具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼和仿生机器鱼制作方法

1.本发明涉及仿生技术领域，尤其涉及一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼和仿生机器鱼制作方法。


背景技术：

2.水下仿生机器人在水下搜索救援方面具有重要的研究价值，而复杂的水下环境对仿生机器人的三维运动能力提出了较高的要求。例如，在狭窄水域下运动的水下机器人需要具备较高的机动性，而偏航机动性和俯仰机动性决定了航向和深度的控制响应速度，成为水下仿生机器人系统设计的重点。
3.生物鱼类往往使用鱼鳔实现深度和俯仰控制，鱼鳔内部含有空气，通过改变鱼体体积，实现游动深度的自由变化，并借水压助力上浮下潜运动。
4.目前，采用身体/尾鳍游动模式的仿生机器人通常依靠身体的弯曲和尾鳍的偏置拍动实现转向，并基于胸鳍的倾角或体内滑块调整俯仰姿态实现上浮下潜。然而，通过姿态调整改变深度需要尾部提供持续的推进力，并且深度的控制效果具有滞后性。此外，吸排水机构能够直接调整重力和浮力的相对大小，实现深度控制，但吸排水机构对自身具有较高的密封要求以应对深水水域和浸水腐蚀。


技术实现要素：

5.本发明提供一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼和仿生机器鱼制作方法，用以解决现有技术中的仿生机器鱼机动性低、响应速度慢及采用吸排水机构对密封性要求高的问题，实现一种不采用吸排水机构的情况下能实现仿生机器鱼偏航和俯仰，且机动性高、响应速度快。
6.本发明提供一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，包括：主体机构、控制组件和柔性仿生外形，所述主体机构包括主架、鱼尾骨架、仿生鱼鳔机构和线驱动机构，所述控制组件包括无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块；
7.所述鱼尾骨架安装在所述主架远离鱼头的一端；
8.所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架靠近鱼头位置处，用于实现所述柔性仿生外形的空腔的开合；
9.所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架之间，且所述线驱动机构与所述鱼尾骨架通过驱动线连接，用于驱动所述鱼尾骨架摆动；
10.所述控制组件中的所述无线通讯模块、所述控制主板、所述电池、所述无线充电模块、所述深度传感器和所述惯导模块分别安装在所述主架上，其中所述电池分别与所述无线充电模块、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述控制主板、所述深度传感器和所述惯导模块电连接，所述控制主板分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述深度传感器和所述惯导模块电连接；
11.所述柔性仿生外形包覆设置在所述主体机构的外部，且在所述仿生鱼鳔机构和所
述线驱动机构处形成所述空腔。
12.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述仿生鱼鳔机构包括胸腔舵机和伸缩机构，所述胸腔舵机分别与所述电池和所述控制主板电连接，所述伸缩机构在所述胸腔舵机的驱动下实现所述空腔的开合。
13.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述胸腔舵机的转动轴沿第一方向设置，且所述转动轴的自由端固定连接有正齿轮；
14.所述伸缩机构包括相互平行且沿第二方向设置的第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆和所述第二伸缩杆的第一端均为圆柱形且通过直线轴承安装于所述主架上的轴承座上，所述第一伸缩杆靠近第二端处设置有第一齿条，第二伸缩杆靠近第二端处设置有第二齿条，所述正齿轮分别与所述第一齿条和第二齿条啮合且所述第一齿条和所述第二齿条分别位于所述正齿轮的径向两端；
15.其中，所述第一方向为鱼骨延伸方向，所述第二方向为鱼眼连接线方向，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
16.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述线驱动机构包括尾舵机和转动机构，所述尾舵机分别与所述电池和所述控制主板电连接，所述驱动线分别与所述转动机构和所述鱼尾骨架连接，所述转动机构在所述尾舵机的驱动下转动，通过带动所述驱动线驱动所述鱼尾骨架摆动。
