可重构仿生机器鱼和组合仿生鱼

1.本发明涉及水下仿生机器人技术领域，尤其涉及一种可重构仿生机器鱼和组合仿生鱼。


背景技术：

2.目前，已有仿生机器鱼主要依靠复杂的机械结构设计来现水下多模态运动，即现有的仿生机器鱼要实现多运动度的灵活运动，需要依靠多种驱动部件协同作用才能够实现，但复杂的机构设计一方面增大了机器鱼的整体尺寸，使其难以执行狭窄场景下的作业任务，另一方面增加了机器鱼的维护及复用等成本；而如果采用功能较为单一的机器鱼，虽然这种功能较为单一的机器鱼得益于其功能单一使得其体积也能够做到更小，因此能够满足一些狭窄实用场景的需求，但其功能单一就导致了其灵活性较差，无法实现多运动度的灵活运动，因此在需要多运动度灵活运动的场景无法满足该场景的使用需求。
3.鉴于此，有必要提供一种新的可重构仿生机器鱼和组合仿生鱼，以解决或至少缓解上述技术缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种可重构仿生机器鱼和组合仿生鱼，旨在解决现有机器鱼难以兼顾运动灵活性和满足狭窄使用场景需求的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种可重构仿生机器鱼，所述可重构仿生机器鱼包括：
6.主体机构，所述主体机构包括相互连接的密封外壳和电控永磁铁装置，所述电控永磁铁装置包括充磁状态和消磁状态；
7.尾部机构，所述尾部机构用以带动所述密封外壳移动。
8.在一实施例中，所述尾部机构包括尾部和腰部，所述尾部包括尾鳍驱动组件和尾鳍，所述尾鳍驱动组件与所述尾鳍连接用以驱动所述尾鳍摆动，所述尾鳍驱动组件用以通过所述腰部与所述密封外壳连接。
9.在一实施例中，所述腰部包括相互连接的腰部驱动组件和腰部连接件，所述腰部驱动组件用于驱动所述腰部连接件转动，所述腰部连接件与所述尾鳍驱动组件连接。
10.在一实施例中，所述腰部连接件的转轴与所述尾鳍的转轴垂直设置。
11.在一实施例中，所述电控永磁铁装置的数量为多个，所述密封外壳设置有多个安装面，各所述安装面均安装有所述电控永磁铁装置。
12.在一实施例中，所述电控永磁铁装置包括吸盘电路板、吸盘外壳，永磁铁组件、吸盘线圈和密封圈，所述永磁铁组件与所述吸盘外壳连接，所述吸盘线圈与所述吸盘电路板电连接，所述吸盘线圈绕设在所述永磁铁组件的外围，所述吸盘外壳安装于所述安装面，所述安装面开设有供所述吸盘外壳的外侧面外露的第一通孔，所述吸盘电路板、所述吸盘线圈和所述密封圈均位于所述密封外壳内，所述密封圈与所述吸盘外壳连接，用以防止水进
入所述密封外壳内；所述吸盘电路板能够通过所述吸盘线圈控制所述永磁铁组件在所述充磁状态和所述消磁状态之间切换。
13.在一实施例中，所述可重构仿生机器鱼还包括视觉识别机构，所述视觉识别机构设置于所述密封壳体内并与一所述吸盘外壳连接，所述吸盘外壳开设有供所述视觉识别机构的镜头外露的第二通孔。
14.在一实施例中，所述永磁铁组件的数量为多个，所述吸盘线圈与所述永磁铁组件数量一致且一一对应设置，以使所述吸盘电路板能够单独控制任一所述永磁铁组件在所述充磁状态和所述消磁状态之间切换。
15.在一实施例中，所述可重构仿生机器鱼包括图像采集机构，所述图像采集机构包括图像采集组件和防水护罩，所述图像采集组件包括图像采集件和与所述图像采集件电连接的图像采集主控单元，所述图像采集件位于所述防水护罩内，所述密封外壳开设有供所述防水护罩的部分本体伸出的观测孔。
16.此外，本发明还提供一种组合仿生鱼，所述组合仿生鱼包括至少两个上述可重构仿生机器鱼，任意两个所述可重构仿生机器鱼均能够通过所述电控永磁铁装置连接或分离。
17.本发明的上述技术方案中，尾部机构能够带动主体机构实现至少一自由度的运动，即尾部机构至少能够带动主体机构沿某一方向进行移动，由于主体机构包括密封外壳和电控永磁铁装置，因此当电控永磁铁装置处于充磁状态时，可以通过电控永磁铁装置与其他可重构仿生机器鱼连接或与其他驱动部件连接，以使拼接完成后的结构能够实现多运动方向的灵活运动；当面对狭窄使用环境时，可控制电控永磁铁装置处于消磁状态，从而解除与电控永磁铁装置通过磁性连接的部件，进而使可重构仿生机器鱼恢复至原有大小，以适应狭窄环境的使用需求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本发明一实施例可重构仿生机器鱼的结构示意图；
