CN107390530A - 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 - Google Patents
一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107390530A CN107390530A CN201710770136.4A CN201710770136A CN107390530A CN 107390530 A CN107390530 A CN 107390530A CN 201710770136 A CN201710770136 A CN 201710770136A CN 107390530 A CN107390530 A CN 107390530A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- msub
- memory alloy
- driving
- mrow
- bionical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
- G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
- G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
- G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
- B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
- B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
- B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
- B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ocean & Marine Engineering (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Toys (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，属于船舶推进技术领域领域。仿生水母包括头壳、骨架支撑体、驱动触手、驱动部件、电源，其中头壳的内部安装有控制系统和驱动电路，通过水密线缆与外部相连，骨架支撑由一个载物平板和4个支撑腿构成。记忆合金弹簧位于驱动部件的内部，记忆合金弹簧的一端固定在支撑腿上，另一端钩连在驱动触手上，该仿生水母通过控制记忆合金弹簧的伸长与收缩使仿生水母体产生收缩和舒张运动，实现仿生水母垂直面上升和转向运动，并通过模糊控制方法实现对仿生水母速度的控制，提高了仿生水母响应速度，使其更快的达到稳定速度。本仿生水母发明具有结构简单、低噪声、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于船舶推进技术领域领域，具体涉及一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法。
背景技术
海洋开发、海洋监测目前已经成为国内外研究热点，而水下环境因为不适合人类进入，所以水下环境的探索、信息的收集基本全部依靠水下机器人。水下机器人的推进方式主要是采用螺旋桨推进，这种螺旋桨在工作的时候会产生比较大的噪声，对环境有扰动，容易暴露目标，不利于一些水下侦查任务的进行。由于水下生物长时间生活在水下，其经过进化早已具备适应水下生活的能力和特征，通过模仿水下生物的运动和特征，设计仿水下生物的水下机器人，可以用来解决传统水下机器人具有的续航、效率和噪声等问题。
水中生物的推进方式主要有摆尾法(body caudal fin；BCF)、振鳍法(medianpaired fin；MPF)和喷水推进法。考虑到仿摆尾式水下机器人和仿振鳍式水下机器人的结构比较复杂并且效率不高，所以在实际应用中十分困难，而仿喷水推进由于结构简单、机动性好，频率较低，噪声极小，效率很高，非常适合微小型的水下推进装置。在海洋生物界中靠喷水推进的生物有一个主要代表那就是水母。
水母是一种低等的无脊椎浮游生物，大部份水母都有三个主要部份：圆伞状或是钟状的身体，触器和口腕。水母钟状身体下面有一些特殊的肌肉能扩张然后迅速收缩，把身体内的水排出体外，通过喷水推进的方法，水母便能向相反的方向游动。一些水母有一层能够收缩钟状体的皮层，使水母能够快速移动。钟状体的边缘有一排圆形的小囊，当水母向一方过渡倾斜的时候，这些囊就会刺激神经末梢来收缩肌肉，并把水母转到正确的方向上去。
考虑到水母上述的优越性能，目前国内外设计的仿生水母有美国期刊《SmartMaterials&Structures》在2013年发表的“Biomimetic autonomous robot inspired bythe Cyanea capillata”中，文章中的机器人具有电机驱动机械臂往复摆动的功能，更形象地模仿了水母的运动形态；中国硕士学位论文全文数据库中，2013年公开的论文“仿生机器水母推进理论与实验研究”中提到了一种仿生水母机器人，该机器人采用伺服电机驱动机械结构，整体结构复杂，质量较大，不利于仿生水母在水中运动。
