一种基于MFC驱动的仿生机器鱼及驱动方法

一种基于mfc驱动的仿生机器鱼及驱动方法
技术领域
1.本发明属于水下机器人领域，具体说是一种基于mfc驱动的仿生机器鱼及驱动方法。


背景技术：

2.随着人类对复杂海洋环境探索的深入，研制可以在非结构环境下执行各种任务的水下小型机器人迫在眉睫。鱼类经历了数亿年的自然选择，具有高效低噪、灵活机动等特点使其成为水下机器人的模仿对象。传统的仿生机器鱼采用电机驱动，结构为刚性、动作生硬、难以真正的模拟鱼类的高隐蔽性游动。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种基于mfc驱动的仿生机器鱼及其驱动方法，将智能材料压电纤维复合材料(macro fiber composite，简称mfc)作为驱动器应用在仿生机器鱼，可以实现“无机械关节”的驱动模式，通过机器鱼尾鳍和胸鳍实现连续的柔性摆动，噪声低隐蔽性强，以克服当前仿生机器鱼的缺陷。
4.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，包括：机器鱼头部壳体、机器鱼头部盖、尾鳍机构、胸鳍机构以及机器鱼控制系统；
5.所述机器鱼头部壳体为一端开口的中空壳体，所述机器鱼头部壳体的开口与机器鱼头部盖密封连接；在机器鱼头部壳体内的机器鱼头部盖端面上垂直设有安装板，机器鱼控制系统固设于安装板上；
6.所述尾鳍机构垂直设于机器鱼头部盖上；所述胸鳍机构设于机器鱼头部壳体外壁上；所述尾鳍机构和胸鳍机构分别与机器鱼控制系统连接。
7.所述尾鳍机构，包括：尾鳍板和尾鳍mfc；
8.所述尾鳍板为碳纤维板，所述尾鳍mfc设有两个，分别通过环氧结构胶对称贴设于尾鳍板两侧面上；
9.所述尾鳍板一端与设于机器鱼头部盖端面中心处的连接板固接，且尾鳍板垂直于机器鱼头部盖端面上，尾鳍板另一端开设有尾鳍；
10.两个所述尾鳍mfc均通过插设于机器鱼头部盖上的尾鳍穿线螺丝与机器鱼控制系统连接；
11.所述尾鳍穿线螺丝内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体穿线处实现密封。
12.所述胸鳍机构，包括：胸鳍板和胸鳍mfc；
13.所述胸鳍板设有一对，机器鱼头部壳体外壁上对称设有一对横板；两个所述胸鳍板分别与对应的横板固接，且两个所述胸鳍板的轴线共线；
14.所述胸鳍板为碳纤维板，在每个所述胸鳍板的两侧面上对称贴设有胸鳍mfc，每个所述胸鳍mfc均通过插设于机器鱼头部盖上的胸鳍穿线螺丝与机器鱼控制系统连接；
15.所述胸鳍穿线螺丝内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体穿线处实现密封。
16.所述尾鳍板所在平面与胸鳍板所在平面相互垂直。
17.所述机器鱼头部壳体为导流罩；
18.所述导流罩外壁上对称设有两个胸鳍板，导流罩的开口与机器鱼头部盖固接，导流罩与机器鱼头部盖之间设有o型密封圈，以实现机器鱼头部壳体的静密封。
19.所述机器鱼控制系统，包括：微型控制器以及与微型控制器连接的无线通信模块、胸鳍mfc控制器、尾鳍mfc控制器、imu惯性测量单元以及电池；
20.所述微型控制器，用于接收通过无线通信模块得到的控制指令，并根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器控制尾鳍mfc产生相应的动作或通过尾鳍mfc控制器控制对应胸鳍mfc产生相应的动作；同时，接收imu惯性测量单元测量到的状态数据；
21.所述imu惯性测量单元，用于实时测量包含机器鱼三轴加速度数据以及三轴偏移角的状态数据，并实时发送至微型控制器；
22.所述胸鳍mfc控制器分别与多个胸鳍mfc连接；所述尾鳍mfc控制器分别与多个尾鳍mfc连接；