17.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述尾舵机的转动轴沿第三方向设置，所述第三方向为垂直鱼背的方向；
18.所述转动机构与所述尾舵机的转动轴固定连接，所述转动机构上设置有第一安装孔和第二安装孔；
19.所述驱动线包括第一驱动线和第二驱动线，所述第一驱动线分别与所述第一安装孔和所述鱼尾骨架的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架朝第一侧摆动，所述第二驱动线分别与所述第二安装孔和所述鱼尾骨架的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架朝第二侧摆动。
20.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述转动机构的两端设置有第一安装部和第二安装部，所述第一安装部通过尾舵机连接件与所述尾舵机的转动轴固定连接；
21.所述第二安装部包括安装轴，所述安装轴通过所述转动轴承安装在所述主架上，且所述安装轴与所述尾舵机的转动轴在一条轴线上。
22.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述鱼尾骨架包括：骨架结构和牵引结构，所述牵引结构包括两组牵引块，所述两组牵引块对称设置在所述骨架结构的两个侧面上；
23.所述牵引块上设置有贯穿孔，所述第一驱动线穿过第一组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第一安装孔和所述骨架结构的尾端固定连接，所述第二驱动线穿过第二组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第二安装孔和所述骨架结构的尾端固定连接。
24.根据本发明提供的一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述主体机构还包括：胸鳍、背鳍和腹鳍，所述胸鳍、背鳍和腹鳍分别通过所述柔性仿生外形包覆设置在所述仿生机器鱼的胸部位置处、背部位置处和腹部位置处。
25.本发明还提供一种仿生机器鱼的制作方法，用于制作如上述任一种所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述制作方法包括：
26.设计并安装主体机构和控制组件，根据需求连接所述主体机构和所述控制组件中的各部分，其中，所述主体机构包括主架、鱼尾骨架、仿生鱼鳔机构、线驱动机构，所述控制组件包括无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块；
27.根据所述主体机构及生物鱼的外形设计柔性仿生外形的模具；
28.将所述模具装配至所述主体机构的外部，装配完成后浇筑液体状态的柔性材料，浇筑时在所述仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成空腔，其余部分进行实体浇筑；
29.浇筑完成后等待所述液体状态的柔性材料静置凝固，静置凝固后拆除所述模具，得到仿生机器鱼。
30.根据本发明提供的一种仿生机器鱼的制作方法，所述设计并安装主体机构和控制组件，根据需求连接所述主体机构和所述控制组件中的各部分，包括：
31.设计并制作所述仿生鱼鳔机构和线驱动机构；
32.根据所述生物鱼的外形设计并制作所述主架和鱼尾骨架；
33.将所述鱼尾骨架安装在所述主架远离鱼头的一端，将所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架靠近鱼头位置处，将所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架之间；
34.将所述控制组件中的所述无线通讯模块、所述控制主板、所述电池、所述无线充电模块、所述深度传感器和所述惯导模块分别安装在所述主架上；
35.通过驱动线连接所述线驱动机构与所述鱼尾骨架，实现所述鱼尾骨架的摆动；
36.将所述电池分别与所述无线充电模块、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述控制主板、所述深度传感器和所述惯导模块电连接；
37.将所述控制主板分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述深度传感器、所述惯导模块电连接。
