CN108423147A - 三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括：将螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及将螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使其末端的直线往复运动能够与头端的圆周运动相跟随。本发明仅用一根三维螺旋轴就驱动了从鱼头开始一直到鱼尾的全部鱼身，中间没有任何电机或复杂的机械部件，从而能以最小的代价较为逼真地模拟真鱼游动，技术方案越简练，就越可靠、实用，产品的故障率和成本也越低为今后的发展和提高以及推广和普及创造了良好的条件。本发明还公开了三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的装置。本发明的技术方案简练、可靠、实用且产品的故障率和成本都很低。

Description

三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置

技术领域

本发明涉及仿生动力鱼领域，具体地讲多关节机器鱼技术领域，尤其涉及 三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置，具体涉及数学物理概念、机械传 动和机电自动控制中的同步位置跟随技术。

背景技术

鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，其种类繁多，生活环境各异，为了 觅食、御敌、繁殖后代和集群洄游等生存需要，经过亿万年的自然选择进化出 了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好、噪声 低等优点。鱼类在水中游动的完美性，吸引着大批学者研究鱼类的运动机理和 开发仿生鱼和水下机器人。

人类的发展离不开资源的持续供应，随着路上资源的日益紧缺，未来海洋 资源的开发成为现在研究的热点。随着人类科学和技术的不断发展进步，适应 各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛的发展。传统的基于螺旋浆的人 造水下航行器在启动、加速性能、运动灵活性、受承载空间等方面的缺点限制 了其作业时间和范围，进一步限制了其应用领域、仿生动力鱼作为一种结合了 鱼类推进模式和机器人技术的新型水下机器人，与传统的基于螺旋浆的人造水 下航行器相比，具有以下几方面的基本特性：

(1)推进效率高，运动能力强，机动性能好；

(2)系统结构简化，机械结构简单；

(3)流体性能优良；

(4)体积小，重量轻，隐蔽性强。

仿生动力鱼的这些优点将会在使其在以下领域中得到广泛应用：

1)仿生动力鱼可在要求作业范围大、时间长、机动性好的场合得到应用， 如环境监测、管道内部结构监测、海底救生等；

2)在军事方面，仿生机器鱼良好的隐蔽性可使其作为水下侦察器或攻击 性武器；

3)海洋资源开发方面，由于仿生动力鱼在游动的方式和外形上皆与鱼类 相似，因而在人类开发海洋资源和研究海洋生物资源的同时，可有效地降低人 类活动对海洋生态环境造成的破坏；

4)可构建多仿生动力鱼协作系统，用来完成单个动力鱼无法完成的复杂 水下任务；

5)在娱乐方面，随着机器人制造工艺的进步和技术创新，用于娱乐和观 赏用途的仿生动力鱼将以优美的姿态和低廉的价格走向市场。

迄今为止，国内外科技界对仿生鱼和水下机器人的研究由来已久，且方兴 未艾。然而，大多以高新技术去追求对鱼的完美仿真，却很少以实用动力作为 主要目标，因此目前市场上还尚未发现利用三维螺旋轴驱动的仿生鱼技术或产 品。

当前现有技术中仿生鱼的驱动方案有很多种，其中较为理想的是利用压电 人造肌肉来模拟真鱼的肌肉，其仿真度和效率都可以做得比较高。压电人造肌 肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场下，通 过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。比 如，2017年初由浙江大学公布的“软体机器鱼”发明(2017年4月5日大众 科学杂志《新科学家》)就采用了介电高弹体薄膜，在电讯号控制下驱动鱼体 运动，确实取得了比较好的效果。另外，在几年前，美国军方的机器鱼也采用了人造肌肉方案。然而，目前此类人造肌肉的造价是相当高昂的，因此还尚未 能进入市场。

当前现有技术中的各种电磁原理或机械方法驱动多关节仿生鱼的方案也 有很多种，大多是把仿生鱼的身体近尾部分成几个关节，采用各种智能机电技 术千方百计地驱使每一关节按一定的相位关系摆动，从而模拟鱼的游动。此方 法是通过经验观测鱼类游动时身体的形状曲线来产生仿生鱼关节的摆角。鱼类 行为学家研究表明，鱼类的推进运动中隐含着一种由后颈部向尾部传播的行 波。受此启发，人们认为鱼体游动呈波动状态，鱼体波为一波幅渐增的正弦状 曲线，鱼体波波幅包络线具有正弦状二维横波摆动，以产生推力。一般说来， 关节数量越多，则参与摆动的身体占比就越高，就模拟得越逼真，游动的效率也越高。比如：中科院自动化研究的发明专利《多关节仿生鱼的运动控制方法》 (专利号：CN1595312A)采用了仿生鱼后部的4－6个关节摆动来模仿真鱼， 其仿生鱼具有0.178米的鱼身，水中游速可达到0.32米/秒，效率可达到70％ 以上。同样，北京航空航天大学机器人研究所发明的是6关节机器鱼，方案和 上述自动化所的相似，其长0.8米，重8公斤，水中速度达到0.6米/秒，效率 为70％以上。虽然它们已算是蛮成功的了，然而它们的共同缺点是：鱼身上的 每一个关节都需要对应的一个伺服电机(或舵机)以及相应的机械部件来驱动，并需要用电脑系统来进行控制，还必须设有内置电池，因此它们的总成本相当 高，结构极为复杂，而且还很重。因此，对于它们而言，安排6个关节就已经 是件很不容易的事情了，从而极为不利地限制了对真鱼的模拟程度，因此此类 方案是较难以被广泛推广应用的。

