一种仿生机器鱼及其探索方法

1.本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种仿生机器鱼及其探索方法。


背景技术：

2.现在越来越多的深海搜索采用仿生机器人的形式，进行在深海复杂环境下的探查，传统机械外壳的仿生机器人在自然界进行探索时，因为动作僵硬，并且造型以功能性为主，隐蔽性差，极易被野生动物攻击。
3.不仅如此，传统仿生机器人在面对深海复杂环境时，遇到多个障碍物例如珊瑚礁群、复杂岩洞环境时，因为自身的水下运行姿态或是自身体积的原因，无法对构造复杂地区进行精细探索，导致无法获取完整的地形探索信息。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在无法进行精细探索、隐蔽性差的缺陷，本发明提供一种仿生机器鱼及其探索方法，具体解决仿生机器人环境适应性差、探索能力低以及运行姿态僵硬的问题。
5.为达到以上目的，一方面，本发明提供一种仿生机器鱼，其特征在于：
6.包括第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼，第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼均包括机器鱼本体，机器鱼本体的壳体由介电弹性体构成；机器鱼本体内设置有中央电脑、水波通信装置、高压发生器、探索模块、吸附模块和浮沉控制模块，中央电脑控制高压发生器、水波通信装置、探索模块、吸附模块和浮沉控制模块；第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼之间通过分别设置于两者机器鱼本体内的水波通信装置进行数据交互和信号传递；高压发生器通过改变电压控制机器鱼本体发生形态变化驱动机器鱼本体运动；浮沉控制模块包括给排水控制器、水箱和压缩空气存储舱，给排水控制器通过水箱和压缩空气存储舱控制机器鱼本体的上浮和下潜；探索模块用于探索第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼周边的障碍物；第二仿生机器鱼还设置有吸附模块，第二仿生机器鱼通过吸附模块附着在第一仿生机器鱼上。
7.进一步地，探索模块包括设置于机器鱼本体眼部的双目相机、机器鱼本体头部的声呐，双目相机和声呐将收集到的信息传递至中央电脑。
8.进一步地，吸附模块包括安装于机器鱼本体上表面的吸盘，每个吸盘包括吸附腔、设置于吸附腔底部的气动驱动器和设置于吸附腔顶部的多个骨刺，骨刺用于刺入第一仿生鱼的壳体，吸附腔还设置有吸附腔接气口，吸附腔接气口连接有第一气泵；气动驱动器，包括气动驱动器接气口，位于同一第二仿生机器鱼上的所有气动驱动器接气口连接第二气泵；第二仿生机器鱼内设置有气压控制器，第一气泵和第二气泵均设置于第二仿生机器鱼内部，气压控制器控制第一气泵和第二气泵出气和进气。
9.进一步地，第二仿生机器鱼的上表面均匀矩形阵列有多个吸盘，每个吸盘的顶部均匀分布多个骨刺。
10.进一步地，壳体由柔性基底和分布在柔性基底两侧的介电弹性体驱动器，介电弹性体驱动器由介电弹性体薄膜经预拉伸后，其两个表面均涂覆有柔性电极，高压发生器通过对柔性电极施加电压改变介电弹性体薄膜的形态。
11.进一步地，第一仿生机器鱼拟态鲸鱼，第二仿生机器鱼拟态鱼。
12.另一方面，本发明还提供一种仿生机器鱼的探索方法，其包括以下步骤：
13.s1、第一仿生机器鱼通过吸附模块携带多个的第二仿生机器鱼，第一仿生机器鱼利用探索模块对前方区域进行探索，第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼作为整体巡航探索；
14.s2、若探索模块发现前方区域存在障碍物，且障碍物尺寸超过预设尺寸，则进入s3；
15.若探索模块发未发现前方区域存在障碍物，则返回s1；