38.本发明提供的仿生机器鱼和仿生机器鱼制作方法，一方面，通过仿生鱼鳔机构以控制柔性仿生外形的空腔的扩张或收缩，从而改变水下仿生机器鱼的浮力和浮心，进而控制仿生机器鱼的深度并调节仿生机器鱼的俯仰姿态，仿生鱼鳔机构借助仿生机器鱼受到的外水压，省力的同时实现了高响应速度的深度控制，且在运动时仍具有较好的密封效果；另一方面，通过线驱动机构牵引驱动线，进而牵引鱼尾骨架，实现鱼尾骨架的仿生拍动，实现了高机动性的三维游动控制。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的透视结构示意图；
41.图2是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的主体机构的结构示意图；
42.图3是本发明提供的控制组件结构示意图；
43.图4是本发明提供的控制组件上写入的控制算法的控制方法示意图；
44.图5是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的仿生鱼鳔机构的结构示意图；
45.图6是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的仿生鱼鳔机构的爆炸结构示意图；
46.图7是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的线驱动机构的结构示意图；
47.图8是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的线驱动机构的爆炸结构示意图；
48.图9是本发明提供的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼的外形示意图；
49.图10是本发明提供的仿生机器鱼的制作方法的流程示意图之一；
50.图11是本发明提供的仿生机器鱼的制作方法的流程示意图之二；
51.图12是本发明提供的设计并安装主体机构的方法的流程示意图。
52.附图标记：
53.11、主体机构；12、控制组件；13、柔性仿生外形；101、主架；102、鱼尾骨架；103、无线通讯模块；104、控制主板；105、电池；106、无线充电模块；107、深度传感器；108、惯导模块；109、胸鳍；110、背鳍；111、腹鳍；112、驱动线；113、胸腔舵机；114、正齿轮；115、第一伸缩杆；116、第二伸缩杆；117、直线轴承；118、轴承座；119、胸腔舵机连接件；120、尾舵机；121、转动机构；122、第一安装孔；123、尾舵机连接件；124、安装轴；125、转动轴承。
具体实施方式
54.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
56.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
57.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
59.下面结合图1至图9描述本发明的具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，包括：主体机构11、控制组件12和柔性仿生外形13，所述主体机构11包括主架101、鱼尾骨架102、仿生鱼鳔机构、线驱动机构，所述控制组件12包括无线通讯模块103、控制主板104、电池105、无线充电模块106、深度传感器107和惯导模块108；所述鱼尾骨架102安装在所述主架101远离鱼头的一端；所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架101靠近鱼头位置处，用于实现所述柔性仿生外形13的空腔的开合；所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架102之间，且所述线驱动机构与所述鱼尾骨架102通过驱动线112连接，用于驱动所述鱼尾骨架102摆动；所述控制组件12中的所述无线通讯模块103、所述控制主板104、所述电池105、所述无线充电模块106、所述深度传感器107和所述惯导模块108分别安装在所述主架101上，其中所述电池105分别与所述无线充电模块106、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块103、所述控制主板104、所述深度传感器107和所述惯导模块108电连接，所述控制主板104分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块103、所述深度传感器107和所述惯导模块108电连接；所述柔性仿生外形13包覆设置在所述主体机构11的外部，且在所述仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成所述空腔。
