在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼

1.本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼。


背景技术：

2.自主水下机器人因其智能化水平高、活动范围广而成为探索和开发海洋的利器。传统的自主水下机器人大多利用螺旋桨推进或者泵喷推进，存在着机动性差、噪声大、隐蔽性低的缺点。鱼类在水里游动的整体综合性能好，其机动性好、噪声小、效率高等特点受到了研究人员的青睐，仿生机器鱼作为仿生学与机电学高度发展相结合的产物，为高性能水下航行器的研制和应用提供了新的途径和技术手段。
3.目前，大量机器鱼都将重点放在推进机构上，期望通过优化推进方式来提升仿生机器鱼的推进效率，但大部分工作都忽略了鱼体的刚度变化，将鱼体看作刚度不变的多关节机构，这类机器鱼在尾拍频率较高时无法获得期望的推力和游速。事实上，鱼类具有复杂的生物结构，可以调节刚度来适应流体环境，生物学的大量研究表示，鱼类在游动过程中会利用肌肉、脊柱、皮肤等器官进行刚度调整，从而在大范围的尾拍频率下均能获得优异的游动效率和游动速度。然而，现有机器鱼大多忽略鱼体刚度变化而难以在宽游动频率内保持高效率游动。
4.因此，有必要提供一种新的技术方案以解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，用以解决现有机器鱼由于忽略鱼体刚度变化而难以在宽游动频率内保持高效率游动的问题。
6.本发明提供一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，包括仿生鱼头和柔性仿生鱼体，所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体相连接；
7.所述柔性仿生机器鱼还包括变刚度机构，所述变刚度机构包括位于所述仿生鱼头内部的伸缩组件和位于所述柔性仿生鱼体内部的柔性仿生脊柱，且所述伸缩组件和所述柔性仿生脊柱相对设置；
8.其中，所述伸缩组件用以沿所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向做伸缩运动，所述柔性仿生脊柱通过所述伸缩组件的伸缩运动进行压缩或释放以改变所述柔性仿生鱼体的刚度。
9.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，当所述伸缩组件伸长时，所述柔性仿生脊柱处于压缩状态，所述柔性仿生脊柱的截面惯性矩随所述柔性仿生脊柱的压缩量的增大而增大，所述柔性仿生鱼体的刚度也随之增大；
10.当所述伸缩组件缩短时，所述柔性仿生脊柱向原始状态恢复，所述柔性仿生脊柱的截面惯性矩随所述柔性仿生脊柱的压缩量的减小而减小，所述柔性仿生鱼体的刚度也随之减小。
11.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述伸缩组件包括步进电机、连接轴和活塞，所述步进电机的输出轴通过所述连接轴与所述活塞相连，所述步进电机用于驱动所述活塞在所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向上做往复运动。
12.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述仿生鱼头靠近所述柔性仿生鱼体的一侧设有鱼头底板，所述鱼头底板垂直于所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向设置，所述鱼头底板上设有通孔，所述连接轴自所述仿生鱼头内部穿过所述通孔延伸至所述仿生鱼头外，所述连接轴靠近所述步进电机的一端与所述步进电机的输出轴固定连接，所述连接轴远离所述步进电机的一端与所述活塞固定连接。
13.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述仿生鱼头还包括主体仓、配重仓和密封模块，所述主体仓和所述配重仓均位于所述鱼头底板远离所述柔性仿生鱼体的一侧，所述主体仓和所述配重仓相互独立且所述配重仓位于所述主体仓的下方；
