[发明专利]多组合推进式柔性仿生机器鱼

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿生技术，尤其是一种仿生机器鱼，具体地说是一种利用人工肌肉柔性驱动的多组合推进式柔性仿生机器鱼。

背景技术

鱼类是自然界最早出现的脊椎动物，经过亿万年的自然选择，进化出了非凡的水中运动功能。和普通的水下推进器相比，鱼类游动具有高效率、高机动性、低扰动的特点，对复杂环境的适应能力强。

目前国内外科学家都在探索不同于螺旋桨推进的高效率、机动灵活的水下推进方式。仿生机器鱼研究鱼类的推进机理，可用于狭窄或危险水下环境中的水质监测、军事侦察、水下救援、水下考古、海洋生物观察、水下设备检修等工作，具有重要的研究价值和应用前景。

鱼类的推进模式根据产生推进力部位的不同，可以分为身体/尾鳍推进模式和中间鳍/对鳍推进模式，目前的机器鱼研究通常集中在一种推进方式上，不能真实模仿鱼类在不同场合下的运动功能。在机器鱼的驱动上，通常采用电机和形状记忆合金等，且驱动与传动分离，不能模仿生物鱼类的肌肉柔性驱动与直接驱动功能，结构复杂。机器鱼结构多为刚性关节结构，无法产生鱼类的整体渐变柔性变形，影响了机器鱼的运动柔顺性和运动性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的仿生鱼推进方式单一、结构复杂的问题，设计一种结构简单，能实现多种推进方式的多组合推进式柔性仿生机器鱼，以便使仿生鱼的前进方式与真鱼更加逼近。

本发明的技术方案是：

一种多组合推进式柔性仿生机器鱼，它包括鱼头、鱼身、鱼尾和鱼鳍，其特征是所述的鱼身包括柔性轴14、柔性骨架3和带有柔性电极的鱼身人工肌肉2，柔性骨架3呈环形框架结构，它固定在柔性轴13上，鱼身人工肌肉2以张紧状态对称布置在柔性骨架3之间，当一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉收缩，使柔性轴14及鱼身产生连续弯曲，与鱼尾、鱼鳍配合形成身身/尾鳍推进模式；鱼头1和鱼尾6分别安装在柔性轴14的两端并分别与第一个和最后一个柔性骨架3相连，控制装置安装在鱼身中。

所述的鱼鳍包括鱼身前部对称安装的两只胸鳍9，在腹部两侧对称安装的两只腹鳍8，在背部中间安装的一只背鳍4，在其尾部下侧安装的一只臀鳍7，以及鱼尾6上连接的一个尾鳍5；它们均由片状柔性框架16和带有柔性电极的鱼鳍人工肌肉片17组成，在片状柔性框架16的中间加工有通孔，若干层鱼鳍人工肌肉片17以张紧状态布置在片状柔性框架16两侧面上，使鱼鳍人工肌肉片17上的柔性电极对准片状柔性框架16的通孔；未通电时，鱼鳍呈平面状，当一侧的鱼鳍人工肌肉片17通电时拉应力减小，另一侧鱼鳍人工肌肉片17会收缩，鱼鳍能产生单自由度两方向的连续弯曲摆动。

所述的胸鳍9对称布置在机器鱼身体前部两侧下端，沿径向布置，它连接有用以调节胸鳍攻角的胸鳍角度调整装置15，该角度调整装置包括转动轴19、转盘18和一对带有柔性电极的调角人工肌肉20，胸鳍9与转动轴19固连，转动轴19的一端枢装在柔性轴14上，另一端枢装在柔性骨架3上，转盘18固定安装在转动轴19上，转盘18连接有两个调角用人工肌肉20，调角人工肌肉20以张紧状态一端与转盘18固连，另一端固定在相邻的柔性骨架3上；当一侧调角人工肌肉20通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉会收缩，带动转盘19，转盘再带支转动轴19产生单自由度两方向的转动，调节胸鳍攻角；两只胸鳍独立控制，与其它鱼鳍配合，形成中间鳍/对鳍推进模式（这种模式是一种术语，英文简称叫MPF,这种方式主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动 产生推进力。另一种是身体/尾鳍(BCF)推进模式）。

所述的鱼头1的两侧安装有摄像头，在鱼头上部安装有天线，在鱼头前端安装有测距传感器。

在所述的鱼头、柔性骨架、鱼尾及鱼鳍上安装有发光纤维，用于视觉观测机器鱼的运动。

所述的人工肌肉为介电型电活性聚合物。

二只腹鳍对称布置在机器鱼身体腹部两侧下端，固连在同一环形框架即柔性骨架3上。所述背鳍、臀鳍、尾鳍安装在机器鱼的竖直对称面上，背鳍和臀鳍固连在两个或多个相邻环形框架即柔性骨架3之间，尾鳍与鱼尾固连。

本发明的机器鱼可采用身体/尾鳍推进模式。当柔性骨架一侧的人工肌肉通电时拉应力减小，另一侧人工肌肉缩短，使柔性轴及机器鱼身体产生柔性连续弯曲，与尾鳍配合产生摆动推进。此时，未通电的鱼鳍起到掌控平衡与方向的作用。在机器鱼采用身体/尾鳍推进模式时，通过角度调整机构改变胸鳍攻角，实现仿生机器鱼的上浮和下潜运动。