实际上，鱼在作常态长途游动时(不是突然大角度急转弯或突然高速启动 等等)，其鱼身是在作稳定的正弦型游动，身体各关节的摆动幅度和相位关系 是相对固定的。鲫鱼/鲤鱼类的摆动幅度从头到尾逐步加大，鳗鱼类全身有几个 幅度相同的正弦摆动周期。对于我们以动力为主的仿生鱼应用，是没有必要用 复杂的智能机电技术来作超量模拟的，很多经过编程可以达到的动作灵活性在 这些场合是不需要的。相反，只会极大地不利地增加成本、重量和复杂性，限 制了关节数量，降低了模拟程度，最终影响了推广应用。

发明内容

科技界有个共识：达到相同的科技目标，技术方案越简练，就越可靠、实 用，产品的故障率和成本也越低。遵循此共识，为了克服现有技术中所存在的 缺陷，申请人提出了本发明。本发明的目的在于提供一种三维螺旋轴驱动仿生 动力鱼的方法及其装置，其宗旨是：不以模仿真鱼的全部动作为目的，而是造 就一种新型的流体中推进动力，由此以普通的旋转动力带动一根螺旋轴的最简 练设计来实现仿鱼游动，从而能够广泛地普及到人们的生产和生活中去。

为了实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三维螺旋轴 驱动仿生动力鱼的方法，包括以下步骤：

将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二 维正弦状横波波动；以及

将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线” 变换，从而使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的 头端的圆周运动相跟随。

较佳地，在上述方法中，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时， 所述方法包括下列步骤：

在所述三维螺旋轴的头部的动力区联结角度编码器；

在所述仿生动力鱼的尾部安装用于测量所述三维螺旋轴的末端的实际位 置的直线编码器；以及

设置驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端的位置的伺服动力系统。

较佳地，在上述方法中，所述方法还包括下列步骤：

将所述角度编码器的数字讯号按照数理定律建立圆周运动和直线运动的 严格对应关系和转换规律进行实时“圆/线”变换；

在转换后，按照所述数码讯号计算出所述三维螺旋轴的末端在直槽中相应 的理论位置讯号；

所述直线编码器检测了所述三维螺旋轴的末端在所述直槽中的实际位置；

将所述两个位置在分析比较模块中作比较，得到差值讯号，以便驱动所述 伺服动力系统消除所述差值，从而实现对所述三维螺旋轴的末端的动态支承和 助推。

较佳地，在上述方法中，在所述三维螺旋轴的末端的实际位置比理论位置 落后了或超前了的情形下，所述分析比较模块输出相应的校正讯号，驱使所述 伺服动力系统增速或减速以弥补差距。

较佳地，在上述方法中，所述“圆/线”转换和动态支承的数学模型是： 在静态时，把头尾两个编码器的起始点对齐；在动态中，假如头端某一瞬间的 转角为u，当时的末端理论位置距起始点的距离为W，二者的数学关系是： W＝L/2*(1-cosu)，其中，L是末端上下往复运动的总行程，也就是末端螺旋幅 度r的两倍。

较佳地，在上述方法中，所述伺服动力系统中的伺服马达的速度V与如 下因素有关：V＝k1*du/dt*sinu，而加速度与k2*D有关，其中，k1,k2是系数， du/dt是螺旋轴的瞬时角速度，D是分析比较单元输出的差值讯号。

较佳地，在上述方法中，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时， 在所述仿生动力鱼的头部采用数字手段进行“圆/线”变换，以所述三维螺旋轴 的末端的所述直线编码器配合，在所述三维螺旋轴的末端用所述伺服动力系统 驱动滚珠丝杆，由此对所述三维螺旋轴的末端进行支承和助推。

较佳地，在上述方法中，当采用机械手段作“圆/线”变换来实现跟随时， 在所述仿生动力鱼的头部采用机械式“圆/线”变换技术，用软轴传动到所述三 维螺旋轴的末端，驱动滚珠丝杆，由此对所述三维螺旋轴的末端进行支承和助 推。

较佳地，在上述方法中，当采用机械手段作“圆/线”变换来实现跟随时， 在所述仿生动力鱼的头部采用机械式“圆/线”变换技术，用软轴传动到所述三 维螺旋轴的末端，驱动拉索卷绕机构，由此对螺旋轴末端进行支承和助推。

根据本发明的另一个方面，提供了一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的装 置，包括：

三维螺旋轴，所述三维螺旋轴延伸穿过所述仿生动力鱼的全部鱼身；

开槽肋板阵列，所述开槽肋板阵列将所述三维螺旋轴旋转时的三维正弦状 波动变换成仿鱼二维正弦状横波波动；

数字式或机械式“圆/线”变换器，所述数字式或机械式“圆/线”变换器 将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动进行变换，以使所述三维螺旋轴的末端的 直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随；以及

