助的是人造肌肉。由于人造肌肉具有结构简单的优点，所以其对驱动器空间的要求相对要小。通过这一方式，它能够比使用电机的机器人以更快的速度移动。

但是，日本九州大学研制开发的仿生鱼所使用的人造肌肉的功率要明显低于电机装置，这就意味着其驱动力要小于使用电机装置的机器人。而在真正的鱼类中，它们的肌肉组织分布于全身。相比之下，到目前为止开发的大多数仿生鱼所配备的都是一套集中于一个区域的驱动器。这也是导致这些机器人的游动能力不如实际鱼类的原因之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于仿生鱼的人造肌肉，用人造肌肉驱动仿生鱼，改进后提高了仿生鱼的游动能力，并通过使用人造肌肉来提高该机器人的快速转弯性能。

为解决上述技术问题，本发明一实施例提供了一种仿生鱼，包括壳体、鱼鳍，连接所述壳体和鱼鳍的连接部件；所述鱼鳍包括胸鳍，背鳍，肛鳍，尾鳍；所述壳体内部设有与所述壳体通过螺丝固定连接的加速度传感器和陀螺仪感应器，摄像机，微处理器，电池，无线电发射器，第一伺服电机；所述加速度传感器和陀螺仪感应器、摄像机、微处理器、电池、无线电发射器、第一伺服电机之间通过电连接；所述壳体后端面留有穿线孔和用于安装所述连接部件的螺纹孔，所述鱼鳍与壳体用粘合剂粘合；所述鱼鳍上设有人造肌肉，所述鱼鳍通过所述人造肌肉驱动发生形变，并产生动力。

优选地，所述人造肌肉附着在所述鱼鳍上，由电线通过所述穿线孔与壳体内电路连接，由壳体内电路通断电来实现形变与复原，实现鱼鳍摆动。

优选地，所述微处理器用于处理所述加速度传感器和陀螺仪感应器采集到的信息参数，并调控所述第一伺服电机工作。

优选地，所述仿生鱼还包括与所述壳体通过螺丝固定连接的第二伺服电机，所述第二伺服电机与所述第一伺服电机通过电连接。

优选地，所述胸鳍包括聚苯乙烯氯化物。

优选地，所述背鳍包括聚苯乙烯氯化物。

优选地，所述肛鳍包括聚苯乙烯氯化物。

优选地，所述尾鳍包括聚苯乙烯氯化物。

优选地，所述人造肌肉包括生物金属纤维。

优选地，所述电池为锂电池。

优选地，所述加速度传感器和陀螺仪感应器采集到的信息参数包括：所述仿生鱼在水平方向上的加速度和所述仿生鱼的角速度。

优选地，所述加速度传感器和陀螺仪感应器用于：测量所述仿生鱼水平方向上的加速度，所述陀螺仪感应器用于测定所述仿生鱼角速度。

优选地，所述无线电发射器用于从岸上检查仿生鱼的工作情况。

优选地，所述摄像机用于记录所述仿生鱼的运动情况。

优选地，仿生鱼壳体内空腔填充物包括铝。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：用人造肌肉驱动仿生鱼，改进后提高了仿生鱼的游动能力，并通过使用人造肌肉来提高该机器人的快速转弯性能。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明仿生鱼的结构示意图。

