CN112937820B - 仿生机器金枪鱼 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器金枪鱼，旨在解决现有技术中仿生机器鱼能耗大、游速慢且转弯半径大的问题。本发明提供的仿生机器金枪鱼摆动机构的驱动舵机可以控制后段壳体摆动以控制仿生机器金枪鱼转向，摆动机构的旋翼电机能够通过齿轮传动和变速控制尾鳍摆动以控制仿生机器金枪鱼前向游动。通过该设置，仿生机器金枪鱼既能够通过旋翼电机单向转动实现尾部高频摆动，从而实现其高速游动，又能够通过驱动舵机实现尾部单向偏置，从而实现小半径转向。本申请的仿生机器金枪鱼结构简单、重量轻、体积小有利于同时实现高速游动和小半径转向运动。

Description

仿生机器金枪鱼
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种仿生机器金枪鱼。
背景技术
近年来，水下仿生机器鱼技术发展迅速，其在水质监测、水下探测以及水下考古等方面具有很多优势。
在自然界中，鱼类不仅能够实现约2.5-4倍体长/秒的较高游速，而且还可以在0.2倍体长以内的狭窄空间内转弯。但是，现有仿生机器鱼由于机械结构和控制策略等众多因素的限制，难以同时优化高速性能和机动性能，即难以同时实现高速游动和小转向半径，游动性能难以令人满意。与鱼类利用肌肉实现快速游动和转向相比，仿生机器鱼只能借助电机实现。这些电机通常固定在摆动关节上，从而在机器鱼体内形成一系列串联机构。一般讲，摆动关节越多，仿生机器鱼越灵活，但会给前置电机带来更多负担，导致多电机驱动的仿生机器鱼游速较低。此外，单电机驱动的仿生机器鱼可以实现较快的游动速度，但游动方式难以改变，不能达到较好的转向性能。综上，多电机驱动机器鱼的转向性能好，但推进速度慢，而单电机驱动机器鱼的推进速度快，但牺牲了转向能力，高速游动和小转向半径难以同时实现。
在仿生机器鱼研制方面，北京航空航天大学的梁建宏等人在2003~2005年间研制成功一款SPC-II仿生机器鱼，其由两个电机驱动两个躯干关节，实现了1.4m/s、约1.2倍体长/秒的游速，但转向半径较大，约为1倍体长。北京大学的赵惟等人在2007年设计了一条由舵机驱动的四关节机器鱼，实现了0.2倍体长的转向半径，但只能达到0.58m/s、约0.87倍体长/秒的最高游速。典型的单电机驱动机器鱼是R. J. Clapham和H. Hu在2014年开发的一款iSplash-II机器鱼，它采用一个电动机驱动三个关节，实现了11.6倍体长/秒的最高游速，甚至超过了真实的鱼类，但这款仿生机器鱼不具备转向功能，因此难以在实际中应用。一条实用的机器鱼需要平衡其游泳速度和转向能力，以执行各种任务。
因此，本领域需要一种新的仿生机器鱼以解决或至少减轻上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中仿生机器鱼能耗大、游速慢且转弯半径大的问题，本申请提供一种仿生机器金枪鱼，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体。
所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构。
所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动。
所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。
在一些优选技术方案中，所述固定构件包括具有容纳空间的框型结构，所述框型结构内部用于固定所述第二驱动机构，所述框架结构背离所述尾鳍的一侧具有延伸于所述框架结构外部的延伸部，所述延伸部用于固定所述第一驱动机构。
在一些优选技术方案中，所述第一传动机构包括转向舵盘、连杆和转向板，所述转向舵盘具有延伸于外的凸出部，所述连杆一端与所述凸出部连接，另一端与所述转向板连接，所述转向板背离所述连杆的一侧与所述第一装配部连接，所述第一装配部背离所述转向板的一端通过后壳支架与所述第二壳体连接。
在一些优选技术方案中，所述转向舵盘与所述连杆的连接面高于所述转向板与所述连杆的连接面，所述转向板背离所述第二装配部的一端为圆弧结构。
在一些优选技术方案中，所述第二传动机构包括伞齿轮组件、转动板和摆动支架，所述第二装配部包括第一连接杆和第二连接杆，所述摆动支架竖直设置于所述第一连接杆与所述第二连接杆之间。
所述第一连接杆的第一端与所述第一装配部的上端部连接，所述第一连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第二连接杆的第一端与所述第一装配部的下端部连接，所述第二连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第一连接杆为向所述尾鳍方向的连续降低结构，所述第二连接杆为向所述尾鳍方向的连续升高结构，所述第一连接杆的最低高度为所述第二连接杆的最高高度。
所述第二驱动机构的输出端通过所述伞齿轮组件与所述转动板连接，所述转动板具有作用部，所述作用部相对于与所述转动板的转动中心偏置，所述作用部能够在所述仿生机器金枪鱼长度方向垂直的平面内转动。
