CN111284663B - 一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法 - Google Patents

一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法，属于仿生机器人技术领域；其包括密封壳体，所述壳体的背部连接有背鳍、尾部连接有尾鳍、底部连接有臀鳍、左右两侧连接有胸鳍；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动；本发明提供了一种鱼形仿生水下机器人，采用双尾鳍驱动方式，结构紧凑且转向灵活快速，改善了仿生机器人的机动性和稳定性。

Description

一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法，属于仿生机器人技术领域。
背景技术
地球的海洋面积为3.61亿平方千米，约占地球总面积的71％，广阔的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，而且海洋中的物种资源储量巨大，随着资源在全球范围内成为关注的焦点以及海洋勘测技术的发展，对于海洋资源的开发和利用成为世界各国关注的焦点；目前海洋经济和资源的开发正处于快速发展阶段，而与海洋经济发展有着密切关系的水下机器人也处于蓬勃发展期。
水下机器人根据推进方式的不同，主要分为螺旋桨推进方式和仿生推进方式。对于螺旋桨推进，在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流及空泡和扰动，从而增加能耗、降低效率并产生噪声；仿生推进方式，鱼类经过亿万年的进化，具有超凡的游动能力，鱼类通过身体的运动推动周围的水来获得推进力，具有高机动、高精准、高效率、低噪声和低扰动的优点，因此已经成为研究人员持续研究和优化设计的对象。
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(BCF)和中鳍-对鳍推进模式(MPF)，身体-尾鳍摆动模式是推进速度最快、效率最高的推进模式，海洋中游速最快的鱼类都采用该种推进模式；在BCF模式中，尾鳍推进主要以单尾鳍为主，单尾鳍推进具有结构简单、易于控制的优点，但单尾鳍在摆动时不可避免的会产生明显的侧向力，使得机器鱼在运动过程中，会出现明显的艏摇现象，从而影响其推进效率和速度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种鱼形仿生水下机器人，采用双尾鳍驱动方式位，结构紧凑且转向灵活快速，改善了仿生机器人的机动性和稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种鱼形仿生水下机器人，其特征在于，包括密封壳体，所述壳体的背部连接有背鳍、尾部连接有尾鳍、底部连接有臀鳍、左右两侧连接有胸鳍；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动。
进一步地，所述背鳍和/或臀鳍和/或胸鳍包括鳍片本体、与鳍片本体形状相仿的硅薄片、沿硅薄片铺设的人工肌肉和填充于鳍片本体内的聚苯乙烯氯化物；所述人工肌肉在通电的情况下能够驱动鳍片本体展开，在断电的情况下能够驱动鳍片本体贴附于所述壳体外侧。
进一步地，所述人工肌肉由纤维状制动器Bio Metal Fiber 150制成。
进一步地，所述尾鳍通过尾鳍驱动装置与所述壳体连接，所述尾鳍驱动装置包括：设于壳体内的伺服电机、设于壳体外的与尾鳍连接的连接板，所述连接板通过可变向传动机构与伺服电机传动连接。
进一步地，所述壳体由两个半壳体密封扣合而成。
一种上述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其包括如下步骤：
接收控制指令，结合鱼形仿生水下机器人的传感器信息，确定胸鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍的CPG构型和参数；
根据所确定的CPG模型发送节律驱动信号，以控制相应鳍片运动。
进一步地，对于胸鳍、背鳍、臀鳍所确定的CPG模型分别如下：
Figure BDA0002340405650000031
Figure BDA0002340405650000032
上式中，u(t)和d(t)分别为接收到的上升信号和下潜信号，2个信号为互斥关系，！u(t)和！d(t)是分别对u(t)和d(t)信号取非；