所以，提出一种既结构简单又高效无声的仿生机器人是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、能够克服噪音隐蔽性好，且易于控制的基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母与控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，包括头壳1、骨架支撑体2、驱动触手6、驱动部件7、电源19，其中头壳1的内部安装有控制系统和驱动电路10，骨架支撑体2由一个载物平板和4个支撑腿3构成，所述的仿生水母的运动由控制系统来控制，采用非线性仿生水母控制方法；驱动部件7的其中一端与支撑腿3固定连接；电源19既为控制系统供电，同时也为驱动部件7中放置在小空桶15内的记忆合金弹簧11供电，记忆合金弹簧11为加热伸长冷却收缩形式，记忆合金弹簧11与驱动部件7中的活塞13相连，记忆合金弹簧11带动活塞13的上下移动，活塞13的顶部通过弯钩12与驱动触手6相钩连，记忆合金弹簧11受热沿轴线伸长，形变过程中产生输出力推动驱动触手6向仿生水母中心轴线运动，使得仿生水母含水体积减少，将水挤出体外推动仿生水母向上运动，当断开电源19时，记忆合金弹簧11冷却恢复到初始形状带动着驱动触手6恢复到初始状态，仿生水母含水体积增大，水流入仿生水母体内，至此一个运动周期结束，实现仿生水母的垂直运动；驱动触手6的数量为4个且对称的分布在仿生水母的四周，通过控制每个驱动触手6的运动相位实现仿生水母的转向运动。
所述的头壳1为半球形壳体，头壳1和骨架支撑体2固定连接，头壳1内部放置控制系统和驱动电路10。
所述的骨架支撑体2一端与头壳1固定连接并进行防水处理，另一端与设备舱5固定连接并进行防水处理。
所述的支撑腿3的旋转部分的圆孔与驱动触手6通过钢轴4相连接，驱动触手6以钢轴4为圆心做圆周运动。
所述的电源19放置在设备舱5的内部，电源19为5V直流电源，电源19的引线通过控制系统和外接相连。
所述的小空桶15的顶端不封口，记忆合金弹簧11与活塞13之间通过可伸缩软管18连接在一起，小空桶15、记忆合金弹簧11、活塞13、可伸缩软管18作为一个整体放置在大空桶14内，大空桶14的四周开有小孔16。
所述的记忆合金弹簧11的一端由水密电缆17沿着驱动触手6引入到控制系统，另一端也由水密电缆17沿着驱动触手6引入到控制系统。
所述的非线性仿生水母控制方法基于模糊控制器而实现，在仿生水母每一个运动周期当中选取初始运动速度与最大运动速度的平均值作为仿生水母的当前速度值U，然后和给定的预期速度Ue做比较，模糊控制器根据速度的误差E和误差变化率Ec作为输入，并运用模糊推理和模糊控制规则进行控制，输出PWM信号的幅值和周期，模糊控制的具体算法如下
(1)根据本次采样得到的仿生水母运动速度值U，计算所选择系统的预期速度Ue与运动速度U的误差值E和误差变化率Ec作为输入值；
(2)将误差值E和误差变化率Ec的精确值变为模糊量。E、EC的模糊语言变量为：
E、EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}
其中子集元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。根据E和Ec设计出隶属度函数值表；
(3)根据输入误差值E和误差变化率Ec(模糊量)和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则输出电流I(模糊量)，控制器采用的模糊规则为：
Ri：if E is Ai and EC is Bi，then I is Ci
根据控制规则得到模糊控制规则表。
(4)由上述得到的输出电流(模糊量)计算精确的电流值I。
所述的驱动触手6的旋转角度与电流的关系如下，
升温过程时
降温过程时
ΔL＝L'·(1-ξ)
其中，ρe代表记忆合金的导电率，l代表记忆合金弹簧11的长度，d代表记忆合金弹簧11的直径，i代表通电的电流大小，T代表环境温度，T0代表环境初始温度，hw代表对流热交换系数，ξ代表某一时刻的马氏体体积分数，L1代表马氏体体积分数为1时弹簧长度，L2代表马氏体体积分数为0的时候弹簧的长度，L代表某一马氏体体积分数时弹簧长度，θ代表驱动触手6转过的角度，h代表弹簧中心到转轴的长度。
所述的仿生水母的外部包裹一层塑料薄膜8。
本发明的有益效果在于：
本发明设计出一种低噪声、低成本、结构简单的长时间悬浮在水中工作的仿生水母机器人，仿生水母依靠记忆合金的形状记忆效应驱动，运动过程中由于没有电机的转动和机械结构的刚性接触，所以大幅降低了噪声；同时由于使用了记忆合金弹簧11，记忆合金弹簧11可以直接提供直线驱动，这样将结构大幅简化，降低了设计成本；仿生水母悬浮在水中不需要能源提供动力，续航时间长，当大量这样的仿生水母机器人布置在水域中，即可实现对该水域和水质的监测，对我国的海洋安全和环境保护起到至关重要的作用；本发明设计的仿生水母控制方法采用模糊控制的方法，给定运动预期速度，仿生水母可以由静止较快的达到预期速度，控制方法简单有效，适合仿生水母的非线性运动控制。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的骨架支撑体的正视图。
图3为本发明的骨架支撑体的俯视图
图4为本发明的驱动部件的立体图。
图5为本发明的驱动部件的示意图.