在一些优选技术方案中，所述摆动支架包括两个竖直设置的摆动部，两个所述摆动部对称布置在所述壳体纵向轴线的左右两侧，所述摆动部的上端部与所述第一连接杆连接，所述摆动部的下端部与所述第二连接杆连接，所述作用部的自由端到所述转动板的距离大于所述摆动部朝向所述转动板的侧面到所述转动板的距离，并且两个摆动部之间的间距小于所述作用部到所述转动板中心距离的二倍。
在一些优选技术方案中，所述第二连接杆包括依次连接的第一结构部、第二结构部、第三结构部和第四结构部，所述第一结构部与所述第一装配部的底部连接，所述第二结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第三结构部与所述摆动支架的下端部连接，所述第四结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第四结构部背离所述第三结构部的一端与所述尾鳍连接。
在一些优选技术方案中，所述伞齿轮组件包括主动伞齿轮、第一从动伞齿轮和第二从动伞齿轮，所述第二驱动装置的输出轴与所述主动伞齿轮同轴连接，所述第一从动伞齿轮的旋转轴与所述主动伞齿轮的旋转轴正交设置，所述第一从动伞齿轮同时与所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮啮合，所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮旋转面相对设置。
在一些优选技术方案中，还包括电源模块，所述电源模块装设于所述固定构件下方，所述电源模块用于为所述第一驱动机构和所述第二驱动机构供电。
在一些优选技术方案中，该仿生机器金枪鱼还包括总控中心，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构均与所述总控中心通信连接；所述第一驱动机构和所述第二驱动机构为两个独立设置的电机。
所述总控中心存储有转速预测控制算法，所述转速预测控制算法具体为。
基于获取的当前时刻电机实际角度位置
Figure 691686DEST_PATH_IMAGE001
和电机实际转速
Figure 352474DEST_PATH_IMAGE002
以及目标时刻电机目 标角度位置
Figure 822639DEST_PATH_IMAGE003
，判断电机从当前时刻到目标时刻按照当前转速
Figure 176260DEST_PATH_IMAGE002
将要完成的行程与电机的 预期行程
Figure 115397DEST_PATH_IMAGE003
-
Figure 845456DEST_PATH_IMAGE001
之间的关系，以进行电机转速的调节，获取目标时刻电机目标转速
Figure 173056DEST_PATH_IMAGE004
。
所述电机目标转速
Figure 697579DEST_PATH_IMAGE004
的获取方法如下：
Figure 858433DEST_PATH_IMAGE005
。
其中，
Figure 126603DEST_PATH_IMAGE006
为预设的角加速度上下限，
Figure 384409DEST_PATH_IMAGE006
＞0电机顺时针方向旋转，
Figure 470045DEST_PATH_IMAGE006
＜0电机逆时针 方向旋转；所述电机的行程为
Figure 242829DEST_PATH_IMAGE007
；其中，
Figure 924478DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 99107DEST_PATH_IMAGE002
为当前电机在
Figure 355645DEST_PATH_IMAGE008
时刻对应的值，
Figure 615725DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 101064DEST_PATH_IMAGE004
为电 机在
Figure 130200DEST_PATH_IMAGE009
时刻对应的预设值。
电机转速的调节具体为：若
Figure 557639DEST_PATH_IMAGE007
<
Figure 39436DEST_PATH_IMAGE010
，则说明电机当前的转速过大，需要减速， 即
Figure 656362DEST_PATH_IMAGE006
< 0，在
Figure 415371DEST_PATH_IMAGE011
时刻减速到目标转速
Figure 889077DEST_PATH_IMAGE004
；若
Figure 985734DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 203089DEST_PATH_IMAGE010
，说明电机当前的转速合 适，无需改变速度；若
Figure 82183DEST_PATH_IMAGE007
>
Figure 726791DEST_PATH_IMAGE010
，则说明电机当前的转速过小，需要加速，即
Figure 307814DEST_PATH_IMAGE006
> 0，在
