[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

说明书

本发明公开了一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法，为机器鱼研究提供理论基础，改进的鱼体波方程是在考虑鱼头晃动的条件下推导得到的，本发明设计方法是基于改进的鱼体波方程进行设计计算的，使设计的机器鱼游动更加符合真实鱼类的运动规律，通过控制各个主驱动关节的控制方程，能使仿生机器鱼具有快速转向的能力，使机器鱼能够获得更大的转弯力矩，最终能够使机器鱼具备良好的推进性能。三关节结构具有主驱动关节和从驱动关节，从驱动关节的脊椎骨铰链依真实鱼类的脊椎骨而设计，使机器鱼的运动自由度增多，使机器鱼游动起来更好的切合鱼类运动曲线，游动也更加接近真实的鱼类，且游动时没有再发生脱节现象。

技术领域

本发明涉及机器鱼技术领域，特别是一种基于改进鱼体波方程的机器鱼三关节设计方法。

背景技术

现有机器鱼的关节结构，如申请号为201510557116X，发明名称为一种仿生智能机器鱼的摆动机构的专利，其鱼身包括三个主驱动关节，如图5中5a、5b所示，每个主驱动关节包括舵机(4)和驱动杆(3)，经本申请人多次实验经验得出，这种只有三个主驱动关节的结构，限制了机器鱼的摆动自由度，导致了其游动时容易发生脱节，且在驱动杆处中间部位容易发生断裂，根据研究分析得出：驱动杆既要承受摆动方向(即水平方向)上的力，又要承受自身重力(即垂直方向)，驱动杆所承受的合力较大，易在关节驱动杆连接处造成应力集中，因为容易导致断裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于改进鱼体波方程设计机器鱼驱动关节的方法以及机器鱼的三关节结构。

本发明采用的技术方案是：

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，在每个主驱动关节之间，即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，并计算得到每个主驱动关节之间从驱动关节的数量为四个；