23.所述电池用于为微型控制器、无线通信模块、胸鳍mfc控制器、尾鳍mfc控制器和imu惯性测量单元提供电量。
24.所述机器鱼控制系统，还包括防水开关；
25.所述防水开关设于机器鱼头部盖上，且所述防水开关分别与微型控制器和电池，用于开启电源同时启动微型控制器运行。
26.一种基于mfc驱动的仿生机器鱼的驱动方法，包括以下步骤：
27.1)开启防水开关，机器鱼控制系统通电；
28.2)无线通信模块将接收到远程终端的控制指令发送至微型控制器，微型控制器根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器控制尾鳍mfc或通过尾鳍mfc控制器控制胸鳍mfc；
29.3)尾鳍mfc根据尾鳍mfc控制器的通电大小，或胸鳍mfc根据胸鳍mfc控制器的通电大小，尾鳍mfc或胸鳍mfc发生来自自身纤维膨胀或收缩的相对应的形变，并将该形变作用至对应的碳纤维板表面，使碳纤维板产生相应的弯曲形变，实现模拟仿生机器鱼左右摆动或升降运动。
30.本发明具有以下有益效果及优点：
31.1、本发明的仿生机器鱼采用智能材料mfc更好的模仿了鱼类的游动，具有低磁、低噪隐蔽性强特点。
32.2、本发明的仿生机器鱼采用智能材料mfc模拟鱼的胸鳍运动和尾鳍运动，从而模拟鱼的前进和升降运动。
33.3、本发明的仿生机器鱼控制系统与胸鳍mfc和尾鳍mfc之间的线路连接均通过穿线螺丝，在密封处的穿线螺丝内注入具有高强度，抗冲击，耐腐蚀，耐老化的环氧树脂结构胶，使导流罩密封效果达到理想效果。
附图说明
34.图1为本发明的整体结构示意图；
35.图2为本发明的剖视图；
36.图3为本发明的机器鱼控制系统结构及原理图；
37.其中：1为机器鱼头部壳体，2为机器鱼头部盖，3为尾鳍穿线螺丝，4为防水开关，5为尾鳍mfc，6为尾鳍板，7为胸鳍mfc，8为胸鳍板，9为胸鳍穿线螺丝，10为微型控制器，11为无线通信模块，12为胸鳍mfc控制器，13为尾鳍mfc控制器，14为imu惯性测量单元，15为电池。
具体实施方式
38.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
39.如图1所示，为本发明的整体结构示意图，一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，包括：机器鱼头部壳体1、机器鱼头部盖2、尾鳍机构、胸鳍机构以及机器鱼控制系统；
40.机器鱼头部壳体1为一端开口的中空壳体，机器鱼头部壳体1的开口与机器鱼头部盖2密封连接；在机器鱼头部壳体1内的机器鱼头部盖2端面上垂直设有安装板，机器鱼控制系统固设于安装板上；
41.尾鳍机构垂直设于机器鱼头部盖2上；胸鳍机构设于机器鱼头部壳体1外壁上；尾鳍机构和胸鳍机构分别与机器鱼控制系统连接。
42.尾鳍机构，包括：尾鳍板6和尾鳍mfc5；
43.尾鳍板6为碳纤维板，尾鳍mfc5设有两个，分别通过环氧结构胶对称贴设于尾鳍板6两侧面上；
44.尾鳍板6一端与设于机器鱼头部盖2端面中心处的连接板固接，且尾鳍板6垂直于机器鱼头部盖2端面上，尾鳍板6另一端开设有尾鳍；
45.两个尾鳍mfc5均通过插设于机器鱼头部盖2上的尾鳍穿线螺丝3与机器鱼控制系统连接；
46.尾鳍穿线螺丝3内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体1穿线处实现密封。
47.胸鳍机构，包括：胸鳍板8和胸鳍mfc7；
48.胸鳍板8设有一对，机器鱼头部壳体1外壁上对称设有一对横板；两个胸鳍板8分别与对应的横板固接，且两个胸鳍板8的轴线共线；
49.胸鳍板8为碳纤维板，在每个胸鳍板8的两侧面上对称贴设有胸鳍mfc7，每个胸鳍mfc7均通过插设于机器鱼头部盖2上的胸鳍穿线螺丝9与机器鱼控制系统连接；
