吃垃圾的仿生机器鲨鱼的制作方法

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种吃垃圾的仿生机器鲨鱼。

背景技术：

水下航行器一直都是科学家们研究的对象。由于传统螺旋桨式水下航行器具有推进效率低、灵活性低和噪音较大等缺点，人们便开始了仿生机器鱼的研究。水下生物经过多年的进化和演变过程，如今已具备高效、高速以及高机动性的游泳技能适应水下的各种恶劣环境。和传统水下航行器相比，仿生机器鱼有较高的推进效率、机动性能好和隐蔽性能好等特点，适用于水下勘探、引领鱼群及水下军事用途等。仿生机器鱼的技术背景已经非常发达，许多高校都有属于自己的水下机器鱼，并且可以实现各种功能，如浮潜、自动避障以及水下侦探等。在现有技术中，机器鱼主要是靠电机和舵机往复运动获得前游的驱动力。目前针对鱼嘴做改良设计的方案不多，有些机器鱼是使用压差的方式来实现吸食的动作，但实现张嘴闭合的机器鱼目前没有太多的技术参考。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种吃垃圾的仿生机器鲨鱼，具有游动、浮潜、鱼嘴开合等功能，能够简单实现水面垃圾清理功能。

根据本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼，具有鲨鱼仿生学特性，包括：

鱼头，所述鱼头包括鱼头主壳体、下巴壳体、舵机齿轮传动机构和隔板；所述下巴壳体与所述鱼头主壳体共同形成鱼嘴；所述舵机齿轮传动机构位于所述鱼头主壳体内，用于驱动所述下巴壳体相对于所述鱼头主壳体转动，以实现所述鱼嘴的张开和闭合；所述隔板设置在所述鱼头主壳体的后端并与所述鱼头主壳体密封连接；

鱼身，所述鱼身包括鱼身壳体、舵机配重机构和电子器件模块；所述鱼身壳体与所述鱼头主壳体密封连接；所述舵机配重机构和所述电子器件模块均位于在所述鱼身壳体内；所述舵机配重机构用于改变所述吃垃圾的仿生机器鲨鱼的重心位置，以使所述吃垃圾的仿生机器鲨鱼作俯仰运动；

鱼尾，所述鱼尾包括鱼尾壳体和舵机双关节摆动机构，所述鱼尾壳体与所述鱼身壳体密封连接；所述舵机双关节摆动机构位于所述鱼尾壳体内，用于驱动所述鱼尾左右摆动以使所述吃垃圾的仿生机器鲨鱼前进和转弯；

所述电子器件模块用于分别控制所述舵机齿轮传动机构、所述舵机配重机构和所述双关节摆动机构的运行。

根据本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼，通过所述鱼尾不停地游动及通过调节自身重心可以避免沉入水底。当需要吃水面垃圾时，先利用所述鱼身内的所述舵机配重机构来将所述鱼嘴靠近水面，通过所述舵机齿轮传动机构使得所述鱼嘴张开，通过所述舵机双关节摆动机构使得所述鱼尾左右来回摆动，使得所述吃垃圾的仿生机器鲨鱼游到垃圾的位置，确保垃圾进入所述鱼嘴后，再通过所述舵机齿轮传动机构使得所述鱼嘴闭合。由此，本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼具有游动、浮潜、鱼嘴开合等功能，能够简单实现水面垃圾清理功能。

根据本发明的一个实施例，所述舵机齿轮传动机构包括第一舵机和齿轮传动机构，所述第一舵机与所述齿轮传动机构相连，所述齿轮传动机构与所述下巴壳体相连；所述第一舵机驱动所述齿轮传动机构，所述齿轮传动机构带动所述下巴壳体相对于所述鱼头主壳体转动，以实现所述鱼嘴的张开和闭合。

根据本发明进一步的实施例，所述齿轮传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、转轴和连接臂；所述第一舵机与所述第一齿轮相连，用于驱动所述第一齿轮转动，所述第一齿轮和所述第二齿轮啮合，所述第二齿轮固定在所述转轴上，所述转轴的两端可转动地支撑在所述鱼头主壳体的左右两侧壁上，所述转轴与所述连接臂的一端固定，所述连接臂的另一端与所述下巴壳体固定；当所述第一舵机驱动所述第一齿轮转动时，所述第一齿轮带动所述第二齿轮转动，从而带动所述转轴、所述连接臂及所述下巴壳体转动。

