CN1234510C - 稳定性优先的仿鱼推进水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，由鱼体、固定安装在鱼体内的推进装置、连接鱼体和尾鳍的大臂、尾鳍及安装在尾鳍上的尾柄五大部分组成。本发明机器人的推进控制和鱼体的游动稳定性统一为一体，鱼体保持SPC的高稳定性水动力外形。SPC推进部分由推进装置、大臂、尾柄和尾鳍构成。SPC推进部分在伺服电机驱动下能够产生相对运动，工作端尾鳍能够按照SPC的控制规律产生运动。本发明的机器人采用推进、稳定一体设计，减少了阻力，降低了损耗，提高了机器人前进的速度。

Description

稳定性优先的仿鱼推进水下机器人

                           技术领域

本发明涉及一种新型仿生推进结构的机器人，具体的说是指一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人。

                           技术背景

通过脊椎动物学和流体力学方面的大量理论和实验研究，人们发现经过上亿年进化的鱼类游动方式包含着深刻的流体力学和生物学机理，一些鱼类在推进效率、机动灵活性和可操纵性方面比当今世界上任何水面、水下运载器性能都要高。因此，国内外许多著名的研究机构越来越关注水下各种鱼类的高效游动方式，纷纷投入专门的人力、物力和财力，探索仿生机器鱼这一新兴的多学科交叉的前沿技术研究。

美国麻省理工学院海洋工程实验室、伍兹霍尔海洋研究所和纽约大学联合组成研究小组正在开展有关鱼类仿生推进机理的研究。从1994年至1999年，以Triantafyllou M.S.为主的研究小组先后设计研究了1.2米长的机器金枪鱼和0.8米长的机器狗鱼；美国C.S.DRAPAR实验室研制了长度2.4米的仿黄鳍金枪鱼VCUUV，速度在1赫兹时达到1.2米/秒。日本N.Kato研究小组研究了鲈鱼胸鳍的运动机理；日本三菱公司也组织开展了鱼类仿生机器人技术开发，实现了长度60cm，重量6磅的机器鱼，速度可达0.25m/s；东京理工学院最近制造了双结点海豚型自航模型，该模型总长1.75m，与真实的海豚长度相近，推进速度在1.5赫兹时为1.15m/s。但是，由于身体运动的不稳定性，单纯模仿海豚和金枪鱼外形的机器鱼方案，都未能达到设计的速度要求，尾部运动出现了失真。北航机器人研究所从1999年开始进行机器鱼的研究，最早制造成功了国内第一条机器鳗鱼ROBOFISH，以及多机器鱼协调运动控制系统。但是，研究中发现：多关节的、细长分布的鱼体外形总是产生不必要的晃动，增加了阻力、消耗了能量。

综合国内国外研究中发现的关于仿鱼推进中摆动推进和身体平稳性的矛盾，本发明人设计了将仿鱼机器人设计过程中涉及的各个方面作为一个整体，解决水动力外形、推进机构和控制规律相互关联并和谐统一的设计方案。

                              发明内容

本发明的目的是将推进控制和鱼体的游动稳定性统一起来，提供一种在水下环境中能保持平稳前进的机器人机构，用于获得良好的游动稳定性和较高的游动效率。

本发明的稳定性优先仿鱼推进水下机器人可简述为SPC模式仿鱼推进水下机器人，即Stability first，Propulsion secondary，Control the third的机器人。

