專利名稱：可遠(yuǎn)程遙控的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)電一體化裝置，特別涉及可遠(yuǎn)程遙控的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚。
本實(shí)用新型的目的是依據(jù)已有的魚類仿生學(xué)理論，利用特別設(shè)計(jì)的精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)可以模仿魚類運(yùn)動的仿生機(jī)器魚。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，可遠(yuǎn)程遙控的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚包括控制部分和多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚體，第一驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅(qū)動電機(jī)放置在U型槽內(nèi)；第二驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。
本實(shí)用新型可以為研究魚類運(yùn)動的水動力學(xué)、游動機(jī)理、運(yùn)動控制方法提供實(shí)驗(yàn)本體，為制造效率高、機(jī)動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的水下運(yùn)輸設(shè)備提供基本的實(shí)驗(yàn)平臺，制作娛樂型或觀賞型仿生機(jī)器魚。
圖9是全部安裝完畢的在水中的仿生機(jī)器魚。
(一)仿生機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括頭部、關(guān)節(jié)、尾部、連接件等。仿生機(jī)器魚的頭部如


圖1所示，前面部分是流線型的，后面部分近似長方體，內(nèi)部中空，頂部有兩個孔，通訊天線和檢測防水性能的進(jìn)氣閥門從
圖1中所示位置的孔1引出，充電插頭從
圖1所示位置的孔2引出，為固定用連接件與魚頭連接所用的螺孔3在魚頭兩側(cè)各一。
仿生機(jī)器魚游動運(yùn)動所需的多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖2所示，依據(jù)實(shí)際需要，通過增減中間關(guān)節(jié)的數(shù)目，可在2-6關(guān)節(jié)之間調(diào)整機(jī)器魚關(guān)節(jié)數(shù)。各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)用堅(jiān)固的質(zhì)輕的具有一定厚度的材料，例如鋁材、強(qiáng)度較好的塑料，進(jìn)行加工制作。在圖2中，1所指為控制電路板，其上3所指位置的兩個螺孔為將控制電路板同連接件2和第一驅(qū)動關(guān)節(jié)4上5所指位置的兩個螺孔用螺釘及螺母固定在一起的螺孔。圖中2所指為控制電路板與機(jī)器魚頭部固定在一起的連接件，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，該圖中用于固定的螺孔可以依據(jù)具體裝配要求在加工時進(jìn)行位置的微調(diào)。第一驅(qū)動關(guān)節(jié)4結(jié)構(gòu)中的上開口U型槽為安裝驅(qū)動電機(jī)設(shè)置。6處所指兩個螺孔和7處所指兩個螺釘用于將電機(jī)固定于上開口U型槽內(nèi)，一關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)軸通過電機(jī)自帶的連接器用8所指螺釘穿過9所指螺孔和第二驅(qū)動關(guān)節(jié)12固定在一起。11所指螺釘通過10所指螺孔頂在第一驅(qū)動關(guān)節(jié)4上開口U型槽底部淺凹槽內(nèi)以支撐第二驅(qū)動關(guān)節(jié)12。所有螺釘可以通過添加墊片螺母的方法保證裝配精度，減輕后一驅(qū)動關(guān)節(jié)因重力和安裝精度問題對前一驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動軸的壓力。13所指為邊緣經(jīng)過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，通過其上14所指長方形孔將魚體骨架13套入并焊接于12左向開口U型槽和上開口U型槽之間的部分，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側(cè)底邊平行。魚體骨架13上15所指的圓孔為走線孔，各驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)的供電線和控制線從其中間穿過。第二驅(qū)動關(guān)節(jié)12結(jié)構(gòu)中的上開口U型槽為安裝驅(qū)動電機(jī)設(shè)置。