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申请/专利权人：北京大学

摘要：本发明提出了一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼，包括：与真实箱魨体形特征相同的机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍，其中，所述外壳上安装有人工侧线系统，所述人工侧线系统用于感知对流场中的压强变化，所述封闭式内部舱体与所述机器鱼外壳内部嵌合，所述封闭式内部舱体内容纳有供电电池、主控电气系统、舵机、舵盘、直齿轮对和齿轮限位座，其中，所述舵盘安装在所述直齿轮对的一个直齿轮上，所述舵机与所述尾鳍通过所述直齿轮对进行传动，以驱动所述尾鳍运动。本发明具备高仿真外壳，可以自由运动，且可以实现感知流场的压强变化。

主权项：1.一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，包括：与真实箱魨体形特征相同的机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍，其中，所述外壳上安装有人工侧线系统，所述人工侧线系统用于感知对流场中的压强变化，所述封闭式内部舱体与所述机器鱼外壳内部嵌合，所述封闭式内部舱体内容纳有供电电池、主控电气系统、舵机、舵盘、直齿轮对和齿轮限位座，所述舱体内部根据所容纳物体的尺寸和形状划分成相应的隔间，其中，所述舵盘安装在所述直齿轮对的一个直齿轮上，所述舵机与所述尾鳍通过所述直齿轮对进行传动，以驱动所述尾鳍运动，所述主控电气系统与所述供电电池连接，其中，所述主控电气系统包括：由上到下层叠布置的微处理器、姿态传感器、尾鳍舵机控制单元，所述人工侧线系统和所述姿态传感器与所述微处理器连接，所述尾鳍舵机控制单元与所述舵机连接。

全文数据：一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼技术领域本发明涉及水下机器人应用技术领域，特别涉及一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼。背景技术箱魨是一种具备箱状外形的鱼类。与常见的鱼类不同，它不具备流线型的外观，身体的主体呈现棱形，且棱形边缘具备轮廓分明的脊骨。它的背部和底部的外表面向外凸出，侧边的外表面向内凹陷。这样的外观特征使得箱魨鱼具备良好的机动性和稳定性这两种相互矛盾的特征。因同时兼备两种矛盾的运动特征，学界将箱魨上存在的这种现象称作箱魨悖论。近年来，生物学家和流体力学家逐渐开始关注于揭示箱魨悖论存在的原因。生物学家主要是通过对真实箱魨的生命体征进行测量、对壳体摆动图像进行捕获分析、对鱼鳍摆动模态进行观察记录等，进行箱魨悖论的探究。流体力学家主要是通过涡可视化实验，探究真实箱魨或者固定在水域中的高仿真箱魨外壳在外界水流冲击下周围壳体的涡流，分析涡流对壳体的作用力以尝试揭示箱魨悖论。上述的研究初步表明，箱魨悖论与箱魨运动时周围的流场变化有关系。但是，上述的研究中存在如下问题：1真实的箱魨的生命体征、摆动模态等受外界生存环境的影响很大，无法判断所采集的体征、模态数据是箱魨为了实现机动性或者稳定性而产生的。2固定在水域中的高仿真箱魨与真实自由运动的箱魨存在着较大的差异，对其探究的结果对解释自由运动的箱魨存在的机动性和稳定性欠缺说服力。发明内容本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。为此，本发明的目的在于提出一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼。为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼，包括：与真实箱魨体形特征相同的机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍，其中，所述外壳上安装有人工侧线系统，所述人工侧线系统用于感知对流场中的压强变化，所述封闭式内部舱体与所述机器鱼外壳内部嵌合，所述封闭式内部舱体内容纳有供电电池、主控电气系统、舵机、舵盘、直齿轮对和齿轮限位座，所述舱体内部根据所容纳物体的尺寸和形状划分成相应的隔间，其中，所述舵盘安装在所述直齿轮对的一个直齿轮上，所述舵机与所述尾鳍通过所述直齿轮对进行传动，以驱动所述尾鳍运动，所述主控电气系统与所述供电电池连接，其中，所述主控电气系统包括：由上到下层叠布置的微处理器、姿态传感器、、尾鳍舵机控制单元，所述人工侧线系统和所述姿态传感器与所述连接，所述进一步与所述微处理器连接，所述尾鳍舵机控制单元所述与所述舵机连接。进一步，所述人工侧线系统包括为多个压强传感器构成的阵列，其中每个所述压强传感器通过所述外壳上预留的孔位，安装在所述外壳上。进一步，所述人工侧线系统进一步包括IIC-CAN转换板，所述IIC-CAN转换板的输入端与每个所述压强传感器连接，所述IIC-CAN转换板的输出端与所述微处理器连接，由所述IIC-CAN转换板将来自压强传感器的IIC协议信号转换为CAN总线信号发送至所述微处理器。