图6为本发明的设计舱的示意图。
图7为本发明的电路系统的示意图。
图8为本发明的模糊控制器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
如图1到8所示，本发明设计了一种仿生水母机器人，头壳1的内部放置控制系统和驱动电路10，通过水密线缆17与外部相连，电源19放置在设备舱5中，记忆合金弹簧11放置于驱动部件7当中，记忆合金弹簧11的驱动部件7一端固定在支撑腿3上，另一端钩连在驱动触手6上，驱动触手6的一端与支撑腿3上预留的孔通过钢轴4连接。该仿生水母通过控制记忆合金弹簧11的伸长与收缩使仿生水母体产生收缩和舒张运动，实现仿生水母垂直面上升和转向运动，并通过模糊控制方法实现对仿生水母速度控制，提高了仿生水母响应速度，使其更快的达到稳定速度。本仿生水母发明具有结构简单、低噪声、成本低等优点。
一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，包括头壳1、骨架支撑体2、驱动触手6、驱动部件7、电源19，其中头壳1的内部安装有控制系统和驱动电路10，骨架支撑体2由一个载物平板和4个支撑腿3构成，头壳1与骨架支撑体2组装后进行防水处理，头壳1的内部放置控制系统和驱动电路10，控制系统通过水密电缆17与外部相连，电源19放置在设备舱5中，将设备舱5与骨架支撑体2组装并在封口处进行防水处理，驱动部件7的一端固定在支撑腿3上，另一端勾连在驱动触手6上，驱动触手6的一端与支撑腿3上预留的孔通过钢轴4连接。仿生水母的运动由非线性仿生水母运动控制方法进行控制。
驱动部件7为一种基于活塞13的吸水结构，记忆合金弹簧11置于装置中带动活塞13移动，该记忆合金弹簧11为双程的记忆合金弹簧11，且为加热伸长冷却收缩形式，记忆合金弹簧11温度升高时伸长推动驱动触手6使仿生水母含水体积减小；记忆合金弹簧11温度降低时，拉动驱动触手6使仿生水母含水体积增大。该装置既起到一定程度的隔热效果，同时也起到防水的效果。在电流热效应的作用下，记忆合金弹簧11加热伸长和冷却收缩过程符合热力学第二定律。
非线性仿生水母的运动控制基于模糊控制理论，在仿生水母每一个运动周期当中取初始运动速度与最大运动速度的平均值作为仿生水母的当前速度值U，并于给定的预期速度Ue做比较，模糊控制器根据速度的误差E和误差变化率Ec作为输入，并运用模糊推理和模糊控制规则进行控制，输出PWM信号的幅值和周期。
仿生水母有四个驱动触手6成对称的分布在仿生水母四周，在驱动触手6和支撑腿3之间采用记忆合金弹簧11进行连接，记忆合金弹簧11的一端固定在支撑腿3上，另一端通过弯钩12连接在驱动触手6的表面上，在头壳1的内部放置控制系统，包括单片机和驱动电路10，电源19放置在设备舱5内，电源19既给单片机供电同时也给记忆合金弹簧11供电。
仿生水母水密隔热方式，设计一种使用活塞13吸水的装置，当记忆合金弹簧11伸长时活塞13运动将水吸入到装置体腔内，当记忆合金弹簧11收缩时将水挤出，该装置既起到一定程度的隔热效果，同时也起到防水的效果。
控制系统的设计，通过对仿生水母设置预期速度，由非线性仿生水母控制方法来调节，使装置迅速的达到预期速度，缩短响应时间。
仿生水母可以实现垂直面的运动，电源19对记忆合金弹簧11供电，记忆合金弹簧11受热沿轴线伸长，形变过程中产生输出力推动驱动触手6向仿生水母中心轴线运动，使得仿生水母含水体积减少，将水挤出体外推动仿生水母向上运动，当断开电源19以后，记忆合金弹簧11冷却恢复到初始形状带动着驱动触手6恢复到初始状态，仿生水母含水体积增大，水流入仿生水母体内，至此一个运动周期结束，通过不断的重复运动周期，使得机器人实现模仿水母运动的方式。
仿生水母的转向运动是通过控制驱动触手6的不同运动相位实现的，当仿生水母需要向一个方向偏转运动时，仿生水母偏转方向两侧的驱动触手6摆动，其它两个驱动触手6不产生运动。
结合图1，仿生水母机器人结构由头壳1、骨架支撑体2和四个驱动触手6组成，头壳1是刚性空心半球体；由图2和图3所示，骨架支撑体2由一个载物平板和四个支撑腿3组成，头壳1与骨架支撑体2的载物的平板组装在一起并进行防水处理，在骨架支撑体2的载物平板上放置控制芯片和驱动电路10，驱动电路10的主要元器件是MOS管，共有四个MOS管，每一个MOS管连接一个记忆合金弹簧11；如图4和5所示，记忆合金弹簧11一端固定在支撑腿3上，并将一端由水密电缆17沿着驱动触手6引入到控制系统，另一端由水密电缆17也沿着驱动触手3引入到控制系统；为了使记忆合金弹簧11在通电的过程中减少热量散失和在通电时绝缘，设计的驱动部件7可以在一定程度上解决这个问题，驱动部件7如图4所示，将记忆合金弹簧11置于小空桶15内，小空桶15顶端不封口，记忆合金弹簧11通过可伸缩软管18连接在活塞13上，再将上述部分放置在大空桶14内，大空桶14四周开小孔16，方便吸水排水，活塞13顶端通过弯钩12与驱动触手6相连。将驱动触手6的一端与支撑腿3预留的圆孔用钢轴4连接起来，驱动触手6
可以绕着轴做圆周运动；将骨架支撑体2的载物平板下表面与设备舱5拼接起来，封口处进行防水处理，防止进水，如图5所示；在设备舱5中将电源19放置其中，如图6所示；如图7所示，电源19不仅对控制系统供电，同时也对记忆合金弹簧11供电，电源19采用5V直流电源，电源19的引线通过控制系统与外界相连。最后在驱动触手6的尾端粘连弧形硬质塑料片9，仿生水母机器人结构体外包裹一层塑料薄膜8，以起到更好的排水效果。
驱动触手6的旋转角度与电流关系遵从下列公式：
升温过程：
降温过程：
ΔL＝L'·(1-ξ)
式中，ρe代表记忆合金的导电率，l代表记忆合金弹簧11的长度，d代表记忆合金弹簧11的直径，i代表通电的电流大小，T代表环境温度，T0代表环境初始温度，hw代表对流热交换系数，ξ代表某一时刻的马氏体体积分数，L1代表马氏体体积分数为1时弹簧长度，L2代表马氏体体积分数为0的时候弹簧的长度，L代表某一马氏体体积分数时弹簧长度。θ代表驱动触手6转过的角度，h代表弹簧中心到转轴的长度。
