CN108163168B - 微型磁驱动仿生机器鱼及其运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体提供了一种微型磁驱动仿生机器鱼及其运动控制方法，旨在解决如何降低仿生机器鱼体积和能耗的技术问题。为此目的，本发明中的仿生机器鱼包括鱼身和尾鳍，其中，磁驱动模块包括螺线管、驱动组件、圆柱滑轨和两块永磁铁。两块永磁铁分别固定在所述圆柱滑轨的两端，螺线管设置在两块永磁铁之间，且能够沿圆柱滑轨在两块永磁铁之间移动，以带动驱动组件驱动尾鳍摆动。基于上述结构，不仅可以减小仿生机器鱼的体积和能耗，还可以提高仿生机器鱼的机动性能。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种微型磁驱动仿生机器鱼及其运动控制方法。
背景技术
仿生机器鱼是通过模仿鱼类的游动方式来实现推进的，其可以依据鱼类游动分类方式进行划分。例如，根据鱼类游动使用的身体部位不同可以将鱼类游动分为身体-尾鳍推进模式和中鳍-对鳍推进模式，其中，身体-尾鳍推进模式指的是借助鱼身体波动或尾鳍摆动运动产生推力，中鳍-对鳍推进模式指的是借助尾鳍以外的其它鱼鳍运动产生推力。当前，仿生机器鱼主要采用舵机驱动系统，而舵机驱动系统具有体积大和能耗高等缺点，因此不适于微型仿生机器鱼，进而限制了微型仿生机器鱼的研究和推广。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何降低仿生机器鱼体积和能耗的技术问题。本发明提供了一种微型磁驱动仿生机器鱼及其运动控制方法。
在第一方面，本发明中仿生机器鱼，包括鱼身和尾鳍，所述鱼身内设置有磁驱动模块，其中，所述磁驱动模块包括螺线管、驱动组件、圆柱滑轨和两块永磁铁；
所述螺线管通过所述驱动组件与所述尾鳍连接；
所述两块永磁铁分别固定在所述圆柱滑轨的两端，所述螺线管进一步设置在所述两块永磁铁之间，且能够沿所述圆柱滑轨在所述两块永磁铁之间移动，以带动所述驱动组件驱动所述尾鳍摆动。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述鱼身内还设置有控制模块；所述控制模块与所述磁驱动模块电连接，并配置为控制所述磁驱动模块驱动所述尾鳍摆动。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述控制模块包括无线通信单元；所述无线通信单元，配置为与终端设备进行信息交互；所述控制模块，进一步配置为执行下述操作：
接收所述终端设备发送的控制指令；所述控制指令包括偏转角占空比和尾鳍摆动频率，其中，所述偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与所述的一个摆动周期的比值；
依据所接收的控制指令生成PWM信号；其中，所述PWM信号的频率与所述尾鳍摆动频率相同，占空比与所述偏转角占空比相同；
将所生成的PWM信号输入至所述螺线管，以驱动所述螺线管在两块永磁铁之间移动，从而带动所述尾鳍摆动。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述驱动组件包括旋转连接件、尾部连杆和尾柄；
所述旋转连接件包括第一卡接件和第二卡接件，所述第一卡接件与所述螺线管固定连接，所述第二卡接件与所述尾部连杆的一端固定连接，并且所述第一卡接件与所述第二卡接件滑动连接，使得所述尾部连杆能够在所述螺线管驱动下摆动；
所述尾部连杆的另一端贯穿出鱼身底部后与所述尾柄连接；
所述尾柄与所述尾鳍插接连接。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述磁驱动模块还包括密封件；所述密封件设置在所述尾部连杆与所述鱼身底部的内壁之间，用于防止水流流入所述鱼身。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
所述鱼身内还设置有蓄电池和电源接口；所述电源接口嵌入在所述鱼身的外壳上，并与所述蓄电池电连接；
所述蓄电池，用于向所述控制模块供电。