16.s3、若障碍物数量不超过预设数量，则第一仿生机器鱼通过吸附模块投放与障碍物数量相同的第二仿生机器鱼；若障碍物数量超过预设数量，则第一仿生机器鱼通过吸附模块投放所有第二仿生机器鱼；
17.s4、第二仿生机器鱼利用探索模块探索障碍物区域，并将探索结果通过水波通信装置发送到第一仿生机器鱼；
18.s5、第一仿生机器鱼回收投放的第二仿生机器鱼，第二仿生机器鱼附着在第一仿生机器鱼上作为整体巡航探索。
19.进一步地，在第一仿生机器鱼回收投放的第二仿生机器鱼之前，还包括：
20.s41、若第一仿生机器鱼持续接收到障碍物区域信息，则第一仿生机器鱼不回收第二仿生机器鱼，第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼分别进行独立探索；
21.若第一仿生机器鱼没有接收到障碍物区域信息，则进入s5。
22.进一步地，第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼分别进行独立探索后，还包括:
23.s42、若第二仿生机器鱼巡航探索的时间超过预设时间，或与本体相距超过预设距离，或接收到第一仿生机器鱼发出的结束探索的指令，则进入s5，否则进入s41。
24.与现有技术相比，本发明的优点在于：
25.1、基于介电弹性体驱动器的仿生鲸鱼，可以在深海环境下运动，介电弹性体驱动器在高压发生器输出的驱动电压的作用下产生变形，具有柔韧性好、负载能力强、响应速度快等优点；
26.2、声呐和双目相机相配合，可以搜索远程和周边目标；
27.3、仿生鱼可以吸附或脱离仿生鲸鱼，可更加精细地探索仿生鲸鱼周边的目标并与仿生鲸鱼通过水波通信装置进行通信，形成局部探索网络，大大提高深海环境的探索效率与探索精度；
28.4、仿生鲸鱼与仿生鲸鱼的组合为自然界常见的伴游形式，不易被发现，伪装性好。
附图说明
29.图1为本发明巡航探索流程图；
30.图2为本发明第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼整体的结构图；
31.图3为本发明骨架的结构图；
32.图4为本发明第二仿生机器鱼的结构图；
33.图5为本发明吸盘的结构图；
34.图6为本发明吸盘的剖面示意图；
35.图7为本发明吸盘的形变示意图；
36.图8为本发明的介电弹性体的结构示意图。
37.图中：1、第一仿生机器鱼；2、第二仿生机器鱼；
38.3、骨架；3a，第一层平板；3b、第二层平板；3c、第三层平板；3d、左侧板；3e、右侧板；3f、隔板；
39.4、壳体；4a、柔性基底；4b、介电弹性体驱动器；4c、介电弹性体薄膜；4d、柔性电极；
40.5、水波通信器；
41.6、吸盘；6a、吸附腔；6b、吸附腔接气口；6c、气动驱动器；6d、气动驱动器接气口；6e、骨刺；
42.7、双目相机；
43.8、声呐。
具体实施方式
44.本技术提供一种仿生机器鱼的巡航探索方法，其包括：
45.第一仿生机器鱼1和第二仿生机器鱼2均包括机器鱼本体，机器鱼本体的壳体4由介电弹性体构成，机器鱼本体包括骨架3和涂覆于骨架上的壳体4，骨架3自下而上依次设立第一层平板3a、第二层平板3b和第三层平板3c，自左而右依次设立左侧板3d、右侧板3e，自前往后依次设立的多个隔板3f，平板、侧板和隔板相互垂直且交叉。
46.机器鱼的胸鳍位于机器鱼本体胸腹两侧，机器鱼的头部安装有探索模块，探索模块为机器鱼双目处的双目相机7和机器鱼本体内的声呐8，机器鱼的壳体上安装有水波通信装置5。
47.机器鱼本体根据竖直方向设置的第一层平板3a、第二层平板3b和第三层平板3c分为上部空间、中部空间和下部空间，上部空间内安装有水泵、压缩空气存储舱和给排水控制器；中部空间内安装有动力装置、中央电脑和声呐8；下部空间安装有高压发生器。
48.通过中央电脑控制给排水控制器，给排水控制器控制压缩空气存储舱的开关，进而调整水箱内的储水量，从而控制机器鱼本体的上浮或者下潜运动。