60.具体的，参考图1和图2中所示，主架101上设置有用于安装仿生鱼鳔机构的安装槽和用于安装线驱动机构的安装槽。柔性仿生外形13在仿生鱼鳔机构和线驱动机构处形成空腔，使得仿生鱼鳔机构能够实现空腔的开合，以模仿生物鱼鱼鳔的原理，通过扩大或缩小空腔的体积来改变仿生机器鱼的浮力，从而调整仿生机器鱼的深度。线驱动机构通过驱动鱼尾骨架102的摆动，来实现仿生机器鱼航向的调整以及提供驱动力。
61.如图3中所示，图3虚线框中示出了控制组件12的结构。控制主板104发送控制指令到驱动仿生鱼鳔机构和线驱动机构，控制主板104上还写入有仿生机器鱼的运动控制算法。无线通讯模块103用于接收控制终端发送的控制指令以及将仿生机器鱼的状态信息发送给控制终端。电池105用于向各用电模块、用电机构供电，无线充电模块106用于给电池105进行充电，如此能够在不破坏柔性仿生外形13，不取出电池105的情况下通过无线充电器给电池105进行充电。在仿生机器鱼工作时，控制主板104通过无线通讯模块103接收到终端下发的控制指令，控制主板104根据控制指令、惯导模块108的定位信息和深度传感器107的深度信息进行计算，通过写入的控制算法得到具体的驱动器控制参数，也即控制指令。控制主板104根据驱动器控制参数控制驱动器，以驱动仿生鱼鳔机构和/或线驱动机构运行，从而使得仿生机器鱼改变深度和/或航向。控制主板104还用于通过无线通讯模块103将从惯导模
块108采集到的定位信息和从深度传感器107采集到的深度信息发送至终端，以便于终端及时获取仿生机器鱼的深度信息和定位信息，从而发送下一阶段的控制指令。
62.如图4中所示，所述控制主板104上写入的控制算法包括深度控制模块和航向控制模块，深度控制模块和航向控制模块用于基于当前仿生机器鱼的深度和姿态，根据目标深度角、目标航向角、设定速度和期望航向角中的至少一种向仿生鱼鳔机构和\或线驱动机构发送pwm(pulse-width modulation)信号控制指令。其中，图4中的pid(proportion integration differentiation)是一种控制算法。
63.本发明提供的仿生机器鱼，一方面，通过仿生鱼鳔机构以控制柔性仿生外形13的空腔的扩张或收缩，从而改变水下仿生机器鱼的浮力和浮心，进而控制仿生机器鱼的深度并调节仿生机器鱼的俯仰姿态，仿生鱼鳔机构借助仿生机器鱼受到的外水压，省力的同时实现了高响应速度的深度控制，且在运动时仍具有较好的密封效果；另一方面，通过线驱动机构牵引驱动线112，进而牵引鱼尾骨架102，实现鱼尾骨架102的仿生拍动，实现了高机动性的三维游动控制。
64.在一个实施例中，参考图5中所示，所述仿生鱼鳔机构包括胸腔舵机113和伸缩机构，所述胸腔舵机113分别与所述电池105和所述控制主板104电连接，所述伸缩机构在所述胸腔舵机113的驱动下实现所述空腔的开合。
65.具体的，胸腔舵机113用于向伸缩机构提供驱动力，伸缩机构在胸腔舵机113的驱动下伸展以扩张空腔的面积，从而增大仿生机器鱼的浮力，收缩以减小空腔的面积，从而减小发生机器鱼的浮力。可以理解的是，仿生鱼鳔机构中的胸腔舵机113分别与电池105和控制主板104电连接的。
66.在一个实施例中，参考图5和图6中所示，所述胸腔舵机113的转动轴沿第一方向设置，且所述转动轴的自由端固定连接有正齿轮114；所述伸缩机构包括相互平行且沿第二方向设置的第一伸缩杆115和第二伸缩杆116，所述第一伸缩杆115和所述第二伸缩杆116的第一端均为圆柱形且通过直线轴承117安装于所述主架101上的轴承座118上，所述第一伸缩杆115靠近第二端处设置有第一齿条，第二伸缩杆116靠近第二端处设置有第二齿条，所述正齿轮114分别与所述第一齿条和第二齿条啮合且所述第一齿条和所述第二齿条分别位于所述正齿轮114的径向两端；其中，所述第一方向为鱼骨延伸方向，所述第二方向为鱼眼连接线方向，且所述第一方向和所述第二方向垂直。
67.具体的，胸腔舵机113的转动轴沿第一方向设置，第一伸缩杆115和第二伸缩杆116沿第二方向设置，第一方向为鱼骨延伸方向，第二方向为鱼眼连接线方向，且第一方向和第二方向垂直。正齿轮114可以通过胸腔舵机连接件119与胸腔舵机113的转动轴固定连接，第一伸缩杆115和第二伸缩杆116可以分别与仿生机器鱼的空腔部分的两个侧壁连接。
68.仿生鱼鳔机构的工作原理为：胸腔舵机113运行，从鱼头向鱼尾的方向看去，当胸腔舵机113的转动轴顺时针转动时，带动正齿轮114顺时针转动，位于正齿轮114径向两端且与正齿轮114啮合的第一齿条和第二齿条在正齿轮114的带动下分别向相对的方向运动，从而带动第一伸缩杆115和第二伸缩杆116向仿生机器鱼的内腔内运动，以使得仿生机器鱼的空腔部分的侧壁收缩，空腔部分的体积减小，从而使得仿生机器鱼的浮力减小。当胸腔舵机113的转动轴逆时针转动时，带动正齿轮114逆时针转动，位于正齿轮114径向两端且与正齿轮114啮合的第一齿条和第二齿条在正齿轮114的带动下分别向相背离的方向运动，从而带