进一步，所述微处理器和姿态传感器、以及尾鳍驱动舵机之间采用IIC协议进行信号的传输。进一步，所述机器鱼外壳采用以下方式获得：由三维激光扫描仪通过扫描真实箱魨的外壳，获取该箱魨外壳的体形点云数据；然后对上述体形点云数据采用三维重构算法进行求解，并利用3D打印技术一体成型，得到所述机器鱼外壳；其中，所述机器鱼外壳包括：通过螺钉紧固的左外壳和右外壳，并采用螺钉孔在螺钉紧固后由与所述机器鱼外壳材质相同的填充件填充。进一步，所述封闭式内部舱体包括:通过螺钉紧固的上壳体和下壳体，并采用O型密封圈进行防水。进一步，与所述尾鳍连接的齿轮下方设置T字形缺口，与尾鳍连接杆上的T形柱嵌合。进一步，所述机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍均采用光敏树脂，采用3D打印技术一体成型。进一步，所述主控电气系统还包括：非舵机供电单元和舵机供电单元，其中，所述供电电池与所述非舵机供电单元的输入端和舵机供电单元的输入端连接，所述非舵机供电单元的输出端与所述微处理器连接以进行供电，所述舵机供电单元与所述尾鳍舵机控制单元连接以进行供电。进一步，所述舵机和尾鳍之间通过直齿轮对进行传动，传动比大于1:1。根据本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，具备高仿真外壳，可以自由运动，且可以实现流场感知的仿箱魨机器鱼，提供了一种验证真实箱魨存在的运动悖论的工程思路。一方面，利用本发明的机器鱼去探究真实鱼类的运动悖论可以避免利用真实鱼类开展实验时所需要具备的严苛的外部环境条件。另一方面，本发明设计的机器鱼也可实现自由运动，可以弥补当前箱魨悖论探究中，高仿真不可自由运动的缺陷，使得实验探究结果具备说服力。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1a至图1c为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼正视图、侧视图，以及俯视图；图2为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼整体结构示意图；图3为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼主要组成部分爆炸视图；图4为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼壳体示意图；图5为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼封闭式内部舱体在壳体上安装示意图；图6a至图6d为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼封闭式内部舱体组成示意图；图7为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼尾鳍部位示意图；图8为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼的工作原理图；图9为本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼的人工侧线系统原理图。附图标记：1-左外壳；2-右外壳；3-尾鳍；4-封闭式内部舱体；5-填充件；6-第一螺钉；7-孔位；8-压强传感器；9-第二螺钉；10-O型密封圈；11-姿态传感器41-上壳体；42-下壳体；43-供电电池；44-主控电气系统；45-开；46-尾鳍驱动舵机；47-舵盘；48-直齿轮对；49-齿轮限位座；81-IIC-CAN转换板441-微处理器；442-尾鳍舵机控制单元；444-非舵机供电单元；445舵机供电单元。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面参考附图对本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼结构和工作原理进行详细说明。如图2所示，本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，包括：与真实箱魨体形特征相同的机器鱼外壳1，2、封闭式内部舱体4和尾鳍3。在本发明的实施例中，机器鱼外壳采用激光扫描和三维重构技术以下方式获得，为与真实箱魨体形特征相同的外壳。具体的，由三维激光扫描仪通过扫描真实箱魨的外壳，获取该箱魨外壳的体形点云数据；然后对上述体形点云数据采用三维重构算法进行求解，并利用3D打印技术一体成型，得到机器鱼外壳。由于本发明中的机器鱼壳体是由真实箱魨外壳扫描后获得，在机械设计过程中，应保证壳体原有的形状和尺寸特征不变，才可实现壳体的高仿真性。如图1a至图1c所示，本发明微小型高仿真仿箱魨机器鱼外壳呈现上下表面向外侧突出，左右表面向内侧凹陷，眼部位置向外突出的总体特征。此外，外壳上靠近尾部的截面逐渐减小。