图2(a)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。

图2(b)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。

图2(c)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的结构示意图。

图2(d)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的驱动图像示意图。

图2(e)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。

图2(f)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。

图3(a)是本发明仿生鱼中人造肌肉12在胸鳍1和尾鳍4上的附着的结构示意图。

图3(b)是本发明仿生鱼中人造肌肉12在胸鳍1和尾鳍4上的附着时，胸鳍1和尾鳍4的dl横截面上的变形概念图。

图4是本发明仿生鱼中人造肌肉12收缩长度测定实验原理图。

图5是本发明仿生鱼中估计得到的胸鳍1和尾鳍4后缘形状结构示意图。

图6是本发明仿生鱼胸鳍1和尾鳍4的坐标系示意图。

图7(a)是本发明仿生鱼在空气中发生形变的鱼鳍后缘形状的形变估算结果示意图。

图7(b)是本发明仿生鱼在水中发生形变的鱼鳍后缘形状的形变测量结果示意图。

图8(a)是本发明仿生鱼鱼鳍阻力三分量力学测量示意图。

图8(b)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4原始的结构示意图。

图8(c)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4改进后的结构示意图。

图9(a)是本发明仿生鱼在原始的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。

图9(b)是本发明仿生鱼在改进后的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。

图中，1-胸鳍，2-背鳍，3-肛鳍，4-尾鳍，5-加速度传感器和陀螺仪感应器，6-摄像机，7-微处理器，8-电池，9-无线电发射器，10-第一伺服电机，11-第二伺服电机，12-人造肌肉，13-硅片，14-聚苯乙烯氯化物薄片，15-生物金属纤维，16-丙烯酸改性硅树脂。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明仿生鱼的结构示意图。如图1所示，一种仿生鱼，包括壳体、鱼鳍，连接所述壳体和鱼鳍的连接部件；所述鱼鳍包括胸鳍1，背鳍2，肛鳍3，尾鳍4；所述壳体内部设有与所述壳体通过螺丝固定连接的加速度传感器和陀螺仪感应器5，摄像机6，微处理器7，电池8，无线电发射器9，第一伺服电机10；所述加速度传感器和陀螺仪感应器5、摄像机6、微处理器7、电池8、无线电发射器9、第一伺服电机10之间通过电连接；所述壳体后端面留有穿线孔和用于安装所述连接部件的螺纹孔，所述鱼鳍与壳体用粘合剂粘合；所述鱼鳍上设有人造肌肉12，所述鱼鳍通过所述人造肌肉12驱动发生形变，并产生动力。具体实施时，仿生鱼中间部分设为纹形，方便仿生鱼尾部摆动。仿生鱼壳体与鱼鳍、壳体内部设置的加速度传感器和陀螺仪感应器5、摄像机6、微处理器7、电池8、无线电发射器9、第一伺服电机10、第二伺服电机11之间会形成空腔。具体实施时，空腔由坚固耐用的铝制成。该空腔采用激光切割机和铝气焊焊接而成。

所述人造肌肉12附着在所述鱼鳍上，由电线通过所述穿线孔与壳体内电路连接，由壳体内电路通断电来实现形变与复原，实现鱼鳍摆动。所述微处理器7用于处理所述加速度传感器和陀螺仪感应器5采集到的信息参数，并调控所述第一伺服电机10工作。所述的仿生鱼还包括第二伺服电机11。胸鳍1、背鳍2、肛鳍3、尾鳍4均包括聚苯乙烯氯化物。所述人造肌肉12包括生物金属纤维。所述电池8为锂电池。所述加速度传感器和陀螺仪感应器5采集到的信息参数包括：所述仿生鱼在水平方向上的加速度和所述仿生鱼的角速度。所述加速度传感器和陀螺仪感应器5用于测量所述仿生鱼水平方向上的加速度，所述陀螺仪感应器用于测定所述仿生鱼角速度。所述无线电发射器9用于从岸上检查仿生鱼的工作情况。所述摄像机6用于记录所述仿生鱼的运动情况。

图2(a)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。图2(b)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。图2(c)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的结构示意图。图2(d)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中背鳍2和肛鳍3的驱动图像示意图。图2(e)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的结构示意图。图2(f)是本发明仿生鱼在快速转弯过程中胸鳍1和尾鳍4的驱动图像示意图。如图2(a)～图2(f)所示，在偏转过程中，尾鳍4和胸鳍1能够提供驱动力，而背鳍2和肛鳍3则能够提供俯仰方向的驱动力。背鳍2和肛鳍3的使用增加了机器人在相对流动方向的阻力系数。由于鱼鳍表面较平且是否轻巧，因此这将会增加作用在身体之上的转动扭矩，进而导致作用在鳍上的惯性力减小，而作用在鳍上的阻力增大。因此，这就使得该仿生鱼的转角增加。x轴、y轴和z轴分别为沿机器人身体的长度、宽度和高度进行延伸的方向。该仿生鱼的鳍部均可以由人造肌肉12、聚苯乙烯氯化物薄片14和硅片13制成。在身体连接处如胸鳍与仿生鱼身体中部壳体处结合，尾鳍、背鳍、肛鳍与仿生鱼身体鱼尾处结合采用粘合剂进行粘合。所用粘合剂为丙烯基改性有机硅树脂16。

与产生的惯性力相比，胸鳍1和尾鳍4所产生的阻力要大得多。该仿生鱼背鳍2和肛鳍3的存在，增加了其后半部的垂直于流动方向的投影面积及阻力系数。当这些鳍展开时，该仿生鱼在执行快速转弯动作时的性能会显著提高。

