CN109956016A - 一种仿生机器鱼及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生机器鱼，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且尾部内设有两个驱动部件，沿尾部的宽度方向对称设置，其中，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制仿生机器鱼的运动。本发明所提供的仿生机器鱼，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，使得控制更为灵活，实现较好的仿生效果。

Description

一种仿生机器鱼及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种仿生机器鱼，特别是涉及一种采用压电复合材料(Macro FiberComposites)驱动的仿生机器鱼及其控制方法。

背景技术

随着对海洋资源的探索与开发，水下机器人技术的研究日益受到关注。鱼类以其游动过程中的高效率、高机动性、低噪声特性，吸引了研究人员的广泛关注。

传统的仿生机器鱼多采用伺服电机驱动方式实现鱼类的运动模式，虽然具有驱动力强、控制技术成熟等优点，但是同时也存在体积大、能耗高、噪声大、效率低等缺陷。

为了更好地模仿鱼类运动，人们开始采用人造肌肉模拟鱼类的柔性身体结构，实现仿生驱动。目前采用的人造肌肉主要有压电材料(PZT)、形状记忆合金(SMA)、离子导电聚合物薄膜(ICPF)等。虽然基于人工肌肉驱动的仿生机器鱼具有柔性结构、体积小、效率高、噪声低、能耗低等优点，但依然存在很多问题。其中，最为突出的是人工肌肉驱动的仿生机器鱼的游动速度都相对较慢。

然而，压电陶瓷与其他人工肌肉相比，响应速度较快，能够产生相对较高的应力，因此采用压电陶瓷材料以驱动仿生机器鱼，能较好地提高仿生鱼的游动速度和推进力。

但是，传统的压电材料存在以下两个主要方面的问题：1)产生的形变量较小，在使用该材料作为仿生机器鱼的驱动器时，需要设计位移放大装置来使尾鳍产生较大幅度的摆动，增加了机器鱼的体积和重量；2)并引入了刚体传动结构，增加了机器鱼的设计复杂度以及能量传递过程中的消耗；3)压电陶瓷需要很高的驱动电压，使得仿生机器鱼不易实现自带电源和无缆自主游动。

Macro Fiber Composites(MFC)智能材料是由美国航空航天局(NASA)Langley研究中心研制出的一种新型压电复合材料。其是由压电陶瓷纤维和有机聚合物复合而成，采用交叉指型电极排布。这种特殊的电极排列方式使得驱动器能够更加充分地利用外加电场，大大提高逆压电效应的效果，产生更大的力学响应，进而获得更大的驱动力和形变量。MFC材料克服了传统压电陶瓷(PZT)形变量小的缺点，无需设计机械传动装置来放大位移，大大简化了仿生机器鱼的结构，提高了压电材料(PZT)在仿生领域的应用前景。

例如，专利文件(CN 103043198)公开的一种新型仿生鱼尾结构，包括鱼尾肌肉、基板和鱼尾，鱼尾肌肉由压电材料模拟制成的压电驱动层，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾部；鱼尾由纤维增强复合材料制成，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾端；压电材料为粗压电纤维复合材料(MFC)；鱼尾的材料为玻璃纤维聚氨酯复合材料；基板材料为碳纤维环氧复合材料；压电驱动层和基板中的纤维方向之间角度为0°～90°。在该发明专利中，虽然采用了MFC材料作为仿生鱼的驱动层，无需设计机械传动装置来放大位移，简化了仿生机器鱼的结构，但其只设置了一层压电驱动层，这种单侧设置使得驱动层不能较灵活地驱动仿生鱼尾的摆动，同时其摆动的幅值也受到一定的限制，进而也无法较好地实现鱼尾模拟。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种仿生效果较好的仿生机器鱼。

本发明提供了一种仿生机器鱼，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且尾部内设有两个驱动部件，沿尾部的宽度方向对称设置，其中，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制仿生机器鱼的运动。

