一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，为机器鱼研究提供理论基础，改进的鱼体波方程是在考虑鱼头晃动的条件下推导得到的，本发明专利技术设计方法是基于改进的鱼体波方程进行设计计算的，使设计的机器鱼游动更加符合真实鱼类的运动规律，通过控制各个主驱动关节的控制方程，能使仿生机器鱼具有快速转向的能力，使机器鱼能够获得更大的转弯力矩，最终能够使机器鱼具备良好的推进性能。三关节结构具有主驱动关节和从驱动关节，从驱动关节的脊椎骨铰链依真实鱼类的脊椎骨而设计，使机器鱼的运动自由度增多，使机器鱼游动起来更好的切合鱼类运动曲线，游动也更加接近真实的鱼类，且游动时没有再发生脱节现象。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法
本专利技术涉及机器鱼
，特别是一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法。
技术介绍
现有机器鱼的关节结构，如申请号为201510557116X，专利技术名称为一种仿生智能机器鱼的摆动机构的专利，其鱼身包括三个主驱动关节，如图5中5a、5b所示，每个主驱动关节包括舵机(4)和驱动杆(3)，经本申请人多次实验经验得出，这种只有三个主驱动关节的结构，限制了机器鱼的摆动自由度，导致了其游动时容易发生脱节，且在驱动杆处中间部位容易发生断裂，根据研究分析得出：驱动杆既要承受摆动方向(即水平方向)上的力，又要承受自身重力(即垂直方向)，驱动杆所承受的合力较大，易在关节驱动杆连接处造成应力集中，因为容易导致断裂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于改进鱼体波方程设计机器鱼驱动关节的方法以及机器鱼的三关节结构。本专利技术采用的技术方案是：一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型fB(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程：fb(x,t)＝[c1(x-m)+c2(x-m)2]sin[ωt+k(x-m)]其中：fb(x,t)为鱼体的横向位移；c1为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c2为鱼体波波幅包络线的二次项系数；m为机器鱼鱼头的晃动中心距离头部与尾部运动关节连接点的距离；ω为鱼体波频率；k为鱼体波波数，k＝2π/λ，λ为鱼体波波长；步骤二，以成年金龙鱼为原型，根据步骤一得到的改进后鱼体波方程计算得到三个主驱动关节的长度比例为1:1:1.2；每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接；步骤三，根据步骤一得到的改进后的鱼体波方程，利用最小误差拟合曲线法推导得到每个主驱动关节的控制方程：其中：j＝1...3；aj为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；为第j个关节在转弯时释放阶段的用时；步骤四，在每个主驱动关节之间，即第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三主驱动关节之间、第三主驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长方向设置有若干个从驱动关节，并计算得到每个主驱动关节之间从驱动关节的数量为四个；每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，脊椎骨铰链具有第一连接部和第二连接部，第二连接部呈U型，第二连接部卡设于支撑环的卡槽中，第一连接部通过脊椎骨铰链连接杆与前一个从驱动关节的第二连接部转动连接，第二连接部通过脊椎骨铰链连接杆与后一个从驱动关节的第一连接部转动连接，多个从驱动关节的脊椎骨铰链首尾相连形成机器鱼的脊椎。为了使从驱动关节标准化，方便进行加工，故脊椎骨铰链设计为统一尺寸，即每个脊椎骨铰链均相同。第一主驱动关节的舵机带动其上驱动杆转动，该驱动杆转动的同时带动与驱动杆另一端固定连接的第二主驱动关节的舵机转动，而第二主驱动关节的舵机自身又带动第二主驱动关节的驱动杆转动，如此传动，使鱼身摆动起来，各个主驱动关节之间连接的从驱动关节在鱼身摆动的同时，也随着鱼身一起摆动，增加了摆动自由度，避免了游动时出现脱节现象，游动更加符合真实鱼类的运动曲线。多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合，鱼皮包裹在这些支撑环上。支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽。在每个主驱动关节的舵机与支撑环卡接处通过螺栓进行固定，以带动并限定从驱动关节运动。进一步地，为了增加机器鱼的在水中的浮力，支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫，用防水锡纸、铝箔或者密封胶粘接。