根据本发明进一步的实施例，所述第一舵机为rds30的防水定制舵机。

根据本发明的一个实施例，所述鱼头主壳体的左右两侧设有鱼鳃。

根据本发明的一个实施例，所述下巴壳体的内部边缘设有下牙齿。

根据本发明的一个实施例，所述鱼头主壳体上设有红外避障传感器。

根据本发明进一步的实施例，所述舵机配重机构包括第二舵机和配重块，所述第二舵机驱动所述配重块在竖直面上旋转，以改变所述吃垃圾的仿生机器鲨鱼的重心位置。

根据本发明的一个实施例，所述舵机双关节摆动机构包括从前向后的顺序设置的第三舵机、第一摆动关节、第一垫片、第四舵机、第二摆动关节和第二垫片；所述第三舵机固定在所述鱼身上，所述第三舵机与所述第一摆动关节的前端相连，用于驱动所述第一摆动关节左右摆动，所述第一摆动关节的后端固定在所述第一垫片上，所述第一垫片与所述鱼尾壳体固定，所述第四舵机固定在所述第一垫片上，所述第四舵机与所述第二摆动关节的前端相连，用于驱动所述第二摆动关节左右摆动，所述第二摆动关节的后端固定在所述第二垫片上，所述第二垫片与所述鱼尾壳体固定。

根据本发明进一步的实施例，所述鱼尾壳体包括前鱼尾壳体和后鱼尾壳体，所述前鱼尾壳体与所述鱼身壳体密封连接，所述后鱼尾壳体与所述前鱼尾壳体密封连接，所述第一垫片固定在所述前鱼尾壳体内，所述第二垫片固定在所述后鱼尾壳体内。

根据本发明的一个实施例，所述鱼身上设有背鳍；所述鱼身壳体的背部固定有瓶口结构，所述瓶口结构用于所述电子器件模块的充电口向外伸展，以便所述充电口与外部电源线连接；所述背鳍上固定有瓶盖结构，所述瓶盖可拆卸地密封连接在所述瓶口结构上。

根据本发明的一些实施例，所述鱼头主壳体、所述下巴壳体、所述鱼身壳体和所述鱼尾壳体分别采用光敏树脂3d打印而成。

根据本发明进一步的实施例，所述鱼尾的材质为柔性光敏树脂材料。

本发明的附加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1为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的整体示意图；

图2为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的鱼头示意图；

图3为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的鱼身各部分部件示意图，其中，背鳍未示意出。

图4为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的鱼身壳体的前视图，其中，胸鳍未示意出。

图5为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的背鳍示意图。

图6为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的鱼尾示意图。

图7为本发明吃垃圾的仿生机器鲨鱼的电子器件模块示意图。

附图标记：

吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000

鱼头1

鱼头主壳体101

鱼鳃1011上牙齿1012传感器安装孔1013

下巴壳体102

下牙齿1021

舵机齿轮传动机构103

第一舵机1031第一舵机架1032第一齿轮1033

第二齿轮1034转轴1035连接臂1036

隔板104

鱼身2

鱼身壳体201

舵机配重机构202

第二舵机2021配重块2022第二舵机架2023

电子器件模块203

防水接线盒2031芯片2032舵机控制板2033imu模块2034

手柄蓝牙模块2035电源2036

胸鳍204

背鳍205瓶口结构206瓶盖结构207

鱼尾3

鱼尾壳体301前鱼尾壳体3011后鱼尾壳体3012

舵机双关节摆动机构302

第三舵机3021第一摆动关节3022第一垫片3023

第四舵机3024第二摆动关节3025第二垫片3026

第三舵机架3027第四舵机架3028

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图7来描述根据本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000。

