一种柔性机器鳐鱼装置的制作方法

1.本发明属于机器人领域的一种机器鳐鱼装置，特别是一种柔性机器鳐鱼装置。


背景技术：

2.目前广泛使用的水下航行器是螺旋桨驱动，航行器主体多为刚性结构，动力源多为电机，在水下航行的噪声大，并且刚性机构无法做到跟真实的鱼类一样的适应性。
3.近年来，随着仿生学的应用，鳐鱼的扑翼扇动受到广泛科研人员关注，其游动容易仿造，并且在水下游动有较大的优势，柔性仿生机器鱼具有与真实的鱼类相似的柔软性和适应性，在海洋探索，水面检测等领域有着广泛的应用前景。
4.目前研究仿生机器鱼的平台，大都是使用外部连线驱动或者自带动力源驱动，外部连线驱动对仿生机器鱼本身的游动有一定的影响，而自带动力源驱动，如电池，会增加自身的重量，并且长时间水下工作，电池易损坏。


技术实现要素：

5.本发明所解决的技术问题在于提供一种柔性机器鳐鱼装置，柔性机器鳐鱼解决现有的机器鳐鱼无法兼备的环境适应性，静音驱动，抗压缩变形，而无线驱动平台则为研究仿生机器鱼提供了一个新的技术方案。
6.实现本发明目的的技术解决方案为：
7.本发明包括柔性机器鳐鱼、水箱、无线驱动平台和摄像头；
8.水箱固定安装在无线驱动平台上，摄像头设置在水箱的上方，摄像头与无线驱动平台相连，水箱中装有水，柔性机器鳐鱼放置在水中，柔性机器鳐鱼通过wifi与终端相连；无线驱动平台通电，无线驱动平台为柔性机器鳐鱼提供能量，终端控制柔性机器鳐鱼的运动，摄像头向无线驱动平台发送鳐鱼位置图像，无线驱动平台根据鳐鱼位置图像调节能量的供给，实现柔性机器鳐鱼在水箱中游动。
9.所述柔性机器鳐鱼包括两个扑翼和身体；两个扑翼对称安装在身体两侧；
10.所述两个扑翼结构相同，均主要由弯曲型柔性电流体动力学驱动器、柔性膜和支架组成；弯曲型柔性电流体动力学驱动器的一侧与身体侧部相连，弯曲型柔性电流体动力学驱动器的另一侧与支架相连，支架为l形支架，l形支架中固定安装有柔性膜，柔性膜的外边缘为鱼鳍形；
11.所述身体主要由柔性壳和设置在柔性壳内的方波升压电路组成，柔性壳的两侧分别与两个扑翼相连。
12.所述无线驱动平台包括平台框架、发射线圈、隔磁片、发射线圈控制电路和控制模块；
13.平台框架的中部固定安装有水箱，水箱下的平台框架中部设置有多层层叠布置的发射线圈层，平台框架与最下层的发射线圈层之间安装有隔磁片使得最下层的发射线圈层与平台框架分隔，每层发射线圈层结构相同，均主要由多个发射线圈组成；隔磁片四周的平
台框架上设置有多个发射线圈控制电路，每个发射线圈控制电路均与对应的一个发射线圈相连，每个发射线圈控制电路中包括一个独立的控制模块，每个独立的控制模块控制对应的一个发射线圈，并且每一个独立的控制模块均与控制模块相连，控制模块还与摄像头相连，微处理器进行无线驱动平台的整体控制。
14.所述弯曲型柔性电流体动力学驱动器包括第一柔性薄膜、柱状电极、介电流体和第二柔性薄膜；
15.第一柔性薄膜和第二柔性薄膜上下层叠布置形成驱动器外壳，驱动器外壳的两侧面分别与身体的一侧和对应的支架相连，驱动器外壳向支架一侧向下弯曲设置，使得驱动器外壳的两侧面成夹角布置；
16.在第一柔性薄膜和第二柔性薄膜的中部形成流体腔，流体腔中设置有柱状电极和填充有介电流体，柱状电极与方波电压相连，柔性电流体动力学驱动器放置在水箱中与水连接接地。
17.所述方波升压电路包括wifi控制电路、两个逆变电路、两个变压器、两个倍压整流电路和两个无线接收模块；每个无线接收模块经wifi控制电路后依次与对应的逆变电路、变压器和倍压整流电路相连，每个倍压整流电路输出的方波电压输入到对应的弯曲型柔性电流体动力学驱动器中。
18.所述多层层叠布置的发射线圈层，具体为：
19.每层发射线圈层结构相同，每层发射线圈层由多个发射线圈组依次平行排布呈多排设置，每个发射线圈组结构相同，均由多个发射线圈依次排布呈直线设置；发射线圈层中，每个发射线圈的圆心与相邻的两个发射线圈的圆心形成夹角，夹角为60
°
，其中相邻的两个发射线圈也相邻，每个发射线圈的尺寸相同；
20.相邻两层的所述发射线圈层中，上一层的发射线圈的圆心不与下一层的任何一个发射线圈重叠。
21.所述方波升压电路中分别设置有两个接收线圈，两个接收线圈相互之间靠近，每个接收线圈的直径为无线驱动平台中的发射线圈的直径的一半。
22.所述柔性机器鳐鱼在游动的过程中一直是2
‑
5个发射线圈在工作。
23.所述柔性壳由热塑性聚氨酯弹性体tpu、热塑性弹性体tpe等柔性材料直接打印，或者由硅橡胶浇注而成。