进一步地，运动包括运动状态和运动方向。

进一步地，运动状态包括直线运动、加速运动、和减速运动；运动方向包括左转运动和右转运动。

进一步地，控制系统包括无线通讯模块、微型控制器模块、数模转换模块、和高压放大模块。

进一步地，无线通讯模块用于接收外界输入的控制信号，控制信号包括电压的幅值和频率；高压放大模块用于将控制信号放大至满足驱动驱动部件的驱动信号。

进一步地，尾部内沿长度方向还设有基板，驱动部件贴覆于基板的前表面和后表面。

进一步地，驱动部件的材料为MFC(Macro Fiber Composites)。

进一步地，控制信号a(x)与驱动信号b(x)之间满足以下关系：

进一步地，头部与尾部连接的一端设有第一隔板，第一隔板上设有第一通孔，供连接控制系统和驱动部件的导线穿过。

进一步地，头部与尾部通过连接部件相连接，连接部件上设有第二隔板，第二隔板上设有第二通孔，供导线穿过。

进一步地，第二隔板上还设有多个凸部，鱼尾设有与凸部相卡合的凹部。

本发明还提供了一种上述仿生机器鱼的控制方法，包括以下步骤：计算机通过串口通讯的方式将控制每个驱动部件的控制信号发送至无线通讯模块；无线通讯模块接收每个控制信号，并通过串口通讯的方式传输至微型控制器模块；微型控制器模块输出与每个控制信号相对应的数字信号的控制波形；数模转换模块将每个数字信号的控制波形转换成相对应的模拟信号的控制波形；高压放大模块将每个模拟信号的控制波形放大后所生成的驱动信号传输给每个驱动部件；驱动部件根据驱动信号产生相对应的摆动，控制仿生机器鱼的运动。

进一步地，两个驱动信号为同频率、幅值相等、反相的正弦波时，驱动部件会在同一时刻产生相同方向的摆动，仿生机器鱼作直线运动。

进一步地，两个驱动信号为同频率、幅值不相等、反相的正弦波时，驱动部件会在同一时刻产生不同方向的摆动，仿生机器鱼朝幅值大的一侧作转弯运动。

进一步地，通过实时地改变驱动信号的幅值和频率，以使仿生机器鱼作加速运动或减速运动。

如上，本发明所提供的仿生机器鱼，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，使得控制更为灵活，实现较好的仿生效果。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为仿生机器鱼的示意图；

图2为仿生机器鱼的尾部内驱动结构示意图；

图3仿生机器鱼的头部的示意图；

图4鱼头密封的示意图；

图5连接部件的示意图；

图6仿生机器鱼的尾部的示意图；

图7仿生机器鱼的控制方法的流程图；

图8基于Labview设计的仿生机器鱼的控制面板；

图9仿生机器鱼直线运动的驱动信号示意图；

图10生机器鱼游动速度随驱动信号的幅值和频率变化示意图；

图11仿生机器鱼左转运动的驱动信号示意图；

图12仿生机器鱼右转运动的驱动信号示意图；

图13仿生机器鱼的控制信号示意图；

图14仿生机器鱼的驱动信号示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰反相，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”，不应理解为对本发明的限制。

请参考图1，本发明提供了一种仿生机器鱼，包括头部1和尾部3。其中，头部1内设有控制系统；结合图2所示，尾部3内部夹有驱动结构4，驱动结构4包括两个驱动部件14，沿尾部3的宽度方向对称设置。控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件14摆动的幅度和频率，进而控制仿生机器鱼的运动。

为清楚地说明本实施例，以仿生机器鱼的尾部3指向头部1的方向为参考方向，定义“左”、“右”。

在本实施例中，控制系统通过两路独立的电压的幅值和频率，分别控制左右两个驱动部件14摆动的幅度和频率，以使对驱动部件14的控制更为灵活，实现较好的仿生效果。

参考图3，仿生机器鱼的头部1采用流线型，使用3D打印技术制作而成。头部1内还可以设有平台6和配重仓7。配重仓7中能够放置适当质量的铅砂，用于调整整个仿生机器鱼的重心位置，以使仿生机器鱼能够直立于水中而不发生侧翻。电池固定于平台6上。

请结合图4所示，仿生机器鱼的头部1与尾部3连接的一端还设有第一隔板8，第一隔板8上设有4个第一通孔10，供连接控制系统和驱动部件14的导线穿过。第一隔板8沿周向方向设有凹槽9，用于安装橡胶密封圈，同时使用防水胶进行密封。

请参考图6，驱动结构4还包括基板，沿仿生机器鱼的尾部3的长度方向设置，驱动部件14对称地贴覆于基板的左右两侧的外表面上。其中，基板为碳纤维板15；驱动部件14的材料为MFC(Macro Fiber Composites)。驱动部件14通过环氧树脂胶粘接在碳纤维板15的两侧。尾鳍16同样适用碳纤维板15制作而成，其采用了具有大展弦比的形状，能够产生给大的推进力。碳纤维板15和尾鳍16通过胶水粘结在一起。通过对两个驱动部件14施加驱动电压，能够产生弯曲形变，进而带动尾部3的往复摆动。尾部3可以由对称的两部分组成，利用树脂通过模具制作而成，确保尾部3为柔性结构。每个驱动部件14通过乳胶水与尾部3的其中一部分粘接并固定。其中，尾部3和驱动部件14既可以单独制作然后用胶水粘接在一起，也可以直接在用模具制作尾部3时，将驱动部件14放在其中一起浇筑而成。