14.所述主体仓内设有所述伸缩组件，所述密封模块位于所述主体仓与所述鱼头底板之间，所述连接轴自所述主体仓依次穿过所述密封模块和所述鱼头底板延伸至所述仿生鱼头外，所述主体仓与所述鱼头底板之间为静密封设置，所述密封模块与所述连接轴之间为动密封设置。
15.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述变刚度机构还包括两端开口的套筒，所述连接轴延伸出所述仿生鱼头的部分和所述活塞均设置于所述套筒内，所述套筒固定在所述鱼头底板上，并与所述柔性仿生鱼体连接。
16.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述变刚度机构还包括柔性外壳，所述柔性外壳为中空结构，所述柔性仿生脊柱位于所述柔性外壳内，所述柔性外壳的内径大于所述柔性仿生脊柱的外径，且所述柔性外壳的内径大于所述套筒的外径，所述柔性外壳靠近所述仿生鱼头的一端套设并固定在所述套筒上。
17.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述柔性仿生脊柱包括多层薄片，多层所述薄片沿所述柔性仿生鱼体的延伸方向依次排布，相邻两层所述薄片之间通过加强筋连接；
18.其中，每层所述薄片的中心位置设置为镂空结构，多层所述薄片的镂空结构形成贯穿所述柔性仿生脊柱的中空通道，且所述加强筋避开所述中空通道设置。
19.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述柔性仿生机器鱼还包括仿生尾鳍，所述仿生尾鳍与所述柔性仿生鱼体远离所述仿生鱼头的一端连接，所述仿生尾鳍包括仿生尾鳍本体和钢丝，所述钢丝的一端穿过所述中空通道与所述仿生鱼头固定连接，所述钢丝的另一端穿过所述仿生尾鳍本体并与所述仿生尾鳍本体固定连接。
20.根据本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，所述柔性仿生机器鱼还包括驱动机构，所述驱动机构包括防水舵机、主动摇臂、驱动环、被动摇臂及轴承，所述防水舵机和所述轴承相对的设置于所述柔性仿生鱼体的两侧，且所述防水舵机和所述轴承均固定在所述仿生鱼头上，所述驱动环套设在所述柔性仿生鱼体的中部，所述防水舵机的输出轴和所述轴承分别通过所述主动摇臂和所述被动摇臂连接至所述驱动环上，所述轴承的轴心位于所述防水舵机的输出轴的轴心延长线上，所述防水舵机和所述轴承同步转动。
21.本发明的上述技术方案具有以下有益效果：
22.本发明的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，包括位于仿生鱼头内部的伸缩组
件和位于柔性仿生鱼体内部的柔性仿生脊柱，伸缩组件和柔性仿生脊柱相对设置并组合形成变刚度机构，伸缩组件用以沿仿生鱼头与柔性仿生鱼体之间的连线方向做伸缩运动，通过控制伸缩组件的伸缩运动可以使柔性仿生脊柱能够在该连线方向上被压缩或者被释放；当柔性仿生脊柱被压缩时，其截面惯性矩增大，柔性仿生鱼体的刚度也随之增大；当柔性仿生脊柱被释放时，其截面惯性矩减小，柔性仿生鱼体的刚度也随之减小，从而能够实现在柔性仿生机器鱼游动过程中在线改变鱼体刚度，使得柔性仿生机器鱼在不同游动频率下均可到达最优游速，实现柔性仿生机器鱼的高效游动，显著增强柔性仿生机器鱼的机动性与续航能力。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的主视图；
25.图2为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的右视图；
26.图3为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的俯视图；
27.图4为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的主体仓内部结构以及柔性仿生鱼体靠近主体仓一端内部结构的示意图；
28.图5为图4所示的主体仓内部结构以及柔性仿生鱼体靠近主体仓一端内部结构在c-c剖面线上的剖面图；
29.图6为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的柔性仿生鱼体的示意图；