20.图2为本发明一实施例可重构仿生机器鱼的部分结构分解示意图；
21.图3为本发明组合仿生鱼实施例一的结构示意图；
22.图4为本发明组合仿生鱼实施例二的结构示意图；
23.图5为本发明组合仿生鱼实施例三的结构示意图。
24.附图标号说明：
[0025][0026][0027]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0029]
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如前、后、左、右)仅用于解释在某一特定姿态(如附图5所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0030]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为
指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征能够以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0031]
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案能够以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0032]
本发明提供一种可重构仿生机器鱼1，在一实施例中，如图1所示，该可重构仿生机器鱼1包括主体机构11和尾部机构12，主体机构11包括相互连接的密封外壳111和电控永磁铁装置112，电控永磁铁装置112包括充磁状态和消磁状态；尾部机构12用以带动密封外壳111移动。
[0033]
其中，尾部机构12能够带动主体机构11实现至少一自由度的运动，即尾部机构12至少能够带动主体机构11沿某一方向进行移动，由于主体机构11包括密封外壳111和电控永磁铁装置112，电控永磁铁装置112能够在充磁状态和消磁状态之间切换，因此当电控永磁铁装置112处于充磁状态时，可以通过电控永磁铁装置112与其他可重构仿生机器鱼1连接或与其他驱动部件连接，以使拼接完成后的结构能够实现多运动方向的灵活运动；当面对狭窄使用环境时，可控制电控永磁铁装置112处于消磁状态，从而解除与电控永磁铁装置112通过磁性连接的部件，进而使可重构仿生机器鱼1恢复至原有大小，以适应狭窄环境的使用需求。需要说明的是，电控永磁铁装置112可以使用现有的电永磁铁。还需要说明的是，密封外壳111的内部为密封空间，外部的水无法进入密封空间内。
[0034]
如图1和图2所示，尾部机构12包括尾部121和腰部122，尾部121包括尾鳍驱动组件1211和尾鳍1212，尾鳍驱动组件1211与尾鳍1212连接用以驱动尾鳍1212摆动，尾鳍驱动组件1211用以通过腰部122与密封外壳111连接。尾鳍驱动组件1211驱动尾鳍1212摆动用以模仿鱼的尾鳍摆动，通过尾鳍1212的摆动带动密封壳体沿某一方向进行移动。尾鳍驱动组件1211还能够通过改变尾鳍1212的摆动角度亦或是尾鳍1212停止摆动时尾鳍1212所在的位置，来改变密封壳体的移动方向，从而提高可重构仿生机器鱼1的灵活性。需要说明的是，尾鳍驱动组件1211驱动尾鳍1212摆动为可重构仿生机器鱼1的行进产生主要推进力，尾鳍驱动组件1211用于驱动尾鳍1212进行偏航方向拍动。
[0035]
根据本发明一实施例，尾鳍驱动组件1211包括尾部舵机12111、尾部舵盘12112和尾柄12113，其中尾部舵机12111与腰部122连接，尾部舵机12111的输出轴与尾部舵盘12112连接，以使尾部舵机12111能够驱动尾部舵盘12112转动，尾柄12113为l型，尾柄12113的一端与尾部舵盘12112连接，尾柄12113的另一端与尾鳍1212连接，以使尾部舵机12111能够通过尾部舵盘12112和尾柄12113带动尾鳍1212摆动。
[0036]
根据本发明另一实施例，尾鳍1212为碳纤维尾鳍，其中碳纤维尾鳍具有一定的被动柔性，可以有效提高可重构仿生机器鱼1的运动效率。
[0037]
