一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法，属于仿生机器人技术领域；其包括密封壳体，所述壳体的背部连接有背鳍、尾部连接有尾鳍、底部连接有臀鳍、左右两侧连接有胸鳍；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动；本发明专利技术提供了一种鱼形仿生水下机器人，采用双尾鳍驱动方式，结构紧凑且转向灵活快速，改善了仿生机器人的机动性和稳定性。

A fish like bionic underwater robot and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法
本专利技术涉及一种鱼形仿生水下机器人及其控制方法，属于仿生机器人

技术介绍
地球的海洋面积为3.61亿平方千米，约占地球总面积的71％，广阔的海洋蕴藏着丰富的矿产资源，而且海洋中的物种资源储量巨大，随着资源在全球范围内成为关注的焦点以及海洋勘测技术的发展，对于海洋资源的开发和利用成为世界各国关注的焦点；目前海洋经济和资源的开发正处于快速发展阶段，而与海洋经济发展有着密切关系的水下机器人也处于蓬勃发展期。水下机器人根据推进方式的不同，主要分为螺旋桨推进方式和仿生推进方式。对于螺旋桨推进，在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流及空泡和扰动，从而增加能耗、降低效率并产生噪声；仿生推进方式，鱼类经过亿万年的进化，具有超凡的游动能力，鱼类通过身体的运动推动周围的水来获得推进力，具有高机动、高精准、高效率、低噪声和低扰动的优点，因此已经成为研究人员持续研究和优化设计的对象。根据鱼类游动使用的身体部位不同，可以将鱼类游动分为身体-尾鳍推进模式(BCF)和中鳍-对鳍推进模式(MPF)，身体-尾鳍摆动模式是推进速度最快、效率最高的推进模式，海洋中游速最快的鱼类都采用该种推进模式；在BCF模式中，尾鳍推进主要以单尾鳍为主，单尾鳍推进具有结构简单、易于控制的优点，但单尾鳍在摆动时不可避免的会产生明显的侧向力，使得机器鱼在运动过程中，会出现明显的艏摇现象，从而影响其推进效率和速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种鱼形仿生水下机器人，采用双尾鳍驱动方式位，结构紧凑且转向灵活快速，改善了仿生机器人的机动性和稳定性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种鱼形仿生水下机器人，其特征在于，包括密封壳体，所述壳体的背部连接有背鳍、尾部连接有尾鳍、底部连接有臀鳍、左右两侧连接有胸鳍；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动。进一步地，所述背鳍和/或臀鳍和/或胸鳍包括鳍片本体、与鳍片本体形状相仿的硅薄片、沿硅薄片铺设的人工肌肉和填充于鳍片本体内的聚苯乙烯氯化物；所述人工肌肉在通电的情况下能够驱动鳍片本体展开，在断电的情况下能够驱动鳍片本体贴附于所述壳体外侧。进一步地，所述人工肌肉由纤维状制动器BioMetalFiber150制成。进一步地，所述尾鳍通过尾鳍驱动装置与所述壳体连接，所述尾鳍驱动装置包括：设于壳体内的伺服电机、设于壳体外的与尾鳍连接的连接板，所述连接板通过可变向传动机构与伺服电机传动连接。进一步地，所述壳体由两个半壳体密封扣合而成。一种上述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其包括如下步骤：接收控制指令，结合鱼形仿生水下机器人的传感器信息，确定胸鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍的CPG构型和参数；根据所确定的CPG模型发送节律驱动信号，以控制相应鳍片运动。进一步地，对于胸鳍、背鳍、臀鳍所确定的CPG模型分别如下：上式中，u(t)和d(t)分别为接收到的上升信号和下潜信号，2个信号为互斥关系，！u(t)和！d(t)是分别对u(t)和d(t)信号取非；l(t)和r(t)分别为左转信号和右转信号，2个信号为互斥关系，！l(t)和！r(t)是分别对l(t)和r(t)信号取非；xi(t)为鳍片i对应的CPG模型的输出幅值状态变量，Ai为鳍片i对应的CPG模型的固定幅值；ti为鳍片i对应的时间信号；i＝1时，代表臀鳍；i＝2时，代表左胸鳍；i＝3时，代表右胸鳍；i＝4时，代表背鳍。进一步地，对于尾鳍所确定的CPG模型如下：式中：i，j＝5，6且i≠j，i为5时，j为6，i代表对应的右尾鳍，j代表对应的左尾鳍；i为6时，j为5，i代表对应的左尾鳍，j代表对应的右尾鳍；n为整数，范围为1～6，分别对应臀鳍、左胸鳍、右胸鳍、背鳍、右尾鳍和左尾鳍；θi(t)和θj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出相位的状态变量；ri(t)和rj(t)分别表示鳍片i和鳍片j对应的CPG模型输出幅值的状态变量；t表示时间刻度；和分别为θi(t)和ri(t)的一阶导数，为ri(t)的二阶导数；fi为鳍片i对应的CPG模型的固有频率；Ai表示固有幅值，即最终ri(t)的收敛值；αi表示幅值ri(t)收敛于Ai的速度；wij表示鳍片j对应的CPG模型对鳍片i对应的CPG模型的耦合权重，若wij＝0表示两CPG模型之间无耦合关系；表示鳍片j对应的CPG模型和鳍片i对应的CPG模型之间的相位关系；xi(t)表示鳍片i对应的CPG模型的最终幅值输出。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：1、本技术方案设计了双尾鳍驱动机构，提高了仿生机器人的推进力和稳定性；2、本技术方案提供了一种由人工肌肉和双尾鳍机构共同驱动的仿生水下机器人，设计了基于人工肌肉的柔性胸鳍/背鳍/臀鳍，减小了仿生机器人的体积和重量，实现了仿生机器人的快速转向，且人工肌肉构成的鱼鳍具有质量轻、耐压高，柔顺度佳的特点；3、本技术方案的仿生机器人机动性能好、噪声低，通过胸鳍/背鳍/臀鳍和尾鳍的协同控制，能够实现多种三维复杂机动，降低了水下机器人运动过程中产生的空泡和扰动噪声；4、本技术方案的仿生机器人推进效率高、能耗低；混合仿生机器人整体推进效率从螺旋桨推进方式的40％(平均效率)提高到80％，能耗仅为螺旋桨推进方式的50％。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的主视结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的侧视结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的背鳍、臀鳍、胸鳍的立体结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人左转时运动状态俯视示意图；图5是本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人右转时运动状态俯视示意图；图6是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人上浮时运动状态侧视示意图；图7是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人下潜时运动状态侧视示意图；图8是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的人工肌肉供电原理示意图；图9是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人CPG网络连接示意图；图10是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人的控制原理示意图；图11是是本专利技术本专利技术实施例提供的一种鱼形仿生水下机器人运动过程中背鳍、臀鳍、胸鳍以及尾鳍的信号波形图。标号说明：1-密封壳体、2-背鳍、3-尾鳍、4-臀鳍、5-胸鳍、6-鳍片本体、7-硅薄片、8-人工肌肉、9-聚苯乙烯氯化物、10-驱动装置、11-伺服电机、12-连接板、13-可变向传动机构。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。在本专利技术的描述中，需本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鱼形仿生水下机器人，其特征在于，包括密封壳体(1)，所述壳体的背部连接有背鳍(2)、尾部连接有尾鳍(3)、底部连接有臀鳍(4)、左右两侧连接有胸鳍(5)；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种鱼形仿生水下机器人，其特征在于，包括密封壳体(1)，所述壳体的背部连接有背鳍(2)、尾部连接有尾鳍(3)、底部连接有臀鳍(4)、左右两侧连接有胸鳍(5)；所述尾鳍设有一对，于壳体左右两侧对称设置，所述机器人游动时，两尾鳍同步反向运动。


