CN108839783A - 一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体为一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法，解决了现有仿生机器鱼存在速度较低、仿生效果差、结构复杂且效率低下的问题。鱼体后壳的尾部设置有尾鳍，鱼体前壳的左右两侧设置有胸鳍，鱼体前壳内设置有升潜机构和拍动机构，鱼体后壳内设置有振动机构；拍动机构包括减速电机和传动轴，传动轴的两端均设置有曲柄，曲柄上设置有连杆；升潜机构包括舵机和配重块，配重块上端设置有L型连杆，舵机输出轴上设置有舵盘；振动机构包括振动盘，振动盘上设置有主动轴和从动轴，主动轴上设置有偏心轮I，从动轴上设置有偏心轮II，主动轴上设置有伺服电机。本发明实现了仿生机器鱼直游、转向、上浮、下潜等运动，同时提高了水下运动的能力。

Description

一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下仿生领域，具体为一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法。

背景技术

随着国家的经济不断发展，航海强国和海洋强国等意识越来越深入人心；陆上资源的不断减少、海洋资源的开发与利用也逐渐被重视起来。而作为国家海洋事业的重要组成部分，水下机器人能完成包括水下侦查、跟踪、勘测、救捞和检测在内的多项任务，传统的水下航行器一般采用螺旋桨式推进装置，其不可避免的带来了能耗多、效率低、噪声大和机动性差等问题，离尖端的水下机器人的要求相差甚远，然而鱼类作为水下生物进化亿万年的佼佼者，其游动过程中表现的高效性、快速性、机动性和低噪声正好解决了传统水下机器人存在的问题。因此，近几十年来，仿生机器鱼的研究工作引起了众多学者的关注和重视，人们希望通过研制出接近真实鱼类的仿生机器鱼，来适应复杂的水下环境，以进行各项水下工作。

鱼的游动方式多种多样，但按照尾鳍的长度和摆动的频率归结起来大致可分为三类：1、鳗鱼类：像鳗鲡一样通过身体肌肉从头到尾的摆动来产生推进力；2、鲹科鱼类：摆动尾鳍和尾部像鲑鱼、金枪鱼和旗鱼；3、甲胄鱼类：只是摆动尾鳍，但是没有运动尾，像硬鳞鱼。其中鲹科鱼类的游动方式是机动性最好的一种游动方式。

自20世纪90年代，美国麻省理工学院成功研制出世界上第一条机器鱼Robotuna以来，仿生机器鱼的研究一直是世界范围内众多学者关注的热点和难点问题。根据游动时推进所使用身体部位的不同，鱼类的推进模式主要分为两类：身体-尾鳍推进模式和中间鳍-对鳍推进模式。由于通过身体和尾鳍摆动推进的鱼类在游动速度和效率方面有显著的优势，因此，这方面的研究更早开始，研究也更加深入，成果也更加显著。

目前，大多数的机器鱼都采用单个关节驱动或多关节串联的驱动方式，单个关节摆动方式仅仅模仿了部分鱼类的游动方式，但是机器鱼与真实鱼体的生理组织相差甚远，很难在速度和效率上有较大突破，多个关节串联驱动则导致结构复杂，控制困难，效率低下等问题。

发明内容

本发明为了解决现有仿生机器鱼存在速度较低、仿生效果差、结构复杂且效率低下的问题，提供了一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种柔性潜浮式仿生机器鱼，包括鱼体前壳和鱼体后壳，鱼体后壳的尾部设置有尾鳍，鱼体前壳的左右两侧设置有外侧伸出鱼体前壳的胸鳍，鱼体前壳内设置有升潜机构和拍动机构，鱼体后壳内设置有振动机构；拍动机构包括固定在鱼体前壳内的减速电机和位于减速电机上方且水平设置的传动轴，减速电机的输出轴上设置有主动锥齿轮，传动轴上设置有与主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮，且传动轴的两端均设置有曲柄，每个曲柄上设置有一端与其铰接、另一端和与其对应的胸鳍内侧连接的连杆；升潜机构包括固定在鱼体前壳内的舵机和位于舵机下方的配重块，配重块上端设置有底壁与其固定且侧壁穿入舵机输出轴的L型连杆，舵机输出轴上设置有与L型连杆固定的舵盘；振动机构包括涨紧在鱼体后壳内的振动盘，振动盘上设置有主动轴和从动轴，主动轴上设置有主动齿轮和位于主动齿轮轴向两侧的偏心轮I，从动轴上设置有与主动齿轮啮合的从动齿轮和位于从动齿轮轴向两侧的偏心轮II，主动轴上的一端设置有伺服电机。

该结构设计中拍动机构由一个直流减速电机驱动主动锥齿轮转动，进而带动从动锥齿轮、传动轴及曲柄转动，进而实现连杆带动胸鳍高频率的上下摆动；升潜机构中的舵机旋转带动舵盘及L型连杆上下翻转，进而带动配重块转动，实现鱼体整体重心的变化，达到俯仰的目的，配合胸鳍、尾鳍实现鱼体的潜浮；振动机构中的伺服电机转动，带动主动轴、主动齿轮转动，从而带动从动齿轮及从动轴转动，进而带动偏心轮I和偏心轮II转动，将离心振动以力的形式直接作用在鱼体后壳上产生摆动；克服了现有仿生机器鱼存在速度较低、仿生效果差、结构复杂且效率低下的问题。

鱼体前壳和鱼体后壳的鱼背沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳和鱼体后壳的鱼腹沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳的前端点为坐标原点，鱼体前壳的轴线为X轴，鱼体前壳与X轴垂直的水平线为Y轴。

该参数设计制得的柔性潜浮式仿生机器鱼的外形为纺锤形，呈流线型，能有效减小鱼体在水中游动的阻力。经实验鱼体轮廓与此曲线拟合越贴切，越能有效减小鱼体在水中游动的阻力，速度最大可提升5％。

鱼体前壳为刚性结构，鱼体后壳为柔性结构。

鲹科鱼类在游动过程中，其头部和躯干部分由于有较大的质量和转动惯量，其摆动幅度很小，主要摆动都集中在尾部，其尾部的摆动提供至少90％的推进力。因此，本发明采用刚性结构的鱼体前壳连接柔性结构的鱼体后壳的形式。

鱼体前壳和鱼体后壳之间设置有连接隔板，连接隔板的两端面设置有鱼体前壳和鱼体后壳插接于其内的凹槽，凹槽内设置有密封圈且充填有硅橡胶。

鱼体后壳的柔性结构采用的材质为0度硅胶。

鱼类的肌肉附着在骨骼上，肌肉的收缩与舒张牵引着骨骼运动，使鱼体按一定的规律运动，从而使鱼类游动，所以肌肉是产生游动推进力的关键因素。鱼类肌肉在收缩和舒张过程中，产生的力表现为粘弹性力，这一点与粘弹性材料的力学特性接近，采用粘弹性材料能较好的模拟鱼体肌肉组织。故本发明鱼体后壳的柔性材料为具有粘弹性特征的0度硅胶，其材料特性与鱼体组织相似度较高，可以较好的模拟鱼体肌肉组织。

鱼体前壳的前端点设置有开关，鱼体后壳内设置有电池和控制电路。

伺服电机上固定有电机固定筒，振动盘的外边缘设置有与其一体的固定圈，主动轴和从动轴的后端均设置有限位轴承，固定圈上设置有位于其后侧的密封罩。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，所述控制电路包括主控制器、伺服电机驱动电路、减速电机驱动电路、舵机驱动电路及蓝牙模块；主控制器通过伺服电机驱动电路获取鱼体后壳当前的摆动状态信息，并通过蓝牙模块将摆动状态信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的摆动控制指令时，主控制器根据摆动控制指令生成PTO控制信号，该PTO控制信号施加于伺服电机驱动电路，实现伺服电机方向和转速的控制，进而实现偏心轮I和偏心轮II转速的调节及离心力大小、方向的控制，最终控制鱼体后壳的摆动；主控制器通过舵机驱动电路获取舵机的当前角度信息，并通过蓝牙模块将当前角度信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的潜浮控制指令时，主控制器根据潜浮控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于舵机驱动电路，实现舵机的转动，舵机带动L型连杆及配重块上下翻转，鱼体重心改变，实现鱼体的潜浮；主控制器通过减速电机驱动电路获取胸鳍的拍动状态信息，并通过蓝牙模块将拍动状态信息发送至用户端；当主控制器收到用户端通过蓝牙模块传来的拍动控制指令时，主控制器根据拍动控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于减速电机驱动电路，实现减速电机的转动，并通过改变电枢电压的平均值改变减速电机转速的大小，再根据减速电机转速的大小实现胸鳍拍动的频率，最终实现胸鳍的配合运动。

