一種智能觀賞仿生魚的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種智能觀賞仿生魚。仿生魚的魚頭部分包括兩臺胸鰭舵機、一對胸鰭和L型架；L型架的一端與魚身橢型連接件固定連接，兩臺胸鰭舵機固定在L型架上，對稱安裝在魚頭中部，舵機軸與胸鰭齒型嚙合。仿生魚的魚身部分包括魚尾前舵機和后舵機、舵機架、U型架和L型架；兩臺魚尾舵機分別固定在兩個舵機架上，兩個U型架分別連接魚尾前舵機和魚尾后舵機的輸出軸，兩個舵機架和兩個U型架分別通過兩個L型架連接，魚尾前舵機和魚尾后舵機串連，形成相對轉(zhuǎn)動的關節(jié)。本實用新型通過四臺舵機分別控制魚胸鰭的轉(zhuǎn)動和魚尾的擺動，完成仿生魚的急游、慢游、下潛、上浮等姿態(tài)；可通過不同的游動姿態(tài)組合，達到豐富觀賞效果的目的。
【專利說明】一種智能觀賞仿生魚

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種觀賞仿生魚，屬于機械仿生【技術領域】。

【背景技術】
[0002]國內(nèi)從事魚類推進機理研究和機器魚相關研究的研究機構(gòu)較少，由于起步較晚，加上各方面因素的影響，使得在魚類推進機理研究和機器魚研制方面與國外有相當差距。80年代中后期開始，中國科技大學的童秉綱和程健宇博士采用半解析-半數(shù)值的方法，建立了模擬魚類運動的三維波動板理論，才逐漸開始了國內(nèi)機器魚的研究。如今，北京航空航天大學機器人研究所深入開展了仿魚機器人(潛水器)技術的研究，提出了“波動推進理論”及其分析方法，設計研制仿生機器鰻魚、機器海豚；2001年中科院自動化研究所研發(fā)的基于微機電系統(tǒng)傳感器的仿生機器魚，其胸鰭機構(gòu)由舵機通過一對萬向軸和一對齒輪帶動，胸鰭轉(zhuǎn)動機構(gòu)由舵機通過一對錐齒輪帶動，尾部左右擺動機構(gòu)由一個直流電機通過兩個共軛凸輪控制兩個關節(jié)的擺動。2008年中科院自動化研究所又提出一種通過步進電機驅(qū)動實現(xiàn)仿生魚的轉(zhuǎn)動和拍動運動，通過直線電機帶動活塞往復運動調(diào)節(jié)機器魚體積的方式改變機器欲所受的浮力，實現(xiàn)上升下潛的方法。
[0003]目前，國內(nèi)外設計的仿生魚主要由直流電機或步進電機通過一定的傳動機構(gòu)實現(xiàn)胸鰭或尾部的相關動作。即使使用舵機，也并沒有將胸鰭與尾部一起使用，也沒有通過舵機直接連接胸鰭，實現(xiàn)仿生魚的上浮下潛，也沒有將兩個舵機串連實現(xiàn)仿生魚加減速游動。同時隨著仿生魚技術發(fā)展的成熟和社會熱點的提高，仿生魚娛樂方面的需求逐漸體現(xiàn)出來，但是國內(nèi)設計的仿生魚體型一般都比較大，與一般真魚有較大的差距，當與真魚放在一起游弋時，會非常不協(xié)調(diào)。現(xiàn)根據(jù)有關魚類推進理論，提出一種小型智能觀賞仿生魚設計，它共用4個微型舵機控制，其中2個舵機實現(xiàn)尾部擺動，達到快慢速游動的效果。另2個舵機實現(xiàn)胸鰭轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)上浮下潛的效果。它比較獨特的地方是可以和真魚一起在水池里自由游動，不僅在家里，在公園，學校，休閑和旅游景點等也都滿足社會需求，能夠吸引大批人們駐足觀賞，具有一定的經(jīng)濟效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型針對現(xiàn)有仿生魚技術存在的不足，提供一種能實現(xiàn)急游、慢游、下潛、上浮等姿態(tài)的智能觀賞仿生魚。
[0005]實現(xiàn)本實用新型發(fā)明目的的技術方案是提供一種智能觀賞仿生魚，包括魚頭、魚身、魚尾和控制系統(tǒng)。仿生魚的魚頭與魚身通過魚身橢型連接件連接并密封，魚身與魚尾通過魚尾橢型連接件連接并密封；所述的魚頭，包括兩個胸鰭舵機及電源、一對胸鰭和L型架，L型架的一端與魚身橢型連接件固定連接，控制系統(tǒng)的胸鰭舵機輸出端分別與兩臺胸鰭舵機的控制端連接；兩臺胸鰭舵機固定在L型架上，對稱安裝在魚頭中部，兩臺舵機的輸出軸分別與對應的胸鰭齒型嚙合；所述的魚身，包括魚尾前舵機及電源、魚尾后舵機及電源、舵機架、U型架和L型架；魚尾前舵機和魚尾后舵機分別固定在兩個舵機架上，兩個U型架分別連接魚尾前舵機和魚尾后舵機的輸出軸，兩個舵機架和兩個U型架分別通過兩個L型架連接，魚尾前舵機和魚尾后舵機串連，形成相對轉(zhuǎn)動的關節(jié)；控制系統(tǒng)的魚尾舵機輸出端分別與魚尾前舵機、魚尾后舵機的控制端連接。
[0006]本實用新型技術方案的魚尾前舵機架與L型架的一端固定連接，L型架的另一端與魚尾后舵機的U型架固定連接，U型架的上端與舵機軸上的齒盤固定連接，U型架的下端與舵機架通過軸承連接，前U型架的中端與魚尾后舵機的L型架的一端固定連接，魚尾后舵機的U型架的中端與魚尾橢型連接件固定連接。
[0007]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型通過四個動力元件舵機分別控制魚胸鰭的轉(zhuǎn)動和魚尾的擺動來完成一系列的游動，包括急游、慢游、下潛、上浮等姿態(tài)；可通過不同的游動姿態(tài)組合，達到豐富人們視覺觀賞效果的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本實用新型實施例提供的一種智能觀賞魚的外觀示意圖；
[0009]圖2是本實用新型實施例提供的一種智能觀賞魚的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖3是本實用新型實施例提供的一種智能觀賞魚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0011]圖4本實用新型實施例提供的一種智能觀賞魚控制系統(tǒng)的電路圖。
[0012]圖中:1、左胸鰭舵機；2、右胸鰭舵機；3、魚身橢型連接件；4、魚尾橢型連接件；
5、魚尾前舵機；6、魚尾后舵機；7、U型架；8、L型架；9、舵機架；10、胸鰭；11、魚尾；12、魚身；13、魚頭。

【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型技術方案作進一步的闡述。
[0014]實施例1
[0015]參見附圖1，它是本實施例提供的觀賞魚外觀示意圖，它包括魚頭13、魚身12和魚尾11三部分，魚頭兩側(cè)對稱設置一對胸鰭10，胸鰭形狀按一般魚類胸鰭設計；仿生魚的魚尾采用帶有一定韌性的橡膠皮做成，橡膠皮在水中擺動時具有較好的推動作用。
[0016]參見附圖2，它是本實施例提供的觀賞魚的結(jié)構(gòu)示意圖，魚頭與魚身通過魚身橢型連接件3連接并密封，魚身與魚尾通過魚尾橢型連接件4連接并密封；魚身橢型連接件3和魚尾橢型連接件4，形狀為一大一小，魚身橢型連接件較大，作為魚頭與魚身的連接零件；魚尾橢型連接件較小，作為魚身與魚尾的連接零件。由大至小實現(xiàn)魚的階梯橢圓遞減形狀，兩橢型連接件都設計有連接槽，用來安裝仿生魚魚身防水外殼，并用防水膠密封。
[0017]魚頭外殼兩側(cè)對稱安裝一對胸鰭10，胸鰭與魚頭外殼之間用防水密封微型軸承連接，并用防水密封膠水固定。魚頭內(nèi)部安裝兩臺胸鰭舵機、電池、MCU控制器，兩舵機上方放置3節(jié)電池，并用熱熔膠固定其位置，兩舵機前方放置MCU控制板。通過舵機的驅(qū)動使兩胸鰭旋轉(zhuǎn)一定角度并擺動。魚頭的兩臺胸鰭舵機，左胸鰭舵機I和右胸鰭舵機2固定安裝在L型架8上，對稱安裝在魚頭中部，舵機軸分別與兩個胸鰭齒型嚙合，胸鰭為內(nèi)齒，舵機軸為外齒山型架8的一端與魚身橢型連接件3固定連接，控制系統(tǒng)的胸鰭舵機輸出端分別與兩臺胸鰭舵機的控制端連接。