在第二方面，本发明中的仿生机器鱼的运动控制方法，用于控制上述技术方案所述的仿生机器鱼按照预设轨迹运动，具体为：
依据所述预设轨迹生成对应的控制指令；
将所生成的控制指令发送至所述仿生机器鱼，使其按照所述预设轨迹运动。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：
“依据所述预设轨迹生成对应的控制指令”的具体步骤包括：
依据所述预设轨迹中的运动方向和/或转动半径，计算偏转角占空比和尾鳍摆动频率；其中，所述偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与所述的一个摆动周期的比值。
与最接近的现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：
1、本发明中的螺线管设置在两块永磁铁之间，且能够沿圆柱滑轨在两块永磁铁之间移动，基于该结构可以消除螺线管在运动时与永磁铁的相对角度，提高磁场利用率。同时，还可以增加螺线管的运动范围，进而增加尾鳍的摆动幅度。
2、本发明中的密封件设置在尾部连杆与鱼身底部的内壁之间，不仅可以防止水流流入鱼身，还可以作为尾柄摆动的支点。
3、本发明中的控制模块可以采用低功耗并基于蓝牙通信的ARM芯片，从而降低仿生机器鱼的整体功耗。
附图说明
图1是本发明实施例中仿生机器鱼的内部结构图；
图2是本发明实施例中磁驱动模块的俯视图；
图3是本发明实施例中磁驱动模块的正视图；
图4是本发明实施例中仿生机器鱼的立体图；
图5是本发明实施例中仿生机器鱼的正视图；
图6是本发明实施例中仿生机器鱼的俯视图；
图7是本发明实施例中仿生机器鱼的左视图；
图8是本发明实施例中一种尾鳍形状示意图；
图9是本发明实施例中另一种尾鳍形状示意图；
图10是本发明实施例中尾鳍偏转角速度的曲线示意图；
图11是本发明实施例中磁驱动信号波形示意图；
图12是本发明实施例中在舵机驱动系统驱动下仿生机器鱼的仿真转向曲线示意图；
图13是本发明实施例中在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的仿真转向曲线示意图；
图14是本发明实施例中在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的实际转向曲线示意图；
图15是本发明实施例中在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的实际转向过程中转向半径与占空比的关系示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
参阅附图1、4、5、6和7，图1示例性示出了本实施例中仿生机器鱼的内部结构，图4示例性示出了本实施例中仿生机器鱼的立体结构，图5示例性示出了本实施例中仿生机器鱼的正视结构，图6示例性示出了本实施例中仿生机器鱼的俯视结构，图7示例性示出了本实施例中仿生机器鱼的左视结构。如图1所示，本实施例中仿生机器鱼主要包括磁驱动模块、控制模块1、蓄电池2和电源接口3，并且上述结构均设置在仿生机器鱼的鱼身11(图4-7所示)内，其中，磁驱动模块设置在鱼身后部，控制模块1、蓄电池2和电源接口3设置在鱼身前部。在实施例的一个优选实施方案中，可以将控制模块1设置在蓄电池2的上侧，将电源接口3嵌入在鱼身的腹部。
本实施例中基于磁驱动的脉宽调制技术MAPWM实现仿生机器鱼的运动控制，具体地，控制模块1可以向磁驱动模块发送PWM信号，使得磁驱动模块在PWM信号的控制下产生有时延的周期性摆动，从而带动与其连接的尾鳍摆动，实现对仿生机器鱼的运动控制。其中，蓄电池2用于向控制模块1供电，电源接口3用于连接外部充电电源以向蓄电池2充电。本实施例中蓄电池2可以采用微型锂/铍电池。
本实施例中磁驱动模块主要包括螺线管4、驱动组件、圆柱滑轨6、密封件8和两块永磁铁5，并且驱动组件主要包括旋转连接件7、尾柄9和尾部连杆10。其中，螺线管4可以采用扁圆柱形的铜线圈。
参阅附图2和3，图2示例性示出了本实施例中磁驱动模块的俯视结构，图3示例性示出了本实施例中磁驱动模块的正视结构。