Figure 266542DEST_PATH_IMAGE011
时刻加速到目标转速
Figure 531302DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明的有益效果。
本发明的仿生机器金枪鱼摆动机构的驱动舵机可以控制后段壳体摆动以控制仿生机器金枪鱼转向，摆动机构的旋翼电机能够通过齿轮传动和变速控制尾鳍摆动以控制仿生机器金枪鱼前向游动。通过该设置，仿生机器金枪鱼既能够通过旋翼电机单向转动实现尾部高频摆动，从而实现其高速游动，又能够通过驱动舵机实现尾部单向偏置，从而实现小半径转向。本申请的仿生机器金枪鱼结构简单、重量轻、体积小有利于同时实现高速游动和小半径转向运动。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明一种实施例的仿生机器金枪鱼整体结构示意图。
图2为本发明一种实施例中动力装置的结构示意图。
图3为本发明一种实施例中摆动机构的结构示意图。
图4为本发明一种实施例中速度模式下电机工作示意图。
图5为本发明一种实施例中不同情况下电机目标转速与目标位置之间关系。
图6为本发明一种实施例中转速预测控制算法框图。
附图标记列表。
1-壳体，11-前段壳体，12-后段壳体；2-尾部连接板；3-尾鳍；4-固定构件；41-第一固定座；42-电机固定座；43-第二固定座；44-第三固定座；45-后段壳体支架；5-摆动机构；51-驱动舵机；52-转向舵盘；53-连杆；54-转向板；55-齿轮支架；56-驱动旋翼电机；57-主动伞齿轮；58-第一从动伞齿轮；59-第二从动伞齿轮；510-转动板；511-摆动支架；512-第一连接杆；513-第二连接杆；6-电池。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的一种仿生机器金枪鱼，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体。
所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构。
所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动。
所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。本申请的仿生机器金枪鱼能够同时实现其高速游动和小半径转向运动。
为了更清晰地对本发明仿生机器金枪鱼进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。
作为本发明的一个优选实施例，本发明的仿生机器金枪鱼如图1所示，包括依次连接的壳体1和尾鳍3，其中，壳体1包括铰接的第一壳体和第二壳体，参阅附图，第一壳体为如图所示的前段壳体11，第二壳体为如图所示的后段壳体12，前段壳体11与后段壳体12柔性连接。壳体1和尾鳍3在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，尾鳍通过第二装配部可转动地装设于壳体1。
壳体1包括固定构件4和动力装置，动力装置包括摆动机构5，动力装置通过固定构件4装设于壳体1内部，即固定构件4设置在壳体1内，摆动机构5设置在固定构件4上。摆动机构5能够控制仿生机器金枪鱼前进和转向。其中，壳体1能够起到密封防水的作用，保证仿生机器金枪鱼能够在水下运动，动力装置能够为仿生机器金枪鱼提供动力。可以将动力装置全部设置在壳体1内，即壳体1将固定构件4和摆动机构5全部包裹在壳体1内；或者，将动力装置的一部分设置在壳体1内，比如驱动旋翼电机、驱动舵机、电池等，而将动力装置的另一部分设置在壳体1外，比如尾部连接板、尾鳍等。在这种情况下，设置在壳体1外部的构件与壳体1的连接处需要用密封材料进行密封，防止水进入到壳体1的内部，本领域技术人员可以在实际应用中，根据仿生机器金枪鱼的具体结构灵活地设置动力装置的具体设置方式，只要能保证仿生机器金枪鱼在水下运动即可。
固定构件4位于前段壳体11和/或后段壳体12内，摆动机构5位于前段壳体11和/或后段壳体12内。其中，前段壳体11与后段壳体12可以通过柔性防水布连接，或者通过柔性橡胶圈连接，本领域技术人员可以在实际应用中灵活地设置前段壳体11与后段壳体12具体的连接构件，只要能够通过连接构件将前段壳体11与后段壳体柔性12连接即可。此外，在一种可能的情形中，固定构件包括2个固定部，固定构件4的第一固定部位于前段壳体11内，固定构件4的第二固定部位于后段壳体12内。
摆动机构5包括输出轴正交设置的第一驱动机构、第二驱动机构、第一传动机构和第二传动机构；优选地，本申请第一驱动机构为如图2所示的驱动舵机51，第二驱动机构为如图2所示的驱动旋翼电机56。具体地，固定构件4包括具有容纳空间的框型结构，框型结构内部具有用于固定第二驱动机构的容纳空间，框架结构背离尾鳍3的一侧具有延伸于框架结构外部的延伸部，该延伸部用于固定第一驱动机构。
继续参阅附图，驱动舵机51的输出轴延伸于固定构件4的上方，并通过第一传动机构与后段壳体12连接，第一传动机构用于将驱动舵机51的回转运动转换为往复运动。