[0018]魚身包括魚尾前舵機5和魚尾后舵機6，舵機架、U型架和L型架；魚尾前舵機和魚尾后舵機分別固定在兩個舵機架9上，兩個U型架7分別連接魚尾前舵機5和魚尾后舵機6的輸出軸，兩個舵機架9和兩個U型架7分別通過兩個L型架8連接，該結(jié)構(gòu)保證了魚尾前舵機5和魚尾后舵機6串連連接，形成相對轉(zhuǎn)動的關節(jié)；魚尾前舵機架與L型架的一端固定連接，L型架的另一端與魚尾后舵機的U型架固定連接，U型架的上端與舵機軸上的齒盤固定連接，U型架的下端與舵機架通過軸承連接，前U型架的中端與魚尾后舵機的L型架的一端固定連接，魚尾后舵機的U型架的中端與魚尾橢型連接件固定連接，橡膠皮魚尾與魚尾橢型連接件4以螺絲螺母連接。本實用新型在U型架的下端與舵機架之間使用軸承連接方式，有利于減小各個舵機轉(zhuǎn)軸所受的彎矩，使摩擦減小，轉(zhuǎn)動靈活，可以實現(xiàn)兩者的相對轉(zhuǎn)角位移，完成“波動推進理論”的魚類游動機理。
[0019]參見附圖3，它是本實施例提供的觀賞魚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，控制系統(tǒng)包括單片機模塊、電源模塊、檢測模塊、動力元件(舵機)、無線接受模塊等部分。單片機通過編程分別控制四個動力元件一舵機，分別以不同的角度擺動，一般是靠近尾部舵機的擺動角度最大，依次逐漸減小，以實現(xiàn)完美的前進方式?？紤]到對仿生魚的回收充電、修理等問題，本實施例采用無線接收電路實現(xiàn)手動控制，仿生魚可對放射器發(fā)送的控制信號進行解碼，完成預定的動作。
[0020]在本實施例中，仿生魚靠兩臺尾部舵機——魚尾前舵機和魚尾后舵機的擺動，實現(xiàn)加速、減速、右轉(zhuǎn)彎和左轉(zhuǎn)彎。仿生魚要實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎動作就必須使其尾部產(chǎn)生一個單方向的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩的作用下實現(xiàn)魚體轉(zhuǎn)過一定角度。具體方法是:通過MCU編程，控制兩尾部舵機，魚尾前舵機偏置一定角度并保持，同時魚尾后舵機以45度角快速往復擺動，通過魚尾前舵機實現(xiàn)魚體轉(zhuǎn)向，配合魚尾后舵機的45度角的擺動產(chǎn)生推力實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
[0021]同時，仿生魚游動的加速、減速控制方法是:通過MCU編程，控制兩尾部舵機PWM波形的周期，實現(xiàn)控制舵機往復擺動的速度，通過定時器中斷(T0\T1)產(chǎn)生PWM信號控制舵機，并改變矩形波占空比變化的速度，實現(xiàn)舵機的加減速。本實施例通過改變矩形波占空比變化的速度來實現(xiàn)加快/減緩兩臺魚尾部舵機的來回擺動的速度，即改變舵機轉(zhuǎn)動一定角度所需時間的長短；時間短，魚尾部來回擺動完成角度的速度加快，就會產(chǎn)生較大的前進推力，使得機器魚能以較快的速度前行；時間長，魚尾部來回擺動完成角度的速度變慢，產(chǎn)生較小的前進推力，使得機器魚前進速度較慢。
[0022]本實用新型在仿生魚的前部安裝一對具有轉(zhuǎn)動自由的胸鰭，在游動過程中，通過改變胸鰭的姿態(tài)，利用水流對胸鰭產(chǎn)生的升力或壓力實現(xiàn)上浮下潛。當控制系統(tǒng)的控制信號驅(qū)動兩臺胸鰭舵機轉(zhuǎn)動時，若帶動胸鰭的姿態(tài)傾斜向下，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，使兩端胸鰭產(chǎn)生向下壓力，仿生魚下潛；當兩臺胸鰭舵機轉(zhuǎn)動使胸鰭姿態(tài)傾斜向上時，同時，兩尾部舵機加速擺動，提升游速，使兩端胸鰭產(chǎn)生向上升力，仿生魚則上浮，當胸鰭保持水平且仿生魚游速較低時，不產(chǎn)生升力或升力較小，仿生魚水平運動。