如图3所示，机器鱼外壳包括：通过第一螺钉6紧固的左外壳1和右外壳2，并采用螺钉孔在螺钉紧固后由与机器鱼外壳材质相同的填充件5填充，以保证壳体表面的光滑。其中，左外壳1和右外壳2的材料采用光敏树脂，经3d打印技术一体成型。优选的，机器鱼外壳的尺寸为：17.5厘米长，10厘米宽，9厘米高。机器鱼加上尾鳍后的总体长度为21.5cm。需要说明的是，上述机器鱼外壳的尺寸仅是出于示例的目的，外壳的尺寸还可以为其他数值，在此不再赘述。另外，机器鱼外壳上安装有人工侧线系统，人工侧线系统用于感知对流场中的压强变化。如图4所示，本发明中人工侧线系统包括为多个压强传感器8构成的阵列，其中每个压强传感器8通过机器鱼外壳上预留的孔位7，安装在外壳上。由多个压强传感器8组成的阵列构成人工侧线系统，可实现与真实鱼类侧线类似的对流场中压强变化的感知功能。优选的，压强传感器8数量可以为9个。单个压强传感器8的数据通过IIC协议传输。为了实现对所有压强传感器8的数据传输，如果采用将所有的压强传感器挂载到同一个IIC总线上，则由于每一个压强传感器8的IIC地址不一样，会引起总线冲突，从而无法正常读取到每一个压强传感器8的数据。为了解决此问题，需要设计一个总线转换器，将压传IIC读到的数据转换成其他带有地址的总线数据。考虑到压强数据量大，以及数据传输速率的问题，CAN的总线方式最佳。参考图9，人工侧线系统进一步包括IIC-CAN转换板，IIC-CAN转换板的输入端每个压强传感器连接，IIC-CAN转换板的输出端与微处理器连接，由IIC-CAN转换板将来自压强传感器的IIC协议信号转换为CAN总线信号发送至微处理器。即，每一个压强传感器8还与一个IIC-CAN转换板81连接，将IIC传输的压传数据转换成CAN传输的压传数据。多个压强传感器8并联到同一个CAN总线上，将数据通过CAN总线传给微处理器441微处理器441为封闭式内部舱体4中主控电气系统的器件，将在后文中描述。由于CAN总线数据传输速率快，负载的节点多，这既提高了压传读取数据的效率，又可以在后续研究中根据需要尽可能多地增添压强传感器8。参考图4，本发明微小型高仿真仿箱魨机器鱼左外壳1和右外壳2内侧根据封闭式内部舱体4的形状和尺寸预留了对应形状和尺寸的空间，以实现舱体在左外壳1和右外壳2上的嵌合。所预留的空间可以限制内部舱体4在左外壳1和右外壳2内的位置。即，封闭式内部舱体4的尺寸和形状要受到机器鱼外壳的体形特征约束。如图5所示，本发明微小型高仿真仿箱魨机器鱼的封闭式内部舱体4与左外壳1嵌合。如图6a至图6d所示，封闭式内部舱体4与机器鱼外壳内部嵌合，包括上壳体41和下壳体42，外壳之间通过螺钉9紧固，并通过O型密封圈10进行防水，密封圈10位于上壳体41和下壳体42之间，放置在下壳体42的凹槽内。封闭式内部舱体4内从鱼头到鱼尾方向上，依次布置有供电电池43、主控电气系统44、开关45、尾鳍驱动舵机46、舵盘47、直齿轮对48和齿轮限位座49，其中齿轮限位座49的尺寸和形状划分成相应的隔间。隔间的形状和大小设置对所容纳的物体起到了位置限定的作用。上述各部分的对称面与机器鱼左外壳1和右外壳2贴合后壳体的对称面重合。本发明中的封闭式内部舱体4采用光敏树脂，经3d打印技术一体成型。舵盘47安装在直齿轮对48的一个直齿轮上，尾鳍驱动舵机46与尾鳍3通过直齿轮48对进行传动，以驱动尾鳍3运动，主控电气系统44与供电电池43连接。如图7所示，驱动机器鱼尾鳍的舵机46与尾鳍3之间通过直齿轮对48进行传动，齿轮的大小由封闭式内部舱体4的形状决定，传动比要求大于1:1即可。优选的，本发明中的齿轮传动比为23:18。在本发明的一个实施例中，与尾鳍连接的齿轮下方设置T字形缺口，与尾鳍连接杆上的T形柱嵌合。参考图7，与尾鳍3相连的直齿轮下方是一个柱体，设置有T字形缺口。尾鳍3主要包括一个扇形鳍面和一个可以与直齿轮连接的连接轴组成，连接轴上有T字形柱嵌合。在本发明的实施例中，直齿轮对48和尾鳍3均采用光敏树脂，经3d打印技术一体成型。如图8所示，主控电气系统包括：微处理器441、压强传感器8、姿态传感器11、通信单元4411和尾鳍舵机控制单元442。压强传感器8组成的人工侧线系统和姿态传感器11由微处理器441读取数据，尾鳍舵机控制单元442与尾鳍驱动舵机46连接。通信单元4411集成在微处理器441上。所有的数据通过微处理器441上的通信单元4411与外部上位机系统进行传输。此外，主控电气系统预留有红外传感器接口等。在本发明的实施例中，主控电路系统尺寸为55cm长，55cm宽，55cm高，属于一款集成式微小型电气系统。其中，微处理器441为NanoPiNEO主控电路板。微处理器441和姿态传感器11、以及尾鳍驱动舵机46之间采用IIC协议进行信号的传输。此外，主控电气系统还包括：非舵机供电单元444和舵机供电单元445，其中，供电电池43与非舵机供电单元444的输入端和舵机供电单445元的输入端连接，非舵机供电单元444的输出端与微处理器441连接以进行供电，舵机供电单元445与尾鳍舵机控制单元442连接以进行供电。