上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）水下仿生（2015）一种仿生鱼及其鱼尾的工作原理.pdf_大学文库

CN105129062A 权利要求书 1/2页 1.一种仿生鱼，包括鱼身主体和鱼尾，其特征在于：所述鱼尾包括复数个第一架体 (1),复数个所述第一架体(1)可沿水平方向转动的依次铰接，形成鱼尾主体(10)：所述鱼尾主体(10)的一端可沿水平方向转动的铰接有一作为尾鳍的第二架体(2)，另一端可沿水平方向转动的铰接有一第三架体(3)：所述第三架体(3)设有安装槽(31)：该仿生鱼还包括连接件(4)，该连接件(4)的中部可沿水平方向转动的铰接于第三架体(3)，连接件(4)的一端延伸至安装槽(31)内并装设有一使第三架体(3)相对于连接件(4)沿水平方向左右摆动的可调偏心轮装置(50)，另一端与鱼身主体连接：所述鱼身主体内设有用于驱动可调偏心轮装置(50)的驱动器。 2.如权利要求1所述一种仿生鱼，其特征在于：所述可调偏心轮装置(50)包括从动轮 (53)和转轴(51)，所述转轴(51)可沿其长度方向滑动地的竖直设置于连接件(4)，并且该转轴(51)设有与从动轮(53)相内啮合的主动轮(52)，所述从动轮(53)和主动轮(52)均为偏心轮：所述第三架体(3)内设有两个与从动轮(53)的圆周面相抵触且相对立设置的限位块(32)，转轴(51)沿其长度方向滑动可使主动轮(52)与从动轮(53)相互啮合或可相互转动的套接。 3.如权利要求2所述一种仿生鱼，其特征在于：所述第一架体(1)沿鱼尾主体(10)长度方向的两端均为呈V字形的凸面，所述第一架体(1)沿鱼尾主体(10)长度方向的一端在铰接处的两侧内设有电磁铁(6)，另一端在铰接处的两侧内设有衔铁(7)，并且相邻两第一架体(1)的电磁铁(6)与衔铁(7)相对立设置；所述衔铁(7)沿鱼尾主体(10)长度方向可伸缩地设置于第一架体(1)内，所述电磁铁(6)设置于第一架体(1)内，并且电磁铁(6)的一端与第一架体(1)的表面平齐。 4.如权利要求2所述的一种仿生鱼，其特征在于：所述主动轮(52)包括上圆盘(521)，上圆盘(521)的下端面设有直径大于上圆盘(521)的直径的下圆盘(522)，并且下圆盘 (522)的上端面设有复数个沿其径向间隔分布的凸块(5221)：所述从动轮(53)设有通孔 (530),该通孔(530)包括上段(531)和下段(532)，上段(531)设有复数个竖直设置且相互之间沿其径向间隔分布的凸条(5311)，相邻两凸条(5311)之间形成与凸块(5221)相配合的间隙：所述主动轮(52)与从动轮(53)相互套接时，上圆盘(521)的圆周面与凸条(5311) 相接触，下圆盘(522)的圆周面与下段(532)的侧壁相接触。 5.如权利要求2所述的一种仿生鱼，其特征在于：所述从动轮(53)套设有一轴承 (54),该轴承(54)的内圈与从动轮(53)的圆周面相连接，轴承(54)的外圈与所述限位块 (32)相抵触。 6.如权利要求1所述的一种仿生鱼，其特征在于：所述第一架体(1)沿竖直方向的横截面轮廓呈椭圆形，并且所述鱼尾主体(10)沿其长度方向呈收缩状，该仿生鱼表面还覆盖有一层由柔性防水材料制成的薄膜。 7.