三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括：将螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及将螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使其末端的直线往复运动能够与头端的圆周运动相跟随。本发明专利技术仅用一根三维螺旋轴就驱动了从鱼头开始一直到鱼尾的全部鱼身，中间没有任何电机或复杂的机械部件，从而能以最小的代价较为逼真地模拟真鱼游动，技术方案越简练，就越可靠、实用，产品的故障率和成本也越低为今后的发展和提高以及推广和普及创造了良好的条件。本发明专利技术还公开了三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的装置。本发明专利技术的技术方案简练、可靠、实用且产品的故障率和成本都很低。

Method and device for driving bionic powered fish with three-dimensional helical shaft

The invention discloses a method for driving a bionic power fish by a three-dimensional spiral shaft, which includes: transforming a three-dimensional sinusoidal wave when the spiral shaft rotates into a two-dimensional sinusoidal transverse wave by a slotted ribbed plate array; and transforming the circular motion of the head of the spiral shaft into a \circle/line\ by a digital or mechanical means so as to cause the fish to rotate. The linear reciprocating motion at the end can follow the circumferential motion of the head. The invention uses only one three-dimensional spiral shaft to drive the whole fish body from the fish head to the fish tail without any motor or complicated mechanical parts in the middle, so as to simulate the real fish swimming more vividly with the least cost. The simpler the technical scheme, the more reliable and practical it is, and the lower the failure rate and cost of the product are. The future development and improvement, as well as popularization and popularization, have created favorable conditions. The invention also discloses a device for driving a bionic power fish with a three-dimensional spiral shaft. The technical proposal of the invention is succinct, reliable and practical, and the failure rate and cost of the products are very low.