24.本发明与现有技术相比，其显著优点：
25.(1)本发明的柔性机器鳐鱼是一种电响应智能流体驱动器驱动的机器鳐鱼，使用水作为接地极，柱状电极密封在驱动器外壳中，可实现静音驱动，并且是电能直接转换为扑翼扇动输出，而无需无他传动部件，整体能源利用效率高。
26.(2)本发明的方波升压电路，可以通过wifi与手机或者电脑实现通讯，并且可以受控地独立输出两路高压信号，电路上具有两个无线接收线圈，体积较小，适合作为驱动静电驱动器的高压电源。
27.(3)本发明的无线驱动平台，发射线圈分两层紧密排布并且发射线圈直径为接收线圈的直径的两倍，机器鳐鱼在游动的过程中始终有一个接收线圈位于发射线圈的范围之内，可为仿生机器鳐鱼实时供电，发射线圈的通断由机器鳐鱼的位置确定。
28.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
29.图1为本发明一种柔性机器鳐鱼装置的结构示意图。
30.图2为本发明柔性机器鳐鱼的结构示意图。
31.图3为本发明扑翼的结构示意图。
32.图4为本发明弯曲型柔性电流体动力学驱动器产生弯曲运动的结构示意图。
33.图5为本发明方波升压电路的结构示意图。
34.图6为本发明无线接收模块的结构示意图。
35.图7为本发明无线驱动平台的结构示意图。
36.图8为本发明无线驱动平台的俯视图。
37.图9为本发明整体驱动的电路框架图。
38.图中：柔性机器鳐鱼本体1、扑翼11、弯曲型柔性电流体动力学驱动器111、第一柔性薄膜1111、柱状电极1112、介电流体1113、第二柔性薄膜1114、柔性膜112、支架113、身体12、柔性壳121、方波升压电路122、wifi控制电路1221、逆变电路1222、变压器1223、倍压整流电路1224、无线接收模块1225、水箱2、无线驱动平台3、平台框架31、发射线圈32、隔磁片33、发射线圈控制电路34、摄像头4。
具体实施方式
39.为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
40.如图1所示，本发明包括柔性机器鳐鱼1、水箱2、无线驱动平台3和摄像头4；
41.水箱2固定安装在无线驱动平台3上，摄像头4设置在水箱2的上方，摄像头4与无线驱动平台3相连，水箱2中装有水，柔性机器鳐鱼1放置在水中，柔性机器鳐鱼1通过wifi与终端相连，终端为手机或电脑；无线驱动平台3用于柔性机器鳐鱼1游动过程中的能量实时输送。无线驱动平台3通电，无线驱动平台3为柔性机器鳐鱼提供能量，终端控制柔性机器鳐鱼1的运动，摄像头4向无线驱动平台3发送鳐鱼位置图像，无线驱动平台3根据鳐鱼位置图像调节能量的供给，实现柔性机器鳐鱼1在水箱中游动。
42.如图2和3所示，柔性机器鳐鱼1包括两个扑翼11和身体12；两个扑翼11对称安装在身体12两侧，柔性机器鳐鱼1的游动类似鳐鱼的游动形式，两个扑翼11上下扑动实现游动；
43.两个扑翼11结构相同，均主要由弯曲型柔性电流体动力学驱动器111、柔性膜112和支架113组成；扑翼11产生的运动由弯曲型柔性电流体动力学驱动器111实现，弯曲型柔性电流体动力学驱动器111是一种电响应智能流体驱动器，用水做接地极，在方波高压电作用下，可产生连续扑动。弯曲型柔性电流体动力学驱动器111的一侧与身体12侧部相连，弯曲型柔性电流体动力学驱动器111的另一侧与支架113相连，支架113为l形支架，l形支架中固定安装有柔性膜112，柔性膜112的外边缘为鱼鳍形；
44.身体12主要由柔性壳121和设置在柔性壳121内的方波升压电路122组成，柔性壳121用于方波升压电路122的密封，防止进水，柔性壳121的两侧分别与两个扑翼11相连。
45.如图7和8所示，无线驱动平台3包括平台框架31、发射线圈32、隔磁片33和发射线圈控制电路34；
46.平台框架31的中部固定安装有水箱2，水箱2下的平台框架31中部设置有多层紧密
层叠布置的发射线圈层，具体实施中，发射线圈层为两层，用于电磁波的传输；平台框架31与最下层的发射线圈层之间安装有隔磁片33使得最下层的发射线圈层与平台框架31分隔，隔磁片33用于屏蔽向下的电磁波。每层发射线圈层结构相同，均主要由多个发射线圈32组成；隔磁片33四周的平台框架31上设置有多个发射线圈控制电路34，每个发射线圈控制电路34均与对应的一个发射线圈32相连，每个发射线圈控制电路34中包括一个独立的控制模块，每个独立的控制模块控制对应的一个发射线圈32，并且每一个独立的控制模块均与控制模块相连，控制模块具体为微处理器，控制模块还与摄像头4相连，摄像头4向微处理器发送鳐鱼位置图像，微处理器进行分析后获得柔性机器鳐鱼1的实时位置信息，微处理器进行无线驱动平台3的整体控制。