主控制器通过蓝牙模块采集用户端(手机)蓝牙调试助手发出的控制信息，经过相应的控制算法实现对电机运动状态和舵机运动状态的控制，而用于检测电机转速的光电编码器将实时的转速信息反馈给主控制器，实现准确稳定的电机转速控制。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，所述PTO为脉冲控制模式，而PWM为模拟量控制模式；所述伺服电机为闭环控制，而舵机、减速电机为开环控制。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，离心力计算方法如下：m—偏心块的质量(kg)，ω—偏心块的角速度(rad/s)，R_i—偏心块的偏心位移(m)，舵机转动的控制信号为PWM信号，PWM信号的占空比计算方法如下：PWM周期为T，舵机最小工作角度为α，对应高电平持续时间为t₁；舵机最大工作角度为β，对应高电平持续时间为t₂；那么[α,β]工作范围内的任意角度δ高电平持续时间t为：电枢电压的平均值的计算方法如下：—电枢电压的平均值，U—电源电压，导通时间—t₀，脉冲周期—T，α—占空比，

本发明所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼及其控制方法采用离心振动中的双偏心轮机构作为振动激励源嵌入到柔性鱼体后壳内，通过激振源的往复作用力转化成柔性鱼体后壳的摆动，并通过手机蓝牙遥控的方式来进行调速，而且利用舵机旋转带动配重块转动实现鱼体整体重心的变化，达到俯仰的目的，配合胸鳍上下摆动从而实现鱼体的快速潜浮，实现了仿生机器鱼直游、转向、上浮、下潜等运动，同时鱼体轮廓与仿真曲线贴切度极高，有效的减小了鱼体在水中游动的阻力，提高了机器鱼水下运动的能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为图2中升潜机构的结构示意图；

图4为图2中拍动机构的结构示意图；

图5为图2中振动机构的结构示意图。

图中：1-鱼体前壳，2-鱼体后壳，3-尾鳍，4-胸鳍，5-拍动机构，6-升潜机构，7-振动机构，8-减速电机，9-传动轴，10-主动锥齿轮，11-从动锥齿轮，12-曲柄，13-连杆，14-舵机，15-配重块，16-L型连杆，17-舵盘，18-振动盘，19-主动轴，20-从动轴，21-主动齿轮，22-偏心轮I，23-从动齿轮，24-偏心轮II，25-伺服电机，26-连接隔板，27-凹槽，28-密封圈，29-开关，30-电池，31-控制电路，32-电机固定筒，33-固定圈，34-限位轴承，35-密封罩，36-电机支架，37-舵机支架。

具体实施方式

一种柔性潜浮式仿生机器鱼，包括鱼体前壳1和鱼体后壳2，鱼体后壳1的尾部设置有尾鳍3，鱼体前壳1的左右两侧设置有外侧伸出鱼体前壳1的胸鳍4，鱼体前壳1内设置有升潜机构6和拍动机构5，鱼体后壳2内设置有振动机构7；

拍动机构5包括固定在鱼体前壳1内的减速电机8和位于减速电机8上方且水平设置的传动轴9，减速电机8的输出轴上设置有主动锥齿轮10，传动轴9上设置有与主动锥齿轮10啮合的从动锥齿轮11，且传动轴9的两端均设置有曲柄12，每个曲柄12上设置有一端与其铰接、另一端和与其对应的胸鳍4内侧连接的连杆13；

升潜机构6包括固定在鱼体前壳1内的舵机14和位于舵机14下方的配重块15，配重块15上端设置有底壁与其固定且侧壁穿入舵机14输出轴的L型连杆16，舵机14输出轴上设置有与L型连杆16固定的舵盘17；

振动机构7包括涨紧在鱼体后壳2内的振动盘18，振动盘18上设置有主动轴19和从动轴20，主动轴19上设置有主动齿轮21和位于主动齿轮21轴向两侧的偏心轮I22，从动轴20上设置有与主动齿轮21啮合的从动齿轮23和位于从动齿轮23轴向两侧的偏心轮II24，主动轴19上的一端设置有伺服电机25。

鱼体前壳1和鱼体后壳2的鱼背沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳1和鱼体后壳2的鱼腹沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳1的前端点为坐标原点，鱼体前壳1的轴线为X轴，鱼体前壳1与X轴垂直的水平线为Y轴。