30.图7为图6所示的柔性仿生鱼体在d-d剖面线上的剖面图；
31.图8为图7中所示的柔性仿生鱼体的局部放大示意图；
32.图9为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的驱动机构的主视图；
33.图10为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的驱动机构的俯视图；
34.图11为本发明实施例提供的柔性仿生机器鱼的仿生尾鳍的结构示意图；
35.图12为图11所示的仿生尾鳍在e-e剖面线上的剖面图。
36.附图标记：
37.1、仿生鱼头；2、柔性仿生鱼体；3、仿生尾鳍；4、驱动机构；10、伸缩组件；20、柔性仿生脊柱；x、仿生鱼头与柔性仿生鱼体之间的连线方向；11、鱼头壳体；12、鱼头底板；13、主体仓；14、配重仓；101、步进电机；102、连接轴；103、活塞；104、螺母；105、电机安装架；106、密封模块；21、套筒；22、柔性外壳；201、薄片；202、加强筋；203、中空通道；401、防水舵机；402、主动摇臂；403、驱动环；404、被动摇臂；405、轴承；406、舵机支架；407、轴承挡片；408、轴承座；30、仿生尾鳍本体；31、钢丝。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.请参阅图1-图3，本发明提供一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其包括仿生鱼头1、柔性仿生鱼体2和仿生尾鳍3，仿生鱼头1与柔性仿生鱼体2相连接，仿生尾鳍3连接至柔性仿生鱼体2远离仿生鱼头1的一端，该柔性仿生机器鱼具备全柔性鱼体，且可在游动过程中在线改变其鱼体刚度。
40.请参阅图1-图7，柔性仿生机器鱼还包括变刚度机构，该变刚度机构包括位于仿生鱼头1内部的伸缩组件10和位于柔性仿生鱼体2内部的柔性仿生脊柱20。伸缩组件10自仿生鱼头1的内部延伸至柔性仿生鱼体2内部的靠近仿生鱼头1的位置，伸缩组件10和柔性仿生脊柱20相对的设置，并且柔性仿生脊柱20不与伸缩组件10直接连接。由材料力学可知，柔性仿生鱼体的刚度由其弹性模量与截面惯性矩决定，但弹性模量由柔性材料决定，难以在常温常压下获得大范围改变。因此本发明的柔性仿生机器鱼从截面惯性矩着手，采用了包含伸缩组件10和柔性仿生脊柱20的变刚度机构的设计，其中，伸缩组件10用以沿仿生鱼头1与柔性仿生鱼体2之间的连线方向x做伸缩运动，通过控制伸缩组件10的伸缩运动可以使柔性仿生脊柱20能够在该连线方向x上被压缩或者被释放，从而改变柔性仿生脊柱20的截面惯性矩，进而改变柔性仿生鱼体2的刚度，使得柔性仿生机器鱼在不同游动频率下均可到达最优游速，实现柔性仿生机器鱼的高效游动。
41.具体地，当伸缩组件10伸长时，柔性仿生脊柱20由原始状态变为被压缩状态，此时柔性仿生脊柱20的截面惯性矩随着柔性仿生脊柱20的压缩量的增大而增大，使得柔性仿生鱼体2的刚度也随之增大。当伸缩组件10缩短时，由于弹性元件的特性，取消压缩柔性仿生脊柱20的外力后，柔性仿生脊柱20由被压缩状态向原始状态恢复，此时柔性仿生脊柱20的截面惯性矩随着柔性仿生脊柱20的压缩量的减小而减小，使得柔性仿生鱼体2的刚度也随之减小。由此，柔性仿生脊柱20通过伸缩组件10的伸缩运动进行压缩或释放，以实现柔性仿生机器鱼在游动过程中在线改变其鱼体刚度。
42.可以理解的是，柔性仿生脊柱20的原始状态为自然状态，即柔性仿生脊柱20的压缩量为0的状态。
43.请参阅图1，仿生鱼头1包括鱼头壳体11和鱼头底板12，鱼头壳体11和鱼头底板12组装后使仿生鱼头1内部划分成主体仓13和配重仓14两部分，主体仓13和配重仓14均位于鱼头底板12远离柔性仿生鱼体2的一侧，主体仓13和配重仓14相互独立且配重仓14位于主体仓13的下方。其中，主体仓13内装有控制器等电气元件以及伸缩组件10，其下方为独立的配重仓14，配重仓14可调配柔性仿生机器鱼的整体重量。仿生鱼头1呈流线型，可减少前进阻力，柔性仿生鱼体2中的零件以鱼头底板12为基础进行装配。
44.其中，主体仓13与鱼头底板12之间可以采用橡胶圈进行静密封，配重仓14与鱼头底板12之间可以不做密封。