仿生水母在收到转向运动指令信号时，仿生水母根据驱动触手6摆动幅度的不对称实现转向，若给出向右转向的控制指令，仿生水母右侧的两个记忆合金弹簧11通电伸长，左侧的两个记忆合金弹簧11不通电，右侧的驱动触手6摆动幅度较左侧的更大，使得仿生水母机器人排出水的方向与仿生水母轴线形成夹角，从而实现仿生水母的转向运动。仿生水母向左转向的原理同上。
仿生水母的运动控制方法基于模糊控制器实现，模糊控制器调节PWM信号的幅值、占空比和频率，如图8所示，为了对仿生水母施加精确的控制，还需要将模糊控制量转换为精确量。得到精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给记忆合金弹簧11，对仿生水母进行控制。模糊控制算法可由下面四个步骤表示：
(1)根据本次采样得到的仿生水母运动速度值U，计算所选择系统的预期速度Ue与运动速度U的误差值E和误差变化率Ec作为输入值。
(2)将误差值E和误差变化率Ec的精确值变为模糊量。E、EC的模糊语言变量为:
E、EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}
其中子集元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。根据E和Ec设计出隶属度函数值表。
(3)根据输入误差值E和误差变化率Ec(模糊量)和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则输出电流I(模糊量)。控制器采用的模糊规则为：
Ri：if E is Ai and EC is Bi，then I is Ci
根据控制规则得到模糊控制规则表。
(4)由上述得到的输出电流(模糊量)计算精确的电流值I。
实施例2
如图1到8所示，一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，包括头壳1、骨架支撑体2、驱动触手6、驱动部件7、电源19构成，其中头壳1的内部安装有控制系统和驱动电路10，头壳1为半球形壳体，头壳1和骨架支撑体2固定连接，头壳1内部放置控制系统和驱动电路10，其中控制系统的主要部件为单片机，驱动电路10的主要元器件是MOS管，共有四个MOS管，每一个MOS管连接一个记忆合金弹簧11。
骨架支撑体2由一个载物平板和4个支撑腿3构成，骨架支撑体2一端与头壳1固定连接并进行防水处理，另一端与设备舱5固定连接并进行防水处理。
支撑腿3旋转部分的圆孔与驱动触手6通过钢轴4相连接，驱动触手6以钢轴4为圆心做圆周运动。
仿生水母的运动由控制系统来控制，采用非线性仿生水母控制方法。
为了使记忆合金弹簧11在通电的过程中减少热量散失和在通电时绝缘，设计的驱动部件7可以在一定程度上解决这个问题，驱动部件7为一种基于活塞13的吸水结构，记忆合金弹簧11置于装置中带动活塞13移动，该记忆合金弹簧11为双程的记忆合金弹簧11，且为加热伸长冷却收缩形式，记忆合金弹簧11温度升高时伸长推动驱动触手6使仿生水母含水体积减小；记忆合金弹簧11温度降低时，拉动驱动触手6使仿生水母含水体积增大。该装置既起到一定程度的隔热效果，同时也起到防水的效果。在电流热效应的作用下，记忆合金弹簧11的加热伸长和冷却收缩过程符合热力学第二定律。
驱动部件7的其中一端与支撑腿3固定连接。电源19放置在设备舱5的内部，电源19为5V直流电源，电源19的引线通过控制系统和外接相连，电源19既为控制系统供电，同时也为驱动部件7中放置在小空桶15内的记忆合金弹簧11供电，记忆合金弹簧11的一端由水密电缆17沿着驱动触手6引入到控制系统，另一端也由水密电缆17沿着驱动触手6引入到控制系统。记忆合金弹簧11为加热伸长冷却收缩形式，记忆合金弹簧11与驱动部件7中的活塞13相连，记忆合金弹簧11带动活塞13的上下移动，活塞13的顶部通过弯钩12与驱动触手6相钩连，记忆合金弹簧11受热沿轴线伸长，形变过程中产生输出力推动驱动触手6向仿生水母中心轴线运动，使得仿生水母含水体积减少，将水挤出体外推动仿生水母向上运动，当断开电源19时，记忆合金弹簧11冷却恢复到初始形状带动着驱动触手6恢复到初始状态，仿生水母含水体积增大，水流入仿生水母体内，至此一个运动周期结束，实现仿生水母的垂直运动。
驱动触手6的数量为4个且对称的分布在仿生水母的四周，通过控制每个驱动触手6的运动相位实现仿生水母的转向运动。
小空桶15的顶端不封口，记忆合金弹簧11与活塞13之间通过可伸缩软管18连接在一起，小空桶15、记忆合金弹簧11、活塞13、可伸缩软管18作为一个整体放置在大空桶14内，大空桶14的四周开有小孔16，方便吸水排水。
非线性仿生水母控制方法基于模糊控制器而实现，通过模糊控制方法实现对仿生水母速度的控制，提高了仿生水母响应速度，使其更快的达到稳定速度。在仿生水母每一个运动周期当中选取初始运动速度与最大运动速度的平均值作为仿生水母的当前速度值U，然后和给定的预期速度Ue做比较，模糊控制器根据速度的误差E和误差变化率Ec作为输入，并运用模糊推理和模糊控制规则进行控制，输出PWM信号的幅值和周期，模糊控制的具体算法如下
(1)根据本次采样得到的仿生水母运动速度值U，计算所选择系统的预期速度Ue与运动速度U的误差值E和误差变化率Ec作为输入值；
(2)将误差值E和误差变化率Ec的精确值变为模糊量。E、EC的模糊语言变量为：
E、EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}
其中子集元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。根据E和Ec设计出隶属度函数值表；
(3)根据输入误差值E和误差变化率Ec(模糊量)和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则输出电流I(模糊量)，控制器采用的模糊规则为：
Ri：if E is Ai and EC is Bi，then I is Ci
根据控制规则得到模糊控制规则表。
(4)由上述得到的输出电流(模糊量)计算精确的电流值I。
驱动触手6的旋转角度与电流的关系如下，
升温过程时
降温过程时
ΔL＝L'·(1-ξ)