进一步地，腰部122包括相互连接的腰部驱动组件1221和腰部连接件1222，腰部驱动组件1221用于驱动腰部连接件1222转动，腰部连接件1222与尾鳍驱动组件1211连接。其中腰部驱动组件1221能够通过腰部连接件1222和尾鳍驱动组件1211带动尾鳍1212转动，从而改变尾鳍1212的拍动模式，尾鳍1212的拍动模式分为水平摆动模式和竖直拍动模式，其中水平摆动模式主要用于实现仿鱼类的腰尾式推进，进而完成水平面内的机动；竖直拍动模式主要用于实现仿鲸豚类的腰尾式推进，进而完成竖直面内的机动，使得可重构仿生机
器鱼1的灵活性得到显著提高，以使可重构仿生机器鱼1能够实现简单的三维运动。
[0038]
根据本发明一实施例，腰部驱动组件1221包括腰部舵机12211和腰部舵盘12212，腰部舵机12211与密封壳体连接，腰部舵机12211的输出轴与腰部舵盘12212连接，腰部舵盘12212用以与腰部连接件1222连接，以使腰部舵机12211能够通过腰部舵盘12212带动腰部连接件1222转动，从而通过腰部连接件1222带动尾鳍1212转动。
[0039]
并且，腰部连接件1222的转轴与尾鳍1212的转轴垂直设置。使得腰部122和尾部121的动作更加接近鱼尾，也更加容易通过控制腰部舵机12211和尾部舵机12111调节可重构仿生机器鱼1的移动方向。需要说明的是，腰部连接件1222的转轴的延长线与尾鳍1212的转轴的延长线共面且垂直设置。
[0040]
另外，电控永磁铁装置112的数量为多个，密封外壳111设置有多个安装面1111，各安装面1111均安装有电控永磁铁装置112。其中通过设置多个电控永磁铁装置112，使得每一电控永磁铁装置112均能够用以与其他可重构仿生机器鱼1的电控永磁铁装置112磁性连接，并且由于每一可重构仿生机器鱼1都具有可以摆动的尾鳍1212和可以转动的腰部连接件1222，在仅有一个可重构仿生机器鱼1时，其就能够通过尾鳍1212的摆动以及腰部连接件1222的转动实现简单的三维运动的功能，因此，依靠电控永磁铁装置112完成重构后的组合件，能够完成更为复杂的三维空间运动并实现更为灵活的姿态调整。
[0041]
其中，电控永磁铁装置112包括吸盘电路板1121、吸盘外壳1122，永磁铁组件1123、吸盘线圈1124和密封圈1125，永磁铁组件1123与吸盘外壳1122连接，吸盘线圈1124与吸盘电路板1121电连接，吸盘线圈1124绕设在永磁铁组件1123的外围，吸盘外壳1122安装于安装面1111，安装面1111开设有供吸盘外壳1122的外侧面外露的第一通孔1112，吸盘电路板1121、吸盘线圈1124和密封圈1125均位于密封外壳111内，密封圈1125与吸盘外壳1122连接，用以防止水进入密封外壳111内；吸盘电路板1121能够通过吸盘线圈1124控制永磁铁组件1123在充磁状态和消磁状态之间切换。其中，吸盘线圈1124的两端连接吸盘电路板1121的输出端，永磁铁组件1123包括两种磁通接近且矫磁顽力差异明显的第一永磁铁和第二永磁铁(如ndfeb磁铁和alnico磁铁)，吸盘线圈1124绕设在第一永磁铁和第二永磁铁的外围用以包裹这两种永磁铁。吸盘电路板1121可输出瞬时大电流，从而使得吸盘线圈1124两侧产生固定强度的瞬时电磁场，进而改变第一永磁铁和第二永磁铁中的矫磁顽力相对较低的一者的极性。电流与电磁场消退后，当第一永磁铁和第二永磁铁的极性相同时，二者整体对外显磁性，即此时为充磁状态；当第一永磁铁和第二永磁铁的极性相反时，二者构成内部闭合磁场，对外无磁性，即此时为消磁状态。需要说明的是，永磁铁组件1123的磁性仅需要通过脉冲电流即可调整，因此在多个可重构仿生机器鱼1完成拼装后基本无电量消耗，有效提高了可重构仿生机器鱼1的续航能力。
[0042]
并且，可重构仿生机器鱼1还包括视觉识别机构13，视觉识别机构13设置于密封壳体内并与一吸盘外壳1122连接，吸盘外壳1122开设有供视觉识别机构13的镜头外露的第二通孔11221。通过增设视觉识别机构13，使得可重构仿生机器鱼1能够基于视觉识别机构13的视觉识别实现与其他可重构仿生机器鱼1的自主对接。
[0043]
如图1和图2所示，永磁铁组件1123的数量为多个，吸盘线圈1124与永磁铁组件1123数量一致且一一对应设置，以使吸盘电路板1121能够单独控制任一永磁铁组件1123在充磁状态和消磁状态之间切换。通过增设多个永磁铁组件1123，并且每一永磁铁组件1123
的状态均能够由吸盘电路板1121进行独立控制，从而可以通过控制处于充磁状态的永磁铁组件1123的数量来控制电控永磁铁组件1123的磁性强度。
[0044]