16處所指兩個螺孔和17處所指兩個螺釘用于將電機(jī)固定于上開口U型槽內(nèi)，二關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)軸通過電機(jī)自帶的連接器用18所指螺釘穿過19所指螺孔和第三驅(qū)動關(guān)節(jié)22固定在一起。21所指螺釘通過20所指螺孔頂在第二驅(qū)動關(guān)節(jié)12上開口U型槽底部淺凹槽內(nèi)以支撐第三驅(qū)動關(guān)節(jié)22。23所指為邊緣經(jīng)過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，其略小于魚體骨架13，通過其上24所指長方形孔將魚體骨架23套入并焊接于22左向開口U型槽和上開口U型槽之間的部分，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側(cè)底邊平行。魚體骨架23上25所指的圓孔為走線孔，關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的供電線和控制線從其中間穿過。第三驅(qū)動關(guān)節(jié)32結(jié)構(gòu)中的上開口U型槽為安裝驅(qū)動電機(jī)設(shè)置。26處所指兩個螺孔和27處所指兩個螺釘用于將電機(jī)固定于上開口U型槽內(nèi)，三關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)軸通過電機(jī)自帶的連接器用28所指螺釘穿過29所指螺孔和機(jī)器魚尾關(guān)節(jié)32固定在一起。31所指螺釘通過30所指螺孔頂在第三驅(qū)動關(guān)節(jié)22上開口U型槽底部淺凹槽內(nèi)以支撐機(jī)器魚尾關(guān)節(jié)32。33所指為邊緣經(jīng)過打磨的光滑無毛刺的橢圓型魚體支撐骨架，其略小于魚體骨架23，通過其上34所指長方形孔將魚體骨架33套入并焊接于32左向開口U型槽的右側(cè)底邊附近，長方形孔的長邊與左向開口U型槽的右側(cè)底邊平行。魚體骨架33上35所指的圓孔為走線孔，關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的供電線和控制線從其中間穿過。連接件38的具體結(jié)構(gòu)可以參見圖4。機(jī)器魚尾關(guān)節(jié)32插入連接件38前端柱體的凹槽內(nèi)，并通過36所指的螺孔和37所指的螺孔用40所指的螺釘固定在一起。機(jī)器魚尾42插入連接件38后端錐體的中間凹槽，并用41所指螺釘通過螺孔39將其固定。
通過增加和減少同22一樣的中間驅(qū)動關(guān)節(jié)可在2-6個之間調(diào)整機(jī)器魚驅(qū)動關(guān)節(jié)的數(shù)目，并調(diào)整魚體長度。圖8給出一個4關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚具體機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的圖片。
(二)仿生機(jī)器魚的控制電路仿生機(jī)器魚的控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，主要包括通訊模塊、微控制器模塊、傳感信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、控制參數(shù)存儲模塊幾部份。通訊模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)控制命令的下傳和機(jī)器魚內(nèi)部信息的上傳；傳感信息采集模塊主要進(jìn)行觸覺、視覺、方位、姿態(tài)、聲納等信息的采樣；控制參數(shù)存儲模塊主要存儲機(jī)器魚游動所需要的各種魚體波控制參數(shù)，保證機(jī)器魚的游動控制；微控制器模塊通過對傳感信息進(jìn)行處理，并依據(jù)下傳的控制命令和任務(wù)，提取控制參數(shù)，給出電機(jī)控制命令；電機(jī)驅(qū)動模塊接受微控制器模塊下發(fā)的電機(jī)控制命令對機(jī)器魚各驅(qū)動關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的運(yùn)動。整個控制電路和驅(qū)動電機(jī)使用充電電池進(jìn)行供電，充電電池使用的充電線插頭從魚頭部孔中引出并固定在魚頭上。
依據(jù)此仿生機(jī)器魚控制電路結(jié)構(gòu)框圖給出的一個仿生機(jī)器魚具體實(shí)現(xiàn)時控制電路原理圖，如圖6所示。
(三)仿生機(jī)器魚的防水密封如圖7所示，仿生機(jī)器魚防水蒙皮是使用橡膠注塑成型的橡膠圓筒，上面呈現(xiàn)規(guī)則的波紋如圖7中2所指，圓筒一端大，圖7中1所指處，另一端小，圖7中3所指處。將機(jī)器魚魚頭和除魚尾外的各關(guān)節(jié)全部安裝在一起，然后將防水蒙皮套在其上，魚皮大的一端1可以依靠橡膠皮的彈性緊緊包在魚頭如
圖1后部，使用橡皮膠將魚皮與魚頭部粘牢；魚皮后部小的一端3依靠橡膠皮的彈性緊緊包在魚體尾部連接件的圓柱體部分，使用橡皮膠將魚皮與魚尾連接件圓柱體部分粘牢；完成防水密封后將魚尾安裝在魚尾連接件上，用螺釘固定緊。依此方法給出的一個全部密封完畢的仿生機(jī)器魚，如圖9所示。
