CN209956198U - 一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，包括鱼壳体、升潜机构、供电及控制部分、驱动部分；鱼壳体分为鱼头、鱼身两个部分，连接处采用乳胶膜密封，在鱼身支架肋板支撑下，围成流线形鱼体，其他连接处均采用螺纹联结；供电及控制部分由电源、微控制器、传感信息采集模块、舵机驱动器、通讯模块组成，控制机器鱼在水中航行的姿态；尾鳍与四组驱动舵机串联构成驱动部分，在微控制器的控制下实现行波运动。通过升潜机构控制胸鳍转动从而改变流体推力的方向，改变机器鱼在三维平面上的运动方向，减小游动阻力的同时，提高了机动性和仿生性；三维平面上自由游动的机器鱼可以搭载多种检测设备，也可以作为水下科考的实验平台。

Description

一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼

技术领域

本实用新型一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，属于仿生机器鱼技术领域，特别涉及基于多组舵机驱动的同步升潜装置。

背景技术

20世纪90年代以前对于鱼类仿生学的研究主要集中在理论方面。随着鱼类推进机理研究的深入和机器人技术的发展，1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机器鱼。此后，结合仿生学、电子技术、材料科学和控制技术的新发展，仿生机器鱼的研究逐渐成为机器人领域的研究热点。

现在仿生机器鱼常用的浮潜方法有：胸鳍法、形状改变法、储水仓法。胸鳍法是利用胸鳍的摆动，改变流体推力的方向，从而实现上浮和下潜；形状改变法是改变仿生机器鱼自身的体积，从而改变浮力的大小，完成上浮和下潜；储水仓法是改变仿生机器鱼的自重，从而完成上浮和下潜；其中胸鳍法一般实时性较差缺乏机动性；形状改变法机构设计复杂，设计难度大；储水仓法需要占据较大的空间，当到达一定的深度时吸水放水存在限制。

然而仿生机器鱼必须具备水下三维运动能力，必须下潜或者上浮到某一深度到达目标区域完成任务，或者完成仿生机器鱼的避障，因此需要仿生机器鱼能够具备上浮下潜以及深度保持功能。

发明内容

本实用新型专利一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，改变以往基于胸鳍实现上升下潜控制不同步且机动性差的问题，利用双轴舵机同步实现两侧胸鳍的转动，鱼身上串联舵机组配合驱动提供水平推力，从而在减小鱼头体积的同时提高了机动性。

本实用新型为实现上述目的所采取的技术方案如下：

本实用新型一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，其特点在于：该机器鱼包括鱼壳体、升潜机构、供电及控制部分、驱动部分；所述升潜机构包括联轴器、升潜舵机固定支架、升潜舵机、传动轴、胸鳍和鱼头固定盖；所述胸鳍与所述联轴器同心，使所述胸鳍上安装的所述传动轴能够顺利插入到所述联轴器中；所述联轴器固定安装在所述升潜舵机舵盘的两侧；所述升潜舵机固定安装在所述升潜舵机固定支架的上侧面；所述升潜舵机固定支架固定安装在鱼头的空腔内，且有一端粘接在所述鱼头固定盖上；

所述供电及控制部分包括电源、微控制器、传感信息采集模块、舵机驱动器、通讯模块；所述供电及控制部分集中封装在所述升潜舵机固定支架底部。

所述驱动部分包括所述鱼头固定盖、大U形支架、第一驱动舵机、第二驱动舵机、第三驱动舵机、第四驱动舵机、小U形支架、鱼尾固定板、尾鳍；提供水平面上推力的所述驱动部分由所述四组驱动舵机串联而成，所述驱动舵机分别由一组所述大U形支架和所述小U形支架固定，构成一个基本的运动单元。所述四组驱动舵机串联，将一侧所述大U形支架固定在所述鱼头固定盖上，另一侧所述小U形支架与所述鱼尾固定板相配合，已打孔的所述鱼尾固定板与所述尾鳍螺纹联结。

所述鱼壳体包括所述鱼头和鱼身两个部分；所述鱼身包括所述鱼头固定盖、鱼尾固定板、尾鳍和鱼身支架肋板；所述鱼头固定粘接在所述鱼头固定盖上；从所述鱼头固定盖处开始到所述鱼尾固定板处截止，采用乳胶膜将所述鱼头和鱼身紧密连接，在所述鱼身支架肋板支撑下，围成流线外形鱼体。

本发明采用上述方案后，具有如下技术效果：

1.同步调节胸鳍转动速度和和鱼身的摆动速度，稳定性高。本专利采用一个双轴舵机串联到舵机组中的方案，通过联轴器传动扭矩实现机器鱼两侧胸鳍的高精度变速转动，实现较大范围的倾斜游动，在减小鱼头所受的阻力的同时，最终实现三维平面内的升潜功能，提高了上浮下潜的机动性。

2.能实现三维平面内仿生机器鱼的自由游动，提高了机动性和仿生性。依据鲹科鱼类推进原理，利用舵机驱动实现对鱼体包络线的模拟。通过微控制器输出不同大小的PWM电信号，控制每个舵机摆动一定的角度，实现真实鲹科鱼类游行动作的包络线模仿，最终达到多舵机串联来实现机器鱼基于尾鳍的水平推进。

