一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置

1.本实用新型涉及仿生机械技术领域，特别是涉及一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置。


背景技术：

2.随着科技的发展,机器人应用越来越广泛。仿生机器鱼作为机器人家族中的重要成员，具有高度灵活性和柔性，在水质检测、水下搜救、监测鱼类的生活状况以及在军事方面都起到了重要作用。
3.仿生机器鱼形似鲤鱼，身上装备有探测传感器，可以发现水中的多种污染物，如轮船泄漏的燃油或其他化学物等，并利用gps装置将数据适时传给研究人员。之后科学家再用这些数据绘制实时的水污染3d图，好让环保部门采取最好办法来清除这里的污染物。
4.目前的仿生机器鱼主要是由摆动模块、控制模块、以及机械拉杆结构组成，通过设置在仿生机器鱼内的机械拉杆结构，带动仿生机器鱼的尾部或者胸鳍部位等摆动部件摆动从而实现仿生机器鱼在水中实现游动后再利用控制模块控制仿生机器鱼的方向。
5.但是，现有的仿生机器鱼中主要都是通过驱动仿生机器鱼的胸鳍来提供动力再通过手动控制仿生机器鱼头的转向进而实现仿生机器鱼在游动中能够避障的目的，而利用胸鳍摆动提供动力和手动控制仿生机器鱼的游动方位具有较多缺点，如推进效率低、机动性差、控制方式单一难以实现下潜上浮功能，手动控制人力成本高、无法实现自主避障等。


技术实现要素：

6.本实用新型针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置。
7.为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置。
8.技术效果：解决了现今的仿生机器鱼利用胸鳍摆动时导致动力不足，推进效率低，机动性能差，耗能高，推进作用弱导致仿生机器鱼在进行转向运动时会降低其游动灵活性，机动性，不利于仿生机器鱼的运动协调，同时难以控制仿生鱼的转向以及难以自主避障的问题，还降低了人力成本，增大了控制范围。
9.本实用新型进一步限定的技术方案是：一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，包括相互连接的鱼头部件、鱼身部件以及可相对于鱼身部件摆动以驱动前进的鱼尾部件，鱼身部件中安置有
10.无线通信模块，包括无线蓝牙模块和wifi连接模块，用于传输和接收无限信号；
11.配重块，用于控制重心位置以实现下潜或上浮；
12.固定板，其上安装有arduino模块、arduino扩展板和电池，用于处理无线信号、控制仿生机器鱼各部件工作并提供电力支持；
13.鱼身部件外靠近鱼头部件位置安装有双轴舵机，双轴舵机两侧均连接有随之同步
转动的胸鳍部件，用以控制仿生机器鱼游动时的角度；
14.鱼头部件内原理鱼身部件的一端设有与无线通信模块电连接的防水红外线传感器，用于探测障碍物以实现自动仿生机器鱼的避障。
15.进一步的，鱼身部件中设有沿鱼身部件长度方向分布的轨道，固定板两侧凸起形成边缘并嵌设于轨道中；双轴舵机安装于固定板前端位置，固定板后端位置则安装无线通信模块、arduino模块和arduino扩展板块，上述模块均通过螺丝于固定板固定连接；固定板底部形成有o型空腔，电池置于o型空腔内，配重块置于固定板底部与鱼身部件内底面之间。
16.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，胸鳍部件通过螺纹固定轴与双轴舵机连接，并通过螺丝固定；胸鳍部件与鱼身部件之间的间隙通过防水橡胶圈密封，双轴舵机两侧的胸鳍部件关于鱼身部件对称设置。
17.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，鱼头部件与鱼身部件之间的缝隙通过密封防水垫密封，鱼头部件、鱼身部件与鱼尾部件之间均通过m2螺丝固定连接；鱼头部件前端开孔以放置防水红外线传感器，并设有红外前盖与防水胶圈，以实现固定密封防水。
