[发明专利]基于硬磁柔性驱动体摆动驱动的仿生机器鱼及其制造方法

说明书

本发明涉及一种基于硬磁柔性驱动体摆动驱动的仿生机器鱼及其制造方法，属于海洋特种机器人技术领域。该仿生机器鱼包括鱼头部与鱼身部，鱼头部包括安装在水密壳体内的供电单元与控制单元；鱼身部包括板状柔性支架、尾鳍部及用于驱使尾鳍部摆动的摆动驱动单元；该摆动驱动单元包括固设在板状柔性支架两侧上柔性伸缩驱动单元；该柔性伸缩驱动单元包括磁致伸缩体，及缠绕地固定在磁致伸缩体外的励磁线圈组；该磁致伸缩体由掺杂有磁性颗粒的柔性聚合物制成，且两个磁致伸缩体内磁性颗粒的磁化方向相同且朝同一方向；控制单元用于向励磁线圈组施加变化的励磁电流，且使左右两侧磁场磁极方向相反。该鱼具有更高的仿生特性，可以广泛用于水下监测等领域。

技术领域

本发明涉及一种海洋特种机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于硬磁柔性驱动体驱使尾鳍部摆动的仿生机器鱼及其制造方法。

背景技术

仿生机器鱼是一类在结构和运动上模仿鱼类的水下机器人，主要用于对水下环境进行监测。近年来，新型仿生机器鱼的研究成果不断涌现，并基于不同的驱动方式驱使尾鳍部按照预定规律摆动，从而在水里进行游动，这些驱动方式具体包括电机驱动、液压或气压驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、介电弹性体(DEs)驱动及离子聚合物金属复合材料(IPMC)驱动等，例如，公开号为CN110065607A等的专利文献所公开技术方案为电机驱动。

然而，前述这些常用驱动方式会在对应的问题，例如电机驱动的仿生机器鱼普遍采用多关节传动的刚性结构，结构复杂，噪声与震动较大，无法混入鱼群以进行近距离观测；液压或气压驱动难以摆脱泵的限制，难以实现无束缚游动；SMA等新型材料存在形变微小和驱动力不足等缺陷，难以精确地模拟鱼类运动。

为了解决上述技术问题，在公开为CN101148194A的专利文献中公开了一种双尾超磁仿生机器鱼，包括鱼身和对称连接在鱼身两端的双尾；其中，鱼尾由超磁致伸缩材料贴或镀在主体材料片上构成，且两条鱼尾具有不同的固有频率。该机器鱼在运行过程中，通过调节外部磁场的频率与强度来调整前尾和后尾摆动时的波动状态，从而控制机器鱼向前或向后游动。然而，上述仿生机器鱼采用的超磁致伸缩材料具有形变微小的缺点，导致机器鱼无法逼真地模拟鱼类的形态和运动；此外，该机器鱼需要外部大范围区域磁场的持续驱动，该磁场区域为该鱼的可活动范围区域，因而无法在开阔水域进行监测作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硬磁柔性驱动体进行尾鳍部摆动驱动的仿生机器鱼，以能在在形态和运动上更好地模拟鱼类，且能实现大范围与无约束的水下监测作业；

本发明的另一目的是提供一种用于制造上述仿生机器鱼的方法。

为了实现上述主要目的，本发明提供的仿生机器鱼基于硬磁柔性驱动体驱动尾鳍部摆动，具体结构包括鱼头部及与鱼头部固连的鱼身部，鱼头部包括水密壳体及安装在水密壳体内的供电单元与控制单元；鱼身部包括与水密壳体固连的板状柔性支架，固连在板状柔性支架的尾端部上的尾鳍部，及受控制单元控制而驱使尾鳍部摆动的摆动驱动单元；摆动驱动单元包括固设在板状柔性支架左侧的左侧柔性伸缩驱动单元，及固设在板状柔性支架右侧的右侧柔性伸缩驱动单元；每个柔性伸缩驱动单元均包括磁致伸缩体，及缠绕地固定在磁致伸缩体外的励磁线圈组；励磁线圈组的轴向沿鱼身长度方向布置；磁致伸缩体由掺杂有磁性颗粒的柔性聚合物制成，同一磁致伸缩体内的所有磁性颗粒的磁化方向相同，且两个磁致伸缩体内磁性颗粒的磁化方向相同；水密壳体包括流线型表面的锥型壳部及用于封闭锥型壳部的固连板体壳部；磁致伸缩体的表面由与板状柔性支架的外板面邻接固连的内贴合板面，与固连板体壳部的外板面邻接固连的前端贴合板面，及外鼓状表壳体部所围成；沿鱼头指向鱼尾的方向，磁致伸缩体的横截面面积递减；在鱼身部外附着有一层覆盖励磁线圈组的凝胶薄层；控制单元用于向励磁线圈组施加变化的励磁电流，且使左右两侧励磁线圈组内的磁场磁极方向相反。