动态支承系统，所述动态支承系统用于承托所述三维螺旋轴的所述末端。

较佳地，在上述装置中，当采用数字式“圆/线”变换器时，所述装置还 包括：

角度编码器，所述角度编码器联结在所述三维螺旋轴的头部的动力区；

直线编码器，所述直线编码器安装在所述仿生动力鱼的尾部，用于测量所 述三维螺旋轴的末端的实际位置；以及

伺服动力系统，所述伺服动力系统用于驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端 的位置。

较佳地，在上述装置中，所述三维螺旋轴由高强度轻质抗锈材料制成。

较佳地，在上述装置中，所述三维螺旋轴从螺旋起点开始直径由粗到细。

较佳地，在上述装置中，所述三维螺旋轴是逐段装配式。

较佳地，在上述装置中，所述开槽肋板阵列由多档垂直于所述三维螺旋轴 的中心线的单肋板(A)构成，各档肋板之间经由上下过桥和转动关节而链接， 并彼此之间保持一定距离，且前后连成一串，所述每档肋板以上下关节的中心 线为转轴而相对前一档肋板自由摆动。

较佳地，在上述装置中，沿所述单肋板的中心线要开直槽，其槽宽等于螺 旋轴上轴承的直径加上一定的间隙。

较佳地，在上述装置中，所述槽的内侧要加工成光滑圆弧状，槽长要略超 过所述三维螺旋轴转动时在开槽方向的摆动幅度。

较佳地，在上述装置中，所述开槽肋板阵列由多档两块窄板平行相对为一 组的双肋板(B)构成。

较佳地，在上述装置中，所述两块窄板间相隔的距离就是直槽的宽度。

较佳地，在上述装置中，所述肋板由高强度轻质抗锈且表面滑润的材料制 成。

较佳地，在上述装置中，所述肋板的最大摆动角度不超过45度。

较佳地，在上述装置中，所述多档肋板为12档肋板。

由于具备本发明的上述技术方案，本发明的优点是技术方案极其简练：仅 用一根三维螺旋轴就驱动了从鱼头开始一直到鱼尾的全部鱼身，中间没有任何 电机或复杂的机械部件。而且，在模拟鲫鱼/鲤鱼之类的鱼类的游动时能够毫不 费力地设置多达20个关节，或在模拟鳗鱼之类的鱼类的游动时设置40多个关 节，因而能够把真鱼在常态游动时所具备的各种参数完美地体现出来，从而能 以最小的代价较为逼真地模拟真鱼游动。即便要获得不同的游动姿态和性能， 或者要采用最新的水下动力学研究成果，也只需要改变螺旋轴的相应参数就可 实现，如此就给今后的发展和提高以及推广和普及创造了良好的条件。

附图说明

图1示出了三维螺旋线及其参数；

图2是示出了将圆周运动分解成两个相互垂直的正弦运动的曲线图；

图3示出了三维螺旋轴穿过开槽肋板列阵的侧视图和俯视图；

图4示出了本发明一较佳实施例的采用数字技术的螺旋轴末端动态支承 和助推系统(方案一)；

图5示出了本发明一较佳实施例的机械式“圆/线”变换器；

图6示出了本发明另一较佳实施例的螺旋轴末端动态支承和助推系统(方 案二)；

图7示出了本发明又一较佳实施例的螺旋轴末端动态支承和助推系统(方 案三)；

图8示出了A型肋板和B型肋板，其中图8的左半部分示出了A型肋 板，图8的右半部分则示出了B型肋板；

图9示出了肋板列阵及其过桥和转动关节的侧视图和俯视图；以及

图10示出了本发明较佳实施例的三维螺旋轴驱动仿生动力鱼装置。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本 发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范 围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。附图中，相同的元件 用相同或相似的附图标记来标示。

一.关于本发明的方法和原理

技术要点：

a.三维螺旋轴与开槽肋板列阵配合驱动仿生鱼全身游动；

b.采用数码或机械函数变换技术来构建不同运动规律物体间的主从动态 跟随系统；

c.数字式“圆/线”变换技术；

d.机械式“圆/线”变换技术。

1.用三维螺旋轴实现仿鱼运动的方法和原理。

仿生动力鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，进行环境数据收集。其 模仿鱼类外形和运动规律的目的是未来实现鱼类高效的游动效率和良好的机 动性，所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。

经过数千万年的进化，在自然界中，鱼的运动方式具有快速高效的特点， 鱼在常态游动时，全身主要是作正弦状二维横波摆动以产生推力。在现有技术 中，如上述中科院自动化所的发明专利CN1595312A，采用了仿生鱼后部的4 －6个关节摆动来模仿真鱼。然而，在本发明中则是鱼头以后的全身关节(多 达20个或以上)作正弦状摆动，其极大地提高了仿生鱼的仿真程度。

本发明的方法和原理如下：

图1示出了三维螺旋线及参数。在发明中，如图1所示，当“三维螺旋轴” 转动时，在空间产生正弦状三维横波波动，该三维横波波动可看作是三个正弦 运动的合成，其波动传播的方向取决于轴的旋转方向。我们要设法取出其中有 用的二维波动。

如图1所示，数学上的“三维螺旋线”系从圆锥体的顶点出发沿着圆椎体 表面有规律地朝向底面盘旋的一根曲线。该三维螺旋线的整体在绕其中心线Z 旋转时，螺旋上的任意一点在空间以该点在中心线上的垂足为圆心作垂直于中 心线的平面圆周运动。

图2示出了平面圆周运动分解成两个相互垂直的正弦运动的曲线图。如 图2所示，该平面圆周运动可以分解为直角坐标系中X和Y两个方向的正弦 运动。我们需要从中只取用一个方向的正弦运动来与轴向正弦运动相合成。

在本发明中，“三维螺旋轴”与“开槽肋板列阵”相配合就能够使螺旋轴 在旋转时平行于肋板直槽方向的正弦运动被滤除，而只有垂直于直槽方向的正 弦运动才可推动槽板作正弦规律的左右摆动。所有开槽肋板的直槽在任何时候 相互平行和对齐，直槽中心点的投影始终落在螺旋轴中心线Z上。