图3(a)是本发明仿生鱼中人造肌肉12在胸鳍1和尾鳍4上的附着的结构示意图。图3(b)是本发明仿生鱼中人造肌肉12在胸鳍1和尾鳍4上的附着时，胸鳍1和尾鳍4的dl横截面上的变形概念图。当真正的鱼类在水下游泳时，其鳍部会发生各式各样的形变。图3显示了鱼鳍的结构和用于描述人造肌肉驱动鱼鳍发生形变过程的概念图。其中，dl为鱼鳍中的微分长度。如图3(a)所示，每个鳍部均附着有人造肌肉附着在每个鳍上。图3(b)中的概念图显示了鳍的dl横截面。

使用纤维状驱动器生物金属纤维150制造人造肌肉。生物金属纤维是为模拟肌肉群而设计的可以进行收缩(紧张)和伸展(放松)的类纤维样驱动器(驱动装置)。在一般条件下，其柔软度和柔韧性像尼龙线一样，但是当电流通过它的时候，就会具有刚性，以及急剧收缩，然而一旦通路中的电流终止，就会马上变软，并延展到原始长度。生物金属纤维(bmf)具有如下特性：具有好的二方向形状记忆功能(伸长量约为5％)；可以往复输出大的变形(伸长量约为5％)和力(100～150mpa)；温度滞环小,应答性好(正常负载下,10℃以下)；状态稳定,往复输出变形量几乎不变；寿命长(负载100mpa,3％变形量下,大约108次)；具有高的电气阻抗,用较小的电流即可驱动。生物金属纤维150的直径为150μm，每个鳍所用长度为11cm。这种人造肌肉可以通过分别打开和关闭电源来实现形变与复原。

根据以下公式计算人造肌肉的应变ε和鱼鳍的曲率半径ρ：

其中，a为1/2鱼鳍厚度；dθ为角度微分；dl为长度微分；l为人造肌肉的长度；δl为人造肌肉的收缩长度。

图4是本发明仿生鱼中人造肌肉12收缩长度测定实验装置图。人造肌肉收缩长度测量的实验装置如图4所示。利用一种粘合剂将人造肌肉覆盖在鱼鳍的表面。图4中电路的电动势电压为11.1v。通过在该仿生鱼中安装一块电池，使其电路激活。在本实验中，所测得到的人造肌肉的收缩长度δl为人造肌肉原始长度的24％。利用人造肌肉的收缩长度δl对鱼鳍的形变量进行计算。图5显示了鱼鳍后缘的形变情况。

图5是本发明仿生鱼中估计得到的胸鳍1和尾鳍4后缘形状结构示意图。根据下列公式计算鱼鳍后缘的形变：

其中，l1和l2为图5所示人造肌肉的可变维度；b为人造肌肉固定两端之间的距离；l1z为l1在z轴上的投影长度；δl1z为l1在z轴方向的收缩长度；δb为b的收缩长度；ρ1和ρ2分别为仅因l1变化和l1和l2均变化下的曲率半径。

图6是本发明仿生鱼胸鳍1和尾鳍4的坐标系示意图。如图6所示，尾鳍4与中心线的夹角为45°。然后对鱼鳍上的人造肌肉通电，时间为0.1s，同时用高速摄像机记录其运动情况。

图7(a)是本发明仿生鱼在空气中发生形变的鱼鳍后缘形状的形变估算结果示意图。图7(b)是本发明仿生鱼在水中发生形变的鱼鳍后缘形状的形变测量结果示意图。如图7(a)和图7(b)实验结果显示，鱼鳍在空气中的形变情况与实际测量结果吻合度较好。鱼鳍在水中的形变会受到流体力的影响。通过对不同形状的阻力系数的分析可以看出，平的鱼鳍能够产生最大的阻力。如图7所示，本实验中水下鱼鳍的形状基本上是平的。因此，可以认为这种形状的鱼鳍能够产生较大的阻力。

图8(a)是本发明仿生鱼鱼鳍阻力三分量力学测量示意图。图8(b)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4原始的结构示意图。图8(c)是本发明仿生鱼的胸鳍1和尾鳍4改进后的结构示意图。从图8(b)、图8(c)图中对比可以发现，改进后的鱼鳍上下部分增加了一定平滑的弧度。

图9(a)是本发明仿生鱼在原始的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。图9(b)是本发明仿生鱼在改进后的胸鳍1和尾鳍4上产生的阻力示意图。从图9(a)、图图9(b)中可以看出，改进后鱼鳍上的阻力要大于原鱼鳍上的阻力，这是因为鱼鳍的面积集中于其鱼鳍尖部附近，而这一区域正是相对速度最大的一个部分。

由上述说明可知，使用根据本发明的一种用于仿生鱼的人造肌肉及仿生鱼，通过采用人造肌肉驱动仿生鱼，改进后提高了仿生鱼的游动能力，并通过使用人造肌肉来提高该机器人的快速转弯性能。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。