CN109515670A - 一种由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼设计方法及机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过设计不同型式的柔性鱼体脊椎模型来复现鱼体脊椎刚度的不均匀分布，并通过添加冗余驱动来模拟鱼体独特的变形过程。本发明采用连续弹性梁与多脊椎模块相叠加的方式来复现鱼体脊椎刚度的不均匀分布，并通过添加冗余驱动来模拟鱼体独特的变形过程。该结构从整体上充分考虑了鱼类刚度特性对其推进性能的影响，对提高仿生鱼游动性能有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明主要应用到仿生水下机器人领域，具体为一种由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼。
背景技术
传统上，采用螺旋桨推动的船舶或者自主无人潜器(AVU)均具有推进速度慢，效率低，机动性差以及对环境扰动大等较为明显的缺陷。在自然界中，柔性鱼类通过身体和/或尾鳍的往复摆动，以获得快速高效的游动性能。近年来，越来越多的科研工作者被鱼类的快速巡游性能和灵活机动性所吸引，也逐渐从流体力学的角度揭示鱼类快速高效的游动机理。但是，所制作的仿生机器鱼不论在游动速度、推进效率还是在转弯机动性上均远远落后于自然界中的鱼类。虽然经过了多年的实践，仿生机器鱼对应的设计方法仍然尚不成熟，需要进一步深入研究。
目前，仿生机器鱼摆动推进模型的设计主要包括串联结构和柔性结构。大部分仿生机器鱼是以多关节刚体相串联结构来实现尾体的摆动。该设计利用每个关节的单自由度的转动来复现摆动运动，该类型机器鱼的结构复杂，各关节需要单独驱动，控制复杂，推进效率低。另一种型式为柔性结构，该结构考虑了鱼体脊椎和分布在脊椎周围鱼体肌肉对游动性能的影响。例如，Alvarado和Marchese等人制作了一种基于硅胶材料的柔性机器鱼，通过在内部放置舵机驱动连杆机构来实现鱼体的往复摆动推进。该类型机器鱼结构简单，能够实现俯仰、偏航和扭转三个自由度的运动，更接近鱼的真实运动方式。但是，由于粘弹性材料的物理属性，所制作的机器鱼并不能改变其身体的弯曲刚度，对不同外界环境的适应性较差。上述柔性机器鱼虽然具有一定柔顺性，但在游动速度、推进效率和机动性方面还远不如自然界中的鱼类。因此，在机器鱼的设计制作等方面仍需要进一步的探索。
事实上，生物学研究表明鱼类的弯曲刚度沿其长度方向并不均匀，而且鱼类可通过一种独特的摆动形式来获得快速高效的游动性能。生物学证据表明，要设计的仿生机器鱼不仅需要复现鱼类独特的运动形式，而且还需考虑鱼体弯曲刚度对游动性能的影响。基于此，本发明提出一种由绳索冗余驱动柔性机器鱼的设计方法，该机器鱼充分考虑了鱼体弯曲刚度分布不均匀特性对游动性能的影响。
发明内容
本发明目的在于提出了一种由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼，以克服现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案予以实现：