图3示出了三维螺旋轴穿过开槽肋板列阵的侧视图和俯视图。如图3所示。 在开槽肋板列阵中，诸肋板相隔一定间距，前后链接，且有规律地分布在螺旋 轴轴向波动的各个相位点上，从而构成了开槽肋板列阵。螺旋轴从各档肋板的 直槽中穿过。当螺旋轴旋转一周，则所有的肋板随即在槽的两侧方向摆动一个 周期。当螺旋轴连续转动时，螺旋轴的轴向正弦运动就会把这种摆动传播出去， 由此很好地实现了仿生鱼的正弦状二维横波摆动。其原理类似于物理学中的偏 光镜，把自然光中相互垂直的电磁横波过滤成单向的偏振光。

相比现有技术中的其它智能鱼体关节方案，本发明是极其简练的，除了任 何方案都必须具备的肋板和关节件之外，本发明只需要一根螺旋轴穿过整个仿 生鱼的鱼体全身就能驱动所有的关节，而无需其它机电部件。比如在上述中科 院自动化所的CN1595312A发明《多关节仿生鱼的运动控制方法》中，每个关 节都要采用一个特殊电机，配合以繁琐的机械结构，并用电脑系统控制，还必 须配备内置电源才能操控一切运作，但其关节数量其实也仅有4－6个，远远 及不上本发明所能设置的关节数量。而本发明根本不需要这些繁琐的机电部 件，本发明不仅结构简练且轻质，而且其关节数量却可以比现有技术设置得多 得多，比如：对于鲫鱼/鲤鱼之类的鱼类可有至少20个关节，对于鳗鱼之类的 鱼类则可有至少40个关节。因此，较现有技术而言，本发明不仅对于真鱼的 模拟程度极高，而且还能够用最普通的旋转动力(甚至于人力脚踏)作为动力 源，从而具备极其广泛地普及推广的优势。

当然，如果需要仿生鱼的鱼体按左右摆动前进，则需开设垂直向直槽。如 果要模拟海豚式的上下游动，则要需要将所有的肋板(即整个鱼身)转过九十 度，那样直槽就呈水平向设置了。

根据本发明的方法和原理，通过调整螺旋轴的有关参数，比如螺距，幅度 等，就能够获得不同的仿鱼游动姿态和性能。

2.三维螺旋轴末端的动态支承和助推方法和原理。

“末端动态支承和助推系统”是本发明的重要组成部分，其是为了解决本 发明中三维螺旋轴末端需要刚性支承的问题。本发明总共有三种技术方案，其 中采用数码技术的“方案一”是对国际上流行的“同步位置跟随”技术 (Synchronous Position Follower)的扩充和发展。通常，“同步位置跟随”技术是 使两个完全没有机械联系的旋转体(二者都必须是圆周旋转体)建立起相当精 确的主从角位移快速跟随关系。然而，此项技术并不足以解决本发明中螺旋轴 末端的支承和助推问题，因为在本发明中，末端在肋板直槽中是作往复直线运 动的，如何去跟随头端的圆周运动俨然是个新挑战。

图4示出了本发明一较佳实施例的采用数字技术的螺旋轴末端动态支承 和助推系统(方案一)。如图4所示，本发明的关键之处就在于把头端角度编 码器测得的动态角度讯号用数码技术进行实时“圆/线”变换，得出准确的末端 理论位置信息，然后与尾部直线编码器测得的末端实际位置信息相比较，得到 差值讯号D，进而驱动末端执行机构去消除这个差值，以便实现对末端的动态 支承和助推。

图5示出了本发明一较佳实施例的机械式“圆/线”变换器，“末端动态 支承和助推系统”的另外两个方案、即方案二和方案三则是采用了图5所示的 机械式“圆/线”变换器来实现目标，也属于本发明的独创之处(详见下文中的 “变型例”)。

具体地讲，为了使仿生鱼的尾部能强劲地拍打水，螺旋轴末端要在一定空 间内作较大幅度地圆周运动，因此必需要加强支承。尽管现代科技中的机械加 工和安装技术确实已经能够给予螺旋轴以很强的刚度了，但如果缺少支承，长 期负重运行下还是会难免出现下垂或偏心等问题。为此，本发明提供了三个方 案的动态支承系统，在运动中给予螺旋轴的末端以准确的支承和助推，由此作 为对仿生鱼动力主体的一种辅助。

由于问题的复杂性，国际上流行的“同步位置跟随”技术(Synchronous PositionFollower)只适用于两个都是旋转体的场合，而尚不能解决本发明中螺 旋轴末端的支承和助推问题，这是因为末端在直槽里是作直线往复运动，不能 简单地跟随头端的圆周运动的缘故。

如图4和10所示，本发明的方案一就采用了数码技术来实现跟随，包括： 在螺旋轴头部的动力区联结头端角度编码器；在尾部安装用于测量末端实际位 置的直线编码器；以及设置驱动和矫正末端位置的伺服动力系统。头端角度编 码器的数字讯号首先要经过实时“圆/线”变换，这种变换就是按照数理定律建 立圆周运动和直线运动的严格对应关系和转换规律。转换后，按照头端转角的 数码讯号就可计算出末端在直槽中相应的理论位置讯号。螺旋轴末端的直线编 码器实测了末端在直槽中的实际位置。将两个位置讯号在“分析比较模块”中 作比较，如果末端的实际位置比理论位置落后了或超前了，则“分析比较模块” 就输出相应的校正讯号D，驱使末端的伺服电机立即增速或减速，以弥补差 距。只要整个系统的响应足够快，螺旋轴的末端就能很好地跟随头端的圆周运 动。