一种如权利要求3所述仿生鱼中鱼尾的工作原理：由所述驱动器控制转轴(51)转动且使主动轮(52)与从动轮(53)相内啮合，由主动轮(52)带动从动轮(53)转动：由于从动轮(53)为偏心轮，并且连接件(4)较接于第三架体(3)，从动轮(53)的转动使第三架体 (3)相对于连接件(4)沿水平方向做来回摆动：由于鱼尾主体(10)与第三架体(3)相互铰接，鱼尾主体(10)跟随第三架体(3)的摆动而摆动，同时由于鱼尾主体(10)的相邻两第一架体(1)之间相互铰接且在铰接处两侧留有便于摆动的空隙，使得鱼尾主体(10)呈弯曲状 2

CN105129062A 说明书 1/5页一种仿生鱼及其鱼尾的工作原理技术领域 [0001] 本发明涉及机械鱼领域，尤其涉及一种仿生鱼及其鱼尾的工作原理。背景技术 [0002] 仿生鱼是一种外形像鱼的机器，它能够在水中游数。通常仿生鱼用以发现污染物质，并绘制港口的实时三维图，从而表明当前海水中存在什么化学物质以及位于什么地方。仿生鱼的运用可增加港口管理部门监视船舶污染、其他类型有害污染物和来自水下管道排放污染物质的灵活性和适应性。除了有益于欧盟港口的监视操作外，这个项目还能带来机器人技术、水下通讯和机器人智能的重要进步。现有仿生分为三部分：头部（包括鱼鳍），身体，尾部：身体是鱼的主要部分，控制电路及电机和相关驱动电路都在其中，尾部通过电机控制的连杆使其可进行左右摆动，从而使仿生鱼在水中移动。现在仿生鱼存在以下问题： 1.尾部摆动时较为生硬，摆动时所产生的动力较小，使仿生鱼在水中的移动速度受到限制。 2.尾部的控制点少，甚至只有一个，导致无法精确、细腻的控制尾部的摆动动作，影响仿生鱼的灵活性。发明内容 [0003] 本发明提供一种仿生鱼及其鱼尾的工作原理，以解决现有仿生鱼中鱼尾摆动所提供的动力不足、摆动动作无法精确地控制，导致仿生鱼灵活性差的问题。 [0004]本发明采用如下技术方案：一种仿生鱼，包括鱼身主体和鱼尾，鱼尾包括复数个第一架体，复数个第一架体可沿水平方向转动的依次铰接，形成鱼尾主体；鱼尾主体的一端可沿水平方向转动的铰接有一作为尾鳍的第二架体，另一端可沿水平方向转动的铰接有一第三架体；第三架体设有安装槽：该仿生鱼还包括连接件，该连接件的中部可沿水平方向转动的铰接于第三架体，连接件的一端延伸至安装槽内并装设有一使第三架体相对于连接件沿水平方向左右摆动的可调偏心轮装置，另一端与鱼身主体连接；上述鱼身主体内设有用于驱动可调偏心轮装置(50)的驱动器。 [0005]进一步，上述可调偏心轮装置包括从动轮和转轴，转轴可沿其长度方向滑动地的竖直设置于连接件，并且该转轴设有与从动轮相内啮合的主动轮，从动轮和主动轮均为偏心轮；第三架体内设有两个与从动轮的圆周面相抵触且相对立设置的限位块，转轴沿其长度方向滑动可使主动轮与从动轮相互啮合或可相互转动的套接。 [0006]进一步，上述第一架体沿鱼尾主体长度方向的两端均为呈V字形的凸面，第一架体沿鱼尾主体长度方向的一端在铰接处的两侧内设有电磁铁，另一端在铰接处的两侧内设有衔铁，并且相邻两第一架体的电磁铁与衔铁相对立设置：衔铁沿鱼尾主体长度方向可伸缩地设置于第一架体内，电磁铁设置于第一架体内，并且电磁铁的一端与第一架体的表面平齐。 [0007] 具体地，上述主动轮包括上圆盘，上圆盘的下端面设有直径大于上圆盘的直径的 4