45.请继续参阅图1-图3，鱼头壳体11对应主体仓13和配重仓14的部分可以为分体式结构设计，然后通过螺钉等将各分体式结构装配在鱼头底板12上；或者，鱼头壳体11对应主体仓13和配重仓14的部分可以为一体式设计，鱼头壳体11和鱼头底板12可通过螺钉固定。
46.其中，鱼头底板12设置在仿生鱼头1靠近柔性仿生鱼体2的一侧，且鱼头底板12垂直于仿生鱼头1与柔性仿生鱼体2之间的连线方向x设置。主体仓13和配重仓14的开口可以
均被鱼头底板12所覆盖。
47.请参阅图4-图5，在本发明的一种实施例中，鱼头底板12上设有第一通孔，伸缩组件10自仿生鱼头1的内部穿过该第一通孔延伸至仿生鱼头1的外部，且伸缩组件10延伸至仿生鱼头1外部的相应部分对应位于柔性仿生鱼体2的内部。具体地，伸缩组件10包括一个步进电机101、两个连接轴102和一个活塞103，其中，步进电机101的输出轴通过两个连接轴102与活塞103相连，步进电机101用于驱动活塞103在仿生鱼头1与柔性仿生鱼体2之间的连线方向上做往复运动。具体地，步进电机101位于主体仓13内，两个连接轴102自主体仓13内分别穿过鱼头底板12上的两个第一通孔延伸至仿生鱼头1外，其中，两个连接轴102靠近步进电机101的一端分别与步进电机101的输出轴通过螺母104固定连接，两个连接轴102远离步进电机101的一端分别与活塞103固定连接。
48.进一步的，步进电机101可以为带丝杆的步进电机，即步进电机101的输出轴为丝杆，丝杆上的螺母104通过两个连接轴102与主体仓13外部的活塞103相连，当步进电机101转动时，利用螺母104带动两个连接轴102将步进电机101的推力传递到主体仓13外部的活塞103上，可带动活塞103进行往复移动，从而可以对柔性仿生脊柱20进行压缩或释放，进而控制鱼体刚度。
49.进一步的，伸缩组件10还包括电机安装架105和密封模块106。电机安装架105位于主体仓13内，并且位于步进电机101和鱼头底板12之间，其中，步进电机101通过电机安装架105连接到鱼头底板12上。电机安装架105为两端开口的圆筒形状，步进电机101的输出轴嵌设于电机安装架105内，电机安装架105的一端开口与步进电机101连接，电机安装架105的另一端开口与鱼头底板12连接。
50.密封模块106位于主体仓13与鱼头底板12之间，具体地，密封模块106位于电机安装架105内并与鱼头底板12贴合，步进电机101的输出轴与密封模块106之间具有空隙，密封模块106上设有与鱼头底板12上的第一通孔一一对应的第二通孔。其中，连接轴102自主体仓13依次穿过密封模块106上的第二通孔和鱼头底板12上的第一通孔延伸至主体仓13外，主体仓13与鱼头底板12之间为静密封设置，密封模块106与连接轴102之间为动密封设置。
51.在一种实施例中，密封模块106与鱼头底板12之间采用橡胶圈进行静密封，密封模块106与连接轴102之间采用斯特封进行动密封。其中，密封模块106可保持主体仓13的密封，保护主体仓13内部的电气元件。
52.其中，变刚度机构还包括两端开口的套筒21，该套筒21的一端开口固定在鱼头底板12背向主体仓13的一侧表面上，并且连接轴102延伸出仿生鱼头1的部分和活塞103均设置于套筒21内。
53.进一步的，该套筒21的长度可以为伸缩组件10延伸出仿生鱼头1的最大范围长度，当然并不以此为限。
54.其中，套筒21嵌入柔性仿生鱼体2靠近仿生鱼头1的一端，柔性仿生鱼体2可通过套筒21与仿生鱼头1的鱼头底板12连接。套筒21为具有一定刚性的材质，如铝制硬筒等，其可以保证柔性仿生鱼体2在对应伸缩组件10活塞运动的部分保持一定刚性。
55.请参阅图6-图8，进一步的，变刚度机构还包括位于柔性仿生鱼体2的柔性外壳22，柔性外壳22为中空结构。柔性仿生脊柱20位于柔性外壳22内，柔性外壳22的长度大于柔性仿生脊柱20的长度，且柔性外壳22的内径大于柔性仿生脊柱20的外径。另外，柔性外壳22的
内径还大于套筒21的外径，柔性外壳22靠近仿生鱼头1的一端套设在套筒21上，并通过套筒21固定在鱼头底板12上。