为此，在本发明的方案一中，在尾部扩大肋板直槽宽度，在槽的中心垂直 安装螺距适中的轻便滚珠丝杆及其滚珠螺母，其工作长度足够涵盖螺旋轴旋转 时末端在直槽内槽长方向的动程。离丝杆不远处与滚珠丝杆严格平行地设置有 光轴导轨和具有足够长度的直线编码器。滚珠丝杆的下端由轻巧的伺服马达所 驱动。编码器和伺服马达的柔软的电缆分别通过所有肋板的上下辅助横槽穿到 鱼头区域。平行于滚珠丝杆的光轴穿过滚珠螺母的后突部分作为导轨，而前突 部分则是个套筒，该套筒的内圆孔道以适当的间隙容纳并助推螺旋轴末端的 球，该球较佳地由黄铜制成。

当螺旋轴旋转时，位于鱼尾处的伺服马达同步地驱动螺旋轴末端沿滚珠丝 杆作上下往复运动。从我们选定的零相位点开始，鱼的头端旋转第一个半圆， 其螺旋轴末端则在滚珠丝杆上从最高点下降至最低点。鱼的头端旋转第二个半 圆，其螺旋轴末端则从最低点上升至最高点。假如鱼的头端匀速旋转，则角速 度是常数，角位移等值增加。此时，螺旋轴末端在槽内作直线运动但不是匀速 运动，其速度的大小和方向是以正弦规律周期性地变化着的。我们允许头端以 非匀速转动。

当整个系统具有足够高的响应速度，则螺旋轴末端就能在平行于直槽方向 得到动态的有效支承和助推。

“圆/线”转换和动态支承的数学模型是：在静态时，使位于鱼头和鱼尾 处的两个编码器的起始点(零点)对齐；在动态时，假如鱼的头端在某一瞬间 的转角为u，当时的末端理论位置距起始点的距离为W，则二者的数学关系 是：W＝L/2*(1-cosu)，其中，L是末端上下往复运动的总行程，也就是末端螺 旋幅度r的两倍。执行机构中伺服马达的速度V与如下因素有关：V＝ k1*du/dt*sinu，而加速度与k2*D有关，其中，k1，k2是系数，du/dt是螺旋 轴的瞬时角速度，D是分析比较单元输出的差值讯号。倘若末端实际位置落后 于理论值，则D为正值，需要加速；而倘若末端实际位置超前于理论值，则 D为负值，需要减速。因此，D的绝对值决定了加速度/负加速度的量值。

实施上述系统的主要技术保障是：整条仿生鱼的肋板列阵要有可靠的机械 链结，其既可以在垂直于直槽的方向能灵活摆动，又能够在平行于直槽的方向 有很好的刚度。关键部分是肋板过桥的上下关节，需要灵活且牢固。现代科技 中的机械加工和安装技术可以满足这个要求。

动态支承和助推系统还有两个简化方案(详见下文中的“变型例”)，在 实际应用中可按情况在三个方案中选用。

以上“动态支承和助推”的原理也可以推广应用到机械、自控或遥控等等 其它领域。对于若干个完全没有机械联系的运动体，不管各自是在作哪种形态 的运动、比如直线形、圆周形、波浪形、利萨如图形等等，只要那些运动都有 规律可循，各种运动规律之间又能够建立起稳定的数学关系，那么就可以通过 数理变换和机电手段构建起动态跟随系统，实现虚拟的动态支承和助推。在目 前的现有技术中还尚未发现有类似的技术和应用。

在目前已有的各类多关节仿生鱼的设计中，几乎所有的设计都是依靠关节 的牢固来维持鱼体的机械稳定的，而并没有考虑末端支承问题，这也确实是本 发明所独有的。

归纳本发明的原理就是两个变换：一、将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状 波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；二、将螺旋轴头端的 圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使末端的直线往复运动 能够与头端的圆周运动相跟随。

二.关于本发明的装置

技术要点：

a.三维螺旋轴的设计和分区；

b.两种肋板的设计；

c.三维螺旋轴与肋板的动态配合设计。

1.三维螺旋轴的材料、参数和几个组成区域：

图9示出了肋板列阵及其过桥和转动关节的侧视图和俯视图，以及图10 示出了本发明较佳实施例的三维螺旋轴驱动仿生动力鱼装置。

三维螺旋轴由高强度轻质抗锈材料制成。从螺旋起点开始直径由粗到细。 可以是逐段装配式。如图1和9所示，该三维螺旋轴的主要参数有：中心线Z， 轴头p，螺旋起始点o，螺距T，轴上某一点x到中心线的垂直距离r(简称幅 度)，x点到螺旋起始点o的直线距离R，垂足到o点的距离z,径向扩张度s等 参数。

