本發(fā)明屬于機(jī)器人，更具體地，涉及一種基于繩驅(qū)結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)。

背景技術(shù)：

1、海洋和水下環(huán)境占據(jù)了地球的大部分面積，其中蘊(yùn)含著豐富的資源，隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，各種水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用為海洋勘探和開(kāi)發(fā)提供了新的解決方案。近年來(lái)，仿生機(jī)器魚(yú)作為一種新型水下機(jī)器人，因其出色的環(huán)境適應(yīng)性和潛在應(yīng)用價(jià)值得到了快速發(fā)展。

2、在現(xiàn)階段的研究中，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和仿生對(duì)象，仿生機(jī)器魚(yú)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)大致可分為單剛性關(guān)節(jié)、多剛性關(guān)節(jié)、軟體智能材料和拉線結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)都共同促進(jìn)了仿生機(jī)器魚(yú)和水下機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。傳統(tǒng)的單關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)一般采用剛性尾鰭來(lái)產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力，控制簡(jiǎn)單。但是該結(jié)構(gòu)與真實(shí)的魚(yú)類運(yùn)動(dòng)模態(tài)差別較大，仿生程度較低，同時(shí)存在推進(jìn)效率不高的問(wèn)題。多關(guān)節(jié)機(jī)器魚(yú)可以實(shí)現(xiàn)更多的游動(dòng)姿態(tài)，諸如直線迅游、c形轉(zhuǎn)彎等，該種設(shè)計(jì)多為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)單關(guān)節(jié)，并通過(guò)關(guān)節(jié)間節(jié)律運(yùn)動(dòng)來(lái)有效模擬魚(yú)類的柔順擺動(dòng)和游動(dòng)姿態(tài)，但隨著關(guān)節(jié)的引入，控制的復(fù)雜程度以及對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求也隨之提高。各種新型軟體材料的成功應(yīng)用也為材料特性驅(qū)動(dòng)下的機(jī)器魚(yú)研發(fā)提供了新的可能。這些驅(qū)動(dòng)大多數(shù)建立在功能性材料在不同特定條件下的形變基礎(chǔ)上，因此也具有著絕大多數(shù)功能材料的明顯局限，即嚴(yán)苛的觸發(fā)條件和較低的驅(qū)動(dòng)效率，并限制了機(jī)器魚(yú)的搭載和作業(yè)能力。因此，一種新的，能模仿魚(yú)類柔順游動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模態(tài)的，保持較高推進(jìn)效率，且控制相對(duì)簡(jiǎn)單的仿生機(jī)器魚(yú)具有較高的科研價(jià)值和潛在工程應(yīng)用能力。

3、綜上，目前仍缺乏兼顧具有運(yùn)動(dòng)柔順性的、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的仿生機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)方法。也缺少一種控制模型相對(duì)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率較高的具有多場(chǎng)景普適性的設(shè)計(jì)方法，且運(yùn)用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)機(jī)制與設(shè)計(jì)理念難以進(jìn)一步提升仿生機(jī)器魚(yú)的能力上限。

4、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于對(duì)本技術(shù)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種基于繩驅(qū)結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于繩驅(qū)張拉結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)，包括剛性頭部、柔性擺動(dòng)部以及繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)：

4、所述剛性頭部包括上剛性殼體和下剛性殼體，二者配合形成封閉空間，內(nèi)部安裝所述繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)；所述繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)繩作用到所述柔性擺動(dòng)部上，通過(guò)張拉驅(qū)動(dòng)繩而使得所述柔性擺動(dòng)部進(jìn)行擺動(dòng)；

5、所述柔性擺動(dòng)部包括剛性骨架、前中置片、后中置片和柔性蒙皮，所述柔性蒙皮分為前部中空部分和后部實(shí)心部分，所述剛性骨架與所述前中置片設(shè)置在所述前部中空部分內(nèi)，所述剛性骨架包括與所述前中置片相連的多個(gè)骨架單元，所述多個(gè)骨架單元將所述柔性蒙皮的前部中空部分撐開(kāi)形成魚(yú)尾形的主動(dòng)擺動(dòng)部，位于后部的骨架單元與所述后中置片與相連，所述后中置片與所述后部實(shí)心部的空心槽過(guò)盈配合，并與機(jī)器魚(yú)的尾鰭連接，形成被動(dòng)擺動(dòng)部；各骨架單元均設(shè)有穿繩孔供驅(qū)動(dòng)繩進(jìn)行張拉，所述前中置片采用撓性材料，驅(qū)動(dòng)繩張拉時(shí)帶動(dòng)各骨架單元及所述前中置片進(jìn)行對(duì)稱和非對(duì)稱彎曲，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)擺動(dòng)部分對(duì)稱和非對(duì)稱擺動(dòng)，所述后中置片在相對(duì)靜止的骨架單元上以懸臂梁模式擺動(dòng)，從而提高被動(dòng)擺動(dòng)部的擺頻和輸出功率。