50.胸鳍穿线螺丝9内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体1穿线处实现密封。
51.尾鳍板6所在平面与胸鳍板8所在平面相互垂直。
52.机器鱼头部壳体1为导流罩；
53.导流罩外壁上对称设有两个胸鳍板8，导流罩的开口与机器鱼头部盖2固接，导流罩与机器鱼头部盖2之间设有o型密封圈，以实现机器鱼头部壳体1的静密封。
54.本发明的胸鳍-mfc7和尾鳍-mfc5为市购产品，购置于哈尔滨芯明天有限公司，其中胸鳍-mfc7型号为m-2814-p1，尾鳍-mfc5型号为m-8528-p1。
55.如图2所示，为本发明的剖视图，从剖视图中可以得出机器鱼控制系统的连接关系，其中，机器鱼控制系统，包括：微型控制器10以及与微型控制器10连接的无线通信模块11、胸鳍mfc控制器12、尾鳍mfc控制器13、imu惯性测量单元14以及电池15；
56.微型控制器10，用于接收通过无线通信模块11得到的控制指令，并根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器12控制尾鳍mfc5产生相应的动作或通过尾鳍mfc控制器13控制对应胸鳍mfc7产生相应的动作；同时，接收imu惯性测量单元14测量到的状态数据；
57.imu惯性测量单元14，用于实时测量包含机器鱼三轴加速度数据以及三轴偏移角的状态数据，并实时发送至微型控制器10；
58.胸鳍mfc控制器12分别与多个胸鳍mfc7连接；尾鳍mfc控制器13分别与多个尾鳍mfc5连接；
59.电池15用于为微型控制器10、无线通信模块11、胸鳍mfc控制器12、尾鳍mfc控制器13和imu惯性测量单元14提供电量。
60.机器鱼控制系统还包括防水开关4；防水开关4设于机器鱼头部盖2上，且防水开关4分别与微型控制器10和电池15，用于开启电源同时启动微型控制器10运行。
61.如图3所示，为本发明的机器鱼控制系统结构及原理图，其驱动机器鱼运动的工作原理具体如下：
62.1)开启防水开关4，机器鱼控制系统通电；
63.2)无线通信模块11将接收到远程终端的控制指令发送至微型控制器10，微型控制器10根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器12控制尾鳍mfc5或通过尾鳍mfc控制器13控制胸鳍mfc7；
64.3)尾鳍mfc5根据尾鳍mfc控制器13的通电大小，或胸鳍mfc7根据胸鳍mfc控制器12的通电大小，尾鳍mfc5或胸鳍mfc7发生来自自身纤维膨胀或收缩的相对应的形变，并将该形变作用至对应的碳纤维板表面，使碳纤维板产生相应的弯曲形变，实现模拟仿生机器鱼左右摆动或升降运动。
65.实施例1：
66.以图1为例：本实施例对机器鱼进行结构装配，胸鳍板8通过螺钉与机器鱼头部壳体1突出的横板相连，尾鳍板6通过螺钉与机器鱼头部盖相连，机器鱼控制系统安装在机器鱼头部盖2伸出的安装板上，机器鱼头部盖2伸出的安装板在机器鱼头部壳体1内部。机器鱼头部壳体1与机器鱼头部盖2通过螺钉相连，并通过o型密封圈实现静密封；防水开关4安装在机器鱼头部盖2上，尾鳍穿线螺丝3安装在机器鱼头部盖2上，尾鳍穿线螺丝3和机器鱼头部盖2之间有o型密封圈进行静密封，电线通过尾鳍穿线螺丝3将两片尾鳍mfc5与机器鱼控制系统相连，电线穿过尾鳍穿线螺丝3，将尾鳍穿线螺丝灌入ep05环氧树脂结构胶实现密封；胸鳍穿线螺丝9安装在机器鱼头部盖上，胸鳍穿线螺丝9和机器鱼头部盖2之间有o型密封圈实现静密封，电线通过胸鳍穿线螺丝9将四片胸鳍mfc7与机器鱼控制系统相连，电线穿过胸鳍穿线螺丝9，将胸鳍穿线螺丝9灌入ep05环氧树脂结构胶实现密封。
