CN107571983A - 一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，包括设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使仿生机器鱼开始下潜状态，对处于下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到仿生机器鱼的实时深度控制方程。本发明利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动，简化了机构设计结构，且没有深度的限制。本发明建立了仿生机器鱼的升潜模型，得出了深度控制方程，并根据该控制方程建立了一套使机器鱼在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置的方法，使仿生机器鱼能够具备上浮、下潜以及深度保持功能。

Description

一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法

技术领域

本发明涉及仿生机器鱼技术领域，特别是一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法。

背景技术

现在仿生机器鱼常用的浮潜方法有：胸鳍法、形状改变法、储水仓法。胸鳍法是利用胸鳍的摆动，改变流体推力的方向，从而实现上浮和下潜；形状改变法是改变仿生机器鱼自身的体积，从而改变浮力的大小，完成上浮和下潜运动；储水仓法是改变仿生机器鱼的自重，从而完成上浮和下潜运动；其中胸鳍法不能从功能上完全的对鱼类进行仿生，实时性较差缺乏机动性；形状改变法机构设计复杂，设计难度较大；储水仓法需要占据较大的空间，当到达一定的深度时吸水放水存在限制。

然而仿生机器鱼必须具备水下三维运动能力，必须下潜或者上浮到某一深度到达目标区域完成任务，或者完成仿生机器鱼的避障，因此需要仿生机器鱼能够具备上浮、下潜以及深度保持功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动的深度控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，包括以下步骤：

第一步，设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；所述浮潜机构包括配重滑块、丝杆、电机、编码器和控制板，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在电机转轴的输出端上，丝杆上固定连接编码器，电机正反转动带动配重滑块在丝杆上来回滑动，电机和编码器均与控制板电性连接；

具体工作过程为：电机转动带动丝杆转动，配重滑块移动，碰到限位开关后，电机停止供电，仿生机器鱼上浮或下潜，电机再接受反转指令，配重滑块回移到初始中间位置，保持平衡；编码器与电机转轴一体转动，编码器每转过单位的角度，编码器就会获得一个脉冲信号，对其细分，计算出码盘转动角度，从而计算出重力块移动距离，以得到下潜角度，使其在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置。

第二步，调节浮潜机构的配重滑块，使仿生机器鱼在水中处于悬浮状态，以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系，首先对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使机器鱼整体重心发生偏移，使仿生机器鱼开始下潜状态，当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时，对处于该下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到机器鱼的深度控制与其当前速度以及配重块移动的距离有关，并推导得到仿生机器鱼的实时深度控制方程为：

其中：v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离，m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，d为整体重心与浮心之间的距离，M为仿生机器鱼的总重，M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离；

第三步，将所述三关节仿生机器鱼放入水中，开启开关，三个主驱动关节开始在水中摆动，根据主驱动关节摆动的频率测得水流的流速，再利用三关节仿生机器鱼自带的重力传感器测得此时机器鱼所处深度，控制板接受指令信息，指令信息主要为在规定时间内到达指定位置，根据数据处理得出配重滑块的移动时间，然后控制浮潜机构的电机转动，带动丝杆转动，配重滑块在丝杠上移动，三关节仿生机器鱼进行上升下潜运动；同时编码器开始工作读取码盘转动角度，将数据传输给控制板，控制板实时测得配重滑块所处位置；当配重滑块移动到指定距离点后，配重滑块停止移动，配重滑块开始回移到平衡位置，三关节仿生机器鱼保持平衡，此时三关节仿生机器鱼完成指令。

优选地，所述编码器选取WTK-20光电旋转编码器和100线金属码盘。

本申请所述三关节仿生机器鱼包括鱼头、鱼身和鱼尾，鱼身包括固定部和摆动部，固定部内安装有用于控制机器鱼运动姿态、无线充电的控制机构，摆动部包括三个主驱动关节，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节沿鱼身体长方向依次设置，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节的长度比例为1:1:1.2，固定部一端与鱼头固定连接，另一端与第一主驱动关节固定连接。所述每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接，舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。固定部与第一主驱动关节之间、第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三驱动关节之间、第三驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长方向设置有四个从驱动关节，每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合，支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽。支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫。

每个主驱动关节的运动控制方程为：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；为第j个关节在转弯时释放阶段的用时。

本发明采用上述方案后，具有如下技术效果：

本发明利用重心的偏移，改变仿生机器鱼鱼头的俯仰角，从而完成上浮和下潜运动，简化了机构设计结构，且没有深度的限制。本发明建立了仿生机器鱼的升潜模型，得出了深度控制方程，并根据该控制方程建立了一套使机器鱼在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置的方法，使仿生机器鱼能够具备上浮、下潜以及深度保持功能。