如图1至图6所示，根据本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000，具有鲨鱼仿生学特性。鲨鱼仿生学特性是指本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的外形包括外形曲线、胸鳍204、背鳍205、月牙形尾鳍等部分依照真实鲨鱼的实体外形进行设计。本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000可以通过solidworks3d建模，参考真实鲨鱼的实体形状进行设计。

本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000在结构上包括鱼头1、鱼身2和鱼尾3三大部分。

鱼头1包括鱼头主壳体101、下巴壳体102、舵机齿轮传动机构103和隔板104。下巴壳体102与鱼头主壳体101共同形成鱼嘴；舵机齿轮传动机构103位于鱼头主壳体101内，用于驱动下巴壳体102相对于鱼头主壳体101转动，以实现鱼嘴的张开和闭合，从而可以使得鱼头1可以具有吃垃圾的功能。隔板104设置在鱼头主壳体101的后端并与鱼头主壳体101密封连接，例如，可以采用防水硅胶把隔板104和鱼头主壳体101进行粘结固定，这样，隔板104可以将鱼头1和鱼身2隔开，防止鱼头1的水流入鱼身2内，以免损害鱼身2内的电子器件模块203。

鱼身2包括鱼身壳体201、舵机配重机构202和电子器件模块203。鱼身壳体201与鱼头主壳体101密封连接，例如可以通过胶水粘结，可以防止外部的水通过鱼身壳体201与鱼头主壳体101的连接处进入鱼身2内，也就是说，鱼身2内不要进水，避免损害鱼身2内的电子器件模块203；舵机配重机构202和电子器件模块203均位于在鱼身壳体201内，也就是说，鱼身壳体201可以起着用于容纳舵机配重机构202和电子器件模块203的作用；舵机配重机构202用于改变吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的重心位置，以使吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000作俯仰运动，从而使得吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000可以具有可以实现下潜或上浮的功能。如图1所示，舵机配重机构202可以靠近于鱼身2的前端位置。

鱼尾3包括鱼尾壳体301和舵机双关节摆动机构302，鱼尾壳体301与鱼身壳体201密封连接，例如可以通过胶水粘结，可以防止外部的水通过鱼身壳体201与鱼尾壳体301的连接处进入鱼尾3内；舵机双关节摆动机构302位于鱼尾壳体301内，用于驱动鱼尾3左右摆动以使吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000前进和转弯。当鱼尾3左右来回对称摆动时，可以实现吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000前进直游，当鱼尾3左右来回非对称摆动时，可以实现吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000转弯。也就是说，鱼尾3是获得主要前进和转弯驱动力的部分。鱼尾3通过舵机双关节摆动机构302使得吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000具有更接近于真实鲨鱼的游动特性。

电子器件模块203用于分别控制舵机齿轮传动机构103、舵机配重机构202和舵机双关节摆动机构302的运行，以便控制吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000在水中的游动、浮潜、鱼嘴开合等功能。

根据本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000，通过鱼尾3不停地游动及通过调节自身重心可以避免沉入水底。当需要吃水面垃圾时，先利用鱼身2内的舵机配重机构202来将鱼嘴靠近水面，通过舵机齿轮传动机构103使得鱼嘴张开，通过舵机双关节摆动机构302使得鱼尾3左右来回摆动，使得吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000游到垃圾的位置，确保垃圾进入鱼嘴后，再通过舵机齿轮传动机构103使得鱼嘴闭合。由此，本发明实施例的吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000具有游动、浮潜、鱼嘴开合等功能，能够简单实现水面垃圾清理功能。

如图1和图2所示，根据本发明的一个实施例，舵机齿轮传动机构103包括第一舵机1031和齿轮传动机构，第一舵机1031与齿轮传动机构相连，齿轮传动机构与下巴壳体102相连；第一舵机1031驱动齿轮传动机构，齿轮传动机构带动下巴壳体102相对于鱼头主壳体101转动，以实现鱼嘴的张开和闭合。也就是说，该舵机齿轮传动机构103中，第一舵机1031提供转转的驱动力，齿轮传动机构传递动力给下巴壳体102，使得下巴壳体102能够相对于鱼头主壳体101旋转，从而使得鱼嘴可以做张开和闭合动作。

