一种电磁驱动的全柔性机器鱼

1.本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种电磁驱动的全柔性机器鱼。


背景技术：

2.近年来，科研人员开始关注仿生学，仿生学能够为科研人员提供新的思路，其中仿生鱼为该领域热门的研究方向之一。真实鱼类通常采用摆动鱼尾的推进方式，这种方式相较于传统的采用螺旋桨水下推进器具有诸多优点：1)推进效率高；2)机动性高；3)噪音小；4)运动形式多样。为此科研人员研究并制作了许多仿生机器鱼，它们外形通常与真实鱼类相似。这些仿生机器鱼能够在观测海洋鱼类资源、探测海洋资源等方面发挥重要作用。
3.目前大部分设计的仿生机器鱼均采用电机驱动，存在体积和重量大、结构复杂、瞬时响应有严重的滞后性、常伴有较大的噪声等不可避免的缺陷。除此之外，现有的仿生机器鱼的研究中大部分都是采用的全刚性或部分刚性结构，难以承受深水下的高压力。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出如下技术方案：
5.一种电磁驱动的全柔性机器鱼，包括鱼头部、鱼身体、鱼尾部；
6.所述鱼头部、鱼身体、鱼尾部均采用柔性材料制作而成，且依次连接；
7.所述鱼身体用于产生周期性变化的磁场，所述鱼尾部在所述磁场的作用下左右摆动，实现电磁驱动。
8.进一步地，所述鱼身体包括：鱼身体壳、电池、柔性驱动电路板、柔性线圈；
9.所述鱼身体壳为侧面开槽的柱形结构，所述鱼身体壳与所述鱼尾部连接的平面处设置有一圆形通孔，所述圆形通孔与所述鱼身体壳侧面开槽形成的空腔结构连通；
10.所述柔性线圈为内部中空的圆柱结构，固定在所述鱼身体壳内部，所述柔性线圈与所述圆形通孔同轴布置，且所述柔性线圈的内径不小于所述圆形通孔的直径；
11.所述柔性驱动电路板、电池固定在所述鱼身体壳内部，所述电池用于向所述柔性驱动电路板供电；所述柔性驱动电路板用于将所述电池提供的电压转化为固定频率的正负可变电压，进而得到正负可变电流，输入到所述柔性线圈中，产生周期性变化的磁场。
12.进一步地，所述鱼尾部包括鱼尾本体和柔性磁聚合结构；所述鱼尾本体面向鱼身体一面的一侧有一凸起的圆柱状连接头，所述柔性磁聚合结构固连在所述圆柱状连接头上，所述柔性磁聚合结构为带有磁性的柱状结构；所述柔性磁聚合结构的直径小于所述圆形通孔的直径，所述柔性磁聚合结构伸入所述柔性线圈的内部，能在所述柔性线圈内做轴向运动；所述鱼尾本体面向鱼身体一面的另一侧与所述鱼身体固连。
13.进一步地，所述柔性驱动电路板包括无线控制模块、正负方波产生电路；所述正负方波产生电路用于将电压转化为固定频率和占空比的正负方波，所述无线控制模块用于接收控制端发出的无线信号，并改变所述正负方波产生电路产生的正负方波的频率和占空比。
14.进一步地，所述鱼头部、鱼身体壳、鱼尾本体为由热塑性聚氨酯弹性体tpu或热塑性弹性体tpe直接打印得到，或由硅橡胶浇注而成的柔性体。
15.进一步地，所述柔性磁聚合结构由硅橡胶与磁粉混合制成。
16.进一步地，所述柔性线圈由硅橡胶与金属粉末混合制成。
17.本发明的有益效果是：
18.(1)本发明采用电磁驱动，通过线圈通电产生磁来驱动鱼尾左右摆动，可实现低噪音驱动，同时输出频率相较于电机可以达到更高，且响应速度快。
19.(2)本发明采用全柔性结构，相较于其余刚性或部分刚性的仿生机器鱼质量更小，仿生程度更高，并适用于深水作业。
附图说明
20.图1是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼的结构示意图。
21.图2是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼的鱼头部结构示意图。
22.图3是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼的鱼身体结构示意图。
