一种绳索驱动式X型平行结构张拉整体柔性仿生鱼

一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼
技术领域
1.本发明涉及一种仿生鱼，尤其是一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，属于仿生机器人结构技术领域。


背景技术：

2.现有机械形式的仿生鱼大多只能实现尾鳍或是鱼鳍的转动，部分鱼身能够运动的仿生鱼也基本采用传统铰链机构，转动刚度低且无法吸收横向冲击载荷，无法做到鱼身各关节和尾鳍同步运动，在水中运动时稳定性较低，也难以保持高频率运动，而且运动方式的简单僵硬难以满足水下侦察和生物探测的需求。
3.申请号为cn202111502794.8，名称为“一种科教型水下仿生机器鱼”的发明专利申请，其通过左胸鳍和右胸鳍电机控制左右胸鳍运动，鱼身主体的运动通过潜水泵实现，外形依照虎鲸进行仿生设计，但在关节运动形式上比较单一僵硬；
4.申请号为cn202111501196.9，名称为“一种用于青少年儿童科普教育的智能仿生机器鱼”的发明专利申请，其便于安装拆卸，可以清楚的看到鱼身内部的机械结构，但其鱼身部分只有一个驱动关节，尾鳍运动方式仅靠一个转动副完成，仿生运动过程同样较为死板。
5.鉴于目前采用传统铰链机构的仿生鱼存在的上述缺陷，亟需对鱼身各关节和尾鳍同步运动的问题进行优化改进，以提升运动方式的稳定性和幅度大小，满足水下作业和科教展示的使用需求。