下面参考图8对本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼的工作原理进行说明：首先，机器鱼通过压强传感器8和姿态传感器11获取周围环境的流场变化信息和自身的姿态信息，并将信息发送至主控电气系统44进行汇总，汇总后的信息通过IIC协议传输至微处理器441，微处理器441对这些信息进行处理，而后通过IIC协议发送特定的控制指令，包括舵机摆动频率参数、摆动幅度参数、摆动偏置参数等给尾鳍舵机控制单元442，控制单元442发送PWM波给尾鳍舵机46，实现舵机46的摆动。尾鳍驱动舵机46的摆动带动直齿轮对48的转动，从而带动尾鳍3的摆动。供电电池43通过非舵机供电单元444给微处理器441、姿态传感器11，以及压强传感器8供电，通过舵机供电单元445给尾鳍舵机控制单元442及尾鳍舵机46供电。根据本发明实施例的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，具备高仿真外壳，可以自由运动，且可以实现流场感知的仿箱魨机器鱼，提供了一种验证真实箱魨存在的运动悖论的工程思路。一方面，利用本发明的机器鱼去探究真实鱼类的运动悖论可以避免利用真实鱼类开展实验时所需要具备的严苛的外部环境条件。另一方面，本发明设计的机器鱼也可实现自由运动，可以弥补当前箱魨悖论探究中，高仿真不可自由运动的缺陷，使得实验探究结果具备说服力。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

权利要求：1.一种微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，包括：与真实箱魨体形特征相同的机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍，其中，所述外壳上安装有人工侧线系统，所述人工侧线系统用于感知对流场中的压强变化，所述封闭式内部舱体与所述机器鱼外壳内部嵌合，所述封闭式内部舱体内容纳有供电电池、主控电气系统、舵机、舵盘、直齿轮对和齿轮限位座，所述舱体内部根据所容纳物体的尺寸和形状划分成相应的隔间，其中，所述舵盘安装在所述直齿轮对的一个直齿轮上，所述舵机与所述尾鳍通过所述直齿轮对进行传动，以驱动所述尾鳍运动，所述主控电气系统与所述供电电池连接，其中，所述主控电气系统包括：由上到下层叠布置的微处理器、姿态传感器、尾鳍舵机控制单元，所述人工侧线系统和所述姿态传感器与所述微处理器连接，所述尾鳍舵机控制单元与所述舵机连接。2.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述人工侧线系统包括为多个压强传感器构成的阵列，其中每个所述压强传感器通过所述机器鱼外壳上预留的孔位，安装在所述机器鱼外壳上。3.如权利要求2所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述人工侧线系统进一步包括IIC-CAN转换板，所述IIC-CAN转换板的输入端与每个所述压强传感器连接，所述IIC-CAN转换板的输出端与所述微处理器连接，由所述IIC-CAN转换板将来自压强传感器的IIC协议信号转换为CAN总线信号发送至所述微处理器。4.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述微处理器和姿态传感器、尾鳍驱动舵机之间采用IIC协议进行信号的传输。5.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述机器鱼外壳采用以下方式获得：由三维激光扫描仪通过扫描真实箱魨的外壳，获取该箱魨外壳的体形点云数据；然后对上述体形点云数据采用三维重构算法进行求解，并利用3D打印技术一体成型，得到所述机器鱼外壳；其中，所述机器鱼外壳包括：通过第一螺钉紧固的左外壳和右外壳，并采用螺钉孔在第一螺钉紧固后由与所述机器鱼外壳材质相同的填充件填充。6.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述封闭式内部舱体包括:通过第二螺钉紧固的上壳体和下壳体，并采用O型密封圈进行防水。7.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，与所述尾鳍连接的齿轮下方设置T字形缺口，与尾鳍连接杆上的T形柱嵌合。8.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述机器鱼外壳、封闭式内部舱体和尾鳍均采用光敏树脂，采用3D打印技术一体成型。9.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述主控电气系统还包括：非舵机供电单元和舵机供电单元，其中，所述供电电池与所述非舵机供电单元的输入端和舵机供电单元的输入端连接，所述非舵机供电单元的输出端与所述微处理器连接以进行供电，所述舵机供电单元与所述尾鳍舵机控制单元连接以进行供电。10.如权利要求1所述的微小型高仿真仿箱魨机器鱼，其特征在于，所述舵机和尾鳍之间通过直齿轮对进行传动，传动比大于1:1。

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