56.由于活塞103往复运动时，会伸入柔性外壳22的内部，为保证结构的稳定性，柔性外壳22的内侧靠近活塞103的一端嵌入一个套筒21，以保证该段在活塞运动过程中保持刚性，同时柔性外壳22对应套筒21的部分的厚度大于柔性外壳22对应套筒21之外的部分的厚度，通过对套筒21一段的柔性外壳22的壁厚进行加厚，可以保持此处的结构强度。
57.在本发明的一种实施例中，柔性仿生脊柱20和柔性外壳22均由硅胶铸模制备而成。
58.在本发明的一种实施例中，柔性仿生脊柱20包括多层薄片201，多层薄片201沿柔性仿生鱼体2的延伸方向依次排布，相邻两层薄片201之间通过加强筋202连接。多个加强筋202将多层薄片201依次相连形成柔性仿生脊柱20。
59.其中，每层薄片201的中心位置设置为镂空结构，多层薄片201的镂空结构形成贯穿柔性仿生脊柱20的中空通道203，使得柔性仿生脊柱20形成中空结构，能够保证柔性仿生脊柱20易于压缩。其中，加强筋202避开中空通道203设置。
60.进一步的，柔性仿生脊柱20的中空通道203的直径可以为1mm-5mm，示例性的，柔性仿生脊柱20的中空通道203的直径为3mm。
61.在本发明的一种实施例中，多层薄片201的形状均为中心位置镂空的圆形，柔性仿生脊柱20总体上可以为中空的圆柱体，当然并不以此为限。
62.其中，柔性仿生脊柱20并不与任何零件直接连接。当步进电机101转动时，步进电机101的输出轴上的螺母104带动主体仓13外部的活塞103前后移动，柔性仿生脊柱20在柔性外壳22内部被压缩或者释放，造成柔性仿生鱼体2的刚度变化。在此过程中，由于柔性仿生脊柱20是在其轴向方向上进行压缩和释放，因此柔性外壳22并不会发生形变，保证了鱼体外形的稳定。
63.请参阅图8，为了保证柔性仿生脊柱20的结构稳定，相邻的两个加强筋202彼此垂直。例如，第一层薄片201和第二层薄片201之间的加强筋202水平设置时，第二层薄片201和第三层薄片201之间的加强筋202竖直设置，后续的加强筋202与之相似的交替设置。
64.请参阅图1-图3以及图9-图10，柔性仿生机器鱼还包括驱动机构4，驱动机构4连接固定到鱼头底板12上。驱动机构4包括防水舵机401、主动摇臂402、驱动环403、被动摇臂404及轴承405，防水舵机401和轴承405相对的设置于柔性仿生鱼体2的两侧，且防水舵机401和轴承405均固定在仿生鱼头1的鱼头底板12上，驱动环403的内径大于柔性外壳22的外径，驱动环403套设在柔性仿生鱼体2的中部，防水舵机401的输出轴和轴承405分别通过主动摇臂402和被动摇臂404连接至驱动环403上，其中，轴承405的轴心位于防水舵机401的输出轴的轴心延长线上，防水舵机401和轴承405可同步转动。
65.进一步的，驱动机构4还包括舵机支架406、轴承挡片407和轴承座408。舵机支架406固定于鱼头底板12的下部，用于固定防水舵机401，防水舵机401的输出轴通过主动摇臂402与驱动环403的下端相连。轴承座408固定于鱼头底板12的上部，轴承405安装在轴承座408上，且轴承405背向柔性仿生鱼体2的一侧安装有轴承挡片407，用于固定轴承405。轴承405对应安装于被动摇臂404的转动中心处，被动摇臂404远离轴承405的一端与驱动环403的上端相连。
66.更进一步的，主动摇臂402的一端与防水舵机401的输出轴固定连接，主动摇臂402的另一端与驱动环403的下端转动连接，被动摇臂404的一端与驱动环403的上端转动连接，被动摇臂404的另一端与轴承405转动连接。
67.其中，通过仿生鱼头1的主体仓13内提供的电源及控制信号，防水舵机401可实现类正弦摆动。当防水舵机401输出类正弦摆动时，通过主动摇臂402和被动摇臂404带动驱动环403左右摆动，从而弯折柔性外壳22及其内部的柔性仿生脊柱20，以及带动鱼尾部分进行左右摆动，实现柔性仿生鱼体2的类鱼波动。其中，由于轴承405与防水舵机401具有相同旋转中心，当防水舵机401转动时，轴承405与之同步转动。
68.其中，柔性仿生鱼体2可分为柔性主动段和柔性被动段，柔性主动段即驱动环403之前的柔性仿生鱼体2的相应部分，其随防水舵机401运动，可视作机器鱼的第二连杆；柔性被动段即驱动环403之后的柔性仿生鱼体2的相应部分，其在水动力作用下将发生弹性形变，可视作机器鱼的第三连杆。
69.在一种实施例中，驱动环403为一铝制圆环，但不以此为限。