【技术实现步骤摘要】
三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置
本专利技术涉及仿生动力鱼领域，具体地讲多关节机器鱼
，尤其涉及三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置，具体涉及数学物理概念、机械传动和机电自动控制中的同步位置跟随技术。
技术介绍
鱼类作为自然界最早出现的脊椎动物，其种类繁多，生活环境各异，为了觅食、御敌、繁殖后代和集群洄游等生存需要，经过亿万年的自然选择进化出了非凡的水中运动能力，其游动具有推进效率高、机动性强、隐蔽性好、噪声低等优点。鱼类在水中游动的完美性，吸引着大批学者研究鱼类的运动机理和开发仿生鱼和水下机器人。人类的发展离不开资源的持续供应，随着路上资源的日益紧缺，未来海洋资源的开发成为现在研究的热点。随着人类科学和技术的不断发展进步，适应各种非结构化环境的水下机器人将会得到迅猛的发展。传统的基于螺旋浆的人造水下航行器在启动、加速性能、运动灵活性、受承载空间等方面的缺点限制了其作业时间和范围，进一步限制了其应用领域、仿生动力鱼作为一种结合了鱼类推进模式和机器人技术的新型水下机器人，与传统的基于螺旋浆的人造水下航行器相比，具有以下几方面的基本特性：(1)推进效率高，运动能力强，机动性能好；(2)系统结构简化，机械结构简单；(3)流体性能优良；(4)体积小，重量轻，隐蔽性强。仿生动力鱼的这些优点将会在使其在以下领域中得到广泛应用：1)仿生动力鱼可在要求作业范围大、时间长、机动性好的场合得到应用，如环境监测、管道内部结构监测、海底救生等；2)在军事方面，仿生机器鱼良好的隐蔽性可使其作为水下侦察器或攻击性武器；3)海洋资源开发方面，由于仿生动力鱼在游动的方式和外形上皆与鱼类相似，因而在人类开发海洋资源和研究海洋生物资源的同时，可有效地降低人类活动对海洋生态环境造成的破坏；4)可构建多仿生动力鱼协作系统，用来完成单个动力鱼无法完成的复杂水下任务；5)在娱乐方面，随着机器人制造工艺的进步和技术创新，用于娱乐和观赏用途的仿生动力鱼将以优美的姿态和低廉的价格走向市场。迄今为止，国内外科技界对仿生鱼和水下机器人的研究由来已久，且方兴未艾。然而，大多以高新技术去追求对鱼的完美仿真，却很少以实用动力作为主要目标，因此目前市场上还尚未发现利用三维螺旋轴驱动的仿生鱼技术或产品。当前现有技术中仿生鱼的驱动方案有很多种，其中较为理想的是利用压电人造肌肉来模拟真鱼的肌肉，其仿真度和效率都可以做得比较高。压电人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。比如，2017年初由浙江大学公布的“软体机器鱼”专利技术(2017年4月5日大众科学杂志《新科学家》)就采用了介电高弹体薄膜，在电讯号控制下驱动鱼体运动，确实取得了比较好的效果。另外，在几年前，美国军方的机器鱼也采用了人造肌肉方案。然而，目前此类人造肌肉的造价是相当高昂的，因此还尚未能进入市场。当前现有技术中的各种电磁原理或机械方法驱动多关节仿生鱼的方案也有很多种，大多是把仿生鱼的身体近尾部分成几个关节，采用各种智能机电技术千方百计地驱使每一关节按一定的相位关系摆动，从而模拟鱼的游动。此方法是通过经验观测鱼类游动时身体的形状曲线来产生仿生鱼关节的摆角。鱼类行为学家研究表明，鱼类的推进运动中隐含着一种由后颈部向尾部传播的行波。受此启发，人们认为鱼体游动呈波动状态，鱼体波为一波幅渐增的正弦状曲线，鱼体波波幅包络线具有正弦状二维横波摆动，以产生推力。一般说来，关节数量越多，则参与摆动的身体占比就越高，就模拟得越逼真，游动的效率也越高。比如：中科院自动化研究的专利技术专利《多关节仿生鱼的运动控制方法》(专利号：CN1595312A)采用了仿生鱼后部的4－6个关节摆动来模仿真鱼，其仿生鱼具有0.178米的鱼身，水中游速可达到0.32米/秒，效率可达到70％以上。同样，北京航空航天大学机器人研究所专利技术的是6关节机器鱼，方案和上述自动化所的相似，其长0.8米，重8公斤，水中速度达到0.6米/秒，效率为70％以上。虽然它们已算是蛮成功的了，然而它们的共同缺点是：鱼身上的每一个关节都需要对应的一个伺服电机(或舵机)以及相应的机械部件来驱动，并需要用电脑系统来进行控制，还必须设有内置电池，因此它们的总成本相当高，结构极为复杂，而且还很重。因此，对于它们而言，安排6个关节就已经是件很不容易的事情了，从而极为不利地限制了对真鱼的模拟程度，因此此类方案是较难以被广泛推广应用的。实际上，鱼在作常态长途游动时(不是突然大角度急转弯或突然高速启动等等)，其鱼身是在作稳定的正弦型游动，身体各关节的摆动幅度和相位关系是相对固定的。鲫鱼/鲤鱼类的摆动幅度从头到尾逐步加大，鳗鱼类全身有几个幅度相同的正弦摆动周期。对于我们以动力为主的仿生鱼应用，是没有必要用复杂的智能机电技术来作超量模拟的，很多经过编程可以达到的动作灵活性在这些场合是不需要的。相反，只会极大地不利地增加成本、重量和复杂性，限制了关节数量，降低了模拟程度，最终影响了推广应用。
技术实现思路
科技界有个共识：达到相同的科技目标，技术方案越简练，就越可靠、实用，产品的故障率和成本也越低。遵循此共识，为了克服现有技术中所存在的缺陷，申请人提出了本专利技术。本专利技术的目的在于提供一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法及其装置，其宗旨是：不以模仿真鱼的全部动作为目的，而是造就一种新型的流体中推进动力，由此以普通的旋转动力带动一根螺旋轴的最简练设计来实现仿鱼游动，从而能够广泛地普及到人们的生产和生活中去。为了实现上述专利技术目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括以下步骤：将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随。较佳地，在上述方法中，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时，所述方法包括下列步骤：在所述三维螺旋轴的头部的动力区联结角度编码器；在所述仿生动力鱼的尾部安装用于测量所述三维螺旋轴的末端的实际位置的直线编码器；以及设置驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端的位置的伺服动力系统。较佳地，在上述方法中，所述方法还包括下列步骤：将所述角度编码器的数字讯号按照数理定律建立圆周运动和直线运动的严格对应关系和转换规律进行实时“圆/线”变换；在转换后，按照所述数码讯号计算出所述三维螺旋轴的末端在直槽中相应的理论位置讯号；所述直线编码器检测了所述三维螺旋轴的末端在所述直槽中的实际位置；将所述两个位置在分析比较模块中作比较，得到差值讯号，以便驱动所述伺服动力系统消除所述差值，从而实现对所述三维螺旋轴的末端的动态支承和助推。较佳地，在上述方法中，在所述三维螺旋轴的末端的实际位置比理论位置落后了或超前了的情形下，所述分析比较模块输出相应的校正讯号，驱使所述伺服动力系统增速或减速以弥补差距。较佳地，在上述方法中，所述“圆/线”转换和动态支承的数学模型是：在静态时，把头尾两个编码器的起始点对齐；在动态中，假如头端某一瞬间的转角为u，当时的末端理论位置距起始点的距离为W，二者的数学关系是：W＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括以下步骤：将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随。