6、進(jìn)一步地，還包括設(shè)置于所述上剛性殼體和所述下剛性殼體之間的tpu夾緊片；所述上剛性殼體和所述下剛性殼體通過(guò)螺栓連接，并與所述tpu（thermoplasticpolyurethane，熱塑性聚氨酯）夾緊片單元夾緊。所述tpu夾緊片邵氏硬度較小，具有一定的柔性，相比所述上剛性殼體與所述的下剛性殼體直接相連，接觸面積更大，壓力分布更均勻，密封性更好。

7、進(jìn)一步地，所述多個(gè)骨架單元為四個(gè)片狀骨架單元，所述四個(gè)片狀骨架單元在軸側(cè)開(kāi)有兩穿繩孔，驅(qū)動(dòng)繩在靠后的第四個(gè)剛性骨架單元截止，靠前的第一、二、三剛性骨架單元側(cè)面開(kāi)有兩個(gè)通孔，通過(guò)連接件與所述前中置片連接；所述第四剛性骨架單元側(cè)面開(kāi)有四個(gè)通孔，前列兩通孔通過(guò)連接件與所述前中置片連接，后列兩通孔通過(guò)連接件與所述后中置片連接。?四個(gè)剛性骨架單元將所述柔性蒙皮的前部中空部張緊為所述剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)柔性擺動(dòng)部的主動(dòng)擺動(dòng)部。

8、進(jìn)一步地，所述繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、換向單元和對(duì)稱張拉單元，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)所述換向單元耦合到所述對(duì)稱張拉單元，所述換向單元用于對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行換向，從而調(diào)控運(yùn)動(dòng)模態(tài)，所述對(duì)稱張拉單元由兩個(gè)對(duì)稱分布的繞線單元構(gòu)成，兩個(gè)繞線單元分別對(duì)兩根驅(qū)動(dòng)繩實(shí)施張拉，所述繞線單元包括凸臺(tái)齒輪、繞線盤(pán)和固線構(gòu)件，所述凸臺(tái)齒輪與所述繞線盤(pán)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述繞線盤(pán)與所述固線構(gòu)件連接，帶動(dòng)所述固線構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)，所述固線構(gòu)件用于夾緊驅(qū)動(dòng)繩。

9、進(jìn)一步地，所述換向單元包括換向器單元、輸入軸單元、輸出軸單元以及至少一對(duì)相互嚙合的錐齒輪單元，所述輸入軸單元和所述輸出軸單元分別與所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)和對(duì)稱張拉單元相耦合，所述錐齒輪單元實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出扭矩至對(duì)稱張拉單元的直角換向；所述換向器單元包括換向器殼體，在所述換向器殼體外設(shè)有至少兩個(gè)深溝球軸承單元，所述深溝球軸承單元用以支持所述輸入軸單元和輸出軸單元的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述輸入軸單元和輸出軸單元上分別設(shè)有卡槽，每個(gè)卡槽配合有卡簧，卡簧的上側(cè)與換向器殼體相接觸，通過(guò)錐齒輪的嚙合和卡簧的干涉實(shí)現(xiàn)輸出軸和輸入軸單元與換向器殼體的定位；所述換向單元通過(guò)聯(lián)軸器與所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)力傳遞。

10、進(jìn)一步地，所述凸臺(tái)齒輪和所述繞線盤(pán)中間開(kāi)有等孔徑的通孔，與子母螺絲的母螺絲過(guò)盈配合；所述凸臺(tái)齒輪與所述繞線盤(pán)同軸；所述子母螺絲的子螺絲在所述繞線盤(pán)的下側(cè)與所述母螺絲配合后，對(duì)所述繞線盤(pán)限位；所述凸臺(tái)齒輪與所述換向器單元的輸出軸上的配合齒輪嚙合，所述輸出軸上的配合齒輪與所述輸出軸過(guò)盈配合，以帶動(dòng)所述凸臺(tái)齒輪和所述繞線盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