进一步地，可重构仿生机器鱼1包括图像采集机构14，图像采集机构14包括图像采集组件141和防水护罩142，图像采集组件141包括图像采集件1411和与图像采集件1411电连接的图像采集主控单元1412，图像采集件1411位于防水护罩142内，密封外壳111开设有供防水护罩142的部分本体伸出的观测孔。通过设置防水护罩142对图像采集件1411进行保护，使得图像采集件1411能够获取到水下的图像。需要说明的是，图像采集件1411可以为鱼眼相机，图像采集主控单元1412还与视觉识别机构13电连接，以使图像采集主控单元1412还能够控制视觉识别机构13进行图像采集。
[0045]
根据本发明一实施例，可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的微型主机15，微型主机15与图像采集主控单元1412通讯连接，微型主机15主要用于视觉信息处理以及其他复杂运算。
[0046]
可重构仿生机器鱼1还包括电池组16，电池组16包括多个电池组16成，电池的数量可以为6个，电池的型号可以为18650型电池，提供12.6v的电源电压；其中电池组16位于密封壳体内并靠近密封壳体的底部设置，用以降低可重构仿生机器鱼1的重心，使可重构仿生机器鱼1的姿态更稳定。
[0047]
可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的两个通讯单元17，两个通讯单元17对称设置在电池组16的两侧，通讯单元17用于可重构仿生机器鱼1之间的无线通讯，通讯单元17还能够用于可重构仿生机器鱼1与岸上控制端之间的无线通讯。
[0048]
可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的稳压板18和主控板19，稳压板18用于产生微型主机15以及主控板19所需的电压。
[0049]
可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的惯性测量单元20，惯性测量单元20用于测量可重构仿生机器鱼1的姿态信息。需要说明的是，微型主机15、通讯单元17、惯性测量单元20均通过usart接口与主控板19连接。
[0050]
可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的深度计21，深度计21用于测量可重构仿生机器鱼1当前所处的环境的水深，并通过iic(inter-integrated circuit，集成电路总线)协议与主控板19连接。主控板19以stm32嵌入式处理器为核心，运行rt-thread操作系统，负责进行各传感器的信息处理以及底层运动控制。
[0051]
可重构仿生机器鱼1还包括按钮22，其中开关按钮22外露于密封壳体外，开关按钮22用于控制可重构仿生机器鱼1的开启或关闭。
[0052]
可重构仿生机器鱼1还包括位于密封壳体内的航插23，航插23与电池组16电连接，从而能够通过航插23对电池组16进行充电；航插23与主控板19通讯连接，以使主控板19能够通过航插23进行程序的下载和调试。
[0053]
此外，本发明还提供一种组合仿生鱼2，组合仿生鱼2包括至少两个上述可重构仿生机器鱼1，任意两个可重构仿生机器鱼1均能够通过电控永磁铁装置112连接或分离。由于该组合仿生鱼2采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0054]
其中，组合仿生鱼2有多重组合形式，举例来说：
[0055]
实施例一：
[0056]
如图3所示，两个可重构仿生机器鱼1的前端通过电控永磁铁组件1123吸附在一起，这种组合方式用于进行四自由度的mpf(median and/or paired fin，中间鳍/对鳍模式)拍动。
[0057]
实施例二：
[0058]
如图4所示，两个可重构仿生机器鱼1的侧面通过电控永磁铁组件1123吸附在一起，即一个可重构仿生机器鱼1的左侧与另一可重构仿生鱼的右侧通过电控永磁铁组件1123吸附在一起，可以实现双尾拍动。
[0059]
实施例三：
[0060]
如图5所示，在实施例二的基础上，新增两个相对设置的可重构仿生机器鱼1，其中一可重构仿生机器鱼1的右侧与实施例二中位于左侧的可重构仿生机器鱼1的前端连接，另一可重构仿生机器鱼1的左侧与实施例二中位于右侧的可重构仿生机器鱼1的前端连接，这种组合方式可完成三维空间运动并实现灵活的姿态调整。
