一种仿生机器鱼及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种仿生机器鱼，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且尾部内设有两个驱动部件，沿尾部的宽度方向对称设置，其中，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制仿生机器鱼的运动。本发明专利技术所提供的仿生机器鱼，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，使得控制更为灵活，实现较好的仿生效果。

A Bionic Robot Fish and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种仿生机器鱼及其控制方法
本专利技术涉及一种仿生机器鱼，特别是涉及一种采用压电复合材料(MacroFiberComposites)驱动的仿生机器鱼及其控制方法。
技术介绍
随着对海洋资源的探索与开发，水下机器人技术的研究日益受到关注。鱼类以其游动过程中的高效率、高机动性、低噪声特性，吸引了研究人员的广泛关注。传统的仿生机器鱼多采用伺服电机驱动方式实现鱼类的运动模式，虽然具有驱动力强、控制技术成熟等优点，但是同时也存在体积大、能耗高、噪声大、效率低等缺陷。为了更好地模仿鱼类运动，人们开始采用人造肌肉模拟鱼类的柔性身体结构，实现仿生驱动。目前采用的人造肌肉主要有压电材料(PZT)、形状记忆合金(SMA)、离子导电聚合物薄膜(ICPF)等。虽然基于人工肌肉驱动的仿生机器鱼具有柔性结构、体积小、效率高、噪声低、能耗低等优点，但依然存在很多问题。其中，最为突出的是人工肌肉驱动的仿生机器鱼的游动速度都相对较慢。然而，压电陶瓷与其他人工肌肉相比，响应速度较快，能够产生相对较高的应力，因此采用压电陶瓷材料以驱动仿生机器鱼，能较好地提高仿生鱼的游动速度和推进力。但是，传统的压电材料存在以下两个主要方面的问题：1)产生的形变量较小，在使用该材料作为仿生机器鱼的驱动器时，需要设计位移放大装置来使尾鳍产生较大幅度的摆动，增加了机器鱼的体积和重量；2)并引入了刚体传动结构，增加了机器鱼的设计复杂度以及能量传递过程中的消耗；3)压电陶瓷需要很高的驱动电压，使得仿生机器鱼不易实现自带电源和无缆自主游动。MacroFiberComposites(MFC)智能材料是由美国航空航天局(NASA)Langley研究中心研制出的一种新型压电复合材料。其是由压电陶瓷纤维和有机聚合物复合而成，采用交叉指型电极排布。这种特殊的电极排列方式使得驱动器能够更加充分地利用外加电场，大大提高逆压电效应的效果，产生更大的力学响应，进而获得更大的驱动力和形变量。MFC材料克服了传统压电陶瓷(PZT)形变量小的缺点，无需设计机械传动装置来放大位移，大大简化了仿生机器鱼的结构，提高了压电材料(PZT)在仿生领域的应用前景。例如，专利文件(CN103043198)公开的一种新型仿生鱼尾结构，包括鱼尾肌肉、基板和鱼尾，鱼尾肌肉由压电材料模拟制成的压电驱动层，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾部；鱼尾由纤维增强复合材料制成，并通过树脂薄膜粘接在基板的尾端；压电材料为粗压电纤维复合材料(MFC)；鱼尾的材料为玻璃纤维聚氨酯复合材料；基板材料为碳纤维环氧复合材料；压电驱动层和基板中的纤维方向之间角度为0°～90°。在该专利技术专利中，虽然采用了MFC材料作为仿生鱼的驱动层，无需设计机械传动装置来放大位移，简化了仿生机器鱼的结构，但其只设置了一层压电驱动层，这种单侧设置使得驱动层不能较灵活地驱动仿生鱼尾的摆动，同时其摆动的幅值也受到一定的限制，进而也无法较好地实现鱼尾模拟。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种仿生效果较好的仿生机器鱼。本专利技术提供了一种仿生机器鱼，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且尾部内设有两个驱动部件，沿尾部的宽度方向对称设置，其中，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制仿生机器鱼的运动。进一步地，运动包括运动状态和运动方向。进一步地，运动状态包括直线运动、加速运动、和减速运动；运动方向包括左转运动和右转运动。进一步地，控制系统包括无线通讯模块、微型控制器模块、数模转换模块、和高压放大模块。进一步地，无线通讯模块用于接收外界输入的控制信号，控制信号包括电压的幅值和频率；高压放大模块用于将控制信号放大至满足驱动驱动部件的驱动信号。进一步地，尾部内沿长度方向还设有基板，驱动部件贴覆于基板的前表面和后表面。进一步地，驱动部件的材料为MFC(MacroFiberComposites)。进一步地，控制信号a(x)与驱动信号b(x)之间满足以下关系：进一步地，头部与尾部连接的一端设有第一隔板，第一隔板上设有第一通孔，供连接控制系统和驱动部件的导线穿过。进一步地，头部与尾部通过连接部件相连接，连接部件上设有第二隔板，第二隔板上设有第二通孔，供导线穿过。进一步地，第二隔板上还设有多个凸部，鱼尾设有与凸部相卡合的凹部。本专利技术还提供了一种上述仿生机器鱼的控制方法，包括以下步骤：计算机通过串口通讯的方式将控制每个驱动部件的控制信号发送至无线通讯模块；无线通讯模块接收每个控制信号，并通过串口通讯的方式传输至微型控制器模块；微型控制器模块输出与每个控制信号相对应的数字信号的控制波形；数模转换模块将每个数字信号的控制波形转换成相对应的模拟信号的控制波形；高压放大模块将每个模拟信号的控制波形放大后所生成的驱动信号传输给每个驱动部件；驱动部件根据驱动信号产生相对应的摆动，控制仿生机器鱼的运动。