一种自适应双稳态柔性仿生机器鱼

本发明涉及仿生机器鱼领域，具体涉及一种自适应双稳态柔性仿生机器鱼。

背景技术：

1、随着海洋工程技术的发展，开发和使用能够适应各种复杂海底环境的水下机器人的任务变得尤为重要，这种需求促进了水下机器人的发展。然而，水下机器人在水中实现指定的动作任务时会受到各种环境限制，要实现各种复杂的运动需要水下机器人具有较高的速度和加速度，也需要具有较小的转弯半径。如何提高水下机器人的游动性能也因此成为了水下机器人研究工作的核心关键点。驱动机构作为水下机器人的动力/运动装置，其性能的好坏也直接影响或决定仿生机器鱼的性能，如游动速度、效率以及机动性等。在仿生机器鱼的研制过程中，国内外研究人员试着利用电机或者液压驱动加上不同类型的杆、铰链、偏心凸轮等刚性驱动机构实现仿生机器人的运动。相关结果已经表明，与传统螺旋桨驱动的机器人相比，这些驱动器具有推进效率高、机动性好等优势，实际使用中也表现出了比较好的性能；但是，这些刚性仿生机器人也有体型庞大、较难实现柔性运动、推进效率难以媲美真实生物等缺陷，在使用寿命、智能控制和操控性等方面仍存在诸多问题。如何设计更加真实的柔性仿生机器鱼，在降低能耗的同时也能提高游动速度和游动距离，就成为了进一步开发仿生机器鱼的研究方向。

技术实现思路

1、本发明以降低能耗、增加鱼身柔顺性、增大游动速度、延长机器鱼游动距离为出发点，通过巧妙设计的自适应双稳态模块，降低传统双稳态机构的能量势垒，降低柔性机器鱼鱼身摆动时所需要的能量并增加摆动的瞬时速度，实现更加高效的柔性仿生机器鱼驱动，从而实现新型柔性仿生机器鱼的设计。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种自适应双稳态柔性仿生机器鱼，外形按照真实鱼进行等比例建模，具体包括：刚性鱼头1、刚性鱼体舱盖2、柔性鱼身3和柔性尾鳍4；其中，所述刚性鱼体舱盖2设置在所述刚性鱼头1上，所述刚性鱼头1、柔性鱼身3和柔性尾鳍4依次密封连接，所述刚性鱼头1包括中空的鱼头舱101和鱼头外壳102，所述鱼头舱101内部设置有驱动模块5、自适应双稳态模块6和控制模块7；在所述控制模块7的智能控制下，所述驱动模块5产生的机械能一部分用于驱动所述柔性鱼身3向一侧弯曲，此时为流体介质供能阶段，由于所述自适应双稳态模块6的作用，将另一部分所述机械能存储为所述自适应双稳态模块的弹性势能，存储的所述弹性势能在所述柔性鱼身3的弯曲状态刚好越过绷直状态后开始进行释放，带动所述柔性鱼身3继续向另一侧弯曲，此时为自适应双稳态模块供能阶段，所述流体介质供能阶段和所述自适应双稳态模块供能阶段交替进行，实现所述柔性鱼身3交替弯曲，带动所述柔性尾鳍4随之往复摆动。

4、所述驱动模块5包括电池501、电机支架502、伺服电机503、联轴器504、储液罐505、齿轮泵506、二位五通电磁阀507和连接管道508；所述电池501设置在所述鱼头舱101的前端，所述电池501一侧与所述电机支架502连接，所述电机支架502内部设置所述伺服电机503，所述电机支架502上面设置所述储液罐505，所述伺服电机503通过所述联轴器504与所述齿轮泵506连接，所述齿轮泵506一侧与所述储液罐505直接连接，所述齿轮泵506另一侧与所述连接管道508一端连接，所述连接管道508另一端与所述柔性鱼身3连通，所述连接管道508上设置所述二位五通电磁阀507，所述控制模块7与所述二位五通电磁阀508和所述伺服电机504电性连接或无线连接，所述电池501用于给所述伺服电机503、所述二位五通电磁阀507和所述控制模块7供电，所述自适应双稳态模块6与所述驱动模块5相邻。

5、所述自适应双稳态模块6包括立柱601、三角支架602、滑轨603、前置弹簧604、滑块605、后置弹簧606、拉杆607和限位件608，所述立柱601固定设置在所述鱼头舱101中，所述立柱601一侧横向设置所述三角支架602，所述三角支架602中心设置两条平行的所述滑轨603，所述滑块605滑动设置在两条所述滑轨603内，两条所述滑轨603的端部设置所述限位件608避免所述滑块605脱出，所述滑块605一侧与所述立柱601通过所述前置弹簧604连接，所述滑块605另一侧连接所述后置弹簧606的一端，所述后置弹簧606的另一端穿过所述柔性鱼身3并与所述拉杆607的前端连接，所述拉杆607的后端固定在所述柔性尾鳍4上，所述前置弹簧604和后置弹簧606始终保持预拉伸状态。