67.本实施例的尾鳍包括两片尾鳍mfc5和尾鳍碳纤维板6，两片尾鳍mfc5通过环氧结构胶dp460对称粘贴在尾鳍碳纤维板6两侧，尾鳍mfc6通电时来自纤维的膨胀和收缩力被转移到尾鳍碳纤维板6表面，产生相应的弯曲变形，当通过交替给位于尾鳍碳纤维板6两侧的尾鳍-mfc5通电时就可以产生左右摆动，模拟了鱼的尾部摆动产生前进运动。
68.本实施的机器鱼胸鳍机构设有两个包括：左胸鳍和右胸鳍，左右胸鳍结构都是由两片胸鳍mfc7和一个胸鳍碳纤维板8组成，两片胸鳍mfc7通过环氧结构胶dp460对称粘贴在胸鳍-碳纤维板8上下两侧，胸鳍mfc7通电时来自纤维的膨胀和收缩力被转移到胸鳍-碳纤
维板8表面，产生相应的弯曲变形，当交替给位于胸鳍碳纤维板8上下两侧的尾鳍-mfc7通电时就可以产生上下摆动，模拟鱼的胸鳍运动，进而实现机器鱼的升降运动。
69.如图3所示，机器鱼控制系统通过螺钉安装在机器鱼头部盖2伸出的安装板上；进行电连接后，形成无线通信模块11发送将接收来自远程终端的控制命令给微型控制器10，微型控制器11根据控制命令分别控制尾鳍-mfc控制器13以及胸鳍-mfc控制器12，尾鳍-mfc5根据尾鳍-mfc控制器13的命令产生相应的运动，胸鳍-mfc7根据胸鳍-mfc控制器12的命令产生相应的运动，imu惯性测量单元14将检测到的状态数据反馈给微型控制器10，微控制器10再将状态数据发送至远程终端。
70.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合。凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，包括：机器鱼头部壳体(1)、机器鱼头部盖(2)、尾鳍机构、胸鳍机构以及机器鱼控制系统；所述机器鱼头部壳体(1)为一端开口的中空壳体，所述机器鱼头部壳体(1)的开口与机器鱼头部盖(2)密封连接；在机器鱼头部壳体(1)内的机器鱼头部盖(2)端面上垂直设有安装板，机器鱼控制系统固设于安装板上；所述尾鳍机构垂直设于机器鱼头部盖(2)上；所述胸鳍机构设于机器鱼头部壳体(1)外壁上；所述尾鳍机构和胸鳍机构分别与机器鱼控制系统连接。2.根据权利要求1所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述尾鳍机构，包括：尾鳍板(6)和尾鳍mfc(5)；所述尾鳍板(6)为碳纤维板，所述尾鳍mfc(5)设有两个，分别通过环氧结构胶对称贴设于尾鳍板(6)两侧面上；所述尾鳍板(6)一端与设于机器鱼头部盖(2)端面中心处的连接板固接，且尾鳍板(6)垂直于机器鱼头部盖(2)端面上，尾鳍板(6)另一端开设有尾鳍；两个所述尾鳍mfc(5)均通过插设于机器鱼头部盖(2)上的尾鳍穿线螺丝(3)与机器鱼控制系统连接；所述尾鳍穿线螺丝(3)内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体(1)穿线处实现密封。3.根据权利要求1所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述胸鳍机构，包括：胸鳍板(8)和胸鳍mfc(7)；所述胸鳍板(8)设有一对，机器鱼头部壳体(1)外壁上对称设有一对横板；两个所述胸鳍板(8)分别与对应的横板固接，且两个所述胸鳍板(8)的轴线共线；所述胸鳍板(8)为碳纤维板，在每个所述胸鳍板(8)的两侧面上对称贴设有胸鳍mfc(7)，每个所述胸鳍mfc(7)均通过插设于机器鱼头部盖(2)上的胸鳍穿线螺丝(9)与机器鱼控制系统连接；所述胸鳍穿线螺丝(9)内注射有环氧树脂结构胶，以机器鱼头部壳体(1)穿线处实现密封。4.根据权利要求2或3所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述尾鳍板(6)所在平面与胸鳍板(8)所在平面相互垂直。