CN105129062A 说明书 2/5页下圆盘，并且下圆盘的上端面设有复数个沿其径向间隔分布的凸块：从动轮设有通孔，该通孔包括上段和下段，上段设有复数个竖直设置且相互之间沿其径向间隔分布的凸条，相邻两凸条之间形成与凸块相配合的间隙：主动轮与从动轮相互套接时，上圆盘的圆周面与凸条相接触，下圆盘的圆周面与下段的侧壁相接触。 [0008]进一步，上述从动轮套设有一轴承，该轴承的内圈与从动轮的圆周面相连接，轴承的外圈与限位块相抵触。 [0009]进一步，第一架体沿竖直方向的横截面轮廓呈椭圆形，并且鱼尾主体沿其长度方向呈收缩状，该仿生鱼表面还覆盖有一层由柔性防水材料制成的薄膜。 [0010]上述仿生鱼中鱼尾的工作原理：由驱动器控制转轴转动且使主动轮与从动轮相内啮合，由主动轮带动从动轮转动：由于从动轮为偏心轮，并且连接件铰接于第三架体，从动轮的转动使第三架体相对于连接件沿水平方向做来回摆动：由于鱼尾主体与第三架体相互. 铰接，鱼尾主体跟随第三架体的摆动而摆动，同时由于鱼尾主体的相邻两第一架体之间相互铰接且在铰接处两侧留有便于摆动的空隙，使得鱼尾主体呈弯曲状柔和摆动。 [0011]上述仿生鱼中鱼尾的工作原理：由上述驱动器控制转轴沿竖直方向下降并使主动轮与从动轮可相互转动的套接，转轴转动时，主动轮与从动轮发生相对转动，由于主动轮为偏心轮，主动轮转动使得转轴与从动轮的中心轴之间的距离大小发生改变：由上述驱动器控制转轴沿竖直方向上升并使主动轮与从动轮重新啮合，由于转轴与从动轮的中心轴之间的距离大小发生改变，第三架体的摆动幅度随之发生改变。 [0012]上述仿生鱼中鱼尾的工作原理：通过相邻两第一架体的电磁铁与衔铁之间的磁吸作用，为鱼尾主体提供做高速摆动的动力，以增大鱼尾主体的摆动幅度和加快摆动周期：由上述驱动器控制转轴停止转动，并通过电磁铁与衔铁之间的磁吸作用，使鱼尾主体朝鱼身主体一侧弯曲，同时使第二架体和靠近第二架体的第二架体沿水平方向来回摆动，以使仿生鱼在水中转向。 [0013]上述仿生鱼中鱼尾的工作原理：相邻两第一架体铰接处两侧留有便于第一架体转动的空隙，两侧空隙的大小决定鱼尾主体的最大摆动幅度，通过调整衔铁伸出第一架体的长度改变空隙的大小，从而改变鱼尾主体的最大摆动幅度。 [0014]由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：其一、本发明中，包括鱼身主体、鱼尾以及连接件，鱼尾包括复数个第一架体，复数个第一架体依次铰接，形成鱼尾主体：鱼尾主体的一端铰接有一作为尾鳍的第二架体，另一端铰接有一第三架体；第三架体设有安装槽：上述连接件的中部铰接于第三架体，连接件的一端延伸至安装槽内并装设有一使第三架体相对于连接件左右摆动的可调偏心轮装置，另一端与鱼身主体连接。仿生鱼需要游动时通过鱼身主体内的驱动器控制可调偏心轮装置运作，使第三架体摆动，鱼尾主体跟随第三架体的摆动而摆动，同时由于鱼尾主体的相邻两第一架体之间相互铰接，使得鱼尾主体呈弯曲状柔和摆动，让仿生鱼游动起来更加柔、真实。 [0015]其二、本发明中，上述可调偏心轮装置包括从动轮和转轴，转轴可沿其长度方向滑动地的竖直设置于连接件，并且该转轴设有与从动轮相内啮合的主动轮，从动轮和主动轮均为偏心轮：第三架体内设有两个与从动轮的圆周面相抵触且相对立设置的限位块，转轴沿其长度方向滑动可使主动轮与从动轮相互啮合或可相互转动的套接。通过转轴带动从动轮做偏心转动，并带动第三架体相对于连接件左右摆动，从而使整个鱼尾摆动：当转轴沿竖 5