11、進(jìn)一步地，所述繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)還包括固定架單元，所述固定架單元包絡(luò)所述對(duì)稱張拉單元；所述固定架單元包括上夾緊板、下夾緊板、固定外殼、子固定片和子固定殼；所述上夾緊板和所述下夾緊板之間夾緊所述凸臺(tái)齒輪，所述子固定殼通過(guò)螺柱連接并夾緊所述對(duì)稱張拉單元；所述子固定片與所述子固定殼通過(guò)螺栓連接并將所述子固定外殼與所述固定外殼連接；所述固定外殼通過(guò)螺栓與所述換向器單元的換向器殼體連接。

12、進(jìn)一步地，所述剛性頭部的封閉空間內(nèi)還設(shè)置有電機(jī)固定架，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述電機(jī)固定架通過(guò)螺栓連接，所述電機(jī)固定架與所述下剛性殼體連接。

13、進(jìn)一步地，所述剛性頭部采用橢圓曲線與拋物線的非線性耦合進(jìn)行流線型殼體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，遵循以下函數(shù)方程：

14、

15、其中， d為截面最大直徑；? l c為前半段頭部長(zhǎng)度； l r為后半段魚(yú)體長(zhǎng)度。

16、進(jìn)一步地， d取75mm， l c取118.5mm， l r取185mm。

17、本發(fā)明一些實(shí)施例中，一種剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)，包括剛性頭部、柔性擺動(dòng)部和繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)，其中：所述剛性頭部包括上剛性殼體、下剛性殼體和中層tpu夾緊片，所述剛性頭部與所述柔性擺動(dòng)部以三層靜密封的方式相接。當(dāng)機(jī)器魚(yú)直行游動(dòng)時(shí)，所述剛性頭部主要降低機(jī)器魚(yú)行進(jìn)阻力，所述柔性擺動(dòng)部主要產(chǎn)生尾部渦流，提供機(jī)器魚(yú)前進(jìn)的推進(jìn)力；當(dāng)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向時(shí)，所述柔性擺動(dòng)部占主導(dǎo)地位，機(jī)器魚(yú)通過(guò)所述柔性擺動(dòng)部的非對(duì)稱擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。所述剛性頭部?jī)?nèi)集中了機(jī)器魚(yú)主要功能模塊和重量分布，也決定了機(jī)器魚(yú)的整體形狀。

18、在一些實(shí)施例中，所述柔性擺動(dòng)部包括尾部四個(gè)片狀骨架單元、尾鰭單元、前中置片、后中置片和硅膠蒙皮。所述四個(gè)片狀骨架單元通過(guò)螺栓與所述前中置片等距連接。所述片狀骨架單元將所述硅膠蒙皮的前部中空部分撐開(kāi)，形成所述機(jī)器魚(yú)的魚(yú)尾形的主動(dòng)擺動(dòng)部分。所述四個(gè)片狀骨架單元與所述硅膠蒙皮緊密貼合，所述硅膠蒙皮使得所述柔性擺動(dòng)部具有密封性。所述后中置片與所述硅膠蒙皮的后部實(shí)心部分配合，形成所述柔性擺動(dòng)部的被動(dòng)擺動(dòng)部分。

19、在一些實(shí)施例中，本發(fā)明在硅膠蒙皮的后部實(shí)心部中間開(kāi)有空心槽，所述空心槽的形狀是所述后中置片的等距縮放；所述后中置片與所述硅膠蒙皮在后部實(shí)心部的空心槽過(guò)盈配合，形成所述柔性擺動(dòng)部的被動(dòng)擺動(dòng)部分；相比無(wú)所述后中置片的被動(dòng)擺動(dòng)部分，有所述后中置片的被動(dòng)擺動(dòng)部分?jǐn)[頻更快。

20、在一些實(shí)施例中，所述上剛性殼體采雙層設(shè)計(jì)，內(nèi)部有一平臺(tái)板；所述平臺(tái)板上側(cè)放置電源模塊和升壓模塊，所述電源模塊和升壓模塊通過(guò)雙面泡沫膠與所述平臺(tái)板相互粘接固定；所述平臺(tái)板下側(cè)防止控制板與藍(lán)牙模塊；所述藍(lán)牙與所述控制板通過(guò)引腳相連，所述控制板與所述平臺(tái)通過(guò)泡沫膠相互粘接；所述上剛性殼體外側(cè)分布九通孔，通孔內(nèi)嵌螺母套；所述下剛性殼體也分布有與所述上剛性殼體對(duì)應(yīng)的螺紋孔。

21、在一些實(shí)施例中，所述上剛性殼體和下剛性殼體均噴涂防水漆，以防止發(fā)生滲水、漏水。殼體外形為流線型，長(zhǎng)度、寬度、高度、截面采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，相互配合后構(gòu)成與鲹科魚(yú)類相應(yīng)的紡錘形空間。