其中，ρe代表记忆合金的导电率，l代表记忆合金弹簧11的长度，d代表记忆合金弹簧11的直径，i代表通电的电流大小，T代表环境温度，T0代表环境初始温度，hw代表对流热交换系数，ξ代表某一时刻的马氏体体积分数，L1代表马氏体体积分数为1时弹簧长度，L2代表马氏体体积分数为0的时候弹簧的长度，L代表某一马氏体体积分数时弹簧长度，θ代表驱动触手6转过的角度，h代表弹簧中心到转轴的长度。
仿生水母在收到转向运动指令信号时，仿生水母根据驱动触手6摆动幅度的不对称实现转向，若给出向右转向的控制指令，仿生水母右侧的两个记忆合金弹簧11通电伸长，左侧的两个记忆合金弹簧11不通电，右侧的驱动触手6摆动幅度较左侧的更大，使得仿生水母机器人排出水的方向与仿生水母轴线形成夹角，从而实现仿生水母的转向运动。仿生水母向左转向的原理同上。
仿生水母的外部包裹一层塑料薄膜8，以达到更好的排水效果。
驱动触手6的尾端粘连弧形硬质塑料片9。
这里必须指出的是，本发明中给出的其他未说明的结构因为都是本领域的公知结构，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (10)
1.一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，包括头壳(1)、骨架支撑体(2)、驱动触手(6)、驱动部件(7)、电源(19)，其中头壳(1)的内部安装有控制系统和驱动电路(10)，骨架支撑体(2)由一个载物平板和4个支撑腿(3)构成，其特征在于：所述的仿生水母的运动由控制系统来控制，采用非线性仿生水母控制方法；驱动部件(7)的其中一端与支撑腿(3)固定连接；电源(19)既为控制系统供电，同时也为驱动部件(7)中放置在小空桶(15)内的记忆合金弹簧(11)供电，记忆合金弹簧(11)为加热伸长冷却收缩形式，记忆合金弹簧(11)与驱动部件(7)中的活塞(13)相连，记忆合金弹簧(11)带动活塞(13)的上下移动，活塞(13)的顶部通过弯钩(12)与驱动触手(6)相钩连，记忆合金弹簧(11)受热沿轴线伸长，形变过程中产生输出力推动驱动触手(6)向仿生水母中心轴线运动，使得仿生水母含水体积减少，将水挤出体外推动仿生水母向上运动，当断开电源(19)时，记忆合金弹簧(11)冷却恢复到初始形状带动着驱动触手(6)恢复到初始状态，仿生水母含水体积增大，水流入仿生水母体内，至此一个运动周期结束，实现仿生水母的垂直运动；驱动触手(6)的数量为4个且对称的分布在仿生水母的四周，通过控制每个驱动触手(6)的运动相位实现仿生水母的转向运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的头壳(1)为半球形壳体，头壳(1)和骨架支撑体(2)固定连接，头壳(1)内部放置控制系统和驱动电路(10)。
3.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的骨架支撑体(2)一端与头壳(1)固定连接并进行防水处理，另一端与设备舱(5)固定连接并进行防水处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的支撑腿(3)的旋转部分的圆孔与驱动触手(6)通过钢轴(4)相连接，驱动触手(6)以钢轴(4)为圆心做圆周运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的电源(19)放置在设备舱(5)的内部，电源(19)为5V直流电源，电源(19)的引线通过控制系统和外接相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的小空桶(15)的顶端不封口，记忆合金弹簧(11)与活塞(13)之间通过可伸缩软管(18)连接在一起，小空桶(15)、记忆合金弹簧(11)、活塞(13)、可伸缩软管(18)作为一个整体放置在大空桶(14)内，大空桶(14)的四周开有小孔(16)。
7.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的记忆合金弹簧(11)的一端由水密电缆(17)沿着驱动触手(6)引入到控制系统，另一端也由水密电缆(17)沿着驱动触手(6)引入到控制系统。
8.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的非线性仿生水母控制方法基于模糊控制器而实现，在仿生水母每一个运动周期当中选取初始运动速度与最大运动速度的平均值作为仿生水母的当前速度值U，然后和给定的预期速度Ue做比较，模糊控制器根据速度的误差E和误差变化率Ec作为输入，并运用模糊推理和模糊控制规则进行控制，输出PWM信号的幅值和周期，模糊控制的具体算法如下
(1)根据本次采样得到的仿生水母运动速度值U，计算所选择系统的预期速度Ue与运动速度U的误差值E和误差变化率Ec作为输入值；
(2)将误差值E和误差变化率Ec的精确值变为模糊量。E、EC的模糊语言变量为：
E、EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}
其中子集元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。根据E和Ec设计出隶属度函数值表；
(3)根据输入误差值E和误差变化率Ec(模糊量)和模糊控制规则，按模糊推理合成模糊控制规则输出电流I(模糊量)，控制器采用的模糊规则为：
Ri：if E is Ai and EC is Bi，then I is Ci
根据控制规则得到模糊控制规则表。
(4)由上述得到的输出电流(模糊量)计算精确的电流值I。
9.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的驱动触手(6)的旋转角度与电流的关系如下，
升温过程时
<mrow>
<mi>&xi;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>&xi;</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mo>{</mo>