49.通过中央电脑控制高压发生器，高压发生器用于释放高压电给介电弹性体，当介电弹性体上接入/断开高压电时，由介电弹性体构成的一对胸鳍和鱼尾会产生形状变化，通过控制高压电的频率，胸鳍和鱼尾会形成模仿鱼类运动的摆动，拟态运动不仅驱动机器鱼位移，并且提高机器鱼对海洋环境的融入。
50.第二仿生机器鱼2的壳体4上还设置有吸附模块，吸附模块包括：多个矩形阵列在壳体上表面的吸盘6，安装于第二仿生机器鱼壳体4内部的第一气泵、第二气泵和气压控制器；每个吸盘6均包括吸附腔6a、设置于吸附腔6a底部的气动驱动器6c和设置于吸附腔6a顶部的多个骨刺6e，骨刺6e用于刺入第一仿生鱼1的壳体4，吸附腔6a通过吸附腔接气口6b与第一气泵连接，气动驱动器6c通过气动驱动器接气口6d连接第二气泵，气压控制器通过控制第一气泵和第二气泵的出气/进气，进而使吸盘6能够吸附在第一仿生机器鱼1的壳体4
上，实现第二仿生机器鱼2对第一仿生机器鱼1的附着。
51.优选地，每个吸盘6顶部均匀分布多个骨刺6e，骨刺6e由刚度高的材料制作(如塑料、碳纤维)。每根骨刺6e的尺寸(底面直径200μm、整体高度500μm)，骨刺6e以500μm的间隔均匀地阵列在吸附腔6a顶部。
52.当吸盘6与第一仿生机器鱼1的壳体4进行初步接触，气压控制器通过控制第二气泵向气动驱动器6c内注入高压空气，气动驱动器6c使吸附腔6a产生如图中的变形，由于骨刺6e的尺寸小，刚度大以及尖锐式的设计，使骨刺6e刺入到第一仿生机器鱼1的壳体4上产生初步吸附，且不会对壳体4表面产生宏观失效性破坏；然后气压控制器通过第一气泵对吸附腔6a进行吸气，此时，吸附腔6a内的压力降低，吸盘6在外部海水压力作用下紧紧地吸附到第一仿生机器鱼1的壳体4上表面，同时，骨刺6e进一步刺入壳体4内，使吸附更加可靠，进而使第二仿生机器鱼2伴随第一仿生机器鱼1运动时不会脱落。
53.优选地，壳体4由柔性基底4a和分布在柔性基底4a两侧的介电弹性体驱动器4b，介电弹性体驱动器4b由介电弹性体薄膜4c经预拉伸后，其两个表面均涂覆有柔性电极4d，高压发生器通过对柔性电极4d施加电压改变介电弹性体薄膜4c的形态。
54.当介电弹性体驱动器4b不通电、介电弹性体驱动器通电4b时，介电弹性体驱动器4b在厚度方向上被压缩，在平面方向上扩张，导致机器鱼尾向上摆动。当介电弹性体驱动器4b通电、介电弹性体驱动器4b不通电时，介电弹性体驱动器4b在厚度方向上被压缩，在平面方向上扩张，导致机器鱼尾向下摆动。根据上述驱动原理，机器鱼尾和机器鱼鳍在驱动电压作用下上下摆动，控制基于介电弹性体驱动器4b的仿生机器鱼的运动。
55.优选地，第一仿生机器鱼1为仿生鲸鱼形态，第二仿生机器鱼2为仿生鱼形态，采用鲸鱼-鱼组合的仿生形态，一方面，在海洋中鱼是常见的附着鱼类，携带多条鱼仿生机器鱼伪装性好，不易被发现；另一方面，鲸鱼为海洋常见大型哺乳类生物，可以利用鲸鱼仿生机器鱼自身较大的体积携带多条鱼仿生机器鱼，同时，鲸鱼仿生机器鱼内部可以设置较大体积的储能装置，实现长时间探索工作。
56.该仿生机器鱼的巡航探索方法具体步骤如下：
57.s1、仿生鲸鱼通过吸附模块携带多个仿生鱼，仿生鲸鱼利用双目相机7和声呐8对前方区域进行探索，仿生鲸鱼携带仿生鱼作为整体巡航探索；
58.s2、若双目相机7和声呐8发现前方区域存在障碍物，且障碍物尺寸超过预设尺寸，则进入s3；
59.若双目相机7和声呐8未发现前方区域存在障碍物，则返回s1，仿生鲸鱼携带仿生鱼继续作为整体巡航探索。
60.障碍物的预设尺寸为2*2*2米，通过设定该尺寸大小，对小型海底岩石和大型岩体进行区分，小型海底岩石能够通过绕行或者上浮通过，但大型岩体结构复杂，需要进行详细探索，通过预设尺寸进行区分，提高搜寻效率。