驱动旋翼电机56的输出轴沿壳体1的长度方向设置，即沿壳体纵向轴线设置，驱动旋翼电机56通过第二传动机构与第二装配部连接，第二传动机构用于将第二驱动机构的回转运动转换为往复运动。
具体地，第一传动机构包括转向舵盘52、连杆53和转向板54，转向舵盘52具有延伸于转向舵盘外的凸出部，连杆53一端与转向舵盘52的凸出部连接，另一端与转向板54连接，转向板54背离连杆53的一侧与第一装配部连接，第一装配部背离转向板54的一端通过后段壳体支架45与后段壳体12连接。转向舵盘52与连杆53的连接面高于转向板54与连杆53的连接面，即转向舵盘52的转动面高于转向板54的转动面，转向板54背离第二装配部的一端为圆弧结构，参阅附图，本申请转向板54为直角扇形结构，扇形端用于减少转向时碰撞的可能性，以及减少空间的占用；直角端便于安装。
优选地，如图2和图3所示，摆动机构5包括驱动舵机51、转向舵盘52、连杆53、转向板54、齿轮支架55，驱动舵机51设置在固定构件4上，驱动舵机51的输出轴与转向舵盘52相连接，转向舵盘52与连杆53相连接，连杆53与转向板54相连接，转向板54与齿轮支架55同轴连接，齿轮支架55与后段壳体支架45相连，后段壳体支架45与后段壳体12固定连接，驱动舵机51能够使转向舵盘52转动并通过连杆53、转向板54带动齿轮支架55摆动，从而带动后段壳体12摆动以使仿生机器金枪鱼转向。其中，驱动舵机51通过第一固定座41固定在固定构件4上，转向板54与第二固定座43枢转连接，第二固定座43与电机固定座42固定连接，齿轮支架55与后段壳体支架45固定连接，中段壳体12与后段壳体支架45固定连接，所以后段壳体12在驱动舵机51的驱动下能够左右摆动以使仿生机器金枪鱼转向。
进一步地，本申请的第二传动机构包括伞齿轮组件、转动板510和摆动支架511，第二装配部包括第一连接杆512和第二连接杆513，摆动支架511竖直设置于第一连接杆512与第二连接杆513之间。
第一连接杆512的第一端与第一装配部的上端部连接，第一连接杆512的第二端与尾鳍3连接，第二连接杆513的第一端与第一装配部的下端部连接，第二连接杆513的第二端与尾鳍3连接，第一连接杆为向尾鳍3方向的连续降低结构，第二连接杆513为向尾鳍3方向的连续升高结构，第一连接杆512的最低高度为第二连接杆513的最高高度；在一些优选实施例中，第二连接杆513包括依次连接的第一结构部、第二结构部、第三结构部和第四结构部，第一结构部与第一装配部的底部连接，第二结构部为沿尾鳍方向上升的变高结构，第三结构部与摆动支架511的下端部连接，第四结构部为沿尾鳍3方向上升的变高结构，第四结构部背离第三结构部的一端与尾鳍3连接。
驱动旋翼电机56的输出端通过伞齿轮组件与转动板510连接，转动板510具有作用部，作用部相对于与转动板510的转动中心偏置，作用部能够在仿生机器金枪鱼长度方向垂直的平面内转动。
具体而言，摆动支架511为长方形框架结构，其包括两个平行且竖直设置的摆动部，两个摆动部对称布置在壳体1纵向轴线的左右两侧，摆动部的上端部与第一连接杆512连接，摆动部的下端部与第二连接杆513连接，作用部的自由端到转动板510的距离大于摆动部朝向转动板510的侧面到转动板510的距离，并且两个摆动部之间的间距小于作用部到转动板510中心距离的二倍。
进一步地，本申请的伞齿轮组件包括主动伞齿轮57、第一从动伞齿轮58和第二从动伞齿轮59，驱动旋翼电机56的输出轴与主动伞齿轮57同轴连接，第一从动伞齿轮58的旋转轴与主动伞齿轮57的旋转轴正交设置，第一从动伞齿轮58同时与主动伞齿轮57和第二从动伞齿轮59啮合，主动伞齿轮57和第二从动伞齿轮59旋转面相对设置。
优选地，如图2和图3所示，摆动机构还包括驱动旋翼电机56、主动伞齿轮57、第一从动伞齿轮58、第二从动伞齿轮59、转动板510、摆动支架511、第一连接杆512、第二连接杆513、尾部连接板2、尾鳍3，驱动旋翼电机56通过电机固定座42固定在固定构件4上，驱动旋翼电机56的输出轴与主动伞齿轮57相连接，主动伞齿轮57和第一从动伞齿轮58相啮合，第一从动伞齿轮通过第三固定座44固定在固定构件4上，第一从动伞齿轮58与第二从动伞齿轮59相啮合，第二从动伞齿轮59和转动板510相连接，转动板510与摆动支架511相切连接，摆动支架511通过第一连接杆512以及第二连接杆513与尾部连接板2相连，尾部连接板2与尾鳍3相连，旋翼驱动电机56能够驱动主动伞齿轮57转动以使第一从动伞齿轮58转动，进而使第二从动伞齿轮59转动，因此使偏心轮510转动，迫使摆动支架511摆动以通过第一连接杆512和第二连接杆513带动尾部连接板2摆动，从而使尾鳍3摆动。
更进一步地，本申请还设置有电源模块，其包括电池6，电池6装设于固定构件4下方，用于为驱动舵机51和驱动旋翼电机56供电。可以理解的是，第一传动机构同样设置与固定构件4的上方，电池6固定在固定构件4的下方，能够使得本申请的仿生机器金枪鱼下方质量更大，推进更稳定。本领域技术人员也可根据实际情况灵活调整将第一驱动机构的输出轴和第一传动机构的位置。