l(t)和r(t)分别为左转信号和右转信号，2个信号为互斥关系，！l(t)和！r(t)是分别对l(t)和r(t)信号取非；
xi(t)为鳍片i对应的CPG模型的输出幅值状态变量，Ai为鳍片i对应的CPG模型的固定幅值；ti为鳍片i对应的时间信号；i＝1时，代表臀鳍；i＝2时，代表左胸鳍；i＝3时，代表右胸鳍；i＝4时，代表背鳍。
进一步地，对于尾鳍所确定的CPG模型如下：
Figure BDA0002340405650000033
式中：i，j＝5，6且i≠j，i为5时，j为6，i代表对应的右尾鳍，j代表对应的左尾鳍；i为6时，j为5，i代表对应的左尾鳍，j代表对应的右尾鳍；n为整数，范围为1～6，分别对应臀鳍、左胸鳍、右胸鳍、背鳍、右尾鳍和左尾鳍；θi(t)和θj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出相位的状态变量；ri(t)和rj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出幅值的状态变量；t表示时间刻度；
Figure BDA0002340405650000034
和
Figure BDA0002340405650000035
分别为θi(t)和ri(t)的一阶导数，
Figure BDA0002340405650000036
为ri(t)的二阶导数；fi为鳍片i对应的CPG模型的固有频率；Ai表示固有幅值，即最终ri(t)的收敛值；αi表示幅值ri(t)收敛于Ai的速度；wij表示鳍片j对应的CPG模型对鳍片i对应的CPG模型的耦合权重，若wij＝0表示两CPG模型之间无耦合关系；
Figure BDA0002340405650000041
表示鳍片j对应的CPG模型和鳍片i对应的CPG模型之间的相位关系；xi(t)表示鳍片i对应的CPG模型的最终幅值输出。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
1、本技术方案设计了双尾鳍驱动机构，提高了仿生机器人的推进力和稳定性；
2、本技术方案提供了一种由人工肌肉和双尾鳍机构共同驱动的仿生水下机器人，设计了基于人工肌肉的柔性胸鳍/背鳍/臀鳍，减小了仿生机器人的体积和重量，实现了仿生机器人的快速转向，且人工肌肉构成的鱼鳍具有质量轻、耐压高，柔顺度佳的特点；
3、本技术方案的仿生机器人机动性能好、噪声低，通过胸鳍/背鳍/臀鳍和尾鳍的协同控制，能够实现多种三维复杂机动，降低了水下机器人运动过程中产生的空泡和扰动噪声；
4、本技术方案的仿生机器人推进效率高、能耗低；混合仿生机器人整体推进效率从螺旋桨推进方式的40％(平均效率)提高到80％，能耗仅为螺旋桨推进方式的50％。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的主视结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的侧视结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的背鳍、臀鳍、胸鳍的立体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人左转时运动状态俯视示意图；
图5是本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人右转时运动状态俯视示意图；
图6是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人上浮时运动状态侧视示意图；
图7是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人下潜时运动状态侧视示意图；
图8是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的人工肌肉供电原理示意图；
图9是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人CPG网络连接示意图；
图10是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的控制原理示意图；
图11是是本发明本发明实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人运动过程中背鳍、臀鳍、胸鳍以及尾鳍的信号波形图。