动第一伸缩杆115和第二伸缩杆116向仿生机器鱼的内腔外运动，以使得仿生机器鱼的空腔部分的侧壁扩张，空腔部分的体积增大，从而使得仿生机器鱼的浮力增大。
69.在一个实施例中，参考图7中所示，所述线驱动机构包括尾舵机120和转动机构121，所述尾舵机120分别与所述电池105和所述控制主板104电连接，所述驱动线112分别与所述转动机构121和所述鱼尾骨架102连接，所述转动机构121在所述尾舵机120的驱动下转动，通过带动所述驱动线112驱动所述鱼尾骨架102摆动。
70.具体的，线驱动机构包括尾舵机120和转动机构121，转动机构121在尾舵机120的驱动下转动，转动时带动驱动线112，从而带动与驱动线112连接的鱼尾骨架102摆动，为仿生机器鱼提供向前的驱动力及改变仿生机器鱼的航向。可以理解的是，线驱动机构中的尾舵机分别与所述电池105和所述控制主板104电连接。
71.在一个实施例中，如图7和图8中所示，所述尾舵机120的转动轴沿第三方向设置，所述第三方向为垂直鱼背的方向；所述转动机构121与所述尾舵机120的转动轴固定连接，所述转动机构121上设置有第一安装孔122和第二安装孔(图未示)；所述驱动线112包括第一驱动线112和第二驱动线112，所述第一驱动线112分别与所述第一安装孔122和所述鱼尾骨架102的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架102朝第一侧摆动，所述第二驱动线112分别与所述第二安装孔和所述鱼尾骨架102的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架102朝第二侧摆动。
72.具体的，尾舵机120的转动轴沿第三方向设置，第三方向为垂直鱼背的方向，即第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。转动机构121与所述尾舵机120的转动轴固定连接时可以直接固定连接也可以通过尾舵机连接件123固定连接。第一驱动线112一端与转动机构121的第一安装孔122固定，另一端与鱼尾骨架102的尾端固定，第二驱动线112一端与转动机构121的第二安装孔固定，另一端与鱼尾骨架102的尾端固定。
73.线驱动机构的工作原理为：尾舵机120运动，从鱼背向鱼腹部的方向看去，当尾舵机120的转动轴顺时针转动时，带动转动机构121顺时针转动，与转动机构121上的第一安装孔122固定连接的第一驱动线112被牵引，从而牵引与第一驱动线112另一端连接的鱼尾骨架102的尾端，使得鱼尾骨架102向第一侧摆动。当尾舵机120的转动轴逆时针转动时，带动转动机构121逆时针转动，与转动机构121上的第二安装孔固定连接的第二驱动线112被牵引，从而牵引与第二驱动线112另一端连接的鱼尾骨架102的尾端，使得鱼尾骨架102向第二侧摆动，第一安装孔122和第二安装孔对称设置在转动机构上。
74.在一个实施例中，所述转动机构121的两端设置有第一安装部和第二安装部，所述第一安装部通过尾舵机连接件123与所述尾舵机120的转动轴固定连接；所述第二安装部包括安装轴124，所述安装轴124通过所述转动轴承125安装在所述主架101上，且所述安装轴124与所述尾舵机120的转动轴在一条轴线上。
75.具体的，转动机构121的两端可以设置有第一安装部和第二安装部，第一安装部通过尾舵机连接件123与所述尾舵机120的转动轴固定连接，第二安装部包括安装轴124，安装轴124通过转动轴承125安装在主架101上，安装轴124与尾舵机120的转动轴在一条轴线上，通过第一安装部和第二安装部的转动安装，使得转动机构121的转动更加的稳定。
76.在一个实施例中，所述鱼尾骨架102包括：骨架结构和牵引结构，所述牵引结构包括两组牵引块，所述两组牵引块对称设置在所述骨架结构的两个侧面上；所述牵引块上设
置有贯穿孔，所述第一驱动线112穿过第一组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第一安装孔122和所述骨架结构的尾端固定连接，所述第二驱动线112穿过第二组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第二安装孔和所述骨架结构的尾端固定连接。
77.具体的，鱼尾骨架102包括骨架结构和牵引结构，骨架结构可以包括多个大小逐渐变小且顺序排列的骨架块和安装在最小骨架块上的尾鳍，第一驱动线112和第二驱动线112可以是与最小骨架块固定连接。牵引结构包括两组牵引块，所述两组牵引块对称设置在所述骨架结构的两个侧面上，每组牵引块也是大小逐渐变小且顺序摆列的。
