一种基于张拉整体原理的仿生机械鱼的制作方法

本发明涉及仿生机械设备技术领域，特别是涉及一种基于张拉整体原理的仿生机械鱼。

背景技术：

仿生机械鱼是鱼类推进机理和机器人技术相结合的仿生机械设备，是一种新型的水下航行器。由于形似鱼类，和普通的水下推进器相比，仿生机械鱼能模仿鱼类游动，具有推进效率高、机动性能好、隐蔽性高等优点。仿生机械鱼还可搭载多种探测传感器，用于探测水下环境、污染物、绘制河床图，甚至还可以在军事侦察、水下救援、海洋生物观察、考古等方面发挥重要作用，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

仿生机械鱼的机械推动机构是其行进性能的关键结构，现有的仿生机械鱼如中国专利文献cn206766306u公开了一种适用于水下噪声监测的机器鱼，包括鱼头、胸鳍、设备舱、尾部驱动装置、水声监测装置和防水鱼皮；胸鳍固定在穿过鱼头的细杆上；设备舱安装在鱼头内；尾部驱动装置与设备舱相连并与鱼头相连；防水鱼皮通过接口固定于鱼头后部，包住整个鱼尾；鱼头中部开有设备舱和配重舱，鱼头前部和腹部开有仪器舱，鱼头后部设有鱼皮接口；尾部驱动装置包括舵机、舵盘、牵引线、两个骨节和尾鳍，舵机安装在舵机架上，舵盘通过舵机的齿轮与舵机咬合。这种仿生机械鱼的各个骨节通过万向节连接，这种连接方式属于刚性连接，部件间容易磨损，而且其骨节之间通过弹性杆来提供支撑力和回复力，这就意味着该机械鱼不能准确控制各个骨节的姿态；此外，这种机械鱼只用一个电机驱动，一旦电机故障机械鱼便不能工作了。再如中国专利文献cn109110095a公开了一种张拉整体式摆动推进机构，包括头部、柔性躯干和尾部，头部通过柔性躯干和尾部连接，头部内设置有驱动系统，柔性躯干包括多组张拉浮动式柔性关节，每组张拉浮动式柔性关节包括基础平台、从动平台和多组张力元件，基础平台的上面结构与从动平台的下面结构通过多组水平的张力元件连接，基础平台的上面结构与从动平台的上面结构件通过多组轴向的张力元件连接，从而能够悬浮支撑起从动平台，每组张拉浮动式柔性关节从而依次互相串联，其中，轴向的张力元件提供了竖直向下的拉力，水平的张力元件提供了竖直向上的张力用以对抗，使得从动平台能够绕着基础平台进行无直接机械接触的浮动转动；驱动系统与其中某一组或多组张拉浮动式柔性关节连接。这种仿生机械鱼的基础平台和从动平台通过多组水平、轴向的张力元件连接，为了产生互相抵抗的力使从动平台悬浮，从动平台的下面结构在基础平台的镂空圆盘的下方，这样使得机械鱼关节的转动范围受到限制；另外，从动平台的下面结构与多组水平的张力元件一端固定连接，使从动平台在转动的过程需要克服张拉元件所产生的张力，使其转动效率较差。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的仿生机械鱼，转动范围受限、转动效率差，不能满足日益广泛的应用需求，而提供一种转动范围大、转动效率高、而且能精确控制动作姿态、可靠性高的基于张拉整体原理的仿生机械鱼。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于张拉整体原理的仿生机械鱼，包括依次连接的头部、躯干部和尾部，所述躯干部包括至少一组张拉推进部，相邻所述张拉推进部之间以及所述张拉推进部与所述头部、所述尾部均为固定连接；每组所述张拉推进部包括两个轴线竖直设置的第一转动件和第二转动件，所述第一转动件和所述第二转动件的上部通过第一连接架连接，所述第一转动件和所述第二转动件的下部通过第二连接架连接，所述第一连接架与所述第一转动件、所述第二转动件之间以及所述第二连接架与所述第一转动件、所述第二转动件之间均通过具有预紧力的弹性元件连接，使所述头部、所述躯干部和所述尾部保持悬浮平衡；所述第一转动件和所述第二转动件的中部与张拉驱动组件连接，使所述第一转动件和所述第二转动件实现自转。

优选地，所述连接架与所述第二连接架之间具有轴线竖直且位于所述第一转动件和所述第二转动件之间的中间支柱，所述张拉驱动组件包括具有预紧力的第一宽拉带、第二宽拉带、第三宽拉带和第四宽拉带；