可选的，第一舵机1031固定在第一舵机架1032上，第一舵机架1032固定在鱼头主壳体101内。

根据本发明进一步的实施例，齿轮传动机构包括第一齿轮1033、第二齿轮1034、转轴1035和连接臂1036；第一舵机1031与第一齿轮1033相连，用于驱动第一齿轮1033转动，第一齿轮1033和第二齿轮1034啮合，第二齿轮1034固定在转轴1035上，转轴1035的两端可转动地支撑在鱼头主壳体101的左右两侧壁上，转轴1035与连接臂1036的一端固定，连接臂1036的另一端与下巴壳体102固定；当第一舵机1031驱动第一齿轮1033转动时，第一齿轮1033带动第二齿轮1034转动，从而带动转轴1035、连接臂1036及下巴壳体102转动。由此，该齿轮传动机构结构简单可靠。

根据本发明进一步的实施例，第一舵机1031为rds30的防水定制舵机。这是由于第一舵机1031会经常浸泡在水中，为了避免水损害第一舵机1031，要求第一舵机1031自身能够具有防水功能，因此，可以第一舵机1031可以选择rds30的防水定制舵机。

根据本发明的一个实施例，鱼头主壳体101的左右两侧设有鱼鳃1011。可以理解的是，通过设置鱼鳃1011，可以让鱼嘴在实现闭合动作时水能够通过缝隙流出鱼头1进而减小回流。

可选的，鱼头主壳体101的左右两侧的鱼鳃1011的数量可以根据实际需求来选择，例如，可以各为两条或三条。

根据本发明的一个实施例，下巴壳体102的内部边缘设有下牙齿1021，这样可以保证鱼嘴里的垃圾不会掉出。进一步的，鱼头主壳体101在鱼嘴处的内部边缘部位可以设有上牙齿1012，这样可以保证鱼嘴里的垃圾更不会掉出。

根据本发明的一个实施例，鱼头主壳体101上设有红外避障传感器(图1和图2中均未示出)，红外避障传感器可以与电子器件模块203通讯，可以实现避障功能。可选的，三个红外避障传感器安装在鱼头主壳体101左右两侧以及顶部上。具体的，鱼头主壳体101左右两侧及顶部均设有传感器安装孔1013，三个红外避障传感器分别各自安装在对应的传感器安装孔1013中。

如图1、图3和图4所示，根据本发明的一个实施例，舵机配重机构202包括第二舵机2021和配重块2022，第二舵机2021可以通过胶水固定在第二舵机架2023上，第二舵机2021驱动配重块2022在竖直面上旋转(可参看图3中的旋转箭头b)，以改变吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的重心位置。例如，当吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000平游时，通过第二舵机2021驱动配重块2022旋转，使得配重块2011处于中间位置，该中间位置可以是位于旋转中心的正上方；当吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000下潜(即俯游)时，通过第二舵机2021驱动配重块2022旋转，使得配重块2022移到旋转中心的前边位置；当吃吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000上浮(仰游)时，通过第二舵机2021驱动配重块2022旋转，使得配重块2022移动旋转中心的后边位置，使其尾部力矩增加而实现上浮。

需要说明的是，第二舵机2021采用rds30的防水定制舵机。

如图1和图6所示，根据本发明的一个实施例，舵机双关节摆动机构302包括从前向后的顺序设置的第三舵机3021、第一摆动关节3022、第一垫片3023、第四舵机3024、第二摆动关节3025和第二垫片3026；第三舵机3021固定在鱼身2上，例如鱼身2的后端端部(如图3和图4的a处)上，第三舵机3021与第一摆动关节3022的前端相连，用于驱动第一摆动关节3022左右摆动，第一摆动关节3022的后端固定在第一垫片3023上，第一垫片3023与鱼尾壳体301固定，第四舵机3024固定在第一垫片3023上，第四舵机3024与第二摆动关节3025的前端相连，用于驱动第二摆动关节3025左右摆动，第二摆动关节3025的后端固定在第二垫片3026上，第二垫片3026与鱼尾壳体301固定。由此，该舵机双关节摆动机构302使得吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的游动时更接近于真实鲨鱼的游动，同时，舵机双关节摆动机构302还可以实现动态防水功能。