请参考图5并结合图4、图6所示，头部1与尾部3还可通过连接部件2相连接，组成完整流线型的仿生机器鱼。连接部件2上设有第二挡板，第二挡板上设有4个第二通孔11，供导线穿过。第二挡板上还设有多个凸部，鱼尾设有与凸部相卡合的凹部。在本实施例中，凸部为圆柱12，尾部3设有与圆柱12相配合的圆孔，圆柱12与圆孔的卡合后，再使用乳橡胶作进一步固定。

请参考图7，仿生机器鱼的头部1内的控制系统包括无线通讯模块、微型控制器模块、数模转换模块、和高压放大模块。微型控制器模块和高压放大模块分别固定在第一隔板8的两侧，以保证仿生机器鱼的头部1两侧质量的对称分布。

其中，无线通讯模块用于接收外界输入的控制信号，在本实施例中，无线通讯模块为XBee。外界输入的控制信号可通过计算机上基于labview设计的控制面板，如图8所示。XBee可通过USB适配器与计算机相连接。其中，控制信号包括电压的幅值和频率。

请继续参考图7，仿生机器鱼的具体控制方法如下：1)计算机通过串口通讯的方式将控制每个驱动部件14的控制信号发送至无线通讯模块；2)无线通讯模块接收每个控制信号，并通过串口通讯的方式传输至微型控制器模块；3)微型控制器模块输出与每个控制信号相对应的数字信号的控制波形；4)数模转换模块将每个数字信号的控制波形转换成相对应的模拟信号的控制波形，在本实施例中，数模转换模块为DAC8552；5)高压放大模块将每个模拟信号的控制波形放大至满足驱动驱动部件14的驱动信号后，传输给每个驱动部件14，在本实施例中，高压放大模块为AMT2012-CE；6)驱动部件14根据驱动信号产生相对应的摆动，控制仿生机器鱼的运动。

以下对高压放大模块AMT2012-CE的工作模式作一步说明：高压放大模块的输入电压和输出电压为线性关系，输入电压的范围为0V-5V，对应的输出电压为0V-2000V，输入为0-2.5V时，输出对应为-500V-0V，输入为2.5-5V时，输出电压为0-1500V。输入电压在0-2.5和2.5-5之间的放大倍数是不同的。因此，想要得到正弦波形的驱动电压，输入高压放大器的控制信号需要进行适当的变形。控制信号a(x)与驱动信号b(x)之间需满足以下关系：

假设驱动信号b(x)＝1000×sin(2×π×5×x)+500，如图14所示。则

对应的实际控制信号波形如图13所示。

仿生机器鱼的运动包括运动状态和运动方向。运动状态包括直线运动、加速运动、和减速运动；运动方向包括左转运动和右转运动。

1.仿生机器鱼的直线运动

请参考图9，仿生机器鱼的直线运动需要依靠尾鳍16关于鱼体的中轴线的对称摆动来实现的。由于两个驱动部件14是关于碳纤维板15呈对称分布，因此采用的驱动信号为同频率、幅值相等、反相的两路正弦波。在该驱动信号的作用下，驱动部件14将会在同一时刻产生相同方向的摆动，从而产生更大摆动的幅度以及推进力，获得更高的游动速度。两侧对称的摆动确保了机器鱼的运动方向为直线。

2.仿生机器鱼加速运动、减速运动

请参考图10，MFC驱动材料是一种压电复合材料，其驱动性能主要由施加的驱动信号的电压以及频率来决定，因此可以通过改变驱动信号的幅值和频率来控制仿生机器鱼的运动状态。通过实验可以得到仿生机器鱼的游动速度和驱动信号的幅值和频率的关系。结合图8所示，操作者通过控制面板可以实时地改变驱动信号的幅值和频率的大小，从而实现仿生机器鱼的加速运动或减速运动。

3.仿生机器鱼左转运动、右转运动

要实现仿生机器鱼的转弯运动，需要尾鳍16向两侧的摆动幅值是不等的，因此施加在两个驱动部件14上的需要为同频率、幅值不相等、反相的正弦波时的正弦波驱动信号。请参考图12，当左侧MFC的驱动电压的幅值大于右侧MFC的驱动电压的幅值时，尾鳍16向左侧摆动的幅值小于向右侧摆动的幅值，会产生向左转弯的力矩，实现仿生机器鱼的左转运动。