【技术特征摘要】
1.一种三维螺旋轴驱动仿生动力鱼的方法，包括以下步骤：将三维螺旋轴旋转时的三维正弦状波动通过开槽肋板列阵变换成仿鱼二维正弦状横波波动；以及将所述三维螺旋轴的头端的圆周运动经过数字或机械的手段作“圆/线”变换，从而使所述三维螺旋轴的末端的直线往复运动能够与所述三维螺旋轴的头端的圆周运动相跟随。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时，所述方法包括下列步骤：在所述三维螺旋轴的头部的动力区联结角度编码器；在所述仿生动力鱼的尾部安装用于测量所述三维螺旋轴的末端的实际位置的直线编码器；以及设置驱动和矫正所述三维螺旋轴的末端的位置的伺服动力系统。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤：将所述角度编码器的数字讯号按照数理定律建立圆周运动和直线运动的严格对应关系和转换规律进行实时“圆/线”变换；在转换后，按照所述数码讯号计算出所述三维螺旋轴的末端在直槽中相应的理论位置讯号；所述直线编码器检测了所述三维螺旋轴的末端在所述直槽中的实际位置；将所述两个位置在分析比较模块中作比较，得到差值讯号，以便驱动末所述伺服动力系统消除所述差值，从而实现对所述三维螺旋轴的末端的动态支承和助推。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述三维螺旋轴的末端的实际位置比理论位置落后了或超前了的情形下，所述分析比较模块输出相应的校正讯号，驱使所述伺服动力系统增速或减速以弥补差距。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述“圆/线”转换和动态支承的数学模型是：在静态时，把头尾两个编码器的起始点对齐；在动态中，假如头端某一瞬间的转角为u，当时的末端理论位置距起始点的距离为W，二者的数学关系是：W＝L/2*(1-cosu)，其中，L是末端上下往复运动的总行程，也就是末端螺旋幅度r的两倍。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述伺服动力系统中的伺服马达的速度V与如下因素有关：V＝k1*du/dt*sinu，而加速度与k2*D有关，其中，k1,k2是系数，du/dt是螺旋轴的瞬时角速度，D是分析比较单元输出的差值讯号。7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当采用数字手段作“圆/线”变换来实现跟随时，在所述仿生动力鱼的头部采用数字手段进行“圆/线”变换，以所述三维螺旋轴的末端的所述直线编码器配合，在所述三维螺旋轴的末端用所述伺服动力系统驱动滚珠丝杆，由此对所述三维螺旋轴的末端进行支承和助推。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当采用机械手段作“圆/线”变换来实现跟随时，在所述仿生动力鱼的头部采用机械式“圆/线”变换技术，用软轴传动到所述三维螺旋轴的末端，驱动滚珠丝杆，由此对所...

【专利技术属性】
技术研发人员：范望平，
申请(专利权)人：范望平，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA