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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术采用弹性梁、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。该专利技术的设计步骤为：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。本专利技术的优点是：与现有仿生机器鱼的设计方法相比，本专利技术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。该专利技术的优点在于：(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专利技术作进一步说明：本专利技术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后与后方的底本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔祚，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：发明
国别省市：贵州,52