70.请参阅图1-图3以及图11-图12，所述柔性仿生机器鱼的仿生尾鳍3与柔性仿生鱼体2远离仿生鱼头1的一端连接。其中，仿生尾鳍3包括仿生尾鳍本体30和钢丝31，仿生尾鳍本体30通过钢丝31穿过柔性仿生脊柱20直接连接到鱼头底板12上。具体地，钢丝31的左端依次穿过柔性仿生鱼体2内部的中空通道203和套筒21与仿生鱼头1的鱼头底板12固定连接，钢丝31的右端穿过仿生尾鳍本体30的两侧与仿生尾鳍本体30固定连接，保证仿生尾鳍3受力稳定，仿生尾鳍本体30与柔性外壳22相连。
71.其中，钢丝31依次穿过仿生尾鳍本体30和柔性仿生鱼体2并与鱼头底板12相连，可以保证仿生尾鳍3与鱼头底板12之间的距离不变，即保证在运动及压缩柔性仿生脊柱20的过程中，柔性仿生脊柱20和柔性外壳22不会发生轴向拉升，防止柔性仿生鱼体2在刚度改变过程中产生弦向拉伸。
72.本发明提供的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，相比于大多采用刚性多关节的仿生鱼，本发明通过设置变刚度机构，在柔性仿生机器鱼实际游动过程中可在线控制变刚度机构中的伸缩组件进行伸缩运动，从而带动变刚度机构中的柔性仿生脊柱进行压缩或者释放，当柔性仿生脊柱被压缩时，其截面惯性矩增大，柔性仿生鱼体的刚度也随之增大；当柔性仿生脊柱被释放时，其截面惯性矩减小，柔性仿生鱼体的刚度也随之减小，进而能够实现在柔性仿生机器鱼游动过程中在线改变鱼体刚度，使得柔性仿生机器鱼在不同游动频率下均可到达最优游速，实现柔性仿生机器鱼的高效游动，显著增强柔性仿生机器鱼的机动性与续航能力。
73.另外，相关技术中机器鱼一般采用液压或气压驱动，导致响应速度慢，游动频率低，机器鱼性能较差，且采用这类方法在充气或加压的过程中会改变机器鱼的几何外形，如增加鱼体直径造成鱼体肿胀，或改变鱼尾长度等，对机器鱼的游动性能造成影响。而本发明采用上述结构设计，可通过在线控制伸缩组件的伸缩运动以将机械运动直接传导至柔性仿生脊柱上并转化为柔性仿生脊柱的收缩或释放，因此响应速度大大提升；并且，柔性仿生脊柱的压缩和释放均是在其自身轴向方向进行的，而柔性仿生脊柱在柔性外壳内相对独立，不会造成柔性外壳的肿胀，也不会造成柔性外壳发生轴向拉伸，因此，可以维持鱼体外形稳定，可提高机器鱼的游动性能，运动灵活，游动频率高。
74.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，包括仿生鱼头和柔性仿生鱼体，所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体相连接；所述柔性仿生机器鱼还包括变刚度机构，所述变刚度机构包括位于所述仿生鱼头内部的伸缩组件和位于所述柔性仿生鱼体内部的柔性仿生脊柱，且所述伸缩组件和所述柔性仿生脊柱相对设置；其中，所述伸缩组件用以沿所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向做伸缩运动，所述柔性仿生脊柱通过所述伸缩组件的伸缩运动进行压缩或释放以改变所述柔性仿生鱼体的刚度。2.根据权利要求1所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，当所述伸缩组件伸长时，所述柔性仿生脊柱处于压缩状态，所述柔性仿生脊柱的截面惯性矩随所述柔性仿生脊柱的压缩量的增大而增大，所述柔性仿生鱼体的刚度也随之增大；当所述伸缩组件缩短时，所述柔性仿生脊柱向原始状态恢复，所述柔性仿生脊柱的截面惯性矩随所述柔性仿生脊柱的压缩量的减小而减小，所述柔性仿生鱼体的刚度也随之减小。3.根据权利要求1所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述伸缩组件包括步进电机、连接轴和活塞，所述步进电机的输出轴通过所述连接轴与所述活塞相连，所述步进电机用于驱动所述活塞在所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向上做往复运动。4.