2.根据权利要求1所述的鱼形仿生水下机器人，其特征在于，所述背鳍和/或臀鳍和/或胸鳍包括鳍片本体(6)、与鳍片本体形状相仿的硅薄片(7)、沿硅薄片铺设的人工肌肉(8)和填充于鳍片本体内的聚苯乙烯氯化物(9)；所述人工肌肉在通电的情况下能够驱动鳍片本体展开，在断电的情况下能够驱动鳍片本体贴附于所述壳体外侧。


3.根据权利要求2所述的鱼形仿生水下机器人，其特征在于，所述人工肌肉由纤维状制动器BioMetalFiber150制成。


4.根据权利要求1所述的鱼形仿生水下机器人，其特征在于，所述尾鳍通过尾鳍驱动装置(10)与所述壳体连接，所述尾鳍驱动装置包括：设于壳体内的伺服电机(11)、设于壳体外的与尾鳍连接的连接板(12)，所述连接板通过可变向传动机构(13)与伺服电机传动连接。


5.根据权利要求1所述的鱼形仿生水下机器人，其特征在于，所述壳体由两个半壳体密封扣合而成。


6.一种权利要求1至5任一项所述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
接收控制指令，结合鱼形仿生水下机器人的传感器信息，确定胸鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍的CPG构型和参数；
根据所确定的CPG模型发送节律驱动信号，以控制相应鳍片运动。


7.根据权利要求6所述的鱼形仿生水下机器人的控制方法，其特征在于，对于胸鳍、背鳍、臀鳍所确定的CPG...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭铁铮，陈巍，陈凯杰，李佩娟，周袁琼，郭覃，刘静，孙浩然，陈国军，杨雪，陈璐，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32