5.根据权利要求1所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述机器鱼头部壳体(1)为导流罩；所述导流罩外壁上对称设有两个胸鳍板(8)，导流罩的开口与机器鱼头部盖(2)固接，导流罩与机器鱼头部盖(2)之间设有o型密封圈，以实现机器鱼头部壳体(1)的静密封。6.根据权利要求1所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述机器鱼控制系统，包括：微型控制器(10)以及与微型控制器(10)连接的无线通信模块(11)、胸鳍mfc控制器(12)、尾鳍mfc控制器(13)、imu惯性测量单元(14)以及电池(15)；所述微型控制器(10)，用于接收通过无线通信模块(11)得到的控制指令，并根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器(12)控制尾鳍mfc(5)产生相应的动作或通过尾鳍mfc控制器(13)控制对应胸鳍mfc(7)产生相应的动作；同时，接收imu惯性测量单元(14)测量到的状态数据；
所述imu惯性测量单元(14)，用于实时测量包含机器鱼三轴加速度数据以及三轴偏移角的状态数据，并实时发送至微型控制器(10)；所述胸鳍mfc控制器(12)分别与多个胸鳍mfc(7)连接；所述尾鳍mfc控制器(13)分别与多个尾鳍mfc(5)连接；所述电池(15)用于为微型控制器(10)、无线通信模块(11)、胸鳍mfc控制器(12)、尾鳍mfc控制器(13)和imu惯性测量单元(14)提供电量。7.根据权利要求6所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼，其特征在于，所述机器鱼控制系统，还包括防水开关(4)；所述防水开关(4)设于机器鱼头部盖(2)上，且所述防水开关(4)分别与微型控制器(10)和电池(15)，用于开启电源同时启动微型控制器(10)运行。8.根据权利要求1～7任一项所述的一种基于mfc驱动的仿生机器鱼的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：1)开启防水开关(4)，机器鱼控制系统通电；2)无线通信模块(11)将接收到远程终端的控制指令发送至微型控制器(10)，微型控制器(10)根据控制指令，通过胸鳍mfc控制器(12)控制尾鳍mfc(5)或通过尾鳍mfc控制器(13)控制胸鳍mfc(7)；3)尾鳍mfc(5)根据尾鳍mfc控制器(13)的通电大小，或胸鳍mfc(7)根据胸鳍mfc控制器(12)的通电大小，尾鳍mfc(5)或胸鳍mfc(7)发生来自自身纤维膨胀或收缩的相对应的形变，并将该形变作用至对应的碳纤维板表面，使碳纤维板产生相应的弯曲形变，实现模拟仿生机器鱼左右摆动或升降运动。

技术总结
本发明属于水下机器人领域，具体说是一种基于MFC驱动的仿生机器鱼及驱动方法，其装置包括：机器鱼头部壳体、机器鱼头部盖、尾鳍机构、胸鳍机构以及机器鱼控制系统；机器鱼头部壳体为一端开口的中空壳体，机器鱼头部壳体的开口与机器鱼头部盖密封连接；在机器鱼头部壳体内的机器鱼头部盖端面上垂直设有安装板，机器鱼控制系统固设于安装板上；尾鳍机构垂直设于机器鱼头部盖上；胸鳍机构设于机器鱼头部壳体外壁上；尾鳍机构和胸鳍机构分别与机器鱼控制系统连接。本发明的仿生机器鱼采用智能材料MFC更好的模仿了鱼类的游动，具有低磁、低噪隐蔽性强特点，并采用智能材料MFC模拟鱼的胸鳍运动和尾鳍运动，从而模拟鱼的前进和升降运动。动。动。


技术研发人员：周雪山 田启岩 白金刚 孙宏林 王轶群
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/5/23