多关节仿生机器鱼的运动控制方法技术

一种多关节仿生机器鱼的运动控制方法，包括步骤：　　　　通过调节关节的摆动频率控制机器鱼直行游动的速度；　　　　通过施加不同的关节偏移控制机器鱼的方向。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

Motion control method of multi joint bionic robot fish

A control method for multi joint bionic machine fish movement comprises the following steps: through adjusting the swing frequency of the joints to control the robot fish straight moving speed; by applying different joint offset control the direction of the fish.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
作为生物机理和工程技术的结合点，仿生机器鱼已成为一项包含水动力学控制和驱动技术的多学科研究。由于仿生机器鱼在水中的运动涉及流体环境的水动力学和鱼体的运动学，在现有水动力学分析的基础上还无法建立起机器鱼游动的复杂水动力学模型，因此很难通过解析的方法建立一个精确的水动力学推进模型来指导机器鱼的设计与控制。鱼类行为学家的研究表明，鱼类的推进运动中隐含着一由后颈部向尾部传播的行波。受此启发，人们尝试从运动学的角度来研究鱼类的推进，以避免复杂的水动力学分析。1996年，美国MIT的Barrett等人提出了一个金枪鱼(典型的鲹科鱼类)的推进模型并推导了决定金枪鱼游动效率的七个独立的主要参数。如何合理选取这7个独立的参数对于不同种类、外形和尺寸的鱼来说，仍旧是一个非常棘手的问题。当采用逐一实验的办法时，假设每个参数的取值范围对应10个值，实验空间的元素数目高达710＝282475249。所以，基于简单的常态游动的运动学模型，研究一种参数数目少、便于控制、易于实现的机器鱼游动控制方法是机器鱼理论设计和运动控制的关键性技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于关节结构的仿鲹科模式推进的机器鱼的运动控制方法，避免了复杂的水动力学分析，可实现比较精确的运动控制。为实现上述目的，一种，包括步骤 通过调节关节的摆动频率控制机器鱼直行游动的速度；通过施加不同的关节偏移控制机器鱼的方向。本专利技术将为多关节仿生机器鱼的理论设计提供参考并实现机动、灵活的游动控制，可实际应用于水下航行器的设计、水下资源的勘测、水下救捞、水下设施的维护与巡检以及海洋领土的防御等方面。附图说明图1是基于关节结构的鱼体波曲线拟合图；图2是机器鱼的机械结构图。具体实施例方式鱼类的推进运动中隐含着一由后颈部向尾部传播的行波，该推进波主要表现脊柱和肌肉组织的弯曲，其幅度由前向后逐渐增加，其传播速度大于鱼体的前进速度。鲹科鱼类的鱼体波曲线可看作是鱼体波幅包络线和正弦曲线的合成，它开始于鱼体的惯性力的中心，延伸至尾柄，其曲线方程可表示为ybody(x，t)＝(1)这里，ybody是鱼体的横向位移，x是鱼体的轴向位移，k是体波数(k＝2π/λ)，λ是鱼体波的波长，c1是鱼体波波幅包络线的一次项系数，c2是鱼体波波幅包络线的二次项系数，ω是鱼体波频率(ω＝2πf＝2π/T)。根据鲹科鱼类的这种波动推进原理，可以通过拟合(1)式中的鱼体波曲线来设计多关节的仿生机器鱼，而本专利技术主要针对用N(N≥2)个关节来拟合鱼体波曲线运动、仿鲹科模式机器鱼的游动控制问题。仿生机器鱼的关节由电机直接驱动或通过钢丝绳、拉杆等传动元件带动。用本专利技术所提供的二维摆动数组作为其游动数据，可以实现机器鱼在水中的游动控制。由于计算机控制是一种数字量控制，在本专利技术中我们考虑将鱼体波曲线离散化，把时间参数t从鱼体波运动函数ybody(x，t)中分离出来。也就是说，将不断传播的鱼体波分解成两部分1)一个摆动周期内，与时间无关的样条曲线序列(见式(2))ybody(x，i)(i＝0，1，...，M-1)；2)与时间相关的摆动频率f，即单位时间内摆动机构完成体波运动的次数。ybody(x,i)=----(2)]]>这里，i是一个摆动周期内的样条曲线序列变量；M是鱼体波分辨率，即在一个摆动周期内整个鱼体波被离散的程度，其上限为伺服电机的最高摆动频率。在拟合鱼体波曲线之前，我们定义鱼体波相对波长R(0＜R≤1)为鱼体摆动部分的长度占整个正弦波的比率。当R接近0时，鱼体摆动部分可视为一刚性棒，很难产生推进力；当R接近1时，鱼体摆动部分呈现一个完整的正弦波；当R取得合适的值时，鱼体在水中的运动比较平稳、高效。根据理论分析和实验所获得的经验知识，本专利技术主要是对采用直流伺服电机驱动、鱼体相对波长在0.3-0.6左右的机器鱼运动控制时使用本专利技术提供的摆动数据。如图1所示，鱼体在摆动平面的运动(在0到Rπ2的轴向区间)可用一系列(N个)串联的连杆机构来表示。假定每根杆的长度分别为l1，l2...，lN(这里，li长度未知，但l1，l2...，lN之间的长度比可事先设定，不妨设l1∶l2∶...，∶lN＝l1′∶l2′∶...，∶lN′)，其对应的关节角为φ1，φ2，...，φN，其对应的端点坐标为(x0，y0)，(x1，y1)，...，(xN，yN)，机器鱼机动性的控制主要依靠内在形状(关节角φj，1≤j≤N)的改变，其速度的控制依靠摆动频率f的改变。一旦选定鱼体波波幅包络线系数(c1，c2)和体波数k(k＝1)，某一时刻的鱼体波形状就大体上确定了。从数学意义上来说，对于一个摆动周期内不同时刻(i)的关节角φij可通过拟合鱼体波曲线来计算。所要解决的问题是在0到Rπ2的轴向区间内寻找合适的关节角φij使lj在鱼体波曲线上首尾相接、并且最后一根杆末端点的横坐标刚好落在Rπ2处。即满足下列条件(见式(3)) 式中，(xi，j，yi，j)为一个摆动周期内第i时刻第j根杆的端点坐标，xi，0＝0，xi，N＝R×2π，1≤j≤N，0≤i≤M-1。对于方程组(3)来说，由于包含xi，j的平方项，且lj未知，当N增大时，很难通过解析的方法计算方程组的精确解(xi，j，yi，j)。并且实际运算中总会引入舍入误差，即使采用精确法求得的解也只能是近似解。在这种情况下，本专利技术采用迭代算法，它通过选取某种初值，用同样的计算步骤，反复计算，求得方程组的近似解。其具体步骤如下(a)迭代逼近杆长系数m对等式(xi，j-xi，j-1)2+(yi，j-yi，j-1)2＝lj2进行移项，构造误差函数f(xi，j-1，yi，j-1，xi，j，yi，j，m)＝(xi，j-xi，j-1)2+(yi，j-yi，j-1)2-(m×lj′)2(这里m为杆长系数)，选择m的初值(m＝0.0)，从j＝1、i＝0开始迭代计算，直到满足f(xi，j-1，yi，j-1，xi，j，yi，j，m)＜LError(LError为设定的杆长误差)，接着j＝j+1，转入下一根杆的迭代计算，直到计算第N根杆，判别xN是否等于R×2π，即计算|xN-R×2π|＜XError是否成立。如果该绝对误差表达式成立，此时m值即为所求的杆长系数，循环结束。否则，m＝m+STEP(STEP为迭代步长，这里取STEP＝0.01)，转入下一趟循环，进行从第1根杆到第N根杆的迭代计算，直到满足循环结束条件|xN-R×2π|＜XError。(b)计算关节坐标对(xij，yij)记录循环结束时的杆长系数m，由于lj＝m×lj′将lj的近似值回代方程组(3)，解方程组，依次可求出坐标对(x01，y01)，(x02，y02)，...，(x0N，y0N)。i＝i+1，转入下一时刻(i+1)的坐标对(x11，y11)，(x12，y12)，...，(x1N，y1N)的求解。反复计算，直到计算出i＝M-1时刻的坐标对(xM-1，1，yM-1，1)，(xM-1，2，yM-1，2)，...，(xM-1，N，yM-1，N)。(c)计算杆(lj)与鱼体主轴(x轴)的夹角γij根据上一步中求出的摆动周期内任意时刻i、第j根杆的端点坐标(xij，yij)，利用公式(4)可求出该杆(lj)与鱼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王硕，喻俊志，张志刚，桑海泉，谭民，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：