18.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，鱼尾部件包括依次连接的前尾鳍、中尾鳍和后尾鳍，前尾鳍包括上下两部分，并与中尾鳍镶嵌式连接，前尾鳍内通过螺丝固定有力传动圆盘，中尾鳍内设有单轴舵机，用于实现中尾鳍相对于前尾鳍的自由转动。
19.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，前尾鳍与鱼身部件之间间隙中设有防水垫，鱼身部件与前尾鳍之间通过螺丝固定。
20.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，后尾鳍和中尾鳍之间的连接结构与中尾鳍与前尾鳍之间的连接结构相同，中尾鳍后端设有与前尾鳍中相同的力传动圆盘，后尾鳍前端设有与中尾鳍内相同的单轴舵机。
21.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，后尾鳍上通过螺丝固定由鱼尾拨板，用于增强仿生机器鱼的整体浮力和推进作用，鱼尾部件通过组合摆动的中尾鳍和后尾鳍形成前进、后退、左转或右转的动作组。
22.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，鱼头部件、鱼身部件和鱼尾部件均通过3d打印机以pla防水材料3d打印制得拼接，并通过m2螺丝连接固定。
23.前所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，arduino模块、arduino扩展板块、双轴舵机、两个单轴舵机以及若干条用于连接上述模块的杜邦线组成arduino控制系统，用于分别控制胸鳍部件和鱼尾部件的摆动。
24.本实用新型的有益效果是：
25.(1)本实用新型中，通过鱼尾部件摆动，胸鳍部件调整方向，模仿鱼类游动，提高了推进效率，增强了推进作用，提升了机动性，减小了与水的接触面积，降低了能耗；
26.(2)本实用新型中，避免由于胸鳍摆动防水不到位且尾部不平衡产生的空穴现象，降低了水的阻力，以便于实现下潜和上浮的功能；
27.(3)本实用新型中，鱼尾部件呈角度设置和摆动，由中尾鳍与后尾鳍形成组合摆动，可形成前进、后退、左转、右转等动作组，提升仿生机器鱼在水中的灵活性；
28.(4)本实用新型中，通过无线控制代替手动控制，提升了控制范围，同时能够对仿生机器鱼进行实施控制，减少了人力物力的耗费，降低了成本，同时设置的防水红外线传感
器能够实现仿生机器鱼的自主避障；
29.(5)本实用新型中,通过设置鱼头、鱼身、胸鳍以及鱼尾组合可构成一完整的仿生鱼，并将其进行硬件安装、部件拼接以及不断的对尺寸大小进行调配；
30.鱼身采用流线型鱼体，并且通过配重块和胸鳍部分实现平衡，而尾鳍摆动产生的尾流和胸鳍的摆动能够实现推动作用；
31.同时，利用双轴舵机，红外传感器，无线wifi传输模块，arduino板以及arduino扩展板使仿生鱼总共具有五个方面管理层，分别是：运动控制管理层、远程数据管理层、无线数据传输层、现场数据处理层；
32.利用手机和电脑通过无线蓝牙模块连接仿生机器鱼后，再通过wifi连接模块向仿生机器鱼的发送目标位置，仿生机器鱼进行目标位置与自身位置比对后借助胸鳍和尾鳍的摆动提供动力，在游动的过程中其通过无线蓝牙模块以及wifi连接模块来控制仿生机器鱼中的arduino板，实现变速游动，而仿生机器鱼会通过防水红外线传感器自主避障，达到目标位置。
附图说明
33.图1为本实用新型的立体图；
34.图2为本实用新型的骨架结构和无线通讯的结构图；
35.图3为本实用新型的部分零件和部分硬件的结构图；
36.图4为本使用新型中鱼尾部件的立体图；
37.图5为本实用新型中鱼尾部件的爆炸图；
38.图6为本实用新型内中尾鳍的立体图；
39.图7为本实用新型内中尾鳍的爆炸图；
40.图8为本实用新型中后尾鳍的立体图；
41.图9为本实用新型中后尾鳍的爆炸图。