本申请还包括总控中心，第一驱动机构和第二驱动机构均与总控中心通信连接；第一驱动机构和第二驱动机构为两个独立设置的电机，总控中心存储有转速预测控制算法，优选地，总控中心通过转速预测控制算法能够分别独立控制第一驱动机构和第二驱动机构；可以理解的是，本申请第一驱动机构主要用于转向，第二驱动机构主要用于提升高速游动的性能，本申请的算法更适用于支持速度模式的电机。在本申请的优选实施例中，由于第一驱动机构对速度要求不高，因此本申请在优选实施例中仅将该算法与第二驱动机构进行结合以详细说明。
下面本申请将结合实施例对总控中心控制第二驱动机构的具体方法进行详细描述。
所述转速预测控制算法具体为基于获取的当前时刻电机实际角度位置
Figure 346811DEST_PATH_IMAGE001
和电机实 际转速
Figure 493758DEST_PATH_IMAGE002
以及目标时刻电机目标角度位置
Figure 177550DEST_PATH_IMAGE003
，判断电机从当前时刻到目标时刻按照当前转 速
Figure 890291DEST_PATH_IMAGE002
将要完成的行程与电机的预期行程
Figure 486488DEST_PATH_IMAGE003
-
Figure 917470DEST_PATH_IMAGE001
之间的关系，以进行电机转速的调节，获取目 标时刻电机目标转速
Figure 404952DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明从底层的电机控制出发，提供一种电机转速预测控制算法，在保证关节角的跟踪精度的前提下尽可能减少电机转速的变化，提高电机的有效功率，以提升仿生机器金枪鱼的性能。
电机可采用三种控制模式：位置模式、速度模式和电流模式。目前的方法是直接用电机的位置模式进行控制，只需输入关节角信号，电机驱动器内部自行调整电流和转速，最终驱动电机到达指定位置并保持。位置模式控制的目标是电机停在某一位置，且保证停留在此位置时的电机转速为零，这种模式在需要精准控制关节角的场合中十分有效，但在需要高频连续摆动的工况下，位置控制模式会导致电机频繁加减速。
在电机位置控制模式下，输入信号时往往采用定时器进行控制，即任何两临近输入信号之间的时间间隔是固定的，而两临近输入信号之间的差值是变化的。为了更清楚地表达，将两临近输入信号的差值称为电机的行程。电机位置模式控制的目标是电机的位置从起点到终点，同时电机的速度从零到零。这就引出一个矛盾：在预设的角加速度上下限和转速上限较小的条件下，电机能在给定的时间间隔内完成小行程；然而在同样的预设条件下，电机无法完成大行程，表现在外部即是摆动的幅值不足；而如果预设的角加速度和转速上下限较大，优先满足大行程的需求，则会导致小行程中电机速度在零附近的震荡，以及加剧速度的变化。此外，过大的预设角加速度上下限会导致电机驱动器加大电流的增益值，从而降低电机的负载能力。表现在外部的现象是：尾鳍摆动过程中会存在停顿，摆动频率较高时会导致驱动器保护性断电。
本发明考虑在速度模式下对电机进行控制，通过控制到达每个点时的速度来对实 际到达的关节角位置进行控制，即问题转变为利用给定的目标位置
Figure 237778DEST_PATH_IMAGE003
求得所需的目标速度
Figure 4877DEST_PATH_IMAGE012
。
为方便计算，预设角加速度上限和下限为相同的值。电机的转速和位置关系可由图4表示。
在
Figure 923155DEST_PATH_IMAGE008
时刻，测得当前电机的实际位置为
Figure 27377DEST_PATH_IMAGE013
，实际速度为
Figure 564976DEST_PATH_IMAGE002
，而控制目标是要使电机 在
Figure 893189DEST_PATH_IMAGE009
时刻到达目标位置
Figure 908549DEST_PATH_IMAGE003
，则
Figure 613200DEST_PATH_IMAGE007
即是上述分析中的行程，而
Figure 545253DEST_PATH_IMAGE012
是电机转速控制模式 中所需的目标转速。
即可以理解为
Figure 44367DEST_PATH_IMAGE008
时刻为当前时刻，
Figure 547024DEST_PATH_IMAGE014
时刻为目标时刻，即目标时刻（T时刻 后）。
由图4可得几者之间的关系式；
Figure 789787DEST_PATH_IMAGE015
（1）。
式(1)中，
Figure 310767DEST_PATH_IMAGE006
是预设的角加速度上下限。将式(1)重新整理，可得；
Figure 184045DEST_PATH_IMAGE016
（2）。
式(2)中，
Figure 298631DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 954872DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 471304DEST_PATH_IMAGE018
是已知的量，而
Figure 702434DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 304316DEST_PATH_IMAGE002