如图2和3所示，本实施例中螺线管4可以通过驱动组件与尾鳍连接。在实施例的一个优选实施方案中，旋转连接件7包括第一卡接件和第二卡接件，并且第一卡接件与第二卡接件滑动连接，此时可以将第一卡接件与螺线管4固定连接，第二卡接件与尾部连杆10的一端固定连接，将尾部连杆10的另一端贯穿出鱼身底部后与尾柄9连接，并在尾柄9上插接一个尾鳍，从而实现螺线管4与尾鳍的连接。同时，还可以将密封件8设置在尾部连杆10与鱼身底部的内壁之间，以防止水流流入鱼身。
继续参阅附图8和9，图8示例性示出了一种剪刀形状的尾鳍，图9示例性示出了一种扇形形状的尾鳍，本实施例中可以采用3D打印技术制备不同形状的尾鳍。
本实施例中两块永磁铁5分别固定在圆柱滑轨6的两端，此时螺线管4可以设置在两块永磁铁5之间，并且能够沿圆柱滑轨6在两块永磁铁5之间移动，使得尾部连杆10能够在螺线管4的驱动下摆动，进而带动尾鳍摆动。
本实施例中仿生机器鱼采用磁驱动模块作为动力驱动源，可以极大降低仿生机器鱼的体积和能耗，在本实施例的一个优选实施方案中，采用图2和3所示磁驱动模块所构成的仿生机器鱼，其鱼身最宽为18mm，鱼身最高为21mm，鱼身最长为45mm。
进一步地，本实施例中图1-7所示仿生机器鱼的控制模块1还可以包括无线通信单元，该无线通信单元配置为与终端设备进行信息交互，其中，终端设备指的是仿生机器鱼的人机交互终端，该终端设备可以配置为采集控制仿生机器鱼运动的指令，并将该指令转换为仿生机器鱼可以识别的控制指令。
本实施例中控制模块1可以按照下述步骤控制仿生机器鱼按照运动：
步骤S101：接收终端设备发送的控制指令。
具体地，控制指令包括偏转角占空比和尾鳍摆动频率，其中，偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与一个摆动周期的比值。本实施例中当偏转角占空比等于50％时仿生机器鱼可以直线运动，当偏转角占空比大于50％时仿生机器鱼可以按照预设的正方向运动，当偏转角占空比小于50％时仿生机器鱼可以按照预设的反方向运动。
参阅附图10，图10示例性示出了本实施例中尾鳍偏转角速度的仿真曲线和拟合曲线。如图10所示，对仿生机器鱼运动进行仿真，可以得到在磁驱动模块的控制下尾鳍偏转过程近似匀加速度过程。基于此对该匀加速度过程进行拟合，得到尾鳍偏转角速度的线性曲线，其中，该线性曲线的斜率为角加速度，即尾鳍偏转的角加速度是关于时间的二值函数。同时，在不考虑尾鳍振幅限制的情况下，尾鳍偏转角的角弧度为关于时间的二次函数。
步骤S102：依据步骤S101接收到的控制指令生成PWM信号，其中，PWM信号的频率与尾鳍摆动频率相同，占空比与偏转角占空比相同。
步骤S103：将步骤S102生成的PWM信号输入至磁驱动模块的螺线管，以驱动螺线管4在两块永磁铁5之间移动，从而带动尾鳍摆动。
参阅附图11，图11示例性示出了本实施例中多种磁驱动信号的波形。如图11所示，本实施例中左侧四组波形按照由上至下的顺序依次为在尾鳍摆动频率为3Hz、偏转角占空比为50％时的角弧度波形、角速度波形、角加速度波形和PWM信号波形，此时仿生机器鱼可以按照直线运动。中间四组波形按照由上至下的顺序依次为在尾鳍摆动频率为3Hz、偏转角占空比为80％时的角弧度波形、角速度波形、角加速度波形和PWM信号波形，此时仿生机器鱼可以按照预设的正方向转动。右侧四组波形按照由上至下的顺序依次为在尾鳍摆动频率为3Hz、偏转角占空比为10％时的角弧度波形、角速度波形、角加速度波形和PWM信号波形，此时仿生机器鱼可以按照与上述预设的反方向转动。
通过图11可以得到，PWM信号波形的占空比变化后尾鳍偏转角加速度波形也随之变化，因此可以通过调节PWM信号波形的占空比调节尾鳍偏转角加速度波形的占空比。同时，尾鳍偏转角加速度是依赖螺线管4受到的合外力产生，而PWM信号中的电流方向决定了螺线管4受到的磁力方向，因此在不考虑尾鳍振幅限制的情况下，尾鳍偏转角加速度的方向与电流方向一致，即合外力方向与磁力方向一致，二者的占空比也保持一致。
进一步地，角弧度的变化是由角加速度引起的，因此角弧度波形与角加速度波形的占空比变化规律相同，通过调节PWM信号中电流方向的变化频率即可控制尾鳍摆动频率。