47.多层紧密层叠布置的发射线圈层，具体为：
48.每层发射线圈层结构相同，每层发射线圈层由多个发射线圈组依次平行排布呈多排设置，每个发射线圈组结构相同，均由多个发射线圈32依次排布呈直线设置，即每个发射线圈32的圆心在一条直线上；发射线圈层中，每个发射线圈32的圆心与相邻的两个发射线圈32的圆心形成夹角，夹角为60
°
，其中相邻的两个发射线圈32也相邻，每个发射线圈32的尺寸相同；
49.相邻两层的发射线圈层中，上一层的发射线圈32的圆心不与下一层的任何一个发射线圈32重叠。
50.如图4所示，弯曲型柔性电流体动力学驱动器111包括第一柔性薄膜1111、柱状电极1112、介电流体1113和第二柔性薄膜1114；
51.第一柔性薄膜1111和第二柔性薄膜1114上下层叠布置形成驱动器外壳，驱动器外壳的两侧面分别与身体12的一侧和对应的支架相连，驱动器外壳向支架一侧向下弯曲设置，使得驱动器外壳的两侧面成夹角布置；
52.在第一柔性薄膜1111和第二柔性薄膜1114的中部形成流体腔，第一柔性薄膜1111的延展性大于第二柔性薄膜1114的延展性；流体腔中设置有柱状电极1112和填充有介电流体1113，柱状电极(1112)与15kv左右的方波电压相连，柔性电流体动力学驱动器(111)放置在水箱(2)中与水连接接地。；柱状电极1112接通方波电压时，驱动器可产生扇动。
53.如图5、6和9所示，方波升压电路122通过wifi与手机或者电脑连接，手机或者电脑控制输出方波电压的幅值和频率，实现手机或者电脑控制柔性机器鳐鱼1的运动，实现直线或者转弯等运动。方波升压电路122具有两路独立输出，独立控制两个扑翼11扇动。方波升压电路122包括wifi控制电路1221、两个逆变电路1222、两个变压器1223、两个倍压整流电路1224和两个无线接收模块1225；每个无线接收模块1225经wifi控制电路1221后依次与对应的逆变电路1222、变压器1223和倍压整流电路1224相连，每个倍压整流电路1224输出的方波电压输入到对应的弯曲型柔性电流体动力学驱动器111的柱状电极1112中。
54.方波升压电路122的两个无线接收模块1225中分别设置有两个接收线圈，两个接收线圈相互之间紧密靠近，每个接收线圈的直径为无线驱动平台3的发射线圈层中的发射线圈32的直径的一半，保证柔性机器鳐鱼1在游动的过程中始终有一个接收线圈位于发射线圈的范围之内。
55.输入方波升压电路122中为24v直流电压，方波升压电路122的无线接收模块1225将接收到能量转为7v直流输出，逆变电路1222在wifi控制电路1221的控制下，将7v直流输
出转为间歇性的交流信号，接着变压器1223将交流信号放大，最后通过倍压整流电路1224将放大的信号转变成方波信号输出。柔性机器鳐鱼1在游动的过程中，无线驱动平台3中的发射线圈的通断由柔性机器鳐鱼1当前时刻和下一个时刻所处的位置决定，整个游动过程中，一直是2
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5个发射线圈32在工作。
56.柔性壳121由热塑性聚氨酯弹性体tpu、热塑性弹性体tpe等柔性材料直接打印，或者由硅橡胶浇注而成。
57.本发明的工作原理如下：
58.当柔性机器鳐鱼1工作时，首先往水箱2中输入一定量的水，使柔性机器鳐鱼1漂浮在水面，并保证柔性机器鳐鱼1的最下端与水箱2地面的距离为5
‑
15mm，给无线驱动平台通电，并将处于柔性机器鳐鱼1下方的发射线圈通电，此时柔性机器鳐鱼1开始工作，柔性机器鳐鱼1的位置信息通过上方的摄像头4反馈到无线驱动平台的微处理器中，微处理器根据反馈的位置信息，实时地将柔性机器鳐鱼1上的两个接收线圈接收范围之内的发射线圈通电，而不在接收范围之内的发射线圈断电，如此便可以不断地为柔性机器鳐鱼1提供能量，通过手机可以控制柔性机器鳐鱼1的直线、弯曲等运动，同时控制实现柔性机器鳐鱼1的速度等参数，实现柔性机器鳐鱼1在水箱游动。
59.虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。