CN105129062A 说明书 3/5页直方向下降并使主动轮与从动轮可相互转动的套接时，转轴驱动主动轮相对于从动轮发生转动，由于主动轮为偏心轮，主动轮转动使得转轴与从动轮的中心轴之间的距离大小发生改变；当转轴沿竖直方向上升并使主动轮与从动轮重新啮合时，由于转轴与从动轮的中心轴之间的距离大小发生改变，第三架体的摆动幅度随之发生改变，从而改变鱼尾的摆动幅度。 [0016]其三、本发明中，第一架体的两端均为呈V字形的凸面，第一架在铰接处的两侧内设有电磁铁，另一端在铰接处的两侧内设有衔铁，并且相邻两第一架体的电磁铁与衔铁相对立设置。通过电磁铁与衔铁之间的磁吸作用，可以为鱼尾主体摆动提供动力，以增大鱼尾主体的摆动幅度和加快摆动周期：同时使鱼尾主体的摆动动作可控性更强。衔铁可伸缩地设置于第一架体内，相邻两第一架体铰接处两侧留有便于第一架体转动的空隙，两侧空隙的大小决定鱼尾主体的最大摆动幅度，通过调整衔铁伸出长度可改变空隙的大小，从而改变鱼尾主体的最大摆动幅度。 [0017]其四、本发明中，从动轮套设有一轴承，该轴承的内圈与从动轮的圆周面相连接，轴承的外圈与限位块相抵触，以减少从动轮转动时与限位块之间的摩擦力。 [0018] 附图说明 [0019] 图1为本发明中鱼尾的结构示意图一。 [0020] 图2为本发明中鱼尾的结构示意图二。 [0021] 图3为可调偏心轮装置的结构示意图。 [0022] 图4为第三架体摆动幅度最大时，可调偏心轮装置的状态示意图。 [0023] 图5为第三架体摆动幅度最小时，可调偏心轮装置的状态示意图。 [0024] 图6为本发明中鱼尾的俯视图，其中A为局部放大后的内部结构示意图。具体实施方式 [0025]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、完整的描述，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。 [0026]参照图1和图2，一种仿生鱼，包括鱼身主体（图中未画出）、鱼尾和用于连接鱼尾与鱼身主体的连接件4，该鱼尾包括复数个第一架体1，复数个第一架体1可沿水平方向转动的依次铰接，形成一沿长度方向呈收缩状的鱼尾主体10。第一架体1沿鱼尾主体10长度方向的两端均为呈V字形的凸面。第一架体1沿竖直方向的横截面轮廓呈长方形。为了让鱼尾主体10的形状更像真鱼，亦可将第一架体1沿竖直方向的横截面轮廓设计成椭圆形。鱼尾主体10的一端可沿水平方向转动的铰接有一呈扇形且作为尾鳍的第二架体2，另一端可沿水平方向转动的铰接有一外形与第一架体1相似的第三架体3。第三架体3设有安装槽31。连接件4呈匚字型，连接件4的中部可沿水平方向转动的铰接于第三架体3并与第一架体1相对立设置，连接件4的开口端延伸至安装槽31内并在开口处装设有一使第三架体3相对于连接件4沿水平方向左右摆动的可调偏心轮装置50，闭合端延伸至第三架体3 6