继续参阅附图15，图15示例性示出了本实施例中在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的实际转向过程中转向半径与占空比的关系，其中，曲线300为尾鳍摆动频率为1Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线301为尾鳍摆动频率为2Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线302为尾鳍摆动频率为3Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线303为尾鳍摆动频率为4Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线304为尾鳍摆动频率为5Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线305为尾鳍摆动频率为6Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线，曲线306为尾鳍摆动频率为7Hz时仿生机器鱼的转弯半径与占空比的关系曲线。如图15所示，本实施例中仿生机器鱼的最小转弯半径为30mm。同时，在偏转角占空比固定的情况下，仿生机器鱼的转弯半径会随着尾鳍摆动频率的增加，先增大后减小。
继续参阅附图12和13，图12示例性示出了在舵机驱动系统驱动下仿生机器鱼的仿真转向曲线，图13示例性示出了在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的仿真转向曲线，其中，曲线100为舵机偏置为π/6时的仿真转向曲线，曲线101为舵机偏置为π/4时的仿真转向曲线，曲线102为舵机偏置为π/3时的仿真转向曲线，曲线103为舵机偏置为-π/6时的仿真转向曲线，曲线104为舵机偏置为-π/4时的仿真转向曲线，曲线105为舵机偏置为-π/3时的仿真转向曲线，曲线200为PWM信号占空比为60％时仿真转向曲线，曲线201为PWM信号占空比为70％时仿真转向曲线，曲线202为PWM信号占空比为80％时仿真转向曲线，曲线203为PWM信号占空比为20％时仿真转向曲线，曲线204为PWM信号占空比为30％时仿真转向曲线，曲线205为PWM信号占空比为40％时仿真转向曲线。
通过图12和13可以得到，相比于舵机驱动系统，仿生机器鱼在磁驱动模块驱动下的转弯半径更小且机动性更好。
基于上述仿生机器鱼实施例，本发明还提供了一种仿生机器鱼的运动控制方法，该方法可以按照下述步骤控制上述仿生机器鱼按照预设轨迹运动，具体为：
步骤S201：依据预设轨迹生成对应的控制指令。
具体地，依据预设轨迹中的运动方向和/或转动半径，计算偏转角占空比和尾鳍摆动频率；其中，偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与一个摆动周期的比值。
本实施例中可以按照下述步骤计算偏转角占空比和尾鳍摆动频率：
步骤S2011：利用毕奥萨伐尔定律对螺线管4与永磁铁5产生的磁场建模，得到仿生机器鱼鱼身内部磁场的空间分布和磁力变化。
本实施例中可以按照下式(1)所示的方法可以得到仿生机器鱼鱼身内部磁场的空间分布：
依据上式(1)可以得到：
进而依据上式(2)可以得到在笛卡尔坐标系下x、y和z三个方向的磁感应强度分量为：
公式(1)～(3)中各参数含义为：
B为螺线管产生的磁感应强度，Bx、By和Bz分别为x、y和z三个方向的磁感应强度分量，I为PWM信号对应的电流强度，μ0为真空磁导率，r(x,y,z)为目标点的空间坐标，r0(x0,y0,z0)为磁场源的空间坐标，R为永磁铁的半径，h为永磁铁的高度，L为积分路径。
本实施例中可以按照下式(4)所示的方法可以得到仿生机器鱼鱼身内部磁场的磁力值：
依据公式(4)可以得到单层螺线管的磁力值为：
依据公式(5)可以得到N层螺线管产生的磁力值，其中，每层螺线管包括n圈螺旋线：
公式(4)～(6)中各参数含义为：
i为一层螺线管中螺旋线的圈数序号，j为螺线管的序号，d为螺旋线的线径。
步骤S2012：基于流体动力学分析螺线圈4摆动时的受力情况，进而得到尾鳍的摆动规律。