[0023]為了實現(xiàn)仿生魚的遠程無線控制，無線模塊工作方式為單工方式，分為發(fā)送端和接收端。在發(fā)送端發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，通過高頻載波，在接收端即可收到相同的字節(jié)數(shù)據(jù)信號，通過程序的鑒別、解碼后即可得到控制指令，可實現(xiàn)對仿生魚的回收。
[0024]參見附圖4，它是本實施例提供的仿生魚控制系統(tǒng)的電路圖；電源部分采用12V鋰電池供電，通過LM2576HVT-5.0開關電源穩(wěn)壓器輸出5V電壓給控制模塊、舵機供電。藍色D2燈為電源指示燈。紅色Dl燈為低電壓報警燈，當AD檢測到鋰電池電壓低于安全值時，紅色Dl燈點亮。P1、P3、P4、P5為4個舵機的接線端，每個接線端包含舵機電源VCC、舵機控制端和舵機地三部分。P2為無線接收的接線端。
[0025]控制模塊采用20管腳的STC12C2052單片機作為主控，該單片機分別在14(P12)、16(P14)、18(P16)、19(P17)管腳處連接左胸鰭舵機、右胸鰭舵機、魚尾前舵機、魚尾后舵機的控制端，并由單片機編程在P12、P14、P16、P17端口輸出占空比可變的脈沖波形(PWM波)，實現(xiàn)對舵機的單獨控制，驅(qū)動四個舵機。并且按照單片機程序指令，協(xié)調(diào)各舵機完成前進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，加速，減速，上浮，下潛動作。單片機11 (P37)管腳接收無線信號。單片機12(PlO)管腳接收AD檢測信號，判斷鋰電池電壓高低，并由單片機13 (Pll)管腳輸出LED控制信號，控制紅色Dl燈的亮滅。C4、Rl組成單片機的復位電路。Yl、C5、C6組成單片機的振蕩電路。
[0026]本實用新型提供一種由四臺舵機分別控制一對胸鰭和兩尾部關節(jié)，并通過設計和控制一定的動作時序，完成仿生魚的游弋任務。
【權(quán)利要求】
1.一種智能觀賞仿生魚，包括魚頭、魚身、魚尾和控制系統(tǒng)，其特征在于:魚頭與魚身通過魚身橢型連接件連接并密封，魚身與魚尾通過魚尾橢型連接件連接并密封；所述的魚頭，包括兩個胸鰭舵機及電源、一對胸鰭和L型架，L型架的一端與魚身橢型連接件固定連接，控制系統(tǒng)的胸鰭舵機輸出端分別與兩臺胸鰭舵機的控制端連接；兩臺胸鰭舵機固定在L型架上，對稱安裝在魚頭中部，兩臺舵機的輸出軸分別與對應的胸鰭齒型嚙合；所述的魚身，包括魚尾前舵機及電源、魚尾后舵機及電源、舵機架、U型架和L型架；魚尾前舵機和魚尾后舵機分別固定在兩個舵機架上，兩個U型架分別連接魚尾前舵機和魚尾后舵機的輸出軸，兩個舵機架和兩個U型架分別通過兩個L型架連接，魚尾前舵機和魚尾后舵機串連，形成相對轉(zhuǎn)動的關節(jié)；控制系統(tǒng)的魚尾舵機輸出端分別與魚尾前舵機、魚尾后舵機的控制端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能觀賞仿生魚，其特征在于:魚尾前舵機架與L型架的一端固定連接，L型架的另一端與魚尾后舵機的U型架固定連接，U型架的上端與舵機軸上的齒盤固定連接，U型架的下端與舵機架通過軸承連接，前U型架的中端與魚尾后舵機的L型架的一端固定連接，魚尾后舵機的U型架的中端與魚尾橢型連接件固定連接。
【文檔編號】B63H25/14GK203996847SQ201420414492
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】宋天麟, 盧亞平, 李頌翔 申請人:蘇州大學應用技術學院