78.示例性的，可以在每个骨架块的第一侧面和第二侧面上对称安装两个牵引块；也可以是在最小骨架块上不安装牵引块，在其余骨架块上对称安装牵引块。其中，牵引块上均设置有贯穿孔，用以限制驱动线112的位置及引导驱动线112。
79.在一个实施例中，所述主体机构11还包括：胸鳍109、背鳍110和腹鳍111，所述胸鳍109、背鳍110和腹鳍111分别通过所述柔性仿生外形13包覆设置在所述仿生机器鱼的胸部位置处、背部位置处和腹部位置处。
80.具体的，参考图9中所示，主体机构11还包括胸鳍109、背鳍110和腹鳍111，胸鳍109、背鳍110和腹鳍111可以仅通过柔性仿生外形13包覆设置在仿生机器鱼的胸部位置处、背部位置处和腹部位置处，如此设置使得仿生机器鱼的胸鳍109、背鳍110和腹鳍111灵活性更好。
81.下面结合图10至图12描述本发明的仿生机器鱼的制作方法，用于制作如上述任一实施例所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述制作方法包括：
82.s1001：设计并安装主体机构11和控制组件12，根据需求连接所述主体机构11和所述控制组件12中的各部分，其中，所述主体机构11包括主架101、鱼尾骨架102、仿生鱼鳔机构和线驱动机构，所述控制组件12包括无线通讯模块103、控制主板104、电池105、无线充电模块106、深度传感器107和惯导模块108。
83.s1002：根据所述主体机构11及生物鱼的外形设计柔性仿生外形13的模具。
84.s1003：将所述模具装配至所述主体机构11的外部，装配完成后浇筑液体状态的柔性材料，浇筑时在所述仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成空腔，其余部分进行实体浇筑。
85.s1004：浇筑完成后等待所述液体状态的柔性材料静置凝固，静置凝固后拆除所述模具，得到仿生机器鱼。
86.具体的，在制作仿生机器鱼时，首先设计、安装主体机构11，在安装好主体机构11后，根据主体机构11的大小和生物鱼的外形设计柔性仿生外形13的模具，为方便制作柔性仿生外形13。示例性的，如图11中所示，模具可以包括两部分，例如包括完全进行实体浇筑的尾部模具和需要形成部分空腔的头部模具。
87.在设计好模具后，先将尾部模具装配到主体机构11的外部，转配完成后浇筑液体状态的柔性材料，该柔性材料可以为硅胶，例如0度人体硅胶材料。待浇筑的液体状态的柔性材料静置凝固后，拆除尾部模具。然后将头部模具装配到主体机构11的外部，转配完成后浇筑液体状态的柔性材料，浇筑后在仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成空腔，其余部分为实体浇筑。具体空腔的范围根据需要进行设置，但至少仿生鱼鳔机构周围和线驱动机构的转动机构121周围为空腔。
88.浇筑完成后，待头部模具中液体状态的柔性材料静置凝固后拆除头部模具，即得到仿生机器鱼。
89.在一个实施例中，如图12所示，所述设计并安装主体机构11和控制组件12，根据需求连接所述主体机构11和所述控制组件12中的各部分，包括：
90.s1201：设计并制作所述仿生鱼鳔机构和线驱动机构。
91.s1202：根据所述生物鱼的外形设计并制作所述主架101和所述鱼尾骨架102。
92.s1203：将所述鱼尾骨架102安装在所述主架101远离鱼头的一端，将所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架101靠近鱼头位置处，将所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架102之间；
93.s1204：将所述控制组件12中的所述无线通讯模块103、所述控制主板104、所述电池105、所述无线充电模块106、所述深度传感器107和所述惯导模块108分别安装在所述主架101上。
94.s1205：通过驱动线112连接所述线驱动机构与所述鱼尾骨架102，实现所述鱼尾骨架102的摆动。
95.s1206：将所述电池105分别与所述无线充电模块106、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块103、所述控制主板104、所述深度传感器107和所述惯导模块108电连接。
96.s1207：将所述控制主板104分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块103、所述深度传感器107、所述惯导模块108电连接。