是电机内置传感器测得的值，则式中仅有
Figure 764248DEST_PATH_IMAGE004
一个未知量，可利用二次函数的求根方式进行求解。规定
Figure 135186DEST_PATH_IMAGE006
≥0的实际效果是使电机顺时 针方向旋转，而
Figure 274568DEST_PATH_IMAGE006
≤0是使电机逆时针方向旋转，以保证与
Figure 98167DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 361790DEST_PATH_IMAGE019
方向的一致性。
为计算期望转速
Figure 790497DEST_PATH_IMAGE004
，利用
Figure 973217DEST_PATH_IMAGE020
的值，即电机需要走过的行程将所有情况分类，如 图5所示。
利用式(2)以及图5可以得到目标转速
Figure 674325DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式；
Figure 600693DEST_PATH_IMAGE005
。
转速预测方法实质上是进行一个判断，即判断当前实测速度是否需要改变，如果需要改变，则计算需要改变到多少能恰好使得一个控制周期内电机到达指定位置。通过将输出的实时位置和转速引入控制，可有效减少速度的频繁调整，同时保证一定的位置精度。
参阅图6，本申请利用预测法进行电机转速控制的算法框图如图6所示，最终提出的转速预测算法可有效降低电机的不必要损耗，提高有效功率。
一般而言，控制机器鱼的运动主要是依靠于控制关节角而实现。通过控制电机跟踪给定的关节角信号，可实现对机器鱼的运动控制。通过关节角信号生成方法(如基于正弦波的方法，或基于中枢模式发生器CPG的方法等)，可生成一系列的关节角信号，每一个关节角信号对应电机需要跟踪的一个角度位置。这里提出的电机运动控制算法，目的是在保证电机能较好的跟踪给定的角度位置信号的同时，尽可能减少电机转速的变化。
在
Figure 556011DEST_PATH_IMAGE008
时刻，测得当前电机的实际角度位置为
Figure 440790DEST_PATH_IMAGE013
，实际转速为
Figure 363616DEST_PATH_IMAGE002
，而控制目标是要使 电机在
Figure 93674DEST_PATH_IMAGE009
时刻到达目标角度位置
Figure 903498DEST_PATH_IMAGE003
，则
Figure 693600DEST_PATH_IMAGE007
即是电机的行程，而
Figure 182350DEST_PATH_IMAGE012
是电机转速控制模 式中
Figure 575154DEST_PATH_IMAGE014
时刻所需的目标转速。
转速预测控制算法的输入为：
Figure 629698DEST_PATH_IMAGE014
时刻的电机目标角度位置
Figure 466067DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 973271DEST_PATH_IMAGE008
时刻实际角 度位置
Figure 172696DEST_PATH_IMAGE001
的差值
Figure 347326DEST_PATH_IMAGE007
。
转速预测控制算法的输出为：
Figure 89017DEST_PATH_IMAGE014
时刻电机应达到的目标转速
Figure 614676DEST_PATH_IMAGE004
；转速预测方 法实质上是进行一个判断，即判断当前实测速度是否需要改变。基于
Figure 349283DEST_PATH_IMAGE007
与
Figure 378418DEST_PATH_IMAGE010
的关 系进行判断。
如果
Figure 291011DEST_PATH_IMAGE007
<
Figure 38387DEST_PATH_IMAGE010
，则说明电机当前的转速过大（如果维持当前转速，则在
Figure 655313DEST_PATH_IMAGE011
时电机的位置将会超过给定位置
Figure 460327DEST_PATH_IMAGE003
），需要减速，即
Figure 137296DEST_PATH_IMAGE006
< 0，在
Figure 778493DEST_PATH_IMAGE011
时刻减速到目标转速
Figure 854902DEST_PATH_IMAGE004
。
如果
Figure 858630DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 113025DEST_PATH_IMAGE010
，说明电机当前的转速合适，不需要改变速度。
如果
Figure 772677DEST_PATH_IMAGE007
>
Figure 528143DEST_PATH_IMAGE010
，则说明电机当前的转速过小（如果维持当前转速，则不足以让 电机在
Figure 513941DEST_PATH_IMAGE011