标号说明：1-密封壳体、2-背鳍、3-尾鳍、4-臀鳍、5-胸鳍、6-鳍片本体、7-硅薄片、8-人工肌肉、9-聚苯乙烯氯化物、10-驱动装置、11-伺服电机、12-连接板、13-可变向传动机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种鱼形仿生水下机器人，其包括密封壳体1所述壳体1的背部连接有背鳍2、尾部连接有尾鳍3、底部连接有臀鳍4、左右两侧连接有胸鳍5；所述尾鳍3设有一对，于壳体1左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍3同步反向运动；
双尾鳍3对称设置同步反向运动可以相互抵消侧向力，不会在运动过程中出现明显的艏摇现象，抵消了偏航运动，保证了推进效率和速度。
一种实施例，所述背鳍2和/或臀鳍4和/或胸鳍5包括鳍片本体6、与鳍片本体6形状相仿的硅薄片7、沿硅薄片7铺设的人工肌肉8和填充于鳍片本体6内的聚苯乙烯氯化物9；所述人工肌肉8在通电的情况下能够驱动鳍片本体6展开，在断电的情况下能够驱动鳍片本体6贴附于所述壳体1外侧；
背鳍2和/或臀鳍4和/或胸鳍5与壳体1连接采用粘合剂粘合，粘合剂采用丙烯基改性有机硅树脂，人工肌肉8质量轻、耐压高、响应快、能耗低，能够适应鱼体的高速运动，但人工肌肉8普遍存在形变体积小，误差大、动力弱的问题，故只参与鱼体的转向、上浮和下潜动作，鱼体的稳定性和机动性则由双尾鳍3提供。
进一步地，所述人工肌肉8由纤维状制动器Bio Metal Fiber 150制成；
可通过通电或断电来控制人工肌肉8的状态，从而用电信号来控制背鳍2和/或臀鳍4和/或胸鳍5运动状态，方便快捷，响应快；
由聚苯乙烯氯化物和人工肌肉构成的背鳍2和/或臀鳍4和/或胸鳍5具有质量轻、耐压高，柔顺度佳的特点。
一种实施例，所述尾鳍3通过尾鳍驱动装置10与所述壳体1连接，所述尾鳍驱动装置10包括：设于壳体1内的伺服电机11、设于壳体1外的与尾鳍3连接的连接板12，所述连接板12通过可变向传动机构13与伺服电机11传动连接；
伺服电机11响应快，控制精准，尾鳍3通过螺栓与连接板12可拆连接，可变向传动机构13可采用锥齿轮副或者蜗轮蜗杆齿轮副。
一种实施例，所述壳体1由两个半壳体1密封扣合而成；
半壳体为透明材质制成，如塑料、树脂等，透明材质可以方便在鱼体内安装各种监控设备，也可以方便观察检测鱼体内部部件的运行状态，两个半壳体1扣合方便了安装。
一种上述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其包括如下步骤：
接收控制指令，结合鱼形仿生水下机器人的传感器信息，确定胸鳍5、背鳍2、臀鳍4和尾鳍3的CPG构型和参数；
根据所确定的CPG模型发送节律驱动信号，以控制相应鳍片运动；
鱼类的高性能游动不仅来自它们独特的鱼体构造，还来自于各鱼鳍关节和控制系统之间的相互协调作用，称为中枢模式发生器(Central Pattern Generator，CPG)；结合人工肌肉8可以通过断电或通电来控制伸展和收缩的特性以及伺服电机11的原理，CPG可产生节律性振荡信号，用于控制鱼鳍关节的节律运动。
进一步地，对于胸鳍5、背鳍2、臀鳍4所确定的CPG模型分别如下：
Figure BDA0002340405650000081
Figure BDA0002340405650000082
上式中，u(t)和d(t)分别为接收到的上升信号和下潜信号，2个信号为互斥关系，！u(t)和！d(t)是分别对u(t)和d(t)信号取非；
l(t)和r(t)分别为左转信号和右转信号，2个信号为互斥关系，！l(t)和！r(t)是分别对l(t)和r(t)信号取非；
xi(t)为鳍片i对应的CPG模型的输出幅值状态变量，Ai为鳍片i对应的CPG模型的固定幅值；ti为鳍片i对应的时刻信号；i＝1时，代表臀鳍；i＝2时，代表左胸鳍；i＝3时，代表右胸鳍；i＝4时，代表背鳍；
“鱼体”每个关节的节律运动可以简化为振荡信号，因此需要为每个鱼鳍关节建立CPG模型；定义CPGi为第i个鱼鳍关节对应的CPG模型，则i＝1～6，i＝1为臀鳍4对应的CPG1，i＝2为左胸鳍5对应的CPG2，i＝3为右胸鳍5对应的CPG3，i＝4为背鳍2对应的CPG4，i＝5为右尾鳍3对应的CPG5，i＝6为左尾鳍3对应的CPG6；本发明提出的鱼形混合仿生水下机器人系统，鉴于人工肌肉8存在的形变误差大、动力驱动弱的问题，故基于人工肌肉8设计的胸鳍5、背鳍2和臀鳍4通过伸展和收缩仅仅实现快速转向，并不提供推进力，而通过使用两个尾鳍3为“鱼体”提供稳定性和驱动力，因此6个鱼鳍关节的CPG模型具有明显差异性；