1.1通过对螺旋轴参数的设置和调整，就可以模拟鱼的多种游动姿态。比 如：要求鱼头部分基本不动，鱼尾比鱼身摆幅稍大，则可采用如下安排，如图 9所示，：

a.动力区，从轴头p到螺旋的起点o，这是螺旋轴的直线段。在轴头或本 区的中部连接旋转动力源，比如普通引擎、普通电机、甚至人的脚踏动力(因 而之所以能够推广到寻常的生产和生活中)。还要在靠近p点和靠近o点安排 前后两套加强轴承，用以保证整个螺旋轴的灵活转动和稳定。如需要安装动态 支承系统，则还需要联结一只角度编码器或机械式“圆/线”变换器。

b.引导区，从螺旋起点o开始，设置一个合理的径向扩张度s和初始螺 距T1，螺旋幅度r从零开始逐步加大，螺距T也小幅增加，一直到鱼身中部 摆动需要的幅度和螺距，这是为了减小鱼头部分的摆动和减少前进中水的阻 力。

c.鱼身区，这是螺旋轴中较长的一段，具有相对稳定的幅度r和螺距T， 它驱动处于鱼身中部数量较多的肋板。

d.鱼尾区，为了增加推力和提高效率，鱼尾的摆动曲率和幅度可以比鱼 身的略大，需要把这一段螺旋轴的螺距T适当缩小，幅度r适当增大(参见图 9的尾部)。螺旋轴的末端由“动态支承系统”承托。

1.2如果希望鱼身的摆动幅度从头到尾连续增大，那就缩小鱼身区，扩大 鱼尾区。这时螺旋轴就接近于数学上的标准三维螺旋线。

1.3在整个鱼身中，螺旋轴上前后的螺距、幅度等参数都不一定是常数。 轴向的一个准正弦波波长相当于一个平均螺距。如要模拟大多数尾部摆动明显 的鱼，如鲫鱼、鲤鱼之类的鱼类等，则可为螺旋轴全长设计1.25--1.5个平均螺 距，尾部的局部螺距小于全身平均值，而尾部的螺旋幅度略大于全身平均值。 如要模拟鳗鱼之类的鱼类以身体摆动为主的游动，则要设计螺距数较多的螺旋 轴，也就是鱼身有多个完整的正弦波波长。

2.肋板的设计和各种要求

图8示出了A型肋板和B型肋板，其中图8的左半部分示出了A型肋 板，图8的右半部分则示出了B型肋板。开槽肋板列阵是把三维螺旋轴的三 维波动转化为仿生鱼所需的二维波动的关键部件。肋板的材料应由高强度轻质 抗锈且表面滑润的材料制成。如图8所示，肋板的轮廓接近于鱼身的横截面。 根据不同的应用，肋板设计有三种形式：平面基本型，常用于基本原理叙述及 其样机；垂直于螺旋轴中心线的单肋板A(参见图8的左半部分)；以及两块 窄板平行相对为一组的双肋板B(参见图8的右半部分)。

2.1对于A型肋板，如图8的左半部分所示，沿肋板中心线要开直槽，其 槽宽等于螺旋轴上轴承的直径加上合理的间隙，螺旋轴上与肋板直槽接触的区 域要装合适的轴承，以便减少摩擦损耗。相应的螺旋轴表面要做便于安装轴承 的预处理。槽内侧要加工成光滑圆弧状，槽长要略超过螺旋轴转动时在开槽方 向的摆动幅度。除了动力区，整个鱼身需要设置多档肋板。各档肋板之间经由 上下过桥和转动关节而链接，并保持一定的距离，前后连成一串，以此形成列 阵。每一档肋板可以以上下关节的中心线为转轴而相对前一档肋板自由摆动。 在工作中，肋板实际摆动的角度是受螺旋轴控制的。关节中心线与螺旋轴中心 线相垂直，与肋板直槽相平行。从图9中可以清楚地看到，所有的各档肋板的 关节中心线相互严格平行，第一档肋板的关节中心线要通过螺旋轴的螺旋起点 o。对其余肋板的关节中心线均有要求，肋板形状也可变化(这将在下文中详 述)。

2.2对于B型肋板，如图8的右半部分所示，两块窄板间相隔的距离就 是直槽的宽度，螺旋轴上与这种窄板内壁接触的区域在轴承外要装一个球，该 球最好由黄铜制成，该球的直径加上合理的间隙就是槽宽。其余要求与A型板 类同。

2.3为使螺旋轴能够转动顺畅，肋板数量的选取和肋板之间距离的设置需 要遵循以下原则：

a.在引导区，肋板在螺旋轴的驱动下，其最大摆动角度应由小到大。比 如：第一肋板的最大摆动角设计为左右两边共15度，第二肋板为30度，第三 肋板为45度，最大不宜超过45度。

b.在鱼身区和鱼尾区，每组肋板的最大摆动角度不要太大，最好不要超 过45度。

c.螺旋轴上每一个螺距，能够产生鱼身轴向正弦状波动的360度相位， 则必需要安排足够多的肋板。至少要安排12档肋板，肋板之间的轴向相位差 最好不要超过30度。如果轴的螺旋幅度r较大，那么就要缩小肋间距，这样 才能确保每档肋板的最大摆动角度不超过45度。

d.在鱼尾区，因为螺距T缩小和螺旋幅度r加大，也要适当缩小肋间距 和相应增加肋板数量(参见图9所示的尾部)。

3.螺旋轴与肋板的动态配合

3.1对于如图8的左半部分所示的A型肋板，为了降低与螺旋轴的摩擦损 耗，肋板不完全呈平面状，其直槽区域要加工成向后弯曲的圆柱面形状，肋板 槽的轴向投影还是直线，但侧向投影已变成部分圆弧线。圆柱面的半径可以取 直槽中心点到螺旋轴上螺旋起点o的直线距离，肋板的直槽内侧要求加工成光 滑圆弧状，从第二肋板开始，所有肋板的关节中心线要通过上一肋板圆柱面的 中部(参见图9)。