一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，包括鱼体、推进装置、尾柄和尾鳍，推进装置安装在鱼体内，尾柄及尾鳍放置在鱼体的外部，其特征在于，还包括将鱼体和尾鳍连接在一起的大臂，尾柄的一端固定在尾鳍上，尾柄的另一端连接在大臂上，大臂的另一端与推进装置连接，所述的推进装置的驱动由大臂伺服电机和尾柄伺服电机构成；，支架由第一支架边、第二支架边、第三支架边和第四支架边构成，第一支架边和第二支架边一二在同一侧，第三支架边和第四支架边三四在一同一侧，第一支架边和第二支架边一二在第三支架边和第四支架边三四的左侧，第一支架边、第三支架边、第二支架边和第四支架边相互平行；大臂伺服电机安装在支架的第一支架边上，尾柄伺服电机安装在支架的第二支架边上，大臂伺服电机和尾柄伺服电机平行并排放置，大臂伺服电机和尾柄伺服电机平行并排上下倒置分别安装在支架的第一支架边和第二支架边上，大臂伺服电机的输出轴上装有大臂同步带轮，尾柄伺服电机的输出轴上装有尾柄同步带轮；所述稳定性优先的仿鱼推进水下机器人的尾柄传感方式由尾柄力矩传感器和尾柄电机角位移度传感器构成，尾柄电机角位移传感器与尾柄伺服电机的同步带轮安装在一起，尾柄伺服电机的同步带轮通过同步齿形带与尾柄力矩传感器相连接，尾柄力矩传感器安装在支架的第三支架边上，尾柄力矩传感器和尾柄输出带轮一起和尾柄力矩传感器固连在尾柄伺服电机的输出轴上；尾柄的传动机构由尾柄连接盘、尾柄转轮、尾柄连杆和尾柄垫块构成，尾柄连接盘与大臂连接盘安装在尾柄力矩传感器的输出轴上，并且尾柄连接盘并与大臂连接盘同轴线相对转动，尾柄转轮安装于大臂的末端，尾柄连杆的两端分别连接尾柄连接盘和尾柄转轮；尾柄力矩传感器的输出轴处安装有水封；所述稳定性优先的仿鱼推进水下机器人的大臂传感方式由大臂力矩传感器和大臂电机角位移传感器构成，大臂电机角位移传感器与大臂伺服电机的同步带轮安装在一起，大臂伺服电机的同步带轮通过同步齿形带与大臂力矩传感器相连接，大臂力矩传感器安装在支架的第四支架边上，大臂力矩传感器和大臂输出带轮一起和大臂力矩传感器固连在大臂伺服电机的输出轴上；大臂连接盘与尾柄力矩传感器的输出轴相连接，大臂同大臂连接盘固定安装在一起；大臂力矩传感器的输出轴处安装有水封。

所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，是把推进控制和鱼体的游动稳定性统一为一体，保证鱼体的稳定性优先，根据鱼类运动的水动力学原理设计了鱼体水动力外形，并在此基础上设计和实现了推进控制。

所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其SPC机器人的推进装置具有大臂和尾柄两个自由度，分别为I关节和II关节，工作时，I、II关节的轴线垂直于水平面，I、II关节的运动方向平行于水平面。

所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其鱼体横截面为有尖缘的纺锤型，整个水动力外形的升阻力比C_Z/C_X大于50，C_X表示来流方向的阻力系数，C_Z表示尾鳍拍动产生的策动力方向的侧推力系数。

所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其鱼体质量与尾部推进摆动部件质量的比值大于60。

本发明的机器人采用推进、稳定一体设计，减少了阻力，降低了损耗，提高了机器人前进的速度，具有下列一些特点：

(1)采用侧影宽大的水动力外形，使得鱼体运行平稳，重心、浮心易于达到平衡。

(2)采用2关节推进机构，结构较简单，易于控制和提高频率，降低成本，便于维护。

(3)采用翼身融合的刚体结构，大大增加了有效载荷空间。

(4)整体流线型设计，降低阻力，采用成熟的密封形式，无柔性耐压元件，增加了可靠性和下潜潜力。

                            附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的水动力外形示意图。

图3是本发明的推进装置结构示意图。

图4是本发明的尾柄传动结构示意图。

图5是本发明的鱼体外形横向和纵向最大截面示意图。

图6是本发明的鱼体摆动部分驱动力矩作用点示意图。

图7是本发明的尾鳍拍动规律描述示意图。

图中：1.鱼体  2.推进装置  3.大臂  4.尾柄  5.尾鳍  6.鱼体前缘7.背鳍  8.尾柄电机角位移传感器  9.尾柄力矩传感器  10.水封11.尾柄连杆  12.尾柄垫块  13.尾柄转轮  14.大臂下板  15.大臂连接盘16.尾柄连接盘  17.尾柄伺服电机  18.大臂伺服电机  19.尾柄同步带轮20.尾柄轴  21.连杆销钉  22.大臂电机角位移传感器  23.大臂同步带轮24.大臂输出带轮  25.大臂力矩传感器  26.尾柄输出带轮  27.第一支架边28.第二支架边  29.第三支架边  30.第四支架边