61.s3、若障碍物数量不超过预设数量，则仿生鲸鱼通过吸附模块投放与障碍物数量相同的仿生鱼；若障碍物数量超过预设数量，则仿生鲸鱼通过吸附模块投放所有仿生鱼，其中障碍物的预设数量为5个；
62.s4、仿生鱼利用双目相机和声呐探索障碍物区域，并将探索结果通过水波通信装置5发送到仿生鲸鱼；
63.s41、若仿生鲸鱼持续接收到障碍物区域信息，则仿生鲸鱼不回收仿生鱼，仿生鲸鱼和仿生鱼分别进行独立探索，进入s42；
64.若仿生鲸鱼没有接收到障碍物区域信息，则进入s5。
65.s42、若仿生鱼巡航探索的时间大于等于5分钟，或与本体相距大于等于50米，或接收到仿生鲸鱼发出的结束探索的指令，则进入s5，否则回到s41。
66.预设时间为5分钟，预设距离为50米，通过预设时间和预设距离的限制，避免仿生鱼失去与仿生鲸鱼的信号沟通，导致仿生鱼失联丢失。
67.s5、仿生鲸鱼收仿生鱼，作为整体巡航探索。
68.当对深海环境中某一障碍物众多的局部区域进行精细探索时，仿生鱼从基于介电弹性体驱动器的仿生鲸鱼上脱离，穿梭在障碍物之间对障碍物后面的区域进行探索，这种使用一个基于介电弹性体驱动器的仿抹鲸鱼和多个仿生鱼相配合的方式，可以形成局部探索网络，构建多智能体集群协同探索系统，达到扩大探索范围，提高探索效率，进行更精细探索的目的。
69.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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技术和简化描述，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技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
70.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种仿生机器鱼，其特征在于：包括第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)，第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)均包括机器鱼本体，机器鱼本体的壳体(4)由介电弹性体构成；机器鱼本体内设置有中央电脑、水波通信装置5、高压发生器、探索模块、吸附模块和浮沉控制模块，中央电脑控制高压发生器、水波通信装置5、探索模块、吸附模块和浮沉控制模块；第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)之间通过分别设置于两者机器鱼本体内的水波通信装置(5)进行数据交互和信号传递；高压发生器通过改变电压控制机器鱼本体发生形态变化驱动机器鱼本体运动；浮沉控制模块包括给排水控制器、水箱和压缩空气存储舱，给排水控制器通过水箱和压缩空气存储舱控制机器鱼本体的上浮和下潜；探索模块用于探索第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)周边的障碍物；第二仿生机器鱼还设置有吸附模块，第二仿生机器鱼通过吸附模块附着在第一仿生机器鱼(1)上。2.如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于：探索模块包括设置于机器鱼本体眼部的双目相机(7)、机器鱼本体头部的声呐(8)，双目相机(7)和声呐(8)将收集到的信息传递至中央电脑。3.如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于：吸附模块包括安装于第二机器鱼(2)的机器鱼本体上表面的吸盘(6)，每个吸盘(6)包括吸附腔(6a)、设置于吸附腔(6a)底部的气动驱动器(6c)和设置于吸附腔(6a)顶部的多个骨刺(0e)，骨刺(6e)用于刺入第一仿生鱼(1)的壳体(4)，吸附腔(6a)还设置有吸附腔接气口(6b)，吸附腔接气口(6b)连接有第一气泵；气动驱动器(6c)，包括气动驱动器接气口(6d)，位于同一第二仿生机器鱼(2)上的所有气动驱动器接气口(6d)连接第二气泵；第二仿生机器鱼(2)内设置有气压控制器，第一气泵和第二气泵均设置于第二仿生机器鱼(2)内部，气压控制器控制第一气泵和第二气泵出气和进气。