本发明设计的CPG模型中CPG1～CPG4产生的节律信号为方波信号，CPG5～CPG6产生的节律信号为正弦波信号。
进一步地，对于尾鳍3所确定的CPG模型如下：
Figure BDA0002340405650000091
式中：i，j＝5，6且i≠j，i为5时，j为6，i代表对应的右尾鳍，j代表对应的左尾鳍；i为6时，j为5，i代表对应的左尾鳍，j代表对应的右尾鳍；n为整数，范围为1～6，分别对应臀鳍、左胸鳍、右胸鳍、背鳍、右尾鳍和左尾鳍；θi(t)和θj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出相位的状态变量；ri(t)和rj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出幅值的状态变量；t表示时间刻度；
Figure BDA0002340405650000092
和
Figure BDA0002340405650000094
分别为θi(t)和ri(t)的一阶导数，
Figure BDA0002340405650000095
为ri(t)的二阶导数；fi为鳍片i对应的CPG模型的固有频率；Ai表示固有幅值，即最终ri(t)的收敛值；αi表示幅值ri(t)收敛于Ai的速度；wij表示鳍片j对应的CPG模型对鳍片i对应的CPG模型的耦合权重，若wij＝0表示两CPG模型之间无耦合关系；
Figure BDA0002340405650000096
表示鳍片j对应的CPG模型和鳍片i对应的CPG模型之间的相位关系；xi(t)表示鳍片i对应的CPG模型的最终幅值输出。
根据鱼形仿生水下机器人的结构和游动特征，建立一个简化的CPG网络拓扑结构，拓扑结构采用运动关系耦合方式，即每个鱼鳍仅与有游动相关性的CPG单元具有耦合关系，这样能够大幅减少模型参数数目，降低模型的复杂度；如附图所示，CPG1和CPG4相耦合，CPG2和CPG3相耦合，CPG5和CPG6相耦合。
图4～图7分别是仿生水下机器人向左转向、向右转向、向上上浮和向下下潜的游动示意图。图4中，当仿生水下机器人向左转向时，则左边的胸鳍5打开，则左边的流体阻力增大，从而产生向左的侧倾力，仿生水下机器人实现向左转向。图5中，向右转向时，则右边的胸鳍5打开，仿生水下机器人实现向右转向。图6中，当仿生水下机器人上浮时，则背部的背鳍2打开，从而产生向上的转动力矩，仿生机器人实现向上转向。图7中，当仿生水下机器人下潜时，臀部的臀鳍4打开，仿生水下机器人实现向下转向。
如附图9所示：根据鱼形仿生水下机器人特征，设定6个CPG振荡器，CPG1输出臀鳍的控制信号，CPG2输出左胸鳍的控制信号，CPG3输出右胸鳍的控制信号，CPG4输出背鳍的控制信号，CPG5输出右尾鳍的控制信号，CPG6输出左尾鳍的控制信号。Ai(i＝1～6)为第i个CPG的固定振幅，
Figure BDA0002340405650000101
表示鳍片j对应的CPG模型和鳍片i对应的CPG模型之间的相位关系。CPG模块负责计算各种振荡器之间的幅度，频率和相位差，并根据振荡方程输出控制信号给驱动电机或驱动电路。
本发明方法的鱼形仿生水下机器人的整个控制过程如附图10所示：由上级发送的任务指令，通过无线信号传输至仿生水下机器人的主控制模块，主控制模块对任务指令进行分解、处理和决策，然后发出基于时序的控制指令。运动模式匹配和特征调整模块接收来自主控模块的指令，结合仿生机器人的传感器信息根据不同鱼鳍关节选择CPG的构型和参数；CPG模块接收CPG构型和参数生成需要的CPG模型并发送节律驱动信号，鱼形混合仿生水下机器人与CPG模块相连，鱼鳍各关节驱动器接收CPG模块发送的节律驱动信号，驱动各关节驱动器产生控制信号，同时将安装在密封壳体内的传感器信号反馈给运动模式匹配和特征调整模块。