                        具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

请参见图1、3所示，本发明的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，由鱼体1、推进装置2、大臂3、尾柄4和尾鳍5五大部分构成，推进装置2通过固定支架放置在鱼体壳体1内，大臂3、尾柄4和尾鳍5置于鱼体壳体1外部。鱼体壳体1保持SPC的高稳定性水动力外形，SPC推进部分由推进装置2、大臂3、尾柄4和尾鳍5构成。SPC推进部分在伺服电机驱动下能够产生相对运动，工作端尾鳍5能够按照SPC的控制规律产生运动。

本发明的SPC运动学结构具有两个自由度，分别为I关节和II关节。工作时，I、II关节的轴线垂直于水平面，I、II关节的运动方向平行于水平面。机器人运动学参数及各运动关节转角范围见附表。

本发明SPC原则和设计方法如下：

由于鱼体晃动和频率增加后的波形失真，鱼体的平稳是拍动产生推力的前提条件。鱼类通过腰部、尾柄的协调运动使得游动平稳，并且利用行波运动使能量从腰部向尾部传递，最后使尾鳍与水作用产生推力。由此提出用被动稳定的方法解决推进和稳定的矛盾问题，在机器鱼的水动力外形中将稳定问题给予解决。这条思路归结为：Stability first，Propulsion secondary，Control the third，设计安定性和阻力系数好的水动力外形，以结构简洁、惯量较小的机构结构和传动装置来达到最佳推进模式的游动控制器。在本发明中遵从仿生航行体称为SPC模式仿生航行体，它反映了安定性在仿生水下航行体设计中的首要和全局地位。

本发明的SPC机器人在进行水动力外形设计应遵从以下原则：

首先，定义了评估稳定性的关键参数：C_Z/C_X，其中C_X为来流方向的阻力系数，C_Z为尾鳍拍动产生的策动力方向的侧推力系数，因此，C_Z/C_X表示了在某一个晃动角度小，鱼体产生的回复力和由此增加的阻力的比值，这个比值是约大越好。SPC原则要求在攻角为0度时，C_X小于0.02，以获得较高的推进效率；同时在攻角为30度时，C_Z/C_X大于50。

其次，在具体的外形设计中，通过以下四项措施，提高C_Z/C_X的比值。(1)在尾部摆动力作用点附近，设置较大的和身体融合的尾鳍，可以显著提高鱼体抵抗策动力的能力；(2)鱼体横截面采用边缘处带有尖缘的纺锤型，而不是采用海豚的圆形或椭圆形，可以提高C_Z/C_X的比值；(3)在鱼体和尾鳍边缘的过渡上，采用大后掠角的三角形前缘或S形前缘，有利于提高的C_Z/C_X比值。(4)对于鱼体的侧视投影来讲，鱼的长度应该是鱼体高度的2倍以上，可以获得较好的C_Z/C_X比值，但是继续增大这个比值，机动性会变差。

本发明的SPC机器人在进行结构设计时，遵从以下原则：

首先，产生晃动力的摆动部件应当尽量轻，例如大臂、尾柄、尾鳍和传动机构。要求没有晃动的鱼体的质量应该远大于摆动部件的质量，建议鱼体质量/摆动部件质量大于60。鱼体的质量分布应使得鱼体的转动惯量尽量的大，如果有可能，鱼体的重心应该尽量靠近产生晃动的策动力的作用点。

其次，尽量采用较少的摆动自由度和简单的传动机构。采用较少的摆动关节数可以减少传动的累积误差，同时减少关节和使用简单的传动机构都可以减轻摆动部件的质量。但是，摆动关节的数量为2～6个关节，不能少于2，通常为大臂一节，尾柄一节，少于2节将不可能实现精确的游动规律调节。

本发明的SPC机器人在进行尾鳍的运动规律设计时，遵从以下原则：

首先，定义了尾鳍拍动的运动学模型，请参见图7所示。设来流方向为X轴，尾鳍拍动的方向为Z轴，尾鳍的拍动可以由尾鳍沿Z方向的振荡和尾鳍绕00′轴的转动合成。

设h₀、θ₀分别是拍动和转动的幅度，φ₀是相位差。则运动方程可表述为：

$\left\{\begin{array}{c}z\left(t\right)=h_0\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\\ \mathrm{\θ}\left(t\right)={\mathrm{\θ}}_0\sin (2\mathrm{\πft}-{\mathrm{\φ}}_0)\end{array}\right.$

此外，定义流体力学的参数如下：

h^*＝H₀/C₀----无量纲摆幅

其中H₀——尾鳍摆幅，C₀——平均弦长。

S_t＝fA/v----无量纲频率(Strouhal数)

其中f——拍动频率，A——涡街宽度，和h₀相当，v——游动速度。

所谓最佳运动模式，指的就是h^*、θ、φ₀、S_t等几个参数的最佳组合，使得同等功率下，推力最大，机器鱼能够获得最大的速度。

其次，所述的最佳运动模式，各参数的选取范围如下：

h^*＝0.5～1；θ₀＝5～20度；φ₀＝60～90度

在此基础上，继续调整仿鱼推进机器人的阻力系数、稳定性等游动品质，使得鱼体整体的摆动幅度在2赫兹以上时小于5度，并且S_t小于0.3。这时可以达到较好的推进效果。

请参见图1所示，本发明的SPC外形设计在尾部摆动力作用点附近，设置较大的和身体融合的尾鳍，显著提高鱼体抵抗策动力的能力；鱼体横截面采用边缘处带有尖缘的纺锤形，不采用海豚的圆形或椭圆形；在鱼体和尾鳍边缘的过渡上，采用大后掠角的三角形前缘或S形前缘。请参见图5所示，取鱼体壳体1横向和纵向最大截面，a为鱼体高度，b为鱼体宽度，L为鱼体全长，满足b/a＝0.3435，b/L＝1.8。

请参见图2所示，本发明的SPC动力学设计，要求鱼体质量、摆动部件质量之间满足两者之比大于60，要求鱼体及摆动部件绕摆动转轴的转动惯量之间满足两者之比大于135，其中摆动部件指由大臂3、尾柄4和尾鳍5构成的总体，鱼体指SPC除摆动部件之外的部分。

请参见图6所示，本发明的SPC外形设计，鱼体壳体1后缘到摆动力距作用点距离W和鱼体壳体全长L之比满足W/L＝0.1361。

请参见图3所示，本发明的SPC推进装置机电结构设计，机器鱼的驱动由大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17构成。大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17平行并排分别安装于第一支架边27和第二支架边28上，并且大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17上下倒置，这样是为了方便分别驱动大臂3和尾柄4，大臂伺服电机18和尾柄伺服电机17上均装有传动同步带轮。本发明的机器鱼，其传感方式由尾柄力矩传感器9和尾柄电机角位移传感器8构成。尾柄电机角位移传感器8与尾柄伺服电机17的同步带轮19安装在一起，尾柄伺服电机17的同步带轮19通过同步齿形带与尾柄力矩传感器9相连接。作为大臂3和尾柄4的力矩传感器分别安装于支架的上下两个框架内，两个传感器的轴线相重合，并与伺服电机的轴线平行。传动带轮和力矩传感器固连在一起，同时用作电机传动的输出轴。以上驱动电机和传感器部分都安装于本机器鱼的鱼体1内，为了与外部水环境隔离，在框架内尾柄力矩传感器9与连接盘之间分别安装有水封10，水封10固定于框架内，至此，传感器框架和电机支架相对固定于鱼体1的壳体内。本机器鱼的大臂3传动由大臂连接盘15和大臂3组成。大臂连接盘15与安装于下半部的力矩传感器9输出轴相连接，大臂3同大臂连接盘15固定安装在一起。本机器鱼的尾柄传动机构由尾柄连接盘16、尾柄转轮13、尾柄连杆11和尾柄垫块12组成。尾柄连接盘16与大臂连接盘15同轴安装于框架上半部内的力矩传感器9的输出轴上，与大臂连接盘15同轴相对转动。尾柄垫块12安装于大臂3的末端，通过尾柄轴20与大臂3相对转动。尾柄连杆11连接尾柄连接盘16和尾柄转轮13，组成连杆机构。本机器鱼的推进机构的优点：结构简单紧凑，传动效率高，具有很高的可靠性和较大的负载能力。

本发明的仿鱼机器人为人类水下作业提供了一个智能机器人平台，可通过在它上面搭载各种水下作业工具进行海洋探测和开发工作。

Claims (4)

1、一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，包括鱼体、推进装置、尾柄和尾鳍，推进装置安装在鱼体内，尾柄及尾鳍放置在鱼体的外部，其特征在于，还包括将鱼体(1)和尾鳍(5)连接在一起的大臂(3)，尾柄(4)的一端固定在尾鳍(5)上，尾柄(4)的另一端连接在大臂(3)上，大臂(3)的另一端与推进装置(2)连接，

所述的推进装置(2)，其推进装置(2)的驱动由大臂伺服电机(18)和尾柄伺服电机(17)构成；支架由第一支架边(27)、第二支架边(28)、第三支架边(29)和第四支架边(30)构成，第一支架边(27)和第二支架边(28)在同一侧，第三支架边(29)和第四支架边(30)在同一侧，第一支架边(27)和第二支架边(28)在第三支架边(29)和第四支架边(30)的左侧，第一支架边(27)、第三支架边(29)、第二支架边(28)和第四支架边(30)相互平行；大臂伺服电机(18)安装在支架的第一支架边(27)上，尾柄伺服电机(17)安装在支架的第二支架边(28)上，大臂伺服电机(18)和尾柄伺服电机(17)平行并排放置，大臂伺服电机(18)的输出轴上装有大臂同步带轮(23)，尾柄伺服电机(17)的输出轴上装有尾柄同步带轮(19)；

所述稳定性优先的仿鱼推进水下机器人的尾柄(4)传感方式由尾柄力矩传感器(9)和尾柄电机角位移传感器(8)构成，尾柄电机角位移传感器(8)与尾柄同步带轮(19)安装在一起，尾柄力矩传感器(9)安装在支架的第三支架边(29)上，尾柄力矩传感器(9)和尾柄输出带轮(26)一起固连在尾柄伺服电机(17)的输出轴上；尾柄(4)的传动机构由尾柄连接盘(16)、尾柄转轮(13)、尾柄连杆(11)和尾柄垫块(12)构成，尾柄连接盘(16)与大臂连接盘(15)安装在尾柄力矩传感器(9)的输出轴上，并且尾柄连接盘(16)与大臂连接盘(15)同轴线相对转动，尾柄转轮(13)安装于大臂(3)的末端，尾柄连杆(11)的两端分别连接尾柄连接盘(16)和尾柄转轮(13)；尾柄力矩传感器(9)的输出轴处安装有水封；

所述稳定性优先的仿鱼推进水下机器人的大臂(3)传感方式由大臂力矩传感器(25)和大臂电机角位移传感器(22)构成，大臂电机角位移传感器(22)与大臂同步带轮(23)安装在一起，大臂力矩传感器(25)安装在支架的第四支架边(30)上，大臂力矩传感器(25)和大臂输出带轮(24)一起固连在大臂伺服电机(18)的输出轴上；大臂连接盘(15)与尾柄力矩传感器(9)的输出轴相连接，大臂(3)同大臂连接盘(15)固定安装在一起；大臂力矩传感器(25)的输出轴处安装有水封(10)。

2、根据权利要求1所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其特征在于：推进装置具有大臂(3)和尾柄(4)两个自由度，分别为I关节和II关节，工作时，I、II关节的轴线垂直于水平面，I、II关节的运动方向平行于水平面。

3、根据权利要求1所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其特征在于：鱼体横截面为有尖缘的纺锤型，整个水动力外形的升阻力比C_Z/C_X大于50，C_X表示来流方向的阻力系数，C_Z表示尾鳍拍动产生的策动力方向的侧推力系数。

4、根据权利要求1所述的一种稳定性优先的仿鱼推进水下机器人，其特征在于：鱼体质量与尾部推进摆动部件质量的比值大于60。

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