CN105292425A - 一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，包括柔性鱼体、圆柱形气室、气压调节模块、摆动板、两条柔索、数字舵机、舵盘和控制系统，柔性鱼体的尾部内有一圆柱形气室，气压调节模块位于鱼体的躯干内部，圆柱形气室与气压调节模块连接，气压调节模块通过调节圆柱形气室气压值实现鱼体的弯曲刚度，摆动板内嵌在柔性鱼体的尾部，两条柔索的一端连接在摆动板的两侧，两条柔索的另外一端与舵盘连接，控制系统包括外围电路、单片机和驱动电路；在单片机的控制下数字舵机以一定频率和角度往复转动，从而使柔性鱼体的鱼尾以一定的幅值和频率往复摆动。本发明具有控制简单、机械效率高、运动连续的特点。

Description

一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼

技术领域

本发明主要涉及到仿生水下机器人领域，具体为一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼。

背景技术

传统上，采用螺旋桨驱动的水下机器人存在游速慢，机动性差，效率低，噪音大等缺陷，而鱼类以其快速高效，强机动性的游动特性引起了研究人员的广泛关注。相关研究表明，鱼体刚度和鱼体结构是影响仿生机器鱼游动特性的主要因素。

在鱼体刚度对游动特性的影响方面，文章(CuiZuo，JiangHongZhou，Effectofbodystiffnessontheperformanceofthecompliantroboticfish(J).AdvancedMaterialsResearch.)指出鱼类在游动过程中通过调节鱼体刚度使固有频率与摆动频率一致从而提高其游动特性。当前，还没有研制出真正意义上可变刚度的机器鱼。

目前，仿生机器鱼在设计方面主要以串联结构，并联结构和串并联结构为主，这三种结构的机器鱼都具有一定缺陷。主要体现为：串联结构的机器鱼难以模拟真实鱼体的外形且游动效率低，采用并联结构设计的机器鱼很难实现鱼体波的拟合，另外，这两种机器鱼都不能实现鱼体的变刚度，因而游动特性较差。基于超冗余串并联结构的机器鱼虽然能弥补上述机器鱼的缺陷也能改变鱼体刚度但其控制策略相当复杂，目前还处于理论探索阶段。当前，有研究人员提出了柔性机器鱼的制作方法(国别：中国，公开号：CN103640680A，公开日期：2014.03.19)，该方法只考虑了柔性鱼体的制作，忽略了控制和游动效果等实际问题，而且不能实现主动变刚度。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，该机器鱼为柔性鱼体，通过调节鱼体内的气压使鱼体固有频率与摆动频率一致从而在最大程度上提高机器鱼的游动特性，游速快、效率高。

本发明所采用的的技术方案是：一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，包括鱼头部、柔性鱼体、圆柱形气室、气压调节模块，鱼头部与柔性鱼体连接，柔性鱼体的尾部内有一圆柱形气室，气压调节模块位于柔性鱼体的内部，圆柱形气室与气压调节模块连接，气压调节模块通过调节圆柱形气室气压值实现鱼体的弯曲刚度。

本发明还具有如下技术特征：

1、本机器鱼还包括摆动板、两条柔索、数字舵机、舵盘和控制系统，摆动板内嵌在柔性鱼体的尾部，其位置在圆柱形气室的前面，数字舵机内嵌在鱼头部，舵盘连接在数字舵机上，舵盘在数字舵机的驱动下转动，两条柔索的一端连接在摆动板的两侧，两条柔索的另外一端与舵盘连接，控制系统包括外围电路、单片机和驱动电路；驱动电路为单片机和数字舵机供电，在单片机的控制下数字舵机以一定频率和角度往复转动，从而使柔性鱼体的鱼尾以一定的幅值和频率往复摆动。

2、所述的鱼头为刚性结构。

本发明的优点是：

(1)设计的柔性结构的鱼体能非常逼真地模拟真实鱼体的流线型外形，能很好的实现鱼体波的拟合，具有鲁棒性强、柔顺性好的特点。(2)运用柔索牵引机构实现鱼尾的摆动，具有控制简单、机械效率高、运动连续的特点。(3)采用调节气压的方式能实现柔性鱼体的变刚度，可用于进一步研究鱼类的变刚度机理及进行鱼体刚度与游动特性关系的研究。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中摆动板结构示意图；

图3为本发明中气压调节变刚度模块局部放大图；

图4为本发明控制系统示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和举例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1-3所示，一种气压调节变刚度仿生机器鱼，包括：柔性鱼体1，数字舵机3，舵盘5，两条柔索6、7，摆动板8，圆柱形气室93、气压调节模块10和控制系统2。所述柔性鱼体1为粘弹性材料，由液体硅胶浇注而成，它的几何形状与金枪鱼相同。柔性鱼体的尾部内有一圆柱形气室93，气压调节模块10位于鱼体的躯干内部，圆柱形气室93与气压调节模块10连接，气压调节模块10通过调节圆柱形气室93气压值实现鱼体的弯曲刚度，摆动板8内嵌在柔性鱼体的尾部，其位置在圆柱形气室93的前面，数字舵机3内嵌在柔性鱼体的鱼头部，舵盘5连接在数字舵机上，舵盘5在数字舵机3的驱动下转动，两条柔索6.7的一端连接在摆动板8的两侧，两条柔索6.7的另外一端与舵盘5连接，控制系统2包括外围电路、单片机和驱动电路；在单片机的控制下数字舵机3以一定频率和角度往复转动，驱动电路为单片机和数字舵机供电。舵盘5的材料为塑料，连接在舵机上，在舵机的驱动下转动。所述摆动板8材料为塑料，采用3D打印技术加工，其内置于柔性鱼体的尾部，在它的带动下鱼尾以一定频率和摆幅往复摆动。如附图2所示，摆动板8由以下4部分组成：摆动板的主体部分81、连接孔82、定位孔83和螺钉孔84。所述摆动板主体部分81是驱动柔性鱼尾摆动的主要部件；所述连接孔82使摆动板牢固连接在柔性鱼尾内，同时防止因摆动板内嵌在鱼尾中使其鱼体前后部分连接减弱而导致鱼尾断裂，在摆动板中该类连接孔共有6个，呈对称排列。所述定位孔83位于摆动板的几何中心，在浇注鱼体时起到定位和固定摆动板的作用；所述螺钉孔84位于摆动板的一侧，通过在螺钉孔中拧入螺钉将柔索与摆动板压紧，使二者牢固连接。两条柔索6、7具有较好的柔顺度，其材料为尼龙，它的作用是将舵机3的转动传递到摆动板8，如附图1所示，两条柔索连接舵盘5的一端和摆动板8的一侧。下面以柔索7为例说明它的连接方式：柔索7一端通过螺钉4压紧在舵盘5上，从而与舵盘5固连在一起，采用同样的方法，柔索的另一端通过螺钉9连接在摆动板的一侧。如附图1和附图3所示，所述气压调节模块10的作用是通过调节气压值来实现鱼体的变刚度，由充气嘴91和导气管92组成，充气嘴的安装孔、导气管及气室通过在浇注鱼体时使用型芯制作而成。所述充气嘴91为皮球充气嘴，使用密封胶将它与安装孔和导气管密封。所述圆柱气室93为实现鱼体变刚度的关键部件，调节气室内的气压值可以改变鱼体的弯曲刚度。所述导气管92连接充气嘴91和圆柱形气室93。如图4所示，所述控制系统主要由外围电路、单片机系统、驱动电路和数字舵机组成。所述外围电路包括按钮开关、程序下载端口和充电端口，按钮开关的作用是控制单片机下载程序，电池充电和舵机的转动角度和频率。所述单片机系统主要由STC89C52单片机、晶振和复位电路组成。所述驱动电路为单片机系统和数字舵机供电，主要包括5V可充电电池、稳压芯片及ULN2003A驱动芯片。在该控制系统的控制下柔性鱼体的鱼尾以一定的幅值和频率往复摆动，其中幅值和频率可以通过按钮开关调节。

由于仿生机器鱼的鱼头部分不参与鱼体的驱动，因此本柔性仿生鱼的鱼头部分可以做成刚性的，比如用3D打印技术做成塑料鱼头壳，使用连接件将柔性鱼体与刚性鱼头连接起来。

实施例2

本发明机器鱼的变刚度基本原理是：

${\mathrm{\ω}}_n={\left(k_{1n}\right)}^2\sqrt{\frac{EI}{m_a+\mathrm{\ρ}A}}\sqrt{1+\frac{PS}{EI}{\left({\mathrm{\λ}}_{1n}\right)}^2},(n=1,2,\mathrm{3...})$

式中：ω_n为柔性鱼体的固有频率，其与鱼体刚度k的关系为其中m为鱼体质量；λ_1n为鱼体弯曲振动线性偏微分方程的特征根，λ_1n的值要根据机器鱼的结构参数求得且值不唯一，由于鱼类的摆动频率在0.5～5Hz之间，因此λ_1n一般取到λ₁₁，λ₁₂；E为鱼体的弹性模量；I为鱼体的截面惯性矩；m_a为鱼体摆动时水施加给鱼体的附加质量；ρ为鱼体密度；A为鱼体任一横截面面积；P为气室内气压值；S为气室横截面的面积。

由上式可知，气室内气压值P与横截面面积S的乘积PS能改变固有频率ω_n的大小，通过调节鱼体内气室的气压值P可以改变固有频率ω_n的大小也即改变鱼体的刚度k。

本发明的可变刚度柔性仿生机器鱼长度为320cm，气室长为60cm，气室横截面直径为15cm，尾鳍为月牙形，通过调节气压，其固有频率(刚度)的变化量可达到0.9Hz(约为气压调节前鱼体固有频率的30％)。本发明实现了柔性机器鱼的变刚度，发明了气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，可用于进一步研究柔性机器鱼的变刚度机理及鱼体刚度与游动特性的关系。

Claims (3)

1.一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，包括鱼头部、柔性鱼体、圆柱形气室、气压调节模块，鱼头部与柔性鱼体连接，其特征在于：柔性鱼体的尾部内有一圆柱形气室，气压调节模块位于柔性鱼体的内部，圆柱形气室与气压调节模块连接，气压调节模块通过调节圆柱形气室气压值实现鱼体的弯曲刚度。

2.根据权利要求1所述的一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于：还包括摆动板、两条柔索、数字舵机、舵盘和控制系统，摆动板内嵌在柔性鱼体的尾部，其位置在圆柱形气室的前面，数字舵机内嵌在鱼头部，舵盘连接在数字舵机上，舵盘在数字舵机的驱动下转动，两条柔索的一端连接在摆动板的两侧，两条柔索的另外一端与舵盘连接，控制系统包括外围电路、单片机和驱动电路；驱动电路为单片机和数字舵机供电，在单片机的控制下数字舵机以一定频率和角度往复转动，从而使柔性鱼体的鱼尾以一定的幅值和频率往复摆动。

3.根据权利要求1或2所述的一种气压调节变刚度的柔性仿生机器鱼，其特征在于：所述的鱼头为刚性结构。