一种仿生机器鱼

本发明涉及水下探测，特别是涉及一种仿生机器鱼。

背景技术：

1、自然界大多数鱼类是借助尾鳍产生向前的推力，这种游动模式被称为鱼体-尾鳍(body and caudal fin，bcf)游动模式，该游动模式具有游速快和效率高的优点。金枪鱼是一种典型的bcf游动模式的鱼类，在游动过程中身体躯干前面约2/3长度的部分几乎为刚性，只有身体后面约1/3长度的部分作柔性运动，并产生向前的推力。刚性尾鳍适用于机器鱼在较小的尾鳍侧向平移幅值下巡游，而柔性尾鳍适用于机器鱼在较大的侧向平移幅值下巡游。在仿生机器鱼游动的研究中大多采用刚性尾鳍，而鱼的身体进行柔性运动，而柔性尾鳍为仿金枪鱼自主游动提供了稳定的向前推力，尾涡对推力有增加作用。

2、微型仿生机器鱼作为一类智能化、小型化、低成本的自主水下航行载具，其高推进效率、高机动性等特点促使其成为研发的热点，而作为研究仿生游动机理的重要依据，对于微型仿生机器鱼各运动部件表面附近流场信息的采集成为推动仿生游动机理发展的一个重要组成部分。

3、现在仿生机器鱼常用的浮潜方法有：胸鳍法、储水仓法以及重心改变法；其中，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；储水仓法是改变仿生机器鱼的自重，从而完成上浮和下潜运动；重心改变法是利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动。

4、但上述类型的微小型机器鱼目前存在以下问题：

5、1)浮潜运动：其中胸鳍法不能从功能上完全对鱼类进行仿生，实时性较差，缺乏机动性，且难以进行动密封防水；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；重心改变法占用较大的内部空间，且效果甚微；以上三种方法受内部空间限制难以运用于微小型机器鱼。

6、2)尾鳍制造：通常情况下，刚性尾鳍结构在水中高频摆动的过程中，容易损坏；此外，刚性尾鳍摆动阻力大，灵活性低，影响机器鱼的驱动效率，且制作成本高，制作工艺繁杂，如传统开模铸造的方式；而目前多数柔性尾鳍采用硅胶材质，根据鱼尾鳍结构比例设计鱼尾鳍模具，合模利用硅胶浇铸法往模具腔体浇铸硅胶，定型开模；但是以上方法成本偏高，且过程复杂，工艺繁琐，不适用于目标量产的微小型机器鱼。

7、3)机动性能：目前，机器鱼的推进方式总体分为两类：传统驱动、功能材料驱动。

8、其中，传统驱动中的电机驱动的仿生机器鱼多采用单关节或多关节的结构，这类仿生机器鱼采用一系列的机制来模仿鱼的摆动曲线，通常每个关节都有电机驱动，关节数目越多，配合精度越高，与鱼类的摆动曲线就越接近，但这样会增加机械的复杂性和控制难度，因此，这类仿生机器鱼大都采用3-5个关节；采用电机驱动仿生机器鱼是目前最成熟的驱动方式，游动性能好，但是噪声大，结构复杂。液(气)压驱动的机器鱼需要建立完整的液(气)压驱动系统，利用液(气)压阀和电子换向阀控制液(气)压缸内活塞的运动来实现机器鱼的运动控制，这类机器鱼的扭矩较大，控制过程精确，但是整个驱动系统非常复杂。而线驱动比较特别，是通过线的拉力将电机的转动转换成鱼尾的摆动来实现驱动，这种驱动方式的机器鱼能很好地模拟鱼类的游动，易于实现连续运动，成本较低，但是建模和精确控制困难。

9、相对于传统驱动的机器鱼来说，尺寸小是功能材料驱动机器鱼最大的特点，非常适合于制造微型机器鱼，这也是未来仿生机器鱼的发展方向；记忆合金(shapememoryalloy)驱动的机器鱼，利用材料相变过程中变形量与温度的相应关系来控制机器鱼的摆动实现驱动。这种材料质量轻，体积小，驱动电压低，能量转化率高，但是输出功率、推力均较小。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种仿生机器鱼，以至少解决上述现有技术存在的问题之一，结构紧凑，体积较小，且能够提高整体浮潜效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种仿生机器鱼，包括外壳、浮潜模块以及尾鳍模块，所述外壳上设置有鱼鳍组件；所述尾鳍模块设置于所述外壳的尾部，包括尾鳍驱动机构和尾鳍，所述尾鳍驱动机构能够带动所述尾鳍摆动，以使所述仿生机器鱼进行动作；所述浮潜模块安装于所述外壳上，包括形变件以及浮潜驱动机构，所述形变件位于所述外壳的外侧，所述浮潜驱动机构能够使所述形变件产生变形，以调节所述仿生机器鱼的整体体积，使所述仿生机器鱼进行浮潜。

4、优选的，所述形变件为伸缩管，所述伸缩管设置于所述外壳的底部，且所述伸缩管的底部封闭，顶部与所述外壳连通。

5、优选的，所述浮潜驱动机构包括伸缩管连接块以及直线驱动组件，所述伸缩管连接块位于所述伸缩管的内部，并与所述伸缩管的底部连接，所述直线驱动组件设置于所述外壳内，用于带动所述伸缩管连接块上下往复运动，以实现所述伸缩管的伸缩；

6、所述直线驱动组件包括第一舵机、齿轮和齿条，所述齿条的底部与所述伸缩管连接块连接，且所述齿条平行于所述伸缩管的伸缩方向；所述第一舵机通过舵机臂连接所述齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述第一舵机能够带动所述舵机臂以及所述齿轮同步转动，以带动所述齿条及所述伸缩管连接块上下运动，实现所述伸缩管的伸缩。

7、优选的，所述尾鳍为可形变材料切割而成的尾鳍；其中，所述可形变材料为pvc片材高透塑料板。

8、优选的，所述尾鳍驱动机构包括第二舵机、舵盘以及尾鳍固定件，所述舵盘安装于所述第二舵机的输出轴上，所述尾鳍固定件与所述舵盘连接，所述尾鳍可拆卸安装于所述尾鳍固定件上，所述第二舵机能够带动所述舵盘以及所述尾鳍固定件往复转动，以带动所述尾鳍摆动。

9、优选的，所述鱼鳍组件包括胸鳍和腹鳍，所述外壳的两侧均设置有所述胸鳍，所述外壳的底部设置有所述腹鳍；

10、所述胸鳍以及所述腹鳍均可拆卸安装于所述外壳上，其中，所述胸鳍以及所述腹鳍均与所述外壳磁吸连接，且所述胸鳍的曲面一侧与所述外壳的外侧曲面的曲率一致，所述腹鳍的曲面与所述外壳的曲面贴合。

11、优选的，所述外壳内还设置有密封舱盒，所述仿生机器鱼的控制模块以及电源组件均安装于所述密封舱盒内，且所述控制模块与所述电源组件电连接；所述外壳上还设置有外接电源插座，所述电源组件与所述外接电源插座电连接；

12、其中，所述外接电源插座为防水电源插座。

13、优选的，所述仿生机器鱼还包括磁控开关组件，所述磁控开关组件用于控制所述仿生机器鱼的电路开关；所述外壳的外壁上开设有磁铁槽，所述磁控开关组件位于所述外壳内部，并靠近所述磁铁槽设置；当所述磁铁槽内放入磁铁件时，所述磁控开关组件闭合。

14、优选的，所述磁控开关组件包括干簧管，所述干簧管安装于所述外壳的内壁上，且所述干簧管电连接于所述电源组件的正极和负极之间；

15、所述磁控开关组件还包括继电器和降压模块，所述干簧管串联在所述电源组件的负极与所述继电器的dc-端中间，所述电源组件的正极分线，分别接在所述继电器的dc+端以及com引脚上，所述继电器的in端口接在所述控制模块中，所述继电器的no端接在所述降压模块中。

16、优选的，所述外壳包括鱼头壳和后盖，所述后盖位于所述鱼头壳的尾端，且与所述鱼头壳拼接；

17、所述后盖与所述鱼头壳的拼接处通过密封件进行密封。

18、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

19、1)本发明中通过浮潜驱动机构使形变件产生变形，以调节仿生机器鱼的整体体积，使仿生机器鱼进行浮潜，相比于现有技术中胸鳍法、储水仓法以及重心改变法等浮潜方式，解决了仿生机器鱼在极小的内部空间里难以设计并实现浮潜的难题，能使仿生机器鱼的结构紧凑，体积较小，提高整体浮潜效率；而且，本发明中形变件设置于外壳的外侧，避免占用内部空间，进一步地节约空间成本。

20、进一步地，本发明中是通过sg90舵机配合简单机械传动结构以及伸缩管取代传统的浮潜模块，简化了整体结构，节约空间成本。

21、2)本发明是单舵机驱动的单关节机器鱼，搭配特定小刚度可形变的pvc片材高透塑料板所切割成的尾鳍，增大了尾鳍往复摆动所产生的推进力，能够实现高灵活度与高性能巡游，提高仿生机器鱼在巡游时的巡游速度、转向能力以及稳定性。

22、3)本发明中通过磁控开关组件控制仿生机器鱼的电路开关，磁控开关组件内置在外壳内壁上，避免了传统按钮开关外露的问题，达到物理隔断防水，提高了防水效果，且保证了仿生机器鱼流线性不变，减少来自水流的阻力。

23、4)本发明提供了一种多种鱼鳍的可拆卸方案，将胸鳍、腹鳍和尾鳍做成可拆卸模块，极大程度上方便了后续更换鱼鳍并持续优化机器鱼的游动性能；而且，胸鳍和腹鳍均可以通过磁吸方式可拆卸安装于外壳上，做到了物理隔断防水，且提高了拆装效率。

24、5)本发明采用多鱼鳍结构，利用胸鳍增加仿生机器鱼浮力，腹鳍提高仿生机器鱼的稳定性以及软体尾鳍的高性能驱动性，实现仿生机器鱼高性能稳定巡游。