4.如权利要求3所述的仿生机器鱼，其特征在于：第二仿生机器鱼(2)的上表面均匀矩形阵列有多个吸盘(6e)，每个吸盘(6)的顶部均匀分布多个骨刺(6e)。5.如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于：壳体(4)由柔性基底(4a)和分布在柔性基底(4a)两侧的介电弹性体驱动器(4b)，介电弹性体驱动器(4b)由介电弹性体薄膜(4c)经预拉伸后，其两个表面均涂覆有柔性电极(4d)，高压发生器通过对柔性电极(4d)施加电压改变介电弹性体薄膜(4c)的形态。6.如权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于：第一仿生机器鱼(1)拟态为鲸鱼，第二仿生机器鱼(2)拟态为鱼。7.一种仿生机器鱼的探索方法，其特征在于：包括以下步骤s1、第一仿生机器鱼(1)通过吸附模块携带多个的第二仿生机器鱼(2)，第一仿生机器鱼(1)利用探索模块对前方区域进行探索，第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)两者作为整体巡航探索；
s2、若探索模块发现前方区域存在障碍物，且障碍物尺寸超过预设尺寸，则进入s3；若探索模块发未发现前方区域存在障碍物，则返回s1；s3、若障碍物数量不超过预设数量，则第一仿生机器鱼(1)通过吸附模块投放与障碍物数量相同的第二仿生机器鱼(2)；若障碍物数量超过预设数量，则第一仿生机器鱼(1)通过吸附模块投放所有第二仿生机器鱼(2)；s4、第二仿生机器鱼(2)利用探索模块探索障碍物区域，并将探索结果通过水波通信装置(5)发送到第一仿生机器鱼(1)；s5、第一仿生机器鱼(1)回收投放的第二仿生机器鱼(2)，第二仿生机器鱼(2)附着在第一仿生机器鱼(1)上作为整体巡航探索。8.如权利要求7所述的一种仿生机器鱼的探索方法，其特征在于：在第一仿生机器鱼(1)回收投放的第二仿生机器鱼(2)之前，还包括：s41、若第一仿生机器鱼(1)持续接收到障碍物区域信息，则第一仿生机器鱼(1)不回收第二仿生机器鱼(2)，第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)分别进行独立探索；若第一仿生机器鱼(1)没有接收到障碍物区域信息，则进入s5。9.如权利要求8所述的一种仿生机器鱼的探索方法，其特征在于：第一仿生机器鱼(1)和第二仿生机器鱼(2)分别进行独立探索后，还包括:s42、若第二仿生机器鱼(2)巡航探索的时间超过预设时间，或与本体相距超过预设距离，或接收到第一仿生机器鱼(1)发出的结束探索的指令，则进入s5，否则进入s41。

技术总结
本发明公开了一种仿生机器鱼及其探索方法，包括介电弹性体构成的第一仿生机器鱼和第二仿生机器鱼，第二仿生机器鱼通过吸附模块附着在第一仿生机器鱼上，两者作为整体进行探索，当遇上复杂地形区域时，第二仿生机器鱼脱离第一仿生机器鱼进行分离探索，通过水波通信装置进行信息传递，探索结束时，第二仿生机器鱼再通过吸附装置附着在第一仿生机器鱼上，两者作为整体进行探索。通过第一仿生机器鱼与第二仿生机器鱼可以分离的形式，能够更加精细地探索第一仿生机器鱼周边的目标，并与第二仿生机器鱼通过水波通信装置进行通信，形成局部探索网络，极大提高深海环境的探索效率与探索精度。度。度。


技术研发人员：吴俊东 黄鹏 王亚午
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/4/5