23.图4是本发明鱼身体壳的结构示意图。
24.图5是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼的电路框架图。
25.图6是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼的鱼尾部结构示意图。
26.图7是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼鱼尾向右摆动时的俯视图。
27.图8是本发明电磁驱动的全柔性机器鱼鱼尾向左摆动时的俯视图。
28.图中，鱼头部1、鱼身体2、鱼身体壳21、电池22、柔性驱动电路板23、柔性线圈24、鱼尾部3、鱼尾本体31、柔性磁聚合结构32。
具体实施方式
29.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.如图1所示，本发明电磁驱动的全柔性机器鱼包括：鱼头部1、鱼身体2、鱼尾部3。鱼身体2产生磁场，鱼尾部3在磁场的作用下左右摆动，实现电磁驱动。
31.如图2所示，鱼头部1为锥状结构，其与鱼身体2连接的平面有一凸起。
32.如图3、图4所示，鱼身体2包括鱼身体壳21、电池22、柔性驱动电路板23、柔性线圈24。鱼身体壳21的侧面开槽，在鱼身体壳21内部形成空腔；鱼身体壳21与鱼头部1连接的平面处设置有一凹槽，用于与鱼头部1的凸起配合，实现鱼头部1与鱼身体2的连接。鱼身体壳21与鱼尾部3连接的平面处设置有一方形凹槽和圆形通孔，圆形通孔与鱼身体壳21内的空腔连通；柔性线圈24为内部中空的圆柱体，固定在鱼身体壳21内部，由硅橡胶与金属粉末混合制成，金属粉末提供导电功能，硅橡胶提供柔性功能；柔性线圈24与圆形通孔同轴布置，且圆形通孔的截面直径与柔性线圈24的内部截面直径相同。
33.电池22和柔性驱动电路板23固定布置在鱼身体壳21内部空腔处，电池22用于向柔性驱动电路板23提供电压，柔性驱动电路板23用于将电压转化为一定频率的正负可变电压，一定频率的正负可变电压产生正负可变电流，输入到柔性线圈24中，产生磁场。
34.如图5所示，柔性驱动电路板23包括无线控制模块和正负方波产生电路，正负方波产生电路用于将电压转化为一定频率、一定占空比的正负方波；无线控制模块用于接收无线信号，可通过控制端发出的无线信号，改变正负方波产生电路产生的正负方波的频率和占空比，以实现对全柔性机器鱼的运行速度和方向的实时控制。本实施例中无线控制模块具体选用蓝牙控制模块。
35.如图6所示，鱼尾部3包括鱼尾本体31和柔性磁聚合结构32。鱼尾本体31面向鱼身体2的一面有一凸起的圆柱状连接头和一方形凸起。
36.由硅橡胶与磁粉混合制成的柔性磁聚合结构32固连在鱼尾本体31的前端右侧的圆柱状连接头上，柔性磁聚合结构32为带有磁性的柱状结构，其直径略小于鱼身体壳21上的圆形通孔的直径，柔性磁聚合结构32深入柔性线圈24的内部，能在柔性线圈24内做轴向运动(即前后运动)。方形凸起位于鱼尾本体31的前端左侧，该方形凸起与鱼身体壳21的方形凹槽相配合，实现鱼身体2与鱼尾部3的连接。
37.鱼头部1、鱼身体壳21、鱼尾本体31为由热塑性聚氨酯弹性体tpu、热塑性弹性体tpe等柔性材料直接打印得到，或者由硅橡胶浇注而成的柔性体，制作简单，便于大规模生产。
38.如图7所示，当柔性线圈24内电流产生的磁场对柔性磁聚合结构32产生吸引时，柔性磁聚合结构32向鱼头部1的方向移动，由于鱼尾本体31上的方形凸起不会发生前后运动，且鱼尾本体31为柔性结构，鱼尾本体31会向右摆动。
39.如图8所示，当柔性线圈24内电流产生的磁场对柔性磁聚合结构32产生排斥时，柔性磁聚合结构32向鱼尾部3的方向移动，由于鱼尾本体31上的方形凸起不会发生前后运动，且鱼尾本体31为柔性结构，鱼尾本体31会向左摆动。