22、本發(fā)明具有如下有益效果：

23、本發(fā)明提供了一種基于繩驅(qū)張拉結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)機(jī)器魚(yú)體型龐大繁雜、控制系統(tǒng)復(fù)雜、游動(dòng)姿態(tài)僵硬、驅(qū)動(dòng)效率較低的問(wèn)題。該機(jī)器魚(yú)結(jié)合了剛體機(jī)器魚(yú)驅(qū)動(dòng)效率高和軟體機(jī)器魚(yú)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不僅具備較高的輸出功率，具有較好的潛在工程應(yīng)用價(jià)值，而且通過(guò)繩驅(qū)柔性尾部設(shè)計(jì)，在較高水平利用空間、極大簡(jiǎn)化了控制模型的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了魚(yú)尾擺動(dòng)的連續(xù)性和柔順性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)類的較高仿生度、推進(jìn)效率和簡(jiǎn)易控制模型的較好結(jié)合。這種剛?cè)狁詈蠙C(jī)器魚(yú)為各種復(fù)雜的水下和海洋的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，新型水下機(jī)器人尤其是仿生機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)提供了高效、新穎的解決方案，滿足了控制容易、效率高、能耗低的要求。

24、本發(fā)明機(jī)器魚(yú)的柔性擺動(dòng)部是一個(gè)由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的張拉擺動(dòng)系統(tǒng)，由片狀骨架單元組成的主動(dòng)擺動(dòng)部和中置片內(nèi)嵌的被動(dòng)擺動(dòng)部構(gòu)成。與現(xiàn)有機(jī)器魚(yú)擺動(dòng)部不同的是，柔性擺動(dòng)部的分段設(shè)計(jì)更好地?cái)M合了魚(yú)類真實(shí)游動(dòng)的尾部狀態(tài)，同時(shí)，內(nèi)嵌采用回彈性好、耐疲勞的材料的中置片的被動(dòng)擺動(dòng)部在保證柔性尾部柔順性的同時(shí)提高了其與骨架單元相連部分的局部剛度，從而提高了被動(dòng)擺動(dòng)部的擺動(dòng)頻率，同時(shí)提高了其輸出功率，克服了傳統(tǒng)軟體機(jī)器魚(yú)游動(dòng)速度慢、輸出力不足、輸出功率低的問(wèn)題。

25、本發(fā)明實(shí)施例對(duì)繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用電機(jī)結(jié)合換向器和齒輪箱的張拉系統(tǒng)，在體積和空間極為有限的條件下實(shí)現(xiàn)了集成度較高的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用該繩驅(qū)張拉機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)繩的張拉，進(jìn)而帶動(dòng)骨架單元實(shí)現(xiàn)柔性擺動(dòng)部的主動(dòng)部彎曲，主動(dòng)部帶動(dòng)被動(dòng)部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)擺動(dòng)部的對(duì)稱、非對(duì)稱和高頻擺動(dòng)。在電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，和現(xiàn)在大多數(shù)繩驅(qū)機(jī)器魚(yú)所采用的單一舵機(jī)設(shè)計(jì)的不同，電機(jī)連帶齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)拉線可以在繩驅(qū)張拉的換向上更加平滑，驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)部可以表現(xiàn)出更高的驅(qū)動(dòng)頻率和更擬合正弦輸出波的波形，克服了剛體機(jī)器魚(yú)擺動(dòng)姿態(tài)僵硬、連續(xù)性低、靈活性差的固有問(wèn)題。

26、剛性頭部?jī)?yōu)選采用橢圓曲線與拋物線的非線性耦合進(jìn)行流線型殼體的參數(shù)化設(shè)計(jì)，遵循所提的函數(shù)方程，得到的形狀極大降低了機(jī)器魚(yú)游動(dòng)時(shí)的行進(jìn)阻力。物體在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力，是由內(nèi)摩擦和渦旋兩個(gè)原因所造成的。在速度很小時(shí)，阻力的大小主要決定于內(nèi)摩擦。在速度較大時(shí)主要決定于渦旋，速度越快，渦旋的作用越大。為了有效地減小阻力，就要設(shè)法避免渦旋的形成。通過(guò)對(duì)魚(yú)類的游泳進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)凡是游得快的魚(yú)，如帶魚(yú)、鯊魚(yú)等，都具有一種特殊的雪茄煙式的形狀。又通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，將機(jī)器魚(yú)做成上述形狀，能減小渦旋作用或避免渦旋的形成，因而大大地減低了流體對(duì)它的阻力。

27、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。