所述第一宽拉带的一端与所述第一转动件的柱面固定连接，另一端穿过所述第一转动件与所述中间支柱的间隙进而连接设置于所述中间支柱柱面上对应位置的第一驱动件；

所述第二宽拉带位于所述第一宽拉带的下方且与所述第一宽拉带左右对称设置，所述第二宽拉带的一端与所述第一转动件的柱面固定连接，另一端穿过所述第一转动件与所述中间支柱的间隙进而连接设置于所述中间支柱柱面上对应位置的第二驱动件；

所述第三宽拉带的一端连接设置于所述中间支柱柱面上对应位置的第三驱动件，另一端穿过所述中间支柱与所述第二转动件的间隙进而与所述第二转动件的柱面固定连接；

所述第四宽拉带位于所述第三宽拉带的下方且与所述第三宽拉带左右对称设置，所述第四宽拉带的一端连接设置于所述中间支柱柱面上对应位置的第四驱动件，另一端穿过所述中间支柱与所述第二转动件的间隙进而与所述第二转动件的柱面固定连接。

优选地，所述第一转动件与所述第一宽拉带、所述第二宽拉带的接触面为弧形面，所述第二转动件与所述第三宽拉带、所述第四宽拉带的接触面为弧形面，所述中间支柱与所述第一宽拉带、所述第二宽拉带、所述第三宽拉带、所述第四宽拉带的接触面为弧形面。

优选地，所述第一转动件与所述第一宽拉带、所述第二宽拉带的接触面为光滑的圆弧面，所述第二转动件与所述第三宽拉带、所述第四宽拉带的接触面为光滑的圆弧面，所述中间支柱与所述第一宽拉带、所述第二宽拉带、所述第三宽拉带、所述第四宽拉带的接触面为光滑的圆弧面。

优选地，所述第三宽拉带与所述第一宽拉带水平位置相同，所述第四宽拉带与所述第二宽拉带水平位置相同。

优选地，所述第一驱动件、所述第二驱动件、所述第三驱动件和所述第四驱动件为伺服电机或直线电机，用于提供水平方向拉力。

优选地，所述第一连接架和所述第二连接架结构相同，均具有分别朝向所述头部和所述尾部水平伸出的分叉结构，所述分叉结构包括第一支杆和第二支杆，所述第一支杆的根部具有第一凸台，所述第二支杆的根部具有第二凸台；所述第一转动件和所述第二转动件的上端具有第一连接柱，所述第一转动件和所述第二转动件的下端具有第二连接柱；

所述弹性元件包括第一窄拉带和第二窄拉带，所述第一窄拉带套于所述第一连接柱、所述第二连接柱上且两端分别与所述第一凸台、所述第二凸台固定连接，所述第二窄拉带也套于所述第一连接柱、所述第二连接柱上且两端分别与所述第一支杆、所述第二支杆的端部固定连接。

优选地，所述第一连接柱和所述第二连接柱的柱面上具有水平成型的第一凹槽和第二凹槽，所述第一窄拉带嵌入所述第一凹槽内，所述第二窄拉带嵌入所述第二凹槽内。

优选地，所述第一连接柱和所述第二连接柱为圆柱体，所述第一凹槽和所述第二凹槽为环形凹槽。

优选地，所述第一支杆、所述第二支杆的端部成型有台阶，所述第二窄拉带的两端固定于所述台阶处。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明提供的基于张拉整体原理的仿生机械鱼，运用张拉整体原理连接，转动范围大、转动效率高、能精确控制动作姿态、可靠性高，具有在水中进行前进运动和偏航运动的能力，而且各个刚性零件之间不存在摩擦或磨损，提高了零件的使用寿命，本发明的仿生机械鱼结构简单、移动灵活，能够承受较大的载荷，运动自然平滑，机械传递效率高，由于运用张拉整体结构连接各个刚性零件，机械鱼整体结构拆卸灵活、方便，利用设备维护。

(2)本发明提供的基于张拉整体原理的仿生机械鱼，第一转动件和第二转动件上设置的宽拉带，从投影角度看呈交叉状，每个转动件都由两个驱动件分别控制其前、后摆动，可精准的控制运动姿态，而且每个转动件都由两个驱动件驱动，即使某个驱动件(电机)出现故障，机械鱼整体依然可以工作，鲁棒性好；第一转动件和第二转动件上设置的窄拉带，从投影角度看也呈交叉状，上、下部分的两组窄拉带起着转动副的作用，使关节间有更大的转动范围和更好的转动效果。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼的整体结构示意图；