3.2对于如图8的右半部分所示的B型肋板，材料要求与A型肋板类同， 两块平行窄板之间的区域就是直槽，为了降低摩檫损耗并使螺旋轴与肋板更好 的动态配合，螺旋轴上与肋板的接触区域在滚动轴承外要安装驱动球(该球较 佳地由黄铜制成)，两块窄板间的距离是驱动球的直径加上合理的间隙(参见 图8的右半部分)。窄板的长度和宽度要涵盖螺旋轴上驱动球与之接触的运动 范围。显然，鱼头部的窄板宽度比鱼尾部的大。采用B型肋板有助于固定鱼 的表皮，增加鱼身的圆滑度以减少水的阻力。

3.3表皮要采用具有200％以上拉伸率的高弹、水密、高水滑性(比如比 赛游泳衣的材料)、长寿命和可黏合的材料。

总之，在本发明的上述方案一中，在头部用数字技术进行“圆/线”变换， 以末端的直线编码器配合，在末端用伺服电机驱动滚珠丝杆，由此对螺旋轴末 端进行支承和助推。本发明的方案一属于闭环自控型，虽然其复杂了些，但却 是精度最高的。

另外，除上述方案一之外，动态支承和助推系统还有以下两个简化方案， 在实际应用中可在三个方案中按情况选用：

变型例一

方案二：图6示出了本发明另一较佳实施例的螺旋轴末端动态支承和助推 系统(方案二)，其中省去所有的电子器件和伺服马达，设计一套机械式“圆 /线”转换器(参见图5)，螺旋轴每转一圈，转换器完全同步地输出一个正弦 周期的正转和反转机械动力，此动力经细长的软轴传送到尾部的滚珠丝杆下端 的伞形齿轮箱。如果初始点校正好，速比计算准确，软轴的传递损失也得到补 偿，那么这套系统也能对末端起到动态支承和助推的作用。

如图6所示，在本发明的方案二中，在仿生鱼的头部采用机械式“圆/线” 变换技术，用软轴传动到末端，驱动滚珠丝杆，由此对螺旋轴末端进行支承和 助推。本发明的方案二属于开环控制，较为简便，但精度不及上述方案一。

变型例二

方案三：图7示出了本发明又一较佳实施例的螺旋轴末端动态支承和助推 系统(方案三)，其中省去所有电子器件和伺服马达，保留机械式“圆/线”变 换器和传动软轴。尾部把滚珠丝杆及其螺母改成光轴和“滑块”，保留原来的 光轴穿过“滑块”后突部分作为导轨，“滑块”的前部也是个套筒，螺旋轴末 端的黄铜球进入套筒的圆孔道。在方案二的伞形齿轮箱部位装一台拉索卷绕 器。拉索的二个头经过滑轮分别与上述“滑块”的上下部联结。如果初始点校 正好，速比计算准确，软轴的传递损失也得到补偿，那么拉索就能与螺旋轴旋 转相同步地上下拉动“滑块”，实现对螺旋轴末端的支承和助推。

如图7所示，在本发明的方案三中，在仿生鱼的头部采用机械式“圆/线” 变换技术，用软轴传动到末端，驱动拉索卷绕机构，由此对螺旋轴末端进行支 承和助推。本发明的方案三也属于开环控制，较为简便，但精度要更弱于上述 方案二。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的 上述讲授内容之后，熟悉本领域的技术人员易于想到其它的优点和修改。因此， 在其更宽泛的方面上来说，本发明并不局限于这里所示和所描述的具体细节和 代表性实施例。因此，本领域技术人员能够将上述实施方式的要素进行合理的 组合或者改动，以便在不脱离如所附权利要求书及其等价物所限定的本发明总 的发明概念的精神或范围的前提下作出各种修改。

附图标记说明：

4.1 旋转动力

4.2 同步带

4.3 角度编码器

4.4 肋板

4.5 “圆/线”变换

4.6 分析比较模块

4.7 伺服马达驱动

4.8 三维螺旋轴

4.9 直线编码器讯号电缆(穿过上部辅助横槽)

4.10 电机电缆(穿过辅助横槽)

4.11 直线编码器

4.12 滚珠丝杆

4.13 滚珠螺母组件

4.14 光轴导轨

4.15 伺服马达

4.16 套筒

4.17 黄铜球

5.1 驱动臂

5.2 滑臂

5.3 脚踏板(×2)

5.4 机械式“圆/线”变换器

5.5 输出同步带

5.6 直线轴承(×8)

5.7 输入同步带

5.8 圆周运动输入端(与螺旋轴1:1同步)

5.9 光轴导轨(×4)

5.10 “圆/线”变换后的输出(软轴)

6.1 旋转动力

6.2 同步带

6.3 关节中心线

6.4 肋板

6.5 过桥

6.6 三维螺旋轴

6.7 机械式“圆/线”变换器(及速比校正)

6.8 传动软轴(穿过辅助横槽)

6.9 伞形齿轮箱(转90°传动)

6.10 滚珠丝杆

6.11 滚珠螺母组件

6.12 光轴导轨

7.1 旋转动力

7.2 同步带

7.3 关节中心线

7.4 肋板

7.5 过桥

7.6 三维螺旋轴

7.7 机械式“圆/线”变换器(及速比校正)