同理，参考图11，当右侧MFC的驱动电压的幅值大于左侧MFC的驱动电压的幅值时，可以实现仿生机器鱼的右转运动。

综上，本发明提供的仿生机器鱼采用柔性驱动部件和尾部，通过调节驱动电压的幅值和频率改变尾部和尾鳍的摆动幅值和频率，实现机器鱼的高速游动。驱动部件采用MFC压电复合材料，克服了传统压电陶瓷形变量小的缺点，无需设计机械传动装置来放大位移，大大简化了仿生机器鱼的结构。当对两个对称设置的MFC驱动部件施加驱动电压时，由于逆压电效应，使得MFC驱动部件带动碳纤维板弯曲，进而使得尾部产生类似于鱼尾摆动的运动，实现鱼类身体/尾鳍推进模式。在直线运动中，采用同频率且反相的驱动电压信号，能够在同时刻弯曲的方向相同，产生更大的摆动幅度，最终的游动速度也大大得以提高。

同时，采用了基于MFC驱动部件配套使用的微型高压放大模块，其输出电压范围为-500V-+1500V，能够满足MFC压电复合材料的工作需要，大大减小了整个驱动控制系统的体积，使得驱动控制系统能够安装在狭小的鱼头外壳里，实现自带电源的无缆绳无线控制，大大提高了实用性。

综上所述，本发明提供的上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括：

头部，内设有控制系统；

尾部，包括尾鳍，且所述尾部内设有两个驱动部件，沿所述尾部的宽度方向对称设置，

其中，所述控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个所述驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制所述仿生机器鱼的运动。

2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述运动包括运动状态和运动方向。

3.根据权利要求2所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述运动状态包括直线运动、加速运动、和减速运动；所述运动方向包括左转运动和右转运动。

4.根据权利要求3所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制系统包括无线通讯模块、微型控制器模块、数模转换模块、和高压放大模块。

5.根据权利要求4所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述无线通讯模块用于接收外界输入的控制信号，所述控制信号包括电压的幅值和频率；所述高压放大模块用于将控制信号放大至满足驱动所述驱动部件的驱动信号。

6.根据权利要求5所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述尾部内沿长度方向还设有基板，所述驱动部件贴覆于所述基板的前表面和后表面。

7.根据权利要求6所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动部件的材料为MFC(MacroFiber Composites)。

8.根据权利要求7所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制信号a(x)与所述驱动信号b(x)之间满足以下关系：

9.根据权利要求1-8中任一项所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述头部与所述尾部连接的一端设有第一隔板，所述第一隔板上设有第一通孔，供连接所述控制系统和所述驱动部件的导线穿过。

10.根据权利要求9所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述头部与所述尾部通过连接部件相连接，所述连接部件上设有第二隔板，所述第二隔板上设有第二通孔，供所述导线穿过。

11.根据权利要求10所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述第二隔板上还设有多个凸部，所述鱼尾设有与所述凸部相卡合的凹部。

12.一种如权利要求4-8中任一项所述的仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算机通过串口通讯的方式将控制每个所述驱动部件的所述控制信号发送至所述无线通讯模块；

所述无线通讯模块接收每个所述控制信号，并通过串口通讯的方式传输至所述微型控制器模块；

所述微型控制器模块输出与每个所述控制信号相对应的数字信号的控制波形；

所述数模转换模块将每个所述数字信号的控制波形转换成相对应的模拟信号的控制波形；

所述高压放大模块将每个所述模拟信号的控制波形放大后所生成的驱动信号传输给每个所述驱动部件；

所述驱动部件根据所述驱动信号产生相对应的摆动，控制所述仿生机器鱼的运动。

13.根据权利要求12所述的仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，两个所述驱动信号为同频率、幅值相等、反相的正弦波时，所述驱动部件会在同一时刻产生相同方向的摆动，所述仿生机器鱼作所述直线运动。

14.根据权利要求13所述的仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，两个所述驱动信号为同频率、幅值不相等、反相的正弦波时，所述驱动部件会在同一时刻产生不同方向的摆动，所述仿生机器鱼朝所述幅值大的一侧作转弯运动。

15.根据权利要求14所述的仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，通过实时地改变所述驱动信号的幅值和频率，以使所述仿生机器鱼作所述加速运动或减速运动。