【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人控制领域及功能材料领域，尤其一种可变刚度仿生机器鱼及其控制方法。
技术介绍
1、海洋与生物学相关领域的机器人技术，鱼状机器人作为最常见的仿生类型之一，已被广泛的研究和应用于多个领域，包括水体勘探，生物多样性检测和水体质量监测。
2、鱼类机器人的驱动方式可以分为电机、气压液压、智能材料以及混合模式驱动，而柔性鱼类机器人依靠其优异的环境适应性，轻量化以及低成本等特点逐渐成为了研究热点。其中以液压气压驱动以及智能材料驱动的研究最为广泛，而气压液压驱动有着大体积能量损耗大的问题，智能材料驱动则很难实现快速致动以及大负载。因此设计一种鱼类机器人，兼顾柔性以及刚性机器人的优点，使其能够以较高的机械效率运行，同时具有较大的负载能力，使其能够携带装备进行勘探工作是急需解决的技术问题。
3、公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术总体
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于可变刚度材料的摆动驱动的仿生机器鱼，通过利用这种材料可变刚度的特性，将其作为鱼尾，通过热调节其刚度，从而使得鱼类机器人在水中实现固定驱动频率下不同的行波速度。兼顾柔性以及刚性机器人的优点，使其能够以较高的机械效率运行，同时具有较大的负载能力，
2、为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种可变刚度仿生机器鱼，包括鱼头控制仓和
4、可变刚度鱼尾由被鱼尾支撑骨架包裹的可变刚度材料以及柔性尾鳍连接而成，具体的，可变刚度材料与柔性尾鳍通过超声粘合紧密连接，鱼尾支撑骨架均匀分布于可变刚度鱼尾之上，可变刚度材料的两侧安装有多段加热电路，多段加热电路通过柔性导热胶黏附于可变刚度材料两侧，多段加热电路和可变刚度材料之间设置有温度传感器；多段加热电路包含但不限于2段加热电路；
5、其中，每一段加热电路独立加热，使多段加热电路进行分段刚度变化，以对可变刚度鱼尾的形变进行调控。
6、进一步的，鱼头控制仓由鱼头刚性外壳与鱼身底面连接组成，鱼身底面朝向刚性转动面设置，并与刚性转动面铰接，鱼头刚性外壳由上到下分为驱动控制舱及配重舱，驱动控制舱内设置有驱动装置，能源装置，浮沉装置以及控制装置；
7、控制装置包括设置在驱动控制舱顶部的控制板，以及设置在驱动控制舱远离鱼身底面一端的摄像头，摄像头与所述控制板连接，控制板上连接有天线；用于保证无线信号能够稳定接收；
8、驱动装置设置在鱼头控制仓的中轴线上，驱动装置内设置有驱动舵机；驱动舵机上设置有驱动线，驱动线穿过鱼身底面与刚性转动面连接；驱动线外套设有柔性防水层；保证驱动过程中区内密封且防水，牵引线由多股绞合尼龙线制成，柔性防水层由硅胶制成，硅胶的硬度作为优选为邵氏硬度0度～20度。硅胶层的厚度作为优选为0.1～0.8mm。
9、能源装置设置在驱动装置与鱼身底面之间，能源装置内设置有动力电池；能够保持平衡以及防止鱼身侧翻，
10、浮沉装置设置在驱动控制舱的底部，包括齿轮传动组件和排水仓，齿轮传动组件的输出端设置有推进杆，推进杆在排水仓内往复移动。
11、齿轮传动组件包括依次连接设置的微型电机、齿轮轴和齿条，齿条的另一端安装有推进杆，推进杆的两端与排水仓的侧壁抵接。通过齿轮的往复转动带动齿条进行往复简谐运动，从而实现排水仓内的水位的控制。下沉时，推进杆回拉，使排水仓内充满水，从而仿生机器鱼下沉，通过控制排水量，对下沉深度进行控制。上浮过程，推进杆推动排水仓排水，此时鱼的整体密度减小，在浮力的作用下逐渐上升。
12、进一步的，鱼尾支撑骨架外侧包裹柔性蒙皮，柔性蒙皮的的硬度作为优选为邵氏硬度0度，蒙皮厚度作为优选为0.5～1.5mm。
13、进一步的，鱼头刚性外壳为透明塑料材质，以保证仓内可以排布视觉装置。鱼身底面为聚四氟乙烯镀层的金属，增加耐磨以及提供足够的平衡重量。
14、进一步的，可变刚度材料由pu和低熔点金属按照7:3的体积比复合而成，pu的邵氏硬度在70a～90a之间，玻璃化转变温度在80～100℃之间；pu为热固性聚氨酯。
15、低熔点金属的粒径为100nm～35μm，低熔点金属的熔点范围在30～70℃之间。低熔点金属通过涡流剪切破碎制成100nm～35μm之间的小颗粒，并通过高速搅拌与pu材料进行复合。复合制得的可变刚度材料能过在玻璃化温度区间以及熔点区间附近拥有平缓的刚度平台，而在其余温度区间内拥有连续可调的刚度变化。可变刚度材料在颗粒熔点前后由刚性向柔性进行转变，而在玻璃化转变结束后完全变为柔性材料，而在温度降低后，可变刚度材料恢复刚性，能够锁定在转变为柔性材料过程中所产生形变，可变刚度材料在无外力刺激的情况下，由刚性转变为柔性后，能够自行恢复为初始形状。
16、进一步的，低熔点金属为包含银、铟、锡和铋的镓基合金，其中，按照质量比计算，镓含量为36％～48％，铟含量为20％～26％，锡含量为16％～20％，铋含量为4％～6％，银含量为2％～6％。
17、进一步的，多段加热电路中的温度t与可变刚度材料的关系如下所示：
18、
19、其中，mumetal为低熔点金属模量，mupu为pu模量，tmelting为低熔点金属的熔点温度，gtt为pu的玻璃化转变温度。
20、本专利技术的第二个目的是提供一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，通过可变刚度仿生机器鱼的刚度变化，改变鱼身的升力，从而实现大负载的勘察任务。
21、为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