7.8 传动软轴(穿过辅助横槽)

7.9 拉索卷绕器

7.10 定滑轮

7.11 光轴导轨

7.12 低伸强拉索

7.13 滑块组件

8.1 过桥

8.2 辅助横槽

8.3 轴承

8.4 螺旋轴

8.5 直槽

8.6 辅助孔

8.7 关节中心线

8.8 黄铜球

8.9 轴承

9.1 过桥

9.2 (6号肋板)关节中心线

10.1 数码处理及伺服驱动

10.2 光轴导轨及背后的直线编码器

10.3 螺旋轴

10.4 普通旋转动力

10.5 角度编码器

10.6 机械式“圆/线”变换器

10.7 肋板间的过桥和关节

10.8 开槽平面肋板

10.9 伺服电机

10.10 滚珠丝杆和滚珠螺母组件

Claims (22)

1.一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括以下步骤：

将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及

将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时，所述方法包括下列步骤：

在所述三维螺旋轴的头部的动力区联结角度编码器；

在所述仿生动力鱼的尾部安装用于测量所述三维螺旋轴的末端的实际位置的直线编码器；以及

设置驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端的位置的伺服动力系统。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤：

将所述角度编码器的数字讯号按照数理定律建立圆周运动和直线运动的严格对应关系和转换规律进行实时“圆/线”变换；

在转换后，按照所述数码讯号计算出所述三维螺旋轴的末端在直槽中相应的理论位置讯号；

所述直线编码器检测了所述三维螺旋轴的末端在所述直槽中的实际位置；

将所述两个位置在分析比较模块中作比较，得到差值讯号，以便驱动末所述伺服动力系统消除所述差值，从而实现对所述三维螺旋轴的末端的动态支承和助推。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述三维螺旋轴的末端的实际位置比理论位置落后了或超前了的情形下，所述分析比较模块输出相应的校正讯号，驱使所述伺服动力系统增速或减速以弥补差距。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述“圆/线”转换和动态支承的数学模型是：在静态时，把头尾两个编码器的起始点对齐；在动态中，假如头端某一瞬间的转角为u，当时的末端理论位置距起始点的距离为W，二者的数学关系是：W＝L/2*(1-cosu)，其中，L是末端上下往复运动的总行程，也就是末端螺旋幅度r的两倍。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述伺服动力系统中的伺服马达的速度V与如下因素有关：V＝k1*du/dt*sinu，而加速度与k2*D有关，其中，k1,k2是系数，du/dt是螺旋轴的瞬时角速度，D是分析比较单元输出的差值讯号。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时，在所述仿生动力鱼的头部采用数字手段进行“圆/线”变换，以所述三维螺旋轴的末端的所述直线编码器配合，在所述三维螺旋轴的末端用所述伺服动力系统驱动滚珠丝杆，由此对所述三维螺旋轴的末端进行支承和助推。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用机械手段作“圆/线”变换来实现跟随时，在所述仿生动力鱼的头部采用机械式“圆/线”变换技术，用软轴传动到所述三维螺旋轴的末端，驱动滚珠丝杆，由此对所述三维螺旋轴的末端进行支承和助推。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用机械手段作“圆/线”变换来实现跟随时，在所述仿生动力鱼的头部采用机械式“圆/线”变换技术，用软轴传动到所述三维螺旋轴的末端，驱动拉索卷绕机构，由此对螺旋轴末端进行支承和助推。

10.一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的装置，包括：

三维螺旋轴，所述三维螺旋轴延伸穿过所述仿生动力鱼的全部鱼身；

开槽肋板阵列，所述开槽肋板阵列将所述三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动变换成仿鱼二维正弦状横波波动；

数字式或机械式“圆/线”变换器，所述数字式或机械式“圆/线”变换器将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动进行变换，以使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随；以及

动态支承系统，所述动态支承系统用于承托所述三维螺旋轴的所述末端。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，当采用数字式“圆/线”变换器时，所述装置还包括：

角度编码器，所述角度编码器联结在所述三维螺旋轴的头部的动力区；

直线编码器，所述直线编码器安装在所述仿生动力鱼的尾部，用于测量所述三维螺旋轴的末端的实际位置；以及

伺服动力系统，所述伺服动力系统用于驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端的位置。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述三维螺旋轴由高强度轻质抗锈材料制成。

13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述三维螺旋轴从螺旋起点开始直径由粗到细。

14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述三维螺旋轴是逐段装配式。

15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述开槽肋板阵列由多档垂直于所述三维螺旋轴的中心线的单肋板(A)构成，各档肋板之间经由上下过桥和转动关节而链接，并彼此之间保持一定距离，且前后连成一串，所述每档肋板以上下关节的中心线为转轴而相对前一档肋板自由摆动。

16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，沿所述单肋板的中心线要开直槽，其槽宽等于螺旋轴上轴承的直径加上一定的间隙。

17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述槽的内侧要加工成光滑圆弧状，槽长要略超过所述三维螺旋轴转动时在开槽方向的摆动幅度。

18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述开槽肋板阵列由多档两块窄板平行相对为一组的双肋板(B)构成。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述两块窄板间相隔的距离就是直槽的宽度。

20.如权利要求15或18所述的装置，其特征在于，所述肋板由高强度轻质抗锈且表面滑润的材料制成。

21.如权利要求15或18所述的装置，其特征在于，所述肋板的最大摆动角度不超过45度。

22.如权利要求15或18所述的装置，其特征在于，所述多档肋板为12档肋板。