[发明专利]一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法

权利要求书

1.一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：所述机器鱼包括三个主驱动关节，分别为第一主驱动关节、第二主驱动关节和第三主驱动关节，设计方法包括：

步骤一，以仿生机器鱼原始运动学模型f_B(x,t)为基础，在考虑鱼头晃动的条件下，推导得到改进的鱼体波方程：

f_b(x,t)＝[c₁(x-m)+c₂(x-m)²]sin[ωt+k(x-m)]

其中：f_b(x,t)为鱼体的横向位移；c₁为鱼体波波幅包络线的一次项系数；c₂为鱼体波波幅包络线的二次项系数；m为机器鱼鱼头的晃动中心距离头部与尾部运动关节连接点的距离；ω为鱼体波频率；k为鱼体波波数，k＝2π/λ，λ为鱼体波波长；

步骤二，以成年金龙鱼为原型，根据步骤一得到的改进后鱼体波方程计算得到三个主驱动关节的长度比例为1:1:1.2；

每个主驱动关节均包括一个舵机和驱动杆，驱动杆一端与舵机的输出轴连接，另一端与相邻主驱动关节的舵机固定连接；

步骤三，根据步骤一得到的改进后的鱼体波方程，利用最小误差拟合曲线法推导得到每个主驱动关节的控制方程：

其中：j＝1...3；a_j为每个关节的摆动幅值；为第j个关节在转弯时收缩阶段的用时；为第j个关节在转弯时释放阶段的用时；

步骤四，在第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三主驱动关节之间、第三主驱动关节与鱼尾之间沿鱼身体长方向设置有若干个从驱动关节，并计算得到第一主驱动关节与第二主驱动关节之间、第二主驱动关节与第三主驱动关节之间、第三主驱动关节与鱼尾之间的从驱动关节的数量均为四个；

每个从驱动关节包括支撑环、脊椎骨铰链和脊椎骨铰链连接杆，支撑环上具有用于固定脊椎骨铰链的卡槽，脊椎骨铰链具有第一连接部和第二连接部，第二连接部呈U型，第二连接部卡设于支撑环的卡槽中，第一连接部通过脊椎骨铰链连接杆与前一个从驱动关节的第二连接部转动连接，第二连接部通过脊椎骨铰链连接杆与后一个从驱动关节的第一连接部转动连接，多个从驱动关节的脊椎骨铰链首尾相连形成机器鱼的脊椎。

2.根据权利要求1所述的基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：多个支撑环的外部轮廓大小与机器鱼鱼身轮廓形状吻合。

3.根据权利要求2所述的基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：支撑环内部靠近鱼背处具有一个连接杆，该连接杆的上下两个端面上开设有用于卡接脊椎骨铰链第二连接部的卡槽，与主动驱动关节的舵机相连的支撑环内部，于靠近鱼腹处具有一个用于卡接舵机的卡槽。

4.根据权利要求3所述的基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：支撑环内部与脊椎骨铰链和舵机之间设置有泡沫。

5.根据权利要求1所述的基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，其特征在于：舵机设置于舵机外壳内，舵机外壳上开设有弧形轨道，驱动杆中间部位向下垂直连接有一个支撑杆，支撑杆的底端连接有一个滚球，舵机带动驱动杆转动，驱动杆带动支撑杆连同滚球在弧形轨道内来回滚动。