图2是本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼的俯视图；

图3是本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼的正视图；

图4是本发明中张拉推进部的整体示意图

图5是本发明中第一连接架、第二连接架的示意图；

图6是本发明中第一转动件的示意图；

图7是本发明中第二转动件的示意图；

图8是图3中a-a剖面示意图。

图中附图标记表示为：1-头部，2-尾部，3-张拉推进部，4-第一转动件，5-第二转动件，6-第一连接架，7-第二连接架，8-中间支柱，9-第一宽拉带，10-第二宽拉带，11-第三宽拉带，12-第四宽拉带，13-第一驱动件，14-第二驱动件，15-第三驱动件，16-第四驱动件，17-第一支杆，18-第二支杆，19-第一凸台，20-第二凸台，21-第一连接柱，22-第二连接柱，23-第一窄拉带，24-第二窄拉带，25-第一凹槽，26-第二凹槽，27-台阶，28-连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

如图1-3所示，是本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼的优选实施例。所述仿生机械鱼包括依次连接的头部1、躯干部和尾部2。所述躯干部包括至少一组张拉推进部3，相邻所述张拉推进部3之间以及所述张拉推进部3与所述头部1、所述尾部2均为固定连接。在本实施例中，所述躯干部包括两组所述张拉推进部3，相邻的所述张拉推进部3之间通过连杆28固定连接，靠近头部的所述张拉推进部3与所述头部1固定连接，靠近尾部的所述张拉推进部3与所述尾部2固定连接。本发明中仿生机械鱼的躯干部左右对称，注：在本发明中“左、右”是指面向机械鱼的头部，以鱼身躯干为轴线的左边和右边。

如图4所示，每组所述张拉推进部3包括两个轴线竖直设置的第一转动件4和第二转动件5，即第一转动件4和第二转动件5的轴线相互平行。所述第一转动件4和所述第二转动件5的上部通过第一连接架6连接，所述第一转动件4和所述第二转动件5的下部通过第二连接架7连接，所述第一连接架6与所述第一转动件4、所述第二转动件5之间以及所述第二连接架7与所述第一转动件4、所述第二转动件5之间均通过具有预紧力的弹性元件连接，所述弹性元件提供相反的作用力，使所述头部1、所述躯干部和所述尾部2保持悬浮平衡，以保证第一转动件4、第二转动件5可沿轴线转动，起着转动副的作用。所述第一转动件4和所述第二转动件5的中部与张拉驱动组件连接，使所述第一转动件4和所述第二转动件5实现自转。

如图5所示，所述第一连接架6和所述第二连接架7结构相同，均具有分别朝向所述头部1和所述尾部2水平伸出的分叉结构，所述分叉结构包括第一支杆17和第二支杆18，所述第一支杆17的根部具有第一凸台19，所述第二支杆18的根部具有第二凸台20。

如图6、7所示，所述第一转动件4和所述第二转动件5的上端具有第一连接柱21，所述第一转动件4和所述第二转动件5的下端具有第二连接柱22。

所述弹性元件包括第一窄拉带23和第二窄拉带24，所述第一窄拉带23套于所述第一连接柱21、所述第二连接柱22上且两端分别与所述第一凸台19、所述第二凸台20固定连接，所述第二窄拉带24也套于所述第一连接柱21、所述第二连接柱22上且两端分别与所述第一支杆17、所述第二支杆18的端部固定连接。进一步地，所述第一支杆17、所述第二支杆18的端部成型有台阶27，所述第二窄拉带24的两端固定于所述台阶27处。各个窄拉带的两端与相应位置均通过螺钉连接。

为了防止在机械鱼运动过程中，窄拉带位置发生偏移，所述第一连接柱21和所述第二连接柱22的柱面上具有水平成型的第一凹槽25和第二凹槽26，所述第一凹槽25和第二凹槽26自上而下平行设置，所述第一窄拉带23嵌入所述第一凹槽25内，所述第二窄拉带24嵌入所述第二凹槽26内，从而起到限位作用。为减少机械鱼运动过程中窄拉带与各连接柱之间的摩擦，延长窄拉带的使用寿命，所述第一连接柱21和所述第二连接柱22优选为圆柱体，所述第一凹槽25和所述第二凹槽26为环形凹槽。

所述第一窄拉带23和第二窄拉带24起到张拉整体结构中索元件的作用只受拉力，所述第一转动件4和第二转动件5起到张拉整体结构中杆构件的作用只受压力，两者共同组成张拉整体结构。窄拉带具有一定预紧力，可以通过控制预紧力的大小来调节张拉整体原理连接结构的刚度。