實(shí)施例依據(jù)本實(shí)用新型所說明的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制電路結(jié)構(gòu)，防水密封方法，制作了一個四關(guān)節(jié)的機(jī)器魚。使用塑料制作了機(jī)器魚的流線型頭部和尾部使用的連接件，鋁板制作了機(jī)器魚的各驅(qū)動關(guān)節(jié)，薄鋁片制作了機(jī)器魚魚體骨架和機(jī)器魚頭部的連接件，薄塑料板制作具有柔性的機(jī)器魚魚尾，結(jié)構(gòu)如圖8所示。按照圖6電路原理圖實(shí)現(xiàn)的控制電路，使用51系列單片機(jī)芯片做為微控制器，無線通訊模塊作為通訊模塊，E2PROM24C02作為控制參數(shù)存儲模塊，CPLD作為電機(jī)運(yùn)動控制驅(qū)動單元。該系統(tǒng)使用充電電池為電機(jī)、控制電路供電。將防水蒙皮套在機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)上，使用橡皮膠將防水蒙皮在機(jī)器魚頭部和尾部連接件處粘牢，如圖9所示。
權(quán)利要求1.一種可遠(yuǎn)程遙控的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚，包括控制部分和多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚體，其特征在于第一驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅(qū)動電機(jī)放置在U型槽內(nèi)；第二驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。
2.按權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述驅(qū)動關(guān)節(jié)之間通過驅(qū)動電機(jī)軸的連接器相連。
3.按權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述上開口U型槽的底部有一淺凹槽，以便螺釘支撐第二驅(qū)動關(guān)節(jié)。
4.按權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的橢圓型魚體支撐骨架上有一走線孔。
5.按權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的控制部分包括通訊模塊，用于數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)控制命令的下傳和機(jī)器魚內(nèi)部信息的上傳；傳感信息采集模塊，用于觸覺、視覺、方位、姿態(tài)、聲納等信息的采樣；控制參數(shù)存儲模塊，用于存儲機(jī)器魚游動所需要的各種魚體波控制參數(shù)，保證機(jī)器魚的游動控制；微控制器模塊通過對傳感信息進(jìn)行處理，并依據(jù)下傳的控制命令和任務(wù)，提取控制參數(shù)，給出電機(jī)控制命令；電機(jī)驅(qū)動模塊，接受微控制器模塊下發(fā)的電機(jī)控制命令對機(jī)器魚各驅(qū)動關(guān)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的運(yùn)動。
6.按權(quán)利要求1所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚體還包括呈現(xiàn)規(guī)則波紋的防水蒙皮。
7.按權(quán)利要求6所述的仿生機(jī)器魚，其特征在于所述的防水蒙皮由橡膠注塑制成。
專利摘要一種可遠(yuǎn)程遙控的多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚，包括控制部分和多關(guān)節(jié)驅(qū)動的仿生機(jī)器魚體，第一驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個上開口U型槽，驅(qū)動電機(jī)放置在U型槽內(nèi)；第二驅(qū)動關(guān)節(jié)，其有一個左向開口的U型槽；橢圓型魚體支撐骨架，其有一長方形孔，通過所述長方形孔將魚體骨架套入在左向開口的U型槽和上開口U型槽之間。本實(shí)用新型可以為研究魚類運(yùn)動的水動力學(xué)、游動機(jī)理、運(yùn)動控制方法提供實(shí)驗(yàn)本體，為制造效率高、機(jī)動性好、噪音低、對環(huán)境擾動小的水下運(yùn)輸設(shè)備提供基本的實(shí)驗(yàn)平臺，制作娛樂型或觀賞型仿生機(jī)器魚。
文檔編號G09B25/00GK2549555SQ0224116
公開日2003年5月7日 申請日期2002年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月4日
發(fā)明者王碩, 喻俊志, 譚民, 陳爾奎, 梁健宏 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所