根据权利要求3所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生鱼头靠近所述柔性仿生鱼体的一侧设有鱼头底板，所述鱼头底板垂直于所述仿生鱼头与所述柔性仿生鱼体之间的连线方向设置，所述鱼头底板上设有通孔，所述连接轴自所述仿生鱼头内部穿过所述通孔延伸至所述仿生鱼头外，所述连接轴靠近所述步进电机的一端与所述步进电机的输出轴固定连接，所述连接轴远离所述步进电机的一端与所述活塞固定连接。5.根据权利要求4所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生鱼头还包括主体仓、配重仓和密封模块，所述主体仓和所述配重仓均位于所述鱼头底板远离所述柔性仿生鱼体的一侧，所述主体仓和所述配重仓相互独立且所述配重仓位于所述主体仓的下方；所述主体仓内设有所述伸缩组件，所述密封模块位于所述主体仓与所述鱼头底板之间，所述连接轴自所述主体仓依次穿过所述密封模块和所述鱼头底板延伸至所述仿生鱼头外，所述主体仓与所述鱼头底板之间为静密封设置，所述密封模块与所述连接轴之间为动密封设置。6.根据权利要求4所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述变刚度机构还包括两端开口的套筒，所述连接轴延伸出所述仿生鱼头的部分和所述活塞均设置于所述套筒内，所述套筒固定在所述鱼头底板上，并与所述柔性仿生鱼体连接。7.根据权利要求6所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述变刚度机构还包括柔性外壳，所述柔性外壳为中空结构，所述柔性仿生脊柱位于所述柔性外壳内，所述柔性外壳的内径大于所述柔性仿生脊柱的外径，且所述柔性外壳的内径大于所述套筒的外径，所述柔性外壳靠近所述仿生鱼头的一端套设并固定在所述套筒上。
8.根据权利要求1所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述柔性仿生脊柱包括多层薄片，多层所述薄片沿所述柔性仿生鱼体的延伸方向依次排布，相邻两层所述薄片之间通过加强筋连接；其中，每层所述薄片的中心位置设置为镂空结构，多层所述薄片的镂空结构形成贯穿所述柔性仿生脊柱的中空通道，且所述加强筋避开所述中空通道设置。9.根据权利要求8所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述柔性仿生机器鱼还包括仿生尾鳍，所述仿生尾鳍与所述柔性仿生鱼体远离所述仿生鱼头的一端连接，所述仿生尾鳍包括仿生尾鳍本体和钢丝，所述钢丝的一端穿过所述中空通道与所述仿生鱼头固定连接，所述钢丝的另一端穿过所述仿生尾鳍本体并与所述仿生尾鳍本体固定连接。10.根据权利要求1所述的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于，所述柔性仿生机器鱼还包括驱动机构，所述驱动机构包括防水舵机、主动摇臂、驱动环、被动摇臂及轴承，所述防水舵机和所述轴承相对的设置于所述柔性仿生鱼体的两侧，且所述防水舵机和所述轴承均固定在所述仿生鱼头上，所述驱动环套设在所述柔性仿生鱼体的中部，所述防水舵机的输出轴和所述轴承分别通过所述主动摇臂和所述被动摇臂连接至所述驱动环上，所述轴承的轴心位于所述防水舵机的输出轴的轴心延长线上，所述防水舵机和所述轴承同步转动。

技术总结
本发明涉及水下机器人技术领域，提供了一种在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼，包括仿生鱼头和柔性仿生鱼体，仿生鱼头与柔性仿生鱼体相连接；柔性仿生机器鱼还包括变刚度机构，变刚度机构包括位于仿生鱼头内部的伸缩组件和位于柔性仿生鱼体内部的柔性仿生脊柱，且伸缩组件和柔性仿生脊柱相对设置；其中，伸缩组件用以沿仿生鱼头与柔性仿生鱼体之间的连线方向做伸缩运动，柔性仿生脊柱通过伸缩组件的伸缩运动进行压缩或释放以改变柔性仿生鱼体的刚度。本发明的在线可变鱼体刚度的柔性仿生机器鱼运动灵活，鱼体外形稳定，并且能在游动过程中实现鱼体刚度的变化。过程中实现鱼体刚度的变化。过程中实现鱼体刚度的变化。


技术研发人员：周超 朱春晖 邓良伟 邹茜茜 王霄飞 范俊峰 王健 张灼亮
受保护的技术使用者：中国科学院自动化研究所
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/5