42.其中：1、防水红外线传感器；2、温度传感器；3、ph检测控制板；4、二氧化碳检测器；5、六棱螺丝孔；6、单轴舵机；7、舵机控制板；8、ph检测器；9、电池；10、红外前盖；11、鱼头部件；12、鱼身部件；13、胸鳍部件；14、鱼尾部件；15、无线通信模块；16、arduino模块；17、配重块；18、固定板；19、双轴舵机；20、密封防水垫；21、轨道；22、前尾鳍；23、中尾鳍；24、后尾鳍；25、上部分前尾鳍；26、下部分前尾鳍；27、上部分中尾鳍；28、下部分中尾鳍；30、后尾鳍单轴舵机；31、力传动圆盘。
具体实施方式
43.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
44.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一元件，它可以直接在另一元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及
类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
45.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
46.本实施例提供的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，结构如图1至图5所示，包括防水红外线传感器1、力传动圆盘31、单轴舵机6、电池9、鱼头部件11、鱼身部件12、胸鳍部件13、鱼尾部件14、控制模块、无线通信模块15、配重块17、固定板18、双轴舵机19、密封防水垫20以及力传动圆盘31，上述部件组合后可构成一条完整的仿生机器鱼。
47.防水红外线传感器1可使仿生机器鱼在水下3～10m实现自主避障功能。防水红外线传感器1位于鱼头部件11前端中开设的圆孔中。
48.鱼身部件12前端左右各设置有一个圆孔，用于安装双轴舵机19，鱼头部件11下端边缘上下各设置两个m2零件孔，四个m2零件孔用于连接鱼身部件12前端。鱼头部件11和鱼身部件12之间设置有密封防水垫20。
49.鱼身部件12的腹部开设有所述控制硬件安置空间。鱼身部件12内部设置呈中空状，内部中间安置轨道21，轨道21用于放置固定板18，可减少整条仿生机器鱼的重量并且可以用于放置电池9、无线通信模块15、配重块17、固定板18、双轴舵机19以及控制模块，通过鱼身部件12内部位于固定板18上方的控制模块可驱动双轴舵机19形状从而带动胸鳍部件13的摆动来为仿生机器鱼提供部分动力；
50.防水红外线传感器1、双轴舵机19、单轴舵机6以及无线通信模块15通过杜邦线与控制模块相连接，利用固定板18上方控制模块来驱动防水红外线传感器1，使仿生机器鱼在游动的过程中实现自主避障到达目标点，而鱼身部件12左右两侧的胸鳍部件13能起到平衡作用同时在固定板18下方的电池9在整个过程为控制模块提供动力；
51.通过配重块17在鱼身部件12内部固定板18下方空间内的移动以改变中心位置，配合改变仿生机器鱼的胸鳍部件13的摆动角度从而实现下潜上浮功能；两个胸鳍呈侧扁平状，流线型，可减小水中的阻力。
52.鱼身部件12后端上端设置有两个圆孔，该圆孔用于连接鱼身部件12和鱼尾部件14，鱼尾部件14包括前尾鳍22、中尾鳍23以及后尾鳍24；前尾鳍22包括上部分前尾鳍25和下部分前尾鳍26。
53.前尾鳍22与鱼身部件12以及中尾鳍23相连，中尾鳍23与后尾鳍24相连，前尾鳍22前上端设置四个m2圆孔，其中设有m2螺丝。m2螺丝横安置在圆孔内，用于将前尾鳍22与鱼身部件12的末端连接。
54.中尾鳍23包括力传动圆盘31、四个六棱螺丝孔5、一个20kg扭矩的单轴舵机6、上部分中尾鳍27以及下部分中尾鳍28。力传动圆盘31位于上部分中尾鳍27与中尾鳍23单轴舵机6之间，在力传动圆盘31的的左右两侧开设有两个嵌入型六棱螺丝孔5，该螺丝孔用于连接上部分中尾鳍27和下部分中尾鳍28；两个单轴舵机6则作为鱼尾部件14的关节，控制鱼尾部件14的摆动。