通过设计不同型式的柔性鱼体脊椎模型来复现鱼体脊椎刚度的不均匀分布，并通过添加冗余驱动来模拟鱼体独特的变形过程。本发明推导了机器鱼弹性脊椎对应的变形曲线，并进一步说明了弯曲刚度与变形曲线的关系，阐述了该类型仿生机器鱼的实验原理及其具体实施过程。该设计方法可通过弹性梁参数和冗余驱动参数的优化，实现仿生机器鱼弯曲刚度的不均匀分布，并结合不同的驱动条件实现其良好的推进性能。
绳索冗余驱动柔性机器鱼的设计思路源于一个重要的生物学发现，即鱼类利用其身体和/或尾鳍独特的弯曲变形姿态，左右往复摆动以获得快速高效的游动性能。本发明采用弹性梁、固定脊椎硬块和冗余绳索驱动相叠加的方式，对基于弹性梁结构的鱼体变形情况进行分析。结合鱼体的弯曲刚度的分布情况，通过对柔性脊椎梁参数和冗余绳索驱动参数(如驱动频率、驱动幅值等)进行优化选择，实现柔性仿生鱼快速高效的游动特性。
该发明的设计步骤为：
步骤1：选取摆动推进的鱼类作为仿生对象，测量相关参数
根据摆动推进鱼类的游动特点，如快速的游动速度、高效的推进效率或灵活的机动性，选择某一类型的鱼类(如鳗鲡科、鲹科和亚鲹科和鲔科鱼类等)作为仿生对象，初步测量鱼体的三维外形尺寸和沿长度方向上弯曲刚度的分布情况，并根据所测鱼体外形尺寸制作仿生机器鱼的三维外形模具。
步骤2：设计并制作仿生机器鱼弹性梁结构
所设计仿生机器鱼的脊椎梁结构主要有弹性梁、脊椎硬块、底板和绳索固定端等组成。如图1所示，在弹性梁结构中，脊椎硬块被固定在弹性梁的不同位置上，并通过绳索驱动末端脊椎块来实现整体弯曲变形。在该设计中，可通过选择不同数目的脊椎硬块实现不同的弯曲刚度。其中，制作柔性脊椎的弹性梁可由不同材料制作，对应不同的弹性模量。
步骤3：设计绳索的冗余驱动，实现弹性梁不同型式的变形
根据所测量的鱼体刚度分布，通过添加脊椎硬块来设计不同形式的弹性梁。通过实施绳索的冗余驱动来实现机器鱼弹性梁的不同形式的变形，如S型变形或者C型变形等。对于仿生机器鱼的弯曲变形情况，可通过设计冗余驱动的不同参数，如驱动长度、驱动幅值和驱动频率等参数，以实现仿生机器鱼不同型式的变形姿态。
步骤4：基于绳索冗余驱动柔性机器鱼的整体成型
该类型柔性机器鱼主要由鱼头和尾体两部分，这两部分由连接隔板进行固联。鱼头部分约占机器鱼全长的三分之一，其内部主要用来放置锂电池、驱动系统和控制系统，以实现机器鱼在不同驱动幅值和驱动频率下的推进性能。驱动系统可采用直流电机或者舵机，控制系统可采用单片机等微控制器来实现机器鱼往复运动的控制。
将所设计的弹性梁结构安置在鱼体尾部，并将这些结构放置在鱼体模具某一位置，并通过浇注粘弹性材料(如硅胶等)凝固形成粘弹性柔性尾体部分。通过绳索将驱动器产生的力矩传递到鱼体脊椎上，该部分设计要求结构简单，体积小，控制精度高。更重要的是，可通过绳索冗余控制来实现鱼体不同的变形姿态。此外，若仿生机器鱼未达到所需的游动性能，可通过优化弹性梁结构和冗余驱动参数，以进一步提高机器鱼的推进性能。
本发明的优点是：
与现有仿生机器鱼的设计方法相比，本发明采用连续弹性梁与多脊椎模块相叠加的方式来复现鱼体脊椎刚度的不均匀分布，并通过添加冗余驱动来模拟鱼体独特的变形过程。该结构从整体上充分考虑了鱼类刚度特性对其推进性能的影响，对提高仿生鱼游动性能有着重要的意义。
该发明的优点在于：
(1)在连续脊椎梁上，可通过改变脊椎硬块数目和位置，实现仿生机器鱼弯曲刚度的不同分布形式。
(2)对于绳索冗余驱动系统，可通过设计驱动长度(或驱动位置)、驱动幅值以及驱动频率的优化设计，实现仿生机器鱼不同型式的弯曲变形。另外，可调整驱动幅值和驱动频率来匹配鱼体弯曲刚度，以获得仿生机器鱼快速高效的游动性能。
(3)通过绳索与驱动器直接相连，力和/或力矩传递较为直接，无中间传力环节，驱动效率高。
(4)在机器鱼尾部，可通过设置空槽结构，使机器鱼变形柔顺性好，外形匹配程度高。
附图说明
图1为柔性机器鱼绳索驱动的弹性梁结构示意图；
图2为柔性机器鱼的弹性梁模型；
图3为弹性梁的弯曲变形示意图；
图4为弹性梁的受力分析图；
图5为仿生机器鱼弹性梁冗余单绳索驱动系统；
图6为仿生机器鱼弹性梁冗余多绳索驱动系统；
图7为绳索冗余驱动柔性机器鱼的总体示意图；
图8为图7中的A-A剖视图。
附图标记说明：1-底板，2-弹性梁，3-绳索固定端，4-驱动绳索，5-脊椎硬块，6-尾鳍，7-空槽，8-直流伺服电机，9-隔板。
具体实施方式
下面结合图对本发明作进一步说明：
本发明的机器鱼的总体结构如图7所示，该机器鱼由通过隔板9固定连接的前端部分和柔性后端部分组成，在柔性后端部分后连接有柔性材料制成的尾鳍6，在机器鱼尾部内部设有柔性脊椎梁结构，该柔性脊椎梁结构如图1和2所示，包括前方和后方各一块底板1，两块底板1之间通过弹性梁2连接形成工字结构，在弹性梁2上间隔设有多块脊椎硬块5，在弹性梁2的两侧还各设有至少一根驱动绳索4，驱动绳索，4从前向后依次连接前方的底板1和每一块脊椎硬块5后与后方的底板1连接于绳索固定端3。在机器鱼的前端部分设有直流伺服电机8。在机器鱼的柔性后端部分沿柔性脊椎梁结构两侧设有空槽7。
首先介绍本发明的数学模式。
(1)仿生机器人柔性脊椎的刚度分析
仿生机器鱼的柔性脊椎主要由弹性梁2和固定脊椎硬块5组成，并由绳索驱动实现往复摆动运动，具体结构见图1-2。对于某段脊椎硬块5，对应的刚度k为：
k(x)＝E1I1(x)+E2I2(x) (1)
其中，E1和E2分别是弹性梁2和固定脊椎硬块5对应材料的弹性模量，I1(x)和I2(x)分别是弹性梁2和环形脊椎硬块5的截面惯性矩，与形状尺寸相关。在本发明中，通过添加脊椎硬块5来改变截面尺寸和弹性模量，从而初步匹配柔性鱼体的刚度分布。
将柔性脊椎看作是连续多段变截面的欧拉-伯努利梁，利用积分法求解弹性梁2的变形挠度。首先利用脊椎硬块5的分布，将脊椎结构分成N段，各段截面尺寸一致。根据弯矩、剪力和载荷的关系，求解柔性脊椎挠度的表达式。
式中，Mi(x)、hi和θi分别为第i段脊椎单元所受的弯矩、挠度和转角。利用各段之间的变形协调条件，即：
hi(x)e＝hi+1(x)b，θi(x)e＝θi+1(x)b (3)
式中，hi(x)e和θi(x)e分别表示第i段梁单元末端位置处的挠度和转角，hi+1(x)b和θi+1(x)b分别表示第(i+1)段梁单元初始位置处的挠度和转角。根据求解各段的变形情况，最后拟合得到弹性梁2的最终变形曲线。
(2)弯曲变形弹性梁2的动力学分析
根据粘弹性梁2理论，将鱼体柔性脊椎看作粘弹性梁2，在不考虑脊椎硬块5的条件下(或将其看作弹性梁2的附加部分)，从动力学的角度分析弯曲变形情况。如图3和图4所示，M为弯曲力矩，S为梁微段的剪切力，h(x，t)为弹性梁2的变形曲线。在本发明中，柔性脊椎梁具有抗弯刚度，采用欧拉伯努利梁理论对其进行分析，其动力学方程为高阶偏微分方程。
Y轴方向上的受力方程为：
式中，A为鱼体横截面的面积；ρ为弹性梁2密度。
以右截面上任意一点的力矩中心，建立力矩方程为：
在不考虑截面变化的情况下，将弹性梁2简化为等截面的均质粘弹性梁，即：
将式(5)和式(6)化简，整理得：