进一步的，舵机双关节摆动机构302还包括第三舵机架3027和第四舵机架3028，第三舵机架3027固定在鱼身2的后端端部上，第三舵机3021固定在第三舵机架3027上；第四舵机架3028固定在第一垫片3023上，第四舵机3024固定在第四舵机架3028上。可以理解的是，通过设置第三舵机架3027和第四舵机架3028，可以方便地将第三舵机3021和第四舵机3024进行固定安装。

需要说明的是，第三舵机3027和第四舵机3028采用rds25舵机。

根据本发明进一步的实施例，鱼尾壳体301包括前鱼尾壳体3011和后鱼尾壳体3012，前鱼尾壳体3011与鱼身壳体201密封连接，后鱼尾壳体3012与前鱼尾壳体3011密封连接，第一垫片3023固定在前鱼尾壳体3011内，第二垫片3026固定在后鱼尾壳体3012内。也就是说，鱼尾壳体301分成前鱼尾壳体3011和后鱼尾壳体3012两段分别单独制作，这样方便舵机双关节摆动机构302的各个部件的安装；前鱼尾壳体3011与鱼身壳体201密封连接，可以防止外部的水进入鱼尾3内。

如图1、图3和图5所示，根据本发明的一个实施例，鱼身2上设有背鳍205；鱼身壳体201的背部固定有瓶口结构206，瓶口结构206用于电子器件模块203的充电口向外伸展，以便充电口与外部电源线连接；背鳍205上固定有瓶盖结构207，瓶盖可拆卸地密封连接在瓶口结构206上。可以理解的是，该瓶口结构206和瓶盖结构207的配合可以实现较好的密封，可以防止外部的水进入鱼身2内，当需要对电子器件模块203中的电源进行充电时，拧开瓶盖结构207，将背鳍205从鱼身壳体201上拿开，在将充电口从该瓶口结构206拉出并与外部电源线连接，从而可以对电子器件模块203的电源进行充电。也就是说，通过瓶口结构206和瓶盖结构207的密封配合，既可以实现防水又解决了电子器件模块203的电源的充电的问题。而且，将瓶口结构206和瓶盖结构207设置在背鳍205处，对吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的外观不会造成影响。

进一步的，鱼身壳体201的背部设有瓶口结构安装孔，瓶口结构206通过胶水粘结固定在瓶口结构安装孔中；背鳍205上设有瓶盖结构安装孔，瓶盖结构207通过胶水粘结固定在瓶盖结构207安装孔中。

需要说明的是，鱼身2上的胸鳍204与鱼身壳体201一体成型。

根据本发明的一些实施例，鱼头主壳体101、下巴壳体102、鱼身壳体201和鱼尾壳体301分别采用光敏树脂3d打印而成，具有高精度、高填充度、牢固和耐温等特点，并且防水美观。

根据本发明进一步的实施，鱼尾3的材质为柔性光敏树脂材料，可以为鱼尾3提供一定的柔韧度，有助于实现鱼尾3关节的摆动。

需要说明的是，鱼头主壳体101、下巴壳体102、鱼身壳体201和鱼尾壳体301的壁厚均为5mm，以确保鱼壁有足够的支撑强度来支撑吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000内的功能部件。

如图7所示，根据本发明的一些实施例，电子器件模块203包括防水接线盒2031、芯片2032(芯片2032可以为arduinouno芯片)和位于防水接线盒2031内舵机控制板2033、imu模块2034、手柄蓝牙模块2035、电源2036和面包板2037；其中，芯片2032存储有舵机程序，芯片2032通过串口通讯与舵机控制板2033相连，舵机控制板2033分别控制第一舵机1031、第二舵机2021、第三舵机3021和第四舵机3024的运转，舵机控制板2033和芯片2032分别与面包板2037相连，电源2036通过面包板2037连接到芯片2032，imu模块2034与芯片相连，用于获取吃垃圾的仿生机器鲨鱼1000的位姿信息，手柄蓝牙模块2035与芯片2032相连，用于接收ps手柄的控制指令，红外避障传感器还分别与芯片2032和面包板2037相连。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。