40.由于柔性驱动电路板23产生一定频率和占空比的方波，柔性线圈24内产生的磁场方向呈周期性变化，从而使鱼尾本体31周期性地左右摆动，实现电磁驱动的全柔性机器鱼在水里游动。
41.本发明通过线圈通电产生磁场来驱动鱼尾左右摆动，可实现低噪音驱动，同时输出频率相较于电机可以达到更高，且响应速度快。本发明采用全柔性结构，相较于其余全刚性或部分刚性的仿生机器鱼，质量更小，仿生程度更高，适用于深水作业。
42.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，包括鱼头部、鱼身体、鱼尾部；所述鱼头部、鱼身体、鱼尾部均采用柔性材料制作而成，且依次连接；所述鱼身体用于产生周期性变化的磁场，所述鱼尾部在所述磁场的作用下左右摆动，实现电磁驱动。2.根据权利要求1所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述鱼身体包括：鱼身体壳、电池、柔性驱动电路板、柔性线圈；所述鱼身体壳为侧面开槽的柱形结构，所述鱼身体壳与所述鱼尾部连接的平面处设置有一圆形通孔，所述圆形通孔与所述鱼身体壳侧面开槽形成的空腔结构连通；所述柔性线圈为内部中空的圆柱结构，固定在所述鱼身体壳内部，所述柔性线圈与所述圆形通孔同轴布置，且所述柔性线圈的内径不小于所述圆形通孔的直径；所述柔性驱动电路板、电池固定在所述鱼身体壳内部，所述电池用于向所述柔性驱动电路板供电；所述柔性驱动电路板用于将所述电池提供的电压转化为固定频率的正负可变电压，进而得到正负可变电流，输入到所述柔性线圈中，产生周期性变化的磁场。3.根据权利要求2所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述鱼尾部包括鱼尾本体和柔性磁聚合结构；所述鱼尾本体面向鱼身体一面的一侧有一凸起的圆柱状连接头，所述柔性磁聚合结构固连在所述圆柱状连接头上，所述柔性磁聚合结构为带有磁性的柱状结构；所述柔性磁聚合结构的直径小于所述圆形通孔的直径，所述柔性磁聚合结构伸入所述柔性线圈的内部，能在所述柔性线圈内做轴向运动；所述鱼尾本体面向鱼身体一面的另一侧与所述鱼身体固连。4.根据权利要求2所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述柔性驱动电路板包括无线控制模块、正负方波产生电路；所述正负方波产生电路用于将电压转化为固定频率和占空比的正负方波，所述无线控制模块用于接收控制端发出的无线信号，并改变所述正负方波产生电路产生的正负方波的频率和占空比。5.根据权利要求3所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述鱼头部、鱼身体壳、鱼尾本体为由热塑性聚氨酯弹性体tpu或热塑性弹性体tpe直接打印得到，或由硅橡胶浇注而成的柔性体。6.根据权利要求3所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述柔性磁聚合结构由硅橡胶与磁粉混合制成。7.根据权利要求2所述的电磁驱动的全柔性机器鱼，其特征在于，所述柔性线圈由硅橡胶与金属粉末混合制成。

技术总结
本发明公开了一种电磁驱动的全柔性机器鱼，包括鱼头部、鱼身体、鱼尾部；所述鱼头部、鱼身体、鱼尾部均采用柔性材料制作而成，且依次连接；所述鱼身体用于产生周期性变化的磁场，所述鱼尾部在所述磁场的作用下左右摆动，实现电磁驱动。本发明的全柔性机器鱼采用电磁驱动，通过线圈通电产生磁来驱动鱼尾左右摆动，能实现低噪音驱动，同时输出频率相较于电机达到更高，且响应速度快；采用全柔性结构，相较于其余刚性或部分刚性的仿生机器鱼质量更小，仿生程度更高，并适用于深水作业，有较大的应用前景。前景。前景。


技术研发人员：张超 徐嘉辉 唐威 赫泰然 祝毅
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/5/30