55.后尾鳍24包括鱼尾板，鱼尾板呈半月形，其由pla材料3d打印制造而成。后尾鳍24与鱼尾板相连，后尾鳍24还包括力传动圆盘31、两个六棱螺丝孔5，三个嵌入型六棱螺丝孔5、一个后尾鳍24单轴舵机6，其中三个嵌入型的六棱螺丝孔5能够后尾鳍24其与鱼尾板固定
连接；
56.鱼尾部件14主要用于仿生机器鱼的转向以及提供主要动力，当中尾鳍23和后尾鳍24偏向一定角度并保持不变时带来的水流的推动作用,将会使整条鱼起到转向的作用，另外后尾鳍24还可以起到前进作用；
57.当中尾鳍23和后尾鳍24偏离中性面并不停左右摆动时便可以推进机仿生机器鱼向前运动，这类似于生活中鱼的尾鳍的作用，而前尾鳍22能够使鱼身部件12和中尾鳍23连接起来，在中尾鳍23和后尾鳍24摆动时，带动鱼身部件12同步转动。
58.利用无线通信模块15控制arduino板使单轴舵机6以及20kg扭矩的双轴舵机19转动，使得鱼头、鱼身以及鱼尾运动协调统一；
59.当需要仿生机器鱼完成转向运动时，可控制中尾鳍23和后尾鳍24摆动频率幅度，当后尾鳍24摆动频率幅度大于中尾鳍23时，整个仿生机器鱼的鱼体则可倾向于朝着摆动频率幅度大的一侧进行转动，从而实现转身运动；
60.尾鳍的摆动能够消除螺旋桨产生的与推进方向垂直的涡流，产生与推进方向一致的涡流，并且整理尾流，使其具有更加理想的流体力学性能，从而大大提高推进效率；
61.当需要仿生机器鱼完成下潜上浮运动时，可控制双轴舵机19改变胸鳍部件13的转向使得鱼身部件12两边胸鳍部件13摆动角度不同，当两个胸鳍部件13的摆动方向都向下时，配重块17向下倾斜，仿生机器鱼实现下潜，当两个胸鳍部件13的摆动方向都向上时，配重块17回到原点保持平衡，仿生机器鱼实现上浮。
62.在整个过程中配重块17起到平衡身体的作用，达到运动协调，避免仿生机器鱼出现翻身，以增强仿生机器鱼的游泳灵活性，而电机与尾部提供动力实现下潜上浮运动.
63.除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，包括相互连接的鱼头部件(11)、鱼身部件(12)以及可相对于所述鱼身部件(12)摆动以驱动前进的鱼尾部件(14)，其特征在于：所述鱼身部件(12)中安置有无线通信模块(15)，包括无线蓝牙模块和wifi连接模块，用于传输和接收无限信号；配重块(17)，用于控制重心位置以实现下潜或上浮；固定板(18)，其上安装有arduino模块(16)、arduino扩展板块和电池(9)，用于处理无线信号、控制仿生机器鱼各部件工作并提供电力支持；所述鱼身部件(12)外靠近所述鱼头部件(11)位置安装有双轴舵机(19)，双轴舵机(19)两侧均连接有随之同步转动的胸鳍部件(13)，用以控制仿生机器鱼游动时的角度；所述鱼头部件(11)内原理所述鱼身部件(12)的一端设有与所述无线通信模块(15)电连接的防水红外线传感器(1)，用于探测障碍物以实现自动仿生机器鱼的避障。2.根据权利要求1所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述鱼身部件(12)中设有沿鱼身部件(12)长度方向分布的轨道(21)，所述固定板(18)两侧凸起形成边缘并嵌设于轨道(21)中；所述双轴舵机(19)安装于所述固定板(18)前端位置，所述固定板(18)后端位置则安装所述无线通信模块(15)、所述arduino模块(16)和所述arduino扩展板块，上述模块均通过螺丝于固定板(18)固定连接；所述固定板(18)底部形成有o型空腔，所述电池(9)置于o型空腔内，所述配重块(17)置于所述固定板(18)底部与鱼身部件(12)内底面之间。3.根据权利要求1所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述胸鳍部件(13)通过螺纹固定轴与所述双轴舵机(19)连接，并通过螺丝固定；所述胸鳍部件(13)与所述鱼身部件(12)之间的间隙通过防水橡胶圈密封，所述双轴舵机(19)两侧的胸鳍部件(13)关于所述鱼身部件(12)对称设置。