22、一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，调控多段加热器的闭合状态以及温度设置，使仿生机器鱼的刚度产生变化，控制仿生机器鱼在水中沿任意轨迹运动；
23、其中，仿生机器鱼的速度控制由刚度调控实现，仿生机器鱼的转向控制由快速刚度切换实现，仿生机器鱼的浮沉控制由刚度调控与浮沉调控实现。具体通过浮沉装置下潜，随后基于工作环境进行鱼尾刚度的调度，打开驱动舵机使得可变刚度鱼尾进行往复摆动，摆动频率优选在0.5～1hz。
24、进一步的，打开多段加热器，当温度到达低熔点金属熔点附近时，此时可变刚度材料的刚度会产生突变，可变刚度材料从刚性切换为柔性，可变刚度鱼尾向柔性鱼尾转变；
25、多段加热器继续加热至pu的玻璃化转变温度，可变刚度鱼尾的刚度逐渐降低至完全转化为柔性鱼尾，可变刚度鱼尾的模量减小，柔性鱼尾产生的推进力及上升力降低，鱼尾摆动时的包络线向两侧发散，仿生机器鱼的前进速度降低，通过调节浮沉装置弥补由于速度下降所损失的上升力，使得鱼身在水中稳定下潜深度；具体的，多段加热器继续加热，向pu的玻璃化转变温度上升，可变刚度材料的柔度会进一步的提高，鱼尾的刚度会逐渐降低，此时，柔性鱼尾本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，包括鱼头控制仓和可变刚度鱼尾，所述可变刚度鱼尾连接于刚性转动面上，所述刚性转动面与所述鱼头控制仓铰接；
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼头控制仓由鱼头刚性外壳与鱼身底面连接组成，所述鱼身底面朝向所述刚性转动面设置，并与所述刚性转动面铰接，所述鱼头刚性外壳由上到下分为驱动控制舱及配重舱，所述驱动控制舱内设置有驱动装置，能源装置，浮沉装置以及控制装置；
3.根据权利要求2所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述可变刚度材料由PU和低熔点金属复合而成，所述PU的邵氏硬度在70A～90A之间，玻璃化转变温度在80～100℃之间；
4.根据权利要求3所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述低熔点金属为包含银、铟、锡和铋的镓基合金，按照质量比计算，镓含量为36％～48％，铟含量为20％～26％，锡含量为16％～20％，铋含量为4％～6％，银含量为2％～6％。
5.根据权利要求3所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述多段加热电路中的温度T与可变刚度材料的
6.根据权利要求2～5所述的一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，调控所述多段加热器的闭合状态以及温度设置，使所述仿生机器鱼的刚度产生变化，控制所述仿生机器鱼在水中沿任意轨迹运动；
7.根据权利要求6所述的一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，
8.根据权利要求6所述的一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，在不同摆动姿态下多段加热器停止加热，可变刚度材料会将形变锁定，从而使得可变刚度鱼尾的形状改变，以获得不同的运动特性。
9.根据权利要求6所述的一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，可变刚度鱼尾向右摆动，多段加热器停止加热，可变刚度鱼尾的形状会被锁定为“C”型，可变刚度鱼尾的左侧排水量小于右侧排水量，仿生机器鱼向右侧转向；
10.根据权利要求6所述的一种可变刚度仿生机器鱼的控制方法，其特征在于，多段加热器开始加热，可变刚度鱼尾停止摆动且位置与仿生机器鱼的中轴线重合时，形变的鱼尾自然恢复成初始状态，从而恢复运动特性。
...【技术特征摘要】
1.一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，包括鱼头控制仓和可变刚度鱼尾，所述可变刚度鱼尾连接于刚性转动面上，所述刚性转动面与所述鱼头控制仓铰接；
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述鱼头控制仓由鱼头刚性外壳与鱼身底面连接组成，所述鱼身底面朝向所述刚性转动面设置，并与所述刚性转动面铰接，所述鱼头刚性外壳由上到下分为驱动控制舱及配重舱，所述驱动控制舱内设置有驱动装置，能源装置，浮沉装置以及控制装置；
3.根据权利要求2所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述可变刚度材料由pu和低熔点金属复合而成，所述pu的邵氏硬度在70a～90a之间，玻璃化转变温度在80～100℃之间；
4.根据权利要求3所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述低熔点金属为包含银、铟、锡和铋的镓基合金，按照质量比计算，镓含量为36％～48％，铟含量为20％～26％，锡含量为16％～20％，铋含量为4％～6％，银含量为2％～6％。
5.根据权利要求3所述的一种可变刚度仿生机器鱼，其特征在于，所述多段加热...
【专利技术属性】
技术研发人员：李绿洲，丁建宁，徐嘉玮，解文翔，董旭，江瑶瑶，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：
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