CN105129062A 说明书 4/5页外并与鱼身主体（图中未画出）连接：鱼身主体（图中未画出）内设有用于驱动可调偏心轮装置50的驱动器（图中未画出）。该仿生鱼表面还覆盖有一层作为鱼皮且由柔性防水材料制成的薄膜（图中未画出），使仿生鱼外观像真鱼一样。 [0027]参照图2和图3，可调偏心轮装置50包括从动轮53和转轴51，转轴51可沿其长度方向滑动地的竖直设置于连接件4的开口处。转轴51设有与从动轮53相内啮合的主动轮52，并且从动轮53和主动轮52均为偏心轮。作为优选方案：主动轮52包括上圆盘521，上圆盘521的下端面设有直径大于上圆盘521的直径的下圆盘522，并且下圆盘522的上端面设有复数个沿其径向间隔分布的凸块5221，形成齿轮。从动轮53设有通孔530，该通孔530包括上段531和下段532，上段531设有复数个竖直设置且相互之间沿其径向间隔分布的凸条5311，并且相邻两凸条5311之间形成与凸块5221相配合的间隙，以使从动轮53 与主动轮52可相互啮合。主动轮52与从动轮53相互套接时，上圆盘521的圆周面与凸条 5311相接触，下圆盘522的圆周面与下段532的侧壁相接触。所述第三架体3的左右内侧壁设有两个相对立的限位块32，从动轮53套设有一轴承54，该轴承54的内圈与从动轮53 的圆周面相固定连接，轴承54的外圈与限位块32相抵触，从动轮53以可沿水平方向转动的方式卡设于两限位块32之间。 [0028] 参照图1和图6，第一架体1沿鱼尾主体10长度方向的一端在铰接处的两侧内设有电磁铁6，另一端在铰接处的两侧内设有衔铁7，并且相邻两第一架体1的电磁铁6与衔铁7相对立设置。其中衔铁7沿鱼尾主体10长度方向可伸缩地设置于第一架体1内，所述电磁铁6固设于第一架体1内，并且电磁铁6的一端与第一架体1的表面平齐。 [0029]参照图1至图5，只需要让鱼尾小幅度摆动时，该仿生鱼中鱼尾的工作原理：由驱动器（图中未画出）控制转轴51转动且使主动轮52与从动轮53相内啮合时，由主动轮52 带动从动轮53转动：由于从动轮53为偏心轮，从动轮53转动时发生偏心转动。由于连接件4的中部铰接于第三架体3，从动轮53转动时通过两侧的限位块32使第三架体3以铰接处为固定点相对于连接件4沿水平方向做来回摆动：由于鱼尾主体10与第三架体3相互铰接，鱼尾主体10跟随第三架体3的摆动而摆动，同时由于鱼尾主体10的相邻两第一架体1 之间相互铰接，使得鱼尾主体10呈弯曲状柔和摆动，让仿生鱼游动起来更加柔、真实。 [0030]参照图1至图5，可调偏心轮装置50的调节鱼尾摆动幅度的工作原理：当驱动器 (图中未画出)控制转轴51沿竖直方向下降时，凸块5221与凸条5311上下相互分离，使得主动轮52与从动轮53可相互转动的套接。转轴51驱动主动轮52转动时，主动轮52与从动轮53之间发生相对转动。由于主动轮52为偏心轮，主动轮52相对从动轮53发生转动后使得转轴51与从动轮53的中心轴之间的距离大小发生改变：当驱动器（图中未画出）控制转轴51沿竖直方向上升并使主动轮52与从动轮53重新啮合时，由于转轴51与从动轮 53的中心轴之间的距离大小发生改变，第三架体3的摆动幅度随之发生改变。如图4所示，转轴51与从动轮53的中心轴之间的距离最大，此时第三架体3的摆动幅度最大：如图5所示，转轴51与从动轮53的中心轴之间的距离最小，此时第三架体3的摆动幅度最小。 [0031]参照图1、图2和图6，需要让鱼尾大幅度摆动，加快仿生鱼的游动速度时，该仿生鱼中鱼尾的工作原理：由于水的阻碍作用，单靠可调偏心轮装置50无法使尾鳍附近的第一架体1产生大幅度摆动，导致鱼尾摆动所产生的动力不足，影响仿生鱼游动速度的上线。通过相邻两第一架体1的电磁铁6与衔铁7之间的磁吸作用，配合可调偏心轮装置50的摆动