<msub>
<mi>a</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>&rho;</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<msup>
<mi>i</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>d</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>e</mi>
<mfrac>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>&rho;</mi>
<mi>c</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>A</mi>
</msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>}</mo>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>&xi;</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
降温过程时
<mrow>
<mi>&xi;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>&xi;</mi>
<mi>A</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mi>cos</mi>
<mo>{</mo>
<msub>
<mi>a</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<msup>
<mi>e</mi>
<mfrac>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>h</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mi>t</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>&rho;</mi>
<mi>c</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>T</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>b</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>}</mo>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>&xi;</mi>
<mi>A</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
ΔL＝L'·(1-ξ)
<mrow>
<mi>&theta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
<mi>h</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中，ρe代表记忆合金的导电率，l代表记忆合金弹簧(11)的长度，d代表记忆合金弹簧(11)的直径，i代表通电的电流大小，T代表环境温度，T0代表环境初始温度，hw代表对流热交换系数，ξ代表某一时刻的马氏体体积分数，L1代表马氏体体积分数为1时弹簧长度，L2代表马氏体体积分数为0的时候弹簧的长度，L代表某一马氏体体积分数时弹簧长度，θ代表驱动触手(6)转过的角度，h代表弹簧中心到转轴的长度。
10.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法，其特征在于：所述的仿生水母的外部包裹一层塑料薄膜(8)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710770136.4A CN107390530A (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710770136.4A CN107390530A (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107390530A true CN107390530A (zh) | 2017-11-24 |
Family
ID=60348396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710770136.4A Pending CN107390530A (zh) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107390530A (zh) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108045448A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-18 | 北京航空航天大学 | 一种记忆合金驱动的多模态机器人 |
| CN108516066A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-11 | 西北工业大学 | 一种基于舵机驱动仿生水母机器人 |
| CN109866904A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-06-11 | 哈尔滨工程大学 | 一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法 |
| CN110861760A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-03-06 | 华中科技大学 | 一种基于输流管驱动的水下仿生水母 |
| WO2020211580A1 (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-22 | 南京涵铭置智能科技有限公司 | 一种依靠改变重力转向的水下机器人及其控制方法 |
| CN112810785A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-05-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种仿生水母机器人 |
| CN113212719A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-06 | 南京航空航天大学 | 一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术 |
| CN114789783A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-07-26 | 西南石油大学 | 一种脉冲喷射水下仿生水母机器人 |
| CN115057497A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-16 | 东南大学 | 一种集群式仿生水母水下清洁装置 |
| CN115158610A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-11 | 广州大学 | 一种基于柔性仿生触手的水母机器人凸轮传动机构 |
| CN115416010A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种可实现无轮式与有轮式交互的蛇形机器人 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1484119A (zh) * | 2002-09-18 | 2004-03-24 | 中国科学院自动化研究所 | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 |
| US20120174571A1 (en) * | 2010-12-10 | 2012-07-12 | Villanueva Alexis A | Shape memory alloy (sma) actuators and devices including bio-inspired shape memory alloy composite (bismac) actuators |
| CN106184680A (zh) * | 2016-07-27 | 2016-12-07 | 中国海洋大学 | 基于形状记忆合金的双向喷水推进器及其控制方法 |
-
2017
- 2017-08-31 CN CN201710770136.4A patent/CN107390530A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1484119A (zh) * | 2002-09-18 | 2004-03-24 | 中国科学院自动化研究所 | 仿生机器鱼游动方向的模糊控制方法 |
| US20120174571A1 (en) * | 2010-12-10 | 2012-07-12 | Villanueva Alexis A | Shape memory alloy (sma) actuators and devices including bio-inspired shape memory alloy composite (bismac) actuators |
| CN106184680A (zh) * | 2016-07-27 | 2016-12-07 | 中国海洋大学 | 基于形状记忆合金的双向喷水推进器及其控制方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| C.LIANG，ET AL: "Design of shape memory alloy actuators", 《JOURNAL OF MECHANICAL DESIGN》 * |
| ZHUO WANG，ET AL: "A motion simulation of bionic jellyfish based on shape memory alloy", 《PROCEEDINGS OF THE 36TH CHINESE CONTROL CONFERENCE》 * |
| 周加全等: "仿生机器鱼位姿模糊控制研究", 《广西科技大学学报》 * |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108045448A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-18 | 北京航空航天大学 | 一种记忆合金驱动的多模态机器人 |
| CN108516066A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-09-11 | 西北工业大学 | 一种基于舵机驱动仿生水母机器人 |
| CN109866904A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-06-11 | 哈尔滨工程大学 | 一种仿生水母类水下机器人的运动及速度控制方法 |
| WO2020211580A1 (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-22 | 南京涵铭置智能科技有限公司 | 一种依靠改变重力转向的水下机器人及其控制方法 |