附图说明

图1是浮潜机构的结构示意图。

图2是水平状态下仿生机器鱼的受力分析图。

图3是下潜状态下仿生机器鱼的受力分析图。

图4是使三关节仿生机器鱼可以在指定时间内到达指定位置的控制流程图。

图5是三关节仿生机器鱼的整体结构。

图6是仿生机器鱼的三关节结构。

具体实施方式

一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，包括：

第一步，设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；

如图1所示，所述浮潜机构包括配重滑块1、丝杆2、电机3、编码器4和控制板5，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在电机转轴的输出端上，丝杆上固定连接编码器，电机正反转动带动配重滑块在丝杆上来回滑动，电机和编码器均与控制板电性连接。具体工作原理是：电机转动带动丝杆转动，配重滑块移动，碰到限位开关6后，电机停止供电，仿生机器鱼上浮或下潜，电机再接受反转指令，配重滑块回移到初始中间位置，保持平衡；编码器与电机转轴一体转动，编码器每转过单位的角度，编码器就会获得一个脉冲信号，对其细分，计算出码盘转动角度，从而计算出重力块移动距离L1，以得到下潜角度，使其在上升下潜运动中可以在指定时间到达指定位置。

本实施例中编码器选取WTK-20光电旋转编码器和100线金属码盘。

当仿生机器鱼的重心和浮心处于同一直线上时，其在水中将保持平衡状态；若重心往前偏移，为了在水中保持，仿生机器鱼的鱼头将向下倾斜；反之，若重心向后偏移，仿生机器鱼的鱼头将向上倾斜。基于该原理，本申请设计了如图1所示的浮潜机构。

在平衡状态下，配重滑块处于中间位置。此时鱼头处于水平位置，俯仰角为零，机器鱼在二维平面内运动；当机器鱼要进行浮潜运动时，配重滑块往前或者往后移动。鱼头将与水平面产生一个夹角，机器鱼除了在水平面内运动，还在竖直平面内运动。

第二步，调节浮潜机构的配重滑块，使仿生机器鱼在水中处于悬浮状态，以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系，首先对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使机器鱼整体重心发生偏移，使仿生机器鱼开始下潜状态，当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时，对处于该下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到机器鱼的深度控制与其当前速度以及配重块移动的距离有关，并推导得到仿生机器鱼的实时深度控制方程为：

其中：v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离，m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，d为整体重心与浮心之间的距离，M为仿生机器鱼的总重，M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离；

以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系如图2所示，对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析。

其中m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，O₁,O₂,O₃,O₄分别为浮心、整体重心、配重滑块重心和除配重滑块外鱼体的重心，整体重心与浮心之间的距离为d，仿生机器鱼的总重为M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离。在平衡状态下，机器鱼保持水平，浮心与重心处于同一竖直平面上。此时，俯仰角θ为零。则由力矩平衡，得到如下方程：

m₁gL₁＝m₂gL₂ (1)

当配重滑块偏离平衡位置时，机器鱼整体重心也将发生偏移，为了与浮力保持平衡，机器鱼将偏转一定的角度。此时机器鱼的俯仰角θ将不再为零，开始做上浮或下潜运动。图3是仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时的受力分析，配重滑块的重心由原来的O₃移动到O₃'，移动距离为l；整体重心由O₂移动到O'₂，移动距离为dsinθ。因此当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时由力矩平衡公式可得：

m₁g[(L₁+l)cosθ-d sinθ]＝m₂g(L₂ cosθ+d sinθ) (2)

同理当机器鱼处于上浮状态时配重块往后移动，其受力方程如下：

m₁g[(L₁-l)cosθ+dsinθ]＝m₂g(L₂ cosθ-d sinθ) (3)

则得到相应的下潜角θ为

其中：正号表示下潜，负号表示上浮。

当三关节仿生机器鱼依靠尾部的摆动，提供动力，以一定速度匀速向前运动时，机器鱼的速度可以按下潜或上升的角度θ分为水平的速度v_x和竖直的速度v_y，其中水平速度v_x即为水平的前进的速度，v_y即为竖直的下潜或上升的速度。

当仿生机器鱼的运动速度v已知，则其下潜或上浮速度可由速度在竖直方向的分量得到。即：

v_y＝vsinθ (5)

根据其下潜或上浮深度与浮潜速度的关系可得：

其中是深度h(t)在t时刻的导数，v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，sin[θ(t)]是t时刻仿生机器鱼的俯仰角。因此仿生机器鱼的实时深度可通过对式(6)进行积分得到

其中h(t)为t时刻仿生机器鱼的深度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离。

如图4所示，第三步，将所述三关节仿生机器鱼放入水中，开启开关，三个主驱动关节开始在水中摆动，根据主驱动关节摆动的频率测得水流的流速v，再利用三关节仿生机器鱼自带的重力传感器测得此时机器鱼所处深度h，控制板接受指令信息，指令信息主要为在规定时间内到达指定位置，根据数据处理得出配重滑块的移动时间，然后控制浮潜机构的电机转动，带动丝杆转动，配重滑块在丝杠上移动，三关节仿生机器鱼进行上升下潜运动；同时编码器开始工作读取码盘转动角度，将数据传输给控制板，控制板实时测得配重滑块所处位置；当配重滑块移动到指定距离点后，配重滑块停止移动，配重滑块开始回移到平衡位置，三关节仿生机器鱼保持平衡，此时三关节仿生机器鱼完成指令。