6、进一步的，所述柔性鱼身3为剖分式结构，分为完全对称的左侧鱼身和右侧鱼身，所述左侧鱼身和右侧鱼身的材质为柔性材料，可反复大幅度弯曲变形但不可轴向伸长，所述右侧鱼身的结构与所述左侧鱼身的结构完全相同，所述左侧鱼身包括半锥形壳301、腔盖302和半锥形腔303，所述半锥形壳301和腔盖302一体设置，所述半锥形壳301和腔盖302的内部为所述半锥形腔303，所述半锥形腔303内部固定设置多个纵向平行的半圆肋板304，所述多个半圆肋板304均匀间隔分布，将所述半锥形腔303分隔成为多个腔室，所述多个半圆肋板304的直径逐渐减小，与所述半锥形腔303的内径适配，所述腔盖302上设有第一挖空弧槽305，每个所述半圆肋板304的圆心处均设有第二挖空弧槽306，所述第一挖空弧槽305附近设有液体出入口307，所述第二挖空弧槽306附近设有所述腔室连通孔308，所述左侧鱼身的尾部为实心，所述左侧鱼身的尾部中轴线上设有腔室出口通道309，所述第一挖空弧槽305、所述第二挖空弧槽306和所述腔室出口通道309位于同一直线上，所述液体出入口307与所述连接管道508连通。

7、进一步的，所述柔性鱼身3还包括呈梯形的中间密封盖板3010，所述中间密封盖板3010置于所述左侧鱼身和右侧鱼身的正中间，所述中间密封盖板3010与所述左侧鱼身和右侧鱼身均密封配合防止液体流出，所述中间密封盖板3010的中轴线上设置有弧形凸起结构3011，所述弧形凸起结构3011与两侧的所述第一挖空弧槽305、第二挖空弧槽306结构适配，密封配合，所述弧形凸起结构3011内部中空，所述后置弹簧606穿过所述弧形凸起结构3011的内部后与所述拉杆607的前端连接，所述拉杆607的前端固定在所述弧形凸起结构309的后端，所述拉杆607仍置于所述腔室出口通道309内。

8、进一步的，所述刚性鱼头1通过3d打印技术加工而成，所述柔性尾鳍4通过注塑成型制造。

9、进一步的，所述刚性鱼头1与所述柔性鱼身3之间通过定位销和螺钉固定连接，以保证所述刚性鱼头1和柔性鱼身3不发生相对转动，并在结合部位涂抹防水密封胶，防止相对滑动和漏水。

10、进一步的，所述控制模块7用于控制所述伺服电机504的启停、转速和所述二位五通电磁阀508的电位，进而控制所述柔性仿生机器鱼的摆动频率和摆动幅度。

11、进一步的，所述柔性鱼身3和所述柔性尾鳍4均使用聚合物柔性材料，并通过定位销和螺钉固定连接。

12、进一步的，所述中间密封盖板3010为胶体和纤维布共同浇注形成，可反复弯曲但不可轴向拉伸。

13、进一步的，所述弧形凸起结构3011的内部空间足够，在所述自适应双稳态柔性仿生机器鱼的游动过程中，所述后置弹簧606与所述弧形凸起结构3011始终不接触，避免相互干涉。

14、本发明的有益效果在于：

15、(1)本发明通过引入自适应双稳态模块，前置弹簧和后置弹簧一直都是处于预拉伸状态，有利于将动能储存为弹簧的弹性势能，从而克服了传统双稳态机构突破势垒所需能量大的缺点，并将其应用于仿生机器鱼的驱动中，实现了在相同功耗下，使柔性仿生机器鱼游得更静、更快、更远。本发明另一大优势是柔性鱼身柔顺性更好，通过设计控制系统可实现机器鱼的多形态、大摆角游动，与真实鱼类的游动姿态更加接近、游动效率也更高。

16、(2)流体介质供能+自适应双稳态模块供能，交替进行。驱动模块产生的机械能一部分用于驱动柔性鱼身发生弯曲变形(此为流体介质供能)，由于前置弹簧和后置弹簧一直都是处于预拉伸状态，因此另一部分存储为自适应双稳态模块的弹性势能；存储的弹性势能在柔性鱼身的弯曲状态刚好越过绷直状态后开始进行释放，带动柔性鱼身继续向另一侧弯曲(此为自适应双稳态模块供能)，也就是流体介质供能阶段和自适应双稳态模块供能阶段交替进行，同比能耗更小。