本发明鱼形仿生水下机器人转向过程中鱼鳍具体的动作情况可参照附图11所示：其中横轴为时间轴，纵轴为各鱼鳍的动作幅度；X1表示臀鳍，X2表示左胸鳍，X3表示右胸鳍，X4表示背鳍，X5表示右尾鳍，X6表示左尾鳍。时间0～4秒时，各鱼鳍静止，仿生机器人处于静止状态；4～8秒时，左尾鳍和右尾鳍反相动作，臀鳍张开，仿生机器人向下转向游动；8～12秒时，臀鳍闭合，仿生机器人直线游动；12～16秒时，左胸鳍张开，仿生机器人向左转向游动；16～20秒时，左胸鳍闭合，仿生机器人直线游动；20～24秒时，右胸鳍张开，仿生机器人向右转向游动；24～28秒时，右胸鳍闭合，双尾鳍频率加快，仿生机器人加速直线游动；28～32秒时，背鳍张开，仿生机器人向上快速转向游动；32～36秒时，背鳍闭合，仿生机器人快速直线游动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种鱼形仿生水下机器人，其特征在于，包括密封壳体(1)，所述壳体的背部连接有背鳍(2)、尾部连接有尾鳍(3)、底部连接有臀鳍(4)、左右两侧连接有胸鳍(5)；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动；所述背鳍、臀鳍和胸鳍包括鳍片本体(6)、与鳍片本体形状相仿的硅薄片(7)、沿硅薄片铺设的人工肌肉(8)和填充于鳍片本体内的聚苯乙烯氯化物(9)；所述人工肌肉在通电的情况下能够驱动鳍片本体展开，在断电的情况下能够驱动鳍片本体贴附于所述壳体外侧；
所述人工肌肉由纤维状制动器Bio Metal Fiber 150制成；
所述尾鳍通过尾鳍驱动装置(10)与所述壳体连接，所述尾鳍驱动装置包括：设于壳体内的伺服电机(11)、设于壳体外的与尾鳍连接的连接板(12)，所述连接板通过可变向传动机构(13)与伺服电机传动连接；
所述胸鳍、背鳍和臀鳍通过伸展和收缩实现机器人换向；两尾鳍通过尾鳍驱动装置驱动为机器人提供驱动力。
2.根据权利要求1所述的鱼形仿生水下机器人，其特征在于，所述壳体由两个半壳体密封扣合而成。
3.一种权利要求1或2所述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
接收控制指令，结合鱼形仿生水下机器人的传感器信息，确定胸鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍的CPG模型和参数；
根据所确定的CPG模型发送节律驱动信号，以控制相应鳍片运动；
对于胸鳍、背鳍、臀鳍所确定的CPG模型分别如下：
Figure FDA0002719798020000021
Figure FDA0002719798020000022
上式中，u(t)和d(t)分别为接收到的上升信号和下潜信号，2个信号为互斥关系，！u(t)和！d(t)是分别对u(t)和d(t)信号取非；
l(t)和r(t)分别为左转信号和右转信号，2个信号为互斥关系，！l(t)和！r(t)是分别对l(t)和r(t)信号取非；
xi(t)为鳍片i对应的CPG模型的输出幅值状态变量，Ai为鳍片i对应的CPG模型的固定幅值；ti为鳍片i对应的时间信号；i＝1时，代表臀鳍；i＝2时，代表左胸鳍；i＝3时，代表右胸鳍；i＝4时，代表背鳍；
对于尾鳍所确定的CPG模型如下：
Figure FDA0002719798020000023
式中：i，j＝5，6且i≠j，i为5时，j为6，i代表对应的右尾鳍，j代表对应的左尾鳍；i为6时，j为5，i代表对应的左尾鳍，j代表对应的右尾鳍；n为整数，范围为1～6，分别对应臀鳍、左胸鳍、右胸鳍、背鳍、右尾鳍和左尾鳍；θi(t)和θj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出相位的状态变量；ri(t)和rj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出幅值的状态变量；t表示时间刻度；
Figure FDA0002719798020000031
和
Figure FDA0002719798020000032
分别为θi(t)和ri(t)的一阶导数，
Figure FDA0002719798020000033
为ri(t)的二阶导数；fi为鳍片i对应的CPG模型的固有频率；Ai表示固有幅值，即最终ri(t)的收敛值；αi表示幅值ri(t)收敛于Ai的速度；wij表示鳍片j对应的CPG模型对鳍片i对应的CPG模型的耦合权重，若wij＝0表示两CPG模型之间无耦合关系；
Figure FDA0002719798020000034
表示鳍片j对应的CPG模型和鳍片i对应的CPG模型之间的相位关系；xi(t)表示鳍片i对应的CPG模型的最终幅值输出。
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