进一步地，两个驱动信号为同频率、幅值相等、反相的正弦波时，驱动部件会在同一时刻产生相同方向的摆动，仿生机器鱼作直线运动。进一步地，两个驱动信号为同频率、幅值不相等、反相的正弦波时，驱动部件会在同一时刻产生不同方向的摆动，仿生机器鱼朝幅值大的一侧作转弯运动。进一步地，通过实时地改变驱动信号的幅值和频率，以使仿生机器鱼作加速运动或减速运动。如上，本专利技术所提供的仿生机器鱼，控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个驱动部件摆动的幅度和频率，使得控制更为灵活，实现较好的仿生效果。为让本专利技术的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并结合附图，作详细说明如下。附图说明下面将结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。图1为仿生机器鱼的示意图；图2为仿生机器鱼的尾部内驱动结构示意图；图3仿生机器鱼的头部的示意图；图4鱼头密封的示意图；图5连接部件的示意图；图6仿生机器鱼的尾部的示意图；图7仿生机器鱼的控制方法的流程图；图8基于Labview设计的仿生机器鱼的控制面板；图9仿生机器鱼直线运动的驱动信号示意图；图10生机器鱼游动速度随驱动信号的幅值和频率变化示意图；图11仿生机器鱼左转运动的驱动信号示意图；图12仿生机器鱼右转运动的驱动信号示意图；图13仿生机器鱼的控制信号示意图；图14仿生机器鱼的驱动信号示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。虽然本专利技术的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此专利技术的特征仅限于该实施方式。恰恰反相，结合实施方式作专利技术介绍的目的是为了覆盖基于本专利技术的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本专利技术的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本专利技术也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本专利技术的重点，有些具体细节将在描述中被省略。在本专利技术的描述中，需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。另外，在以下的说明中所使用的“上”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且所述尾部内设有两个驱动部件，沿所述尾部的宽度方向对称设置，其中，所述控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个所述驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制所述仿生机器鱼的运动。

【技术特征摘要】
1.一种仿生机器鱼，其特征在于，包括：头部，内设有控制系统；尾部，包括尾鳍，且所述尾部内设有两个驱动部件，沿所述尾部的宽度方向对称设置，其中，所述控制系统通过电压的幅值和频率单独控制每个所述驱动部件摆动的幅度和频率，进而控制所述仿生机器鱼的运动。2.根据权利要求1所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述运动包括运动状态和运动方向。3.根据权利要求2所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述运动状态包括直线运动、加速运动、和减速运动；所述运动方向包括左转运动和右转运动。4.根据权利要求3所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制系统包括无线通讯模块、微型控制器模块、数模转换模块、和高压放大模块。5.根据权利要求4所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述无线通讯模块用于接收外界输入的控制信号，所述控制信号包括电压的幅值和频率；所述高压放大模块用于将控制信号放大至满足驱动所述驱动部件的驱动信号。6.根据权利要求5所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述尾部内沿长度方向还设有基板，所述驱动部件贴覆于所述基板的前表面和后表面。7.根据权利要求6所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述驱动部件的材料为MFC(MacroFiberComposites)。8.根据权利要求7所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述控制信号a(x)与所述驱动信号b(x)之间满足以下关系：9.根据权利要求1-8中任一项所述的仿生机器鱼，其特征在于，所述头部与所述尾部连接的一端设有第一隔板，所述第一隔板上设有第一通孔，供连接所述控制系统和所述驱动部件的导线穿过。10.根据权利要求9所述的仿生机器鱼，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许春权，陈迪，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31