技术实现要素：

6.为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，它能够解决传统铰链机构转动刚度低且无法吸收横向冲击载荷的缺点，使仿生鱼游动过程更加真实稳定，具有良好的应用价值。
7.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，包括鱼头外壳、第一鱼身关节、第二鱼身关节、第三鱼身关节、鱼尾关节、尾鳍以及仿生鱼皮，所述鱼头外壳后端通过支架板封闭且其内部固定安装有mcu控制器、作为电源的电池及受所述mcu控制器控制正反往复旋转的伺服电机，鱼头外壳顶部安装防水开关控制mcu控制器的开启或关闭，所述伺服电机输出轴固定有摆盘位于鱼头外壳内部中间位置能够左右往复摆动，所述第一鱼身关节、所述第二鱼身关节、所述第三鱼身关节及鱼尾关节依次间隔布置在鱼头外壳后方并裹附有仿生鱼皮，所述仿生鱼皮前端与所述支架板边缘密封固定，第一鱼身关节与鱼尾关节中间左右两侧通过水平并列排布的两根弹簧连接，所述两根弹簧中间段贯穿第二鱼身关节及第三鱼身关节，第一鱼身关节与第二鱼身关节之间、第二鱼身关节与第三鱼身关节之间及第三鱼身关节与鱼尾关节之间位于两根弹簧上下方分别通过水平倾斜设置的上连杆和下连杆铰接，且每上下对应的所述上连杆和所述下连杆呈x形排布，所述摆盘两端通过并列排布的两根主动驱动绳与鱼尾关节前端左右两侧连
接，支架板对应位置开设供所述主动驱动绳伸出的穿孔，所述尾鳍通过张拉关节安装在鱼尾关节后端。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过两根弹簧结合呈x形排布的上连杆和下连杆连接鱼身关节，伺服电机驱动摆盘摆动通过两根主动驱动绳实现鱼身和鱼尾的摆动，鱼身关节的左右等效于转动副，并且各个关节可以以前一节为基点转动，解决传统铰链机构转动刚度低且无法吸收横向冲击载荷的缺点，使仿生鱼游动过程更加真实稳定，并且第一鱼身关节、第二鱼身关节之间与第三鱼身关节设置锁紧套筒能够将主动驱动绳相应位置锁紧固定，从而调节仿生鱼的摆动位置，模拟更多种鱼的游动形式，此外，还能够控制摆盘的摆动频率，控制仿生鱼的游动速度，产品整体稳定可靠，不仅可以搭载摄像头执行水下勘测任务，也能够作为教学用具模拟鱼游动的机理进行多种形式的科教展示，具有良好的应用价值。
附图说明
9.图1是本发明的绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼的整体结构轴测图；
10.图2是本发明的绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼的内部结构示意图；
11.图3是图1的主视方向剖视图；
12.图4是图1的俯视方向剖视图；
13.图5是本发明的尾鳍与鱼尾关节的连接结构图；
14.图6是本发明的张拉关节的8根弹性连接绳的空间排布图；
15.图7是图6中弹性连接绳的限位方向示意图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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做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。
17.如图1～图4所示，一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，包括鱼头外壳1、第一鱼身关节4、第二鱼身关节6、第三鱼身关节7、鱼尾关节8、尾鳍9以及仿生鱼皮17。
18.结合图2～图4所示，所述鱼头外壳1后端通过支架板3封闭且其内部固定安装有mcu控制器14、电池15及伺服电机16，所述电池15作为电源为mcu控制器14及伺服电机16供电，鱼头外壳1顶部安装防水开关2控制mcu控制器14的开启或关闭，并且通过所述mcu控制器14控制伺服电机16正反往复旋转，而所述伺服电机16输出轴固定有摆盘，进而实现所述摆盘的左右往复摆动，摆盘位于鱼头外壳1内部中间位置。优选的，摆盘的摆动角度为
±
30
°
。此外，为进一步控制仿生鱼的游动速度，mcu控制器14与伺服电机16之间宜增设有电调，且mcu控制器14配设有遥控器，在mcu控制器14开启时利用所述遥控器能够通过所述电调改变伺服电机16的电流进而实现摆盘摆动频率的变化。
19.结合图1～图2所示，所述第一鱼身关节4、所述第二鱼身关节6、所述第三鱼身关节7及鱼尾关节8依次间隔布置在鱼头外壳1后方并裹附有仿生鱼皮17，所述仿生鱼皮17前端与所述支架板3边缘密封固定。
20.结合图2、图4所示，第一鱼身关节4与鱼尾关节8中间左右两侧通过水平并列排布的两根弹簧12连接，所述两根弹簧12中间段贯穿第二鱼身关节6及第三鱼身关节7。第一鱼身关节4与第二鱼身关节6之间、第二鱼身关节6与第三鱼身关节7之间及第三鱼身关节7与鱼尾关节8之间位于两根弹簧12上下方分别通过水平倾斜设置的上连杆5和下连杆11铰接，且每上下对应的所述上连杆5和所述下连杆11呈x形排布。摆盘两端通过并列排布的两根主动驱动绳18与鱼尾关节8前端左右两侧连接，支架板3对应位置开设供所述主动驱动绳18伸出的穿孔。
21.进一步的，第一鱼身关节4、第二鱼身关节6及第三鱼身关节7左右两侧中间位置分别向内一体设置有锁紧套筒13，所述锁紧套筒13分别沿前后方向贯穿设置供对应的主动驱动绳18穿过的通孔，锁紧套筒13外端螺接配合有紧固螺栓能够将对应的主动驱动绳18进行锁紧固定。这种结构形式能够选择性的将主动驱动绳18与第一鱼身关节4、第二鱼身关节6、第三鱼身关节7进行固定，从而调节仿生鱼的摆动位置，模拟更多种鱼的游动形式。