鱼体前壳1为刚性结构，鱼体后壳2为柔性结构。

鱼体前壳1和鱼体后壳2之间设置有连接隔板26，连接隔板26的两端面设置有鱼体前壳1和鱼体后壳2插接于其内的凹槽27，凹槽27内设置有密封圈28且充填有硅橡胶。

鱼体后壳2的柔性结构采用的材质为0度硅胶。

鱼体前壳1的前端点设置有开关29，鱼体后壳2内设置有电池30和控制电路31。

伺服电机25上固定有电机固定筒32，振动盘18的外边缘设置有与其一体的固定圈33，主动轴19和从动轴20的后端均设置有限位轴承34，固定圈33上设置有位于其后侧的密封罩35。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，所述控制电路31包括主控制器、伺服电机驱动电路、减速电机驱动电路、舵机驱动电路及蓝牙模块；

主控制器通过伺服电机驱动电路获取鱼体后壳2当前的摆动状态信息，并通过蓝牙模块将摆动状态信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的摆动控制指令时，主控制器根据摆动控制指令生成PTO控制信号，该PTO控制信号施加于伺服电机驱动电路，实现伺服电机25方向和转速的控制，进而实现偏心轮I22和偏心轮II24转速的调节及离心力大小、方向的控制，最终控制鱼体后壳2的摆动；

主控制器通过舵机驱动电路获取舵机的当前角度信息，并通过蓝牙模块将当前角度信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的潜浮控制指令时，主控制器根据潜浮控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于舵机驱动电路，实现舵机14的转动，舵机14带动L型连杆16及配重块15上下翻转，鱼体重心改变，实现鱼体的潜浮；

主控制器通过减速电机驱动电路获取胸鳍4的拍动状态信息，并通过蓝牙模块将拍动状态信息发送至用户端；当主控制器收到用户端通过蓝牙模块传来的拍动控制指令时，主控制器根据拍动控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于减速电机驱动电路，实现减速电机8的转动，并通过改变电枢电压的平均值改变减速电机8转速的大小，再根据减速电机8转速的大小实现胸鳍4拍动的频率，最终实现胸鳍的配合运动。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，所述PTO为脉冲控制模式，而PWM为模拟量控制模式；所述伺服电机25为闭环控制，而舵机14、减速电机8为开环控制。

一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，离心力计算方法如下：m—偏心块的质量(kg)，ω—偏心块的角速度(rad/s)，R_i—偏心块的偏心位移(m)，舵机14转动的控制信号为PWM信号，PWM信号的占空比计算方法如下：PWM周期为T，舵机14最小工作角度为α，对应高电平持续时间为t₁；舵机14最大工作角度为β，对应高电平持续时间为t₂；那么[α,β]工作范围内的任意角度δ高电平持续时间t为：电枢电压的平均值的计算方法如下：—电枢电压的平均值，U—电源电压，导通时间—t₀，脉冲周期—T，α—占空比，

具体实施过程中，鱼体前壳1采用3D打印制作；鱼体后壳2由0度液体硅胶注入模具中凝固而成，0度硅胶混合前分为A胶和B胶，按1:1混合搅拌均匀后，一般在5个小时以内凝固成固体；硅橡胶采用703硅硅橡胶；减速电机8与鱼体前壳1通过固定在鱼体前壳1内的电机支架36固定；舵机14与鱼体前壳1通过固定在鱼体前壳1内的舵机支架37固定。

Claims (10)

1.一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：包括鱼体前壳(1)和鱼体后壳(2)，鱼体后壳(1)的尾部设置有尾鳍(3)，鱼体前壳(1)的左右两侧设置有外侧伸出鱼体前壳(1)的胸鳍(4)，鱼体前壳(1)内设置有升潜机构(6)和拍动机构(5)，鱼体后壳(2)内设置有振动机构(7)；

拍动机构(5)包括固定在鱼体前壳(1)内的减速电机(8)和位于减速电机(8)上方且水平设置的传动轴(9)，减速电机(8)的输出轴上设置有主动锥齿轮(10)，传动轴(9)上设置有与主动锥齿轮(10)啮合的从动锥齿轮(11)，且传动轴(9)的两端均设置有曲柄(12)，每个曲柄(12)上设置有一端与其铰接、另一端和与其对应的胸鳍(4)内侧连接的连杆(13)；

升潜机构(6)包括固定在鱼体前壳(1)内的舵机(14)和位于舵机(14)下方的配重块(15)，配重块(15)上端设置有底壁与其固定且侧壁穿入舵机(14)输出轴的L型连杆(16)，舵机(14)输出轴上设置有与L型连杆(16)固定的舵盘(17)；