步骤S2013：基于拉格朗日动力学对仿生机器鱼的运动状态进行建模，得到偏转角占空比与尾鳍摆动频率对仿生机器鱼转向运动的关系，进而可以依据预设轨迹中的运动方向和/或转动半径，计算偏转角占空比与尾鳍摆动频率。
步骤S202：将所生成的控制指令发送至仿生机器鱼，使其按照预设轨迹运动。
参阅附图14，图14示例性示出了本实施例中在磁驱动模块驱动下仿生机器鱼的实际转向曲线。如图14所示，本实施例中仿生机器鱼的预设轨迹为螺旋线轨迹，依据螺旋线轨迹中的运动方向和/或转动半径，计算得到偏转角占空比为60％～90％，尾鳍摆动频率为4Hz。同时，电磁驱动模块在包含上述偏转角占空比和尾鳍摆动频率的PWM信号控制下，能够控制仿生机器鱼按照螺旋线轨迹。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的PC来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微型磁驱动仿生机器鱼，包括鱼身和尾鳍，其特征在于，所述鱼身内设置有磁驱动模块，其中，所述磁驱动模块包括螺线管、驱动组件、圆柱滑轨和两块永磁铁；
所述螺线管通过所述驱动组件与所述尾鳍连接；
所述两块永磁铁分别固定在所述圆柱滑轨的两端，所述螺线管进一步设置在所述两块永磁铁之间，且能够沿所述圆柱滑轨在所述两块永磁铁之间移动，以带动所述驱动组件驱动所述尾鳍摆动；
所述鱼身内还设置有控制模块；所述控制模块与所述磁驱动模块电连接，并配置为控制所述磁驱动模块驱动所述尾鳍摆动；
所述控制模块包括无线通信单元；所述无线通信单元配置为与终端设备进行信息交互；所述控制模块进一步配置为执行下述操作：
接收所述终端设备发送的控制指令；所述控制指令包括偏转角占空比和尾鳍摆动频率，其中，所述偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与所述的一个摆动周期的比值；
依据所接收的控制指令生成PWM信号；其中，所述PWM信号的频率与所述尾鳍摆动频率相同，占空比与所述偏转角占空比相同；
将所生成的PWM信号输入至所述螺线管，以驱动所述螺线管在两块永磁铁之间移动，从而带动所述尾鳍摆动。
2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动组件包括旋转连接件、尾部连杆和尾柄；
所述旋转连接件包括第一卡接件和第二卡接件，所述第一卡接件与所述螺线管固定连接，所述第二卡接件与所述尾部连杆的一端固定连接，并且所述第一卡接件与所述第二卡接件滑动连接，使得所述尾部连杆能够在所述螺线管驱动下摆动；
所述尾部连杆的另一端贯穿出鱼身底部后与所述尾柄连接；
所述尾柄与所述尾鳍插接连接。
3.根据权利要求2所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述磁驱动模块还包括密封件；所述密封件设置在所述尾部连杆与所述鱼身底部的内壁之间，用于防止水流流入所述鱼身。
4.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼身内还设置有蓄电池和电源接口；所述电源接口嵌入在所述鱼身的外壳上，并与所述蓄电池电连接；
所述蓄电池，用于向所述控制模块供电。
5.一种仿生机器鱼的运动控制方法，其特征在于，所述仿生机器鱼为权利要求1-4任一项所述的微型磁驱动仿生机器鱼，所述方法用于控制所述仿生机器鱼按照预设轨迹运动，具体为：
依据所述预设轨迹生成对应的控制指令；
将所生成的控制指令发送至所述仿生机器鱼，使其按照所述预设轨迹运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，“依据所述预设轨迹生成对应的控制指令”的具体步骤包括：
依据所述预设轨迹中的运动方向和/或转动半径，计算偏转角占空比和尾鳍摆动频率；其中，所述偏转角占空比为在尾鳍周期性摆动的情况下，一个摆动周期内正偏转角对应的时间与所述的一个摆动周期的比值。
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