| CN110861760A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-03-06 | 华中科技大学 | 一种基于输流管驱动的水下仿生水母 |
| CN110861760B (zh) * | 2019-11-29 | 2021-03-26 | 华中科技大学 | 一种基于输流管驱动的水下仿生水母 |
| CN112810785A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-05-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种仿生水母机器人 |
| CN112810785B (zh) * | 2021-01-04 | 2022-09-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种仿生水母机器人 |
| CN113212719A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-06 | 南京航空航天大学 | 一种基于聚氯乙烯凝胶驱动的仿生水母机器人技术 |
| CN114789783A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-07-26 | 西南石油大学 | 一种脉冲喷射水下仿生水母机器人 |
| CN114789783B (zh) * | 2022-04-13 | 2023-09-22 | 西南石油大学 | 一种脉冲喷射水下仿生水母机器人 |
| CN115057497A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-16 | 东南大学 | 一种集群式仿生水母水下清洁装置 |
| CN115057497B (zh) * | 2022-05-18 | 2023-12-08 | 东南大学 | 一种集群式仿生水母水下清洁装置 |
| CN115158610A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-11 | 广州大学 | 一种基于柔性仿生触手的水母机器人凸轮传动机构 |
| CN115416010A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-12-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种可实现无轮式与有轮式交互的蛇形机器人 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107390530A (zh) | 一种基于记忆合金弹簧驱动的仿生水母设计与控制方法 | |
| Shi et al. | Development of an amphibious turtle-inspired spherical mother robot | |
| CN102962843B (zh) | 一种跃水机器海豚 | |
| CN101456341B (zh) | 多模态仿生两栖机器人 | |
| CN102180249B (zh) | 智能仿生机器海豚 | |
| CN109733136A (zh) | 一种仿鸭蹼爬游式推进机器人 | |
| CN209600192U (zh) | 一种仿鸭蹼爬游式推进机器人 | |
| CN104627342A (zh) | 一种滑翔机器海豚 | |
| CN109436125B (zh) | 一种十二自由度的四足机器人 | |
| CN108839783B (zh) | 一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法 | |
| CN103955217B (zh) | 大型四足机器人对角小跑步态的规划方法 | |
| CN108216527A (zh) | 一种充电式可穿戴潜水助力系统 | |
| CN108905104B (zh) | 一种仿生机器脚蹼机构 | |
| CN104512493B (zh) | 一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置的控制方法 | |
| CN206417164U (zh) | 一种仿生鱼型机器人 | |
| CN107458566B (zh) | 一种仿生机器鱼 | |
| Yin et al. | A salamander-like amphibious robot: System and control design | |
| CN107839863A (zh) | 一种仿鱼尾的二自由度摆动柔性并联机构 | |
| CN205707258U (zh) | 偏心轮传动的仿生鱼尾结构 | |
| Li et al. | Design and analysis of a wire-driven robot tadpole | |
| Kashem et al. | An experimental study of the amphibious robot inspired by biological duck foot | |
| CN115140284A (zh) | 仿生青蛙的水下机器人 | |
| Yang et al. | Preliminary development of a biomimetic amphibious robot capable of multi-mode motion | |
| CN207225630U (zh) | 一种仿生机器鱼 | |
| Wu et al. | Structural design and stroke kinematics analysis of a water strider robot |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171124 |