在式(7)中，M(x)为粘弹性梁在外界力矩作用下的截面力矩，具体表达式为：
M＝-(M0-Me-Mv) (8)
式中，Me为引起粘弹性梁变形的弯曲力矩，E为弹性模量；Mv为引起粘弹性梁变形的阻尼力矩，μ为黏性系数。
将式(8)进行化简，整理得：
选择Kelvin模型来表示弹性梁2的粘弹性特性，对应关系为：
μ＝ηE (10)
式中，η为粘滞系数(0＜η≤1)。
当动力学系统的阻尼忽略不计时，或为比例阻尼系统时，弹性梁2自由振动的动力学方程可化简为：
设弹性梁2变形解的形式为对空间和时间的导数是独立的，故可采用分离变量法进行求解。结合自由端-自由端边界条件，求解弹性梁2的特征值为：
当弹性梁2自由振动时，其主振动模态振型对应的固有频率为：
当鱼体动力学系统为一般阻尼系统，且驱动力矩为零时，对应的自由振动方程为：
在方程(14)中，阻尼项为时间和空间变量的耦合项，也可采用分离变量法进行求解。设解为根据自由端的边界条件，即弯矩和剪力均为零，求解特征频率λn为：
其次介绍本发明的实施过程。
以摆动推进鱼类为例进行说明本发明的具体实施过程。首先对鱼体外形进行测量，并建立仿生机器鱼的三维模型，设计并制作对应机器鱼的外形模具。根据设计要求，机器鱼分别设计其前端部分和柔性后端部分。柔性后端部分主要为弹性梁2和脊椎硬块5等冗余驱动系统，将其放置在鱼体模具后端并浇注粘弹性材料最终成型。其中，将驱动系统和控制系统安装在鱼体前端部分，并将鱼体头部与冗余驱动尾体部分相固联。最后，在不同的驱动条件下，测试仿生机器鱼的变形情况，并进一步优化柔性机器鱼的游动性能。
具体步骤为：
步骤1：测量生物原型的三维外形尺寸和刚度分布
由于摆动推进的鱼类具有巡游速度快和游动效率高的特点，所以选择该类型鱼为仿生对象，首先测量其三维外形尺寸，然后测量鱼体的弯曲刚度分布情况。
步骤2：仿生机器人弹性梁2结构的设计与制作
根据鱼体刚度的分布情况，选择合适尺寸的弹性梁2和脊椎硬块5，将脊椎硬块5不等距的安装并固定在弹性梁2上。将绳索一端固定在脊椎硬块5的末端件上，另一端穿过脊椎硬块5的细孔，并与驱动机构相连接，实现鱼体脊椎的弯曲以及柔性尾体的往复摆动，如图1-2所示。此外，还可通过脊椎硬块5数目和绳索驱动数目进行优化设计，模拟鱼类身体不同程度的弯曲情况。
步骤3：仿生机器鱼的冗余驱动系统的设计与制作
结合机器鱼的外形参数和柔性脊椎的尺寸，选择合适的冗余驱动系统及其对应参数来满足仿生机器鱼变形的设计要求。如图5-6所示，通过改变冗余驱动位置来直接影响机器鱼的弯曲变形曲线，而脊椎模块的阵列型式以及形状参数也会直接影响鱼体的变形情况。本例选择两对绳索进行冗余驱动，如图5-6所示，对应的驱动频率和摆幅由微型控制器来实现精确控制。
步骤4：仿生机器鱼驱动和控制系统的装配及推进性能的测试
在本例中，所设计的仿生机器鱼总长度为360mm，头部前端长度为140mm。头部外壳利用3D打印加工得到，尾部利用模具成型技术由粘弹性材料制作而成。选择的粘弹性材料是零度硅胶，具有流动性好、抗撕裂强度高和弹性好等优点。在该机器鱼中，驱动元件、绳索传动机构以及控制系统均被放置在鱼体头部前端位置，由弹性蒙皮覆盖在鱼体表面以保证整体密封。其中，控制系统由单片机、7.4V锂电池和5V稳压器等组成，而运动控制系统的选择主要取决于驱动器(直流电机、步进电机或舵机等)的选择。本例选择舵机HS-7940TH作为驱动单元，无线遥控模块采用芯片PT2262/PT2272。仿生机器鱼体采用绳索冗余驱动的方式来改变弯曲变形状态。
将所有零件、控制系统和无线系统都集成到一个机器鱼内，最终得到的柔性机器鱼如图7和图8。其中，舵机位置是由连接隔板9和舵机固定框来进行固定。舵机在鱼体头部产生力矩，通过传动绳索和活动板将力矩传递到鱼体尾部，而活动板与尾部硅胶固化为一个整体。为了避免控制模块和无线模块的导线与转动舵盘之间发生缠绕，鱼体头部上下两部分由舵机前挡板进行隔离。此外，在机器鱼尾体内部设置专门孔道来放置传动绳索，以减小摩擦。最后，将研制的绳索驱动的柔性机器鱼放置在水中，通过无线遥控系统和控制系统来调整舵机的摆动频率和转动幅值，测试并调整机器鱼在不同条件下的游动性能。
以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：通过设计不同型式的柔性鱼体脊椎模型来复现鱼体脊椎刚度的不均匀分布，并通过添加冗余驱动来模拟鱼体独特的变形过程。
2.根据权利要求1所述的由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：推导机器鱼弹性脊椎对应的变形曲线，并根据弯曲刚度与变形曲线的关系，通过弹性梁参数和冗余驱动参数的优化，实现仿生机器鱼弯曲刚度的不均匀分布，并结合不同的驱动条件实现其良好的推进性能。
3.根据权利要求1所述的由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼的设计方法，其特征在于：采用弹性梁、固定脊椎硬块和冗余绳索驱动相叠加的方式，对基于弹性梁结构的鱼体变形情况进行分析；结合鱼体的弯曲刚度的分布情况，通过对柔性脊椎梁参数和冗余绳索驱动参数进行优化选择，实现柔性仿生鱼快速高效的游动特性。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼的设计方法，其特征在于该设计方法的具体步骤为：
步骤1：选取摆动推进的鱼类作为仿生对象，测量相关参数；
步骤2：设计并制作仿生机器鱼弹性梁结构；
步骤3：设计绳索的冗余驱动，实现弹性梁不同型式的变形；
步骤4：基于绳索冗余驱动柔性机器鱼的整体成型。
5.一种由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼，其特征在于：该机器鱼由通过隔板(9)固定连接的前端部分和柔性后端部分组成，在柔性后端部分后连接有柔性材料制成的尾鳍(6)，在机器鱼尾部内部设有柔性脊椎梁结构，该柔性脊椎梁结构包括前方和后方各一块底板(1)，两块底板(1)之间通过弹性梁(2)连接形成工字结构，在弹性梁(2)上间隔设有多块脊椎硬块(5)，在弹性梁(2)的两侧还各设有至少一根驱动绳索(4)，驱动绳索(4)从前向后依次连接前方的底板(1)和每一块脊椎硬块(5)后与后方的底板(1)连接于绳索固定端(3)。
6.根据权利要求5所述的由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼，其特征在于：在机器鱼的前端部分设有直流伺服电机(8)。
7.根据权利要求5所述的由绳索冗余驱动的柔性仿生机器鱼，其特征在于：在机器鱼的柔性后端部分沿柔性脊椎梁结构两侧设有空槽(7)。
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