97.具体的，设计仿生鱼鳔机构和线驱动机构时需要根据想要制作的仿生机器鱼的大小进行设计并制作，鱼尾骨架102可以为根据生物鱼进行3d建模后通过3d打印获得的，主架101需要根据生物鱼外形进行大小、结构设计。为便于能够一体成型打印鱼尾骨架102且在后期浇筑液体状态的柔性材料时便于鱼尾骨架102定位，可以在3d建模时设计鱼尾骨架102中的各骨架块之间通过较薄的连接片进行连接，使得在3d打印时可以一体成型打印鱼尾骨架102且在后续仿生机器鱼尾部摆动过程中连接片能够快速断裂，提高仿生机器鱼的鱼尾的灵活性。
98.将主架101与鱼尾骨架102进行连接，并将各模块机构分别安装在主架101上，根据需要进行驱动线112的连接以及根据需要进行仿生鱼鳔机构、线驱动机构、无线通讯模块103、控制主板104、电池105、无线充电模块106、深度传感器107和惯导模块108之间的布线。
99.本发明提供的仿生机器鱼制作方法，一方面，通过仿生鱼鳔机构以控制柔性仿生外形13的空腔的扩张或收缩，从而改变水下仿生机器鱼的浮力和浮心，进而控制仿生机器鱼的深度并调节仿生机器鱼的俯仰姿态，仿生鱼鳔机构借助仿生机器鱼受到的外水压，省力的同时实现了高响应速度的深度控制，且在运动时仍具有较好的密封效果；另一方面，通过线驱动机构牵引驱动线112，进而牵引鱼尾骨架102，实现鱼尾骨架102的仿生拍动，实现了高机动性的三维游动控制。
100.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。

技术特征：
1.一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，包括：主体机构、控制组件和柔性仿生外形，所述主体机构包括主架、鱼尾骨架、仿生鱼鳔机构和线驱动机构，所述控制组件包括无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块；所述鱼尾骨架安装在所述主架远离鱼头的一端；所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架靠近鱼头位置处，用于实现所述柔性仿生外形的空腔的开合；所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架之间，且所述线驱动机构与所述鱼尾骨架通过驱动线连接，用于驱动所述鱼尾骨架摆动；所述控制组件中的所述无线通讯模块、所述控制主板、所述电池、所述无线充电模块、所述深度传感器和所述惯导模块分别安装在所述主架上，其中所述电池分别与所述无线充电模块、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述控制主板、所述深度传感器和所述惯导模块电连接，所述控制主板分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述深度传感器和所述惯导模块电连接；所述柔性仿生外形包覆设置在所述主体机构的外部，且在所述仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成所述空腔。2.根据权利要求1所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生鱼鳔机构包括胸腔舵机和伸缩机构，所述胸腔舵机分别与所述电池和所述控制主板电连接，所述伸缩机构在所述胸腔舵机的驱动下实现所述空腔的开合。3.根据权利要求2所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述胸腔舵机的转动轴沿第一方向设置，且所述转动轴的自由端固定连接有正齿轮；所述伸缩机构包括相互平行且沿第二方向设置的第一伸缩杆和第二伸缩杆，所述第一伸缩杆和所述第二伸缩杆的第一端均为圆柱形且通过直线轴承安装于所述主架上的轴承座上，所述第一伸缩杆靠近第二端处设置有第一齿条，第二伸缩杆靠近第二端处设置有第二齿条，所述正齿轮分别与所述第一齿条和第二齿条啮合且所述第一齿条和所述第二齿条分别位于所述正齿轮的径向两端；其中，所述第一方向为鱼骨延伸方向，所述第二方向为鱼眼连接线方向，且所述第一方向和所述第二方向垂直。4.根据权利要求1所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述线驱动机构包括尾舵机和转动机构，所述尾舵机分别与所述电池和所述控制主板电连接，所述驱动线分别与所述转动机构和所述鱼尾骨架连接，所述转动机构在所述尾舵机的驱动下转动，通过带动所述驱动线驱动所述鱼尾骨架摆动。5.根据权利要求4所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述尾舵机的转动轴沿第三方向设置，所述第三方向为垂直鱼背的方向；所述转动机构与所述尾舵机的转动轴固定连接，所述转动机构上设置有第一安装孔和第二安装孔；所述驱动线包括第一驱动线和第二驱动线，所述第一驱动线分别与所述第一安装孔和所述鱼尾骨架的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架朝第一侧摆动，所述第二驱动线分别与所述第二安装孔和所述鱼尾骨架的尾端固定连接，用于驱动所述鱼尾骨架朝第二侧摆动。