22.结合图5～图6所示，所述尾鳍9通过张拉关节19安装在鱼尾关节8后端，具体的，所述张拉关节19包括分别固定于鱼尾关节8后端和固定于尾鳍9前端的两个u形连接件，所述两个u形连接件对向垂直交叉排布，两个u形连接件开口两端之间以及每个u形连接件开口两端与另一个u形连接件中间段之间分别通过共计8根弹性连接绳20连接，而且弹性连接绳20的设计能够避免传统铰链长期接触水而锈蚀的问题。
23.详细结合图6所示，张拉关节19在两个u形连接件开口两端及中间段(也可相应向外移动至鱼尾关节8和尾鳍9上)共计开设6个孔位，按图6中3种虚线的排布方式穿入固定共计8根弹性连接绳20，组成完整的张拉机构，详细结合图7所示，能够看出图6中8根弹性连接绳20对应的限位功能。
24.为实现上连杆5和下连杆11对第一鱼身关节4、第二鱼身关节6、第三鱼身关节7及鱼尾关节8的连接，在对应的铰接点位置预先安装好销轴，第一鱼身关节4、第二鱼身关节6、第三鱼身关节7、鱼尾关节8用于安装销轴的位置分别一体设置与销轴上下两端配合的限位套筒，宜在限位套筒外端塞装防水堵头10防止销轴生锈。
25.本发明的仿生鱼以蓝鳍金枪鱼为样本进行设计，鱼身整体尺寸较小，总长约为35cm，在0.5m级鱼类中仿生效果较好，仿生鱼皮采用透明tpu鱼皮以便详细展示内部机构运动原理，驱动形式采用单伺服电机驱动，驱动电路更为简洁方便，鱼头内部可容纳摄像头方便开展水下勘测任务，运动形式更为灵活多变，性能优良，不仅可控制鱼尾的摆动频率，提高游动效率，还可以通过对不同关节与驱动绳的固定调节摆动位置，便于作为教学用具模拟鱼游动的机理进行多种形式的科教展示。
26.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
27.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，其特征在于：包括鱼头外壳(1)、第一鱼身关节(4)、第二鱼身关节(6)、第三鱼身关节(7)、鱼尾关节(8)、尾鳍(9)以及仿生鱼皮(17)，所述鱼头外壳(1)后端通过支架板(3)封闭且其内部固定安装有mcu控制器(14)、作为电源的电池(15)及受所述mcu控制器(14)控制正反往复旋转的伺服电机(16)，鱼头外壳(1)顶部安装防水开关(2)控制mcu控制器(14)的开启或关闭，所述伺服电机(16)输出轴固定有摆盘位于鱼头外壳(1)内部中间位置能够左右往复摆动，所述第一鱼身关节(4)、所述第二鱼身关节(6)、所述第三鱼身关节(7)及鱼尾关节(8)依次间隔布置在鱼头外壳(1)后方并裹附有仿生鱼皮(17)，所述仿生鱼皮(17)前端与所述支架板(3)边缘密封固定，第一鱼身关节(4)与鱼尾关节(8)中间左右两侧通过水平并列排布的两根弹簧(12)连接，所述两根弹簧(12)中间段贯穿第二鱼身关节(6)及第三鱼身关节(7)，第一鱼身关节(4)与第二鱼身关节(6)之间、第二鱼身关节(6)与第三鱼身关节(7)之间及第三鱼身关节(7)与鱼尾关节(8)之间位于两根弹簧(12)上下方分别通过水平倾斜设置的上连杆(5)和下连杆(11)铰接，且每上下对应的所述上连杆(5)和所述下连杆(11)呈x形排布，所述摆盘两端通过并列排布的两根主动驱动绳(18)与鱼尾关节(8)前端左右两侧连接，支架板(3)对应位置开设供所述主动驱动绳(18)伸出的穿孔，所述尾鳍(9)通过张拉关节(19)安装在鱼尾关节(8)后端。2.根据权利要求1所述的一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，其特征在于：所述mcu控制器(14)与伺服电机(16)之间设置有电调，且mcu控制器(14)配设有遥控器，在mcu控制器(14)开启时利用所述遥控器能够通过所述电调改变伺服电机(16)的电流进而实现摆盘摆动频率的变化。3.根据权利要求1或2所述的一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，其特征在于：所述第一鱼身关节(4)、所述第二鱼身关节(6)及所述第三鱼身关节(7)左右两侧中间位置分别向内一体设置有锁紧套筒(13)，所述锁紧套筒(13)分别沿前后方向贯穿设置供对应的主动驱动绳(18)穿过的通孔，锁紧套筒(13)外端螺接配合有紧固螺栓能够将对应的主动驱动绳(18)进行锁紧固定。4.根据权利要求1所述的一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，其特征在于：所述张拉关节(19)包括分别固定于鱼尾关节(8)后端和固定于尾鳍(9)前端的两个u形连接件，所述两个u形连接件对向垂直交叉排布，两个u形连接件开口两端之间以及每个u形连接件开口两端与另一个u形连接件中间段之间分别通过共计8根弹性连接绳(20)连接。5.根据权利要求1所述的一种绳索驱动式x型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，其特征在于：所述摆盘的摆动角度为
±
30
°
。

技术总结
一种绳索驱动式X型平行结构张拉整体柔性仿生鱼，涉及一种仿生鱼。鱼头外壳内安装MCU控制器、电池及伺服电机，顶部安装防水开关控制MCU控制器，伺服电机固定摆盘，第一鱼身关节、第二鱼身关节、第三鱼身关节及鱼尾关节依次布置在鱼头外壳后方并裹附有仿生鱼皮，第一鱼身关节与鱼尾关节通过两根弹簧连接，第一鱼身关节与第二鱼身关节、第二鱼身关节与第三鱼身关节及第三鱼身关节与鱼尾关节之间分别通过上连杆和下连杆铰接，对应的上连杆和下连杆呈X形排布，摆盘通过两根主动驱动绳与鱼尾关节连接，尾鳍通过张拉关节安装在鱼尾关节后端。解决铰链机构转动刚度低且无法吸收横向冲击载荷的缺点，使仿生鱼游动过程更加真实稳定。使仿生鱼游动过程更加真实稳定。使仿生鱼游动过程更加真实稳定。


技术研发人员：何景峰 朱啸闻 李鑫 王一航 佟志忠 姜洪洲
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/4/25