时达到给定位置
Figure 329450DEST_PATH_IMAGE003
），需要加速，即
Figure 148502DEST_PATH_IMAGE006
> 0，在
Figure 442080DEST_PATH_IMAGE011
时刻加速到目标转速
Figure 279455DEST_PATH_IMAGE004
。
本发明提出的电机转速预测控制方法通过控制驱动旋翼电机56在目标时刻的转速，以控制驱动旋翼电机56的输出轴在目标时刻的角度位置，使主动伞齿轮57转动到相应角度位置，通过第一从动伞齿轮58带动第二从动伞齿轮59转动到相应角度位置，第二从动伞齿轮59带动转动板510、摆动支架511运动，从而使第一连接杆512、第二连接杆513绕与第一装配部的连接处转动到目标关节角位置，即关节角信号代表的位置，从而带动尾鳍3摆动。本申请通过将输出的实时位置和转速引入控制，可有效减少速度的频繁调整，同时保证一定的位置精度，并且能够有效降低电机的不必要损耗，提高有效功率。
上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点。
本发明的仿生机器金枪鱼摆动机构的驱动舵机可以控制后段壳体摆动以控制仿生机器金枪鱼转向，摆动机构的旋翼电机能够通过齿轮传动和变速控制尾鳍摆动以控制仿生机器金枪鱼前向游动。通过该设置，仿生机器金枪鱼既能够通过旋翼电机单向转动实现尾部高频摆动，从而实现其高速游动，又能够通过驱动舵机实现尾部单向偏置，从而实现小半径转向。本申请的仿生机器金枪鱼结构简单、重量轻、体积小有利于同时实现高速游动和小半径转向运动。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿生机器金枪鱼，其特征在于，包括依次连接的壳体和尾鳍，所述壳体包括铰接的第一壳体和第二壳体，所述壳体和所述尾鳍在靠近彼此的端部分别设置有第一装配部和第二装配部，所述尾鳍通过所述第二装配部可转动地装设于所述壳体；所述壳体包括固定构件和动力装置，所述动力装置通过所述固定构件装设于所述壳体内部，所述动力装置包括输出轴正交设置的第一驱动机构和第二驱动机构；所述第一驱动机构的输出轴延伸于所述固定构件的上方，并通过第一传动机构与所述第二壳体连接，所述第一传动机构用于将所述第一驱动机构的回转运动转换为往复运动；所述第二驱动机构的输出轴沿所述壳体长度方向设置，所述第二驱动机构通过第二传动机构与所述第二装配部连接，所述第二传动机构用于将所述第二驱动机构的回转运动转换为往复运动；
该仿生机器金枪鱼还包括总控中心，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构均与所述总控中心通信连接，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构为两个独立设置的电机；所述总控中心存储有转速预测控制算法，所述转速预测控制算法具体为：基于获取的当前时刻电机实际角度位置
Figure 511056DEST_PATH_IMAGE001
和电机实际转速
Figure 745728DEST_PATH_IMAGE002
以及目标时刻电机目标角度位置
Figure 900766DEST_PATH_IMAGE003
，判断电机从当前时刻到目标时刻按照当前转速
Figure 779860DEST_PATH_IMAGE002
将要完成的行程与电机的预期行程
Figure 690048DEST_PATH_IMAGE003
-
Figure 349699DEST_PATH_IMAGE004
之间的关系，以进行电机转速的调节，获取目标时刻电机目标转速
Figure 996843DEST_PATH_IMAGE005
；
所述电机目标转速
Figure 792761DEST_PATH_IMAGE005
的获取方法如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 608270DEST_PATH_IMAGE007
为预设的角加速度上下限，
Figure 692901DEST_PATH_IMAGE007
＞0电机顺时针方向旋转，
Figure 252058DEST_PATH_IMAGE007
＜0电机逆时针方向旋转；所述电机的行程为
Figure 168062DEST_PATH_IMAGE008
；其中，
Figure 279106DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 913350DEST_PATH_IMAGE002
为当前电机在
Figure 276198DEST_PATH_IMAGE009
时刻对应的值，
Figure 312287DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 344965DEST_PATH_IMAGE005
为电机在
Figure 466505DEST_PATH_IMAGE010
时刻对应的预设值；电机转速的调节具体为：若
Figure 633044DEST_PATH_IMAGE008
<