6.根据权利要求5所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述转动机构的两端设置有第一安装部和第二安装部，所述第一安装部通过尾舵机连接件与所述尾舵机的转动轴固定连接；所述第二安装部包括安装轴，所述安装轴通过所述转动轴承安装在所述主架上，且所述安装轴与所述尾舵机的转动轴在一条轴线上。7.根据权利要求6所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼尾骨架包括：骨架结构和牵引结构，所述牵引结构包括两组牵引块，所述两组牵引块对称设置在所述骨架结构的两个侧面上；所述牵引块上设置有贯穿孔，所述第一驱动线穿过第一组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第一安装孔和所述骨架结构的尾端固定连接，所述第二驱动线穿过第二组所述牵引块上的贯穿孔后与所述第二安装孔和所述骨架结构的尾端固定连接。8.根据权利要求1至7任一项所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，其特征在于，所述主体机构还包括：胸鳍、背鳍和腹鳍，所述胸鳍、背鳍和腹鳍分别通过所述柔性仿生外形包覆设置在所述仿生机器鱼的胸部位置处、背部位置处和腹部位置处。9.一种仿生机器鱼的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1至8任一项所述具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼，所述制作方法包括：设计并安装主体机构和控制组件，根据需求连接所述主体机构和所述控制组件中的各部分，其中，所述主体机构包括主架、鱼尾骨架、仿生鱼鳔机构、线驱动机构，所述控制组件包括无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块；根据所述主体机构及生物鱼的外形设计柔性仿生外形的模具；将所述模具装配至所述主体机构的外部，装配完成后浇筑液体状态的柔性材料，浇筑时在所述仿生鱼鳔机构和所述线驱动机构处形成空腔，其余部分进行实体浇筑；浇筑完成后等待所述液体状态的柔性材料静置凝固，静置凝固化后拆除所述模具，得到仿生机器鱼。10.根据权利要求9所述仿生机器鱼的制作方法，其特征在于，所述设计并安装主体机构和控制组件，根据需求连接所述主体机构和所述控制组件中的各部分，包括：设计并制作所述仿生鱼鳔机构和线驱动机构；根据所述生物鱼的外形设计并制作所述主架和所述鱼尾骨架；将所述鱼尾骨架安装在所述主架远离鱼头的一端，将所述仿生鱼鳔机构安装在所述主架靠近鱼头位置处，将所述线驱动机构安装在所述仿生鱼鳔机构和所述鱼尾骨架之间；将所述控制组件中的所述无线通讯模块、所述控制主板、所述电池、所述无线充电模块、所述深度传感器和所述惯导模块分别安装在所述主架上；通过驱动线连接所述线驱动机构与所述鱼尾骨架，实现所述鱼尾骨架的摆动；将所述电池分别与所述无线充电模块、所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述控制主板、所述深度传感器和所述惯导模块电连接；将所述控制主板分别与所述仿生鱼鳔机构、所述线驱动机构、所述无线通讯模块、所述深度传感器、所述惯导模块电连接。

技术总结
本发明提供一种具有仿生鱼鳔的线驱动仿生机器鱼和仿生机器鱼制作方法。该仿生机器鱼包括：主体机构、控制组件和柔性仿生外形，主体机构包括主架、鱼尾骨架、仿生鱼鳔机构和线驱动机构，控制组件包括无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块；鱼尾骨架安装在主架远离鱼头的一端；仿生鱼鳔机构安装在主架靠近鱼头位置处，用于实现柔性仿生外形的空腔的开合；线驱动机构安装在仿生鱼鳔机构和鱼尾骨架之间，与鱼尾骨架通过驱动线连接；无线通讯模块、控制主板、电池、无线充电模块、深度传感器和惯导模块分别安装在主架上，柔性仿生外形在仿生鱼鳔机构和线驱动机构处形成空腔。该仿生机器鱼机动性高、响应速度快。快。快。


技术研发人员：喻俊志 吴正兴 仝茹 董会杰 王健 谭民
受保护的技术使用者：中国科学院自动化研究所
技术研发日：2022.11.28
技术公布日：2023/5/26