4.根据权利要求1所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述鱼头部件(11)与所述鱼身部件(12)之间的缝隙通过密封防水垫(20)密封，所述鱼头部件(11)、所述鱼身部件(12)与所述鱼尾部件(14)之间均通过m2螺丝固定连接；所述鱼头部件(11)前端开孔以放置所述防水红外线传感器(1)，并设有红外前盖(10)与防水胶圈，以实现固定密封防水。5.根据权利要求1所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述鱼尾部件(14)包括依次连接的前尾鳍(22)、中尾鳍(23)和后尾鳍(24)，所述前尾鳍(22)包括上下两部分，并与所述中尾鳍(23)镶嵌式连接，所述前尾鳍(22)内通过螺丝固定有力传动圆盘(31)，所述中尾鳍(23)内设有单轴舵机(6)，用于实现所述中尾鳍(23)相对于所述前尾鳍(22)的自由转动。6.根据权利要求5所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述前尾鳍(22)与所述鱼身部件(12)之间间隙中设有防水垫，所述鱼身部件(12)与所述前尾鳍(22)之间通过螺丝固定。7.根据权利要求6所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述后尾鳍(24)和所述中尾鳍(23)之间的连接结构与所述中尾鳍(23)与所述前尾鳍(22)之间的连接结构相同，所述中尾鳍(23)后端设有与所述前尾鳍(22)中相同的力传动圆盘(31)，所述后尾鳍(24)前端设有与所述中尾鳍(23)内相同的中尾鳍(23)单轴舵机(6)。
8.根据权利要求6所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述后尾鳍(24)上通过螺丝固定由鱼尾拨板，用于增强仿生机器鱼的整体浮力和推进作用，所述鱼尾部件(14)通过组合摆动的中尾鳍(23)和后尾鳍(24)形成前进、后退、左转或右转的动作组。9.根据权利要求1所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述鱼头部件(11)、所述鱼身部件(12)和所述鱼尾部件(14)均通过3d打印机以pla防水材料3d打印制得拼接，并通过m2螺丝连接固定。10.根据权利要求5所述的一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，其特征在于：所述arduino模块(16)、所述arduino扩展板块、所述双轴舵机(19)、两个所述单轴舵机(6)以及若干条用于连接上述模块的杜邦线组成arduino控制系统，用于分别控制所述胸鳍部件(13)和所述鱼尾部件(14)的摆动。

技术总结
本实用新型公开了一种基于双轴舵机控制的仿生机器鱼装置，涉及仿生机械技术领域，包括鱼头部件、鱼身部件以及鱼尾部件和胸鳍部件；鱼头部分前端内置有红外传感器，当红外传感器探测到障碍物时仿生机器鱼会控制尾部关节摆动从而进行避障；鱼身部件内置有与胸鳍部件相连的双轴舵机，通过改变胸鳍的角度来控制仿生机器鱼的上浮下沉，鱼身内还设有控制摆动组件、无线通信模块，Arduino模块、电池。鱼尾分为前尾鳍、中尾鳍、后尾鳍三部分，前两者中内置有防水舵机，尾鳍与中尾鳍固定连接；通过利用两个防水舵机实现对鱼尾的动作控制，进而实现对尾鳍的摆动方向和摆动频率的控制，最终实现仿生机器鱼的运动及转向，控制更加灵活，控制精度高。精度高。精度高。


技术研发人员：陈小军 陈召成 李德锦 吴逸生 倪伟森 莫德云 连海山
受保护的技术使用者：岭南师范学院
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/6/20