[0061]
以上仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种可重构仿生机器鱼，其特征在于，包括：主体机构，所述主体机构包括相互连接的密封外壳和电控永磁铁装置，所述电控永磁铁装置包括充磁状态和消磁状态；尾部机构，所述尾部机构用以带动所述密封外壳移动。2.根据权利要求1所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述尾部机构包括尾部和腰部，所述尾部包括尾鳍驱动组件和尾鳍，所述尾鳍驱动组件与所述尾鳍连接用以驱动所述尾鳍摆动，所述尾鳍驱动组件用以通过所述腰部与所述密封外壳连接。3.根据权利要求2所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述腰部包括相互连接的腰部驱动组件和腰部连接件，所述腰部驱动组件用于驱动所述腰部连接件转动，所述腰部连接件与所述尾鳍驱动组件连接。4.根据权利要求3所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述腰部连接件的转轴与所述尾鳍的转轴垂直设置。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述电控永磁铁装置的数量为多个，所述密封外壳设置有多个安装面，各所述安装面均安装有所述电控永磁铁装置。6.根据权利要求5所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述电控永磁铁装置包括吸盘电路板、吸盘外壳，永磁铁组件、吸盘线圈和密封圈，所述永磁铁组件与所述吸盘外壳连接，所述吸盘线圈与所述吸盘电路板电连接，所述吸盘线圈绕设在所述永磁铁组件的外围，所述吸盘外壳安装于所述安装面，所述安装面开设有供所述吸盘外壳的外侧面外露的第一通孔，所述吸盘电路板、所述吸盘线圈和所述密封圈均位于所述密封外壳内，所述密封圈与所述吸盘外壳连接，用以防止水进入所述密封外壳内；所述吸盘电路板能够通过所述吸盘线圈控制所述永磁铁组件在所述充磁状态和所述消磁状态之间切换。7.根据权利要求6所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述可重构仿生机器鱼还包括视觉识别机构，所述视觉识别机构设置于所述密封壳体内并与一所述吸盘外壳连接，所述吸盘外壳开设有供所述视觉识别机构的镜头外露的第二通孔。8.根据权利要求6所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述永磁铁组件的数量为多个，所述吸盘线圈与所述永磁铁组件数量一致且一一对应设置，以使所述吸盘电路板能够单独控制任一所述永磁铁组件在所述充磁状态和所述消磁状态之间切换。9.根据权利要求1～4中任意一项所述的可重构仿生机器鱼，其特征在于，所述可重构仿生机器鱼包括图像采集机构，所述图像采集机构包括图像采集组件和防水护罩，所述图像采集组件包括图像采集件和与所述图像采集件电连接的图像采集主控单元，所述图像采集件位于所述防水护罩内，所述密封外壳开设有供所述防水护罩的部分本体伸出的观测孔。10.一种组合仿生鱼，其特征在于，所述组合仿生鱼包括至少两个权利要求1～9中任一项所述可重构仿生机器鱼，任意两个所述可重构仿生机器鱼均能够通过所述电控永磁铁装置连接或分离。

技术总结
本发明公开了一种可重构仿生机器鱼和组合仿生鱼，该可重构仿生机器鱼包括主体机构和尾部机构，主体机构包括相互连接的密封外壳和电控永磁铁装置，电控永磁铁装置包括充磁状态和消磁状态；尾部机构用以带动密封外壳移动。尾部机构能够带动主体机构实现至少一自由度的运动，当电控永磁铁装置处于充磁状态时，可以通过电控永磁铁装置与其他可重构仿生机器鱼连接或与其他驱动部件连接，以使拼接完成后的结构能够实现多运动方向的灵活运动；当面对狭窄使用环境时，可控制电控永磁铁装置处于消磁状态，从而解除与电控永磁铁装置通过磁性连接的部件，进而使可重构仿生机器鱼恢复至原有大小，以适应狭窄环境的使用需求。以适应狭窄环境的使用需求。以适应狭窄环境的使用需求。


技术研发人员：喻俊志 孟岩 孔诗涵 陈迪 罗奥成
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/10/5