振动机构(7)包括涨紧在鱼体后壳(2)内的振动盘(18)，振动盘(18)上设置有主动轴(19)和从动轴(20)，主动轴(19)上设置有主动齿轮(21)和位于主动齿轮(21)轴向两侧的偏心轮I(22)，从动轴(20)上设置有与主动齿轮(21)啮合的从动齿轮(23)和位于从动齿轮(23)轴向两侧的偏心轮II(24)，主动轴(19)上的一端设置有伺服电机(25)。

2.根据权利要求1所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：鱼体前壳(1)和鱼体后壳(2)的鱼背沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳(1)和鱼体后壳(2)的鱼腹沿轴线所在的平面截出的曲线方程为

鱼体前壳(1)的前端点为坐标原点，鱼体前壳(1)的轴线为X轴，鱼体前壳(1)与X轴垂直的水平线为Y轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：鱼体前壳(1)为刚性结构，鱼体后壳(2)为柔性结构。

4.根据权利要求3所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：鱼体前壳(1)和鱼体后壳(2)之间设置有连接隔板(26)，连接隔板(26)的两端面设置有鱼体前壳(1)和鱼体后壳(2)插接于其内的凹槽(27)，凹槽(27)内设置有密封圈(28)且充填有硅橡胶。

5.根据权利要求4所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：鱼体后壳(2)的柔性结构采用的材质为0度硅胶。

6.根据权利要求5所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：鱼体前壳(1)的前端点设置有开关(29)，鱼体后壳(2)内设置有电池(30)和控制电路(31)。

7.根据权利要求6所述的一种柔性潜浮式仿生机器鱼，其特征在于：伺服电机(25)上固定有电机固定筒(32)，振动盘(18)的外边缘设置有与其一体的固定圈(33)，主动轴(19)和从动轴(20)的后端均设置有限位轴承(34)，固定圈(33)上设置有位于其后侧的密封罩(35)。

8.根据权利要求7所述的一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，其特征在于：所述控制电路(31)包括主控制器、伺服电机驱动电路、减速电机驱动电路、舵机驱动电路及蓝牙模块；

主控制器通过伺服电机驱动电路获取鱼体后壳(2)当前的摆动状态信息，并通过蓝牙模块将摆动状态信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的摆动控制指令时，主控制器根据摆动控制指令生成PTO控制信号，该PTO控制信号施加于伺服电机驱动电路，实现伺服电机(25)方向和转速的控制，进而实现偏心轮I(22)和偏心轮II(24)转速的调节及离心力大小、方向的控制，最终控制鱼体后壳(2)的摆动；

主控制器通过舵机驱动电路获取舵机的当前角度信息，并通过蓝牙模块将当前角度信息发送至用户端；当主控制器接收到用户端通过蓝牙模块传来的潜浮控制指令时，主控制器根据潜浮控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于舵机驱动电路，实现舵机(14)的转动，舵机(14)带动L型连杆(16)及配重块(15)上下翻转，鱼体重心改变，实现鱼体的潜浮；

主控制器通过减速电机驱动电路获取胸鳍(4)的拍动状态信息，并通过蓝牙模块将拍动状态信息发送至用户端；当主控制器收到用户端通过蓝牙模块传来的拍动控制指令时，主控制器根据拍动控制指令生成PWM控制信号；该PWM控制信号施加于减速电机驱动电路，实现减速电机(8)的转动，并通过改变电枢电压的平均值改变减速电机(8)转速的大小，再根据减速电机(8)转速的大小实现胸鳍(4)拍动的频率，最终实现胸鳍的配合运动。

9.根据权利要求8所述的一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，其特征在于：所述的PTO为脉冲控制模式，而PWM为模拟量控制模式；所述的伺服电机(25)为闭环控制，而舵机(14)、减速电机(8)为开环控制。

10.根据权利要求9所述的一种柔性潜浮式仿生机器的控制方法，其特征在于：离心力计算方法如下：m—偏心块的质量(kg)，ω—偏心块的角速度(rad/s)，R_i—偏心块的偏心位移(m)，舵机(14)转动的控制信号为PWM信号，PWM信号的占空比计算方法如下：PWM周期为T，舵机(14)最小工作角度为α，对应高电平持续时间为t₁；舵机(14)最大工作角度为β，对应高电平持续时间为t₂；那么[α,β]工作范围内的任意角度δ高电平持续时间t为：电枢电压的平均值的计算方法如下：—电枢电压的平均值，U—电源电压，导通时间—t₀，脉冲周期—T，α—占空比，