为了减轻鱼身的重量，所述支撑环为碳素材料，脊椎骨铰链为塑料材料，脊椎骨铰链连接杆为铝合金材质，支撑环与脊椎骨铰链均采用3D打印制作而成。进一步优选地，舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。支撑杆用于支撑驱动杆，使驱动杆在随舵机转动的同时，容易断裂的中间部位将所受力传递给支撑杆，而且支撑杆需要随着驱动杆一起转动，为较小支撑杆转动时与舵机的摩擦，支撑杆底端设置滚球，在舵机上设置弧形轨道，驱动杆往复摆动的同时，支撑杆在该弧形轨道内来回摆动；另外从动关节的支撑环及脊椎骨铰链也能承受一部分重力，使驱动杆在垂直方向上不加约束，从而只受摆动方向上力的作用，多方面减轻的驱动杆的受力，使得驱动杆不会造成断裂。本专利技术的技术效果是：本专利技术所述的机器鱼驱动关节设计方法能够为机器鱼研究提供理论基础，改进的鱼体波方程是在考虑鱼头晃动的条件下推导得到的，本专利技术设计方法是基于改进的鱼体波方程进行设计计算的，使设计的机器鱼游动更加符合真实鱼类的运动规律，通过控制各个主驱动关节的控制方程，能使仿生机器鱼具有快速转向的能力，使机器鱼能够获得更大的转弯力矩，最终能够使机器鱼具备良好的推进性能。本专利技术的三关节结构具有主驱动关节和从驱动关节，从驱动关节的脊椎骨铰链依真实鱼类的脊椎骨而设计，使机器鱼的运动自由度增多，使机器鱼游动起来更好的切合鱼类运动曲线，游动也更加接近真实的鱼类，且游动时没有再发生脱节现象；且从驱动关节减轻了驱动杆的负荷，避免了驱动杆的断裂。附图说明图1显示了摆幅变化对体长变化的影响；图2显示了主驱动关节运动曲线拟合图；图3显示了主驱动关节与从驱动关节的运动拟合曲线；图4显示了机器鱼的三关节的结构；图5显示了主驱动关节的结构，其中5a显示了主驱动关节的俯视图结构，5b显示了主驱动关节的侧视图结构；图6显示了脊椎骨铰链的结构；图7-8显示了支撑环的结构；图9显示了弧形轨道、支撑杆等结构。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。实施例1一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型fB(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程。生物学家通过对鱼类的研究，总结得到鱼类在稳态巡游的过程中会产生一种行波。这种波从鱼体躯干的波动起点向尾部传播，且波幅逐渐增大，称之为鱼体波。根据Lighthill提出的细长体理论，鱼体波为一波幅逐渐增大的行波系类。由一个多项式和正弦曲线合成来近似描述，即：fB(x,t)＝(c1x+c2x2)sin(ωt+kx)(1)式中：fB(x,t)为鱼体的横向位移；c1为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c2为鱼体波波幅包络线的二次项系数；k为鱼体波波数(k＝2π/λ)；λ为鱼体波波长；ω为鱼体波频率(ω＝2πf＝2π/T)。鱼头晃动中心根据机器鱼样机身体配比的不同而不同，位置会本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型fB(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程：fb(x,t)＝[c1(x‑m)+c2(x‑m)

【技术特征摘要】
1.一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型fB(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程：fb(x,t)＝[c1(x-m)+c2(x-m)2]sin[ωt+k(x-m)]其中：fb(x,t)为鱼体的横向位移；c1为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c2为鱼体波波幅包络线的二次项系数；m为机器鱼鱼头的晃动中心距离头部与尾部运动关节连接点的距离；ω为鱼体波频率；k为鱼体波波数，k＝2π/λ，λ为鱼体波波长；步骤二，以成年金龙鱼为原型，根据步骤一得到的改进后鱼体波方程计算得到三个主驱动关节的长度比例为1:1:1.2；每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接；步骤三，根据步骤一得到的改进后的鱼体波方程，利用最小误差拟合曲线法推导得到每个主驱动关节的控制方程：其中：j＝1...3；aj为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；T1j为第j个关节在转弯时释放阶段的用时；步骤四，在每个主驱动关节之间，即第一主驱动关节与第二主驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄保东，丛宇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32