3.采用数字舵机串联的基于尾鳍的推进形式，减小了游动中的阻力，便于增添舵机同步控制。在机器鱼的驱动模块中，所采用的舵机内部产生标准脉冲信号，占空比0.5ms～2.5ms 的脉宽电平对应着舵机0°～180°角度范围，且成线性关系，舵机精度达3us，在2000个脉宽范围内控制精度能达到0.3°。

附图说明

图1为机器鱼结构图；

图2为升潜机构结构图；

其中：1鱼头，2联轴器，3升潜舵机固定支座，4供电及控制部分，5升潜舵机，6传动轴，7胸鳍，8鱼头固定盖，9大U形支架，10第一驱动舵机，11第二驱动舵机，12第三驱动舵机，13第四驱动舵机，14小U形支架，15鱼尾固定板，16尾鳍，17鱼身支架肋板。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例：升潜舵机5与联轴器2采用螺纹配合，联轴器2与传动轴6相配合，传动轴6固定在胸鳍7上。提供水平面上推力的驱动部分由四组驱动舵机第一驱动舵机10、第二驱动舵机11、第三驱动舵机12、第四驱动舵机13串联而成，所述胸鳍7和传动轴6同心，联轴器2同轴配合在升潜舵机5上；所述升潜舵机5与升潜舵机固定支座3相配合，固定在鱼头固定盖8上，鱼头固定盖8与鱼头1相互配合，鱼身支架肋板17通过螺钉固联在小U形支架14上。

当机器鱼开始工作时，供电及控制部分4中的电源带动所述驱动部分工作，四组舵机串联连接，通过微控制器输出PWM电信号，控制第一驱动舵机10摆动一定的角度，跟第一驱动舵机10配合使用的一对大U形支架9和小U形支架14也随之摆动，并且微控制器同时也输出大小不一的PWM电信号控制每个舵机转动，通过控制每个舵机摆动一定的角度，最终把运动传递给与鱼尾固定板15固联的鱼鳍16，实现真实鱼类游行动作的包络线模仿，最终达到多舵机串联来实现机器鱼基于尾鳍16的水平推进。升潜舵机5同步控制两侧胸鳍7摆动，实现机器鱼上浮下潜的功能，调节两侧胸鳍7转动速度和和鱼身的摆动速度，从而保持稳定性。

直线行驶时两侧胸鳍7保持水平，上浮时，微控制器控制胸鳍7转动一定角度使得鱼体受到斜向上的流体推力，实现斜向上上浮，当升潜舵机5通过联轴器2带动胸鳍7继续转动一定角度后，鱼体受到斜向下的流体推力，实现斜向下下潜。此外，当两侧胸鳍7固定时，机器鱼二维水平运动。在机器鱼两侧胸鳍7反方向旋转时，使得胸鳍产生的阻力最大，从而在短时间内停止运动。同时调整所述驱动部分中四组驱动舵机的旋转角度，可以使机器鱼向原运动方向相反的方向运动。

Claims (4)

1.一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，其特征在于该机器鱼包括鱼壳体、升潜机构、供电及控制部分(4)、驱动部分；所述升潜机构包括联轴器(2)、升潜舵机固定支架(3)、升潜舵机(5)、传动轴(6)、胸鳍(7)和鱼头固定盖(8)；所述胸鳍(7)与所述联轴器(2)同心，使所述胸鳍(7)上安装的所述传动轴(6)能够顺利插入到所述联轴器(2)中；所述联轴器(2)固定安装在所述升潜舵机(5)舵盘的两侧；所述升潜舵机(5)固定安装在所述升潜舵机固定支架(3)的上侧面；所述升潜舵机固定支架(3)固定安装在鱼头(1)的空腔内，且有一端粘接在所述鱼头固定盖(8)上。

2.根据权利要求1所述的一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，其特征在于所述供电及控制部分(4)包括电源、微控制器、传感信息采集模块、舵机驱动器、通讯模块；所述供电及控制部分(4)集中封装在所述升潜舵机固定支架(3)底部。

3.根据权利要求1所述的一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，其特征在于所述驱动部分包括所述鱼头固定盖(8)、大U形支架(9)、第一驱动舵机(10)、第二驱动舵机(11)、第三驱动舵机(12)、第四驱动舵机(13)、小U形支架(14)、鱼尾固定板(15)、尾鳍(16)；提供水平面上推力的所述驱动部分由所述四组驱动舵机串联而成，所述驱动舵机分别由一组所述大U形支架和所述小U形支架固定，构成一个基本的运动单元；所述四组驱动舵机串联，将一侧所述大U形支架(9)固定在所述鱼头固定盖(8)上，另一侧所述小U形支架(14)与所述鱼尾固定板(15)相配合，已打孔的所述鱼尾固定板(15)与所述尾鳍(16)螺纹联结。

4.根据权利要求1所述的一种同步升潜串联舵机仿生机器鱼，其特征在于所述鱼壳体包括所述鱼头(1)和鱼身两个部分；所述鱼身包括所述鱼头固定盖(8)、鱼尾固定板(15)、尾鳍(16)和鱼身支架肋板(17)；所述鱼头(1)固定粘接在所述鱼头固定盖(8)上；从所述鱼头固定盖(8)处开始到所述鱼尾固定板(15)处截止，采用乳胶膜将所述鱼头(1)和鱼身紧密连接，在所述鱼身支架肋板(17)支撑下，围成流线外形鱼体。

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