所述连接架6与所述第二连接架7之间具有轴线竖直且位于所述第一转动件4和所述第二转动件5之间的中间支柱8，即所述中间支柱8的轴线与所述第一转动件4和所述第二转动件5的轴线平行。

所述张拉驱动组件包括具有预紧力的第一宽拉带9、第二宽拉带10、第三宽拉带11和第四宽拉带12。

所述第一宽拉带9的一端与所述第一转动件4的柱面固定连接，另一端穿过所述第一转动件4与所述中间支柱8的间隙进而连接设置于所述中间支柱8柱面上对应位置的第一驱动件13，如图8所示。

所述第二宽拉带10位于所述第一宽拉带9的下方且与所述第一宽拉带9左右对称设置，所述第二宽拉带10的一端与所述第一转动件4的柱面固定连接，另一端穿过所述第一转动件4与所述中间支柱8的间隙进而连接设置于所述中间支柱8柱面上对应位置的第二驱动件14。

所述第三宽拉带11的一端连接设置于所述中间支柱8柱面上对应位置的第三驱动件15，另一端穿过所述中间支柱8与所述第二转动件5的间隙进而与所述第二转动件5的柱面固定连接。在本实施例中，所述第三宽拉带11与所述第一宽拉带9的水平位置相同，有利于力的平衡，使机械鱼的运动更协调一致。

所述第四宽拉带12位于所述第三宽拉带11的下方且与所述第三宽拉带11左右对称设置，所述第四宽拉带12的一端连接设置于所述中间支柱8柱面上对应位置的第四驱动件16，另一端穿过所述中间支柱8与所述第二转动件5的间隙进而与所述第二转动件5的柱面固定连接。

在本实施例中，所述第四宽拉带12与所述第二宽拉带10的水平位置相同，有利于力的平衡，使机械鱼的运动更协调一致。所述第一驱动件13、所述第二驱动件14、所述第三驱动件15和所述第四驱动件16为伺服电机或直线电机，用于提供水平方向拉力。各驱动件为相应的宽拉带提供拉力，使其可以带动头部、躯干部和尾部左右摆动或以某个位置保持不动。从俯视角度来看，传递动力的宽拉带呈交叉状安装，可以更为精准的控制机械鱼的运动姿态。

为减少摩擦力，延长各宽拉带的使用寿命，所述第一转动件4与所述第一宽拉带9、所述第二宽拉带10的接触面为弧形面，优选为光滑的圆弧面。所述第二转动件5与所述第三宽拉带11、所述第四宽拉带12的接触面为光滑的弧形面，优选为圆弧面。所述中间支柱8与所述第一宽拉带9、所述第二宽拉带10、所述第三宽拉带11、所述第四宽拉带12的接触面为弧形面，优选为光滑的圆弧面。

在本发明中，窄拉带、宽拉带均是由表面光滑的弹性材料制成。通过由弹性材料制成的宽拉带连接动力驱动件和各个转动关节，对动力驱动件起到缓冲的作用，提高了其使用寿命。

下面对本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼的工作过程进行详述：

仿生机械鱼工作时，在第一驱动件13和第三驱动件15同时提供拉力时第二驱动件14和第四驱动件16不提供拉力，使第一转动件4和第二转动件5可以仅在上半部分的宽拉带的作用下朝一个方向摆动，不受下半部分的宽拉带影响；同理，在第二驱动件14和第四驱动件16同时提供拉力时第一驱动件13和第三驱动件15不提供拉力，使第一转动件4和第二转动件5可以仅在下半部分的宽拉带的作用下朝另一个方向摆动，不受上半部分的宽拉带影响；依此原理，即上半部分、下半部分的驱动件交替给对应的宽拉带提供拉力，实现仿生机械鱼身体的摆动行进。当第一转动件4和第二转动件5保持某个位置不动时，所有驱动件同时为各个宽拉带施加拉力，使仿生机械鱼保持平衡。当头部保持不动，躯干部和尾部的转动件左右摆动，可以使机械鱼前进；当头部向左或者向右转动，躯干部和尾部的转动件左右摆动，可以使机械鱼向左或者向右前进。

本发明基于张拉整体原理的仿生机械鱼运用张拉整体原理连接，抗冲击能力强、鲁棒性好、适应水下环境能力强。运动时各个刚性零件之间不存在摩擦或磨损，从而提高了零件的使用寿命。

在其他实施例中，可以根据需要增加张拉推进部的数量，如设置3组、4组、5组张拉推进部，从而增加仿生机械鱼的自由度达到工作要求，丰富机械鱼运动的多样性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

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