Figure 258060DEST_PATH_IMAGE011
，则说明电机当前的转速过大，需要减速，即
Figure 477951DEST_PATH_IMAGE007
< 0，在
Figure 821208DEST_PATH_IMAGE012
时刻减速到目标转速
Figure 791438DEST_PATH_IMAGE005
；若
Figure 536540DEST_PATH_IMAGE008
=
Figure 176600DEST_PATH_IMAGE011
，说明电机当前的转速合适，无需改变速度；若
Figure 7153DEST_PATH_IMAGE008
>
Figure 515495DEST_PATH_IMAGE011
，则说明电机当前的转速过小，需要加速，即
Figure 115103DEST_PATH_IMAGE007
> 0，在
Figure 175332DEST_PATH_IMAGE012
时刻加速到目标转速
Figure 493181DEST_PATH_IMAGE005
。
2.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述固定构件包括具有容纳空间的框型结构，所述框型结构内部用于固定所述第二驱动机构，所述框型结构背离所述尾鳍的一侧具有延伸于所述框型结构外部的延伸部，所述延伸部用于固定所述第一驱动机构。
3.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述第一传动机构包括转向舵盘、连杆和转向板，所述转向舵盘具有延伸于所述转向舵盘外的凸出部，所述连杆一端与所述凸出部连接，另一端与所述转向板连接，所述转向板背离所述连杆的一侧与所述第一装配部连接，所述第一装配部背离所述转向板的一端通过后壳支架与所述第二壳体连接。
4.根据权利要求3所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述转向舵盘与所述连杆的连接面高于所述转向板与所述连杆的连接面，所述转向板背离所述第二装配部的一端为圆弧结构。
5.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于， 所述第二传动机构包括伞齿轮组件、转动板和摆动支架，所述第二装配部包括第一连接杆和第二连接杆，所述摆动支架竖直设置于所述第一连接杆与所述第二连接杆之间；所述第一连接杆的第一端与所述第一装配部的上端部连接，所述第一连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第二连接杆的第一端与所述第一装配部的下端部连接，所述第二连接杆的第二端与所述尾鳍连接，所述第一连接杆为向所述尾鳍方向的连续降低结构，所述第二连接杆为向所述尾鳍方向的连续升高结构，所述第一连接杆的最低高度为所述第二连接杆的最高高度；所述第二驱动机构的输出端通过所述伞齿轮组件与所述转动板连接，所述转动板具有作用部，所述作用部相对于与所述转动板的转动中心偏置，所述作用部能够在所述仿生机器金枪鱼长度方向垂直的平面内转动。
6.根据权利要求5所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述摆动支架包括两个竖直设置的摆动部，两个所述摆动部对称布置在所述壳体纵向轴线的左右两侧，所述摆动部的上端部与所述第一连接杆连接，所述摆动部的下端部与所述第二连接杆连接，所述作用部的自由端到所述转动板的距离大于所述摆动部朝向所述转动板的侧面到所述转动板的距离，并且两个摆动部之间的间距小于所述作用部到所述转动板中心距离的二倍。
7.根据权利要求6所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述第二连接杆包括依次连接的第一结构部、第二结构部、第三结构部和第四结构部，所述第一结构部与所述第一装配部的底部连接，所述第二结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第三结构部与所述摆动支架的下端部连接，所述第四结构部为沿所述尾鳍方向上升的变高结构，所述第四结构部背离所述第三结构部的一端与所述尾鳍连接。
8.根据权利要求5所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，所述伞齿轮组件包括主动伞齿轮、第一从动伞齿轮和第二从动伞齿轮，所述第二驱动机构的输出轴与所述主动伞齿轮同轴连接，所述第一从动伞齿轮的旋转轴与所述主动伞齿轮的旋转轴正交设置，所述第一从动伞齿轮同时与所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮啮合，所述主动伞齿轮和所述第二从动伞齿轮旋转面相对设置。
9.根据权利要求1所述的仿生机器金枪鱼，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块装设于所述固定构件下方，所述电源模块用于为所述第一驱动机构和所述第二驱动机构供电。
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