如图5所示，本申请所述的三关节机器鱼包括鱼头、鱼身和鱼尾，鱼身包括固定部和摆动部，固定部内安装有用于控制机器鱼运动姿态、无线充电的控制机构，摆动部包括三个主驱动关节，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节沿鱼身体长方向依次设置，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节的长度比例为1:1:1.2，固定部一端与鱼头固定连接，另一端与第一主驱动关节固定连接，每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接，舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。

每个主驱动关节的运动控制方程为：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；为第j个关节在转弯时释放阶段的用时。

固定部与第一主驱动关节之间、第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三驱动关节之间、第三驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长方向设置有四个从驱动关节，每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合，支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽。支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫。

如图6所示，脊椎骨铰链具有第一连接部和第二连接部，第二连接部呈U型，第二连接部卡设于支撑环的卡槽中，第一连接部通过脊椎骨铰链连接杆与前一个从驱动关节的第二连接部转动连接，第二连接部通过脊椎骨铰链连接杆与后一个从驱动关节的第一连接部转动连接，多个从驱动关节的脊椎骨铰链首尾相连形成机器鱼的脊椎。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，设计用以控制仿生机器鱼的上浮和下潜的浮潜机构；所述浮潜机构包括配重滑块、丝杆、电机、编码器和控制板，所述丝杆沿仿生智能机器鱼鱼身长度方向设置，配重滑块设置在丝杆上且与丝杆螺纹连接，丝杆固定在电机转轴的输出端上，丝杆上固定连接编码器，电机正反转动带动配重滑块在丝杆上来回滑动，电机和编码器均与控制板电性连接；

第二步，调节浮潜机构的配重滑块，使仿生机器鱼在水中处于悬浮状态，以仿生机器鱼的重心为原点建立坐标系，首先对平衡状态下的仿生机器鱼进行受力分析，然后调节配重滑块偏离平衡位置，使机器鱼整体重心发生偏移，使仿生机器鱼开始下潜状态，当仿生机器鱼处于稳定的下潜状态时，对处于该下潜状态的仿生机器鱼做受力分析，得到机器鱼的深度控制与其当前速度以及配重块移动的距离有关，并推导得到仿生机器鱼的实时深度控制方程为：

其中：v(t)是t时刻仿生机器鱼的速度，h₀为仿生机器鱼的初始深度，l(t)为t时刻配重滑块移动的距离，m₁为配重滑块的重量，m₂为除配重滑块外鱼体的重量，d为整体重心与浮心之间的距离，M为仿生机器鱼的总重，M＝m₁+m₂，L₁为配重滑块重心距离整体重心的距离，L₂为除配重滑块外鱼体的重心距离整体重心的距离；

第三步，将所述三关节仿生机器鱼放入水中，开启开关，三个主驱动关节开始在水中摆动，根据主驱动关节摆动的频率测得水流的流速，再利用三关节仿生机器鱼自带的重力传感器测得此时机器鱼所处深度，控制板接受指令信息，指令信息主要为在规定时间内到达指定位置，根据数据处理得出配重滑块的移动时间，然后控制浮潜机构的电机转动，带动丝杆转动，配重滑块在丝杠上移动，三关节仿生机器鱼进行上升下潜运动；同时编码器开始工作读取码盘转动角度，将数据传输给控制板，控制板实时测得配重滑块所处位置；当配重滑块移动到指定距离点后，配重滑块停止移动，配重滑块开始回移到平衡位置，三关节仿生机器鱼保持平衡，此时三关节仿生机器鱼完成指令。

2.根据权利要求1所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述编码器选取WTK-20光电旋转编码器和100线金属码盘。

3.根据权利要求1所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述三关节仿生机器鱼包括鱼头、鱼身和鱼尾，鱼身包括固定部和摆动部，固定部内安装有用于控制机器鱼运动姿态、无线充电的控制机构，摆动部包括三个主驱动关节，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节沿鱼身体长方向依次设置，第一主驱动关节、第二主驱动关节与第三主驱动关节的长度比例为1:1:1.2，固定部一端与鱼头固定连接，另一端与第一主驱动关节固定连接。

4.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：所述每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接，舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。

5.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：每个主驱动关节的运动控制方程为：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；T₁ ^j为第j个关节在转弯时释放阶段的用时。

6.根据权利要求3所述的三关节仿生机器鱼的深度控制方法，其特征在于：固定部与第一主驱动关节之间、第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三驱动关节之间、第三驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长方向设置有四个从驱动关节，每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合，支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽。支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫。