仿生蝠鲼装置及工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种仿生蝠鲼装置及工作方法，包括基体，所述基体两侧通过连接件连接胸鳍，所述基体内设置有动力总成、动量轮机构和控制总成，所述动力总成包括动力舵机、齿轮组和传动组件，所述动力舵机的输出轴与齿轮组连接，所述齿轮组通过传动组件与连接件连接驱动胸鳍动作，所述动量轮机构包括动量轮舵机，动量轮支架、电机和动量轮，所述动量轮固定在动量轮支架上，所述动量轮舵机与动量轮支架接驱动动量轮支架转动，所述电机与动量轮连接驱动动量轮转动，所述控制总成包括主控板，所述主控板控制动力舵机和动量轮舵机动作。工作时，本发明专利技术在为仿生鱼运动提供足够动力的同时，明显降低了控制的复杂程度，姿态控制更加灵活。姿态控制更加灵活。姿态控制更加灵活。

【技术实现步骤摘要】
仿生蝠鲼装置及工作方法


[0001]本专利技术涉及仿生机器人及工作方法，具体涉及一种仿生蝠鲼装置及工作方法。

技术介绍

[0002]鱼类的推进模式与螺旋桨的推进模式不同，使用螺旋桨推进的传统水下机器人与鱼类在推进效率、游动速度、机动性以及稳定性等方面存在较大差距。鱼类的推进模式有身体/尾鳍推进模式和中央鳍/对鳍推进；蝠鲼鱼采用MPF推进模式，此推进模式的稳定性与低速机动性更好，因此，近年来针对仿生蝠鲼鱼的研究越来越多。
[0003]中国专利CN 112339958 A中提公开了一种采用SMA丝驱动的仿生蝠鲼鱼结构，虽然其控制方式简单、噪音小，但是由于SMA丝产生的驱动力较小，很难产生较大的形变，故造成仿生蝠鲼鱼运动缓慢、不够灵活；中国专利CN 110304223B公开了一种仿生蝠鲼鱼结构，其采用吸排水机构控制仿生蝠鲼鱼的浮力大小，实现上浮、下潜动作，但是此结构控制存在较大的迟滞性，故俯仰运动不灵活；中国专利CN 107323638 A提出一种仿生蝠鲼鱼结构，采用两侧胸鳍各两路舵机的结构，其结构较为复杂。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种仿生蝠鲼装置，解决现有控制结构驱动力较小，结构复杂、运动不灵活的问题。
[0005]本专利技术的另一目的是提供一种仿生蝠鲼装置的工作方法，解决现有姿态控制存在迟滞性、运动不灵活的问题。
[0006]技术方案：本专利技术所述的仿生蝠鲼装置，包括基体，所述基体两侧通过连接件连接胸鳍，所述基体内设置有动力总成、动量轮机构和控制总成，所述动力总成包括动力舵机、齿轮组和传动组件，所述动力舵机的输出轴与齿轮组连接，所述齿轮组通过传动组件与连接件连接驱动胸鳍动作，所述动量轮机构包括动量轮舵机，电机，动量轮支架和动量轮，所述动量轮固定在动量轮支架上，所述动量轮舵机与动量轮支架连接驱动动量轮支架转动，所述电机和动量轮连接驱动动量轮转动，所述控制总成包括主控板，所述主控板控制动力舵机和动量轮舵机动作。
[0007]所述连接件包括连接板、连接座和传动轴，所述连接板设置在胸鳍上，所述连接座对应连接板设置在基体上，所述连接板和连接座之间通过传动轴连接。
[0008]为了使胸鳍具有更好的韧性及支撑性能，所述胸鳍包括侧板、鳍条组、和柔性蒙皮，所述柔性蒙皮覆盖在鳍条组上并与侧板粘结，所述鳍条组包括主鳍条、副鳍条和支撑条，所述主鳍条一端固定在侧板上，沿主鳍条长度方向间隔平行排布若干副鳍条，每个副鳍条上间隔平行排布若干支撑条，所述柔性蒙皮内表面与每个支撑条的末端相切。
[0009]为了传递驱使胸鳍的动作的驱动力，所述传动组件包括花键轴、锥齿轮传动件，所述花键轴穿过齿轮组后两端通过锥齿轮传动件与传动轴连接。
[0010]所述锥齿轮传动件包括左锥齿轮和右锥齿轮，左锥齿轮和右锥齿轮的齿轮轴穿过
基体与花键轴连接，所述传动轴上设置有与左锥齿轮或右锥齿轮啮合的锥齿轮。
[0011]为有效减小流体阻力，所述基体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过螺钉连接，所述上壳体和下壳体扣合后侧面为NACA0012标准翼型截面。
[0012]方便安装动量轮，所述动量轮支架为矩形中空框架结构，动量轮机构包括左动量轮机构和右动量轮机构，所述左动量轮机构和右动量轮机构的动量轮支架的一侧长边与对应的动量轮连接，两侧短边通过法兰轴与基体内的动量轮机构固定座连接。
[0013]为方便采集信息，所述上壳体的靠近头部一侧设置有摄像头，所述下壳体远离头部一侧设置有陀螺仪、深度传感器和GPS模块，所述控制总成还包括运动控制板和传感器控制板，所述主控板通过运动控制板控制与动力舵机和动量轮舵机电连接，所述主控板通过传感器控制板控制陀螺仪、深度传感器和GPS模块。
[0014]本专利技术所述的仿生蝠鲼装置的工作方法，包括如下步骤：
[0015](1)主控板根据仿生蝠鲼装置的初始位置P0和预设目标位置P
n
进行路径规划，生成路径坐标序列P0,
…
,P
i
,
…
,P
n
，其中1≤i≤n，P
i
为第i时刻仿生蝠鲼装置的目标位置；
[0016](2)当仿生蝠鲼装置在水面上主控板控制GPS模块获取当前实际位置当仿生蝠鲼装置潜入水下，则主控板根据陀螺仪、深度传感器采集的信息得到相对于上一时刻实际位置的增量，从而获得当前实际位置
[0017](3)主控板根据当前实际位置和路径序列对应的位置的偏差计算目标俯仰角φ
i
、偏航角γ
i
、航速V
i
；
[0018](4)主控板根据陀螺仪、深度传感器传感器采集的信息得到当前时刻实际的俯仰角φ
t
、偏航角γ
t
、航速V
t
；
[0019](5)主控板根据步骤(3)和步骤(4)得到的数据计算得到俯仰角偏差e
φ
、偏航角偏差e
γ
、航速偏差e
V
，将e
φ
作为俯仰运动PID闭环控制算法的输入量，通过PID闭环控制算法来计算动量轮进动角的俯仰运动控制增量将e
γ
作为转向运动PID闭环控制算法的输入量，通过PID闭环控制算法来计算动量轮的进动角的偏航运动控制增量将e
V
作为航速调节PID闭环控制算法的输入量，通过PID闭环控制算法来计算动力舵机的摆动频率增量和振幅增量
[0020](6)主控板根据得到的俯仰运动控制增量和偏航运动控制增量计算得到下一时刻的动量轮舵机偏转角度，根据摆动频率增量和振幅增量计算得到下一时刻的动力舵机摆动频率f
i
和振幅θ
i
；
[0021](7)重复步骤(2)～(6)，直至控制仿生蝠鲼装置到达预设目标位置。
[0022]所述步骤(3)中目标俯仰角φ
i
、偏航角γ
i
、航速V
i
的计算公式为：
[0023][0024]其中Δx
i
,Δy
i
,Δz
i
为和P
i
的位置坐标偏差；
[0025]优选的是，所述步骤(6)中左动量轮舵机偏转角度为和右动量轮舵机偏转角度为的计算公式如下：
[0026][0027]动力舵机摆动频率f
i
和振幅θ
i
的计算公式如下：
[0028][0029]有益效果：本专利技术采用单舵机控制双边柔性胸鳍，在为仿生鱼运动提供足够动力的同时，明显降低了对多个舵机/电机等执行机构进行控制的复杂程度，本专利技术采用动量轮结构完成俯仰运动以及转弯运动及相应的姿态控制，更加灵活，本专利技术采用的鳍条结构，使胸鳍具有更好的韧性及支撑性能，在保证胸鳍的被动变形性能的同时，对柔性蒙皮也具有良好的支撑。本专利技术的控制方法配合动量轮机构及动力机构能够本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生蝠鲼装置，包括基体，所述基体两侧通过连接件连接胸鳍，其特征在于，所述基体内设置有动力总成、动量轮机构和控制总成，所述动力总成包括动力舵机、齿轮组和传动组件，所述动力舵机的输出轴与齿轮组连接，所述齿轮组通过传动组件与连接件连接驱动胸鳍动作，所述动量轮机构包括动量轮舵机，电机，动量轮支架和动量轮，所述动量轮固定在动量轮支架上，所述动量轮舵机与动量轮支架接驱动动量轮支架转动，所述电机连接动量轮驱动动量轮转动，所述控制总成包括主控板，所述主控板控制动力舵机和动量轮舵机动作。2.根据权利要求1所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述连接件包括连接板、连接座和传动轴，所述连接板设置在胸鳍上，所述连接座对应连接板设置在基体上，所述连接板和连接座之间通过传动轴连接。3.根据权利要求1所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述胸鳍包括侧板、鳍条组、和柔性蒙皮，所述柔性蒙皮覆盖在鳍条组上并与侧板粘结，所述鳍条组包括主鳍条、副鳍条和支撑条，所述主鳍条一端固定在侧板上，沿主鳍条长度方向间隔平行排布若干副鳍条，每个副鳍条上间隔平行排布若干支撑条，所述柔性蒙皮内表面与每个支撑条的末端相切。4.根据权利要求2所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述传动组件包括花键轴、锥齿轮传动件，所述花键轴穿过齿轮组后两端通过锥齿轮传动件与传动轴连接。5.根据权利要求4所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述锥齿轮传动件包括左锥齿轮和右锥齿轮，左锥齿轮和右锥齿轮的齿轮轴穿过基体与花键轴连接，所述传动轴上设置有与左锥齿轮或右锥齿轮啮合的锥齿轮。6.根据权利要求1所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述基体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过螺钉连接，所述上壳体和下壳体扣合后侧面为NACA0012标准翼型截面。7.根据权利要求1所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述动量轮支架为矩形中空框架结构，动量轮机构包括左动量轮机构和右动量轮机构，所述左动量轮机构和右动量轮机构的动量轮支架的一侧长边与对应的动量轮连接，两侧短边通过法兰轴与基体内的动量轮机构固定座连接。8.根据权利要求6所述的仿生蝠鲼装置，其特征在于，所述上壳体的靠近头部一侧设置有摄像头，所述下壳体远离头部一侧设置有陀螺仪、深度传感器和GPS模块，所述控制总成还包括运动控制板和传感器控制板，所述主控板通过运动控制板控制与动力舵机和动量轮舵机电连接，所述主控板通过传感器控制板控制陀螺仪、深度传感器和GPS模块。9.如权利要求1
‑
8任一项所述的仿生蝠鲼装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)主控板根据仿生蝠鲼装置的初始位置P0和预设目标位置P
n
进行路径...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏世杰，孙高枕，陶凯杰，刘硕，徐可欣，张建，陈赟，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：